Неорганічні полімери молекулярної структури. Органічні та неорганічні полімери

У 1833 році Й. Берцеліус узвичаїв термін «полімерія», яким він назвав один з видів ізомерії. Такі речовини (полімери) повинні були мати однаковий склад, але різною молекулярною масою, як наприклад етилен і бутилен. До сучасному розуміннютерміна «полімер» висновок Й. Берцеліуса не відповідає, тому що справжні (синтетичні) полімери на той час ще не були відомі. Перші згадки про синтетичні полімери відносяться до 1838 (полівініліденхлорид) та 1839 (полістирол) років.

Хімія полімерів виникла лише після створення А. М. Бутлеровим теорії хімічної будови органічних сполукі отримала подальший розвитокзавдяки інтенсивним пошукам способів синтезу каучуку (Г. Бушарда, У. Тілден, К Гаррієс, І. Л. Кондаков, С. В. Лебедєв). З початку 20-х років 20 століття стали розвиватися теоретичні уявленняпро будову полімерів.

ВИЗНАЧЕННЯ

Полімери- Хімічні сполуки з високою молекулярною масою (від декількох тисяч до багатьох мільйонів), молекули яких (макромолекули) складаються з великої кількостіповторюваних угруповань (мономірних ланок).

Класифікація полімерів

Класифікація полімерів заснована на трьох ознаках: їх походження, хімічній природі та відмінностях у головному ланцюжку.

З погляду походження всі полімери поділяють на природні (натуральні), яких відносять нуклеїнові кислоти, білки, целюлозу, натуральний каучук, бурштин; синтетичні (отримані в лабораторії шляхом синтезу та не мають природних аналогів), до яких відносять поліуретан, полівініліденфторид, фенолформальдегідні смолі та ін; штучні (отримані у лабораторії шляхом синтезу, але на основі природних полімерів) – нітроцелюлоза та ін.

Виходячи з хімічної природи, Полімери ділять на полімери органічної (в основі мономер - органічна речовина - всі синтетичні полімери), неорганічної (в основі Si, Ge, S та ін. неорганічні елементи– полісилани, полікремнієві кислоти) та елементоорганічної (суміш органічних та неорганічних полімерів – поліслоксани) природи.

Виділяють гомоцепні та гетероцепні полімери. У першому випадку головний ланцюг складається з атомів вуглецю або кремнію (полісілани, полістирол), у другому – скелет із різних атомів (поліаміди, білки).

Фізичні властивості полімерів

Для полімерів характерні два агрегатних стану– кристалічна та аморфна та особливі властивості – еластичність (оборотні деформації при невеликому навантаженні – каучук), мала крихкість (пластмаси), орієнтація при дії спрямованого механічного поля, висока в'язкість, а також розчинення полімеру відбувається за допомогою його набухання.

Одержання полімерів

Реакції полімеризації – ланцюгові реакції, Що являють собою послідовне приєднання молекул ненасичених сполук один до одного з утворенням високомолекулярного продукту - полімеру (рис. 1).

Мал. 1. Загальна схемаотримання полімеру

Так, наприклад, поліетилен одержують полімеризацією етилену. Молекулярна маса молекули сягає 1млн.

n CH 2 =CH 2 = -(-CH 2 -CH 2 -)-

Хімічні властивості полімерів

В першу чергу для полімерів будуть характерні реакції, характерні для функціональної групи, що є у складі полімеру. Наприклад, якщо до складу полімеру входить гідроксо-група, характерна для класу спиртів, отже, полімер братиме участь у реакціях подібно до спиртів.

По-друге, взаємодія з низькомолекулярними сполуками, взаємодія полімерів один з одним з утворенням сітчастих або розгалужених полімерів, реакції між функціональними групами, що входять до складу одного і того ж полімеру, а також розпад полімеру мономери (деструкція ланцюга).

Застосування полімерів

Виробництво полімерів знайшло широке застосування різних областяхжиття людства - хімічної промисловості(виробництво пластмас), машино – та авіабудуванні, на підприємствах нафтопереробки, в медицині та фармакології, сільському господарстві(виробництво гербіцидів, інсектицидів, пестицидів), будівельної промисловості (звуко- та теплоізоляція), виробництво іграшок, вікон, труб, предметів побуту.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 1

Слайд 2

НЕОРГАНІЧНІ полімери - полімери, молекули яких мають неорганічні головні ланцюги і містять органічних бічних радикалів (обертальних груп).

У природі широко поширені тривимірні сітчасті не органічні полімери, які у вигляді мінералів входять до складу земної кори(Напр., Кварц).

Слайд 3

На відміну від органічних полімерів, такі неорганічні полімери не можуть існувати у високоеластичному стані. Синтетично можуть бути отримані, наприклад, полімери сірки, селену, телуру, германію. Особливий інтереспредставляє неорганічний синтетичний каучук – поліфосфонітрилхлорид. Має значну високоеластичну деформацію

Слайд 4

Головні ланцюги побудовані із ковалентних чи іонно-ковалентних зв'язків; у деяких неорганічних полімерах ланцюжок іонно-ковалентних зв'язків може перериватися одиничними зчленуваннями координаційного характеру. Структурна класифікаціянеорганічних
полімерів здійснюється за тими ж ознаками, що і органічних полімерів.

Слайд 5

Серед природних неорганічних полімерів наиб. поширені сітчасті, що входять до складу більшості мінералів земної кори. Багато з них утворюють кристали типу алмазу або
кварц.

Слайд 6

Будова неорганічних полімерів

До утворення лінійних неорганічних полімерів здатні елементи верхніх рядів ІІІ-VІ гр. періодич. системи. Усередині груп зі збільшенням номера ряду здатність елементів до утворення гомо- або гетероатомних ланцюгів різко зменшується.

Галогени, як і в орг. полімерах, грають роль агентів обриву ланцюга, хоча всілякі їх комбінації з ін. елементами можуть становити бічні групи.

Слайд 7

Довгі гомоатомні ланцюги (утворюють лише вуглець і елементи VI гр.-S, Se і Ті. Ці ланцюги складаються лише з основних атомів і не містять бічних груп, але електронні структуривуглецевих ланцюгів та ланцюгів S, Se та Ті різні.

