Полимерные материалы это какие — Информационный …

Что относится к полимерным материалам

Вещества, где блоки элементарного состава соединены, повторяются тысячи, миллионы раз называют полимерами. Вещество характеризуется большим молекулярным весом и возможностью выделить мономер, который называют звеном. Существуют природные и синтезированные ВМС. Если в основе цепи лежит четырехвалентный углерод – вещество органическое. Исключение составляют карбиды, карбонаты, цианиды и соли угольной кислоты.

Природные полимеры

Отдельные радикалы, элементарные молекулы с разорванной связью, в природе образуют кристаллы, смолы, белки, целлюлозные волокна. Если молекулы образованы углеродными связями, вещества относятся к биополимерам. Они образуют цепочку в целлюлозном волокне, сеточку в белке или разветвленную молекулу ДНК.
Кристаллы алмаза, кварца, волокна асбеста относят к природным неорганическим полимерам. Аморфную структуру имеют высокомолекулярные соединения смолы, каучуки.

Синтетические продукты

Природные материалы дороги, запас их ограничен. Человек научился синтезировать высокомолекулярные соединения, отвечающие потребностям, зачастую с новыми свойствами и низкой себестоимостью.
В основе методов получения новых ВМС лежат реакции:

• полимеризация – за счет химических связей радикалов;
• поликонденсация – соединение с потерей определенных атомов;
• химическое модифицирование – изменение состава полимера, придание новых свойств.

Искусственное создание нового вещества возможно при соблюдении условий протекания реакции – температуре, давлении и наличия активных центров. Основная масса мономеров вступит в реакцию синтеза, но структура будет неоднородная по длине и разветвленности цепей. Калибровка – важный этап любого синтеза.

Строение полимерных молекул

Радикалом принято называть первичную молекулу с разорванной двойной связью или цепочку из нескольких молекул, открытую для дальнейшей полимеризации. Важно, чтобы в каждом таком звене был центр силы, притягивающий другой радикал.
В зависимости от строения первичной молекулы, условий прохождения реакции воссоединения, получается ВМС:

• линейная цепь, насчитывающая тысячи звеньев;
• разветвленная структура с сотнями тысяч блоков;
• объемная сеть, где количество радикалов исчисляется миллионами.

Когда соединение происходит за счет химических или координационных связей одного элемента, молекула образует строение гомоцепного типа. Например, полиэтилен, политетрафторэтилен или полиметилакрилат. То есть связь происходит через один химический элемент, какой бы ни была сложной структура звена.
Полимер называют термопластом, если после расплавления он не теряет свойства, подлежат вторичной переработке.
Гетероцепные молекулы собираются, из нескольких радикалов. Они цепляются с разной частотностью, беспорядочно. Такие молекулы относятся к типу реактопластов. После изменения агрегатного состояния, молекулярная решетка вещества меняется.
Синтезированные молекулы приобретают новые свойства при разрыве каждой связи, с внедрением в структуру новых звеньев. В результате одной химической формулой могут быть описаны блоксополимеры и сополимеры, но их химическая и координационная связь у них отличается, свойства тоже.
Структура пластмассы бывает аморфного или кристаллического типа. Вновь полученное вещество может имитировать природный продукт, или превосходить его по свойствам, как получилось с искусственными алмазами.
Искусственный полимерный материал представляет продукт, полученный в результате синтеза одного или нескольких радикалов. Новое вещество обладает устойчивыми характеристиками.

Синтетические пластмассы, смолы, каучуки

Смола – это ВМС, полученный соединение радикалов. В твердом состоянии вещество представляет аморфную массу, от воздействия температуры размягчается. Все известные искусственные полимеры – смолы.

Термопласты и реактопласты

Полимер термопласт, относится к типу А, структура молекулы цепная. Вещество можно его расплавить и заново сформовать. Известные композиции термопластичных смол:

• полиэтиленовая;
• полипропиленовая;
• полихлорвиниловая;
• полистирольная;
• поливинилацетатная;
• полиакрилатная;
• инден-кумароновая.

