Полимеры все: Просрали все полимеры – откуда взялся мем о бесповоротной потере
alexxlab | 31.10.2020 | 0 | Разное
Приняли полимеры — Производство пластмасс в России растет все последние годы взрывными темпами
Производство пластмасс в России растет все последние годы взрывными темпами
Полимерные материалы стали незаменимыми во множестве областей производства и потребления благодаря своим свойствам – высокой удельной прочности, повышенной химической и износостойкости, диэлектрическим характеристикам.
Начиная с 2010 года в нашей стране постоянно растет как производство, так и потребление пластика. Общий объем выпускаемых полимеров превысил еще недавно недостижимую цифру в 5 миллионов тонн.
Несмотря на то, что спрос возрастал медленнее производства, потребление полимеров в 2017 году опередило его и составило 5,2 миллиона тонн. Понятно, что разницу закрывает импорт. Пока, к примеру, не хватает отечественного полиэтилентерефталата, но и этот дефицит будет скоро устранен: реализуются три проекта по производству этого важнейшего полимера, в основном использующегося для изготовления пластиковых емкостей различного вида и назначения.
Большой интерес государства к развитию производства полимерных материалов объясняется просто: если принять выручку от продажи сырой нефти в год за 1000 долларов, то выручка от продажи продуктов высоких переделов – тех же полимеров, которые в конечном счете получают из углеводородного сырья, – составит 2450 долларов – почти в 2,5 раза больше. Собственное сырье дает мощнейший импульс производству полимеров и буквально открывает дыхание для многочисленных отраслей переработки. В России это хорошо понимают. И в этом плане отрасль развивается в русле мировых тенденций. Крупными компаниями разработан целый ряд проектов по производству исходного сырья (мономеров) и важнейших полимеров – полиэтилена и полипропилена.
Собственное сырье дает мощнейший импульс производству полимеров и открывает дыхание для переработки
Сейчас потребление этих продуктов в РФ достигает 1,8 и 1 миллиона тонн соответственно. Есть уверенность, что при выполнении задуманного мощности по их производству вырастут на 47 и 40 процентов, что может даже превысить потенциальный уровень внутреннего потребления.
Росту производства полимеров уделено значительное внимание в “Стратегии развития химического и нефтехимического комплекса на период до 2030 года”. И все шло бы хорошо, если бы не санкции. “Впрочем, санкционная ситуация является еще и окном возможностей, – говорит президент Российского союза химиков Виктор Иванов. – Для отечественного химпрома их открыла программа импортозамещения, ориентированная на развитие внутренних производств полимеров”.
Однако реализация этих планов натолкнулась на неожиданные трудности. “Для превращения нефти в исходные материалы, необходимые для синтеза полимеров, требуется сначала переработать ее на нефтеперерабатывающих заводах, а потом там же запустить вторичные процессы крекинга и риформинга, – говорит вице-президент Российского союза химиков Сергей Голубков. – Для этого нужны катализаторы, высокие температуры и т.д. Но, как выясняется, наши НПЗ маленькие, их производительность составляет в лучшем случае 100 тысяч тонн в год, тогда как на Западе – 50 миллионов тонн. На таких заводах вторичные процессы ставить невыгодно”. И здесь надежды отрасли связаны с пуском в строй новых мощностей.
Журнал «За науку»: Умные полимеры
Доставить лекарство в нужную точку организма, распылить солнечную батарею на крыше, решить проблему нехватки пресной воды и создать импланты, неотличимые по свойствам от оригинала, — все это позволят сделать умные полимеры. О достигнутых результатах и перспективах этого направления рассказал заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ Дмитрий Иванов.
Сотрудники лаборатории инженерного материаловедения МГУ
Умные полимеры — это часть умных материалов, которые обладают способностью сильно реагировать на какое-то внешнее воздействие. Они могут резко изменить форму или состояние при перемене температуры, влажности, кислотности, освещения. Эти материалы могут иметь очень сильный отклик даже на самое малое внешнее возмущение. Например, можно излучением вызывать изменение в конформации полимерных цепочек, которое приведет к глобальной перестройке всей структуры полимера. Классические материалы — сплавы, неорганика — состоят из достаточно простых кирпичиков: атомов, ионов или соединений из нескольких атомов, для них подобные сильные отклики на малое внешнее возмущение, практически, недостижимы.
«Область, в которой мы работаем, — сложные жидкости. Это другой термин, который обозначает умные материалы. В каждом элементарном кирпичике такого материала могут быть десятки и даже сотни атомов, которые составляют, например, мономер. Из этих мономеров мы выстраиваем полимерную цепочку. То есть сам по себе элементарный кирпичик нашего материала может быть достаточно сложным, и именно это обусловливает сложность взаимодействия между ними. В силу того, что материал организован в широком диапазоне шкал от ангстремов до сотен нанометров, он обладает богатой палитрой возможных взаимодействий», — рассказывает директор исследований при французском Национальном центре по научным исследованиям, заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ Дмитрий Иванов.
Сейчас, например, развивается целое направление, связанное с микророботами на основе мягких сред. Мягкие среды — еще одно называние этих материалов. Действием определенного облучения можно вызывать механические движения этих микрообъектов, вынуждая их перемещаться в пространстве в заданном направлении.
Егор Берсенев за работой
«Как это может достигаться? Грубо говоря, полимер является растворимым в воде при температуре ниже 31℃. Но как только температура превысила 31℃, он претерпевает фазовое превращение, наступает коллапс цепей, приводящий к резкому уменьшению размеров макромолекулярных цепочек. На основе такого полимера с содержанием, например, наночастиц золота создаются так называемые микроплывуны. И, в этом случае, с помощью инфракрасного лазера можно целенаправленно вызвать локальный нагрев этих наночастиц. Вследствие этого полимерная матрица начнет резко сокращаться и станет пульсированно двигаться. Предполагается, что такие плывуны будут играть большую роль в наномедицине»,
Другой пример — создание специальных многослойных микро- и даже нано-размерных пузырей для доставки лекарств. Направляя на эту оболочку излучение определенной длины волны, можно вызвать фазовый переход, — пузырь откроется, и биологически активная субстанция, которая находилась внутри пузыря, выйдет. То есть вы контролируемо высвобождаете биологически активное вещество.
Как это было
Полимерная революция началась в 40-х годах, когда люди впервые отказались от естественных, натуральных материалов и синтезировали то, чего никогда в природе не было, — появились чисто синтетические материалы. Яркий пример — нейлоны, полиамиды или полиэтилен. Такой чисто искусственный материал, как полиэтилен оказался уникальным по своим структурам и механическим свойствам. Изначально полимеры привлекли внимание благодаря своей механике: полимерные волокна полиэтилена прочнее стали на единицу веса. Корреляции между структурами материалов и их свойствами стали выделяться в целое направление материаловедения, ученые начали специально заниматься изучением таких корреляций для создания новых функциональных материалов.
Обычный легкий мягкий пластик обладает очень интересным комплексом свойств, которые определяются его структурой и условиями производства. Можно произвести полиэтилен так, что получится пакет, который вам дают в супермаркете, — он обладает достаточно скромными механическими свойствами. Но можно сделать и так, что полиэтилен станет пуленепробиваемым материалом. Это хорошо показывает влияние структуры на свойства.
Здесь стоит упомянуть, что большое количество биологических соединений от ДНК до белков — тоже полимеры. И сделаны они очень хитро, потому что их трехмерная структура, которая спонтанно образуется после синтеза, полностью определяет их свойства.
Специализированные полимеры
В 60-е считалось, что с годами будет появляться все больше и больше специализированных полимеров. Наиболее известный пример такого полимера — нейлон. Ни один другой полимер не воспроизводит механические свойства нейлона, и было понятно, что нейлон останется уникальным очень долго. Он был ярким примером такой специализации. Это верхушка пирамиды полимеров. Основу же ее составляют так называемые commodity plastics — полимеры, которые производятся многими миллионами тонн: полиолефины, эластомеры, синтетические смолы. И ученые полагали, что с годами эта пирамида будет меняться, что будет появляться все больше и больше специализированных полимеров, и понемногу промышленность уменьшит долю многотоннажного производства.
Текстурированные полимерные пленки
«Действительность полностью опровергла это предсказание. Область специализированных полимеров с годами не стала расти. И это связано с тем, что весь процессинг сейчас оптимизирован под отдельные полимеры, например, под полипропилен. И перестраивать производство очень дорого. Поэтому основное усилие было направлено на то, чтобы приобрести все более тонкий контроль над макромолекулярной структурой и свойствами этого полимера. То есть сегодня полипропилен — это совсем не тот же материал, который был несколько десятилетий назад, а целое семейство разных сополимеров. Но, конечно, очень интересно развивать полимеры также под специальные применения»,
— считает Дмитрий Иванов.
Лишняя соль
Когда говорят про опреснение воды, имеют в виду в первую очередь уменьшение концентрации ионов натрия. Высокая концентрация именно этого элемента является токсическим фактором для организма в силу того, что в клетках поддерживается некий градиент концентрации натрия и калия. Если пить воду с высоким содержанием катионов натрия, организм не справится с осмотическим шоком, и человек погибнет.
Идея заключается в использовании полиэлектролитов нового поколения, которые связывают натрий в растворе по схеме «ключ — замок». То есть структура полиэлектролита должна быть такова, что катион натрия идеально подходит для захвата отрицательно заряженными группами. После такого захвата полиэлектролит теряет свойства растворимости и выпадает в осадок вместе с катионами натрия. Жидкость из соленой превращается в слабокислую, то есть уже питьевую.
Этот проект реализуется в сотрудничестве с университетом Парижа. Химики-синтетики из Франции помогают создавать новые структуры полиэлектролитов для очистки воды. В нынешнем году планируется построить уже первые мембраны на их основе и попытаться сделать процесс опреснения более технологичным.
Органическая электроника
«Еще одно направление нашей работы в сотрудничестве с региональной платформой по органической электронике в Страсбурге — разработка органических солнечных батарей. Это тонкопленочные устройства толщиной от 50 до 100 нанометров, которые конвертируют свет в электроэнергию. В чем их возможные преимущества перед кремниевыми? Они тонкие, — что дает малый расход материала на единицу площади. Низкая стоимость материалов. В идеальном случае человек с тремя баллончиками спрея поднимется на крышу: из первого баллончика нанесет электрод, из второго — донор, из третьего — акцептор, потом опять электрод, — и крыша превратится в одну солнечную батарею. К сожалению, КПД такой батареи будет пока невысок, а стабильность достаточно низкая. Эти проблемы еще до конца не решены»,
Тонкоплёночный полевой транзистор на основе органических материалов
Тем не менее эта область бурно развивается. И речь не только об органических солнечных батареях, но и о транзисторах, сенсорах. Появится целая палитра таких органических электронных устройств. У каждого вида изделия будет своя ниша на рынке. Это не будут заводы по производству электроэнергии. Но могут быть устройства для зарядки портативной техники. Допустим, на ваш рюкзак наносится чувствительный органический элемент, и пока вы идете в походе, он заряжает ваш телефон.
Полимерные импланты
ПРЯМАЯ РЕЧЬ
Дмитрий Иванов
, директор исследований при французском Национальном центре по научным исследованиям, заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ:
— Мы работаем с людьми, которые помогают нам моделировать новые материалы. В частности, те материалы, которые будут имитировать свойства мягких тканей организма: кожи, жировой ткани. Наша команда разрабатывает материалы, которые будут точно воспроизводить индивидуальные свойства пациента. Было обнаружено, что индивидуальные различия между людьми в механических свойствах тканей, скажем, кровяных сосудов, очень сильно отличаются, и даже иногда приближаются к межвидовым различиям. Становится очень важно изготовить материал, который будет соответствовать точно вашим персональным свойствам, то есть воспроизводить свойства конкретно ваших тканей.
Материал импланта должен так же деформироваться, как и окружающая ткань. Сейчас для населения, которое ведет малоподвижный образ жизни очень актуальна проблема с межпозвоночными дисками. Межпозвоночная грыжа — это проблема материала диска, который соединяет позвонки, — сложно структурированного композитного материала из коллагена, который обеспечивает механику позвоночника. Если коллагеновый диск разорвался, вытекшая жидкость начинает оказывать давление на нерв, из-за чего уменьшается кровоток и нерв может отмереть. Это приводит к парализации ног, например, если речь идет о грыже поясничного отдела. В случае грыжи позвонков шейного отдела может наступить паралич рук, остановка сердца и дыхания. То есть в такой ситуации нужно в первую очередь спасти нерв. Но спасти таким образом, чтобы сохранилась физическая подвижность.
Раньше поврежденный диск удаляли и на его место вставляли пластиковый вкладыш. Полипропилен — классический частично кристаллический полимер, который применяется во многих областях и в том числе в медицине. Но он никак не соответствует по механике удаленному коллагеновому диску, поскольку это довольно твердый материал. Если вставить полипропиленовый вкладыш, механические нагрузки лишь перенесутся на следующую пару позвонков, и через несколько лет может начаться грыжа следующего диска. Человек все равно рискует стать инвалидом.
«Возникает задача воспроизведения определенного комплекса механических свойств мягких тканей. Мы начали эту работу в сотрудничестве с американскими химиками и полимерными физиками. Они профессионально занимаются симуляцией механических свойств полимеров, то есть рассчитывают процесс деформации полимерных материалов, имеющих достаточно сложную макромолекулярную структуру. Когда мы только начинали этим заниматься, все говорили, что невозможно воспроизвести механику живых тканей, потому что она не подчиняется тем же законам, которые управляют механикой обычных эластомеров», — вспоминает Дмитрий Иванов.
Эластомеры — это класс полимеров. При растяжении эластомера сила сопротивления деформации возрастает с увеличением деформации. Кожа ведет себя совершенно по-другому. Она очень мягкая в исходном недеформированном состоянии. Можно разгладить старческие морщины без усилий. Но при этом потребуется достаточно большое усилие, чтобы удлинить ее, например, в два раза. Суть механики биологических тканей состоит в присутствии в их основе волокон, состоящих из практически полностью вытянутых цепей. Когда вы начинаете деформировать биологическую ткань, эти волокна, изначально изотропно ориентированные в материале, ориентируются в направлении деформации, и вы практически сразу достигаете точки максимального растяжения. Дальше прилагаемая сила очень быстро возрастает с деформацией. Эволюция привела к тому, что кожа имеет эту защитную функцию: она может резко упрочняться в тысячи раз при деформации.
«Постепенно мы пришли к пониманию, как отойти от этой парадигмы, согласно которой воспроизвести в синтетических полимерах механику биологических объектов невозможно. И вместе с химиками создали новый класс полимерных материалов, который полностью воспроизводит механику биологических тканей: кожи, легких, кровяных сосудов. Это открывает совершенно новые перспективы в создании персонализированных имплантов, — полагает Дмитрий. — Ключевые параметры механики мы рассчитываем аналитически на основе созданных моделей эластического поведения материалов. Для этого у нас есть набор неких кодирующих параметров, которые позволяют нам точно предсказать деформационные кривые наших материалов. Таким образом, разработанная стратегия сводится тому, что мы берем образец биологического материала, измеряем его механическую кривую и по ней сразу создаем новый материал, который точно ее воспроизводит».
Нужно понимать, что эта технология создания материалов достаточно дорогостоящая на сегодняшний день, поэтому она не станет многотоннажной и будет оставаться на самой вершине пирамиды производства полимеров. Очевидно, что вначале такие материалы будут доступны только для достаточно обеспеченных пациентов. Тем не менее, за этим направлением будущее, потому что постепенно оно проложит путь к персонализации в медицине.
Все дороги ведут к полимерам
«Одна из наших задач посвящена строительству дорог. Сейчас это важная тема. Мы изучаем такие полимерные композиции, которые будут использоваться для укрепления грунта и разрабатываем новый модификатор для этой среды. При строительстве дорог первым делом нужно обработать сам грунт, на который вы будете укладывать дорожное покрытие. Это позволяет сделать жестким полотно дороги и избежать попадания воды, поскольку пропитка происходит на значительную глубину. Сам же модификатор можно сравнить с клеем — тоже суспензия, связывающая частицы при высыхании. Для отработки своей технологии мы используем песок, поскольку это наиболее сложный к стабилизации грунт», — рассказывает сотрудница лаборатории Полина Бовсуновская.
Песок после обработки модификатором грунта
Во многих регионах России температура проходит через ноль десятки раз в течение года. Из-за этого вода, попадающая в дорожное полотно, регулярно замерзает и расширяется, образуя трещины. Модификаторы грунта помогают избежать данной проблемы, именуемой «морозным пучением». Сегодня эта технология уже хорошо развита на западе. Но многие из существующих модификаторов используют поверхностно-активные вещества, которые при попадании в грунт уходят в сточные воды и загрязняют окружающую среду.
«Мы хотим сделать модификатор грунта без поверхностно-активных веществ. К сожалению, пока что реализовать эту идею до конца не получилось. Мы продолжаем оптимизировать состав нашего модификатора, перенимая в том числе самые передовые западные технологии. Отдельная проблема, присущая России, состоит в большой разнородности грунтов, что усложняет задачу», — делится Полина Бовсуновская.
Модификаторы грунта
Эксперимент правит бал
Говоря о важности экспериментальной науки, нужно понимать, что расчет механических свойств макромолекулярного материала и расчет его электронных состояний — это две совершенно несопоставимые по сложности задачи. Однако, на сегодняшний день даже определение механических свойств полимерных композитов является очень сложной задачей. Возможно ли сегодня, исходя из знания квантовой механики, квантовой химии, то есть из основополагающих принципов, рассчитать основные электронные свойства материала? К сожалению, только очень приблизительно. Рубеж современных возможностей моделирования электронных свойств— симулирование одной молекулы.
Большую роль в этой проблеме играет отсутствие знаний о микроструктуре вещества. Потому что его энергетические уровни зависят не только от строения молекулы вещества, но и от межмолекулярных взаимодействий, которые определяются структурой. То есть пока симуляции еще очень далеки от расчетов реальных материалов.
«В целом симуляция полимерных материалов — это достаточно классическое направление. И потихонечку компьютерные мощности все больше и больше позволяют приблизиться к реальным системам. Уже можно представить, как ведет себя наш материал при деформации: что происходит с боковыми цепями и с основной цепью, каковы основные этапы деформационного процесса. Но все симуляции обязательно сверяются с экспериментом. Без экспериментальной составляющей в ближайшем будущем наша сфера немыслима, поэтому нужно активно работать над созданием большего числа высококлассных экспериментальных лабораторий», — заключает Дмитрий Иванов.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Просмотров: 988
Виды полимеров
Биополимеры лежат в основе живых организмов и задействованы почти во всех процессах жизнедеятельности.
Широко распространено 12 марок полимеров.
Наиболее активно используется полиэтилен. Он относится к синтетическим термопластичным неполярным полимерам класса полиолефинов. Его получают полимеризацией этилена.
Еще один термопластичный неполярный, получивший обширное применение полимер – полипропилен. Это синтетическое вещество класса полиолефинов, получаемое в результате полимеризации пропилена. Как и полиэтилен, полипропилен – белое твердое вещество.
Путем поликонденсации терефталевой кислоты и моноэтиленгликоля получают синтетический термопластичный линейный полимер класса полиэфиров – полиэтилентерефталат.
Широкое применение получил и полистирол. Он представляет из себя жесткий синтетический термопластичный аморфный полимер и является продуктом полимеризации стирола.
Еще один линейный термопластичный полимер, незаменимый в быту и промышленности – поливинилхлорид. Это полимер винилхлорида _СН2_СНСl_. Поливинилхлорид – это пластик белого цвета с молекулярной массой 6000 – 160.000, степенью кристалличности 10 – 35%, плотностью 1.35 – 1.43 г/см3. Это физиологически безвредное вещество.
АБС пластик получил свое название по начальным буквам названий мономеров: акрилонитрила, бутадиена, стирола. Является термопластичным аморфным тройным сополимером.
Активно применяются также синтетические гетероцепные полимеры, полиуретаны. В состав основных цепей этих полимеров входят макромолекулы уретановой группировки _NH_CO_O_.