Слайд 8

Лінійні полімери вуглецю - кумулени = С = С = С = С = ... і кар-бін-С = С-С = С-...; крім того, вуглець утворює двомірні та тривимірні ковалентні кристали - відповідно графіт та алмаз.

Загальна формула кумуленів: RR¹CnR²R³

Слайд 9

Види неорганічних полімерів

Сірка, селен та телур утворюють атомні ланцюжки з простими зв'язками.

Їхня полімеризація має характер фазового переходу, причому температурна область стабільності полімеру має розмазану нижню і добре виражену верхню межу. Нижче і вище цих меж стійкі соотв. цикліч. октамери та двоатомні молекули.

Слайд 10

Практичний інтерес представляють лінійні неорганічні полімери, які є наиб. ступеня подібні до органічних - можуть існувати в тих же фазових, агрегатних або релаксаційних станах, утворювати аналогічні надмол. структури тощо.

Такі неорганічні полімери можуть бути термостійкими каучуками, склом, волокноутворюючими і т.п., а також виявляти ряд св-в, вже не властивих орг. полімерів. До них відносяться поліфосфазени, полімерні оксиди сірки (з різними бічними групами), фосфати, силікати.

Слайд 11

Застосування неорганічних полімерів

Переробка неорганічних полімерів у скла, волокна, ситали, кераміку тощо вимагає плавлення, а воно, як правило, супроводжується оборотною деполімеризацією. Тому зазвичай використовують модифікуючі добавки, що дозволяють стабілізувати в розплавах помірно розгалужені структури.

Переглянути всі слайди

У природі існують елементоорганічні, органічні та неорганічні полімери. До неорганічних відносять матеріали, головний ланцюг яких неорганічний, а бічні відгалуження не є вуглеводневими радикалами. До формування полімерів неорганічного походження найбільш схильні елементи III-VI груп періодичної системихімічні елементи.

Класифікація

Органічні та неорганічні полімери активно досліджуються, визначаються нові характеристики, тому чіткої класифікації цих матеріалів ще не вироблено. Втім, можна виділити певні групиполімерів.

Залежно від структури:

• лінійні;
• плоскі;
• розгалужені;
• полімерні сітки;
• тривимірні та інші.

Залежно від атомів головного ланцюга, що утворюють полімер:

• гомоланцюгові типу (-M-)n - складаються з одного виду атомів;
• гетероцепні типу (-M-L-)n - складаються з різних видіватомів.

Залежно від походження:

• природні;
• штучні.

Для віднесення до неорганічних полімерів речовин, які у твердому стані є макромолекулами, необхідна також наявність у них певної анізотропії просторової будови та відповідних властивостей.

Основні характеристики

Найбільш поширеними є гетероцепні полімери, в яких відбувається чергування електропозитивних та електронегативних атомів, наприклад, B і N, P і N, Si і O. Отримати гетероцепні неорганічні полімери (НП) можна за допомогою реакцій поліконденсації. Поліконденсація оксоаніонів прискорюється в кислому середовищі, А поліконденсація гідратованих катіонів - у лужній. Поліконденсація може бути проведена як у розчині, так і за наявності високої температури.

Багато гетероцепних неорганічних полімерів можна отримати тільки в умовах високотемпературного синтезу, наприклад, безпосередньо з простих речовин. Утворення карбідів, які є полімерними тілами, відбувається за взаємодії деяких оксидів з вуглецем, а також за наявності високої температури.

Довгі гомоланцюгі ланцюги (зі ступенем полімеризації n>100) утворюють карбон і p-елементи VI групи: сірка, селен, телур.

Неорганічні полімери: приклади та застосування

Специфіка НП полягає у освіті полімерних з регулярною тривимірною структурою макромолекул. Наявність жорсткого каркасу хімічних зв'язківнадає таким сполукам значної твердості.

Зазначене властивість дозволяє використовувати як неорганічні полімери. Застосування цих матеріалів знайшло найширше застосуванняу промисловості.

Виняткова хімічна та термічна стійкість НП є також цінною властивістю. Наприклад, армуючі волокна, виготовлені з органічних полімерів, стійкі на повітрі до температури 150-220? Тим часом борне волокно та його похідні залишаються стійкими до температури 650? Саме тому неорганічні полімери є перспективними для створення нових хімічно та термостійких матеріалів.

Практичне значення також мають НП, які одночасно є і наближаються за властивостями до органічних і зберігають свої специфічні властивості. До таких відносять фосфати, поліфосфазени, силікати, полімерні з різними бічними групами.

Полімери вуглецю

Завдання: "Наведіть приклади неорганічних полімерів", - часто зустрічається в підручниках з хімії. Доцільно його виконувати із згадкою найвидатніших НП – похідних вуглецю. Адже сюди входять матеріали з унікальними характеристиками: алмази, графіт та карбін.

Карбін - штучно створений, маловивчений лінійний полімер з неперевершеними показниками міцності, які не поступаються, а згідно з рядом досліджень і перевершують графен. Втім, карбін – речовина таємнича. Адже не всі вчені визнають його існування як самостійний матеріал.

Зовні виглядає як металокристалічний чорний порошок. Має напівпровідникові властивості. Електропровідність карбину значно збільшується під впливом світла. Він не втрачає цих властивостей навіть за температури до 5000 ˚С, що набагато вище, ніж для інших матеріалів подібного призначення. Отримано матеріал у 60-х В.В. Коршаком, А.М. Сладковим, В.І. Касаточкіним та Ю.П. Кудрявцевим шляхом каталітичного окисненняацетилену. Найскладніше було визначити вид зв'язків між атомами вуглецю. Згодом було отримано речовину лише з подвійними зв'язками між атомами вуглецю в Інституті елементоорганічних сполук АН СРСР. Нову сполуку назвали полікумулен.