Пластмасса – материал, образованный смолой, наполнителем, стабилизатором и красителем. Добавки придают продукту нужные свойства, снижают вязкость, обеспечивают долговечность составу. Полимер или смола – это продукт синтеза, а пластмасса – композиционный состав. Оргстекло, поликарбонат и тефлон – термопласты, готовые к употреблению без присадок.
К термоактивным пластмассам относят полимерные материалы, не восстанавливающие свойства после воздействия высоких температур:

• Фенопласт.
• Аминопласт.
• Волокнит.
• Текстолит.
• Асбестотекстолит.

Смолы — реактопласты

Смолы типа Б получаются в результате реакций поликонденсации или полимеризации в несколько ступеней. Структуры не линейные, получаются в результате соединения компонентов с выделением воды или простых газов. Использовать полимеры можно раз. Они твердеют, при изменении агрегатного состояния разрушаются.
Составы применяются как клеи, добавки в лакокрасочные, строительные, связующие смеси:

• Фенолформальдегидные смолы используют для склеивания пластиков, плит ДСП, в производстве лаков и клеев. К этому виду ВМС относят бакелитовый лак, полимер Б, Полимер ФР-12.
• Аминоформальдегидные смолы находят применение, как связующие для теплоизоляционных материалов, пластиков.
• Полиуретановые смолы – клеи.
• Кремнийорганические смолы характеризуются как гидрофобный материал. Клеи на этой основе не разрушаются от температурных колебаний.
• Эпоксидные смолы используют в виде связующего в строительных смесях. Для склеивания требуется добавка отвердителя.

Искусственные каучуки

Все материалы, относящиеся по признакам к каучукам эластичны. Длинная линейная молекула вещества свернута в комочек. При растягивании она меняет конфигурацию. Такие вещества называют эластомеры. Известны синтезированные каучуки:

• бутадиеновый;
• изопреновый;
• хлорпреновый:
• бутадиенстирольный.

Основной радикал в синтезированном каучуке бутадиен, его изомер, молекула с хлором и стирол.
Вулканизируя сажу путем нагревания состава с добавлением сажи получается резина. Известный материал эбонит – трехмерная структура, полученная в результате вулканизации каучука с порошковой серой.

Синтезированное волокно

Волокна, нити можно получить искусственным путем, преобразуя целлюлозное волокно, полученное в результате химического разложения древесины. Вискозные, ацетатные, штапельные волокна – это искусственный материал.
Полимерные волокна производят из синтезированных материалов с линейной и малоразветвленной структурой. Основой для образования нитей служат термопласты с особо длинными структурными цепочками, молекулярным весом 80 000-15 000.
Синтез позволяет получить структуры, превосходящие натуральные по эластичности, воздухопроницаемости, техническим свойствам. В основе изготовления тканых, нетканых полотен, утеплителей, наполнителей особыми свойствами лежат искусственные смолы.
Виды синтетических волокон:

• Полиамидное, капрон, неустойчив к световому облучению, разрушается от кислот, используется для создания технических высокопрочных тканей.
• Полиэфирное, лавсан используется для бытовых и технических тканей, транспортерных лент, мешков безопасности.
• Полиакрилонитрильное, нитрон, напоминает шерсть, теплостойкие, устойчивы к УФ-лучам.
• Поливинилспиртовое, особо прочное, используется для армирования, текстильной обуви, спортивной одежды;
• Полипропиленовое волокно с хорошей эластичностью используется для изготовления ковров, технических тканей.
• Полиуретановое, спандекс, эластичный материал, по свойствам напоминающий каучук.
• Поливинилхлоридное, совиден, ПВХ волокно – негорючее, химически стойкое, используется для фильтров и защитной одежды.

В производстве используются не только текстильные, но формованные нетканые полотна, разной толщины.
Актуальной стала разработка углеволокна. Композит превосходят металлическую нить по прочности, не меняет объем при изменении температуры, имеет низкий коэффициент трения. Углепластик, легкий и жесткий, технологичный материал, применяется во многих сферах промышленности.