Еще один вид синтетических термопластичных полимеров класса фторолефинов – фторопласт. В состав фторопласта входят атомы фтора, характеризующиеся высокими показателями химической стойкости
Пенопласт – вспененная или ячеистая пластмасса. Этот полимер наполнен газом и представляет из себя композиционные материалы с матрицей из полимерных пленок. Полимерные пленки образуют ребра и стенки пор, наполненных газом.
Фенопласт относится к термореактивным пластмассам, в основе которых лежат фенолоальдегидные смолы (в частности, фенолоформальдегидные) и включают в себя разнообразные наполнители, отвердители и некоторые другие добавки.
Полиамиды – представители многочисленной группы гетероцепных высокомолекулярных соединений. Химические звенья полиамидов соединяются амидной связью _NH_CO_.
Нашли свое широкое применение и поликарбонаты, полиэфиры диоксисоединений и угольной кислоты.
| < Предыдущая | Следующая > |
|---|
Андрей Геннадиевич Барабанцев – Просрали все полимеры! by Pokesh | Arthur Pokesh
published onЗапись совещания у начальника Цеха полимерных покрытий Череповецкого Металлургического Комбината, входящего в состав ОАО «Северсталь», Андрея Геннадиевича Барабанцева. В данный момент Андрей Геннадиевич в ОАО “Северсталь” не работает. Помимо указанного, породил ещё несколько популярных выражений, в основном нецензурных. Иногда приводится как иллюстрация рабочих приемов «российского менеджмента». Плотность нецензурной лексики — 15 слов в минуту. Что ни слово — Цицерон с языка слетел. Стенограмма Я не понял, вы чё-то, блядь, легко к этому всему, хуйне, относитесь! (Анатолий Иванович: «Я на лекции выступал…») То что вы, блядь.. (Обращаясь к Анатолию Ивановичу) Подождите, Анатолий Иваныч… То что вы, блядь, сидите, Доводилова дрочите — пишите, блядь, Зубарю и запрашивайте данные. Вы чё, мальчики, охуели, что ли, блядь? Вы ещё с Северстали никуда не ушли! Чё, блядь, воздух свободы жопу защекотал? Я, блядь, защекочу нахуй! Вы, бля, сука, за ворота все пойдёте, блядь! Я, блядь, где-где добрый, а где-где вы меня заёбываете! Или вы, блядь, лохи, сука, работать начинаете, или я вас, твари, блядь, как Жеглов давить начну! Понятно?! Проектанты хуевы, блядь. Карандаши в жопу запихаю! Если ваши твари, блядь, Сорочи́нские, э-э, Бахваловы и прочая, извиняюсь за выражение, хуета, не начнёт, блядь, работать, вы у меня, сука, все к Погожеву пойдёте! Со мной вместе, блядь. Но я, сука, оттуда один выйду, без вас. Ещё раз, Игорь, я такую хуйню услышу… «Хи-хи», блядь! Я переведу все расходы, которые были на комплексе, на вашу группу, блядь! Вы у меня штаны последние продадите! Чё, охуели, что ли, совсем?! Чё за улыбки, блядь?! Я те кто, клоун? Я начальник цеха “Севстали”, блядь! Если я задал вопрос — отвечай! Хуйня, блядь, демократия! Забудь нахуй о демократии, блядь! Пока я здесь командир, тут тоталитаризм будет. Всё! Ещё раз вы мне хихикнете, блядь, — я хихикну. Я ебальники скоро бить начну на комплексе! У меня, блядь, сто двадцать мужиков в бригаде было, я их не боялся. Вы чё думаете, блядь, штафирки, я вас бояться буду? Не доводите до греха, не доводите! А то поздно будет. Сели, блядь. Доводилов, Лещинин, — охуенных коней себе нашли. Умники! Проектанты, блядь! Ваше место у палатки, бутылки собирать. Проектанты. Просрали все полимеры! Вы просрали, блядь! Вы! И не надо валить на ТПЭПы, на ЭМОНы… Крайних понаходили, бля. Вы генпроектировщик? Нет потенции — сваливайте нахуй с рынка. И не позорьтесь. Нихуя сделать не можете. Ни одного проекта вовремя не дали. Всё, что дали, — всё переделывается! Подвесные потолки, блядь, в сортирах закладывать — это вы мастера! Вот в этом вы преуспели! А выдать нормальный проект по вентиляции — ума не хватает. Бахвалов ваш — дегенерат, бля. Он хоть раз видел вообще сплит-системы? То, что он закладывает. Тот же Лещинин. Вам самим не стыдно? Начальники отделов, бля! Лещинин — рабочий, Доводилов — рабочий. Володин, блядь, который вашим спецам, сорокалетним пердунам, объясняет, где датчики в мотор-листе. Блядь, парню двадцать пять лет. Вы сами понимаете, что вы нули перед ним, блядь? Так вы хоть позорьтесь, хоть приходи́те сюда, молчите, блядь, слушайте, что вам говорят, и выдавайте вовремя! По ходу дела, мальчики, надо бы за вас взяться, блядь. Токо я так думаю, что если Виталия Иваныча пару раз порвут у Погожева, блядь, вам будет пиздец. Вот такой вот будет вам ответ, бля. Ещё раз я что-нибудь подобное услышу, «хи-хи, ха-ха», вы у меня будете, блядь, приходить на все оперативки — и на дневные, и на вечерние. Это я вам обещаю. Не доводите до греха.
- Genre
- Soul
Полимеры и пластмассы
Услуги Intertek в отношении полимеров и пластмасс помогут Вам улучшить и сертифицировать материалы и продукты, а также обеспечить соответствие мировым нормативным требованиям.
В цепочке поставок полимеров и пластмасс существует целый ряд проблем, связанных с безопасностью, качеством, технологическими процессами, соблюдением нормативных требований, производительностью и жизненным циклом. Если Вы являетесь основным поставщиком химических веществ, поставщиком добавок, переработчиком, изготовителем смесей или конечным пользователем – преодоление этих проблем может дать Вашему бизнесу значительное коммерческое преимущество.
У нас за спиной десятки лет опыта работы с компаниями, работающими на рынке полимеров и пластмасс, нам прекрасно известно, как можно повысить и поддержать на достойном уровне качество материалов и изделий. Наша концепция Всеобщего управления качеством всегда и везде, с точностью, уверенностью и высочайшим профессионализмом позволит нам сделать все, чтобы Ваша продукция достигла оптимального уровня качества и эффективности.
Физические и механические испытания пластмасс
Услуги по испытанию полимеров и пластмасс включают физические, термические, реологические, оптические, поверхностные испытания, испытания на старение, испытания методом прослоек, воспламеняемости, а также испытание механических свойств, которые определяют особенности Вашего сырья или полимера и подтверждают их соответствие спецификации. Наши методы помогут понять, подходят ли материалы для определенного применения и покажут, как они стареют.
Химические испытания полимеров и пластмасс
Наши специалисты готовы проконсультировать Вас по вопросам разработки рецептур, деформулированию материалов конкурентов, по сравнительному анализу смесей, требованиям нормативных документов, а также установить, как полимерные добавки связаны с производительностью.
Услуги по нормативному консалтингу в области полимеров
Мы поможем сориентироваться в сложном мире нормативного регулирования. Наши консультанты – признанные эксперты по отраслевым нормативным документам и руководствам, таким как правила контакта материалов с пищевыми продуктами, стандарты ASTM, веществ ограниченного применения, регламенты автомобильной промышленности, стандарты по сбросам и выбросам, правила ввоза и производства игрушек. Intertek имеет множество отраслевых и клиентских сертификатов качества, включая сертификаты ISO, Nadcap и сертификат по Правилам надлежащей лабораторной практики (GLP).
Услуги по обеспечению разработки полимерных продуктов
Наша лабораторная установка по переработке полимеров будет весьма полезна при разработке новых продуктов и процессов. Наши эксперты будут рядом на всех этапах: от выбора сырья, разработки необходимых документов, составления смесей и необходимых преобразований на производстве до изготовления модели/ прототипа и запуска продукта в полномасштабное производство.
Применение полимеров
Полимеры и пластмассы – это универсальные материалы, они используются во всех аспектах нашей повседневной жизни. Они до неузнаваемости изменили производство потребительских товаров и промышленных изделий для аэрокосмической, автомобильной промышленности, электроники и, конечно, бесконечно широк спектр их применения в качестве упаковочного материала. Наши специалисты обладают специальными знаниями и опытом, чтобы вы получили представление о том, что необходимо для продвижения разработанной продукции, соответствия всем применимым требованиям и успешного выведения изделия, над которым вы работаете, на рынок.
Мы повышаем качество жизни, мы знаем, что необходимо сделать, чтобы Ваши продукты и услуги не только соответствовали, но и превышали требования в области качества, безопасности, демонстрируя постоянное совершенствование высоких производственных стандартов. Мы поможем Вам идентифицировать и преодолеть потенциальные риски, связанные с производством и обработкой полимеров и пластмасс, а также соответствующей цепочки поставок и бизнес-процессов, в целом.
Что такое полимеры – их свойстваи применение
Слово «полимер» происходит от греческих слов «поли», означающего «много» и «мерос» – «части» или «звенья». Полимер – это группа или последовательность многих звеньев. Создавая полимер, вы объединяете много мономеров (индивидуальных звеньев). Процесс получения полимеров называют синтезом или полимеризацией.
Гомополимер получается путем полимеризации одинаковых мономеров, а сополимер – при использовании разных мономеров. Гомополимеры имеют повторяющиеся звенья, а чередование различных звеньев в сополимерах может быть случайным или упорядоченным. В зависимости от расположения звеньев различают блок-сополимеры и привитые сополимеры.
Терполимер – полимер, полученный полимеризацией трех различных мономеров.
Слово «полимер» часто используется, как синоним слова «пластик» или «пластмасса», но кроме пластиков существует много других полимеров (резины, биополимеры, неорганические полимеры и т.д.). Можно сказать, что все пластики – полимеры, но не все полимеры – пластики. Как правило, пластики отличают по поведению материала под нагрузкой, а, также, по их реологическим свойствам и поведению в расплаве.
Изделия из полимеров получают путем химической реакции в больших реакторах при высокой температуре и под давлением. Обычно, полимер содержит добавки, которые позволяют контролировать процесс переработки материала в изделие, получить нужную длину полимерной цепи и необходимые свойства изделия.
Полимеры характеризуются многообразием свойств – химических и физических, механических и тепловых, оптических и электрических, и т.д.
Большинство свойств может изменяться в широких пределах, благодаря добавкам, армированию, различным требованиям к качеству и по другим причинам. Точный состав материала, определяющий его свойства, является «ноу-хау» производителя.
В настоящее время существуют мировые и отечественные стандарты, определяющие набор физико-химических и эксплуатационных свойств материала и качество продукции.
Наибольший интерес обычно представляют следующие свойства материала:
1. Физические свойства
- плотность,
- усадка при литье
2. Механические свойства
- Прочность (на растяжение и изгиб)
- Модуль упругости
- Удлинение
- Твердость
- Ударная прочность
3. Тепловые свойства
- Температура изгиба под нагрузкой
- Температура размягчения по Вика
- Температура стеклования
- Коэффициент линейного расширения
4. Условия переработки
- Показатель текучести расплава
- Температура плавления
- Метод переработки
5. Оптические свойства
- Светопропускание
- Коэффициент отражения
6. Электрические свойства
- Поверхностное и объемное сопротивление
- Диэлектрическая постоянная
- Тангенс диэлектрических потерь
7. Эксплуатационные свойства
- Хемостойкость
- УФ-стабильность
- Стойкость к горению
- Кислородный индекс
- Водопоглощение
8. Морфология
- Кристалличность
- Ориентация
- Состав (добавки, наполнение, армирование)
Выбор материала – это компромисс между качеством изделия, определяемым свойствами материала, и его ценой. Наиболее дешевыми являются материалы, так называемого общего назначения, требования к которым ограничиваются базовыми свойствами полимера.
Поэтому прежде всего следует выбрать группу полимеров, которые удовлетворяют вашим требованиям к базовым свойствам, а затем определиться со специфическими свойствами материала, исходя из интересующей вас области применения.
Выбирая группу материалов или материал внутри одной группы, вы, соответственно, в большей или меньшей степени, жертвуете одними свойствами в пользу других. Этого можно избежать путем введения добавок и/или армирования, призванных улучшить ряд свойств полимера при сохранении других, однако, такая модификация приводит к удорожанию материала.
Аморфные термопластыАморфные термопласты характеризуются жесткостью, термостойкостью, устойчивостью к внешним механическим воздействиям (образованию трещин, царапин и т.п.), отсутствием взаимодействия с водой, слабыми растворами электролитов, спиртами, большинством масел и жиров.
Специфические свойства
Наиболее широко варьируются свойства материалов на основе АБС-пластика: с помощью различных добавок, а, также, сополимеризацией с поликарбонатом и полиамидом можно получить композиции повышенной ударной прочности (включая сверхпрочные) и термостойкости, пригодные для гальванического покрытия. Материалы на основе АБС-пластика непрозрачны и имеют относительно низкие электроизоляционные характеристики. Для получения прозрачной модификации АБС-пластика используют сополимер метилметакрилата с акрилонитрилом и бутадиен/стиролом.
Другие прозрачные материалы выпускаются на основе поликарбоната, полистирола, ПММА и САН. Из них поликарбонат характеризуется наивысшей плотностью, твердостью и светостойкостью, ударной прочностью и стабильностью свойств и размеров в широком диапазоне температур. Материалы на основе ПММА обладают исключительной устойчивостью к различным внешним условиям и их изменению. Полистирол является прекрасным диэлектриком, хорошо работающим при низких и высоких частотах
Материалы на основе САН характеризуются повышенной ударной прочностью по сравнению с полистиролом.
Наиболее масло- и жиростойким из аморфных термопластов является материал на основе АСА.
Применение
Аморфные термопласты предназначены для использования в машиностроении, строительстве, легкой промышленности и других отраслях народного хозяйства:
·АБС-пластики – в бытовых приборах (компьютеры, мониторы, принтеры, копировальные и факсимильные машины, холодильники), сантехнике, галантерее (чемоданы), автомобилестроении.
·Полистирол – в медицине, светотехнике, в бытовых приборах и одноразовой посуде.
·Поликарбонат – в качестве прозрачных, ударостойких изделий в электро- и оргтехнике (жидкокристаллические дисплеи), приборостроении.
·АБС-ПК сополимер – в автомобильной и авиа промышленности (сопутствующие детали), средствах телекоммуникации (корпуса мобильных телефонов).
·ПММА – в медицине (контактные линзы), авиапромышленности (авиационное стекло), светотехнике.
·САН – в строительстве (оконные стекла), приборостроении (дисплеи), бытовых проборах.
·АСА – в изделиях, предназначенных для контакта со смазочными материалами.
Кристаллические полиолефины
Кристаллические полиолефины (полиэтилен и полипропилен) отличаются гидрофобностью, высокой химической стойкостью, радиационностойкостью, морозостойкостью, сравнительной дешевизной и технологичностью.
Специфические свойства
Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) инертен к физиологическим и пищевым продуктам (кроме жиров), является прекрасным электроизоляционным материалом.
Полиэтилен низкого давления (ПЭНД) имеет более высокие по сравнению с ПЭВД прочностные показатели: теплостойкость, жесткость и твердость, хорошо сваривается. Наличие катализатора не позволяет использовать его в контакте с пищевыми продуктами, а, также, несколько ухудшает высокочастотные электрические характеристики.
Полипропилен обладает наилучшей хемостойкостью и характеризуется хорошими электроизоляционными характеристиками, есть марки, допущенные к контакту с пищевыми продуктами. К сравнительным недостаткам полипропилена относят более низкую, чем у полиэтилена морозостойкость.
Применение
· ПЭВД – пленки для упаковки и потребностей сельского хозяйства, тара и изделия культурно-бытового и медицинского назначения
· ПЭНД – тара, листы, трубы, ориентированные ленты и другие изделия технического назначения
· Полипропилен – в медицине, пищевой промышленности, электротехнике (в т.ч. для производства конденсаторных пленок).
Кристаллические полиэфиры
Полиформальдегид (полиацеталь, ПОМ) – простой полиэфир, полукристаллический термопласт, обладающий высокой жесткостью, твердостью, термо- и износостойкостью, хорошо выдерживающий статические, ударные и знакопеременные нагрузки в широком диапазоне температур. Свойства и размеры стабильны и мало зависят от влажности окружающей среды вследствие низкого водопоглощения
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) – сложный полиэфир, характеризуемый низким водопоглощением. Как инженерный пластик используется закристаллизованный ПЭТФ, получаемый при медленном охлаждении (при быстром охлаждении получается аморфный полимер с прозрачностью более 90%). Кристаллический ПЭТФ обладает высокой прочностью (в т.ч. при ударных нагрузках), жесткостью в широком интервале температур, высокими диэлектрическими характеристиками.
Полибутилентерефталат (ПБТ) – сложный полиэфир, близкий по химической структуре к ПЭТФ, но отличающийся меньшей кристалличностью, плотностью и, как следствие – меньшей усадкой при литье и водопоглощением (менее 0.1%). Материал характеризуется жесткостью, ударопрочностью, термостойкостью и геометрической стабильностью. Выпускается различной вязкости, неармированный (прозрачность – до 90%) и стеклонаполненный, является хорошим антифрикционным материалом
Применение
· Полиформальдегид – точные детали, длительное время работающие под нагрузкой (рычаги, кулачки и т.д.)
· ПЭТФ – тонкие конденсаторные пленки и детали электротехнического назначения
· ПБТ – корпусные и электротехнические детали. Материал пригоден для лазерной печати без специальных добавок. Последние рекомендуется использовать для увеличения контрастности.
Полиамиды
Комплекс базовых свойств полиамидов определяется концентрацией водородных связей на единицу длины макромолекулы, которая увеличивается в ряду ПА-12, ПА-610, ПА-6, ПА-66. Увеличение данной концентрации обуславливает большую температуру плавления и стеклования материала. Соответственно, в этом ряду возрастают механические (прочностные) характеристики, теплостойкость, растворимость в полярных растворителях, водопоглощение. Диэлектрические характеристики, стабильность свойств и размеров уменьшаются. Полиамиды обладают высокой прочностью и ударной вязкостью в широком диапазоне температур. Они – хорошие антифрикционные материалы, причем антифрикционность легко повышается введением специальных добавок при сохранении базовых свойств. Основным недостатком полиамидов является относительно большое водопоглощение. Они не являются хорошими диэлектриками, нестойки к УФ-излучению, горючи.
Армирование полиамидов стекловолокном, стеклянными шариками или минеральными наполнителями и/или введение различных добавок (антипирены, свето- и термо стабилизаторы, модификаторы ударной вязкости, гидрофобные добавки, препятствующие гидролизу и др.) позволяют изменять базовые свойства композиций в широких пределах, добиваясь существенного улучшения механических свойств изделий, их свето- и термостойкости, ударной прочности, снижения водопоглощения и т.д.
Специфические свойства
Неармированные полиамиды различаются по вязкости (низкой, средней и высокой). Они являются теми немногими, в настоящее время, термопластами, в которых негалогеновые экологические чистые антипирены нашли успешное применение. В стеклонаполненных полиамидах, как правило, используются галогеновые антипирены.
Минералонаполненные композиции обладают повышенной ударопрочностью и, как правило, не требуют введения модификаторов ударной вязкости.
Применение
· Машиностроение, в т.ч. автомобильная промышленность (основания замков двери и багажника, элементы облицовки, рабочие органы насосов, подшипники)
· Товары повседневного спроса (колеса для мебели, спортивный инвентарь)
· Приборостроение, электротехника (низковязкие, трудно горючие материалы)
· Текстильная промышленность (бегунки, ролики)
Армированные термопластыС помощью армирования достигается уникальный набор свойств материала: устойчивая геометрия изделия, жесткость, прочность, термостойкость, ударная прочность, устойчивость к внешним механическим воздействиям (образованию трещин, царапин и т.п.), инертность по отношению к воде, слабым растворам электролитов, спиртам, маслам и смазочным материалам. Основными армирующими компонентами являются стекловолокно или стеклошарики, минералы (тальк, мел, каолин). В армированных (или композиционных) материалах, полимер является матрицей, а другой (другие) компонент определенным образом распределен и отделен от матрицы границей раздела. Таким образом достигается улучшение свойств материала при сохранении базовых свойств матрицы.
