Полимеры и электротехническая медь

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Материаловедение»

Работу выполнил: студент

заочного отделения, 2 курса Котенков А.В.

КАЗАНЬ - 2012

Содержание

Введение

. Полимеры - основа неметаллических конструкционных материалов.

.1 Реакции полимеризации

.2 Реакции сополимеризации

.3 Реакции поликонденсации

.4 Термопластичные полимеры

.5 Термореактивные полимеры

. Электротехническая медь

Заключениеписок используемой литературы

Введение

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, состоящие из одной, двух или более малых молекул (звеньев), которые связаны между собой химической связью. Полимеры получаются методами полимеризации и поликонденсации. Исходные для образования полимера молекулы (мономеры) должны быть по крайней мере двухфункциональными[1].

Образование высокомолекулярного соединения из простых молекул-мономеров происходит в ходе реакций полимеризации и поликонденсации. Мономерами в процессе полимеризации являются олефины, диены, алкены, альдегиды, циклические кислород- и азотсодержащие насыщенные гетероциклы, циклические карбонаты и лактамы. Двухосновные спирты, кислоты, диамины, диизоцианаты, фосген и дифенолы, R₂Si(OH)₂ являются исходными реагентами в реакции поликонденсации (в различных сочетаниях). Процесс полимеризации является цепным процессом с растущим активным центром, участвующим в стадиях роста кинетической и молекулярной цепей. Процесс поликонденсации - ступенчатый процесс (отсутствует кинетическая цепь), в котором образующиеся продукты взаимодействуют друг с другом или с исходными реагентами. Процессы полимеризации, в зависимости от природы активного центра растущей цепи, бывают радикальными, анионными, катионными и координационными (каталитическими).

У меди уникальное сочетание свойств, обеспечившее ей широкое применение, - высокие электро- и теплопроводность, хорошая коррозионная стойкость, высокая пластичность и привлекательный естественный цвет. Более 70% всей потребляемой меди идет на электротехнические изделия, 15% - на элементы строительных конструкций, 5% - на детали машин и механизмов, 4% - на транспортные конструкции и 4% - на другие виды изделий, в том числе на изготовление артиллерийского оружия[2].

Таким образом, актуальность данной работы вызвана той огромной ролью, которую играют в качестве конструкционных материалов полимеры и электротехническая медь.

Объект исследования данного реферата являются полимеры и электротехническая медь.

Цель написания данной работы, это описание реакций полимеризации и влияние примесей на медь.

При написании данного реферата необходимо было решить следующие задачи:

-       описать реакции полимеризации (реакции получения, реакции полимеризации, реакции сополимеризации, реакции поликонденсации, термопластичные и термореактивные полимеры);

-       привести влияние примесей на технические свойства меди.

Информационная база, которая использовалась при написании данной работы основывается на научно-теоретической литературе по материаловедению.

Структура работы следующая: введение, основана часть из двух разделов, заключение, список использованной литературы.

1. Полимеры - основа неметаллических конструкционных материалов

1.1 Реакции полимеризации

Полимеризация - реакция образования полимера без образования низкомолекулярных продуктов. В качестве мономера используется молекула, содержащая кратную связь[3]. При полимеризации этилена роль бифункциональной структурной единицы играет двойная связь, которая под влиянием инициатора (например, органического пероксида перикиси бензолоила (C₆H₅COO)₂), легко переходит в радикальное состояние R∙; присоединение радикала создает условия для роста цепи

Для реакции полимеризации характерны три стадии: инициирование, рост цепи и обрыв цепи:

 обрыв цепи

полимер электротехническая медь

Этот тип полимеризации называется радикальным[4].

Полимеризация может инициироваться катионами или анионами (ионами). Ионная полимеризация включает те же стадии (инициирование, рост цепи, обрыв цепи). Инициаторами катионной полимеризации могут быть H+, неорганические апротонные кислоты SnCl₄, AlCl₃, металлоорганические соединения Al(C₂H₅)₃. Инициаторами анионной полимеризации обычно служат электронодонорные соединения (щелочные металлы, их алкоголяты и т. д.).

Катионная полимеризация:

Анионная полимеризация:

Полимеризация может осуществляться между разными мономерами. Такие соединения называют сополимерами. В табл. 1 приведены примеры полимеров и сополимеров, получаемых реакцией полимеризации[5].

