Полимерный материал что это: Что такое полимерные материалы, их свойства и применение?

alexxlab | 31.01.2023 | 0 | Разное

Полимерные материалы | ЮНИТРЕЙД

Полимеры представляют собой высокомоллекулярные соединения, то есть молекулы, масса которых М превышает 5000. За счет наличия сложных молекулярных связей в пространстве, этим материалы приобретают уникальные свойства, которые находят широкое применение в природе, в промышленности, в быту и практически в любой сфере функционирования живых организмов. 

Химия процесса: что такое полимер?

Сразу стоит сказать, что многие ошибочно полагают, что полимеры бывают только синтетическими. На самом же деле, высокомоллекулярные субстанции существуют и в природе. К примеру, органический белок, шерсть животных, слюда, асбест, пчелиный воск, натуральный каучук – всё это примеры полимерных материалов, существующих в живой природе. Человек же прошел определенный эволюционный путь от эксплуатации природных полимеров (свечи из воска, стекло из натуральной слюды, одежда из меха) до создания синтетических полимеров.

Однако как природные, так и синтетические материалы имеют в основе один и тот же принцип, – объединение многочисленных мономеров в сложную структуру. В результате прохождения реакций полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения отдельные молекулы изменяют структуру и формируют связи друг с другом, создавая новое вещество. 

Простой пример – полиэтилен. Все мы его видели и знаем, так как нас окружают многочисленные изделия из этого материала (пластиковые пакеты, пищевая пленка и многое другое). Изначально в природе существует бесцветный горючий газ этилен, который проходит достаточно сложный технологический процесс полимеризации, в результате чего отдельные молекулы (мономеры) этилена соединяются друг с другом особыми координационными связями (или силами Ван-Дер-Ваальса).

Подходы к классификации полимеров

Так как веществ данного класса – огромное количество, существует целый ряд критериев, по которым их классифицируют. Среди основных критериев можно выделить:

• По содержанию атомов углерода выделяют органические, элементоорганические и неорганические полимеры. При этом в неорганических полимерах также может присутствовать углерод, но только в качестве радикалов.
• По отношению к термическому воздействию выделяют термореактивные и термопластичные полимеры. В зависимости от типа связей между мономерными звеньями, реакция на нагрев вещества может быть разной. Если речь идет о сильной химической связи, нагрев приводит к прохождению химической реакции и разрушению полимера (яркий пример – денатурация белка при нагреве). Если же мы говорим о координационных связях силами Ван-Дер-Ваальса, полимер может неограниченное количество раз нагреваться (при этом размягчаясь) и восстанавливать свои свойства (после остывания). 
• По форме макромолекул выделяют два основных типа полимерных сеток: линейные (когда мономерные звенья выстраиваются в ряд) и разветвленные (когда мономеры формируют сложную структуру). У этих типов существует множество подвидов. 
• По происхождению выделяют синтетические и природные полимеры. Тут всё просто: природные образуются в процессе жизнедеятельности живых организмов (включая растения), а синтетические получают в процессе химической реакции. К слову, на заре химической индустрии полиэтилен сравнивали с воском, считая эти материалы родственными и схожими по характеристикам. 

Синтетические термопласты – основа современных технологий

Сегодня такие материалы, как полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ) стали основой современной цивилизации. Термопласты объединяют следующие свойства, благодаря которым сфера их применения является практически безграничной:

• Пластичность и совместимость с разными методами формования. Экструзия, литье, формование, сварка листов и многие другие методы позволяют придать термопластам практически любую форму.
• Широкий спектр механических свойств. Полимер может быть как максимально прочным (прочнее стали), так и максимально эластичным, что позволяет разработать композиции для любых промышленных задач. Также может подбираться температурный режим.
• Относительно небольшая хрупкость. К примеру, прозрачные полимерные изделия намного прочнее стеклянных, что обусловило массовый переход пищевой промышленности со стеклянной на пластиковую тару.
• Устойчивость к химическим воздействиям. Материалы хорошо переносят контакты с кислыми и щелочными средами, с водой, с жирами различного происхождения, сохраняя все свои свойства. 
• Диэлектрические свойства. Благодаря этим свойствам полимеров и существует электроника, так как все современные приборы в значительной мере состоят из пластика. В частности, паянные многослойные платы полностью основаны на полимерах.

Потому, подводя итоги можно утверждать, что полимеры – это материалы, характеризующие эволюцию. В природе химическая эволюция позволила развиться сложным формам жизни, которые были бы невозможны без полимеров (белков, нуклеиновых кислот). А в человеческой цивилизации синтетические полимеры позволили совершить существенный эволюционный рывок для техники, промышленности и науки. 

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.

Полимер | Металлургия для чайников

Слово полимер происходит от греческих слов – поли-, что означает «много»; и – meros означает «часть». Этот термин был придуман в 1833 году Йонсом Якобом Берцелиусом, хотя его определение полимера сильно отличалось от современного определения.