Приглашение к сотрудничеству

Компания «Юнитрайд» готова выполнить заявку на любой из перечисленных видов полимерной продукции. Поставки выполняются с заводов по согласованной логистике и ценам производителя.

Полимеры. Виды и применение. Как утроены и свойства. Особенности

Полимеры – сложные вещества, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул. В зависимости от структуры могут иметь различные физические качества, к примеру, легко тянуться и обладать эластичностью, или наоборот отличаться твердостью. Под полимерами обычно подразумевают различные виды пластика, но на самом деле к ним можно отнести и белки, из которых состоит ДНК, РНК, полисахариды.

Как устроены полимеры

Полимер представляет собой молекулу, звенья которой повторяются много раз. В состав такой молекулы обычно входит всего 4 элемента. Это азот, кислород, водород и углерод. Данные элементы могут сочетаться в различных комбинациях. Из них можно составить сотни тысяч разных полимерных веществ с неожиданными свойствами. К примеру, ПЭТ и кевлар являются полимерами. При этом из ПЭТ делают пластиковые бутылки. Они легкие, прозрачные, гибкие. Кевлар же состоит из тех самых 4-х элементов, но с другой атомной решеткой. Он в 5 раз прочнее стали. Благодаря этому его используют для производства бронежилетов, касок.

Обычно под полимерами подразумевается пластик. Он является синтетической разновидностью полимера. На самом деле к ним можно отнести и естественные материалы, к примеру, древесину, резину, мел.

С понятием полимер тесно связаны термины полимеризация и макромолекула. Они были придуманы и введены в обиход Германом Штаудингером, который считается основателем учения о полимерах. Все современные вещества этого типа были созданы на основе его разработок. Под полимеризацией подразумевается непосредственно сам процесс создания искусственных полимеров, при котором маленькие молекулы мономеры соединяются в длинные цепочки ковалентными связями.

Макромолекула является большой молекулой полимера, состоящей из мономеров. Их количество может доходить до сотен тысяч. То есть, каждая молекула любого полимера — это макромолекула.

Свойства полимеров

Все они обладают особенными механическими свойствами, за счет чего выгодно выделяются среди остальных материалов. Благодаря их качествам они используются в разнообразных областях, начиная от медицины и заканчивая машиностроением. Одним из самых важных свойств выступает способность быстрого изменения физико-механических качеств при нанесении небольшого количества реагента.

Для разных полимеров характерны:

• Эластичность.
• Низкая хрупкость.
• Способность молекул ориентироваться по направлению механического поля.
• Высокая вязкость при растворении.

Многие полимеры при низком уровне прикладываемых усилий способны к растяжению и обратной деформации. Ярким тому примером является резина. Другие вещества, не являющиеся синтетическими или природными полимерами, данных качеств не имеют.

Кристаллический и стеклообразный полимер отличаются низким уровнем хрупкости. За счет этого при деформации или ударной нагрузке они сохраняют целостность, даже если не обладают эластичностью. Наиболее ярко эти качества выражены у пластмасс и органического стекла. Под воздействием направленного механического поля макромолекулы могут выстраиваться в определенную сторону. Это позволяет сформировать из них волокна. При растворении полимера даже при небольшой концентрации в растворе тот получается вязким.

Классификация полимеров

Разделение полимеров на виды возможно по нескольким параметрам. В первую очередь это можно сделать по химическому составу. По этому критерию они бывают:

• Органические.
• Неорганические.
• Элементоорганические.

Органические состоят из органических звеньев главной цепи. За счет чего материал и получил такое название. У неорганического полимера нет органических звеньев вообще. Элементоорганический имеет углеводородные группы и неорганические звенья.

Также их разделяют на виды в зависимости от происхождения. Они бывают:

• Природные.
• Искусственные.
• Синтетические.

