Типы полимеров: Полимеры – энциклопедия: структура, классификация, применение

alexxlab | 21.08.1970 | 0 | Разное

Содержание

Полимеры – энциклопедия: структура, классификация, применение

Полимеры – это высокомолекулярные химические соединения (ВМС), макромолекулы которых образованы из множества мономерных звеньев. Молекулы полимеров характеризуются огромной молекулярной массой, от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомных единиц массы. Существует несколько вариантов классификации полимеров.

  • По химическому составу полимеры подразделяют на органические (полиэтилен), неорганические (силикаты) и элементоорганические (фторопласт-4).
  • В зависимости от происхождения полимеры бывают природными, искусственными (модифицированными) и синтетическими.
  • Классификация полимеров по составу их мономерных звеньев подразделяет полимеры на гомополимеры и гетерополимеры (или сополимеры).
  • В зависимости от строения главной цепи, выделяют: гомоцепные и гетероцепные полимеры.
  • По пространственному строению мономерных звеньев, полимеры подразделяются на стереорегулярные и нестереорегулярные (или атактические).
  • По строению макромолекул полимеры бывают: линейные, разветвленные, лестничные и трехмерные сшитые (сетчатые, пространственные).
  • В зависимости от реакции получения полимеры подразделяются также на полимеризационные и поликонденсационные.
  • Важное практическое значение имеет классификация полимеров по отношению к температурному воздействию. По отношению к нагреванию выделяют термопластичные (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол) и термореактивные
    полимеры (эпоксидные смолы).

Термопласты и их сокращенные обозначения
  • АБС – привитой сополимер акрилонитрила, стирола с бутадиеновым или бутадиен-стирольным каучуком.
  • АЦ – ацетат целлюлозы.
  • ЛПЭНП – линейный полиэтилен низкой плотности.
  • МС – сополимер стирола с метилметакрилатом.
  • МСН – сополимер стирола с метилметакрилатом и акрилонитрилом.
  • ПАН – полиакрилонитрил.
  • ПА – полиамиды.
  • ПАК – полиамидокислота.
  • ПАР – полиарилаты.
  • ПАС – полиалкилсульфон.
  • ПБТ – полибутилентерефталат.
  • ПВА – поливинилацетат.
  • ПВС – поливиниловый спирт.
  • ПВФ, фторопласт-1
     – поливинилфторид.
  • ПВХ – поливинилхлорид.
  • ПВДФ, фторопласт-2 – поливинилиденфторид.
  • ПВДХ – поливинилиденхлорид.
  • ПИ – полиимиды.
  • ПК – поликарбонаты.
  • ПММА – полиметилметакрилат.
  • ПО – полиолефины.
  • ПП – полипропилен.
  • ПС – полистирол.
  • ППС – пенополистирол.
  • ПСФ – полисульфон.
  • ПТП – пентапласт.
  • ПТФЭ, фторопласт-4, фторлон-4, тефлон – политетрафторэтилен
  • ПТФХЭ, фторопласт-3. фторлон-3– политрифторхлорэтилен.
  • ПУ –
    полиуретаны    .
  • ПФ – полиформальдегид.
  • ПФО – полифениленоксид.
  • ПЭ – полиэтилен.
  • ПЭИ – полиэфиримид.
  • ПЭВП, ПЭНД, ПНД – полиэтилен высокой плотности (низкого давления).
  • ПЭНП, ПЭВД, ПВД – полиэтилен низкой плотности (высокого давления).
  • ПЭО – полиэтиленоксид.
  • ПЭСД – полиэтилен среднего давления.
  • ПЭТФ – полиэтилентерефталат.
  • САМ – сополимер стирола с α-метилстиролом.
  • САН – сополимер стирола с акрилонитрилом.
  • СТД  – сополимер триоксана с диоксоланом.
  • СФД – сополимер формальдегида с диоксаланом.
  • ТАЦ – триацетат целлюлозы.
  • ФН – фенилон.
  • ХПЭ  – хлорированный полиэтилен.
  • ХСПЭ – хлорсульфированный полиэтилен.

Реактопласты и их сокращенные обозначения
  • БФ – фенолоформальдегидный олигомер, совмещенный с поливинилбутиралем.
  • КС   –  кремнийогранические смолы.
  • МАС – меламиноальдегидные смолы.
  • НПС – ненасыщенные полиэфирные смолы.
  • ПИ – полиимиды.
  • ПЭЭК – полиэфирэфиркетон.
  • ПУ – полиуретаны.
  • ППУ – пенополиуретаны.
  • ФС – фурановые смолы.
  • ФФС – фенолформальдегидные смолы.
  • ЭС – эпоксидные смолы.

Эластомеры и их сокращенные обозначения
  • БК – статический сополимер изобутилена и 0,6 -3,0 % изопрена.
  • ДСТ-30
    – термоэластопласт с 30% блоков стирола.
  • СКД  – цис-полибутадиеновый.
  • СКДЛ – цис-полиизобутиленовый (литиевый катализатор).
  • СКИ – цис-полиизопреновый.
  • СКМС-30 – бутадиен-метилстирольный.
  • СКН-18, СКН-26 – бутадиен-нитрильные с указанным содержанием нитрила акриловой кислоты в макромолекуле (в %) и т.д.
  • СКС-30, СКМС-30 – бутадиен-стирольный, бутадиен-метилстирольный с 30% стирола в молекуле.
  • СКС-30А – бутадиен-стирольный низкотемпературной полимеризации.
  • СКТВ – метилвинилсилоксановый [до 1% (мол.) винилового мономера]
  • СКЭП – сополимер этилена (40-70%) и пропилена.
  • СКЭПТ – сополимер этилена, пропилена и 1-2% несопряженного диена.
  • СКУ – полиуретановый.
  • ТЭП – термоэластопласт, блок-сополимер бутадиена и стирола.

Применение полимеров

Сложно переоценить значение полимеров с точки зрения их практического применения. В современном мире практически не найдется ни одной сферы жизни человека и общества, науки и бизнеса где не применялся бы хотя бы один вид полимеров.

Наиболее активное применение полимерные материалы получили в производстве автомобилей, машин и оборудования; в авиационной и аэрокосмической индустриях; в индустрии разработки и создания медицинских аппаратов и инвентаря. Остановимся на некоторых из направлений практического использования полимерных материалов более подробно.

Применение полимеров в автомобильной индустрии

Основная статья: Полимеры в автомобилестроении

Надежность работы современного автомобиля, долговечность и комфорт его эксплуатации, а также (что важно) безопасность передвижения могут быть обеспечены только при условии применения

полимерных материалов — пластмасс, резин, лаков и красок и прочее.

Из пластмасс изготовляют кузова и кабины автомобилей и их отдельные крупногабаритные детали, разнообразные малогабаритные детали конструкционного и декоративного назначения, теплоизоляционные и звукоизоляционные детали и др.

К важнейшим и наиболее материалоемким резиновым изделиям для автомобилестроения относятся шины. Большое значение в этой отрасли промышленности имеют также многочисленные резино-технические изделия, от качества которых во многом зависит надежность работы автомобиля.

Лакокрасочные материалы применяемые для грунтования и окончательной отделки металлических поверхностей, должны образовывать покрытия, которые надежно защищают металл от коррозии (см. Защитные лакокрасочные покрытия), обладают высокой твердостью, эластичностью, ударопрочностью, термо- и износостойкостью.

Применение полимеров в авиастроении

Основная статья: Полимеры в авиастроении

Еще одним масштабным направлением практического применения широкой гаммы полимерных материалов является индустрия разработки, производства и эксплуатации летательных аппаратов.

Целесообразность применения полимеров в указанном направлении обусловлено их легкостью, вариабельностью состава и строения и следовательно, широким диапазоном технических свойств. Тенденция к расширению границ  применения полимерных материалов характерна также и для производства ракет и космических аппаратов.

Основные полимеры и сегменты использования:

  • Реактопласты;
  • Термопласты;
  • Пенопласты и сотопласты;
  • Резина;
  • Герметики и клеи;
  • Лакокрасочные материалы.

Развернутую информацию на предмет использования полимеров по указанным сегментам в авиастроении вы найдете в основной статье, ссылка на которую указана в начале абзаца.

Применение полимеров в машиностроении

Основная статья: Применение полимеров в машиностроении

Пожалуй одним из ключевых направлений использования полимеров и материалов на их основе является машиностроение. Так например потребление пластических масс в этой отрасли уже становится соизмеримым (в единицах объема) с потреблением стали. Непрерывно, отмечают аналитики, возрастает также применение лакокрасочных материалов, синтетических волокон, клеев, резины и прощих веществ ии материалов на полимерной основе.

Целесообразность применения полимеров в машиностроении определяется, прежде всего, возможностью удешевления продукции. При этом улучшаются также важнейшие технико-экономические параметры машин: уменьшается масса, повышаются долговечность, надежность и прочие существенные свойства.

Применение полимеров в медицине

Основная статья: Полимеры в медицине

Благодаря широкой гамме свойств и физико-химических характеристик получаемых изделий полимеры и материалы на их основе получили огромное применение в медицине.

Применение полимерных материалов с целью изготовления изделий и техники медицинского назначения позволяет осуществлять серийный выпуск инструментов, предметов ухода за больными, специальной посуды и различных видов упаковок для лекарств, обладающих рядом преимуществ перед аналогичными изделиями из металлов и стекла: экономичностью, в ряде случаев — повышенной стойкостью к воздействию различных сред, возможностью выпуска изделий разового использования и прочее.

Особое внимание следует уделить вопросу применения полимерных материалов в фармакологии. Роль данной категории материалов в фармакологическом аспекте, пока относительно невелика. В лечебной практике их используют мало. К веществам, вводимым в организм, тем более к таким, которые должны в растворенном виде попасть в кровь, лимфу, межклеточные и клеточные полости и могут достигнуть любой части тела, любого его рецептора, предъявляются, естественно, очень жесткие требования.

Также отдельно следует остановиться и на вопросе практического использования полимерных материалов в таком медицинском сегменте, как – хирургия. Учитывая свойства получаемых изделий полимерные материалы получили активное применение сразу в нескольких сегментах современной хирургии:

  • Восстановительная хирургия;
  • Сердечно-сосудистая хирургия;
  • Хирургия внутренних органов и тканей;
  • Травматология и ортопедия;
  • Применение полимеров в функциональных узлах хирургических аппаратов.

В заключении отметим, что полимеры в медицинском аспекте применяются также в вопросе создания кровезаменителей и плазмозаменителей.

Применение полимеров в пищевой промышленности

Основная статья: Полимеры в пищевой промышленности

Пожалуй самым известным для массового потребителя является вопрос использования полимеров для нужд пищевой промышленности.

Следует отметить, что полимеры в пищевой промышленности  должны соответствовать комплексу определенных санитарно-гигиенических требований, обусловленных контактом этих материалов с продуктами питания. Обязательное условие применения полимерных материалов в пищевой промышленности — разрешение органов санитарного надзора, которое выдается на основании комплекса испытаний, включающих оценку органолептических свойств, а также санитарно-химическиеи токсикологические исследования полимеров и отдельных ингредиентов, входящих в состав композиционных материалов и изделий.