Специфические свойства и применение
Наиболее кардинально армирование изменяет свойства и расширяет диапазон применения таких термопластов, как полипропилен, полистирол и САН. Например, улучшая механические свойства полистирола и САН (придавая им ударную прочность) можно сохранить их прекрасные диэлектрические свойства. Армированные полистирол и САН применяются в бытовых приборах (телевизоры, принтеры). Материалы на основе полипропилена применяются в электротехнике (конденсаторы), автомобильной промышленности (приборная доска, элементы внутренней отделки), других отраслях машиностроения.
Общепринятые сокращения
Полимеры обычно узнают как по их полному названию, так и по сокращению. Коммерческие материалы, также, имеют торговую марку, которая, как правило, объединяет материалы близкие по базовым свойствам. Ниже приведены сокращения для некоторых полимеров:
- АБС-пластик – акрилонитрил-бутадиен-стирольный терполимер
- АСА – сополимер акрилонитрила, стирола и акрилата
- ПА – полиамид
- ПАН – полиакрилонитрил
- ПБТФ (ПБТ) – полибутилтерефталат
- ПВА – поливинилацетат
- ПВХ – поливинилхлорид
- ПИ – полиимид
- ПК – поликарбонат
- ПММА – полиметилметакрилат
- ПП – полипропилен
- ПС – полистирол
- ПТФЭ – политетрафторэтилен (тефлон)
- ПУ – полиуретан
- ПФ – полиформальдегид (или полиметилен оксид)
- ПФС – полифениленсульфид
- ПЭ – полиэтилен, различаемый как
- ПЭВД (ПЭНП) – полиэтилен высокого давления (низкой плотности)
- ПЭНД (ПЭВП) – полиэтилен низкого давления (высокой плотности)
- ПЭТ(Ф) – полиэтилентерефталат
- САН – сополимер стирола и акрилонитрила.
Материал с сайта
http://www.kompamid.ru/rus/howto.php
Старые полимеры приобретают новые свойства | Статьи
Аббревиатура НБИКС означает нано-, био-, информационные, когнитивные и социогуманитарные науки и технологии. Междисциплинарные исследования на стыке этих областей ведет НБИКС-центр Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Об удивительных результатах работы лаборатории полимерных материалов НБИКС-центра рассказал ее руководитель.
Михаил Ковальчук: Сегодня очень перспективно создание принципиально новых материалов с заданными свойствами — например, такими, как биосовместимость и биоразлагаемость. Они уже применяются в хирургии: импланты, протезы, шовная хирургическая нить. Биоразлагаемую нить не надо после заживления раны вытягивать пинцетом: она со временем сама рассасывается и просто исчезает. Или представьте себе полиэтиленовый пакет, который через некоторое время после применения бесследно разлагается под действием солнечного света. Это очень простые примеры, но за ними стоит сложная наука. Она занимается в том числе созданием аналогов человеческих тканей и органов — кожи, трахеи, суставов, многого другого. Этим занимаются междисциплинарные коллективы медиков, биологов, химиков и, конечно, физиков. Тимофей Евгеньевич, расскажите, пожалуйста, как это происходит у вас в НБИКС-центре.
Президент Курчатовского института М. Ковальчук
Фото: ТАСС/Прокофьев Вячеслав
Тимофей Григорьев: Начну я с самого главного — с полимеров. Описанная вами отрасль базируется на полимерных молекулах и материалах. Полимер отличается от мономера тем, что его молекула длинная, цепочечная. Ее можно сравнить с бусами. Какой длины будут эти бусы, какого цвета и фактуры бусинки мы туда повесим, как их упакуем — от этого свойства полимера будут зависеть кардинально. Потом — формование. Из одного и того же полимера мы можем сделать совершенно разные материалы: один будет фильтрующим, другой барьерным, третий будет гнуться или не гнуться, быстрее или медленнее разлагаться. Мы действуем по правилу трех «с»: синтез, структура, свойства. Чтобы получить результат, нужно последовательно пройти все эти стадии.
М. К.: Да, это классика. В Институте кристаллографии, где я начинал свою научную карьеру, действовало очень похожее правило, чуть менее широкое: «рост, структура, свойства». Благодаря этому принципу была создана одна из лучших в мире промышленность выращивания монокристаллов — диэлектрических, лазерных, пьезо-.
Какие же направления вы сейчас развиваете?
Т. Г.: Начну с самого простого — классические композиционные конструкционные материалы. Это когда нам надо из обычного крупнотоннажного полимера — полиэтилена, полипропилена, полиамида, полиуретана — сделать материал с настраиваемыми свойствами. Чтобы он был прочнее, или был более огнестойким, или обладал барьерными, то есть защитными, свойствами. Если, например, полиамид — обычный полимер — наполнить всего 1–2% глины, то это радикально увеличит его барьерные свойства. Мы получим дешевый теплостойкий материал для изготовления некоторых изделий подкапотного пространства автомобиля. Надо только правильно раскрыть и распределить в полимере пластиночки глины толщиной всего в пару нанометров.
М. К.: Как вы умудряетесь элементы глины встроить в полимер? Они просто подмешиваются или химически встраиваются? Ведь несовместимые же вещи, казалось бы…
Начальник отдела нанобиоматериалов и структур Курчатовского НБИКС-центра, кандидат физико-математических наук Тимофей Григорьев
Фото: пресс-служба НИЦ «Курчатовский институт»
Т. Г.: Да, это непростая задача. Основная задача науки о композитах.
Самый классический метод — экструзионное смешение. Мы помещаем полимер и наполнитель в большую мясорубку — экструдер. Он всё плавит и перемешивает в сложных, специально разработанных режимах. Так делается большинство продуктов, которыми мы сейчас пользуемся в быту, — пакеты, литые изделия… Более сложный пример — базальтопластик, волокно из камня. Это утеплитель или наполнитель для эпоксидной арматуры. Каменная вата плюс эпоксидка.
М. К.: Что здесь полимер? Никто не задумывается. Продается каменная вата, обычные пластины для утепления. Что за этим стоит в научном плане?
Т. Г.: Основой являются минеральные составляющие, из которых потом получается эта вата. Но сделать волокно и получить вату — полдела, ведь их надо еще и связать. Связующее вещество в каменной вате — самое главное. Если оно будет неправильным, оно будет спадать при нагреве, влажности. Полимер — в данном случае эпоксидная смола, реактопласт — то, что образует связи в результате реакции, а не в ходе смешивания. Оно связывает материал в единую монолитную конструкцию таким образом, что прочность значительно увеличивается. Очень важно, что увеличивается не только прочность, но и все остальные свойства: теплостойкость, огнестойкость.
М. К.: Утеплитель должен быть пожаробезопасен. При температуре в несколько сотен градусов он должен сколько-то часов продержаться, не воспламеняясь…
Т. Г.: Добавление минеральных составляющих — той же глины, монтмориллонита — повышает огнестойкость именно за счет изменения механизма горения всей системы. Это снова минимальные добавки — не более 3%. Так и происходит тонкая настройка состава, структуры, свойств.
Но чтобы решать подобные задачи, необходим весь аппарат фундаментальной науки. Что-то уже разработано, но многое создается прямо сейчас.
М. К.: Как-то я увидел в окне нечто необычное. Потом сообразил: да окно же запотело! Раньше в окнах были двойные деревянные рамы. Каждую зиму мы втирали замазку в те места, где оконное стекло соприкасалось с деревом. В 1950–1960-е годы нарезали бумагу лентами, варили клей из муки. Потом заклеивали этими белыми полосками по периметру. Зимой нельзя было открывать окна, оставалась только одна форточка. Но окна всё равно не просто потели, а даже покрывались наледью. Было такое детское развлечение: дышать на оконное стекло, прикладывать пятерню, отковыривать лед. А сейчас ничего этого нет, потому что у вас абсолютно герметичная система. Когда я увидел запотевшее стекло, я понял, что пора менять стеклопакет: он перестал быть герметичным. Сегодня рисовать воспетые в известных стихах узоры на стекле можно, только если окно неисправно… Как видим, без науки даже окно нормальное сделать нельзя, не говоря уже о теплом доме.
Т. Г.: Да тот же полиэтиленовый пакет раньше разваливался, если положить в него несколько книг. А теперь он выдерживает огромный вес: мы научились правильно упорядочивать структуру полиэтилена. Для понимания этого процесса понадобились фундаментальные исследования на сложном оборудовании. Я всегда говорю студентам: чтобы понять, как сделан хороший полиэтиленовый пакет, необходим синхротрон.
М. К.: Наука дает нам качество жизни: всё новые, более совершенные модели автомобилей, телевизоров, телефонов, компьютеров. И даже простой полиэтиленовый пакет — весьма наукоемкий продукт. Несколько десятилетий назад, будучи сотрудником академического института, я ездил работать за границу и привозил оттуда полиэтиленовые пакеты. Это был тогда лучший подарок: пакеты бережно хранили и использовали годами. А сейчас проблема — не сохранить использованный пакет, а уничтожить его. Например, сделать биоразлагаемым, исчезающим.
Т. Г.: Тут мы возвращаемся к первой букве «с» — синтезу. Если мы сделаем правильную структуру полимерных бусинок, то можем получить материал, который будет биоразлагаться. Сейчас уже появляются даже в гипермаркетах пакеты, которые почти разлагаются, но это тот же полиэтилен. В него ввели компоненты, чаще всего крахмал, которые под солнцем разлагаются до почвенного субстрата, это такая труха. А если мы сумеем сделать пакет, скажем, из полилактида и полигликолида, он сможет разлагаться до углекислого газа и воды.
Фото: РИА Новости/Алексей Куденко
М. К.: Теперь давайте поговорим о более сложном. Например, про арматуру, композиционные материалы.
Т. Г.: Арматура — это классический полимерный композит. Берется базальтовое или стекловолокно, либо углеродное волокно, если нужна большая прочность, и связывается полимером. Потом формуется: это процесс пултрузии, при котором изделие скорее вытягивают, чем выдавливают. Как всегда, процесс прост на вид, но в действительности очень сложен: надо непрерывно и тщательно контролировать структуру, термостойкость, прочность, стабильность. Конечно, такая арматура пока дороже стальной, но при нормальных объемах производства она уже получается дороже всего в 2–3 раза.
М. К.: Тем не менее пока она массового распространения не получила?
Т. Г.: Пока эта арматура активно идет для спецприменения. Если это вышка ЛЭП, она должна быть некорродирующая, легкая, жесткая. Или даже сердечник силового провода: он сильно расширяется при нагреве, провода провисают. А у композита коэффициент температурного расширения значительно ниже, чем у металла. То же самое — гибкие связи в строительстве, скажем, небоскребов. Там люфт, они качаются очень сильно. Поэтому нужны эти гибкие связи для того, чтобы абсолютно контролируемо возвращать конструкцию обратно без усталостных напряжений.
М. К.: Сейчас в лаборатории создана пластиковая арматура, назовем ее так. Она еще дороже, еще высокотехнологичнее. Но через некоторое время мы вернемся к этому разговору и увидим, что миллионы тонн арматуры, которую выпускают наши металлургические заводы, будут заменены этой легкой, прочной и вечной арматурой из композиционного материала…
Т. Г.: Это и есть нормальный научно-технический прогресс: сначала нечто новое рождается в умах ученых, потом оно в лабораториях превращается в опытный образец, затем производится на заводах опытными партиями, а в итоге меняет целую отрасль.
М. К.: Давайте теперь поговорим о совершенно другой, близкой каждому человеку области, — о биосовместимых полимерных материалах.
Фото: Getty Images/BSIP/UIG
Т. Г.: Те же самые материалы могут применяться и в медицине. Здесь на первый план выступает биосовместимость. Пример — опять полиэтилен: если его молекулярная масса низкая, цепочки молекул короткие, из него можно изготовить обычный полиэтиленовый пакет. Но если цепочки сделать очень длинными, молекулярная масса станет значительно выше, и свойства полиэтилена кардинально изменятся. Из него можно будет сделать, например, вкладку в искусственный сустав, потому что материал становится удивительно устойчивым к истиранию. Или этот же полиэтилен может использоваться в бронежилете: сверхвысокомолекулярный, в качестве прокладки для бронезащиты. Другие изделия медицинского назначения — те, которые помогают хирургам делать операции. Сначала были шовные нити неразлагаемые. Шовные нити, сетки, импланты. Если мы на этих простых неразлагаемых полимерах сделаем другую структуру и будем контролировать свойства с помощью структуры, а не с помощью синтеза, то уже сможем сделать импланты улучшенной приживляемости. Трубчатый каркас — трахею, желчный проток, сосуд — мы сможем сделать с нужной структурой, так что она приживется в организме. Через какое-то время врач посмотрит и не поймет: это соединительная ткань или имплант, который при этом не разлагается и не воспаляется. Трахея, кстати, — один из самых напряженных органов в организме. Когда мы кашляем, то подвергаем ее огромным механическим нагрузкам. Если это имплант, он должен обладать колоссальным набором свойств помимо биосовместимости — соответствующей механической прочностью, исключительной гибкостью. Поэтому мы держим в полимерной лаборатории огромное количество приборов для механического тестирования. Если вы производите полиэтилен для пакетов, то вам нужна его механическая прочность на разрыв. Создаете арматуру из композиционных материалов — прочность на разрыв, на изгиб, на сжатие. Делаете трахею, любой искусственный орган, сосуд — испытываете его на растяжение, на внутреннее и внешнее давление…
М. К.: Поэтому мы с вами не должны забывать, что за любым продуктом, технологией стоит колоссальная, очень сложная научная работа, которой занимается много институтов, коллективов и вот таких молодых ученых, как мой сегодняшний собеседник. Это означает, что у нас есть очень неплохие перспективы на будущее с точки зрения качества жизни и вообще научно-технического прогресса — во всех его проявлениях.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ
Полимеры
Полимеры
1. Введение
До начала 1920-х годов химики сомневались в существовании молекул с молекулярной массой больше нескольких тысяч. Это ограничивающее мнение было оспорено Германом Штаудингером, немецким химиком, имеющим опыт изучения природных соединений, таких как каучук и целлюлоза. В отличие от преобладающей рационализации этих веществ как агрегатов небольших молекул, Штаудингер предположил, что они состоят из макромолекул , состоящих из 10 000 или более атомов.Он сформулировал полимерную структуру для каучука на основе повторяющегося изопренового звена (называемого мономером). За свой вклад в химию Штаудингер получил Нобелевскую премию 1953 года. Термины полимер и мономер произошли от греческих корней поли (много), моно (один) и мерос (часть).
За признанием того, что полимерные макромолекулы составляют многие важные природные материалы, последовало создание синтетических аналогов, обладающих множеством свойств.Действительно, применение этих материалов в качестве волокон, гибких пленок, клеев, стойких красок и твердых, но легких твердых тел изменило современное общество. Некоторые важные примеры этих веществ обсуждаются в следующих разделах.
2. Написание формул для полимерных макромолекул
Повторяющаяся структурная единица большинства простых полимеров не только отражает мономер (ы), из которых состоят полимеры, но также предоставляет краткие средства для рисования структур, представляющих эти макромолекулы.Для полиэтилена, возможно, самого простого полимера, это демонстрируется следующим уравнением. Здесь этилен (этен) является мономером, а соответствующий линейный полимер называется полиэтиленом высокой плотности (HDPE). ПЭВП состоит из макромолекул, в которых n находится в диапазоне от 10 000 до 100 000 (молекулярная масса от 2 * 10 5 до 3 * 10 6 ).
Если Y и Z представляют собой моль мономера и полимера соответственно, Z составляет приблизительно 10 -5 Y. Этот полимер называют полиэтиленом, а не полиметиленом, (-CH 2 -) n , потому что этилен является стабильным соединением. (метилен не является), и он также служит синтетическим предшественником полимера.Две открытые связи, оставшиеся на концах длинной цепи атомов углерода (окрашенные в пурпурный цвет), обычно не указываются, потому что атомы или группы, обнаруженные там, зависят от химического процесса, используемого для полимеризации. Синтетические методы, используемые для получения этого и других полимеров, будут описаны позже в этой главе.
В отличие от более простых чистых соединений, большинство полимеров не состоят из идентичных молекул. Например, все молекулы HDPE представляют собой длинные углеродные цепи, но длина может варьироваться на тысячи мономерных единиц.По этой причине молекулярные массы полимеров обычно являются средними. Обычно используются два экспериментально определенных значения: M n , среднечисленная молекулярная масса, рассчитывается из распределения мольных долей молекул разного размера в образце, и M w , средневесовая молекулярная масса, равна рассчитывается из распределения массовых долей молекул разного размера. Они определены ниже. Поскольку более крупные молекулы в образце весят больше, чем молекулы меньшего размера, среднее значение M w обязательно смещено в сторону более высоких значений и всегда больше, чем M n .Когда весовая дисперсия молекул в образце сужается, M w приближается к M n , и в маловероятном случае, когда все молекулы полимера имеют одинаковый вес (чистый монодисперсный образец), отношение M w / M n становится единицей.
Влияние различных распределений масс на M n и M w можно проверить с помощью простого калькулятора массы. |
|---|
Известно много полимерных материалов, имеющих цепочечную структуру, подобную полиэтилену. Полимеры, образованные прямым соединением вместе мономерных звеньев без потери или увеличения количества материала, называются аддитивными полимерами или полимерами роста цепи . Список некоторых важных аддитивных полимеров и их предшественников мономеров представлен в следующей таблице.
Имя (я) | Формула | Мономер | Свойства | Использует |
|---|---|---|---|---|
| Полиэтилен низкой плотности (LDPE) | – (CH 2 CH 2 ) n – | этилен CH 2 = CH 2 | мягкая, воскообразная твердая | пленка, полиэтиленовые пакеты |
| Полиэтилен высокой плотности (HDPE) | – (CH 2 -CH 2 ) n – | этилен CH 2 = CH 2 | жесткий, полупрозрачный твердый | электрическая изоляция бутылки, игрушки |
| Полипропилен (PP) разные марки | – [CH 2 -CH (CH 3 )] n – | пропилен CH 2 = CHCH 3 | 9001 5 атактический : мягкий, эластичный твердый изотактический : твердый, прочный твердый | похож на LDPE ковер, обивка |
| Поли (винилхлорид) (ПВХ) | – (CH 2 – CHCl) n – | винилхлорид CH 2 = CHCl | прочный жесткий массив | трубы, сайдинг, пол |
| Поли (винилиденхлорид) (Saran A) | – (CH 2 -CCl 2 ) n – | винилиденхлорид CH 2 = CCl 2 | плотный, тугоплавкий | чехлы на сиденья, пленки |
| полистирол ( PS) | – [CH 2 -CH (C 6 H 5 )] n – | стирол CH 2 = CHC 6 H 5 | жесткий, жесткий, прозрачное твердое вещество растворим в органических растворителях 9 0123 | игрушки, шкафы упаковка (вспененная) |
| Полиакрилонитрил (PAN, Orlon, Acrilan) | – (CH 2 -CHCN) n – | acrylonitrile = CH CH | тугоплавкое твердое вещество , растворимое в органических растворителях | коврики, одеяла одежда |
| политетрафторэтилен (PTFE, тефлон) | – (CF 2 -CF 2 ) 3 n – | тетрафторэтилен CF 2 = CF 2 | устойчивые, гладкие твердые | антипригарные поверхности электроизоляция |
| Поли (метилметакрилат) (PMMA, Lucite, Plexiglas) – | – [ CH 2 -C (CH 3 ) CO 2 CH 3 ] n – | метилметакрилат CH 2 = C (CH 3 ) CO 2 CH 3 | твердый, прозрачный сплошной | световые накладки, вывески световые люки |
| Поли (винилацетат) (PVAc) | – (CH 2 -CHOCOCH 3 ) n – | винил ацетат CH 2 = CHOCOCH 3 | мягкие, липкие твердые | латексные краски, клеи |
| цис-полиизопрен натуральный каучук | – [CH 2 -CH = C (CH 3 ) -CH 2 ] n – | изопрен CH 2 = CH-C (CH 3 ) = CH 2 | мягкое, липкое твердое вещество | для практического использования требуется вулканизация |
| Полихлоропрен (цис + транс) (неопрен) | – [CH 2 -CH = CCl-CH 2 ] n – | хлоропрен CH 2 = CH-CCl = CH 2 | твердый, эластичный материал d | синтетический каучук маслостойкий |
3.Свойства макромолекул
Поучительно сравнение свойств полиэтилена (как LDPE, так и HDPE) с натуральными полимерами, каучуком и целлюлозой. Как отмечалось выше, синтетические макромолекулы HDPE имеют массы в диапазоне от 10 5 до 10 6 а.е.м. (молекулы LDPE более чем в сто раз меньше). Молекулы каучука и целлюлозы имеют одинаковые диапазоны масс, но меньше мономерных звеньев из-за большего размера мономера. Физические свойства этих трех полимерных веществ отличаются друг от друга и, конечно, от их мономеров.