Таблица 1 Важнейшие полимеры и сополимеры

1.2 Реакции сополимеризации

Рассмотрим особенности процесса радикальной сополимеризации. В случае сополимеризации молекул А и В с образованием радикалов, центрированных на молекулах А или В растущей цепи, должны иметь место 4 стадии роста цепи[6]:

Итак, в случае радикальной полимеризации мы имеем дело с распределением продуктов по молекулярным массам и многомаршрутный процесс с бесконечно большим числом маршрутов. Продукты реакции P_i образуются в стадиях роста при передаче цепи на мономер.

Второй путь образования продуктов (полимерных молекул) - стадии обрыва цепи на X_i и X_j.

1.3 Реакции поликонденсации

В общем виде схема основной реакции поликонденсации-роста цепи - может быть представлена следующим, образом.:

(n и m-любое целое число, включая единицу, X и Y-исходные функциональные группы, А - низкомолекулярный продукт поликонденсации). При этом взаимодействие мономеров друг с другом или с образовавшимися олигомерами и последних между собой подчиняется практически одним и тем же законам[7].

Поскольку при поликонденсации мономеры исчерпываются уже при невысоких степенях завершенности реакции, рост цепи высокомолекулярного полимера происходит преим. в результате многократного соединения между собой олигомерных или полимерных молекул по концевым функциональным группам (принцип многократного удвоения), при этом число молекул в системе уменьшается (в этом ступенчатый характер поликонденсации). Уменьшается в ходе поликонденсации и количество исходных функциональных групп - реакционных (активных) центров, хотя в ряде случаев образующиеся при поликонденсации связи реагируют как между собой, так и с исходными реакционными центрами. Росту полимерной цепи при равновесной поликонденсации сопутствует обратная реакция полимера с выделяющимся низкомолекулярным продуктом, что ограничивает молекулярную массу полимера.

Типичная реакция поликонденсации лежит в основе получения фенолформальдегидных смол[9]

+

1.4 Термопластичные полимеры

Термопластичные полимеры способны многократно размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Эти и многие другие свойства термопластичных полимеров объясняются линейным строением их макромолекул. При нагревании взаимодействие между молекулами ослабевает и они могут сдвигаться одна относительно другой, полимер размягчается, превращаясь при дальнейшем нагревании в вязкую жидкость. На этом свойстве базируются различные способы формования изделий из термопластов, а также соединение их сваркой[10].

Однако на практике не все термопласты так просто можно перевести в вязко-текучее состояние, так как температура начала термического разложения некоторых полимеров ниже температуры их текучести (поливинилхлорид, фторопласты и др.). В таком случае используют различные технологические приемы, снижающие температуру текучести (например, вводя пластификаторы) или задерживающие термодеструкцию (введением стабилизаторов, переработкой в среде инертного газа).

Линейным строением молекул объясняется также способность термопластов не только набухать, но и хорошо растворяться в правильно подобранных растворителях. Тип растворителя зависит от химической природы полимера. Растворы полимеров даже очень небольшой концентрации (2...5 %) отличаются довольно высокой вязкостью. Причиной этого являются большие размеры полимерных молекул по сравнению с молекулами обычных низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя полимер вновь переходит в твердое состояние. На этом основано использование растворов термопластов в качестве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и полимеррастворах.

К недостаткам термопластов относятся; низкая теплостойкость (обычно не выше 80... 120 °С), низкая поверхностная твердость, хрупкость при пониженных температурах и текучесть при высоких, склонность к старению под действием солнечных лучей и кислорода воздуха.

1.5 Термореактивные полимеры

Молекулы термореактивных полимеров до их отверждения имеют линейное строение, такое же, как молекулы термопластичных полимеров, но размер молекул реактопластов намного меньше.

В отличие от термопластов, у которых молекулы химически инертны и не способны соединяться друг с другом, молекулы термореактивных олигомеров химически активны. Они содержат либо двойные (ненасыщенные) связи, либо химически активные группы. Поэтому при определенных условиях (нагревании, облучении или добавлении веществ-отвердителей) молекулы термореактивных олигомеров соединяются друг с другом, образуя сплошную пространственную сетку, как бы одну гигантскую макромолекулу.

После отверждения свойства полимеров изменяются: они перестают размягчаться при нагревании, не растворяются, а только набухают в растворителях, становятся более прочными, твердыми и термостойкими.

К термореактивным полимерам, используемым в строительстве, относятся фенолоальдегидные, карбамидные, полиэфирные, эпоксидные и полиуретановые.

Фенолоальдегидные полимеры - первые синтетические полимеры, которые в начале XX в. начали получать методом поликонденсации фенолов с альдегидами. В качестве фенольного сырья применяют фенол, крезол, ксиленол и резорцин, а альдегидного - формальдегид, фурфурол, уротропин и лигнин.