Природные полимеры имеют естественное происхождение. Примером такого полимера может быть обыкновенная древесина, известь, кожа, шерсть и т.д. Искусственные являются тоже практически природными, просто имеющими некоторые усовершенствования, которые удалось добиться силами человека. За счет модификации они меняют свои первоначальные качества под необходимые свойства. Так, путем модификации целлюлозы был получен целлулоид. Синтетический полимер полностью является продуктом человеческого вмешательства. Самым первым представителем данной группы стала бакелитовая смола. Очень скоро количество подобных веществ выросло в сотни раз.

Также выполняется разделение полимеров на виды по другим критериям. К примеру, по строению макромолекул. Они могут быть:

• Линейными.
• Развернутыми.
• Лестничными.
• Трехмерными сшитыми.

Группы полимеров

Хотя каждый полимер имеет свои уникальные качества, но все же, многие вещества имеют очень похожие свойства. В связи с этим их можно объединять в группы:

• Термопласты.
• Реактопласты.
• Эластомеры.
• Огнеупорные.

Термопласты включают в себя полимеры, которые в нормальных температурных условиях имеют твердое состояние. При нагревании они становятся очень эластичными или вязкотекучими. Переходы состояний являются обратимыми. За счет этого их можно повторять многократно. Термопласты отлично подходят для вторичной переработки, так как могут переплавляться в новые изделия. Примерами термопластов являются полиэтилен, АБС, ПВХ.

Реактопласты являются веществами совершенно другого порядка. Они представляют собой пластмассы, которые уже нельзя расплавить или растворить. За счет этого вещества данной группы очень износоустойчивы. Обычно эти материалы существенно тверже, чем термопластичные. Примером реактопластов является эпоксидная смола, полиуретаны, полиамиды.

Эластомеры обладают высокой эластичностью и вязкостью. Каждый материал из этой группы может растягиваться существенно больше, чем его изначальная длина. При этом эластомеры возвращаются до исходного положения после снятия нагрузки. Нужно отметить, что многие вещества похожие на эластомеры относятся к термопластикам. Примерами эластомеров являлись каучук, бутилкаучук, цис-полиизобутиленовый, бутадиен-стирольный низкотемпературной полимеризации.

Большинство синтетических полимеров не могут использоваться в сочетании с огнем. Они быстро воспламеняются. Специально для решения этой проблемы была создана группа материалов с противоположными свойствами. Полученный в результате полимер не боится воздействия огня, так как совершенно не горит. Он обычно выглядит как твердый легкий пластик. Материал не теряет форму при нагреве. За это качество он получил достаточно широкую сферу использования. Стойкость к горению и плавке делает его сложным материалом для вторичной переработки.

Применение полимеров

Полимеры благодаря легкости, коррозийной стойкости и прочности получили крайне широкое распространение. Их используют даже чаще чем металлы, и любые другие материалы. Особенно хорошо они применяются в следующих направлениях:

• Автомобилестроении.
• Авиастроении.
• Судостроении.
• Медицине.
• Пищевой промышленности.

Полимер является неотъемлемым материалом для производства автомобилей. Из него делают резину для колес, пластик для внутренней отделки, краски и лаки. Также из него изготавливаются прочные легкие кузова автомобилей, теплоизоляцию и звукоизоляцию. Резина на шинах является полимером, также из него сделаны шланги, уплотнительные прокладки. Многие детали могут быть изготовлены исключительно из полимера, поэтому это крайне важное вещество для любого направления применения.

Полимер получил огромное распространение в авиации. Он очень легкий и обладает достаточной прочностью для применения в ответственных механизмах. В связи с этим он стал использоваться не только в авиастроении, но и производстве космических кораблей, ракет. Для этих целей применяют самые передовые материалы. В основном для производства колес, стекла, герметиков, клея.

Физико-химические и механические качества позволяют использовать полимер в медицине. В частности, из них делают специализированное оборудование, различные предметы для ухода за больными, инструменты. Также полимеры используются в хирургии. Из них вытачивают протезы. На основе полимеров создают кровезаменители и плазмозаменители. Каждый полимер для медицинского применения отличается низким уровнем разрушения при трении, но высокой химической устойчивостью.