• HDPE представляет собой твердое полупрозрачное твердое вещество, которое размягчается при нагревании выше 100 ° C и может принимать различные формы, включая пленки. Он не так легко растягивается и деформируется, как ПВД. HDPE нерастворим в воде и большинстве органических растворителей, хотя при погружении в последний может наблюдаться некоторое набухание. HDPE – отличный электроизолятор.
• LDPE – это мягкое полупрозрачное твердое тело, которое плохо деформируется при температуре выше 75 ° C. Пленки из LDPE легко растягиваются и обычно используются для упаковки.LDPE нерастворим в воде, но размягчается и набухает под воздействием углеводородных растворителей. И LDPE, и HDPE становятся хрупкими при очень низких температурах (ниже -80 ° C). Этилен, обычный мономер для этих полимеров, представляет собой газ с низкой температурой кипения (-104 ° C).
• Натуральный (латексный) каучук представляет собой непрозрачное, мягкое, легко деформируемое твердое вещество, которое становится липким при нагревании (выше 60 ° C) и хрупким при охлаждении ниже -50 ° C. растворители, такие как толуол, со временем растворяются, но непроницаемы для воды.Изопрен C 5 H 8 является летучей жидкостью (точка кипения 34 ° C).
• Чистая целлюлоза в форме хлопка – это мягкое гибкое волокно, практически не меняющееся при колебаниях температуры в диапазоне от -70 до 80 ° C. Хлопок легко впитывает воду, но на него не влияет погружение в толуол или большинство других органических растворителей. . Волокна целлюлозы могут изгибаться и скручиваться, но перед разрывом они не сильно растягиваются. Мономером целлюлозы является C 6 H 12 O 6 альдогексоза D-глюкоза.Глюкоза представляет собой водорастворимое твердое вещество с температурой плавления ниже 150 ° C.
Чтобы учесть отмеченные здесь различия, нам необходимо рассмотреть природу агрегированной макромолекулярной структуры или морфологии каждого вещества. Поскольку полимерные молекулы настолько велики, они обычно упаковываются вместе неоднородным образом, с упорядоченными или кристаллическими областями, смешанными вместе с неупорядоченными или аморфными доменами. В некоторых случаях все твердое вещество может быть аморфным, полностью состоящим из свернутых и запутанных макромолекулярных цепей.Кристалличность возникает, когда линейные полимерные цепи структурно ориентированы в однородной трехмерной матрице. На диаграмме справа кристаллические домены окрашены в синий цвет.
Повышенная кристалличность связана с увеличением жесткости, прочности на разрыв и непрозрачности (из-за светорассеяния). Аморфные полимеры обычно менее жесткие, более слабые и легче деформируются. Часто они прозрачные.
Три фактора, которые влияют на степень кристалличности:
i) Длина цепи
ii) Разветвление цепи
iii) Связь между цепями
Важность первых двух факторов хорошо иллюстрируется различиями между LDPE и HDPE.Как отмечалось ранее, HDPE состоит из очень длинных неразветвленных углеводородных цепей. Они легко упаковываются вместе в кристаллические домены, которые чередуются с аморфными сегментами, и получаемый в результате материал, будучи относительно прочным и жестким, сохраняет определенную гибкость. Напротив, ПЭНП состоит из более мелких и более разветвленных цепей, которые не легко принимают кристаллическую структуру. Таким образом, этот материал более мягкий, слабый, менее плотный и более легко деформируется, чем HDPE. Как правило, механические свойства, такие как пластичность, прочность на разрыв и твердость, повышаются и в конечном итоге выравниваются с увеличением длины цепи.
Природа целлюлозы подтверждает вышеприведенный анализ и демонстрирует важность третьего фактора (iii). Во-первых, цепочки целлюлозы легко принимают стабильную стержнеобразную конформацию. Эти молекулы выстраиваются бок о бок в волокна, которые стабилизируются за счет межцепочечных водородных связей между тремя гидроксильными группами на каждой мономерной единице. Следовательно, кристалличность высока, и молекулы целлюлозы не перемещаются и не скользят друг относительно друга. Высокая концентрация гидроксильных групп также объясняет легкое водопоглощение, характерное для хлопка.
Натуральный каучук – полностью аморфный полимер. К сожалению, потенциально полезные свойства необработанного латексного каучука ограничены температурной зависимостью; однако эти свойства могут быть изменены путем химического изменения. Цис-двойные связи в углеводородной цепи образуют плоские сегменты, которые делают цепь более жесткой, но не выпрямляют ее. Если эти жесткие сегменты полностью удалить гидрогенизацией (катализатор H 2 & Pt), цепи теряют всякую ограниченность, и продукт представляет собой низкоплавкое парафиноподобное полутвердое вещество с низкой температурой плавления.Если вместо этого цепи молекул каучука будут слегка сшиты атомами серы, процесс, названный вулканизацией , который был открыт Чарльзом Гудиером в 1839 году, желаемые эластомерные свойства каучука существенно улучшатся. При сшивании от 2 до 3% получается полезный мягкий каучук, который больше не страдает проблемами липкости и хрупкости при нагревании и охлаждении. При сшивании от 25 до 35% образуется продукт из твердой твердой резины. На следующем рисунке показан поперечно сшитый разрез аморфного каучука.При нажатии на диаграмму она изменится на отображение соответствующего растянутого участка. Более высокоупорядоченные цепи в растянутой конформации энтропийно нестабильны и возвращаются в свое первоначальное свернутое состояние, когда им позволяют расслабиться (щелкните второй раз).
При нагревании или охлаждении большинство полимеров претерпевают тепловые превращения, которые позволяют понять их морфологию. Они определяются как переход плавления , T m , и переход стеклования , T g .
T m – температура, при которой кристаллические домены теряют свою структуру или плавятся. По мере увеличения кристалличности увеличивается и T m . |
T г часто зависит от истории образца, особенно от предыдущей термообработки, механических манипуляций и отжига.Иногда ее интерпретируют как температуру, при превышении которой значительные участки полимерных цепей могут скользить мимо друг друга в ответ на приложенную силу. Введение относительно больших и жестких заместителей (таких как бензольные кольца) будет мешать этому движению цепи, таким образом увеличивая T g (обратите внимание на полистирол ниже). Введение в полимерную матрицу низкомолекулярных соединений, называемых пластификаторами, увеличивает расстояние между цепями, позволяя цепям двигаться при более низких температурах.что привело к снижению Т г . Выделение газов пластификаторами, используемыми для модификации пластиковых деталей салона автомобилей, производит “запах нового автомобиля”, к которому мы привыкли.
Значения T м и T г для некоторых распространенных аддитивных полимеров приведены ниже. Обратите внимание, что у целлюлозы нет ни T m , ни T g .
Полимер | ПЭНП | ПЭНД | ПП | ПВХ | PS | ПАН | ПАН | Резина||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
T м (ºC) | 110 | 130 | 175 | 180 | 175 | > 200 | 330 | 180 | 30 |
T г (ºC) | _ 110 | _ 100 | _ 10 | 90 | 95 | _ 110 | 105 | _ 70 |
Каучук является членом важной группы полимеров, называемых эластомерами .Эластомеры – это аморфные полимеры, которые обладают способностью растягиваться, а затем возвращаться к своей исходной форме при температурах выше T g . Это свойство важно для таких применений, как прокладки и уплотнительные кольца, поэтому разработка синтетических эластомеров, которые могут работать в суровых или сложных условиях, остается практической целью. При температурах ниже T г эластомеры становятся твердыми стекловидными телами и теряют всю эластичность. Трагическим примером этого стала катастрофа космического корабля “Челленджер”.Термостойкие и химически стойкие уплотнительные кольца, используемые для герметизации секций твердотопливных ракет, имели, к сожалению, высокое значение T g , близкое к 0 ºC. Неожиданно низкие температуры утром перед запуском были ниже T g , что позволяло горячим ракетным газам выходить через уплотнения.
4. Регио и стереоизомеризация в макромолекулах
Симметричные мономеры, такие как этилен и тетрафторэтилен, могут соединяться вместе только одним способом. С другой стороны, монозамещенные мономеры могут соединяться вместе двумя организованными способами, описанными на следующей диаграмме, или третьим случайным образом.Большинство мономеров этого типа, включая пропилен, винилхлорид, стирол, акрилонитрил и сложные эфиры акриловой кислоты, предпочитают соединяться «голова к хвосту» с некоторой случайностью, возникающей время от времени. Причины такой региоселективности будут обсуждены в разделе синтетических методов.
Если полимерная цепь нарисована зигзагообразно, как показано выше, каждая из групп заместителей (Z) обязательно будет расположена выше или ниже плоскости, определяемой углеродной цепью.Следовательно, мы можем выделить три конфигурационных изомера таких полимеров. Если все заместители находятся на одной стороне цепи, конфигурация называется изотактической . Если заместители чередуются с одной стороны на другую регулярным образом, конфигурация называется синдиотактической . Наконец, случайное расположение групп заместителей обозначается как атактическое . Здесь показаны примеры этих конфигураций.
Многие распространенные и полезные полимеры, такие как полистирол, полиакрилонитрил и поливинилхлорид, являются атактическими при обычном приготовлении.Были разработаны индивидуальные катализаторы, которые влияют на стереорегулярную полимеризацию полипропилена и некоторых других мономеров, и улучшенные свойства, связанные с повышенной кристалличностью этих продуктов, сделали эту важную область исследований. Сообщалось о следующих значениях T г .
Полимер | T г атактический | T г изотактический | T г синдиотактический6 | 9002 9002 9002 9002 ºC0 ºC | –8 ºC |
|---|---|---|---|---|---|
PMMA | 100 ºC | 130 ºC | 120 ºC |
Свойства данного тактического полимера будут значительно различаться в зависимости от его тактики.Таким образом, атактический полипропилен бесполезен в качестве твердого строительного материала и используется в основном как компонент клея или как мягкая матрица для композитных материалов. Напротив, изотактический полипропилен представляет собой тугоплавкое твердое вещество (около 170 ºC), из которого можно формовать или обрабатывать конструкционные компоненты.
Синтез дополнительных полимеров
Все мономеры, из которых получают аддитивные полимеры, представляют собой алкены или функционально замещенные алкены. Наиболее распространенными и термодинамически предпочтительными химическими превращениями алкенов являются реакции присоединения.Известно, что многие из этих реакций присоединения протекают поэтапно с участием реакционноспособных промежуточных продуктов, и это механизм, которому следует большинство полимеризаций. Здесь представлена общая диаграмма, иллюстрирующая эту сборку линейных макромолекул, которая поддерживает название “полимеры роста цепи “. Поскольку пи-связь в мономере превращается в сигма-связь в полимере, реакция полимеризации обычно экзотермична на 8-20 ккал / моль. Действительно, сообщалось о случаях взрыво-неконтролируемой полимеризации.
Полезно выделить четыре процедуры полимеризации, соответствующие этому общему описанию.
• Радикальная полимеризация Инициатор представляет собой радикал, а место распространения реакционной способности (*) представляет собой углеродный радикал.
• Катионная полимеризация Инициатором является кислота, а место распространения реакционной способности (*) – карбокатион.
• Анионная полимеризация Инициатор является нуклеофилом, а сайт размножения реактивности (*) представляет собой карбанион.
• Координационная каталитическая полимеризация Инициатор представляет собой комплекс переходного металла, а центр роста реакционной способности (*) представляет собой терминальный каталитический комплекс.
1. Радикальная полимеризация с цепным ростом
Практически все описанные выше мономеры подвержены радикальной полимеризации. Поскольку это может быть вызвано следами кислорода или других незначительных примесей, чистые образцы этих соединений часто «стабилизируются» небольшими количествами радикальных ингибиторов, чтобы избежать нежелательной реакции.Когда желательна радикальная полимеризация, она должна быть начата с использованием радикального инициатора , такого как пероксид или некоторые азосоединения. Формулы некоторых распространенных инициаторов и уравнения, показывающие образование радикальных частиц из этих инициаторов, представлены ниже.
Используя небольшие количества инициаторов, можно полимеризовать широкий спектр мономеров. Одним из примеров такой радикальной полимеризации является превращение стирола в полистирол, показанное на следующей диаграмме.Первые два уравнения иллюстрируют процесс инициирования , а последние два уравнения являются примерами распространения цепи . Каждое мономерное звено присоединяется к растущей цепи таким образом, чтобы генерировать наиболее стабильный радикал. Поскольку углеродные радикалы стабилизируются заместителями многих видов, предпочтение региоселективности по всей длине в большинстве аддитивных полимеризаций вполне понятно. Поскольку радикалы толерантны ко многим функциональным группам и растворителям (включая воду), радикальная полимеризация широко используется в химической промышленности.
Чтобы увидеть анимированную модель радикальной полимеризации с ростом цепи винилхлорида
В принципе, после начала радикальной полимеризации можно ожидать продолжения бесконтрольной полимеризации с образованием нескольких полимеров с чрезвычайно длинной цепью. На практике образуется большее количество цепей среднего размера, что указывает на то, что должны иметь место реакции обрыва цепи. Наиболее распространенные процессы прерывания – это Radical Combination и Disproportionation .Эти реакции иллюстрируются следующими уравнениями. Растущие полимерные цепи окрашены в синий и красный цвет, а атом водорода, переносимый при диспропорционировании, окрашен в зеленый цвет. Обратите внимание, что в обоих типах терминации два реактивных радикальных центра удаляются одновременным превращением в стабильный продукт (продукты). Поскольку концентрация радикальных частиц в реакции полимеризации мала по сравнению с другими реагентами (например, мономерами, растворителями и терминированными цепями), скорость, с которой происходят эти радикально-радикальные реакции обрыва, очень мала, и большинство растущих цепей достигают умеренной длины до обрыва .
Относительная важность этих обрывов зависит от природы мономера, подвергаемого полимеризации. Для акрилонитрила и стирола основным процессом является комбинация. Однако образование метилметакрилата и винилацетата прекращается главным образом за счет диспропорционирования.
Другая реакция, которая отвлекает радикальную полимеризацию с ростом цепи от получения линейных макромолекул, называется передача цепи . Как следует из названия, эта реакция перемещает углеродный радикал из одного места в другое посредством межмолекулярного или внутримолекулярного переноса атома водорода (окрашено в зеленый цвет).Эти возможности демонстрируются следующими уравнениями
Реакции передачи цепи особенно распространены при радикальной полимеризации этилена под высоким давлением, которая является методом, используемым для производства LDPE (полиэтилена низкой плотности). 1º-радикал на конце растущей цепи превращается в более стабильный 2º-радикал путем переноса атома водорода. Дальнейшая полимеризация в новом радикальном сайте генерирует радикал боковой цепи, что, в свою очередь, может привести к образованию других боковых цепей в результате реакций передачи цепи.В результате морфология LDPE представляет собой аморфную сеть из сильно разветвленных макромолекул.
2. Катионная полимеризация с ростом цепи
Полимеризация изобутилена (2-метилпропена) следами сильных кислот является примером катионной полимеризации. Полиизобутилен представляет собой мягкое каучуковое твердое вещество, T г = _ 70º C, которое используется для внутренних труб. Этот процесс аналогичен радикальной полимеризации, что демонстрируется следующими уравнениями.Рост цепи прекращается, когда концевой карбокатион соединяется с нуклеофилом или теряет протон, давая концевой алкен (как показано здесь).
Мономеры, содержащие стабилизирующие катион группы, такие как алкил, фенил или винил, могут быть полимеризованы катионными процессами. Обычно они инициируются при низкой температуре в растворе хлористого метилена. Сильные кислоты, такие как HClO 4 или кислоты Льюиса, содержащие следы воды (как показано выше), служат в качестве инициирующих реагентов. При низких температурах реакции передачи цепи при такой полимеризации редки, поэтому получаемые полимеры являются чисто линейными (неразветвленными).
3. Анионная полимеризация с ростом цепи
Обработка холодного раствора стирола в ТГФ 0,001 эквивалентом н-бутиллития вызывает немедленную полимеризацию. Это пример анионной полимеризации, протекание которой описывается следующими уравнениями. Рост цепи может быть остановлен водой или углекислым газом, и передача цепи происходит редко. Только мономеры, имеющие заместители, стабилизирующие анион, такие как фенил, циано или карбонил, являются хорошими субстратами для этого метода полимеризации.Многие из полученных полимеров в значительной степени изотактичны по конфигурации и имеют высокую степень кристалличности.
Разновидности, которые использовались для инициирования анионной полимеризации, включают щелочные металлы, амиды щелочных металлов, алкиллитий и различные источники электронов. Практическое применение анионной полимеризации происходит при использовании суперклея. Этот материал представляет собой метил-2-цианоакрилат, CH 2 = C (CN) CO 2 CH 3 . Под воздействием воды, аминов или других нуклеофилов происходит быстрая полимеризация этого мономера.
4. Каталитическая полимеризация Циглера-Натта
Эффективная и стереоспецифическая процедура каталитической полимеризации была разработана Карлом Циглером (Германия) и Джулио Натта (Италия) в 1950-х годах. Их открытия впервые позволили синтез неразветвленного высокомолекулярного полиэтилена (HDPE), лабораторный синтез натурального каучука из изопрена и контроль конфигурации полимеров из концевых алкенов, таких как пропен (например, чистые изотактические и синдиотактические полимеры).В случае этилена быстрая полимеризация происходила при атмосферном давлении и температуре от умеренной до низкой, давая более прочный (более кристаллический) продукт (HDPE), чем продукт радикальной полимеризации (LDPE). За это важное открытие эти химики получили Нобелевскую премию по химии 1963 года.
Катализаторы Циглера-Натта получают реакцией определенных галогенидов переходных металлов с металлоорганическими реагентами, такими как реагенты алкилалюминий, литий и цинк. Катализатор, образованный реакцией триэтилалюминия с тетрахлоридом титана, широко изучен, но другие металлы (например,грамм. V & Zr) также оказались эффективными. На следующей диаграмме представлен один из механизмов этой полезной реакции. Были предложены и другие варианты с изменениями для учета неоднородности или однородности катализатора. Полимеризация пропилена под действием титанового катализатора дает изотактический продукт; тогда как катализатор на основе ванадия дает синдиотактический продукт.
Сополимеры
Синтез макромолекул, состоящих из более чем одного мономерного повторяющегося звена, был исследован как средство управления свойствами получаемого материала.В этом отношении полезно различать несколько способов, которыми различные мономерные звенья могут быть включены в полимерную молекулу. Следующие ниже примеры относятся к двухкомпонентной системе, в которой один мономер обозначен A , а другой B .