Графіт - у цьому впорядкованість поширюється лише у площині. Його шари з'єднані не хімічними зв'язками, а слабкими міжмолекулярними взаємодіями, тому проводить тепло і струм і пропускає світло. Графіт та його похідні – досить поширені неорганічні полімери. Приклади їх використання від олівців до атомної промисловості. Окислюючи графіт, можна отримати проміжні продукти окиснення.

Діамант - його властивості принципово інші. Алмаз є просторовим (тривимірним) полімером. Усі атоми вуглецю скріплюються між собою міцними ковалентними зв'язками. Тому цей полімер є дуже міцним. Діамант не проводить струм і тепло, має прозору структуру.

Полімери бору

Якщо вас спитають про те, які неорганічні полімери вам відомі, сміливо відповідайте – полімери бору (-BR-). Це досить великий клас НП, широко застосовуваний у промисловості та науці.

Карбід бору - його формула правильніше виглядає так (B12C3)n. Його елементарний осередок - ромбоедричний. Каркас утворюють дванадцять ковалентно пов'язаних атомівбору. А в середині його – лінійна група із трьох ковалентно зв'язаних атомів вуглецю. В результаті утворюється дуже міцна конструкція.

Бориди - їх кристали утворені подібно до вищеописаного карбіду. Найбільш стійкий з них HfB2, який плавиться лише за температури 3250 °C. Найбільшою хімічною стійкістю відзначається TaB2 – на нього не діють ні кислоти, ні їх суміші.

Нітрид бору – його часто називають білим тальком за подібність. Ця схожість справді лише зовнішня. Структурно він аналогічний до графіту. Отримують його, нагріваючи бор або його оксид в атмосфері аміаку.

Боразон

Ельбор, боразон, кіборит, кінгсонгіт, кубоніт – надтверді неорганічні полімери. Приклади застосування: виготовлення абразивних матеріалів, обробка металів. Це хімічно інертні речовини з урахуванням бору. За твердістю ближче за інші матеріали до алмазів. Зокрема, боразон залишає подряпини на алмазі, останній також залишає подряпини на кристалах боразону.

Втім, ці НП мають кілька переваг перед натуральними алмазами: у них більша термостійкість (витримують температуру до 2000 °C, алмаз же руйнується при показниках у межах 700-800 °C) та висока стійкістьдо механічних навантажень (вони не такі тендітні). Боразон був отриманий при температурі 1350 ° C і тиск 62000 атмосфер Робертом Венторфом в 1957 році. Аналогічні матеріали ленінградськими вченими було отримано 1963 року.

Неорганічні полімери сірки

Гомополімер – ця модифікація сірки має лінійну молекулу. Речовина не є стійкою, при коливаннях температури розпадається на октаедричні цикли. Утворюється у разі різкого охолодження розплаву сірки.

Полімерна модифікація сірчистого ангідриду. Дуже схожа на азбест, має волокнисту структуру.

Полімери селену

Сірий селен – полімер зі спіралеподібними лінійними макромолекулами, вкладеними паралельно. У ланцюгах атоми селену пов'язані ковалентно, а макромолекули пов'язані молекулярними зв'язками. Навіть розплавлений чи розчинений селен не розпадається окремі атоми.

Червоний чи аморфний селен теж полімер ланцюгової, але малоупорядкованої структури. У температурному проміжку 70-90 ˚С він набуває каучукоподібних властивостей, переходячи у високоеластичний стан, чим нагадує органічні полімери.

Карбід селену, або гірський кришталь. Термічно та хімічно стійкий, досить міцний просторовий кристал. П'єзоелектрик та напівпровідник. У штучних умовах його отримали при реакції та вугілля в електропечі за температури близько 2000 °C.

Інші полімери селену:

• Моноклінний селен - більш упорядкований, ніж аморфний червоний, але поступається сірому.
• Діоксид селену, або (SiO2)n - є тривимірним сітчастим полімером.
• Азбест - полімер оксиду селену волокнистої структури.

Полімери фосфору

Існує багато модифікацій фосфору: білий, червоний, чорний, коричневий, фіолетовий. Червоний - НП дрібнокристалічної будови. Виходить нагріванням білого фосфорубез доступу повітря при температурі 2500? Чорний фосфор отриманий П. Бріджмен за таких умов: тиск 200000 атмосфер при температурі 200 °C.

Фосфорнітридхлориди - сполуки фосфору з азотом та хлором. Властивості цих речовин змінюються із зростанням маси. А саме зменшується їх розчинність у органічних речовин. Коли молекулярна масаполімеру досягає кількох тисяч одиниць, утворюється каучукоподібна речовина. Це єдиний досить термостійкий безвуглецевий каучук. Він руйнується лише за температури понад 350 °C.

Висновок

Неорганічні полімери здебільшого - речовини з унікальними характеристиками. Їх застосовують на виробництві, будівництві, для розробки інноваційних і навіть революційних матеріалів. У міру вивчення властивостей відомих НП та створення нових сфера їх застосування розширюється.

Полімери – високомолекулярні сполуки, які складаються з безлічі мономерів. Полімери варто відрізняти від такого поняття як олігомери, на відміну від яких при додаванні ще однієї номерної ланки властивості полімеру не змінюються.

Зв'язок між ланками мономерів може здійснюватися за допомогою хімічних зв'язків, у такому разі вони називаються реактопластами, або завдяки силі міжмолекулярної дії, що характерно для так званих термопластів.

Сполука мономерів при утворенні полімеру може відбуватися в результаті реакції поліконденсації або полімеризації.

У природі зустрічається безліч подібних сполук, найбільш відомі з яких: білки, каучук, полісахариди та нуклеїнова кислота. Такі матеріали називають органічними.

На сьогоднішній день велика кількістьполімерів виробляються синтетичним шляхом. Такі сполуки називаються неорганічними полімерами. Неорганічні полімери одержують шляхом з'єднання природних елементівза допомогою реакції поліконденсації, полімеризації та хімічного перетворення. Це дозволяє замінити дорогі чи рідкісні природні матеріали, або створити нові, що не мають аналогів у природі. Головна умова, щоб полімер не містив у складі елементів органічного походження.