Полимеры также применяются для решения нужд пищевой промышленности. Для этой сферы они используются в огромных количествах. Так, любая упаковка продуктов — это полимер. Это фантики, обертки, пакеты всех типов, бутылки. Применение полимеров в пищевой отрасли вызвано необходимостью соблюдения санитарного режима. Каждое изделие в такой упаковке является изолированным от прямого внешнего воздействия. За счет дешевизны такие упаковки можно использовать одноразово. В дальнейшем в зависимости от типа полимера они могут переплавляться на новый товар или просто выбрасывать. Ведутся разработки по создании искусственной кожи из полимера.

Также полимеры получили широкое распространение в судостроении. Из них делают краски, пластиковые панели, уплотнители. Также из полимера могут изготавливаться небольшие рыбацкие лодки. Они очень легкие, потому используются повсеместно. В первую очередь это надувные лодки.

Полимеры. Общие сведения

Полимерами называют высокомолекулярные химические соединения (ВМС) вещества, обладающие молекулярной массой от тысяч до нескольких миллионов атомных единиц. Макромолекулы полимеров образовываются из огромного количества повторяющихся мономерных звеньев. Свойства полимеров зависят от химической природы мономера, молекулярной массы, методом производства полимера, стереоструктурой молекул (расположением в пространстве) и степенью их разветвленности, а также связей между молекулами различной природы.

Большинство полимеров являются по природе диэлектриками, также имеют низкую теплопроводность и достаточно высокие механические характеристики.

Классификация полимеров

Разделение полимеров на четкие классы – достаточно сложное дело. В современной теории существует несколько подразделений полимерных материалов по видам:

• полимеры могут быть природными или синтетическими, также бывают модифицированные полимеры;
• по типу реакции образования полимеры делятся на полимеризационные и поликонденсационные;
• в зависимости от химического состава полимеры подразделяются на неорганические (например, силиконы), органические полимеры (например, полистирол) и элементоорганические полимеры (например, фторопласты). При этом основной вид используемых полимеров – органические;
• по методу переработки и соответствующему отношению к воздействию на них температуры полимеры делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Первые способны перерабатываться многократно, вторые – как правило, нет;
• по составу мономерных звеньев полимеры делят на гомополимеры и сополимеры (гетерополимеры);
• также полимеры разделяются по строению главной цепи на гомоцепные и гетероцепные, по пространственному расположению мономерных звеньев на стереорегулярные и атактические (нестереорегулярные), по степени разветвления на линейные, разветвленные, лестничные и сшитые и т.д.

Рис. 1 Структура полимеров

Образование полимеров

В природе биологические полимеры или биополимеры получаются естественным путем в процессе жизнедеятельности растительных и животных организмов. Искусственные же полимеры производят как правило нефтехимические и газохимические предприятия путем двух основных видов химических реакций: полимеризации и поликонденсации

Полимеризация – это процесс синтеза полимера путем присоединения повторяющихся цепочек молекул (звеньев) мономера к активному центру роста макромолекулы высокомолекулярного соединения. В упрощенном виде механизм полимеризации можно расписать по следующим стадиям:

• образование центров полимеризации;
• рост макромолекул полимера при присоединения очередных звеньев;
• возникновение новых центров полимеризации на других молекулы и их интенсивный рост;
• возникновение разветвленных молекул полимеров;
• прекращение роста макромолекул.

Обычно полимеризация не возникает при нормальных условиях. Для начала химического процесса полимеризации на низкомолекулярное сырье оказывают разнообразные методы воздействия в зависимости от каждого конкретного техпроцесса: воздействие светом или другим типом облучением, повышенным давление, высокими температурами. При этом, наиболее эффективно процесс идет в среде катализатора, подбираемого для каждого конкретного процесса получения определенного полимера персонально. При образовании полимеров при помощи полимеризации не выделяется побочных веществ реакции, химический состав веществ остается неизменным, но меняется структура связей в веществе.