Статистические сополимеры | Также называемые статистическими сополимерами. Здесь мономерные звенья распределены в полимерной цепи случайным образом, а иногда и неравномерно: ~ ABBAAABAABBBABAABA ~. |
|---|---|
Чередующиеся сополимеры | Здесь мономерные звенья распределены регулярно чередующимся образом, с почти эквимолярным количеством каждого в цепи: ~ ABABABABABABABAB ~. |
Блок-сополимеры | Вместо смешанного распределения мономерных единиц длинная последовательность или блок одного мономера присоединяется к блоку второго мономера: ~ AAAAA-BBBBBBB ~ AAAAAAA ~ BBB ~ . |
Привитые сополимеры | Как следует из названия, боковые цепи данного мономера присоединены к основной цепи второго мономера: ~ AAAAAAA (BBBBBBB ~) AAAAAAA (BBBB ~) AAA ~. |
1. Аддитивная сополимеризация
Большинство прямых сополимеризаций эквимолярных смесей различных мономеров дают статистические сополимеры, или, если один мономер намного более реакционноспособен, почти гомополимер этого мономера.Сополимеризация стирола, например, с метилметакрилатом, например, протекает по-разному в зависимости от механизма. Радикальная полимеризация дает статистический сополимер. Однако продуктом катионной полимеризации в основном является полистирол, а анионная полимеризация способствует образованию полиметилметакрилата. В случаях, когда относительная реакционная способность различна, состав сополимера иногда можно контролировать путем непрерывного введения в реакцию смещенной смеси мономеров.
Образование чередующихся сополимеров благоприятно, когда мономеры имеют разные полярные заместители (например, один электроноакцепторный, а другой электронодонорный), и оба имеют одинаковую реакционную способность по отношению к радикалам. Например, сополимеризация стирола и акрилонитрила в значительной степени чередуется.
Мономер A | Мономер B | Сополимер | Использует | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| H 2 C = CHCl | H 2 C = CCl 2 | пленки и волокна | ||||
| H 2 C = CHC 6 H 5 | H 2 C = C-CH = CH 2 | SBR бутадиен-стирольный каучук | шины | |||
| H 2 C = CHCN | H 2 C = C-CH = CH 2 | Нитриловый каучук | клеи шланги | |||
| H 2 C = C (CH 3 ) 2 | H 2 C = C-CH = CH 2 | Бутилкаучук | внутренние трубы | |||
| F 2 C = CF (CF 3 ) | H 2 C = CHF | Viton | прокладки |
Тройной сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, называемый АБС-каучуком, используется для изготовления ударопрочных контейнеров, труб и прокладок.
2. Блок-сополимеризация
Было разработано несколько различных методов получения блок-сополимеров, многие из которых используют реакции конденсации (следующий раздел). На этом этапе наше обсуждение будет ограничено применением анионной полимеризации. В описанной выше анионной полимеризации стирола реактивный центр остается на конце цепи до тех пор, пока она не будет погашена. Непогашенный полимер был назван живым полимером , и если добавляется дополнительный стирол или другой подходящий мономер, образуется блок-полимер.Это проиллюстрировано для метилметакрилата на следующей диаграмме.
Конденсационные полимеры
Большое количество важных и полезных полимерных материалов не образуется процессами роста цепей с участием реакционноспособных частиц, таких как радикалы, а вместо этого происходит путем обычных преобразований функциональных групп полифункциональных реагентов. Эти полимеризации часто (но не всегда) происходят с потерей небольшого побочного продукта, такого как вода, и обычно (но не всегда) объединяют два разных компонента в чередующейся структуре.Полиэфир дакрон и полиамид нейлон 66, показанные здесь, являются двумя примерами синтетических конденсационных полимеров, также известных как полимеры ступенчатого роста . В отличие от полимеров с цепным ростом, большинство из которых растут за счет образования углерод-углеродных связей, ступенчатые полимеры обычно растут за счет образования углерод-гетероатомных связей (C-O и C-N в дакроне и нейлоне соответственно). Хотя полимеры такого типа можно рассматривать как чередующиеся сополимеры, повторяющееся мономерное звено обычно определяется как комбинированный фрагмент.
Примерами встречающихся в природе конденсационных полимеров являются целлюлоза, полипептидные цепи белков и поли (β-гидроксимасляная кислота), полиэфир, синтезируемый в большом количестве некоторыми почвенными и водными бактериями. Формулы для них будут отображены ниже при нажатии на диаграмму.
1. Характеристики конденсационных полимеров
Конденсационные полимеры образуются медленнее, чем аддитивные полимеры, часто требуют тепла, и их молекулярная масса обычно ниже.Концевые функциональные группы в цепи остаются активными, так что группы более коротких цепей объединяются в более длинные цепи на поздних стадиях полимеризации. Присутствие полярных функциональных групп в цепях часто усиливает притяжение цепей к цепям, особенно если они связаны с водородными связями и, следовательно, кристалличностью и прочностью на разрыв. Следующие ниже примеры конденсационных полимеров являются иллюстративными.
Следует отметить, что для промышленного синтеза компоненты карбоновой кислоты могут фактически использоваться в форме производных, таких как простые эфиры.Кроме того, реакции полимеризации нейлона 6 и спандекса не протекают путем удаления воды или других небольших молекул. Тем не менее, очевидно, что полимер образуется в процессе ступенчатого роста.
Разница в T g и T m между первым полиэфиром (полностью алифатическим) и двумя нейлоновыми полиамидами (5-я и 6-я позиции) показывает влияние внутрицепочечных водородных связей на кристалличность. Замена гибких алкилиденовых звеньев жесткими бензольными кольцами также делает полимерную цепь более жесткой, что приводит к усилению кристаллического характера, как показано для полиэфиров (позиции 1, 2 и 3) и полиамидов (позиции 5, 6, 7 и 8).Высокие значения T g и T m для аморфного полимера Lexan соответствуют его блестящей прозрачности и жесткости, подобной стеклу. Кевлар и номекс – чрезвычайно прочные и стойкие материалы, которые находят применение в пуленепробиваемых жилетах и огнестойкой одежде.
Многие полимеры, как аддитивные, так и конденсационные, используются в качестве волокон. Основные методы формования синтетических полимеров в волокна – из расплавов или вязких растворов. Полиэфиры, полиамиды и полиолефины обычно получают из расплава при условии, что T m не слишком высока.Полиакрилаты подвергаются термическому разложению и поэтому их получают из раствора в летучем растворителе. Холодная вытяжка – важная физическая обработка, улучшающая прочность и внешний вид этих полимерных волокон. При температурах выше T g волокно толще, чем требуется, может быть принудительно растянуто во много раз своей длины; и при этом полимерные цепи распутываются и имеют тенденцию выстраиваться параллельно. Эта процедура холодной вытяжки организует беспорядочно ориентированные кристаллические домены, а также выравнивает аморфные домены, чтобы они стали более кристаллическими.В этих случаях физически ориентированная морфология стабилизируется и сохраняется в конечном продукте. Это контрастирует с эластомерными полимерами, для которых растянутая или выровненная морфология нестабильна по сравнению с морфологией аморфной случайной спирали.
При нажатии на следующую диаграмму изображение этих изменений будет переключаться из одной крайности в другую. Эту обработку холодным волочением можно также использовать для обработки полимерных пленок (например, майлара и сарана), а также волокон.
Полимеризация ступенчатого роста также используется для получения класса адгезивов и аморфных твердых веществ, называемых эпоксидными смолами.Здесь ковалентное связывание происходит в результате реакции S N 2 между нуклеофилом, обычно амином, и концевым эпоксидом. В следующем примере тот же промежуточный бисфенол A, который используется в качестве мономера для Lexan, служит бифункциональным каркасом, к которому присоединены эпоксидные кольца. Бисфенол А получают путем катализируемой кислотой конденсации ацетона с фенолом.
2.Термореактивные и термопластичные полимеры
Большинство описанных выше полимеров относятся к термопластам .Это отражает тот факт, что выше T g им можно придавать форму или прессовать в формы, формовать или отливать из расплавов или растворять в подходящих растворителях для последующего формования. Кевлар и Номекс из-за их высокой температуры плавления и плохой растворимости в большинстве растворителей оказались проблемой, но в конечном итоге она была решена.
Другая группа полимеров, характеризующихся высокой степенью сшивки, сопротивляется деформации и растворению после достижения их окончательной морфологии. Такие полимеры обычно получают в формах, которые позволяют получить желаемый объект.Поскольку эти полимеры, однажды сформированные, не могут быть изменены нагреванием, они называются термореактивными пластинами . Частичные формулы для четырех из них будут показаны ниже при нажатии соответствующей кнопки. Первым экспонатом является бакелит, один из первых полностью синтетических пластиков, получивших коммерческое использование (около 1910 г.).
Природный смолистый полимер, называемый лигнином, имеет сшитую структуру, аналогичную бакелиту. Лигнин – это аморфная матрица, в которой ориентированы целлюлозные волокна древесины.Дерево – это натуральный композитный материал, природный эквивалент композитов из стекловолокна и углеродного волокна. Частичная структура лигнина показана здесь
Эпоха пластмасс
Исторически сложилось так, что многие эпохи характеризовались материалами, которые тогда были важны для человеческого общества (например, каменный век, бронзовый век и железный век). ХХ век приобрел несколько таких ярлыков, включая ядерный век и нефтяной век ; тем не менее, лучшее название, вероятно, , пластмассовый век .В течение этого периода никакие технологические достижения, кроме доставки электроэнергии в каждый дом, не повлияли на нашу жизнь больше, чем широкое использование синтетических пластиков в нашей одежде, посуде, строительных материалах, автомобилях, упаковке и игрушках, и это лишь некоторые из них. . Разработка материалов, которые мы сейчас называем пластмассами, началась с вискозы в 1891 году, продолжилась бакелитом в 1907 году, полиэтиленом в 1933 году, нейлоном и тефлоном в 1938 году, полипропиленом в 1954 году, кевларом в 1965 году и продолжается.
Многие типы полимеров, которые мы объединяем в пластики, обычно недорогие, легкие, прочные, долговечные и, при желании, гибкие. Пластмассы могут обрабатываться экструзией, литьем под давлением, вакуумным формованием и сжатием, превращаясь в волокна, тонкие листы или предметы определенной формы. Они могут быть окрашены по желанию и усилены стекловолокном или углеродными волокнами, а некоторые могут быть расширены в пенопласт с низкой плотностью. Многие современные клеи предполагают образование пластичного связующего вещества.Пластмассы заменяют все большее количество натуральных веществ. При изготовлении клавиш пианино и бильярдных шаров пластмассы заменили слоновую кость, что помогло выжить слону. Примечательно, что предприятие по производству синтетического волокна занимает гораздо меньшую площадь земли, чем потребовалось бы для производства такого же количества натуральных волокон, как хлопок, шерсть или шелк. При всех этих преимуществах неудивительно, что многое из того, что вы видите вокруг, сделано из пластика. В самом деле, низкая стоимость, легкий вес, прочность и адаптируемость конструкции пластмасс к различным областям применения привели к значительному годовому росту их производства и использования, который, вероятно, будет продолжаться.Действительно, многие пластмассы используются в одноразовых изделиях, предназначенных только для одноразового использования.
Закон непредвиденных последствий
Успешные решения технологических проектов часто достигаются путем сосредоточения внимания на ограниченном наборе переменных, которые напрямую связаны с желаемым результатом. Однако у природы часто есть способ вознаградить такой успех, выявив неожиданные проблемы, возникшие «вне рамок» определенного проекта. В случае пластмасс их выгодная долговечность и относительно низкая стоимость привели к серьезному загрязнению окружающей среды, поскольку использованные предметы и упаковки случайно выбрасываются и заменяются в бесконечном цикле.Мы видим это каждый день на улицах и полях в наших кварталах, но проблема гораздо серьезнее. Чарльз Мур, американский океанограф, в 1997 году обнаружил огромную массу мусора, оцениваемую почти в 100 миллионов тонн, плавающую в Тихом океане между Сан-Франциско и Гавайями. Названный «Большой тихоокеанский мусорный полигон», этот тушеный мусор состоит в основном (80%) из кусочков и кусков пластика, которые весят 6: 1 планктона, в регионе, который в два раза больше Техаса. Хотя часть обломков происходит с кораблей в море, по крайней мере 80% приходится на мусор, образующийся на суше.Информация, представленная здесь, и иллюстрация слева взяты из статьи Сьюзан Кейси в
BestLife
Циркуляция течений по часовой стрелке, создаваемая глобальной ветровой системой и ограниченная окружающими континентами, образует вихрь или круговорот, сравнимый с большим водоворотом. Каждый крупный океанский бассейн имеет большой круговорот в субтропическом регионе с центром около 30º северной и южной широты. Североатлантический субтропический круговорот известен как Саргассово море. Более крупный субтропический круговорот в северной части Тихого океана, называемый депрессией, представляет собой зону конвергенции, в которой пластик и другие отходы смешиваются вместе.Подобные области есть в южной части Тихого океана, Северной и Южной Атлантике и Индийском океане.
Помимо отвратительного внешнего вида, мусорная свалка представляет собой серьезную проблему для окружающей среды и здоровья. Никто не знает, сколько времени потребуется, чтобы некоторые из этих пластиков разложились или вернулись в составные молекулы. Устойчивые объекты, такие как кольца из шести упаковок и выброшенные сети, служат ловушкой для морских животных. Меньшие пластиковые отходы принимают за пищу морские птицы; и часто обнаруживаются непереваренными в кишечнике мертвых птиц.Нордлы, гранулы пластика размером с чечевицу, в изобилии встречающиеся там, где производятся и распространяются пластмассы, разносятся ветром по биосфере. Они достаточно легкие, чтобы развевать их, как пыль, и смывать в гавани, ливневые стоки и ручьи. Сбежавшие гранулы и другой пластиковый мусор мигрируют в океанический круговорот в основном с суши. В таких отдаленных местах, как Раротонга, на островах Кука, они обычно смешаны с пляжным песком. Попав в океан, гранулы могут поглощать в миллион раз больше любых органических загрязнителей, обнаруженных в окружающих водах.Морские кормушки легко принимаются за икру рыб существами, которым очень хочется перекусить. Попав внутрь тела большеглазого тунца или королевского лосося, они становятся частью нашей пищевой цепи.
Переработка и утилизация
Большинство пластмасс распадаются на все более мелкие фрагменты, когда они подвергаются воздействию солнечного света и элементов. За исключением небольшого количества, которое было сожжено – а это очень небольшое количество – каждый кусок пластика, когда-либо сделанный, все еще существует, если только молекулярная структура материала не предназначена для содействия биоразложению.К сожалению, очистка участка от мусора – нереальный вариант, и, если мы не изменим наши привычки по утилизации и переработке мусора, он, несомненно, станет больше. Одно из разумных решений потребует от производителей по возможности использовать натуральные биоразлагаемые упаковочные материалы, а от потребителей – добросовестно утилизировать свои пластиковые отходы. Таким образом, вместо того, чтобы отправлять весь пластиковый мусор на свалку, часть его может давать энергию путем прямого сгорания, а часть преобразовываться для повторного использования в качестве заменителя первичного пластика.Последний особенно привлекателен, поскольку большинство пластмасс производится из нефти – ресурса, который становится все меньше и имеет неустойчивую цену.
Энергетический потенциал пластиковых отходов относительно значителен и колеблется от 10,2 до 30,7 МДж / кг, что предполагает их применение в качестве источника энергии и стабилизатора температуры в муниципальных мусоросжигательных заводах, тепловых электростанциях и цементных печах. Использование пластиковых отходов в качестве источника топлива могло бы стать эффективным средством сокращения требований к захоронению отходов при рекуперации энергии.Однако это зависит от использования соответствующих материалов. Неадекватный контроль горения, особенно для пластмасс, содержащих хлор, фтор и бром, представляет собой риск выделения токсичных загрязнителей.
Пластиковые отходы, используемые в качестве топлива или в качестве источника вторичного пластика, необходимо разделять на разные категории. С этой целью в 1988 году Общество производителей пластмасс (SPI) разработало систему идентификационного кодирования, которая используется во всем мире. Этот код, показанный справа, представляет собой набор символов, размещенных на пластике для определения типа полимера с целью обеспечения эффективного разделения различных типов полимеров для вторичной переработки.Сокращения кода поясняются в следующей таблице.
| ||||||||||||||||||
Несмотря на использование символа рециркуляции при кодировании пластмасс, потребители не понимают, какие пластики можно легко перерабатывать. В большинстве сообществ на всей территории Соединенных Штатов ПЭТЭ и ПЭВП – единственные пластмассы, собираемые в рамках муниципальных программ утилизации. Однако в некоторых регионах ассортимент собираемых пластмасс расширяется по мере появления рынков. (Лос-Анджелес, например, перерабатывает весь чистый пластик, пронумерованный от 1 до 7). Теоретически большинство пластмасс подлежат переработке, и некоторые типы могут использоваться в сочетании с другими.Однако во многих случаях существует несовместимость между разными типами, что требует их эффективного разделения. Поскольку пластмассы, используемые в данном секторе производства (например, электроника, автомобилестроение и т. Д.), Обычно ограничиваются несколькими типами, эффективная переработка часто лучше всего достигается с помощью целевых потоков отходов.
Пластиковый мусор из большинства домашних хозяйств, даже с некоторым разделением пользователей, представляет собой смесь неопознанных частей. Переработка таких смесей – сложная проблема.Процесс плавания / погружения оказался полезным в качестве первого шага. При помещении в среду промежуточной плотности частицы разной плотности разделяются – частицы с более низкой плотностью плавают, а частицы с более высокой плотностью опускаются. Были использованы различные разделительные среды, включая воду или водные растворы известной плотности (спирт, NaCl, CaCl 2 или ZnCl 2 ). Как показано в следующей таблице, плотности обычных пластиков различаются в достаточной степени, чтобы их можно было различать таким образом.Цилиндроконический циклон, показанный справа, обеспечивает непрерывную процедуру подачи, при которой разделяемый материал закачивается в емкость одновременно с разделяющей средой. Некоторые полимеры, такие как полистирол и полиуретан, обычно превращаются в вспененные твердые вещества, которые имеют гораздо более низкую плотность, чем твердый материал.
| |||||||||||||
Одна серьезная проблема при переработке возникает из-за множества добавок, содержащихся в пластиковых отходах.К ним относятся пигменты для окрашивания, твердые волокна в композитах, стабилизаторы и пластификаторы. В случае ПЭТЭ (или ПЭТ), который обычно используется для изготовления бутылок, некоторые отходы могут подвергаться механической и термической обработке для производства низкосортных упаковочных материалов и волокон. Чтобы повысить ценность регенерированного ПЭТФ, его можно деполимеризовать перегретым метанолом в диметилтерефталат и этиленгликоль. Затем эти химические вещества очищаются и используются для производства чистого ПЭТФ. Углеводородные полимеры, такие как полиэтилен и полипропилен, могут быть расплавлены и экструдированы в гранулы для повторного использования.Однако наличие красителей или пигментов ограничивает ценность этого продукта.
Биоразлагаемые полимеры
Пластмассы, полученные из природных материалов, таких как целлюлоза, крахмал и гидроксикарбоновые кислоты, легче разлагаются под воздействием кислорода, воды, почвенных организмов и солнечного света, чем большинство полимеров на нефтяной основе. Гликозидные связи в полисахаридах и сложноэфирные группы в сложных полиэфирах представляют собой точки атаки ферментов микроорганизмов, которые способствуют их разложению.Такие биоразлагаемые материалы можно компостировать, расщеплять и возвращать земле в качестве полезных питательных веществ. Однако важно понимать, что правильное компостирование необходимо. Размещение таких материалов на свалке приводит к более медленному анаэробному разложению, в результате которого образуется метан, парниковый газ.
Производные целлюлозы, такие как ацетат целлюлозы, издавна служат для изготовления пленок и волокон. Наиболее полезным ацетатным материалом является диацетат, в котором две трети гидроксильных групп целлюлозы этерифицированы.Волокна ацетата теряют прочность при намокании, поэтому одежду из ацетата необходимо подвергать химической чистке. Другой основной полисахарид, крахмал, менее устойчив, чем целлюлоза, но в гранулированной форме он теперь заменяет полистирол в качестве упаковочного материала.
Два природных полиэфира, которые находят все более широкое применение в качестве замены пластмасс на нефтяной основе, – это полилактид (PLA) и полигидроксиалканоаты (PHA), последние чаще всего в виде сополимеров с полигидроксибутиратом (PHB). Структуры этих полимеров и их предшественников мономеров показаны ниже.