Полимеризация — это процесс объединения множества небольших молекул, известных как мономеры, в ковалентно связанную цепь или сеть. В процессе полимеризации некоторые химические группы могут быть потеряны из каждого мономера. Так обстоит дело, например, при полимеризации ПЭТ-полиэфира. Мономеры представляют собой терефталевую кислоту (HOOC-C6h5-COOH) и этиленгликоль (HO-Ch3-Ch3-OH), но повторяющимся звеном является -OC-C6h5-COO-Ch3-Ch3-O-, что соответствует комбинации два мономера с потерей двух молекул воды. Отдельный фрагмент каждого мономера, включенный в полимер, известен как повторяющееся звено или остаток мономера.

Полимер представляет собой большую молекулу (макромолекулу), состоящую из повторяющихся структурных единиц. Эти субъединицы обычно связаны ковалентными химическими связями. Хотя термин «полимер» иногда используется для обозначения пластмасс, на самом деле он охватывает большой класс соединений, включающих как природные, так и синтетические материалы с широким спектром свойств.

Из-за необычайного диапазона свойств полимерных материалов они играют важную и повсеместную роль в повседневной жизни. Эта роль варьируется от знакомых синтетических пластиков и эластомеров до природных биополимеров, таких как нуклеиновые кислоты и белки, которые необходимы для жизни.

Различные структуры полимеров

Натуральные полимерные материалы, такие как шеллак, янтарь и натуральный каучук, использовались веками. Существует множество других природных полимеров, таких как целлюлоза, которая является основным компонентом древесины и бумаги. Список синтетических полимеров включает синтетический каучук, бакелит, неопрен, нейлон, ПВХ, полистирол, полиэтилен, полипропилен, полиакрилонитрил, ПВБ, силикон и многие другие.

Чаще всего непрерывно связанная основная цепь полимера, используемого для получения пластмасс, состоит в основном из атомов углерода. Простым примером является полиэтилен («политен» на британском английском), повторяющаяся единица которого основана на мономере этилена. Однако существуют и другие структуры; например, такие элементы, как кремний, образуют знакомые материалы, такие как силиконы, например, Silly Putty и водостойкий герметик для сантехники. Кислород также обычно присутствует в основных полимерных цепях, таких как полиэтиленгликоль, полисахариды (в гликозидных связях) и ДНК (в фосфодиэфирных связях).

Физические свойства полимера сильно зависят от размера или длины полимерной цепи. Например, по мере увеличения длины цепи температуры плавления и кипения быстро увеличиваются. Ударопрочность также имеет тенденцию к увеличению с увеличением длины цепи, как и вязкость или сопротивление течению полимера в его расплавленном состоянии. Длина цепи связана с вязкостью расплава примерно как 1:103,2, так что десятикратное увеличение длины полимерной цепи приводит к увеличению вязкости более чем в 1000 раз.

Кроме того, увеличение длины цепи имеет тенденцию к уменьшению подвижности цепи, увеличению прочности и ударной вязкости и повышению температуры стеклования. Это результат увеличения цепных взаимодействий, таких как притяжение Ван-дер-Ваальса и запутывания, которые сопровождаются увеличением длины цепи. Эти взаимодействия имеют тенденцию более прочно фиксировать положение отдельных цепей и сопротивляться деформациям и разрушению матрицы как при более высоких напряжениях, так и при более высоких температурах.

Применительно к полимерам термин «кристаллический» имеет несколько двусмысленное значение. В некоторых случаях термин «кристаллический» используется так же, как и в обычной кристаллографии. Например, структура кристаллического белка или полинуклеотида, такого как образец, подготовленный для рентгеновской кристаллографии, может быть определена в терминах обычной элементарной ячейки, состоящей из одной или нескольких полимерных молекул с размерами ячеек в сотни ангстрем или более.

Синтетический полимер может быть в общих чертах описан как кристаллический, если он содержит области трехмерного упорядочения в атомных (а не макромолекулярных) масштабах длины, обычно возникающие в результате внутримолекулярной укладки и/или укладки соседних цепей. Синтетические полимеры могут состоять как из кристаллических, так и из аморфных областей; степень кристалличности может быть выражена в виде массовой доли или объемной доли кристаллического материала. Немногие синтетические полимеры являются полностью кристаллическими.

Вам также может понравиться

Полимерная глина Что такое полимерная глина? Полимерная глина – это…

Композиты с полимерной матрицей Что такое композит с полимерной матрицей? Полимер…

Что такое кевлар? Кевлар – инновационный технологический материал Кевлар…

Наноматериалы – A Отзывы Наноматериалы Наноматериалами могут быть металлы,…

Кристаллизация в полимерных материалах – продвижение материалов

Что такое полимеры?

Полимеры состоят из больших молекул, образующих цепь отдельных молекулярных единиц (мономеров), полученных из углеводородов. Полимеры, содержащие более одного типа мономера, называются сополимерами. Полимеры, используемые в пищевой упаковке, строительных материалах, 3D-печати, игрушках, автомобильных деталях, контейнерах для хранения и сотнях других потребительских и промышленных товаров, обычно нагревают до точки плавления и формуют или экструдируют в функциональное устройство.