Неорганічні полімери завдяки своїм властивостям набули широкої популярності. Спектр їх використання досить широкий, при цьому постійно знаходять нові сфери застосування та розробляються нові види. неорганічних матеріалів.

Основні характеристики

На сьогоднішній день існує безліч видів неорганічних полімерів, як природних, так і синтетичних, які мають різним складом, властивостями, сферою застосування та агрегатного стану.

Сучасний рівень розвитку хімічної промисловості дозволяє виробляти неорганічні полімери у великих обсягах. Щоб отримати такий матеріал, потрібно створити умови підвищеного тиску і високої температури. Сировиною для виробництва виступає чиста речовина, який піддається процесу полімеризації.

Неорганічні полімери характерні тим, що мають підвищену міцність, гнучкість, важко піддаються впливу. хімічних речовинта стійкі до високих температур. Але деякі види можуть бути крихкими і не мати еластичність, але при цьому досить міцними. Найбільш відомими з них вважаються графіт, кераміка, азбест, мінеральне скло, слюда, кварц та алмаз.

Найбільш поширені полімери в основі мають ланцюжки таких елементів, як кремній та алюміній. Це з поширеністю цих елементів у природі, особливо кремнію. Найбільш відомі серед них такі неорганічні полімери як силікати та алюмосилікати.

Властивості та характеристики відрізняються не тільки залежно від хімічного складу полімеру, а й від молекулярної маси, ступеня полімеризації, будови атомної структури та полідисперсності.

Полідисперсність – це присутність у складі макромолекул різної маси.

Більшість неорганічних сполукхарактеризуються такими показниками:

1. Еластичність. Така характеристика, як еластичність, показує можливість матеріалу збільшиться у розмірах під впливом сторонньої сили та повернуться у початковий стан після зняття навантаження. Наприклад, каучук здатний збільшитися у сім-вісім разів без зміни структури та різних ушкоджень. Повернення форми та розмірів можливе завдяки збереженню розташування макромолекул у складі, переміщуються лише окремі їх сегменти.
2. Кристалічна структура. Від розташування у просторі складових елементів, що називається кристалічною структурою, та їх взаємодії залежать властивості та особливості матеріалу. Виходячи з цих параметрів, полімери поділяють на кристалічні та аморфні.

Кристалічні мають стабільну структуру, в якій дотримується певне розташування макромолекул. Аморфні складаються з макромолекул ближнього порядку, які лише у окремих зонах мають стабільну структуру.

Структура та ступінь кристалізації залежить від кількох факторів, таких як температура кристалізації, молекулярна маса та концентрованість розчину полімеру.

1. Склоподібність. Ця властивість характерна для аморфних полімерів, які при зниженні температури або підвищенні тиску знаходять склоподібну структуру. У такому разі припиняється тепловий рухмакромолекул. Температурні інтервали, при яких відбувається процес склоутворення, залежить від типу полімеру, його структури та властивостей структурних елементів.
2. В'язкотекучий стан. Це властивість, за якого відбуваються незворотні зміниформи та обсягу матеріалу під впливом сторонніх сил. У в'яжучому стані структурні елементипереміщуються у лінійному напрямі, що стає причиною зміни його форми.

Будова неорганічних полімерів

Така властивість дуже важлива в деяких сферах промисловості. Найбільш часто його використовують при переробці термопластів за допомогою таких методів як лиття під тиском, екструзія, вакуум-формування та інші. При цьому полімер розплавляється при підвищених температурах та високому тиску.

Види неорганічних полімерів

Сьогодні існують певні критерії, за якими класифікуються неорганічні полімери. Основні з яких:

• природа походження;
• види хімічних елементів та їх різноманітність;
• кількість мономірних ланок;
• будова полімерного ланцюга;
• фізичні та хімічні властивості.

Залежно від природи походження класифікують синтетичні та натуральні полімери. Натуральні формуються в природних умовбез участі людини, а синтетичні виробляються та модифікуються у промислових умовах для досягнення необхідних властивостей.

На сьогоднішній день існує безліч видів неорганічних полімерів, серед яких виділяються найбільш широко використовувані. До таких належить азбест.

Азбест – тонковолокнистий мінерал, який належить до групи силікатів. Хімічний склад азбесту представлений силікатами магнію, залози, натрію та кальцію. Азбест має канцерогенними властивостямитому дуже небезпечний для здоров'я людини. Він дуже небезпечний для працівників, зайнятих з його видобутку. Але у вигляді готових виробів він досить безпечний, тому що не розчиняється у різних рідинах і не вступає з ними в реакцію.

Силікон – один із найпоширеніших синтетичних неорганічних полімерів. Його легко зустріти в повсякденному житті. Наукова назвасилікону – полісилоксан. Його хімічний складявляє собою зв'язок кисню та кремнію, який надає силікону властивості високої міцності та гнучкості. Завдяки цьому силікон здатний витримати високі температури і фізичні навантаженняне втрачаючи міцності, зберігаючи форму та структуру.

Полімери вуглецю дуже поширені у природі. Існує також безліч видів, що синтезуються людиною у промислових умовах. Серед природних полімерів виділяється діамант. Цей матеріал неймовірно міцний і має кристально чисту структуру.

Карбін - це синтетичний вуглецевий полімер, який має підвищені властивості міцності, що не поступаються алмазу і графену. Виготовляється у вигляді чорного морошка дрібнокристалічної структури. Має властивості електропровідності, яка збільшується під впливом світла. Здатний витримати температуру 5000 градусів не втрачаючи властивостей.

Графіт – вуглецевий полімер, структура якого відрізняється площинною орієнтацією. Через це структура графіту шарувата. Цей матеріал проводить електрику, тепло, але не пропускає світло. Його різновидом є графен, що складається з одного шару молекул вуглецю.

Полімери бору відрізняються високою твердістю, не сильно поступаючись алмазам. Здатні витримати температуру понад 2000 градусів, що набагато більше за прикордонну температуру алмазу.

Полімери селену - досить широкий ряд неорганічних матеріалів. Найбільш відомий з них – карбід селену. Карбід селену – міцний матеріал, що має вигляд прозорих кристалів.