К числу наиболее крупных потребителей полимерных материалов в пищевой промышленности выступают “пищевое машиностроение” и производство тары и упаковки для хранения и транспортировки продуктов питания. При этом, в последнем случае, полимеры могут выступать и как основной материал (например, пластиковые бутылки), так и в качестве вспомогательных элементов и добавок, призванных (например) уберечь металлический контейнер от коррозии.

Применение полимеров в судостроении

Основная статья: Полимеры в судостроении

Благодаря использованию полимерных материалов значительно улучшаются технические и эксплуатационные характеристики судов, повышаются их надежность и долговечность, сокращается продолжительность и снижается трудоемкость постройки.

Современная судостроительная промышленность — один из крупнейших потребителей синтетических полимерных материалов, причем области их применения очень разнообразны, а перспективы использования практически неограниченны. Полимеры применяют для изготовления корпусов судов и корпусных конструкций, в производстве деталей судовых механизмов, приборов и аппаратуры, для окраски судов, отделки помещений и их тепло-, звуко- и виброизоляции, а также прочие полезные свойства.

Узнать больше о полимерах и полимерных материалах, прочитав свежие новости, изучив прочие материалы энциклопедии и библиотеки на портале MPlast.by вы можете на персональной странице темы – полимеры.

Автор: Максимова Ю.В.

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 >

Полимерные материалы:применение, свойства, виды

Развитие современных технологий привело к появлению материалов, которые обладают исключительными эксплуатационными качествами. Полимерные материалы могут обладать молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольким миллионов. Основные качества подобных материалов определяют их большое распространение. С каждым годом на долю полимеров приходится все большее количество выпускаемой продукции. Именно поэтому рассмотрим их особенности подробнее.

Полимерные материалы

Свойства полимеров

Применение полимеров весьма обширно. Это связано с особыми качествами, которых обладает рассматриваемый материал. Сегодня полимерные материалы встречаются в самых различных областях, присутствуют практически в каждом доме. Процесс производства полимерных материалов постоянно совершенствуется, проводится изменение состава, за счет чего он приобретает новые эксплуатационные качества.

Физические свойства полимеров можно охарактеризовать следующим образом:

  1. Низкий показатель коэффициента теплопроводности. Именно поэтому некоторые полимеры могут применяться в качестве изоляции при проведении некоторых работ.
  2. Высокий показатель ТКЛР обуславливается относительно высокой подвижностью связей и постоянной сменой коэффициента деформации.
  3. Несмотря на высокий показатель ТКЛР, полимерные материалы идеально подходят для напыления. В последнее время часто можно встретить ситуацию, когда полимер наносится на поверхность в виде тонкого слоя для придания металлу и другим материал антикоррозионных качеств. Современные технологии нанесения позволяют получать тонкую защитную пленку.
  4. Удельная масса может варьироваться в достаточно большом диапазоне в зависимости от особенностей конкретного состава.
  5. Довольно высокий предел прочности от части вызван повышенной пластичностью. Конечно, показатель существенно уступает тем, которые имеет металл или сплавы.
  6. Прочность полимеров относительно невысокая. Для того чтобы повысить значение ударной вязкости проводится добавление в состав различных дополнительных компонентов, за счет чего получаются особые разновидности полимеров.
  7. Стоит учитывать низкую рабочую температуру. Полимерные материалы плохо справляются с нагревом. Именно поэтому многие варианты исполнения могут работать при температуре не выше 80 градусов Цельсия. Если превысить рекомендуемый температурный порог, то есть вероятность, что сильный нагрев станет причиной повышения пластичности полимерного материала. Слишком высокая пластичность становится причиной снижения прочности и изменение других физических свойств.
  8. Удельное сопротивление может варьироваться в достаточно большом диапазоне. Примером таких полимеров назовем ПВХ твердый, который имеет 1017 Ом×см.
  9. Многие полимерные материалы имеют повышенную горючесть. Этот момент определяет то, что в некоторых отраслях промышленности использовать полимеры нельзя. Кроме этого химический состав определяет то, что при горении могут выделять токсичные вещества или едкий дым.
  10. При применении особой технологии производства поверхность может иметь сниженный показатель коэффициента трения по стали. За счет этого покрытие служит намного дольше, и на нем не появляются дефекты.
  11. Коэффициент линейного расширения составляет от 70 до 200 10-6 на градус Цельсия.

Напольное покрытие из вспененного полимерного материала

Рассматривая характеристики распространенных полимеров, не стоит забывать о нижеприведенных качествах:

  1. Хорошие диэлектрические свойства позволяют использовать полимерный материал без опаски поражения электричеством. Именно поэтому полимеры довольно часто применяют при создании инструментов и оборудования, предназначенного для работы с электричеством.
  2. Линейные полимеры способны восстанавливать свою первоначальную форму после длительного воздействия нагрузки. Примером можно назвать воздействие поперечной нагрузки, которая изгибает деталь, но после ее пропадания форма не сохраняется.
  3. Важное качество всех полимеров – существенное изменение эксплуатационных качеств при введении небольшого количества примесей.
  4. Сегодня полимерные материалы встречаются в самых различных агрегатных состояниях. Примером можно назвать клей, смазку, герметик, краски, некоторые твердые полимерные материалы. Большое распространение получили твердые пластмассы, которые используются при производстве самого различного оборудования. Как ранее было отмечено, вещество обладает высокой эластичностью, за счет чего был получен силикон, резина, поролон и другие подобные полимерные материалы.

Стоит учитывать тот момент, что химический состав полимерных материалов может существенно отличаться. В ГОСТ представлена процедура качественной оценки, которая основана на баллах.

Большое распространение полимерные материалы получили в промышленности, так как имеют повышенную стойкость к неорганическим реактивам. Именно поэтому они применяются при производстве баков для чистой воды или особо чистых реактивов.

Вся приведенная выше информация определяет то, что полимеры получили просто огромное распространение в самых различных отраслях. Однако не стоит забывать, что насчитывается несколько десятков основных типов полимерных материалов, все они обладают своими определенными качествами. Именно поэтому следует подробно рассмотреть классификацию полимерных материалов.

Классификация полимеров

Есть довольно большое количество показателей, по которым синтетические полимерные материалы могут классифицироваться. При этом классификация затрагивает и основные эксплуатационные качества. Именно поэтому рассмотрим разновидности полимерных материалов подробнее.

Классификация проводится по агрегатному состоянию:

  1. Твердые. Практически все люди знакомы с полимерами, так как они используются при изготовлении корпусов бытовой техники и других предметов быты. Другое название этого материала – пластмасса. В твердой форме полимерный материал обладает достаточно высокой прочностью и пластичностью.
  2. Эластичные материалы. Высокая эластичность структуры получила применение при производстве резины, поролона, силикона и других подобных материалов. Большая часть встречается в строительстве в качестве изоляции, что также связано с основными эксплуатационными качествами.
  3. Жидкости. На основе полимеров производится достаточно большое количество самых различных жидких веществ, большая часть которых также применима в строительстве. Примером назовем краски, лаки, герметики и многое другое.
Жидкие полимеры — краски
Эластичные полимеры — резиновое покрытие

Различные виды полимерных материалов обладают разными эксплуатационными качествами. Именно поэтому следует рассматривать их особенности. Есть в продаже полимеры, которые до соединения находятся в жидком состоянии, но после вступления в реакцию становятся твердыми.

Классификация полимеров по происхождению:

  1. Искусственные вещества, характеризующиеся высокомолекулярной массой.
  2. Биополимеры, которые еще называют природными.
  3. Синтетические.

Большее распространение получили полимерные материалы синтетического происхождения, так как за счет смешивания самых различных веществ достигаются исключительные эксплуатационные качества. Искусственные полимеры сегодня встречаются практически в каждом доме.

Классификация синтетических материалов проводится также по особенностям молекулярной сетки:

  1. Линейные.
  2. Разветвленные.
  3. Пространственные.

Варианты структуры полимеров

Классификация проводится и по природе гетероатома:

  1. В главную цепь может входить атом кислорода. Подобное строение цепочки позволяет получить сложные и простые полиэфиры и перекиси.
  2. ВМС, которые характеризуются наличием атома серы в основной цепочке. За счет подобного строения получают политиоэфиры.
  3. Можно встретить и соединения, в главной цепочке которых есть атомы фосфора.
  4. В главную цепочку могут входить и атомы кислорода и с азотом. Наиболее распространенным примером подобного строения можно назвать полиуретаны.
  5. Полиамины и полиамиды – яркие представители полимерных материалов, которые в своей главной цепочке имеют атомы азота.

Кроме этого выделяют две большие группы полимерных материалов:

  1. Карбоцепные – вариант, который имеет основную цепочку макромолекулы ВМС с одним атомом углерода.
  2. Гетероцепные – структура, которая кроме атома углерода имеет и атомы других веществ.

Существует просто огромное количество разновидностей карбоцепных полимеров:

  1. Высокомолекулярные соединения, которые называют тефлоном.
  2. Полимерные спирты.
  3. Структуры с насыщенными главными цепочками.
  4. Цепочки с насыщенными основными связями, которые представлены полиэтиленом и полипропиленом. Отметим, что сегодня подобные разновидности полимеров получили просто огромное распространение, их применяют при производстве строительных материалов и других вещей.
  5. ВМС, которые получаются на основе переработки спиртов.
  6. Вещества, полученные при переработке карбоновой кислоты.
  7. Вещества, полученные на основе нитрилов.
  8. Материалы, которые были получены на основе ароматических углеводородов. Самым распространенным представителем этой группы является полистирол. Он получил широкое применение по причине высоких изоляционных качеств. Сегодня полистирол используют для изоляции жилых и нежилых помещений, транспортных средств и другой техники.

Полимеры

Вся приведенная выше информация определяет то, что существует просто огромное количество разновидностей полимерных материалов. Этот момент также определяет их широкое распространение, применение практически во всех отраслях промышленности и сферах деятельности человека.

Применение полимеров

Современная экономика и жизнь людей просто не может обойтись без полимерных материалов. Это связано с тем, что они обладают относительно невысокой стоимостью, при необходимости основные эксплуатационные качества могут изменяться под конкретные задачи.