PLA на самом деле представляет собой полимер молочной кислоты, но димерный лактид используется в качестве предшественника, чтобы избежать образования воды при прямой полиэтерификации. Бактериальная ферментация используется для производства молочной кислоты из кукурузного крахмала или тростникового сахара. После димеризации до лактида осуществляется полимеризация с раскрытием цикла очищенного лактида с использованием соединений двухвалентного олова в качестве катализаторов. PLA можно перерабатывать, как и большинство термопластов, в волокна и пленки.В ситуациях, когда требуется высокий уровень ударной вязкости, вязкость PLA в его первоначальном состоянии часто бывает недостаточной. Смеси PLA с полимерами, такими как ABS, обладают хорошей стабильностью формы и визуальной прозрачностью, что делает их полезными для упаковочных приложений низкого уровня. Материалы PLA в настоящее время используются в ряде биомедицинских приложений, таких как швы, стенты, диализные среды и устройства для доставки лекарств. Однако одним из недостатков полилактидов для биомедицинского применения является их хрупкость.
Молочная кислота имеет хиральный центр, причем (S) (+) – энантиомер является распространенной природной формой (L-молочная кислота). Из-за хиральной природы молочной кислоты существует несколько различных форм полилактида. Поли-L-лактид (PLLA) является продуктом полимеризации (S, S) -лактида. PLLA имеет кристалличность около 37%, температуру стеклования от 50 до 80 ºC и температуру плавления от 173 до 178 ºC. Температура плавления PLLA может быть увеличена на 40-50 ºC, а температура тепловой деформации может быть увеличена примерно с 60 ºC до 190 ºC путем физического смешивания полимера с PDLA (поли-D-лактидом).PDLA и PLLA образуют очень регулярный стереокомплекс с повышенной кристалличностью.
PHA (полигидроксиалканоаты) синтезируются такими микроорганизмами, как Alcaligenes eutrophus , которые выращиваются в подходящей среде и питаются соответствующими питательными веществами, чтобы быстро размножаться. Как только популяция увеличивается, состав питательных веществ изменяется, заставляя микроорганизм синтезировать PHA. Собранные количества PHA из организма могут достигать 80% от сухого веса организма.Самая простая и наиболее часто встречающаяся форма PHA – это поли (R-3-гидроксибутират), PHB или P (3HB)). Чистый ПОБ, состоящий из от 1000 до 30000 единиц гидроксикислоты, относительно хрупкий и жесткий. В зависимости от микроорганизма, многие из которых созданы для этой цели с помощью генной инженерии, и условий культивирования могут быть получены гомо- или сополиэфиры с различными гидроксиалкановыми кислотами. Такие сополимеры могут иметь улучшенные физические свойства по сравнению с гомо Р (3НВ). В настоящее время эти PHA стоят примерно в два раза дороже пластмасс на нефтяной основе.Также была создана искусственно созданная трава, которая выращивает PHA внутри своих листьев и стеблей, что дает возможность избежать некоторых затрат, связанных с крупномасштабной бактериальной ферментацией.
В отличие от P (3HB), полимер 4-гидроксибутирата, P (4HB), является эластичным и гибким с более высокой прочностью на разрыв. Сополимеры P (3HB) и P (4HB) синтезируются Comamonas acidovarans . Молекулярный вес остается примерно таким же (400 000-700 000 Да), но термические свойства коррелируют с соотношением этих мономерных звеньев.MP уменьшается с 179 до 130 (или ниже) с увеличением 4HB, а при увеличении 4HB от 0% до 100% Tg уменьшается с 4 до -46. 4-гидроксибутират (4HB) производится из 1,4-бутандиола такими микроорганизмами, как Aeromonas hydrophila , Escherichia coli или Pseudomonas putida . Затем ферментационный бульон, содержащий 4HB, был использован для производства гомополимера P (4HB), а также сополимеров с P (3HB), [P (3HB-4HB)]. В следующей таблице перечислены некоторые свойства этих гомополимеров и сополимеров.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 3HV = 3-гидроксивалерат, 3HD = 3-гидроксидеканоат |
Остается открытым вопрос, является ли это более энергоэффективно и экономически выгодно использовать биоразлагаемый пластик или переработку пластика на нефтяной основе.Однако нет сомнений в том, что биоразлагаемые материалы приводят к меньшему загрязнению окружающей среды, если их случайно выбрасывать после использования, как это часто бывает.
Гигантские молекулы жизниМономеры и полимеры | ||||||||||||||||
| Принципы строительства | Липиды, полисахариды, белки и полинуклеотиды – это основные группы из макромолекул , которые встречаются во всех живых организмах.Эти гигантские молекулы выполняют все жизненно важные функции, необходимые клеткам. Макромолекулы участвуют в таких процессах, как переваривание пищи, хранение информации, манипулирование энергией и обмен веществ. Это сложные огромные ассоциации молекулярных субъединиц, которые невозможно понять. К счастью, все они построены по одному и тому же принципу. | |||||||||||||||
| Мономеры и полимеры | Мономеры – это небольшие молекулы, в основном органические, которые могут соединяться с другими подобными молекулами с образованием очень больших молекул или полимеров.Все мономеры обладают способностью образовывать химические связи по крайней мере с двумя другими молекулами мономера. | |||||||||||||||
| мономеры | ||||||||||||||||
| Полимеры – это класс синтетических веществ, состоящих из множества более простых единиц, называемых мономерами. Полимеры представляют собой цепи с неопределенным количеством мономерных звеньев. | ||||||||||||||||
| полимер | ||||||||||||||||
| Гомополимеры – это полимеры, полученные путем соединения мономеров одного химического состава или структуры. | ||||||||||||||||
| полимер, состоящий из одного и того же мономера | ||||||||||||||||
| Гетерополимеры – это полимеры, состоящие из более чем одного вида мономеров. | ||||||||||||||||
| полимер, состоящий более чем из одного типа мономера | ||||||||||||||||
| Искусственные полимеры и особые свойства | Одним из первых людей, открывших и изготовивших искусственный полимер, был немецкий химик Ганс фон Пехманн.Вероятно, это был несчастный случай. В 1899 году он обнаружил подозрительное липкое белое вещество на дне колбы, в которой пытался разложить диазометан. Он понятия не имел, что он сделал, поэтому он передал анализ материала Ойгену Бамбергеру и Фридриху Чирнеру, которые обнаружили длинные цепи -CH 2 -, которые они назвали «полиметиленом». Несколько лет спустя (1935 г.) в Англии Эрик Фосетт и Реджинальд Гибсон пережили похожий опыт. Они очень старались заставить взрывоопасный газ (этилен) реагировать с гораздо более крупной молекулой (бензальдегидом), заставляя их вместе под высоким давлением.У них получилось бесполезное (так они думали!) Белое воскообразное твердое вещество, которое нельзя было использовать ни для чего интересного или практичного. Как они ошибались, но с этим «полиэтиленом» ничего больше не делалось до начала Второй мировой войны. Внезапно возникла потребность в гибком нереактивном изоляторе для кабеля нового изобретения – радара. Британская фирма Imperial Chemical Industries заново открыла полиэтилен и запустила его в производство в 1939 году. | |||||||||||||||
| Небольшие молекулы газообразного этилена без запаха были тогда и теперь преобразованы в полимер, называемый полиэтиленом, путем объединения мономеров этилена в длинную цепь.Некоторые из этих цепочек могут иметь длину до 10 000 единиц. В некоторых формах эти цепи разветвляются, и все они сворачиваются и сворачиваются. Современные методы производства начинаются с газообразного этилена, который нагревают под очень высоким давлением до тех пор, пока он не превращается в так называемый полиэтилен низкой плотности. Этот материал представляет собой кристаллический полупрозрачный термопласт, который размягчается при нагревании. Сегодня потребители покупают и используют полиэтилен множеством способов: от упаковки, мешков для мусора, бутылок и контейнеров с газировкой до проводов (это первоначальное использование) и почти во всех игрушках или предметах домашнего обихода на рынке.Современные люди очень и очень зависят от этого конкретного искусственного полимера. | ||||||||||||||||
| поливинил хлорид | Второй по популярности и полезности искусственный полимер – «поливинилхлорид», ПВХ. В чистом виде ПВХ довольно жесткий и плохо воспламеняется, поэтому он составляет основу всех видов труб и покрытий для таких вещей, как сайдинг, окна и двери. Когда в ПВХ добавляют другие вещества, называемые пластификаторами, материал становится намного более гибким и может использоваться для производства всего, от садового шланга до занавесок для душа. У такого универсального и безопасного материала опасное начало. Мономер, используемый в его синтезе, представляет собой смертельно ядовитый газ, называемый винилхлоридом. Этот газ образуется при пропускании кислорода, хлористого водорода и этилена над медью, которая действует как катализатор. После очень осторожного хранения и обращения винилхлорид смешивается с инициаторами, которые начинают процесс полимеризации. ПВХ – это гомополимер, который в чистом виде слишком жесткий для большинства применений.Однако, если второй момомер, винилацетат, также включен в цепочку, создается более гибкий продукт, который имеет гораздо больше применений. В 1930 году Union Carbide Corporation впервые начала производить этот «сополимер», назвав его «Винилит», и ввела в него музыку, чтобы сделать пластинки для фонографа. | |||||||||||||||
| Углерод и природные биополимеры | У атома углерода шесть электронов, четыре на крайнем энергетическом уровне. Углерод может образовывать четыре ковалентные связи с другими атомами и / или молекулами.Атомы углерода могут связываться с другими атомами углерода, создавая длинные углеродные цепочки, которые образуют основу многих природных органических молекул. Именно это особое свойство атомов углерода делает их столь важными. Жизнь основана на химии углерода. | |||||||||||||||
| Природные биополимеры | Существует четыре основных класса биополимеров в зависимости от свойств атома углерода;
| |||||||||||||||
Полимеры – Химия LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
Полимеры представляют собой длинноцепочечные гигантские органические молекулы, состоящие из множества более мелких молекул, называемых мономерами.Полимеры состоят из множества повторяющихся мономерных звеньев в длинных цепях, иногда с разветвлением, или сшивкой между цепями.
- Аддитивные полимеры
- Аддитивный полимер – это полимер, который образуется в результате реакции присоединения, где многие мономеры связываются вместе посредством перегруппировки связей без потери какого-либо атома или молекулы в определенных условиях тепла, давления и / или наличие катализатора.
- Конденсационные полимеры
- Конденсационные полимеры – это любые полимеры, образованные в результате реакции конденсации, когда молекулы соединяются вместе, теряя небольшие молекулы в качестве побочных продуктов, таких как вода или метанол, в отличие от аддитивных полимеров, которые включают реакцию ненасыщенных мономеры.
- Введение в полимеры
- Полимеры – это вещества, содержащие большое количество структурных единиц, соединенных связями одного типа. Эти вещества часто образуют цепочечную структуру. Полимеры в мире природы существуют с незапамятных времен. Крахмал, целлюлоза и каучук обладают полимерными свойствами. Искусственные полимеры изучаются с 1832 года. Сегодня полимерная промышленность выросла и превзошла алюминиевую, медную и стальную промышленность вместе взятые.
- Молекулярная масса полимеров
- Большинство полимеров не состоят из идентичных молекул. Например, все молекулы HDPE представляют собой длинные углеродные цепи, но длина может варьироваться на тысячи мономерных единиц. По этой причине молекулярные массы полимеров обычно являются средними.
- Полиэтилен
- Полиэтилен – самый популярный пластик в мире. Это полимер, из которого делают продуктовые пакеты, бутылки из-под шампуня, детские игрушки и даже бронежилеты.Для такого универсального материала он имеет очень простую структуру, самый простой из всех коммерческих полимеров. Молекула полиэтилена – это не что иное, как длинная цепочка атомов углерода, с двумя атомами водорода, присоединенными к каждому атому углерода.
- Полимеры каучука
- Резина является примером полимера эластомерного типа, где полимер имеет способность возвращаться к своей исходной форме после растяжения или деформации. В состоянии покоя каучуковый полимер наматывается.Эластичные свойства проистекают из его способности растягивать цепи, но когда напряжение снимается, цепи возвращаются в исходное положение. Большинство молекул каучукового полимера содержат, по крайней мере, некоторые звенья, полученные из сопряженных диеновых мономеров.
Миниатюра: модель, заполняющая пространство секции полимера полиэтилентерефталата, также известного как ПЭТ и ПЭТФ, полиэстер, используемый в большинстве пластиковых бутылок. Цветовой код: Углерод, C (черный), Водород, H (белый) и Кислород, O (красный).Изображение используется с разрешения (Public Domain; Jynto).
Пластмассы против полимеров: в чем разница?
Автор: wkmounts / 16 января, 2020
Хотя эти термины часто используются как синонимы, полимеры и пластмассы не всегда одно и то же. Полимеры могут существовать органически или создаваться синтетически и состоять из цепочек соединенных отдельных молекул или мономеров.Пластмассы – это тип полимера, состоящий из цепочек полимеров, которые могут быть частично органическими или полностью синтетическими.
Проще говоря, все пластмассы – это полимеры, но не все полимеры – это пластмассы. Ниже мы исследуем состав, физические свойства и области применения полимеров и пластиков, чтобы дать четкое объяснение различий между ними.
Что такое полимеры?
Полимеры могут происходить органически в форме природных или биополимеров, таких как шерсть, хлопок или дерево, или они могут быть синтезированы в полуорганические или полностью синтетические материалы.Синтетические полимеры делятся на три категории:- Эластомеры – это эластичные материалы с высокой гибкостью и низкой прочностью молекулярных связей (например, резина).
Полимерные волокна состоят из полимерных цепей с более прочными молекулярными связями, чем эластомеры. Волокна более жесткие и менее эластичные, чем эластомеры, и могут состоять как из натуральных, так и из синтетических материалов. - Термопласты более жесткие, чем волокна и эластомеры, и отличаются своей способностью сохранять свою молекулярную структуру при воздействии тепла.При нагревании до температуры плавления термопласты будут плавиться, а не гореть, что делает их идеальными для придания формы и формования.
Основная структура, физические свойства и использование синтетического полимера помогают определить его классификацию. Поскольку существуют тысячи полимеров, важно понимать свойства и способы применения полимеров, чтобы гарантировать их использование в соответствующих областях.
Структура
Молекулярная структура полимера определяет основные свойства материала.При попытке классифицировать конкретный полимерный материал необходимо учитывать следующие структурные аспекты:
- Мономерный состав. Знание того, какие мономеры составляют полимерную цепь, сколько из них и природу этих мономеров, поможет классифицировать материал.
- Характеристики цепи. Средняя длина и вес цепей в полимере помогают определить степень полимеризации и молекулярную форму полимера.
- Молекулярные связи.Структура полимера может определяться способами, которыми мономеры связаны друг с другом, а также наличием поперечно-разветвленных связей между полимерными цепями.
- Метод полимеризации. Способы, с помощью которых мономеры объединяются в полимеры, определяют структуру полимера, будь то естественный процесс или синтетическая полимеризация с использованием тепла, химикатов или конденсации.
Недвижимость
Полимеры бывают самых разных форм и могут быть дополнительно классифицированы в зависимости от их физических свойств.Некоторые идентифицирующие характеристики включают:- Плотность
- Термические свойства
- Кристаллическая структура
- Твердость
- Предел прочности
- Обрабатываемость
- Формуемость
- Растворимость
Приложения
Полимерытакже можно классифицировать по областям применения. Из-за разнообразия материалов, которые могут быть созданы путем полимеризации, полимеры могут быть использованы в широком диапазоне применений:
- Формованные и формованные
- Тонкие пленки и листы
- Эластомеры
- Клеи
- Покрытия, краски и чернила
- Пряжа и прочие волокна
Что такое пластмасса?
Пластмассы – это синтетические или полуорганические полимеры, изготовленные из масла или нефти с использованием химикатов и конденсации для создания молекулярных связей.Хотя полимеры могут возникать в природе, пластмассы полностью созданы руками человека.
Однако, поскольку пластик содержит полимеры, он демонстрирует аналогичные физические свойства и универсальность, что делает его полезным в широком диапазоне применений. Пластмассы можно разделить на две категории: термореактивные пластмассы и термопласты.
Термореактивные пластмассы
Термореактивные пластмассы закаливаются в прочную конструкцию. После того, как они были сформированы, термореактивные пластмассы остаются в фиксированной форме даже при повторном воздействии тепла.После схватывания термореактивный пластик будет гореть, а не плавиться при воздействии экстремальных температур. Их высокая устойчивость к нагреванию и коррозии делает термореактивные пластмассы особенно полезными в тех случаях, когда требуются надежные прецизионные компоненты, которые не изменяют форму или не деформируются при экстремальных изменениях температуры.
Обычно используемые термореактивные пластмассы включают:
- Полиуретан
- Эпоксидная смола
- Фенольный
- Некоторые полиэфиры
- Фенольный
Благодаря своей долговечности и термостойкости, термореактивные пластмассы используются в различных областях, например:
- Электронные компоненты и изоляторы
- Теплозащитные экраны
- Детали и крышки двигателя
- Бытовая техника
- Компоненты освещения
- Энергетическое оборудование
Термопласты
В отличие от термореактивных пластиков, термопласты можно повторно нагревать и изменять форму без каких-либо изменений в их фундаментальном молекулярном составе.Термопласты плавятся при воздействии сильного тепла, что делает их идеальными для процессов формования и формования. Обычно они используются для пластмассовых изделий, которые не подвергаются сильному нагреву, таких как пластмассовые игрушки, зубные щетки, пластиковые контейнеры для хранения, бутылки для напитков и другие потребительские товары.
Термопласты доступны в двух различных формах, аморфной и полукристаллической, в зависимости от их фундаментальной молекулярной структуры.
- Аморфные термопласты.Аморфные термопласты состоят из полимерных цепей, которые не расположены в каком-либо определенном порядке – полимерные нити перемешаны друг с другом неравномерно и неорганизованно. Аморфные термопласты имеют очень низкую термостойкость, но обладают прочностью при низких температурах. Они, как правило, прозрачные из-за отсутствия структуры, что делает их полезными для пластиковых окон и осветительных приборов.
- Полукристаллические термопласты. Полукристаллические термопласты состоят из полимерных нитей в упорядоченном расположении или кристаллической структуры, смешанной с аморфными участками.Количество кристаллической и аморфной структуры определяет физические характеристики пластика. Чем больше кристаллическая организация, тем непрозрачнее становится материал. Полукристаллические термопласты обладают большей прочностью, стабильностью, термостойкостью и химической стойкостью, чем их полностью аморфные аналоги.
Термопласты включают широкий спектр материалов, в том числе:
- Полиэтилен (PE)
- Полистирол (ПС)
- полипропилен
- Поливинилхлорид (ПВХ)
- Полиэстер
- Нейлон
- Термопластичные олефины
- Сантопрен
- Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS)
- Ацетали
Благодаря своей универсальности термопласты находят применение во множестве отраслей и сфер применения, в том числе:
- Выдувное и литьевое формование
- Товары народного потребления
- Автомобильные компоненты
- Инженерные и механические части
- Медицинское оборудование
- Складские контейнеры
- Упаковочные материалы
Термопласты легко поддаются формованию, что делает их идеальными для использования в производстве выдувного формования.В процессе выдувного формования используется сжатый воздух для нагнетания расплавленной пластмассы в предварительно изготовленную форму для создания бутылок, контейнеров, ящиков и других полых деталей и компонентов.
Выдувное формование с использованием OMICO
Обладая более чем 50-летним опытом работы с полимерами и пластмассами, OMICO рада предоставить уникальные выдувные изделия для широкого спектра отраслей, включая автомобильную, медицинскую, бытовую, аэрокосмическую и зоотоваровую промышленность. Наше предприятие, сертифицированное по стандарту IATF-16949, включает в себя парк современного оборудования для выдувного формования, что гарантирует высочайшее качество деталей.Мы используем только самые чистые пластмассовые изделия непосредственно из источника, Exxon Mobil, и наша система включает в себя специализированное контрольно-измерительное оборудование, чтобы гарантировать, что наши продукты являются стабильными и надежными.
Для получения дополнительной информации о наших исключительных возможностях выдувного формования свяжитесь с нами или запросите предложение сегодня!