Полісилани мають особливими властивостямиякі відрізняють їх від інших матеріалів. Цей вид проводить електрику та витримує температуру до 300 градусів.

Застосування

Неорганічні полімери використовуються практично у всіх сферах нашого життя. Залежно від виду, вони мають різними властивостями. Головна їхня особливість у тому, що штучні матеріалимають покращені властивості в порівнянні з органічними матеріалами.

Азбест застосовується в різних сферах, переважно, у будівництві. Зі сумішей цементу з азбестом виробляють шифер і різні типитруб. Також азбест застосовують зниження кислотного впливу. У легкої промисловостіазбест застосовується для пошиття протипожежних костюмів.

Силікон застосовується у різних сферах. З нього виробляють трубки для хімічної промислової, елементи, що використовуються в харчової промисловості, а також використовують у будівництві як герметик.

В цілому силікон один з найбільш функціональних неорганічних полімерів.

Діамант найбільш відомий як ювелірний матеріал. Він дуже дорогий завдяки своїй красі та складності видобутку. Але алмази також використовуються у промисловості. Цей матеріал необхідний у різальних пристроях для розпилювання дуже міцних матеріалів. Він може використовуватися в чистому виглядіяк різець або як напилення на ріжучі елементи.

Графіт широко використовується в різних сферах, з нього роблять олівці, він застосовується в машинобудуванні, в атомній промисловості та у вигляді графітових стрижнів.

Графен і карбін поки що маловивчені, тому сфера їх застосування обмежена.

Полімери бору використовуються для виробництва абразивних матеріалів, ріжучих елементів та . Інструменти такого матеріалу необхідні для обробки металу.

Карбід селену застосовується для виробництва гірського кришталю. Його одержують шляхом нагрівання до 2000 градусів кварцового піску та вугілля. Кришталь використовують для виробництва високоякісного посуду та предметів інтер'єру.

Неорганічні полімери

Практичний інтерес представляють лінійні неорганічні полімери, які є наиб. ступеня подібні до органічних - можуть існувати в тих же фазових, агрегатних або релаксаційних станах, утворювати аналогічні надмол. структури тощо. Такі неорганічні полімери можуть бути термостійкими каучуками, склом, волокноутворюючими і т.п., а також виявляти ряд св-в, вже не властивих орг. полімерів. До них відносяться поліфосфазени, полімерні оксиди сірки (з різними бічними групами), фосфати, силікати.

Переробка неорганічних полімерів у скла, волокна, ситали, кераміку тощо вимагає плавлення, а воно, як правило, супроводжується оборотноюдеполімеризацією. Тому зазвичай використовують модифікуючі добавки, що дозволяють стабілізувати в розплавах помірно розгалужені структури.

Силікони

Ви раніше зустрічали неорганічні полімери; якщо не на цих сторінках, то принаймні у повсякденному житті ви, ймовірно, вже бачили десь силіконовий полімер. Силікони є одним із найбільш часто зустрічаються неорганічних полімерів. Вони виглядають ось так:

Насправді їх слід називати полісилоксанами. Зв'язок між атомами кремнію та кисню дуже міцна, але дуже гнучка. Тому силікони можуть витримувати високі температури, не розкладаючись при цьому, але вони мають дуже низькі температури склування. Вам, напевно, раніше десь уже доводилося зустрічати гуму або замазку, зроблену з силіконів.

Полісилани

Було витрачено чимало часу для того, щоб це сталося, але атоми кремнію все-таки були збудовані у довгі полімерні ланцюжки. Вже десь у 20-ті чи 30-ті роки ХХ століття хіміки почали здогадуватися, що органічні полімери виготовлені з довгих вуглецевих ланцюжків, але серйозні дослідження полісіланів були проведені до кінця сімдесятих років.

Раніше, в 1949 році, в той час, коли письменник Курт Воннегут працював у відділі компанії Дженерал Електрик зі зв'язків з громадськістю, К. А. Буркхард (C.A. Burkhard) працював у відділі дослідження та розвитку тієї ж фірми. Він винайшов полісилан під назвою полідиметилсилан, але ця речовина ні на що не годилася. Воно виглядало ось так:

Воно утворювало кристали, які були настільки міцними, що ніщо не могло їх розчинити. Буркхард намагався нагріти їх, але вони не плавилися при температурах нижче 250 o C, При більш високій температурівони розкладалися, так і не розплавившись. Це робило полідиметилсилан досить марним. Отримано цю речовину було при реакції металевого натріюз дихлордиметилсиланом ось так:

Це важливо, оскільки в сімдесятих роках ХХ століття деякі вчені почали розуміти, як робити маленькі молекули з атомів кремнію. Так, самі того не чекаючи, вони зробили щось дуже подібне до того, що раніше зробив Буркхард. Вони змусили металевий натрій взаємодіяти з дихлордиметилсиланом, але вони також додали до цієї суміші кілька дихлорметилфенилсилана. І вгадайте, що сталося? Я підкажу вам: вони не отримали потрібні їм структури. Те, що в них вийшло, було таким сополімером:

Можливо, зрозуміліше стане, якщо намалювати цей сополімер ось таким чином:

Чи бачите, ці фенільні групи починають заважати, коли полімер намагається кристалізуватися, тому такій речовині меншою мірою притаманні кристалічні властивості, ніж полідиметилсилану. Це означає, що воно розчинне і його можна обробляти, перетворювати та вивчати.

Ну, і на що ці речовини годяться? Полісилани цікаві, оскільки можуть проводити електричний струм. Зрозуміло, не так добре, як мідь, але набагато краще, ніж ви могли б очікувати від полімеру, і це гідно дослідження. Вони також дуже термостійкі, їх можна нагрівати до 300 oC. Але якщо ви нагрієте їх до більш високих температур, то ви можете отримати з них карбід кремнію, який є корисним абразивним матеріалом.

Полімери германію та олова

Добре, якщо кремній може утворювати довгі полімерні ланцюжки, то що можна сказати про інші хімічних елементахіз четвертої групи таблиці Менделєєва? Чи можна зробити полімери з Німеччини? Ви можете мені повірити, що вони існують! Ви можете зробити полімерні ланцюжки не тільки з Німеччини, але навіть і з атомів олова! Такі полімери називаються, відповідно, германій-містять і олово-полімери, що містять.