Применение полимерных материалов

Рассматривая применение полимеров, следует уделить внимание нижеприведенным моментам:

  1. Активное производство началось в начале 20 века. Изначально технология производства заключалась в переработке низкомолекулярного сырья и целлюлозы. В результате их переработки появились краски и пленки.
  2. Современные полимеры повлияли на развитие всех отраслей промышленности. В момент развития кинематографа появление прозрачных пленок позволило снимать первые картины.
  3. В современном мире рассматриваемые полимерные материалы применяется практически во всех отраслях промышленности. Примером можно назвать использование полимеров при производстве игрушек, оборудования, лекарственных средств, тканей, строительных материалов и многого другого. Кроме этого они становятся частью других материалов для изменения их основных эксплуатационных качеств, применяются при обработке натуральной кожи или резины. За счет применения пластика производители смогли снизить стоимость компьютеров и мобильных девайсов, сделать их легче и тоньше. Если сравнить металл и полимеры, то разница в стоимости может быть просто огромной.
  4. Совершенствование технологии производства полимерных материалов привело к появлению более современных композитов, которые стали использовать в машиностроении и многих других отраслях промышленности.
  5. Применение полимера связано и с космосом. Можно назвать примером создание как летальных аппаратов, так и различных спутников. Существенное снижение массы позволяет с меньшими затратами преодолеть земное притяжение. Кроме этого полимеры хорошо известны тем, что выдерживают воздействие окружающей среды, представленное перепадами температуры и влажности.

Изначально в качестве сырья при производстве полимеров использовали низкокачественные низкомолекулярные вещества. Именно поэтому у них было огромное количество недостатков. Однако совершенствование технологий производства привело к тому, что сегодня полимеры обладают высокой безопасностью при применении, не выделяют вредных веществ в окружающую среду. Поэтому они стали все чаще использоваться при изготовлении вещей, применяемых в быту.

В заключение отметим, что рассматриваемая область постоянно развивается, за счет чего стали появляться композитные материалы. Они обходятся намного дороже полимеров, но при этом обладают исключительными физическими, химическими и механическими качествами. В ближайшее время полимерные материалы будут все также активно применяться в самых различных областях, так как альтернативы для их замены пока не существует.

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

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

Как устроены полимеры

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

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

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

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

Свойства полимеров

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

Для разных полимеров характерны:
  • Эластичность.
  • Низкая хрупкость.
  • Способность молекул ориентироваться по направлению механического поля.
  • Высокая вязкость при растворении.

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

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

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

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

Также их разделяют на виды в зависимости от происхождения. Они бывают:
  • Природные.
  • Искусственные.
  • Синтетические.

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

Также выполняется разделение полимеров на виды по другим критериям. К примеру, по строению макромолекул. Они могут быть:
  • Линейными.
  • Развернутыми.
  • Лестничными.
  • Трехмерными сшитыми.
Группы полимеров
Хотя каждый полимер имеет свои уникальные качества, но все же, многие вещества имеют очень похожие свойства. В связи с этим их можно объединять в группы:
  • Термопласты.
  • Реактопласты.
  • Эластомеры.
  • Огнеупорные.

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

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

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

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

Применение полимеров
Полимеры благодаря легкости, коррозийной стойкости и прочности получили крайне широкое распространение. Их используют даже чаще чем металлы, и любые другие материалы. Особенно хорошо они применяются в следующих направлениях:
  • Автомобилестроении.
  • Авиастроении.
  • Судостроении.
  • Медицине.
  • Пищевой промышленности.

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

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

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

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

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

Похожие темы:

Типы полимеров – Справочник химика 21

    Гидрированные полимеры, состоявшие в основном из деканов и выкипавшие в пределах 155—163°, имели октановое число 89 вышекипящий гидрированный продукт, выкипавший при 163—175° и содержавший главным образом ундеканы и додеканы, имел октановое число 93,6. В присутствии 50% бутана эквимолекулярные смеси пропилена и изобутилена полимеризуются в контакте с твердой фосфорной кислотой при таких же условиях и с такими же выходами и типами полимеров, какие получались и без разбавления бутаном. Полимеры, образовавшиеся нри 191°, а не при 135°, в присутствии твердой фосфорной кислоты из смесей пропилена и -бутилена, находящихся в молярных соотношениях, близких к 3 1, давали гидрированные фракции с концом кипения 150° и с октановым числом от 56 до 62°. Эти октановые числа были почти такими же, как и для фракций, выкипавших в тех же пределах, полученных при гидрировании полимеров пропилена при 205°. [c.198]
    Возможны три вида пространственного расположения замещающих групп. В зависимости от этого могут быть три типа полимеров изотактические, синдиотактические и атактические. Первые две структуры, или конфигурации, — изотактическая и синдиотактическая — являются структурами стереорегулярными. [c.249]

    Общепринятая классификация уретановых эластомеров основана на различиях в их переработке. По этому принципу выделяют три важнейших типа полимеров литьевые, вальцуемые и термоэластопласты. [c.523]

    Химическое название Элементарное звено Тип полимера [c.19]

    Влияние этих двух основных переменных на свойства полиэтилена обобщены Ричардсом [25]. Рис. 2 в статье Ричардса дает качественную картину типов полимеров этилена, получаемых путем изменения молекулярного веса и кристалличности полимеров. Глубокое влияние разветвления цепи на свойства этих полимеров можно иллюстрировать путем сравнения следующих данных, характеризующих полиметилен и типичный полиэтилен. [c.171]

    Физико-механические свойства вулканизатов, их стойкость к старению и воздействию агрессивных сред в значительной степени определяются типом полимера. Например, сопротивление разрыву ненаполненных вулканизатов повышается при увеличении вязкости по Муни и уменьшении непредельности бутилкаучука. Способность бутилкаучука к кристаллизации при растяжении обусловливает получение вулканизатов с высокой прочностью без применения [c.350]

    Подобного типа полимеры имеют функциональность значительно больше двух (до 2,9) и высокую дисперсность как по молекулярной массе, так и по функциональности [35]. [c.424]

    Из химических волокон в качестве наполнителей могут быть применены вискозные, полиамидные, полиэфирные и другие виды волокон. Свойства химических волокон существенно зависят от природы волокнообразующего полимера (табл. 9,1) и от способа изготовления волокна. Для получения материалов с высокими механическими свойствами важно правильно выбрать тип полимера. Из искусственных волокон часто в качестве наполнителей резиновых смесей используют вискозные волокна. [c.174]

    Тип полимера Содержание акрилонитрила, % Молекулярная масса Вязкость при 25 °С. Па-с Температура стеклования. °с [c.430]

    Вспененные термопластичные материалы получают, вводя в полимер вспенивающий агент. Существуют химические вспениватели, которые находятся внутри гранул, и физические, испаряющиеся вспениватели, которые впрыскиваются в расплав полимера. Высокое давление в экструдере препятствует вспениванию в машине, но, как только расплав выходит за пределы формующей матрицы, процесс вспенивания немедленно начинается. Расширяющиеся пузырьки приводят к возникновению локальной ориентации в полимере. Дополнительная ориентация может быть создана за счет продольной вытяжки. В зависимости от типа полимера, плотности готового изделия и вида вспенивателя переработка производится на одном одночервячном экструдере, на двух установленных друг за другом одночервячных экструдерах или на двухчервячных экструдерах. [c.19]


    В остальном ориентированные некристаллические и кристаллические полимеры имеют много общего. Полимеры и в том, и в другом состоянии обладают твердостью, анизотропией свойств и значительной упорядоченностью в расположении макромолекул. В тех и других образуются надмолекулярные структуры и обнаруживаются явления, обусловленные существованием этих структур. Одним из характерных различий процессов ориентации в этих двух типах полимеров является возможность непрерывного их осуществления в аморфном полимере и скачкообразность этого процесса [c.184]

    Перейдем к рассмотрению закономерностей разрушения этого типа полимеров. [c.200]

    Все типы полимеров формируются в виде пространственных, слоистых или линейных (цепных) структур, образованных направленными химическими связями (ковалентными или ионно-ковалентными). Процессы получения и различные свойства полимеров описаны в различных руководствах (см. список литературы в конце книги). [c.11]

    Снижение энергии активации и приводит к уменьшению, а уменьшение концентрации напряжения — к увеличению долговечности полимера. В результате в зависимости от типа полимера й условий опыта прочность при переходе через 7 хр может либо уменьшиться, либо возрасти. [c.318]

    Ш, Укажите стереохимический тип полимера, к которому относится полипропилен (в зависимости от числа асимметрических С -атомов в структурном звене). [c.14]

    Развитие этого принципа измерения в нашей стране состоит в использовании изгибных и крутильных колебаний (в последнем случае стержень крепят к ОК сургучом). Метод используют для измерения упругих постоянных в зоне контакта, упругой анизотропии (при изгибных колебаниях в двух перпендикулярных плоскостях), ползучести и температуропроводности материалов типа полимеров. Наблюдают за изменением этих величин под влиянием температуры, радиационного облучения. Вопрос контроля твердости чугуна рассмотрен далее. [c.257]

    Полимеризация этилена при очень высоких давлениях позволяет получить весьма ценные типы полимера с кристаллическим строением. Разработан способ полимеризации этилена при давлении 0,5…2 ГПа и температуре [c.197]

    Методы получения и структура основных типов полимеров [c.19]

    Снижение прочности в процессе утомления обусловлено различными факторами, относительная роль которых зависит от типа полимера и условий испытания. [c.210]

    Катализатор, применяемый в мюльхеймском способе, может также с успехом применяться для полимеризации пропена и бутена-1. При этом получают два типа полимеров, обладающих совершенно неожиданными свойствами (изотактическая полимеризация [63]). Фирма Монтекатини получает из пропепа так называемый мопрен, устойчивый против действия растворителей, плавящийся при 160°, не чувствительный к действию воздуха, кислорода и атомного излучения. Волокно из него но величине сопротивления разрыву равноценно найлоновому волокну [64]. [c.224]

    Из многочисленных гетероцепных полимеров в настоящее время более подробно изучены и нашлн практическое применение следующие типы полимеров  [c.396]

    Сополимер имеет аналогичную структуру, отличающуюся лишь тем, что в ной имеются периодически повторяющиеся поперечные связи, образовавшиеся в результате добавления сравнительно небольших количеств дивинилбензола во время полимеризации. Оба типа полимера легко сульфируются, напоминая такие неполимеризовапные и неалкилированные гомологи бензола, как толуол или ксилол. [c.538]

    Из установленных типов полимеров хлоропрена [2] наиболее ценным является растворимый и легкопластицирующийся -полимер, для получения которого необходимо применение регуляторов, предотвращающих структурирование в процессе полимеризации и обработки полимера. Наряду с этим для получения а-полимера необходимо соблюдение ряда условий, которые будут рассмотрены в дальнейшем. [c.369]

    Замещение на цианид в условиях МФК используют также для модификации некоторых типов полимеров хлорметилированно-го полистирола [1217, 1259], продукта присоединения алкилсуль-фенилхлоридов к цис-1,4-полибутадиену [1444] и поливинилхлор-формиату [1557]. Во всех рассмотренных до сих пор реакциях замещения ионом N образуются только цианиды, но не изоцианаты. Однако оказалось, что в гомогенных условиях активированные галогениды с тетраметиламмонийдицианатом серебра в ацетонитриле образуют только изонитрилы [78]  [c.122]