Рис. 2 Завод по производству полиэтилена

Поликонденсация – это процесс синтеза полимеров из низкомолекулярных веществ при помощи перегруппировки атомов выделения побочных продуктов поликонденсации. Это могут быть различные низкомолекулярные соединения, например вода. Методом поликонденсации выпускают такие крупнотоннажные полимеры, как полиуретаны, поликарбонаты, фенолоальдегидные смолы.

Основные свойства полимеров

Строение макромолекул в виде цепи, а также различные типы связей между ними, возникшие при образовании молекул, определяют природу специальных физико-химических характеристик полимеров. Среди них важная особенность к пленко- и волокнообразованию, способности полимеров к вытяжке, прочности в определенных направлениях, эластичности и т.п. Такое строение полимерных молекул определяет тот факт, что вязкость растворов полимеров обычно высока. ВМС могут в высокой степени набухать в жидкостях, при этом образуя несколько видов систем, по свойствам находящихся между твердым жидким агрегатным состояниями.

Количество мономерных звеньев в макромолекулах полимеров и природа звена определяют молекулярную массу всего ВМС. Любой полимер всегда состоит из множества макромолекул, каждая из которых индивидуальна и отличается от других в том числе по длине цепи. Из-за этого факта молекулярная масса полимеров – всегда примерная средняя величина. Также из описанного следует, что важной характеристикой является молекулярно-массовое распределение (ММР), которое показывает в каком диапазоне молекулярных масс молекулы представлены в конкретном образце полимера. Чем меньше молекулярно-массовое распределение, тем стабильнее свойства полимеров и тем проще описать методики их переработки.

Полимеры могут находиться в нескольких агрегатных состояниях, которые отличаются от состояний обычных низкомолекулярных веществ, например в состоянии вязкотекучей жидкости, эластичном состоянии, такие как каучук, силикон, другие эластомеры, твердых пластмасс.

Типы переработки полимеров в изделия

Несмотря на то, что в повседневной жизни термин «переработка пластмасс» используется в значении сбора и вторичного производства изделий из уже использованного пластика, на самом деле у термина несколько другой смысл. Переработкой полимеров называют получение готовых изделий из синтезированных ранее полимеров, в том числе первичных.

Переработка полимеров, как правило происходит при высоких температурах от 150 до 500 градусов Цельсия в зависимости от природы конкретного полимера. Исключение составляют некоторые термореактивные пластики, например двухкомпонентные разновидности эпоксидных смол или пенополиуретана, которые реагируют при комнатной температуре. При переработке в полимер могут вводить разные добавки (в случае, например, не применяющегося в качестве чистого вещества ПВХ, добавки практически обязательны) для лучшей перерабатываемости, придания пластмассе нужных свойств или удешевления продукта. Наиболее употребляемыми аддитивами (добавками для полимеров) являются , например, наполнители, красители, стабилизаторы, пластификаторы, модификаторы, нуклеаторы и т.д.

Классификация полимеров по областям применения

Полимеры, главным образом, термопласты подразделяют по степени роста технических и эксплуатационных характеристик. Основной характеристикой полимера при этом является температура долговременной эксплуатации. В данном случае полимеры с известными допущениями и довольно большими разночтениями у разных авторов разделяют на три категории:

• General purpose plastics или полимеры общего (общетехнического) назначения;
• Engineering plastics или конструкционные пластики (полимеры инженерно-технического назначения);
• Super-engineering plastics или суперконструкционные полимеры.

Также всё более важную роль в современной индустрии полимеров играет класс эластомеров или термоэластопластов (TPE, ТПЭ). По своим свойствам и методам переработки в изделия эти материалы аналогичны термопластам, при этом по внешнему виду и эксплуатационным свойствам близки к резине и каучуку. ТПЭ в быту повсеместно путают с резиной из-за способности этих материалов к значительным обратимым деформациям.

Также полимеры и их марки классифицируют по наиболее подходящему способу переработки — литьевые, экструзионные, пресс-порошки и т.п.