Полімери олова унікальні, цікаві, чудові, просто незвичайні, оскільки вони є єдиними відомими полімерами, основний ланцюг яких виготовлений цілком з атомів металів. Як і полісилани, полімери германію та олова (полігермани та полістанілени) вивчаються на предмет їх використання як провідники електрики.

Поліфосфазени

Мені дуже шкода вам про це повідомляти, але елементи четвертої групи таблиці Менделєєва ми закінчилися. Так що останній неорганічний полімер, який ми сьогодні розглянемо, повинен бути зроблений з чогось іншого. І це щось – фосфор та азот. Як і полісилоксани, поліфосфазени зроблені з атомів, що чергуються. В даному випадку в основному ланцюжку у нас чергуються атоми фосфору та кремнію, ось так:

Такий основний ланцюжок дуже гнучкий, як і основний ланцюжок полісилоксанів, тому поліфосфазени є хорошими еластомерами. Вони також є дуже добрими електричними ізоляторами.

Поліфосфазени одержують у дві стадії:

Спочатку ми беремо п'ятихлористий фосфор і діємо на нього хлоридом амонію для одержання хлорованого полімеру. Потім ми обробляємо його спиртовою сіллю натрію, що дає нам ефірзаміщений поліфосфазен.

На сьогоднішній день існує безліч неорганічних полімерів. Основна їх частина є природними сполуками, проте сучасні технології дозволяють штучно отримувати неорганічні полімери. Як правило, їх виробництво вимагає високого тиску і температури, при цьому основою є чиста речовина, а способи залишаються ті ж, що і при отриманні органічних полімерів (наприклад, полімеризація). Характерними властивостями неорганічних полімерів є їхня стійкість до хімічних впливів і термічна стійкість. Крім того, багато з цих полімерів є твердим, але досить крихким матеріалом. Поясненням цього є просторова кристалічна структура чи надмірна наявність іонів у хімічному зв'язку. Серед найвідоміших неорганічних полімерних матеріалів є графіт, мінеральне скло, кераміка, алмази, азбест, кварц, слюда.

Елементи хімічної таблиці можуть утворювати різні полімерні ланцюги. Наприклад, сірка, селен і телур утворюють лінійні ланцюги, які відповідно до ковалентності атомів, згортаються у спіралі. Ті хімічні елементи, які належать до головної підгрупи III – V груп, можуть формувати, як лінійні ланцюги, і плоскі чи просторові структури неорганічних полімерів. Основу полімерних ланцюжків найчастіше складають оксиди кремнію, алюмінію та інших металів. Вони формують найширшу групу неорганічних полімерних матеріалів – силікати та алюмосилікати. Крім того, вони є суттєвою частиною земної кори. Структура молекулярного ланцюга силікатів може бути ланцюжковою, сходовою, шаруватою та тривимірною. Кожна з цих структур надає неорганічним матеріалам певні, характерні лише їм, властивості. Наприклад, сходова структура передбачає наявність двох паралельних молекулярних ланцюжків, з'єднаних атомами кисню. Саме ці зв'язки забезпечують наявність нових властивостей, які дозволяють віднести отримані матеріали до волокнистих (азбест). Ще однією рисою, що характеризує неорганічні полімери, є шарувата структура. Великі відстані між шарами забезпечують відповідним речовинам (тальк, слюда) легке розщеплення. Якщо ланцюг містить метали, які можуть взаємодіяти з водою, то при цьому відбувається ще більше збільшення наявної відстані між шарами. Це може призвести до набухання неорганічного матеріалу. Силікати, що мають тривимірну структуру, характеризуються гарною водонепроникністю, твердістю та жорсткістю. Як правило, відповідають таким характеристикам різновиду кварцу: топаз, яшма, агат, гірський кришталь та інші.

Неорганічні стекла та технічна кераміка

Неорганічні стекла.Сітали.Технічна кераміка.Елементи технологіїі застосування конструкційної кераміки.

Хімічний склад скла та його свойства.Класифікація неорганічного скла.

У сучасному матеріалознавстві дедалі більше чільне місце починають займати різні неорганічні речовини. Багато хто з них використовують у вигляді кристалів: кварц (SiO2), корунд (a-AI2O3) і пофарбовані кристали цього оксиду - сапфір, рубін та ін, а також рутил (ТiO2), нітриди, сульфіди і т.д. Однак у набагато великих масштабахці ж неорганічні речовини використовують ваморфному стані як скла.

Найбільш поширене скло на основі діоксиду кремнію - силікатне скло. Широко використовують також алюмо-силікатні, боросилікатні скла.

Неорганічне скло - це хімічно складний, аморфний, макроскопічно ізотропний матеріал, що має механічні властивості крихкого твердого тіла. Скло виходить після охолодження розплаву суміші неорганічних сполук (переважно оксидів). Їх властивості однакові у всіх напрямах, тобто. вони ізотропні. При нагріванні вони не плавляться за постійної температури, як кристали, а поступово розм'якшуються у значному діапазоні температур, переходячи в рідкий стан. Розплавлення їх при підвищенні температури та затвердіння при зниженні температури відбувається оборотно. За структурою – це тверді розчини.

Серед причин аморфного стану неорганічного скла можна виділити дві.

Перша причина полягає в тому, що в області затвердіння розплав скла має дуже високу в'язкість (табл.6.3).

Таблиця 6.3 – В'язкість деяких речовин при температурах плавлення

Друга причина випливає із особливостей ковалентного зв'язку, що визначає взаємодію атомів в оксиді. Ковалентний зв'язок має дві важливі властивості: насиченість і спрямованість. Відповідно до насиченості хімічного зв'язку кожен атом скла у просторі має відповідно до своєї валентності суворо певну кількість "партнерів" по взаємодії. Наприклад, кремній 4-х валентний. І його атом повинен мати у безпосередньому оточенні чотири атоми кисню (у кварцовому склі) з якими він пов'язаний полярною ковалентним зв'язком. І ці зв'язку можуть утворюватися не довільно, а під певним кутом друг до друга (принцип спрямованості). Все це дуже ускладнює формування регулярної, кристалічної структури. У високов'язкому середовищі у структурі скла при охолодженні може утворитися лише ближній порядок розташування атомів.