    Реактор с перемешиванием (рис. П-31) имеет винтовую мешалку (конструкция мешалки обусловлена большой вязкостью среды). Перемешивание позволяет достигать большой степени превращения (25—30% в зависимости от типа полимера-продукта). Реакция полимеризации — экзотермическая, с отводом тепла частично через рубашку, а частично непосредственно с продуктами реакции (реактор действует автотермически). Емкость реактора 250—500 л, диаметр 300—400 лш. Мешалка с ге = 1500 об мин осуществляет сильное перемешивание этилена с образовавшимся полиэтиленом. Из экспериментальных онределенип распределения температур в реакторе следует, что основные реакции развиваются в средней части реактора. [c.105]


    Известно, что продукты полииеризации ароматических аиинов обладают более высокой антиокислительной эффективностью по сравнению с исходными, но применение их в смазочных маслах практически невозможно из-за их плохой растворимости. Растворимость такого типа полимеров будет зависеть в первую очередь от состава, структуры и молекулярной иассы. [c.46]

    Возникновение дальнего порядка во взаимном расположении макромолекул, т. е. способность к кристаллизации, определяется регулярностью сфоения полимерных цепей. Известно, что в макромолекуле элементарные звенья и заместители могут располагаться в определенной последовательности и быть определенным образом ориентированы в пространстве (изо-тактические, синдиотактические и другие типы полимеров, имеющих регулярную первичную структуру). Если же присоединение носит статистический характер (наряду с присоединением по типу голова к хвосту присоединение голова к голове или хвост к хвосту ), а заместители не имеют преимущественной ориентации в пространстве, то такие полимеры имеют нерегулярное строение и относятся к группе атактических. Полимеры этого типа могут находиться только в аморфном состоянии. [c.142]

    Реакции теломеризации представляют собой особый тип полимеризации, когда полимеризующиеся молекулы внедряются между частями какой-то исходной молекулы, создавая новый тип полимеров. Эта реакция характерна для многих органических соединений, содержащих активный атом водорода или атомы галогена. Л. Роланд и Л. Ричардс [79] нашли, что при полимеризации этилена в присутствии поливинилацетата при повышенном давлении и температуре под действием перекиси этила образуется продукт, который содержит полиэтиленовые боковые цепи, заменяющие атомы водорода или ацетильные группы, в результате следующих реакций  [c.644]

    Углепластики обладают довольно высокой электропроводностью, что позволяет применять их как антистатические и элеклрообогревающие мате-риальг С увеличением содержания УВ в ПКМ до определенной объемной доли (40 – 70%)) в зависимости от типа полимеров и УВ, текстильной формы УВ наблюдается повышение прочности и модуля упругости. Затем эти показатели начинают ухудшаться вследствие недостаточного количества полимера, необходимого для получения монолитного композита и разрушения хрупких УВ на стадии формирования при высокой степени уплотнения. Максимальное содержание У В в ПКМ ограничивается также плохой смачиваемостью УВ связующим. [c.85]

    Большие успехи в области применения регулируемой анионной полимеризации достигнуты за последние годы и в связи с открытием комплексных катализаторов Циглера—Натта . Под влиянием этих катализаторов были получены кристаллические полимеры этилек а, пропилена и других а-олефипов, обладающие регулярным строением с определенным расположением заместителей в пространстве (изотактические и синдиотактические полимеры, стр. 57 ел.). По типу полимеров, получаемых под воздействием катализаторов Циглера—Натта, последние называют с т е р е о-специфическими к а т а л и з а т о р а. м и. Стерео-специфические катализаторы состоят из смеси металлорганических соединений металлов П и 1Н гру[И1 и галогенидов металлов [ V и VI групп, включая торий и уран. Наибол ,шее распространение приобрел катализатор, получаемый смешением триалкил-алюминия и х. юридов титана при разл гчном молярном соотно-пн нии компонентов. [c.146]

    Формирование эластичной желе- и студнеобразной пробки происходит путеу выдержки на протяжении 4-240 ч и протекания реакции с постепенным загустеванием непосредственно в трубопроводе. Тип полимера и активатора выбирают исходя из минимума затрат на реагенты, максимальной вязкости и других реологических параметров. [c.184]

    Скорость изолирования зависит от типа полимера и диаметра провода. При наложении первичной оболочки из ПЭНП или ПВХ на тонкие провода линейная скорость экструзии на современных линиях составляет 1000—1500 м/мин. Линии для изоляции кабелей имеют аналогичную конструкцию, но работают при значительно меньших скоростях. [c.16]

    Некоторые неорганические вещества имеют также полимерное строение, например аморфный 5102, природные и синтетические силикаты и алюмосиликаты общей формулы хЭгОз-уЗЮг-гНгО, где Э Na, А1, Mg и др. По типу полимеров построены и силикатные стекла, основной составной частью которых является 8102, а также цемент н бетон. [c.380]

    В результате ориентационной вытяжки линейных аморфных полимеров возникает анизотропия их физических свойств вдоль и поперек направления вытяжки. При этом для различных свойств подобная анизотропия выражена по-разному. Например, для двойного лучепреломления и механической прочности анизотропия довольно значительна, а для модуля упругости — гораздо слабее, если только полимер не доведен до сверхориентиро-ванного состояния, когда начинается фибриллизация. Впрочем, фибриллизация чаще наблюдается у некристаллизующихся полу-жестких полимеров и всегда — у кристаллизующихся. Кроме того, анизотропия свойств зависит от типа полимера- По сравнению с кристаллическими аморфные полимеры при вытяжке ориентируются плохо даже при больших степенях вытяжки остается довольно большой разброс направлений ориентации сегментов макромолекул. [c.193]

    Связь между ио и температурой механического стеклования (или совпадающей с ней температурой механического размягчения) полимеров не является простой (см. рис. 2.8). Различие в структуре полимеров сказывается на этой величине. Так, для неполярных каучуков /о близко к [/о, а для сильно полярных различие между этими величинами становится заметным. Отношение 52/5] зависит от типа полимера и уменьшается с возрастанием полярности каучу- [c.48]

    При нагревании полиметиленмочевины (см. задачу 903)—линейного полимера — в присутствии формальдегида образуется пространственно-структурированный (трехмерный) полимер. Разберите схему его образования. К какому типу полимеров — карбоцепному или гетероцепному — относится полиметиленмочевина  [c.102]

    П. К какому стереохимическоцу типу полимеров в зависимости от количества асимметрических С-атомов в структурном звене относится поливиниловый спирт (См.сЛА-. ) [c.96]

    Инициирова ние циклизации осуществляется за счет взаимодействия двойной связи с протоном (либо с другим акцептором электронов). Образующийся ион карбония взаимодействует с ближайшей двойной связью с образованием циклического иона карбония. Далее циклический ион карбония или может действовать на соседнюю двойную связь с образованием второго цикла и т. д., или в результате депротонизации образуется новая двойная связь (т. е. происходит обрыв цепи). Направление реакции будет зависеть от соотношения вероятностей самопроизвольной депротонизации и реакции циклического карбо-ниевого иона с соседней двойной связью. А это соотношение зависит от экспериментальных условий реакции, т. е. от типа полимера, растворителя и катализатора, от продолжительности реакции и температуры. Например, при циклизации поли-(2,3-диметил)-бутадиена, полиизопрена и полибутадиена в одинаковых условиях скорость циклизации будет уменьшаться в направлении к полибутадиену, но в этом же направлении будет увеличиваться средняя длина полициклических участков цепи. [c.59]

    Рассмотрим конкретно закономерносли упрочнения на примере двух типов полимеров 1) кристаллическслч), разрыв которого наблюдается при больших удлинениях, и 2). хрупкого стеклообразного, разрушающегося при очень малых удлинениях и относительно малых напряжениях. [c.191]

    Такое переплетение влияния различных эффектов и факторов на протекание большинства, в том чи”сле простейших по химизму, реакций в полимерах приводит к затруднению их количественного описания. Углубленное количественное описание проведено к настоящему времени на примерах реакций термической деструкции, окисления полимеров, ряда полимераналогичных реакций с учетом эффекта соседних звеньев и формирующейся композиционной неоднородности продуктов (гидролиз, хлорирование и др.), многих межмакромолекулярных реакций и формирования сетчатых структур в полимерах. Чисто химические аспекты изучены значительно больше в реакциях типа полимер — низкомолекулярное вещество по сравнению с реакциями полимер — полимер. При этом следует иметь в виду, что получаемые при количественном описании хи мических реакций полимеров константы их скоростей часто за висят от условий проведения реакций (тип растворителя, темпе ратура и др.), так как эти условия влияют на конформационные надмолекулярные и другие эффекты, которые, как было показано в свою очередь определяют возможность и степень протекания той или иной реакции. Наиболее сложными для количественного описания являются твердое и вязкотекучее состояния полимеров, концентрированные растворы, т. е. состояния, где проявляется межмолекулярное взаимодействие, переходы от полимераналогичных к внутримолекулярным и межмакромолекулярным взаимодействиям, что приводит к получению различных по физическому [c.229]

Производство полимеров :: информационная статья компании Полимернагрев

Полимеры представляют собой химические соединения высокой молекулярности, мономеры которых соединены валентными связями. Впервые изучение полимеров и определение «полимерия» упоминаются в 1833 году в работах И. Берцелиуса. Полимерные химические составы начали широко рассматриваться учеными после введения в научный свет теории о химическом строении веществ А. М. Бутлерова. Далее полимерная химия была сориентирована на выведении искусственного каучука. Это дало толчок развитию полимерной химии, как отдельной научной ветви.

Разнообразие полимеров

Абсолютно все виды полимеров разделены на системные группы соответствующие своим определенным характеристикам и возникновению. Существуют следующие типы полимеров:

  1. Неорганические;
  2. Органические;
  3. Кристаллические;
  4. Аморфные.

 

 

По происхождению полимерные вещества бывают:

  1. Биополимерными;
  2. Искусственно выведенными;
  3. Синтетического происхождения.

В промышленной обработке используют искусственные и синтетические виды полимерных материалов.

Зависимо от структурного соединения полимеры различают:

  • Линейного соединения, у которых атомные группы размещаются цепочкой или в последовательной цикличности, расположение их находится в линейном соотношении. Пример такого типа полимера каучук.
  • Соединение в виде цепочки с разветвлениями. Материалы такого типа отлично плавятся при высоких температурах и могут растворяться. Как пример можно рассматривать амилопектин.
  • Соединения в виде трехмерной сетки или пространственного вида. Растворяются плохо и очень тяжело плавятся.

Зависимо от типа звеньев мономеров полимеры разделяют:

  1. На гомополимерные;
  2. Сополимерные.

Сополимеры в свою очередь разделяются на две группы. К первой группе относят длинные мономеры с последовательным беспрерывным положением, которые классифицируют как блокирующие сополимеры. Ко второй группе относят привитые связи, у которых элементы, расположенные с внутренней стороны могут иметь дополнительные цепи иного строения.

Если в составе одной цепи есть атомы разного полимерного происхождения, то такие соединения называют гетероцепными. К ним можно отнести углеродные, фосфорные, азотные и кремниевые разряды атомов. Гомоцепные полимеры характеризуются строением атомов из чистого углеродного состава. Широко известными гетероцепными полимерами являются полиэтилентерефталаты, полиамидные материалы и белки. Часто встречающиеся гомоцепные полимеры — это полиэтилен и полиметилметакрилат. Полимерные вещества, состоящие из углеводородной группы и неорганических элементов, носят название элементорганические. Неорганические полимеры относятся к самостоятельной категории материалов.