27.8: Полимеры и реакции полимеризации
До начала 1920-х годов химики сомневались в существовании молекул с молекулярной массой более нескольких тысяч.Это ограничивающее мнение было оспорено Германом Штаудингером, немецким химиком, имеющим опыт изучения природных соединений, таких как каучук и целлюлоза. В отличие от преобладающего рационализации этих веществ как агрегатов небольших молекул, Штаудингер предположил, что они состоят из макромолекул , состоящих из 10 000 или более атомов. Он сформулировал полимерную структуру для каучука на основе повторяющегося изопренового звена (называемого мономером). За свой вклад в химию Штаудингер получил Нобелевскую премию 1953 года.Термины полимер и мономер произошли от греческих корней poly (много), mono (один) и meros (часть).
За признанием того, что полимерные макромолекулы составляют многие важные природные материалы, последовало создание синтетических аналогов, обладающих множеством свойств. Действительно, применение этих материалов в качестве волокон, гибких пленок, клеев, стойких красок и твердых, но легких твердых тел изменило современное общество.Некоторые важные примеры этих веществ обсуждаются в следующих разделах.
Существует два основных типа реакций полимеризации: аддитивная полимеризация и конденсационная полимеризация. Помимо полимеризации, мономеры присоединяются друг к другу таким образом, что полимер содержит все атомы исходных мономеров. Молекулы этилена соединяются в длинные цепи.
Примечание
Многие природные материалы, такие как белки, целлюлоза и крахмал, а также сложные силикатные минералы, являются полимерами.Искусственные волокна, пленки, пластмассы, полутвердые смолы и каучуки также являются полимерами. Более половины соединений, производимых химической промышленностью, составляют синтетические полимеры.
Цепная реакция (присоединение) Полимеризация
Полимеризация может быть представлена реакцией нескольких мономерных звеньев:
Линии скрепления, идущие на концах в формуле продукта, указывают на то, что структура простирается на множество единиц в каждом направлении. Обратите внимание, что все атомы – два атома углерода и четыре атома водорода – каждой молекулы мономера включены в структуру полимера.Поскольку дисплеи, подобные приведенному выше, громоздки, термин «полимеризация» часто обозначается следующим сокращением:
n CH 2 = CH 2 → [CH 2 CH 2 ] n
Во время полимеризации этена тысячи молекул этена соединяются вместе, образуя поли (этен), обычно называемый полиэтиленом. Реакция проводится при высоком давлении в присутствии небольшого количества кислорода в качестве инициатора.
Некоторые общие аддитивные полимеры перечислены в Таблице \ (\ PageIndex {1} \).Обратите внимание, что все мономеры имеют двойные связи углерод-углерод. Многие полимеры обычны (например, полиэтиленовые пакеты, пищевая упаковка, игрушки и посуда), но есть также полимеры, которые проводят электричество, обладают удивительными адгезионными свойствами или прочнее стали, но намного легче по весу.
| Мономер | Полимер | Название полимера | Некоторые виды использования |
|---|---|---|---|
| Канал 2 = Канал 2 | ~ Канал 2 Канал 2 Канал 2 Канал 2 Канал 2 Канал 2 ~ | полиэтилен | полиэтиленовые пакеты, бутылки, игрушки, электроизоляция |
| CH 2 = CHCH 3 | полипропилен | ковровые покрытия, бутылки, багаж, спортивная одежда | |
| CH 2 = CHCl | поливинилхлорид | пакеты для внутривенных растворов, трубки, трубки, напольные покрытия | |
| CF 2 = CF 2 | ~ CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 ~ | политетрафторэтилен | антипригарные покрытия, электроизоляция |
Шаг 1: Инициирование цепочки
Кислород реагирует с некоторым количеством этилена с образованием органического пероксида.{\ bullet} \)
Шаг 2: распространение цепочки
В молекуле этена, CH 2 = CH 2 , две пары электронов, образующие двойную связь, не совпадают. Одна пара надежно удерживается на линии между двумя ядрами углерода в связи, называемой сигма-связью. Другая пара более свободно удерживается на орбитали выше и ниже плоскости молекулы, известной как связь \ (\ pi \).
Примечание
Было бы полезно – но не обязательно – если бы вы прочитали о структуре этена перед тем, как продолжить.Если приведенная выше диаграмма вам незнакома, то вам, безусловно, следует прочитать этот справочный материал.
Представьте, что произойдет, если свободный радикал приблизится к связи \ (\ pi \) в этене.
Примечание
Не беспокойтесь, мы вернулись к более простой схеме. Пока вы понимаете, что пара электронов, показанная между двумя атомами углерода, находится в связи \ (\ pi \) и поэтому уязвима – это все, что действительно имеет значение для этого механизма.
Ничего из этого не влияет на сигма-связь между атомами углерода.Свободный радикал Ra использует один из электронов в связи \ (\ pi \), чтобы помочь сформировать новую связь между собой и левым атомом углерода. Другой электрон возвращается к правому углероду. Вы можете показать это, используя обозначение “фигурная стрелка”, если хотите:
Это энергетически целесообразно, потому что новая связь между радикалом и углеродом сильнее, чем связь \ (\ pi \), которая разорвана. При создании новой связи вы получите больше энергии, чем было использовано для разрыва старой.Чем больше выделяется энергии, тем стабильнее становится система. Теперь у нас есть более крупный свободный радикал, удлиненный на CH 2 CH 2 . Он может таким же образом реагировать с другой молекулой этена:
Так что теперь радикал еще больше. Это может вступить в реакцию с другим этеном – и так далее, и так далее. Полимерная цепь становится все длиннее и длиннее.
Шаг 3: Обрыв цепи
Однако цепочка не может расти бесконечно. Рано или поздно два свободных радикала столкнутся вместе.
Это немедленно останавливает рост двух цепей и дает одну из конечных молекул поли (этена). Важно понимать, что поли (этен) будет смесью молекул разных размеров, созданных таким случайным образом. Поскольку обрыв цепи является случайным процессом, поли (этен) будет состоять из цепей разной длины.
Ступенчатая реакционная (конденсационная) полимеризация
Большое количество важных и полезных полимерных материалов не образуется процессами роста цепей с участием реакционноспособных частиц, таких как радикалы, а вместо этого происходит путем обычных преобразований функциональных групп полифункциональных реагентов.Эти полимеризации часто (но не всегда) происходят с потерей небольшого побочного продукта, такого как вода, и обычно (но не всегда) объединяют два разных компонента в чередующейся структуре. Полиэфир дакрон и полиамид нейлон 66, показанные здесь, являются двумя примерами синтетических конденсационных полимеров, также известных как полимеры ступенчатого роста. В отличие от полимеров с цепным ростом, большинство из которых растут за счет образования углерод-углеродных связей, ступенчатые полимеры обычно растут за счет образования углерод-гетероатомных связей (C-O и C-N в дакроне и нейлоне соответственно).Хотя полимеры такого типа можно рассматривать как чередующиеся сополимеры, повторяющееся мономерное звено обычно определяется как комбинированный фрагмент.
Примерами встречающихся в природе конденсационных полимеров являются целлюлоза, полипептидные цепи белков и поли (β-гидроксимасляная кислота), полиэфир, синтезируемый в большом количестве некоторыми почвенными и водными бактериями. Формулы для них будут отображены ниже при нажатии на диаграмму.
Характеристики конденсационных полимеров
Конденсационные полимеры образуются медленнее, чем аддитивные полимеры, часто требуют тепла, и их молекулярная масса обычно ниже.Концевые функциональные группы в цепи остаются активными, так что группы более коротких цепей объединяются в более длинные цепи на поздних стадиях полимеризации. Присутствие полярных функциональных групп в цепях часто усиливает притяжение цепей к цепям, особенно если они связаны с водородными связями и, следовательно, кристалличностью и прочностью на разрыв. Следующие ниже примеры конденсационных полимеров являются иллюстративными.
Следует отметить, что для промышленного синтеза компоненты карбоновой кислоты могут фактически использоваться в форме производных, таких как простые эфиры.Кроме того, реакции полимеризации нейлона 6 и спандекса не протекают путем удаления воды или других небольших молекул. Тем не менее, очевидно, что полимер образуется в процессе ступенчатого роста. Некоторые конденсационные полимеры
Разница в Tg и Tm между первым полиэфиром (полностью алифатическим) и двумя нейлоновыми полиамидами (5-я и 6-я записи) показывает влияние внутрицепочечных водородных связей на кристалличность. Замена гибких алкилиденовых звеньев жесткими бензольными кольцами также делает полимерную цепь более жесткой, что приводит к усилению кристаллического характера, как показано для полиэфиров (позиции 1, 2 и 3) и полиамидов (позиции 5, 6, 7 и 8).Высокие значения Tg и Tm аморфного полимера Lexan соответствуют его блестящей прозрачности и жесткости, подобной стеклу. Кевлар и номекс – чрезвычайно прочные и стойкие материалы, которые находят применение в пуленепробиваемых жилетах и огнестойкой одежде.
Многие полимеры, как аддитивные, так и конденсационные, используются в качестве волокон. Основные методы формования синтетических полимеров в волокна – из расплавов или вязких растворов. Сложные полиэфиры, полиамиды и полиолефины обычно получают из расплава при условии, что Tm не слишком высока.Полиакрилаты подвергаются термическому разложению и поэтому их получают из раствора в летучем растворителе. Холодная вытяжка – важная физическая обработка, улучшающая прочность и внешний вид этих полимерных волокон. При температурах выше T g волокно толще, чем требуется, может быть принудительно растянуто во много раз своей длины; и при этом полимерные цепи распутываются и имеют тенденцию выстраиваться параллельно. Эта процедура холодной вытяжки организует беспорядочно ориентированные кристаллические домены, а также выравнивает аморфные домены, чтобы они стали более кристаллическими.В этих случаях физически ориентированная морфология стабилизируется и сохраняется в конечном продукте. Это контрастирует с эластомерными полимерами, для которых растянутая или выровненная морфология нестабильна по сравнению с морфологией аморфной случайной спирали.
Эту обработку холодным волочением можно также использовать для обработки полимерных пленок (например, майлара и сарана), а также волокон.
Ступенчатая полимеризация также используется для получения класса адгезивов и аморфных твердых веществ, называемых эпоксидными смолами.Здесь ковалентное связывание происходит в результате реакции S N 2 между нуклеофилом, обычно амином, и концевым эпоксидом. В следующем примере тот же промежуточный бисфенол A, который используется в качестве мономера для Lexan, служит бифункциональным каркасом, к которому присоединены эпоксидные кольца. Бисфенол А получают путем катализируемой кислотой конденсации ацетона с фенолом.
Авторы и авторство
Какие примеры полимеров?
Полимер – это большая молекула, состоящая из повторяющихся субъединиц, связанных друг с другом химическими связями.Вам нужны примеры полимеров? Вот список материалов, которые являются натуральными и синтетическими полимерами, а также некоторые примеры материалов, которые вообще не являются полимерами.
Природные полимеры
Полимеры встречаются в природе и производятся в лабораториях. Природные полимеры использовались из-за их химических свойств задолго до того, как они были изучены в химической лаборатории: шерсть, кожа и лен перерабатывались в волокна для изготовления одежды; Кость животного была сварена для изготовления клея.К натуральным полимерам относятся:
- Белки, такие как волосы, ногти, черепаховый панцирь
- Целлюлоза в бумаге и деревьях
- Крахмалы в растениях, таких как картофель и кукуруза
- ДНК
- Смола (также известная как битум или гудрон)
- Шерсть (белок, вырабатываемый животными)
- Шелк (белок, производимый насекомыми)
- Натуральный каучук и лак (протеины деревьев)
Синтетические полимеры
Полимеры были впервые произведены людьми, которые искали заменители натуральных материалов, в частности, каучука и шелка.Среди первых были полусинтетические полимеры, которые представляют собой природные полимеры, модифицированные каким-либо образом. К 1820 году натуральный каучук был модифицирован, сделав его более текучим; а нитрат целлюлозы, полученный в 1846 году, использовался сначала как взрывчатое вещество, а затем как твердый формовочный материал, используемый для изготовления воротников, фильма Томаса Эдисона для фильмов и искусственного шелка Илера де Шардонне (называемого нитроцеллюлозой).
Полностью синтетические полимеры включают:
- Бакелит, первый синтетический пластик
- Неопрен (промышленная форма резины)
- Нейлон, полиэстер, вискоза (промышленные формы из шелка)
- Полиэтилен (полиэтиленовые пакеты и контейнеры для хранения)
- Полистирол (упаковка из арахиса и пенополистирола)
- тефлон
- Эпоксидные смолы
- Силикон
- Глупая шпатлевка
- Слизь
Неполимеры
Таким образом, хотя бумажные тарелки, чашки из пенополистирола, пластиковые бутылки и брусок являются примерами полимеров, есть некоторые материалы, которые представляют собой полимеры , а не .Примеры материалов, не являющихся полимерами, включают:
- Элементы
- Металлы
- Ионные соединения, такие как соль
Обычно эти материалы образуют химические связи, но не длинные цепи, характерные для полимеров. Есть исключения. Например, графен – это полимер, состоящий из длинных углеродных цепей.
Ресурсы и дополнительная информация
- Cowie, J.M.G. и Валерия Арриги. «Полимеры: химия и физика современных материалов», 3-е изд.Бока-Ратон, Лос-Анджелес: CRC Press, 2007.
- Сперлинг, Лесли Х. «Введение в науку о физических полимерах», 4-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2006.
- Янг, Роберт Дж. И Питер А. Ловелл. «Введение в полимеры», 3-е изд. Бока-Ратон, Лос-Анджелес: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011. Печать.
3D-печать с полимерами: все, что вам нужно знать в 2021 году
Глубокое погружение в полимерную 3D-печать: технологии, перспективные разработки, приложения и многое другое.
По мере того, как крупные химические компании присоединяются к миру 3D-печати, а предприятия отрасли продолжают расширять возможности этой технологии, 3D-печать из полимеров получает огромный импульс.
Чтобы быть в курсе последних разработок, ниже мы расскажем о самых интересных инновациях в области 3D-печати из полимеров и возможностях, которые открывает эта технология. Но сначала давайте рассмотрим распространенные методы 3D-печати из полимеров, используемые в разных отраслях.
Полимерная 3D-печать: технологии
Полимерные 3D-принтеры доминируют на арене оборудования для 3D-печати.Они лидируют по всем направлениям: по доходам от поставок, установленной базе и количеству разработок, происходящих в этом пространстве.
Полимерная 3D-печать, по прогнозам, принесла доход в размере 11,7 млрд долларов в 2020 году, и эта цифра включает в себя продажи оборудования, материалов и деталей, напечатанных на 3D-принтере, вместе взятых.
Ниже мы рассмотрим ключевые технологии, способствующие этому росту.
[Изображение предоставлено AMPOWER]Полимеризация в резервуаре
Стереолитография
Появление стереолитографии (SLA) в 1980-х годах ознаменовало начало эры 3D-печати.SLA – идеальная технология для производства великолепно выглядящих деталей с отличной обработкой поверхности. Из-за своей точности и высокого разрешения детали SLA в основном используются для концептуальных моделей формы и подгонки или в качестве эталонных шаблонов для приложений литья под давлением.
SLA использует жидкие фотоотверждаемые смолы. Они избирательно отверждаются УФ-лазером слой за слоем, в результате чего смола затвердевает.
Хотя детали SLA обладают отличной обработкой поверхности, они, как правило, менее долговечны, чем детали, изготовленные с использованием других аддитивных технологий.Кроме того, поскольку материалы SLA чувствительны к ультрафиолетовому излучению, их механические свойства могут измениться из-за чрезмерного воздействия солнечного света, что делает их непригодными для использования на открытом воздухе.
Фотополимеры SLA выпускаются в различных цветовых вариантах, а также в нескольких специальных материалах (литьевые, прочные, высокотемпературные, медицинские).
Выбор материалов для SLA постоянно расширяется. За последние 12 месяцев мы слышали несколько анонсов о новых смолах для 3D-печати от таких компаний, как Formlabs, Henkel, Zortrax, DSM и многих других.
Из последних новостей можно сделать вывод о том, что разработка смол для 3D-печати вышла на новый уровень: компании чрезвычайно сосредоточены на передовых приложениях, особенно в медицине, стоматологии и инженерии.
Читайте также: 3D-печать для цифровой стоматологии и производства прозрачных выравнивателей
Экструзия материалаFDM / FFF
Моделирование наплавленного осаждения (FDM), известное как изготовление плавленых волокон (FFF), является одним из самых популярных методов 3D-печати для промышленного использования.По данным исследовательской компании CONTEXT, наибольшая выручка от поставок в 2020 году пришлась на эту категорию машин, достигнув почти 150 миллионов долларов.
FDM стал коммерчески доступным в 1990-х годах, выступая в качестве доступной и удобной технологии прототипирования. С тех пор FDM развился, чтобы предложить большую надежность, точность и выбор материалов, что делает его пригодным для ряда производственных приложений, таких как вспомогательные средства производства.
Читайте также: 3D-печать для салонов самолетов
FDM использует термопластические нити, которые выдавливаются через сопло на платформу для печати по одному слою.Одним из основных ограничений FDM-деталей является анизотропия, что означает, что их механические свойства не одинаковы во всех пространственных измерениях. Это может привести к тому, что детали станут более слабыми.
Кроме того, FDM имеет более низкую скорость печати по сравнению с другими 3D-технологиями, такими как SLS или SLA, что делает его, как правило, непрактичным для серийного производства.
Сегодня производители имеют в своем распоряжении множество волокон FDM, от эластичного TPU до прочного и усиленного ABS и высокоэффективных материалов, таких как PEEK.Благодаря наличию промышленных термопластов FDM идеально подходит для производства функциональных и долговечных изделий.
Powder Bed FusionСелективное лазерное спекание
Селективное лазерное спекание (SLS) – это процесс аддитивного производства, который включает сплавление пластмассового порошкового материала с помощью мощного лазера. Благодаря сочетанию высокой точности, скорости, надежности и отсутствия опорных конструкций SLS используется как для функционального прототипирования, так и для мелкосерийного производства.
SLS обычно использует порошки полиамида (нейлона), причем PA11 и PA12 являются двумя наиболее часто используемыми полиамидами, в дополнение к гибкому материалу TPU.
Однако компании постоянно добавляют новые предложения материалов. Например, в 2018 году Evonik выпустила первый в мире порошок из гибкого пластика на основе PEBA (блокамид полиэфирного блока) для SLS.
Немецкий производитель 3D-принтеров EOS также предоставил армированный углеродным волокном термопласт PEKK для своих систем SLS в дополнение к сертифицированному материалу PEEK.Новый термопласт PEKK может заменить алюминиевые детали в аэрокосмической и промышленной сферах.
Примечательно, что в настоящее время EOS является единственным производителем, предлагающим систему SLS, способную обрабатывать высокопроизводительные термопласты, такие как PEEK и PEKK, – EOS P800.
Исторически сложилось так, что приобретение технологии SLS для компаний было дороже (ее стоимость исчислялась сотнями тысяч долларов). Однако в 2014 году срок действия патента на технологию истек, что привело к появлению более доступных альтернатив, таких как настольный 3D-принтер Formlabs Fuse 1.
Multi Jet FusionС момента своего появления на рынке в 2016 году система HP Multi Jet Fusion (MJF) открыла новое измерение для производства функциональных деталей и прототипов промышленного уровня.
Как и SLS, в этой технологии используются нейлоновые порошки. Однако вместо использования лазеров MJF работает, капая термоядерный агент на каждый слой порошка, который затем плавится источником инфракрасного света.
По сравнению с SLS, MJF предлагает более быстрый рабочий процесс благодаря инновационной станции постобработки HP, которая ускоряет процесс охлаждения и помогает в удалении порошка.Серия Jet Fusion 300/500 также предлагает возможности полноцветной 3D-печати.
У HP Multi Jet Fusion есть несколько ограничений, например, в настоящее время ограниченный выбор материалов (PA11, PA12, PA12, наполненный стеклянными шариками).
Однако HP продвигает модель открытой платформы, которая поощряет сотрудничество с разработчиками материалов. Благодаря этому подходу HP установила партнерские отношения с более чем 50 компаниями, включая Evonik, BASF и Lubrizol, которые работают над разработкой новых материалов, подходящих для этой технологии.