Хімічний склад скла та його властивості

Скло, що використовується в техніці, здебільшого складаються з декількох компонентів. За функціональним призначенням всі компоненти скла можна розділити на три групи: склоутворювачі, модифікатори та компенсатори.

Склоутворювачі є основний складовоюскло. Склоутворювачі - неорганічні полімери, що мають сітчасту структуру. Тому скла мають деякі риси полімерних структур і відповідні фізичні властивості, характерні для полімерних матеріалів.

Найчастіше як склоутворювачі використовують SiO2 (силікатне скло), Аl2О3 і SiO2 (алюмосилікатне), В2О3 і SiO2 (боросилікатне), В2О3, Аl2О3 і SiO2 (бороалюмосилікатне).

Модифікатори вводять у скло для надання склам необхідних якостей: для спрощення технології, здешевлення матеріалу і т.д.

Наприклад, при введенні в кварц оксидів лужних і лужноземельних металівзменшується температура розм'якшення скла, спрощується технологія. Добавки оксидів хрому, заліза, кобальту та ін надають потрібний колір склу. Оксиди важких металів, наприклад свинцю, підвищують коефіцієнт заломлення.

Часто введення якоїсь добавки покращує одні властивості та погіршує інші показники матеріалу. Тоді вводять добавки – компенсатори, призначення яких придушити негативний проявосновних модифікаторів

Одним з важливих властивостейстекол є термостійкість. У більшості стекол термостійкість коливається від 90 до 200оС, а у кварцового скла, міцного, термостійкого і не розширюється, досягає 800-1000оС.

Температурна залежність міцності скла має щонайменше при 200°С. Максимальна робоча температура зазвичай не перевищує 400-500оС, що відповідає температурі склування. Кварцове скло допускає тривалу експлуатацію при 1100-1200°С (міцність підвищена на 50%) та короткочасне використання при нагріванні до 1400-1500оС.

Термічне зміцнення (загартування) скла здійснюється швидким і рівномірним його охолодженням, нагрітого вище температури склування в потоці повітря або мастила. Зміцнення скла загартуванням пов'язане з появою в склі досить рівномірно розподілених напруг, які в зовнішніх шарах скла викликають напруги стиснення, а в внутрішніх шарах- напруги розтягування. Межа міцності скла при стисканні приблизно в 10-15 разів більша, ніж межа міцності при розтягуванні.

Термохімічне зміцнення засноване на загартуванні скла і, крім того, зміні самої структури та властивостей його поверхневого шару. Таке зміцнення проводиться швидким охолодженням скла, нагрітого вище температури склування, у підігрітих полімерних кремнійорганічних рідинах. Додаткове зміцнення пояснюється утворенням поверхні скла полімерних плівок.

Класифікація неорганічного скла, їх властивості, застосування

Одним з найпоширеніших високоякісного скла, що застосовується в авіаційних конструкціях, є алюмоборосилікатне малолужне скло.

За призначенням технічне скло підрозділяється на оптичне, лабораторне, електротехнічне, транспортне, приладове, захисне, теплозвукоізоляційне, світлотехнічне, скловолокно та ін. 5200...8000 кг/м3 у важких, що містять до 65% оксидів свинцю, барію, вісмуту (n=1,9); світлопрозорість незабарвленого скла становить у видимій частині спектру до 92%.

Хімічна та гідролітична стійкість скла у кислих середовищах (крім фосфорної кислоти Н2РО3 та плавикової HF, що повністю розчиняє скло) досить висока. У лужних середовищахстійкість знижується. Силікатне скло з вмістом 20-30% Na2O або LiO розчиняється в гарячій воді і утворює «рідке скло».

Недоліком загартованого скла є чутливість до ударів у краї (біля крайки) і в кутах. При руйнуванні загартоване скло покривається густою сіткою тріщин, що сильно ускладнюють видимість.

Якщо два листи скла склеїти прозорою гнучкою та пружною полімерною плівкою, то виходить так званий триплекс. При руйнуванні його осколки, що утворилися, утримуються на полімерній плівці, до якої вони прикріплені, і не висипаються.

Ситали, їх властивості, застосування

Визначними властивостями мають нові конструкційні матеріали - ситали (термін утворений зі слів скло і кристал), одержувані шляхом кристалізації неорганічного скла на основі деяких оксидів.

Ситали - це частково закристалізоване скло. Вони виходять регульованою кристалізацією скла за підвищених температурах. У ході цього процесу обсягом матеріалу формуються мікрообласті кристалічної будови розміром до 1 мкм. Концентрація таких областей у ситалах може перевищувати 50% за обсягом.

За хімічним складом ситали відрізняються від скла тим, що додають каталізатори (затравки) кристалізації. Як каталізаторів кристалізації використовують мікрочастинки золота, срібла, платини, міді (соті частки відсотка) або оксиди титану, цирконію, цинку, хрому, ванадію та ін.

По структурі ситали займають проміжне положення між звичайними склом і керамікою. У зв'язку з цим ситали іноді називають склокерамікою. Ситалі - багатокомпонентні, гетерогенні, багатофазні системи, мають дуже високий рівень властивостей: високу механічну міцність, твердість, хімічну і термічну стійкість, малий термічним розширеннямта іншими корисними властивостями. Наприклад, ситалл, відомий під назвою "пірокерам", міцніше прокатаного скла, високовуглецевої сталі, легше алюмінію, а за коефіцієнтом термічного розширення та термостійкості не відрізняється від кварцу.

При перетворенні скла на ситалл на початку скло проходить стадію варіння (температура Тm), потім скло формується у виріб і охолоджується до температури Тn - температури утворення центрів кристалізації. При цій температурі скла витримують близько 1 год. В результаті в обсязі матеріалу утворюються дрібні кристали і стає можливим підвищити температуру до Tg. При температурі Tg відбувається зростання кристалів, матеріал втрачає прозорість. Час витримки скловиробу при Тg становить 4-6 год.