Производство штучных полимеров

Синтетические полимеры производятся только с помощью человеческого вмешательства. Исходя только из названия «синтетические», можно сразу понять, какой природный мономер взят за основу: этилен — полиэтилен; пропилен — полипропилен…

Процесс полимеризационной выработки синтетического полимера происходит методом многоразового и поочередного подсоединения мономерных составляющих к постоянно нарастающей центральной части полимерного вещества. В свою очередь процессы полимеризации делят на два вида: радикального и ионного. Радикальный тип инспирируется свободными радикалами. Все процессы происходят за несколько этапов. В первую очередь организовываются активные центры полимеризационных процессов. Данный этап называется инициирование (возникает вследствие различных воздействий: химических, радиоактивных, тепловых и т. п). Далее наблюдается рост цепочки из-за прикрепления новых звеньев мономера к растущему центру. Так образуются новые радикалы. На третьем этапе происходит передача цепочки. Активный центр переходит на другую молекулу, образуя еще несколько активных центров с разветвлением цепи. На конечном четвертом этапе происходит разрыв цепи и гибель активных центров. Данная стадия может осуществиться лишь в условиях, когда малоактивные радикалы не способны инспирироваться. Радикалы такого типа относят к ингибирующим веществам. Рост и молекулярная масса макромолекулы зависит от роли ингибиторов, инициаторов и иных элементов. Радикальная полимеризация необходима при производстве полиэтиленов, полистирола и аналогичных видов полимера.

Ионная полимеризация происходит в течение нескольких стадий:

  1. Возникновение активно растущих центров;
  2. Наращивается цепочка, которая впоследствии гибнет.

В указанном случае функцию активных центров выполняют анионы и катионы. Зависимо, какой именно элемент брал участие, определится и название процесса: анионный или катионный. Проводят полимеризацию обычно в эмульсии, массе, растворе, газовой фазе, суспензии.

 

 

 

В эмульсионном типе полимеризационного процесса участие берут мономеры, которые предварительно измельчили в жидкости.

Полимеризация в массе подразумевает использование жидкого неразбавленного мономера. В данных условиях создают идеальные полимерные материалы.

При суспензионной полимеризации мономер пребывает в жидкостях разного состава в виде капель. Методика предназначена для выпуска гранулированных полимеров.

При газовой полимеризации звенья мономеров находятся в газообразном виде, а сам полимерный материал приобретает твердый или жидкий вид.

Поликонденсация — это изготовление полимеров из многочисленных функциональных соединений. От таких материалов может испаряться побочная продукция в виде спирта, воды и д. т. Поликонденсацию разделяют на: линейную и трехмерную. В первом варианте выступает один мономер, имеющий две функциональные категории и аналогичное число мономеров с разными функциональными группами. Трехмерный тип включает мономеры, состоящие более чем с двух функционирующих групп у которых формируются сшитые трехмерные полимеры. Чтобы произвести вещества подобного типа к мономерам подсоединяют «сшивающие» функциональные группы.

Полимеры, применяемые в производстве, могут конфигурироваться как простые или сложные вещества. Первые характеризуются наполненностью, а вторые — ненаполненные. Более сложные по составу полимеры могут иметь в содержании специальные добавки для улучшения свойств.

Производство полимеров не стоит на месте и постоянно развивается, выпуская новые материалы с усовершенствованными характеристиками. Сегодня с помощью полимерных материалов удалось заменить большую часть изделий, которые раньше выпускались только из цветного металла. Преимуществом такой замены есть значительное уменьшение общей массы изделия, увеличение сроков эксплуатации и снижение цен на детали.

Электронагреватели для полимерных материалов

 

 

Провести качественную тепловую обработку полимерных материалов можно только с помощью качественных электронагревателей. Обычно для оборудования по переработке и созданию полимерных материалов применяют патронные нагреватели, пластинчатые/плоские ТЭНы, хомутовые электронагреватели и т. д. Каждый тип нагревателя устанавливается на определенную зону оборудования и обеспечивает высококачественную подачу равномерной температуры.

Устройства для промышленного нагрева могут выполняться в разной конфигурации и в среднем вырабатывать температуры от 50 до 1800 градусов Цельсия. Все конструкционные особенности и параметры конкретного нагревателя зависят от задач, которые должны выполняться при нагреве. Провести правильный подбор нагревателя и подобрать его оснастку с дополнительными элементами (датчики, термопара и т. д.) можно обратившись к профессионалам «Полимернагрев».

Полимеры. Классификация и свойства полимеров

Содержание страницы

Полимер (от греческих слов poly — много и meros — доля, часть) — соединение с высокой молекулярной массой, макромолекулы которого состоят из очень большого числа простых, одинаковых, повторяющихся звеньев (мономеров) или повторяющихся группировок. Например, полиэтилен [– СН2 – СН2 –]n образуется из мономера этилена СН2 = СН2, где число n может достигать нескольких десятков тысяч единиц. Для макромолекулы полимера характерно то, что ее длина в тысячу раз и более превышает поперечный размер. Так, для полистирола при n = 6000 макромолекула имеет длину 1,5·10-6 м, а ее поперечный размер равен 1,5·10-9 м, т. е. в 1000 раз меньше. Простейшей моделью макромолекулы является нить, с насаженными на нее бусинками, причем эта нить находится в запутанном состоянии.

Молекулярная масса полимера может составлять от 5000 до 1000000 а.е.м. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

По происхождению полимеры могут быть природными и синтетическими. Природными полимерами являются белки, полисахариды, целлюлоза, крахмал, натуральный каучук, слюда, асбест, природный графит. К синтетическим полимерам относятся синтезированные высокомолекулярные вещества, полученные полимеризацией или поликонденсацией (синтетические смолы, волокна, каучуки и т. д.). При этом ведущей группой используемых полимеров являются синтетические полимеры.

Поскольку макромолекулы образуют цепи, состоящие из отдельных звеньев и простирающиеся в длину на расстояния в тысячи раз большие, чем их поперечные размеры, то макромолекулам свойственна гибкость (которая ограничена размером сегментов — жестких участков, состоящих из нескольких звеньев). Гибкость макромолекул является одной из отличительных особенностей полимеров.

Если макромолекула состоит из звеньев различной природы, то материал называется сополимером. Введение в полимер звеньев другой природы позволяет получить материал с требуемыми свойствами. Например, в сополимере стирола помимо основного звена содержится каучук, благодаря чему повышается ударная вязкость материала.

Макромолекулы полимеров могут иметь линейную, разветвленную или сетчатую (сшитую) структуры (рис. 1).

Рис. 1. Структуры полимеров: а — линейная; б — разветвленная; в — сетчатая (сшитая)

Внутри макромолекулы между атомами во всех трех случаях действуют прочные ковалентные связи, энергия которых составляет 300…500 кДж/моль. У полимеров с линейной и разветвленной структурами между макромолекулами чаще всего действуют силы притяжения отрицательных и положительных частиц (силы Вандер-Ваальса), энергия которых составляет до 10 кДж/моль, т. е. в десятки раз меньше. У полимеров с сетчатой структурой между макромолекулами действуют, главным образом, прочные ковалентные связи.

Линейные полимеры обладают специфичными свойствами, в частности, способностью к образованию анизотропных высокоориентированных волокон и пленок, а также к большим обратимым деформациям. По мере перехода от линейных полимеров к разветвленным и сшитым полимерам комплекс их специфических свойств становится все менее выраженным. Трехмерные полимеры с очень большой частотой сетки этими свойствами вообще не обладают.

По химическому строению главной цепи различают гомоцепные и гетероцепные полимеры. Макромолекулы гомоцепных полимеров в составе главной цепи содержат одинаковые атомы (углерода, кремния, серы, фосфора и др.). Характерным представителем этой группы являются карбоцепные полимеры, главная цепь в молекулах которых состоит из атомов углерода. В макромолекулах гетероцепных полимеров в состав главной цепи входят различные атомы.

Полимеры могут находиться только в двух агрегатных состояниях (твердом и жидком). Перевод макромолекул полимеров в газообразное состояние без разрушения связей основной цепи невозможен.

1. Классификация полимеров

Учитывая связи состава и структуры со свойствами полимеров, их можно классифицировать по различным признакам (составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву).

Все полимеры по состоянию во время нагрева и после охлаждения подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры (термопласты) — это полимеры, которые при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают, не испытывая при этом никаких химических превращений (этот процесс обратим). Такое поведение полимеров объясняется тем, что при нагреве разрушаются слабые межмолекулярные связи, а ковалентные связи сохраняются. Это обстоятельство позволяет многократно перерабатывать термопласты.

Термопласты обладают повышенной пластичностью, но малой теплостойкостью, и растворимы в растворителях.

Термореактивные полимеры (реактопласты) — это полимеры, которые при нагревании претерпевают необратимые химические превращения, в результате которых твердеют, утрачивая растворимость и способность к изменению формы. Эти полимеры при повышении температуры не размягчаются, но при достижении достаточно высокой температуры разрушаются. Реактопласты не растворимы и могут только набухать в растворителях.

По составу полимеры подразделяют на органические, элементоорганические и неорганические.

Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полимерами.

В гетероцепных полимерах атомы других элементов, присутствующие в основной цепи (кроме углерода) существенно изменяют свойства полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, атомы фосфора и хлора повышают огнестойкость, атомы серы придают газонепроницаемость, атомы фтора (даже в виде радикалов) сообщают полимеру высокую химическую стойкость и т. д. Органическими полимерами являются смолы и каучуки.

Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами (СН8, С6Н5, СН2). Эти радикалы придают материалу прочность и эластичность, а атомы (Si, Ti, Al) сообщают повышенную теплостойкость. В природе таких соединений не встречается. Представителями их являются кремнийорганические соединения.

К неорганическим полимерам относятся силикатная керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродный скелет отсутствует. Основу неорганических материалов составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др.

В силикатах существуют два типа связей: атомы в цепи соединены ковалентными связями (Si–О), а цепи — ионными связями. Неорганические полимеры отличаются большой плотностью и высокой длительной теплостойкостью. Однако стекла и керамика являются хрупкими материалами и плохо переносят динамические нагрузки. К неорганическим полимерам относится графит, представляющий собой карбоцепной полимер.

По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные и кристаллические.

Аморфные полимеры однофазны. Структуры в этих полимерах флуктуационны, термодинамически нестабильны и характеризуются относительно коротким периодом существования. Аморфная фаза уменьшает жесткость системы, делает ее эластичной. Это свойство используют в некоторых технологических процессах для повышения эластичности изделий, производя быстрое охлаждение (закалку) расплава полимера.