Читайте также:
– Эволюция технологии 3D-печати HP: от полимера к металлу AM
– Совместимость AMFG и HP обеспечивает возможность подключения системы AM
Material JettingMaterial Jetting – это Процесс струйной печати, который включает нанесение жидкого фотореактивного материала на строительную платформу слой за слоем. Подобно SLA, в Material Jetting используются смолы, которые затвердевают под воздействием ультрафиолета.
Одним из ключевых преимуществ Material Jetting является возможность комбинировать два или более фотополимеров в процессе печати, в результате чего получается деталь с гибридными свойствами (например, сочетающая жесткость с гибкостью). Кроме того, эта технология позволяет изготавливать полноцветные детали, что делает ее идеальной для прототипов с внешним видом конечного продукта.
Смолы, используемые в Material Jetting, аналогичны тем, которые используются в SLA, но имеют менее вязкую, похожую на чернила форму. Стоимость их также обычно выше.
Среди ограничений технологии – плохие механические свойства печатных деталей, из-за которых детали, изготовленные методом струйной печати, обычно не подходят для функциональных применений.
Полимерная 3D-печать: возможности и применение
Промышленная 3D-печать полимерными материалами открывает широкий спектр возможностей как для производственных отделов, так и для отделов разработки продуктов. Ниже мы перечислили наиболее известные из них.
Быстрое прототипирование
Прототипирование остается одной из основных областей применения полимерной 3D-печати.С развитием технологий 3D-печати прототипы теперь можно изготавливать намного быстрее, они стали более прочными и визуально привлекательными.
Автомобильная промышленность, которая, как сообщается, закупила наибольшее количество принтеров в 2017 году, активно использует полимерную 3D-печать для создания прототипов. Здесь используются все виды технологий 3D-печати как для формы и подгонки, так и для функциональности, тестирования и проверки.
Одним из примеров является Audi, которая использует 3D-принтер Stratasys J750 PolyJet для проектирования и проверки деталей, таких как крышки задних фонарей, для своих автомобилей.
3D-печать Stratasys Polyjet – это полноцветный процесс с несколькими материалами, который позволяет создавать физические прототипы, которые имеют внешний вид конечного продукта, что значительно упрощает и ускоряет процесс разработки продукта.
Крышка задних фонарей Прототипы, напечатанные на 3D-принтере [Изображение предоставлено Audi]
В секторе автоспорта 3D-печать является широко используемой технологией, когда речь идет о производстве функциональных деталей для испытаний гоночных автомобилей. Команда Alfa Romeo Sauber F1, например, широко использует SLS и SLA 3D-печать для производства деталей, включая передние крылья, тормозные каналы и крышки подвески, а также крышки двигателя, внутренние воздуховоды и ручные дефлекторы для моделей автомобилей с аэродинамической трубой.
Более эффективная оснастка
Трехмерная печать инструментов стала одним из наиболее многообещающих применений этой технологии. От шаблонов и приспособлений до моделей для литья по выплавляемым моделям – полимерная 3D-печать открывает двери для более быстрых, дешевых и индивидуальных инструментов.
Обычно компании обращаются к технологиям FDM и SLA для производства инструментов из-за их относительной доступности и простоты использования.
Сообщается, что производитель автомобилей Ford использует 3D-принтеры Ultimaker FDM для создания специальных инструментов.
Преимущества не ограничиваются доступностью. По словам технического руководителя Ford Гарольда Сирса, 3D-печать «помогает людям выполнять свою работу, создавая инструменты, более удобные с точки зрения эргономики для операторов. Это, возможно, мягкое преимущество, но оно, безусловно, полезно, если операторы чувствуют себя более довольными и чувствуют себя более комфортно при выполнении своей работы. Они также будут лучше выполнять свою работу, что только повысит качество ».
Кроме того, временами доступные в настоящее время термопластические материалы для 3D-печати даже достаточно прочные, чтобы заменить металлические инструменты, что значительно упрощает процесс сборки и снижает стоимость специального инструмента.
Медицинские приложения
Медицинская промышленность была одним из первых, кто начал применять полимерную 3D-печать. Сегодня эта технология нашла множество применений в этом секторе: от хирургических шаблонов и инструментов, напечатанных на 3D-принтере, до копий человеческих органов для предоперационного планирования.
Все чаще 3D-печать используется для прямого производства индивидуальных медицинских устройств, включая недорогие протезы и стоматологические устройства, такие как прокладки и мосты.
Слуховые аппараты – это один из секторов промышленности, который полностью изменился благодаря 3D-печати.Сегодня более 90% слуховых аппаратов во всем мире производятся с использованием технологии 3D-печати SLA.
С момента начала пандемии полимерная 3D-печать также зарекомендовала себя как жизнеспособная технология для производства вентиляционных клапанов, защитных очков, защитных масок и мазков для тестирования.
Читайте также: 3D-печать в здравоохранении: где мы будем в 2021 году?
Потребительские товары по индивидуальному заказу
Компании, производящие потребительские товары, все чаще обращают внимание на 3D-печать из пластика как на вариант массовой настройки.Поскольку 3D-печать не требует трудоемких и дорогостоящих инструментов и позволяет создавать сложные объекты с минимальными затратами, она позволяет изготавливать персонализированные продукты, адаптированные к потребностям потребителей.
Один из брендов, изучающих 3D-печать, – это доктор Шолль, поставщик средств по уходу за ногами. Он сотрудничал с технологической компанией Wiivv, чтобы создавать индивидуальные 3D-печатные вставки.
Используя технологию Wiivv Fit, Dr Scholl’s предлагает приложение для настройки, которое отображает 400 точек на ногах каждого пользователя с помощью нескольких фотографий с телефона.Хотя этот процесс занимает менее пяти минут, вкладыши могут быть разработаны и затем напечатаны в точном соответствии с характеристиками стопы клиентов.
Читайте также:
• 3D-печать для обуви
• 5 способов, которыми 3D-печать может принести пользу индустрии потребительских товаров
Захватывающие технологические достижения в области 3D-печати полимеров4 полиграфическая промышленность делает рывок в разработке новых технологий 3D-печати из полимеров и совершенствовании существующих.Ниже мы кратко описали последние наиболее важные технологические разработки в области 3D-печати из полимеров.
Новая технология LaserProFusion от EOS
Анонсированная на Formnext 2018 технология LaserProFusion от EOS представляет собой инновационную технологию 3D-печати из полимеров, которая разрабатывается для серийного аддитивного производства. В этом процессе используется до миллиона диодных лазеров, которые могут достигать выходной мощности до 5 кВт для печати на пластиковых материалах.
Технология LaserProFusion EOS будет оснащена домиллиона диодных лазеров, чтобы обеспечить более быструю 3D-печать SLS [Изображение предоставлено EOS]
Говорят, что с этой технологией производственный процесс станет в десять раз быстрее, что позволит тот же уровень производительности, что и литье под давлением.
Хотя неясно, когда система станет коммерчески доступной, это объявление является еще одним индикатором индустриализации технологий 3D-печати.
Высокоскоростная фотополимеризация
[Изображение предоставлено: Carbon]
Фотополимеризация, которая включает процессы SLA и DLP, за последние несколько лет претерпела значительные изменения.
Эта технология развивается как массовый производственный процесс, и недавнее внедрение высокоскоростной фотополимеризации только ускорило эту тенденцию.
Почти все основные игроки в этой области представили системы, способные печатать детали из функциональной пластмассы, близкие к объемам литья под давлением.
В 2014 году компания Carbon представила свою высокоскоростную технологию цифрового синтеза света, которая превратилась в 3D-принтер M2, способный печатать со скоростью 20 см / час.
Читайте также: Соучредитель Carbon Филип Дезимоун о переходе к крупносерийному производству с помощью 3D-печати
В 2016 году 3D Systems представила свой взгляд на высокоскоростное автоматизированное соглашение об уровне обслуживания – систему Figure 4.Основные данные за последнее время. Рис. 4 Скорость печати производственных деталей до 65 мм / час, а скорость изготовления прототипов до 100 мм / час.
За ними последовали и другие компании, такие как EnvisionTEC (приобретенная Desktop Metal), Nexa3D, Origin (приобретенная Stratasys) и NewPro.
Скорость процесса 3D-печати долгое время была одной из ее самых слабых сторон. Это, в частности, препятствие для внедрения в отраслях, ориентированных на массовое серийное производство, таких как автомобилестроение и потребительские товары. В этих отраслях необходимо производить и поставлять продукцию в максимально короткие сроки, чтобы поддерживать эффективность производства.
Теперь, благодаря достижениям в области высокоскоростной полимеризации, у производителей, желающих печатать детали на 3D-принтере в больших объемах, есть жизнеспособный вариант.
Технология расширенного осаждения полимеров (APD) Rize
Устранение постобработки было давней мечтой в индустрии 3D-печати, и технология Rize обещает устранить болевые точки постобработки. Американский производитель 3D-принтеров разработал гибридную технологию Augmented Polymer Deposition (APD), которая сочетает в себе экструзию материала с струйной печатью.
Эта комбинация позволяет печатать опорные конструкции, которые можно легко удалить вручную после завершения процесса печати, без необходимости в каких-либо дополнительных операциях постобработки.
Технология APD использовалась для изготовления изотропных, полноцветных, промышленных деталей для прототипирования, изготовления инструментов и производственных приложений.
В прошлом году компания также представила новую функцию, с помощью которой пользователи могут распечатать защищенную информацию, такую как QR или штрих-код, на детали с помощью этой технологии.Это позволило бы, например, инженеру хранить в цифровом виде всю информацию для конкретной детали, поддерживая цифровую инвентаризацию.
Крупномасштабная 3D-печать FDM BigRep
Одним из основных препятствий на пути более широкого внедрения FDM в промышленных приложениях является размер оболочки сборки. Это барьер, который немецкая компания BigRep неоднократно пытается преодолеть с помощью своей невероятно большой и высокопроизводительной линейки 3D-принтеров.
На formnext 2018 BigRep представила два 3D-принтера нового поколения – BigRep PRO (1005 x 1005 x 1005 мм) и BigRep EDGE (1500 x 800 x 600 мм), предназначенных для промышленного использования.
Обе системы оснащены запатентованной технологией экструдера-дозатора (MXT), которая отличает их от других крупномасштабных опций. Эта новая технология экструдера обеспечивает четкое разделение между подачей, плавлением и экструзией нити, что обеспечивает более высокую скорость печати с большей точностью и качеством. Например, BigRep PRO предлагает в пять раз большую пропускную способность филамента и в три раза большую скорость экструзии по сравнению с другими машинами FDM, доступными на рынке.
MXT оптимизирован для работы с материалами профессионального уровня, такими как ASA / ABS и нейлон, которые BigRep производит в сотрудничестве с немецкой химической компанией BASF.
Примечательно, что BigRep PRO включает в себя современные системы управления ЧПУ и приводы от Bosch Rexroth, обеспечивающие возможности Интернета вещей и обработки данных. В конечном итоге это поможет ускорить интеграцию принтера в концепцию Индустрии 4.0.
Подробнее об этом: 4 впечатляющих применения крупномасштабной 3D-печати
Технология STEP от Evolve
Все больше и больше производителей 3D-принтеров обращают внимание на массовое производство, и Evolve Additive Solutions, дочерняя компания Stratasys, ничем не отличается.
После почти десятилетнего развития компания в прошлом году представила свою новую производственную технологию «STEP» (сокращенно от Selective Toner Electrophotographic Process) для полимеров.
Процесс STEP от Evolve предлагает новый подход к массовому производству с использованием аддитивного производства, не в последнюю очередь потому, что, как говорят, он в 50 раз быстрее, чем самые быстрые доступные технологии 3D-печати.
Более того, компания заявляет, что эта технология позволяет производить детали с качеством, сопоставимым с теми, которые изготавливаются традиционными методами, и не только с точки зрения эстетической отделки, но и прочности.Кроме того, технология STEP обеспечивает возможность многоцветной и многослойной печати.
Несмотря на то, что Evolve до коммерциализации еще два года, их технология будет той, за которой нужно следить.
SAF компании Stratasys
Компания Stratasys, являющаяся оплотом индустрии 3D-печати, также продолжает увеличивать свое присутствие в быстро расширяющейся области промышленных систем 3D-печати. Компания только что представила готовящуюся к выпуску линейку 3D-принтеров на основе порошкового наплавления (PBF).
Новая производственная платформа серии H будет оснащена технологией Selective Absorption Fusion (SAF), специально разработанной для удовлетворения потребностей массового производства.
SAF – это процесс 3D-печати на порошковой основе. Однако, в то время как SLS использует лазер для избирательного сплавления полимерных частиц, SAF делает нечто совершенно иное.
SAF использует вращающийся в противоположных направлениях валик для нанесения слоев порошка на печатный стол, а затем печатающие головки выборочно сбрасывают абсорбирующую жидкость, чтобы сформировать слой детали.Слой с изображением сливается, пропуская инфракрасную лампу по всему печатному столу, в результате чего отдельные области сливаются.
Что хорошо в этом новом процессе, так это то, что он, как сообщается, обеспечивает высокую скорость печати и масштабируемость. Коммерческая доступность 3D-принтеров на основе технологии SAF в настоящее время ожидается в третьем квартале 2021 года.
Если SAF компании Stratasys реализует свое видение, она может стать жизнеспособной альтернативой устоявшимся процессам SLS и Multi Jet Fusion.
Тенденции в области полимерной 3D-печатиКонсолидация рынка полимерной 3D-печати
За последние шесть месяцев в индустрии аддитивного производства произошла волна приобретений и слияний, многие из которых были в секторе полимерных АМ.
В то время как деятельность по слияниям и поглощениям не является чем-то новым в сфере AM, у недавних анонсов есть кое-что общее: фокус на производстве.
Вот некоторые основные моменты недавних слияний и поглощений в области 3D-печати полимеров:
- В сентябре 2020 года Covestro объявила о намерении приобрести направление производства смол и функциональных материалов DSM, включая DSM Additive Manufacturing.
- В декабре 2020 года Stratasys объявила о приобретении Origin.
- В январе 2021 года Desktop Metal объявила о намерении приобрести EnvisionTEC.
Приятно видеть, как компании объединяются, чтобы усилить свои предложения и представить убедительные решения для промышленного производства AM.
Это желание расширить портфели процессов и материалов для включения большего количества опций из единого родительского источника, работающего через единую распределительную сеть, позволит удовлетворить гораздо больше запросов клиентов.
Выполнение этого в больших масштабах с упором на воспроизводимость и надежность – важный шаг вперед в области 3D-печати из полимеров.
Использование пластика вместо металла
Снижение веса – особая цель для некоторых отраслей, таких как аэрокосмическая промышленность и автоспорт. Облегчение самолета или транспортного средства помогает снизить расход топлива и оптимизировать характеристики транспортного средства.
В то время как эти отрасли обычно полагаются на решения по облегчению металла для снижения веса, последние достижения в области полимерных материалов для 3D-печати открывают некоторые захватывающие возможности.Возможность 3D-печати высокопроизводительных термопластов, таких как углеродное волокно, ULTEM и PEEK, может означать, что металлы могут быть заменены пластмассами в некоторых приложениях.
Согласно одному анализу, замена алюминиевых кронштейнов самолетов на альтернативы PEEK может привести к снижению веса на 5–9%, что может иметь огромное влияние на расход топлива самолета.
Замена металлической детали на пластик, напечатанный на 3D-принтере, также может быть полезен для ускорения процесса обслуживания.Одно сервисное бюро использовало термопласт с углеродным наполнением Stratasys FDM Nylon 12CF для замены металлической детали машины. Благодаря 3D-печати запасной части был получен превосходный компонент, который производился намного быстрее, чем его аналог, производимый традиционным способом.
Читайте также: Композитная 3D-печать: новая технология с светлым будущим
Что нужно учитывать при внедрении полимерной 3D-печати внутри компании
Экологичность
Переработка и повторное использование полимерных материалов для 3D-печати является важным Фактор, который следует учитывать при внедрении полимерного АМ на заводе.
В 3D-печати на основе филамента вторичная переработка является обычным явлением, и многие компании производят пластиковые нити из переработанного пластика.
Однако, в то время как термопласты, как и нити, можно легко переработать, просто переплавив их, термореактивные пластики нельзя переплавлять, а это означает, что они не могут быть переработаны.
В 3D-печати полимеров на порошковой основе повторное использование порошка также не совсем простое дело. В большинстве случаев вам нужно смешать «использованный, но не смешанный» порошок примерно с 50% первичного порошка, чтобы его можно было использовать повторно.Для некоторых высокоэффективных порошков, таких как PEEK, частота обновления резко снижается, и в некоторых случаях лишний порошок нельзя использовать повторно.
Итак, как можно экологически рационально печатать с помощью полимерных материалов для 3D-печати? Один из способов – минимизировать отходы за счет более совершенного дизайна. Кроме того, не забудьте связаться с местным центром по утилизации или переработке отходов, чтобы узнать, есть ли у них возможность безопасно утилизировать напечатанные на 3D-принтере полимеры.
Подробнее: Насколько экологична промышленная 3D-печать?
Последующая обработка
Процессы удаления, такие как удаление подложки, удаление смолы или порошка, являются наиболее часто используемыми операциями постобработки при 3D-печати полимеров.Обычно они выполняются вручную, что отнимает много времени и трудовых ресурсов.
Еще больше усложняет этот этап тот факт, что вы можете захотеть использовать несколько технологий 3D-печати, каждая из которых имеет свои собственные требования к постобработке.
Для улучшения операций постобработки такие компании, как Rösler, PostProcess Technologies, AMT и DyeMansion, разрабатывают решения, помогающие пользователям AM оптимизировать постобработку.
В настоящее время самая большая тенденция заключается в создании решений для сквозной постобработки, охватывающих сортировку, удаление материала и распудривание, сглаживание и крашение, а также инспекцию.
При внедрении полимерной 3D-печати необходимо понимать требования к постобработке. Неоптимизированная постобработка может значительно увеличить стоимость операций 3D-печати, чего можно и нужно избегать за счет автоматизации.
Управление рабочим процессом
Принятие полимерной 3D-печати собственными силами также потребует от вас рассмотрения подходов к управлению операциями, таких как управление заказами, расчет затрат, планирование производства, управление запасами и т. Д.
Многие компании сегодня либо полагаются на решения изначально разрабатываются для традиционного производства или разрабатывают собственное программное обеспечение.Каждый подход часто приводит к разрозненному рабочему процессу, который не нагляден и не может быть легко масштабирован.
Чтобы не попасть в ловушку неэффективного, немасштабируемого рабочего процесса, рекомендуется внедрить решения для управления рабочим процессом и управления производством, которые были разработаны с учетом требований 3D-печати.
Сегодня на рынке доступно несколько опций, но лишь некоторые из них предлагают комплексные решения, охватывающие весь рабочий процесс 3D-печати.
Чтобы узнать больше о таких решениях, ознакомьтесь с нашим техническим документом «Программное обеспечение MES для аддитивного производства: Основное руководство»
Будущее полимерной 3D-печати
От реалистичных концептуальных моделей до прочных прототипов, эргономичных инструментов и функциональные детали конечного использования, возможности, создаваемые полимерной 3D-печатью, огромны.
Несмотря на то, что некоторые проблемы еще предстоит преодолеть, например, расширение выбора материалов и обеспечение снижения затрат на материалы, продолжающиеся разработки в области 3D-печати из полимеров помогут компаниям еще больше воспользоваться преимуществами этой технологии.
По мере того, как индустрия AM в целом и 3D-печать полимеров в частности, движется в сторону производства концевых деталей, мы видим, что композитные материалы для 3D-печати и высокоэффективные термопласты набирают все большую популярность.
Хотя полимерная 3D-печать не заменит традиционные процессы, эта технология, безусловно, расширит существующие производственные возможности, открывая новые возможности для передовых промышленных приложений.
Хотите узнать больше о 3D-печати из полимеров? Ознакомьтесь со статьями ниже:
Стереолитография и цифровая обработка света: где мы сегодня?
FDM 3D-печать: где мы сегодня?
Эволюция SLS: новые технологии, материалы и приложения
.