Фенолоформальдегидные полимеры ~ наиболее распространенные полимеры этого класса. Их получают поликонденсацией фенола с формальдегидом. Фенол представляет собой бесцветные кристаллы с характерным сильным запахом; токсичен. Вдыхание его приводит к отравлению, а попадание на кожу вызывает ожоги. Формальдегид - газ, тоже с резким удушливым запахом. Следует помнить, что отрицательные свойства, присущие исходным компонентам, в значительной степени передаются и полимеру. В зависимости от соотношения исходных продуктов поликонденсации и характера катализаторов получают различные виды фенолоформальдегидных полимеров[11].

2. Электротехническая медь

Медь (лат. Cuprum) - один из семи металлов, известных с глубокой древности. Значительные запасы медных руд находятся в США, Чили, России (Урал), Казахстане (Джезказган), Канаде, Замбии и Заире[12].

Медь входит в состав более 150 минералов, промышленное применение нашли 17 из них, в том числе: борнит (Cu₅FeS₄), халькопирит (медный колчедан - CuFeS₂), халькозин (медный блеск - Cu₂S), ковеллин (CuS), малахит (Cu₂(OH)₂[CO₃]). Переработка сульфидных руд дает около 80% от всей добываемой меди.

У меди уникальное сочетание свойств, обеспечившее ей широкое применение, - высокие электро- и теплопроводность, хорошая коррозионная стойкость, высокая пластичность и привлекательный естественный цвет. Более 70% всей потребляемой меди идет на электротехнические изделия, 15% - на элементы строительных конструкций, 5% - на детали машин и механизмов, 4% - на транспортные конструкции и 4% - на другие виды изделий, в том числе на изготовление артиллерийского оружия. Строительная промышленность потребляет около 40% всей производимой меди, электротехника и электроника около 26%, общее машиностроение - около 14%, транспортное машиностроение - около 11%, промышленность товаров широкого потребления - остальные 9%. Кабели, электротехнические шины, трансформаторные обмотки и другие электротехнические изделия изготавливаются из разных сортов меди. В тех случаях, когда требуется максимальная электропроводность, применяется "бескислородная медь с высокой электропроводностью", в других же случаях пригодна "технически чистая" медь, содержащая 0,02-0,04% кислорода. Небольшая добавка мышьяка повышает прочность красной меди (продукта огневого рафинирования), но такая медь, содержащая кислород, с трудом поддается сварке. Медь с пониженным содержанием кислорода обладает хорошими литьевыми свойствами и применяется для изготовления химико-технологического оборудования, медных труб, автомобильных радиаторов, судовых конденсаторов, бытовых водопроводных труб, кровельного материала и других технических изделий[13].

В природе встречается и самородная медь.

Чистая медь - ковкий и мягкий металл в изломе розоватого цвета, достаточно тяжелый, отличный проводник тепла и электричества, легко подвергается обработке давлением. Именно эти качества позволяют применять изделия из меди в электротехнике - в настоящее время более 70% всей производимой меди идет на выпуск электротехнических изделия. Для изделий с максимальной электропроводностью, используют так называемую «безкислородную» медь. В иных случаях годна и технически чистая медь, содержащая 0,02-0,04% кислорода.

Основные характеристики меди: удельный вес - 8,93 г/cм3, температура плавления - 1083°С, удельное электрическое сопротивление меди при 20°С 0,0167 Ом*мм²/м. Чистая медь обладает высокой электрической проводимостью (на втором месте после серебра). Именно это качество меди используют в промышленности для изготовления электротехнических шин из меди.

Медные шины изготавливаются по ГОСТ 434-78. Состояния в котором поставляются медные шины потребителю: не отожженная (маркировка - Т-твердое), отожженным (М-мягкое) и ТВ-твердые шины, изготовленные из бескислородной меди.

В деформированном состоянии прочность меди выше, чем у отожженного металла, а значения электропроводности понижены.

Сплавы, повышающие прочность и улучшающие другие свойства меди, получают введением в нее добавок, таких, как цинк, олово, кремний, свинец, алюминий, марганец, никель. На сплавы идет более 30% меди.

Латуни - сплавы меди с цинком (меди от 60 до 90% и цинка от 40 до 10%) - прочнее меди и менее подвержены окислению. При присадке к латуни кремния и свинца повышаются ее антифрикционные качества, при присадке олова, алюминия, марганца и никеля возрастает антикоррозийная стойкость. Листы, литые изделия используются в машиностроении, особенно в химическом, в оптике и приборостроении, в производстве сеток для целлюлознобумажной промышленности.