Кристаллические полимеры образуют пространственные решетки кристаллитов. Кристаллические структуры являются дискретными, организованными, термодинамически стабильными. Кристаллизация происходит в определенном интервале температур.

Кристаллическую структуру могут образовывать полимеры со строго регулярным строением линейных цепей. При этом кристаллические полимеры имеют более высокие температуры плавления и механические свойства, чем аморфные.

В обычных условиях полной кристаллизации полимера не происходит и структура получается двухфазной, т. е. кристаллические полимеры имеют участки молекул разрыхленной упаковки, которые составляют его аморфную фазу. В зависимости от своей природы и условий затвердевания эти полимеры могут иметь структуру с преобладающим содержанием аморфной или кристаллической фазы.

Кристалличность сообщает полимеру большую жесткость и твердость, а также теплостойкость. Отношение объема всех кристаллических областей полимера к общему объему называется степенью кристалличности. Высокую степень кристалличности (60…80 %) имеют фторопласт, полипропилен, полиэтилен высокой плотности, поликарбонаты. Поливинилхлорид, полиэфиры, полиамиды и полиэтилен низкой плотности имеют меньшую степень кристалличности. При длительном хранении, эксплуатации и переработке полимеров их структуры могут претерпевать изменения.

В зависимости от строения звена макромолекулы термопласты разделяют на неполярные и полярные. В случае симметричного строения звена макромолекулы полимер является неполярным, при несимметричном строении — полярным (рис. 2). При симметричном строении центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают и молекула становится электрически нейтральной. При несимметричном строении в результате несовпадения центров тяжести положительных и отрицательных зарядов молекула обладает определенным дипольным моментом.

Неполярные полимерные материалы (фторопласт-4) не поглощают влагу и характеризуются стабильными свойствами. Неполярные полимеры (на основе; углеводородов) являются высококачественными высокочастотными диэлектриками и обладают хорошей морозостойкостью.

Полярные полимеры (поливинилхлорид) поглощают влагу и изменяют свои размеры и свойства. Полярность придает полимерам жесткость и теплостойкость, но морозостойкость у полярных материалов низкая.

Отвержденное состояние полимера называется термостабильным.

По способу синтеза полимеры подразделяются на получаемые полимеризацией, поликонденсацией и химическим модифицированием.

а                                                                 б

Рис. 2. Строение звена неполярного (а) и полярного (б) полимеров: а — полиэтилен высокого давления; б — поливинилхлорид

2. Свойства полимеров

Особенности строения полимеров влияют на их физикомеханические и химические свойства. Вследствие высокой молекулярной массы полимеры не могут переходить в парообразное состояние, поскольку давление паров полимеров незначительно и при нагреве выше определенной температуры они разлагаются.

Полимеры могут находиться в четырех физических состояниях: кристаллическом, стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Следует отметить, что при определении физико-механических свойств полимеров их полидисперсность приводит к значительному разбросу показателей. Физико-механические свойства полимеров зависят от их структуры и физического состояния, которое в зависимости от температуры может быть стеклообразным, высокоэластичным и вязкотекучим. Все три состояния можно наблюдать у образца аморфного термопласта (винипласта), если подвергнуть его нагреву, периодически нагружать сжимающей нагрузкой, соблюдая постоянство нагрузки и времени ее воздействия на образец при различной температуре, и замерять его деформацию. В результате данного опыта можно получить термомеханическую кривую, отражающую зависимость деформации образца от температуры его нагрева (рис. 3).

В стеклообразном состоянии полимерный материал сопротивляется воздействию температуры, а его деформация является, в основном, упругой, т. е. после снятия нагрузки деформация быстро исчезает. При этом атомы, входящие в состав молекулярной цепи, совершают колебательное движение около положения равновесия, т. е. движения звеньев и перемещения макромолекул не происходит.

Рис. 3. Термомеханическая кривая аморфного полимерного материала: I — зона стеклообразного состояния; II — зона высокоэластического состояния; III — зона вязкотекучего состояния; tст — температура стеклования; tтек — температура текучести

В высокоэластическом состоянии наблюдается значительная деформация полимерного материала, которая после снятия нагрузки исчезает за некоторое время. Такая деформация называется высокоэластической или уcловно остаточной. Высокоэластичное состояние полимера наступает при его нагреве выше температур стеклования. Высокоэластическое состояние присуще только высокополимерам и характеризуется способностью материала к большим обратным изменениям формы при небольших нагрузках (звенья колеблются и макромолекула приобретает способность изгибаться).

В вязкотекучем состоянии полимера наблюдается остаточная деформация. При этом происходит перемещение макромолекул относительно друг друга. Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние, но отличается от него очень большой вязкостью (подвижна вся макромолекула).

С изменением температуры линейный или разветвленный полимер может переходить из одного физического состояния в другое.

Примером стеклообразного состояния полимера при температуре 20 °С может служить полистирол (материал, из которого изготовляют большое количество корпусных деталей радиотехнического назначения), высокоэластического состояния — каучук, вязкотекучего — полиизобутилен.

У кристаллических термопластов переход в вязкотекучее состояние может происходить, минуя высокоэластическое состояние. Полимеры с сетчатой структурой находятся, в основном, в стеклообразном состоянии, поскольку вязкотекучее состояние для них невозможно, а высокоэластическое затруднено.

В машиностроении полимеры используются, как правило, в стеклообразном и высокоэластическом состояниях. Переработка полимеров в изделия осуществляется в вязкотекучем состоянии (реже — в высокоэластическом состоянии).

В процессе эксплуатации деталей важно знать особенности протекания релаксационных процессов. Всякий релаксационный процесс заключается в стремлении системы к восстановлению нарушенного равновесия в результате теплового движения молекул. Если при нормальной температуре растянуть в пределах упругости стальной образец, а затем снять нагрузку, то деформация образца исчезнет практически сразу. При снятии нагрузки у растянутого образца из мягкой резины деформация не исчезнет за длительный период времени (месяцы, годы). Таким образом, для низкомолекулярных веществ, например металлов, релаксационные процессы в пределах жаропрочности протекают за миллионные доли секунды. Для полимерных материалов релаксационные процессы «растянуты» во времени, что связано с наличием длинных и запутанных макромолекул, которые не успевают отреагировать на снятие или приложение нагрузки. Эта специфика протекания релаксационных процессов влияет на поведение полимеров под нагрузкой, что имеет важное практическое значение в инженерной практике.

Для прогнозирования эксплуатационных характеристик деталей из полимерных материалов необходимо учитывать такие явления, как ползучесть, упругое последействие, релаксация напряжения, механический гистерезис. Если приложить к образцу полимера достаточно большую нагрузку, то постепенно в нем будет развиваться деформация, которая, в общем случае, складывается из упругой деформации, а также высокоэластической и остаточной (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость деформации полимера от времени при действии постоянного достаточно большого напряжения (ползучесть) и после снятия нагрузки (упругое последействие): ε1 — упругая деформация: ε2 — высокоэластическая деформация; ε3 — остаточная деформация; σ — напряжение

Явление ползучести полимерных материалов под действием постоянной нагрузки необходимо учитывать при прогнозировании эксплуатационных свойств полимеров. С повышением температуры среды ползучесть полимеров увеличивается, поскольку облегчаются условия распрямления макромолекул, а при снижении уровня нагрузки ползучесть уменьшается. Упругое последействие (рис. 4) вызывает изменение линейных размеров деталей, изготовленных из полимеров методом литья под давлением.

Если прекратить деформирование растянутого на разрывной машине образца полимера и следить за стрелкой силоизмерителя, то можно видеть, как постепенно стрелка вернется к делению «ноль». Это свидетельствует о том, что напряжение в образце исчезло, и произошла релаксация напряжения (рис. 5). На практике релаксация напряжения проявляется, например, в виде ослабления пружин.

Рис. 5. Падение напряжения в деформированном образце полимера с течением времени после прекращения процесса деформации (релаксация напряжения)

Механический гистерезис имеет место, например, при многократном растяжении образца или детали (рис. 6).

Рис. 6. Кривые растяжения и сокращения полимерного образца (механический гистерезис)

При этом кривая разгрузки не совпадает с кривой нагрузки. Это явление используется в устройствах для гашения вибрации.

Под старением полимерных материалов понимается самопроизвольное необратимое изменение их важнейших технических характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале при эксплуатации и хранении. Причинами старения являются свет, теплота, а также кислород, озон и другие немеханические факторы. Старение ускоряется при многократных деформациях; менее существенно на старение влияет влага. Различают старение тепловое, световое, озонное и атмосферное.

Для замедления процессов старения в полимерные материалы добавляются стабилизаторы (различные органические вещества) и антиоксиданты (амины, фенолы и др.). Длительность эксплуатации стабилизированных материалов значительно возрастает. Срок наступления хрупкости полиэтилена, стабилизированного сажей, составляет свыше 5 лет. Трубы из поливинилхлорида могут эксплуатироваться 10…25 лет.

К важным свойствам полимеров относится также их радиационная стойкость. Под действием ионизирующих излучений в полимерах происходят ионизация и возбуждение, которые сопровождаются разрывом химической связи и образованием свободных радикалов. Наиболее устойчивы к радиации полимеры, имеющие бензольное кольцо в виде боковой группы (полистирол).

Вакуум действует на полимерные материалы по-разному. Ухудшение их свойств связано с выделением из материала различных добавок (пластификаторов, стабилизаторов) и протеканием процессов деструкции. Ориентированные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полипропилен) имеют одинаковую долговечность в вакууме и на воздухе.

Абляционная стойкость (абляция — унос некоторой массы вещества с поверхности твердого тела обтекающим эту поверхность потоком горячих газов) определяется устойчивостью материала к механической, термической и термоокислительной деструкции. На абляционную стойкость полимера влияет также его структура. Материалы на основе полимеров линейного строения имеют низкую стойкость (происходит деполимеризация и деструкция). Температура абляции не превышает 900 °С. Материалы на основе термостойких полимеров лестничного или сетчатого строения (фенолоформальдегидные, кремнийорганические и др.) имеют более высокую стойкость к абляции. В них протекают процессы структурирования и обезуглероживания (карбонизации). Температура абляции может достигать 3000 °С.

Для увеличения абляционной стойкости в полимеры вводят армирующие наполнители (например, стеклянные волокна). Стеклянные волокна оплавляются. При этом расходуется много теплоты. Теплопроводность пластиков в сотни раз меньше, чем теплопроводность металлов, поэтому при кратковременном действии высокой температуры внутренние слои материала нагреваются до 200…350 °С и сохраняют механическую прочность.

Механическая прочность, эластичность, электроизоляционные и другие технические свойства полимеров обусловливают их широкое применение. Полимеры служат основой пластмасс, химических волокон, резины, лакокрасочных материалов, клеев, герметиков, ионообменных смол. Природные биополимеры составляют основу всех живых организмов и участвуют практически во всех процессах жизнедеятельности.

В технике полимеры редко используют в чистом виде. Наиболее широкое применение они находят в виде пластмасс, в состав которых, кроме основного компонента (полимера, играющего роль связующего вещества), вводят различные добавки, оказывающие определенное влияние на свойства пластмасс.