Мікрокристалічні сплави, отримані зі скла

Високоміцні кристалічні сплави з металевого скла отримують способом, схожим на процес утворення пірокерамік. Це сплави на основі Fe, Ni, Cr, Mo, Co, W у різних комбінаціях з металоїдами (переважно бором), вміст яких не перевищує 12%, в аморфному стані крихкі. Стрічки з аморфного сплаву, отримані струминним методом розплаву, можуть легко перетворитися на порошок, який потім піддається гарячій екструзії або газовому ізостатичному пресуванню і одночасно кристалізуються з утворенням мікрокристалічної структури, стабілізованої дрібними частинками бору. Якщо в сплаві є вуглець, можна провести термообробку, що зміцнює. Такі сплави дуже тверді і зносостійкі і можуть використовуватися як швидкорізальні сталі.

Технічна кераміка

Кераміка - це багатокомпонентний, гетерогенний матеріал, одержуваний спіканням високодисперсних мінеральних частинок (глин, оксидів, карбідів, нітридів та ін.). Якщо до складу кераміки входять метали, цей вид кераміки називають керметами.

Технологічний процес виготовлення виробів із кераміки складається з кількох стадій. Основні технологічні операції при отриманні керамічних матеріалів такі: підготовка вихідних компонентів у вигляді порошків, перемішування компонентів, формування виробів, випалювання заготовки, кінцеві операції (механічна обробка, металізація та ін.).

Структура кераміки

Безліч видів структур керамічних матеріалів можна розділити на дві групи: макроізотропні та анізотропні.

Макроізотропні матеріали. На атомарному чи молекулярному рівнях - це анізотропні матеріали, але розмір надмолекулярних утворень, зерен, невеликий проти розмірами керамічного вироби. Можна позначити чотири види макроізотропних матеріалів.

1. Мікрокристалічна кераміка. Прикладами цієї кераміки можуть бути різні сорти порцеляни. Ситали мають ту саму структуру. На рис. 6.3 а точками позначені мікрокристалічні області, оточені аморфним середовищем. Зміст кристалічної та аморфної фази в матеріалі можуть бути різними, по-різному і розміщення цих фаз в обсязі матеріалу. Матеріал же загалом ізотропний. Ці матеріали мають високу щільність, крихкі.

Види кераміки:

а - мікрокристалічна, б - зерниста, пориста (TiС), г - армована (ВТСП кераміка системи Y-Ba-Cu-O).

2. Зерниста структура . Цей вид структури є типовим для керамічних матеріалів. Зерна у структурі кераміки можуть відрізнятися розмірами, формою та властивостями. Розподіл зерен різної природи обсягом матеріалу, міцність зчеплення частинок у матеріалі також різні. Всі ці фактори складно впливають на властивості кераміки. Насправді в обмежених рамках використовують емпіричні рівняння виду:

,

де s – міцність; sо - константа, близька до міцності монокристалу; k – константа; d – розмір зерна.

3. Пориста структура . Взагалі багато кераміки пористі. Однак іноді пори створюють спеціально для зниження маси керамічного виробу, для того, щоб зробити його проникним для газу або рідини і т.д.

Зазвичай міцність пористої кераміки нижче міцності зернистої кераміки. Форма пір також впливає на міцність матеріалу. Час може також обривати розвиток тріщини при руйнуванні і розподіляти навантаження обсягом матеріалу.

4. Армована структура. Цей вид кераміки містить витягнуті зерна високої міцності. В обсязі матеріалів ці зерна не орієнтовані в певному напрямку. Тому в макрооб'ємі матеріал поводиться як ізотропний. Міцність такої кераміки завдяки армуванню буває дуже високою.

Анізотропна кераміка. У цих матеріалах структурні елементи свідомо спрямовані у потрібному напрямі. До анізотропної кераміки відносяться шарувата кераміка, волокниста кераміка, або кераміка з орієнтованою структурою.

Елементи технології керамічних матеріалів

1 – Одержання порошків. Існують механічні та фізико-хімічні методи одержання порошків. Перші пов'язані з дробленням матеріалу. Другі полягають у процесах агломерації продуктів хімічного синтезу. Зазвичай використовують порошки з частинками мікронних розмірів. Якщо необхідна щільна упаковка частинок у матеріалі, то застосовують суміш частинок, що мають різні розміри- Полідисперсні порошки.

2 - Змішування компонентів та формування виробів.

3 - Спікання частинок відбувається при випаленні відформованого виробу за високої температури (зазвичай від 900 до 2000оС). При спіканні відбуваються такі процеси, як дегідратація компонентів, деструкція органічних технологічних домішок (полімери, поверхнево активні речовини), дисоціація нестійких неорганічних сполук, окислення і відновлення, плавлення деяких компонентів, поліморфні перетворення і т.д. У результаті, після охолодження склоподібний, можливо, частково закристалізований розплав, пов'язує зерна більш вогнетривкого матеріалу, утворюючи міцний моноліт.

У процесі спікання відбувається зрощення частинок та зменшення пористості матеріалу аж до теоретичної щільності. При підвищенні температури пори змінюють свою форму, стаючи сферичними, і зменшуються у розмірах. Насправді в кераміці зберігається деяка залишкова пористість.

Ступінь і швидкість спікання залежать від багатьох факторів: температури, тривалості процесу, дисперсності частинок, коефіцієнтів дифузії, в'язкості та ін. сильний впливна розвиток процесу спікання і структуру кераміки надає розплав (рідина) найбільш легкоплавкого компонента.

Застосування конструкційної кераміки

До основних областей застосування керамічних матеріалів відносяться різальний інструмент, деталі ДВЗ, ВМД та ін.

Ріжуча кромка характеризується високою твердістю, зносостійкістю, хімічною інертністю. По комплексу властивостей керамічний різальний інструмент перевершує традиційні різальні матеріали, такі як швидкорізальні сталі (БРС), тверді сплави (ТС)