Бронзы. Раньше бронзами называли сплавы меди (80-94%) и олова (20-6%). В настоящее время производят безоловянные бронзы, именуемые по главному вслед за медью компоненту.

Алюминиевые бронзы содержат 5-11% алюминия, обладают высокими механическими свойствами в сочетании с антикоррозийной стойкостью.

Свинцовые бронзы, содержащие 25-33% свинца, используют главным образом для изготовления подшипников, работающих при высоких давлениях и больших скоростях скольжения.

Кремниевые бронзы, содержащие 4-5% кремния, применяют как дешевые заменители оловянных бронз.

Бериллиевые бронзы, содержащие 1,8-2,3% бериллия, отличаются твердостью после закалки и высокой упругостью. Их применяют для изготовления пружин и пружинящих изделий.

Кадмиевые бронзы - сплавы меди с небольшим количества кадмия (до1%) - используют при производстве троллейных проводов, для изготовления арматуры водопроводных и газовых линий и в машиностроении.

Припои - сплавы цветных металлов, применяемые при пайке для получения монолитного паяного шва. Среди твердых припоев известен медносеребряный сплав (44,5-45,5% Ag; 29-31% Cu; остальное - цинк)[14].

В России медные шины изготавливают нескольких заводов: Каменск-Уральский ОЦМ, Кольчугинский ОЦМ, Кировский ОЦМ.

Мировое производство меди в 2007 году выросло на 2,5% по сравнению с 2006 г. и составило 17,76 млн. тонн. Потребление меди в 2007 году выросло на 4%, при этом медное потребление Китая взлетело на 25% за год, в то время как медное потребление в США резко упало на 20%[15].

Заключение

Полимеризация- процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путём многократного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера, олигомера) к активным центрам в растущей молекуле полимера. Молекула мономера, входящая в состав полимера, образует т.наз. мономерное (структурное) звено. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера приблизительно одинаков.

Обычно мономерами являются соединения, содержащие кратные связи, которые способны, раскрываясь, образовывать новые связи с другими молекулами, обеспечивая рост цепей.

Механизм полимеризации обычно включает в себя ряд связанных стадий:

-        инициирование - зарождение активных центров полимеризации;

-        рост (продолжение) цепи - процесс последовательного присоединения молекул мономеров к центрам;

-        передача цепи - переход активного центра на другую молекулу;

-        разветвление цепи - образование нескольких активных центров из одного;

-        обрыв цепи - гибель активных центров.

У меди уникальное сочетание свойств, обеспечившее ей широкое применение, - высокие электро- и теплопроводность, хорошая коррозионная стойкость, высокая пластичность и привлекательный естественный цвет. Сплавы, повышающие прочность и улучшающие другие свойства меди, получают введением в нее добавок, таких, как цинк, олово, кремний, свинец, алюминий, марганец, никель. На сплавы идет более 30% меди.

Cписок используемой литературы

1.       А.Г. Стомберг, Д.П. Семченко. Физическая химия. М.: «Высшая школа»- 2003. 527с.

2.       В.А. Киреев. Курс физической химии. М.: Химия- 1995. 776с.

.        А.Б Лукьянов. Физическая и коллоидная химия. М.:Химия-2000. 224с.

.        Сангалов Ю.А. Полимеры и сополимеры изобутилена, 2001, 384 с.

.        Сангалов Ю.А. Полимеры и сополимеры бутилена, Фундаментальные проблемы и прикладные аспекты, 2001, 264 с.

.        Шур А.М. Высокомолекулярные соединения, 2001, 656 с.

.        Феттес Е.N. Химические реакции полимеров том 2, 2007, 536 с.

.        Кабанов В.А. Энциклопедия полимеров Том 3, 2007, 576 с.

.        Каргин В.А. Энциклопедия полимеров Том 3, 2007, 755 с.

.        Коршак В.В. Итоги науки химические науки химия и технология синтетических высокомолекулярных соединений том 6, 2001, 54 с.

.        Коршак В.В. Химия и технология синтетических высокомолекулярных соединений Том 9, 2007, 136 с.

.        Л.Ф. Попова. От лития до цезия. М., “Просвещение”, 2002, 266 с.

.        В.Е. Лунев. Познакомьтесь с медью. М.,”Металлургия”, 2005, 158 с.

.        Отв. за ред. Л.К. Иугалин. Химия минералов меди. Новосибирск, “Наука”, 2000, 196 с.

.        Л.Ф. Попова. Медь. М., “Просвещение”, 2009, 47 с.