 

Просмотров: 8 883

типов полимеров | Школа материаловедения и инженерии

Существует 3 основных класса полимеров – термопласты, реактопласты и эластомеры. Дифференциация между этими классами лучше всего определяется их поведением при воздействии тепла.

  • Термопластичные полимеры могут быть аморфными или кристаллическими. Они относительно пластичны, но часто имеют низкую прочность.
  • Термореактивные полимеры всегда аморфны и обычно прочные и жесткие, но часто хрупкие.
  • Эластомеры всегда аморфны и используются в эксплуатации при температуре выше их Tg. Они обладают уникальной способностью очень сильно упруго деформироваться без необратимого повреждения своей формы.

Термопласты

Термопласты могут иметь аморфную или кристаллическую структуру.

В термопластах молекулы с длинной цепью существуют в форме линейных связей, но также связаны друг с другом вторичными силами Ван-дер-Ваальса (вторичными связями).

При достаточно высокой температуре возбуждения молекулярных цепочек достаточно, чтобы преодолеть эту связывающую силу, и они могут свободно перемещаться друг над другом, создавая вязкую жидкость. Можно предположить, что вторичные связи расплавились. Температуру стеклования (Tg) можно представить как температуру, при которой плавятся вторичные связи.

Когда полимер охлаждается, вторичные силы снова доминируют, и молекулярные цепи возвращаются в ограниченное состояние. Это означает, что термопласты можно плавить и переплавлять, что позволяет легко их перерабатывать.

Термореактивные элементы

В термореактивных пластиках длинноцепочечные молекулы существуют в аморфной сети с поперечными связями. Это означает, что длинные молекулярные цепи связаны друг с другом ковалентными связями. Образование этих поперечных связей известно как отверждение.

Сшивка устанавливает молекулярные цепи на место и, следовательно, означает, что термореактивный пластик не может быть переплавлен, а вместо этого будет разлагаться при нагревании до температуры выше Tg.

Сшивка препятствует расположению молекул в упорядоченную кристаллическую структуру, что означает, что термореактивные полимеры существуют только в аморфном состоянии.

Эластомеры

В эластомерах длинные молекулярные цепи существуют в форме аморфных линейных связей с периодическими поперечными связями.

При комнатной температуре уровень возбуждения цепей уже преодолел вторичные связи Ван-дер-Ваальса, однако поперечные связи, существующие в структуре, возвращают эластомер обратно в его исходную форму после деформации.

Полимеры

Полимеры

Типы полимеров

Дополнительные полимеры

Дополнительные полимеры, такие как полиэтилен, полипропилен, поли (винилхлорид) и полистирол бывают линейными или разветвленными полимеры с незначительной сшивкой или без нее. В результате они термопластические материалы, которые легко текут при нагревании и могут быть отформованы в различные формы.Структуры, названия и торговля названия некоторых распространенных аддитивных полимеров приведены в таблице. ниже.

Обычные аддитивные полимеры

Полиэтилен

Полиэтилен низкой плотности (LDPE) производится свободнорадикальным методом. полимеризация при высоких температурах (200С) и высоких давлениях (выше 1000 атм). Полимер высокой плотности (HDPE) получается с использованием катализа Циглера-Натта при температурах ниже 100 ° C и давление менее 100 атм.С каждым годом производится больше полиэтилена. год, чем любой другой пластик. Около 7800 миллионов фунтов низкой плотности и 4400 миллионов фунтов полиэтилена высокой плотности были проданы в 1980 году. Полиэтилен не имеет вкуса и запаха, легкий, нетоксичный и относительно недорогой. Он используется как пленка для упаковки продуктов питания, одежды и оборудования. Наиболее мешки для мусора, пакеты для сэндвичей и полиэтиленовая упаковка. из полиэтиленовых пленок. Полиэтилен также используется для все, от чехлов для сидений до бутылочек с молоком, ведер, сковородок и тарелки.

Полипропилен

Изотактический полипропилен производства Циглера-Натта, катализируемый полимеризация – это жесткий, термостойкий полимер с отличная устойчивость к нагрузкам, растрескиванию и химическим реакциям. Хотя он стоит больше фунта, чем полиэтилен, он намного дороже. сильнее. Таким образом, бутылки из полипропилена могут быть тоньше, содержат меньше полимера и стоят меньше, чем обычные полиэтиленовые изделия.Наиболее важное влияние полипропилена на Сегодняшний студент колледжа принимает форму пластиковой штабелируемой стульев, которыми изобилуют университетские городки.

Поли (тетрафторэтилен)

Тетрафторэтилен (CF 2 = CF 2 ) – газ который кипит при -76C и поэтому хранится в баллонах при высоких давление. В 1938 году Рой Планкетт получил цилиндр тетрафторэтилен, который не доставил столько газа, сколько должен имеют.Вместо того, чтобы вернуть цилиндр, он разрезал его ножовкой и обнаружил белый восковой порошок, который был первым политетрафторэтиленовый полимер. После значительных усилий был открыт менее случайный путь к этому полимеру, и политетрафторэтилен, или тефлон, стал коммерческим имеется в наличии.

Тефлон – замечательное вещество. Имеет лучшее сопротивление к химическому воздействию любого полимера, и его можно использовать в любых температура от -73C до 260C без влияния на его характеристики.Он также имеет очень низкий коэффициент трения. (В проще говоря, он имеет восковой или скользкий оттенок.) Даже такие «липкие» материалы, как резина, клеи, хлеб тесто и конфеты не будут насекомыми, которые прилипнут к тефлоновому покрытию поверхность. Тефлон настолько скользкий, что его даже разбрызгивают растения, так что они могут охотиться на растения.

Поли (винил) Хлорид) и поли (винилиденхлорид)

Хлор входит в первую десятку промышленных химикатов США более 20 миллиард фунтов производится ежегодно.Около 20% этого хлора используется для производства винилхлорида (CH 2 = CHCl) для производство поливинилхлорида или ПВХ. Хлор заместители в полимерной цепи делают ПВХ более огнестойким чем полиэтилен или полипропилен. Они также увеличивают силу притяжения между полимерными цепями, что увеличивает твердость пластика. Свойства ПВХ можно варьировать широкий ассортимент за счет добавления пластификаторов, стабилизаторов, наполнителей и красители, что делает ПВХ одним из самых универсальных пластиков.

Сополимер винилхлорида (CH 2 = CHCl) и винилиденхлорид (CH 2 = CCl 2 ) продается под торговой маркой Saran. Такое же увеличение силы притяжение между полимерными цепями, которое делает ПВХ тверже, чем полиэтилен придает тонким пленкам Сарана склонность к “цепляться.”

Акрил

Акриловая кислота – это общее название 2-пропеновой кислоты: CH 2 = CHCO 2 H.Акриловые волокна, такие как Orlon, получают путем полимеризации производное акриловой кислоты, известное как акрилонитрил.

Полиакрилонитрил

Другие акриловые полимеры получают полимеризацией сложного эфира эта кислота, например метилакрилат.

Поли (метилакрилат)

Одним из важнейших акриловых полимеров является полиметил метакрилат) или ПММА, который продается под торговыми названиями Люцит и оргстекло.

Поли (метилметакрилат), PMMA

PMMA – это легкий, кристально чистый стеклообразный полимер. в иллюминаторах самолетов, линзах задних фонарей и светильниках. Поскольку он твердый, устойчивый к солнечному свету и чрезвычайно прочный, ПММА также используется для изготовления отражателей между полосами движения. межгосударственных автомагистралей.

Необычная прозрачность ПММА делает этот полимер идеальным для жесткие контактные линзы.К сожалению, ПММА непроницаем для кислорода. и вода. Следовательно, кислород должен транспортироваться к роговице глаза в слезах, а затем прошли под контактные линзы каждый время моргает глаз. Мягкие пластиковые линзы, пропускающие кислород и вода производятся с использованием диметакрилата этиленгликоля для сшитый поли (2-гидроксиэтилметакрилат).

Поли (2-гидроксиэтилметакрилат)
Диметакрилат этиленгликоля

Интересный полимер можно получить путем сополимеризации смесь акриловой кислоты и натриевой соли акриловой кислоты.В Продукт этой реакции имеет следующую структуру.

Полиакрилат натрия

Разница между концентрацией ионов Na + внутри полимерной сетки и в растворе, в котором погруженный полимер создает осмотическое давление, которое притягивает вода в полимер. Количество жидкости, которое может впитаться зависит от ионной силы раствора общая концентрация положительных и отрицательных ионов в растворе.Этот полимер может впитывать в 800 раз больше собственного веса дистиллированной воды, но всего в 300 раз больше веса водопроводной воды. Поскольку ионный концентрация мочи эквивалентна 0,1 M NaCl раствор, этот сверхабсорбентный полимер, который можно найти в одноразовые подгузники, могут поглощать в 60 раз больше своего веса моча.

Конденсация Полимеры

Первый пластик (целлулоид) и первое искусственное волокно (Вискоза) производились из целлюлозы.Первым по-настоящему синтетическим пластиком стал бакелит, разработанный Лео. Бекланд между 1905 и 1914 годами. Начинается синтез бакелита. с реакцией между формальдегидом (H 2 CO) и фенол (C 6 H 5 OH) с образованием смеси орто – и п. -замещенные фенолы. При температурах выше 100C эти фенолы конденсируются с образованием полимера, в котором ароматические кольца соединены мостиком -CH 2 OCH 2 – или -CH 2 – тяги.Сшивка в этом полимере настолько обширен, что представляет собой термореактивный пластик. Когда-то это образовалась, любая попытка изменить форму этого пластика обречена до отказа.

Исследование начато Уоллесом Карозерсом и его коллегами из DuPont в 1920-х и 1930-х годах в конечном итоге привели к открытию семейства конденсационных полимеров, известных как полиамиды и полиэфиры. Полиамиды были получены взаимодействие диацилхлорида с диамином.

Полиэфиры были получены реакцией диацилхлорид со спиртом.

Изучая полиэфиры, Джулиан Хилл обнаружил, что может намотайте небольшое количество этого полимера на конец стержня для перемешивания и медленно вытащите его из раствора как шелковистое волокно. Один день, когда Карозерса не было в лаборатории, Хилл и его коллеги пытались чтобы узнать, какой длины можно сделать волокно, растягивая образец этот полимер, когда они бежали по коридору.Вскоре они поняли, что это игривое упражнение ориентировало молекулы полимера в два размеры и произвел новый материал с превосходными свойствами. Затем они попробовали то же самое с одним из полиамидов и произвела образец того, что стало первым синтетическим волокном: нейлон .

Этот процесс можно продемонстрировать, осторожно налив раствор гексаметилендиамина в воде поверх раствора адипоилхлорид в CH 2 Cl 2 .

На границе раздела между ними образуется тонкая пленка полимера. две фазы. Взяв эту пленку пинцетом, мы можем вытяните из раствора непрерывную нейлоновую нить. Продукт этой реакции известен как нейлон 6,6, потому что полимер образованный из диамина, который имеет шесть атомов углерода и производное дикарбоновой кислоты, имеющей шесть атомов углерода.