Полимеры

Структура полимера

Основные структурные свойства полимеров играют важную роль в определении их физических свойств и функций, даже если они состоят из одних и тех же мономеров. Важной особенностью микроструктуры полимера является его архитектура и форма, которые связаны с тем, как точки ветвления ведут к молекулам, состоящим из основной цепи с одной или несколькими замещающими боковыми цепями или ответвлениями. Архитектура полимера влияет на многие его физические свойства, такие как вязкость раствора, вязкость расплава, растворимость, температура стеклования и размер отдельных клубков полимера в растворе. Физические свойства полимера сильно зависят от длины его полимерной цепи, то есть от степени полимеризации, или просто от количества мономеров, включенных в цепь, которое может быть выражено в терминах молекулярной массы.

Кристаллизация полимеров

Другим фактором, определяющим физические свойства полимера, является его морфология, то есть расположение полимерных цепей. Эти цепочки складываются вместе и образуют упорядоченные области (пластины), которые состоят из более крупных сферических полукристаллических областей внутри неразветвленных линейных полимеров, называемых сферолитами. Их образование связано с кристаллизацией полимеров при их охлаждении от плавления, механического растяжения или испарения растворителя. По мере затвердевания полимеры могут сохранять свою неупорядоченную аморфную структуру, полностью кристаллизоваться или часть молекул может выстраиваться, в то время как остальные остаются неупорядоченными и становятся полукристаллическими. Это влияет на оптические, механические, термические и химические свойства полимера, которые можно измерить по степени кристаллизации. Понимание этого значения имеет решающее значение при разработке, производстве и контроле качества полимера и любого готового продукта.

Двумя наиболее часто используемыми полимерами являются термопласты полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП).

Полиэтилен

Хотя известно много видов полиэтилена, большинство из них имеют химическую формулу (C ₂ H ₄ ) _n . ПЭ обычно представляет собой смесь подобных полимеров этилена (H ₂ C=CH ₂ ) с различными значениями n. Помимо того, что полиэтилен является термопластом, он может стать термореактивным пластиком при модификации (например, сшитый полиэтилен). PE встречается в диапазоне плотностей, которые определяют его использование.

Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) имеет множество применений: от нитей для 3D-принтеров до трубопроводов для газа, жидкостей или суспензий. Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) химически стабилен при комнатных температурах и поэтому широко используется для изготовления различных емкостей, бутылок, трубок, пластиковых деталей компьютерных комплектующих, различного литьевого лабораторного оборудования. Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) используется в одежде (полиэстер), контейнерах для пищевых продуктов и жидкостей, а также в технических смолах. Это один из наиболее часто перерабатываемых материалов.

Полипропилен

Полипропилен получают полимеризацией с ростом цепи из мономера пропилена. Он принадлежит к группе полиолефинов, является частично кристаллическим и неполярным. Его свойства аналогичны полиэтилену, но он немного тверже и более термостойкий. Многие пластиковые предметы для медицинского или лабораторного использования изготавливаются из полипропилена, потому что он может выдерживать нагрев в автоклаве и коммерчески используется в пищевых контейнерах, пригодных для мытья в посудомоечной машине. Поскольку он также очень устойчив к усталости, вы найдете его на многих шарнирных материалах. Товарный пластик с самой низкой плотностью, полипропилен является вторым наиболее производимым полимером после полиэтилена. Устойчивый к жиру и органическим растворителям, он часто используется в упаковке пищевых продуктов и контейнерах для хранения. ПП может быть прозрачным, полупрозрачным или цветным. Большинство коммерческих полипропиленов является изотактическим и имеет промежуточный уровень кристалличности между полиэтиленом низкой плотности (LDPE) и полиэтиленом высокой плотности (HDPE).

XRD кристаллизации полимера

Лабораторный аналитический метод рентгеновской дифракции (XRD) использует пучок падающих рентгеновских лучей для дифрагирования в материале, чтобы охарактеризовать его молекулярную упорядоченность, и является золотым стандартом индикатора кристаллизации полимера. Специалисты по применению рентгеновской дифракции в компании Thermo Fisher Scientific использовали настольный рентгеновский дифрактометр для анализа листовых образцов полиэтилена и полипропилена, чтобы продемонстрировать различную степень кристалличности (D) между образцами ПЭ и ПП.

С помощью базы данных органических рентгенограмм специалисты смогли определить как тип, так и степень кристалличности полимерных материалов. Значения варьировались от ПЭ высокой (ПЭ 1) и низкой (ПЭ 2) плотности до изотактического (α-) ПП. Менее чем за 10 минут можно определить качество полимерных материалов в исследовательских лабораториях, а также в процессе производства, что позволяет производителям снизить себестоимость и повысить качество полимерной продукции.