Эффект от вытягивания полимера пинцетом очень велик. подобно растяжению эластомера, молекулы полимера становятся ориентирована в двух измерениях.Почему не молекулы полимера вернуться к своей первоначальной форме, когда мы перестанем тянуть? В разделе P.3 говорилось, что полимеры эластичны. когда нет сильной силы притяжения между полимером цепи. Полиамиды и полиэфиры образуют прочные водородные связи. между полимерными цепями, которые удерживают молекулы полимера ориентированы, как показано на рисунке ниже.

Первые полиэфирные волокна были получены в результате реакции этилена. гликоль и терефталевая кислота или один из ее эфиров, чтобы дать полиэтилентерефталат).Этот полимер до сих пор используется для изготовления тонкие пленки (майлар) и текстильные волокна (дакрон и фортрел).

Фосген (COCl 2 ) реагирует со спиртами с образованием сложных эфиров, аналогичных тем, которые образуются, когда ацил хлориды реагируют со спиртами.

Продукт этой реакции называется карбонатным эфиром поскольку это диэфир угольной кислоты, H 2 CO 3 . Поликарбонаты производятся, когда один из этих сложные эфиры реагируют с соответствующим спиртом, как показано на рисунке ниже. Поликарбонат, показанный на этом рисунке, известен как Lexan. Он обладает очень высокой устойчивостью к ударам и используется в целях безопасности. стекла, пуленепробиваемые окна и мотоциклетные шлемы.

Структура и названия некоторых распространенных конденсационных полимеров приведены в таблице ниже.

Обычные конденсационные полимеры

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 резина 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 резины 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.


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.
Чтобы использовать это устройство, щелкните здесь.

Известно много полимерных материалов, имеющих цепочечную структуру, подобную полиэтилену. Полимеры, образованные прямым соединением вместе мономерных звеньев без потери или увеличения количества материала, называются полимерами присоединения или полимерами роста цепи . Список некоторых важных аддитивных полимеров и их предшественников мономеров представлен в следующей таблице.

Некоторые обычные аддитивные полимеры

Имя (я)

Формула

Мономер

Свойства

Использует

Полиэтилен 8 –
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 		9034 0 атактический : мягкий, эластичный твердый
изотактический : твердый, прочный твердый		 аналогичный LDPE
ковер, обивка
Поли (винилхлорид)
(ПВХ)		 – (CH 2 – CHCl) n – винилхлорид
CH 2 = CHCl		 прочный твердый массив трубы, сайдинг, пол
Поли (винилиденхлорид)
(Saran A)		 – (CH 2 -CCl 2 ) n – винилиденхлорид
CH 2 = CCl 2 		плотные, тугоплавкие твердые 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 0145		 игрушки, шкафы
упаковка (вспененная)
Полиакрилонитрил
(PAN, Orlon, Acrilan)		 – (CH 2 -CHCN) n – CH900CN тугоплавкое твердое вещество
, растворимое в органических растворителях		 коврики, одеяла
одежда
Политетрафторэтилен
(PTFE, тефлон)		 – (CF 2 -CF

97 n 2

– (CF 2 -CF

97 n 2

) ) 		тетрафторэтилен
CF 2 = CF 2 		устойчивые, гладкие сплошные антипригарные поверхности
электроизоляция
Поли (метилметакрилат)
(PMMA, Lucite, Plexiglas		 – [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 2 -CH = C (CH 2 -CH = C (CH 2 -CH = C) 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 ему можно придавать 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 при воздействии 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. В неполярных органических веществах он набухает более чем в два раза. 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 виде хлопка представляет собой 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 морфологию каждого вещества. Поскольку молекулы полимера 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 тело может быть аморфным, целиком 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) межцепочечное связывание

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 полученный материал, хотя и относительно прочный и жесткий, сохраняет определенную гибкость. Напротив, ПЭНП состоит из более мелких и более разветвленных цепей, которые не легко принимают кристаллическую структуру. Таким образом, этот материал мягче, слабее, менее плотен и легче 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, называемый вулканизацией , который был открыт Чарльзом Гудиером в 1839 году, значительно улучшит желаемые эластомерные свойства каучука. 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 расплава , 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 – температура, ниже которой аморфные домены теряют структурную подвижность полимерных цепей и становятся жесткими стеклами.

T г часто зависит от истории образца, особенно от предыдущей термообработки, механических манипуляций и отжига.Иногда ее интерпретируют как температуру, выше которой значительные участки полимерных цепей могут скользить друг мимо 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 г (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 компонентов 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

LDPE

HDPE

PP

PVC

PS44

PS44

4 902 90

PS44

Резина

T м (ºC)

 110 130 175 180 175> 200 330 180 30

T г (ºC)

 _ 110 _ 100 95 _ 110 105 _ 70

Каучук входит в важную группу 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 стеклообразными твердыми телами и теряют всю эластичность. Трагический пример этого – катастрофа космического корабля “Челленджер”.Термостойкие и химически стойкие уплотнительные кольца, используемые для уплотнения секций твердотопливных ракет-носителей, имели, к сожалению, высокий T g , близкий к 0 ºC. Неожиданно низкие температуры утром в день запуска были ниже T g , что позволило горячим ракетным газам выйти из уплотнений.

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 по принципу “голова к хвосту”, время от времени возникая некоторая случайность. 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 обычные и полезные полимеры, такие как полистирол, полиакрилонитрил и поливинилхлорид, являются атактическими, как и обычно.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

PP g

5

9 синдик ºC		 0 ºC –8 ºC

PMMA

 100 ºC 130 ºC 120 ºC

Свойства полимера будут значительно варьироваться в зависимости от его свойств.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 ступенчатым образом с участием реакционноспособных промежуточных продуктов, и это механизм, которому следует большинство полимеризаций. Общая диаграмма, иллюстрирующая эту сборку линейных макромолекул, которая поддерживает название полимеры роста цепи , представлена ​​здесь. 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 ингибиторов радикалов, 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 “голова-к-хвосту” в большинстве аддитивных полимеризаций 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 Радикальная комбинация и Диспропорционирование .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 образования линейных макромолекул, называется передачей цепи . Как следует из названия, эта реакция перемещает углеродный радикал из одного места в другое за счет межмолекулярного или внутримолекулярного переноса атома водорода (окрашен 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 = _ 70 ° 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 катионостабилизирующие 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,г. 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 регулярным чередованием, 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 ~ BBB ~ BBB ~ .

Привитые сополимеры

Как следует из названия, боковые цепи данного мономера присоединены к основной цепи второго мономера: ~ AAAAAAA (BBBBBBB ~) AAAAAAA (BBBB ~) AAA 903

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 регулировать 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.

4 H

9097 2

C = CHCl

4 H

2 9009 C = CHCl
Некоторые полезные сополимеры

Мономер A

Мономер B

Сополимер

Использует

H 2 C = CHCl H

2 9001 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 Нитрил-каучук клея
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 Витон прокладки

Тройной сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, называемый АБС-каучуком, используется для изготовления ударопрочных емкостей, 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. При анионной полимеризации стирола, описанной выше, реактивный центр остается на конце цепи до тех пор, пока она не будет погашена. Незакаленный 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 в результате процессов 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 полимеров конденсации, 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 включают водородные связи и, следовательно, кристалличность и прочность на разрыв. Следующие 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 – это 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 произвольно 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.
Если щелкнуть следующую диаграмму, изображение этих изменений будет переключаться из одной крайности в другую. Эту обработку холодной вытяжкой можно также использовать для обработки полимерных пленок (например, майлара и сарана), а также волокон.

Поступенчатая 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.


2.Термореактивные и термопластичные полимеры

Большинство описанных выше полимеров относятся к классу термопластов .Это отражает тот факт, что выше T g им можно придавать форму или прессовать в формы, формовать или отливать из расплава 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 лигнин, 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 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, лучшим названием, вероятно, является пластиковая эра .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 пластиками, 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 большая часть того, что вы видите вокруг, – это пластик. 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, является зоной 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 детеныши легко принимаются за икру рыб существами, которые очень хотели бы 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, убирать мусорное пятно – нереальный вариант, и, если мы не изменим наши привычки по утилизации и переработке мусора, он, несомненно, станет больше. Одно разумное решение 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 снижения требований к захоронению отходов при рекуперации энергии.Однако это зависит от использования соответствующих материалов. Неадекватный контроль горения, особенно 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.

9014 9014 поливинилхлорид 9014 поливинилхлорид 950 PS
PETE HDPE V LDPE
полиэтилен
терефталат		 высокоплотный
полиэтилен		 9015 9015 9015 9015 ДРУГИЕ
полипропилен полистирол полиэфиры, акрил
полиамиды, тефлон и т. Д.

Несмотря на использование символа рециркуляции при кодировании пластмасс, потребители не понимают, какие пластики можно легко перерабатывать. В большинстве сообществ по всей территории Соединенных Штатов ПЭТЭ и ПЭВП – единственные пластмассы, собираемые в рамках муниципальных программ утилизации. Однако некоторые регионы расширяют ассортимент собираемых пластмасс 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 меньшую плотность, чем твердый материал.

Плотность типичных пластмасс
PE и PP ABS и SAN
и нейлон		 PMM и акрил
и поликарбонаты
9 PETE и PVC90-0,99 1,05-1,09 1,10-1,25 1,3-1,6
PE = полиэтилен и PP = полипропилен
ABS = сополимер акрилонитрил-бутадиен-стирол
SriAN = акрилонитрил-бутадиен-стирольный сополимер
SriAN = PMM = полиметилметакрилат
PETE = полиэтилентерефталат
PVC = поливинилхлорид (жесткий)

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 ПЭТЭ, 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 представляют собой сополимеры с полигидроксибутиратом (PHB). Структуры этих полимеров и их предшественников мономеров показаны ниже.

PLA на самом деле является полимером молочной кислоты, но димерный лактид используется в качестве предшественника, чтобы избежать образования воды, которая могла бы образоваться 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, как и большинство термопластов, можно перерабатывать 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, изменяется состав питательных веществ, 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 искусственная 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) продуцируется 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.

Свойства некоторых полимеров
Полимер T м ºC T г ºC% Кристалличность Прочность на растяжение
Прочность
P (3HB) 179 P (4HB) 53-47 53 100
сополимер
3HB-20% 3HV		 145-1 50 32 9144 Полимер
3HB-7% 3HD
133-8> 50 17
изотактический ПП 176 0> 50 4014-100 10
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 при случайном выбрасывании после использования, как это часто бывает.

Узнайте, что такое полимеры и основные типы

Знаете ли вы , что такое полимеры ? Эти соединения, которые считаются наиболее распространенными материалами в пластмассовой промышленности, представляют собой элементы, образованные из более мелких структур, называемых мономерами.

Мономеры – это молекулы с низкой молекулярной массой, которые после прохождения процесса полимеризации образуют полимерную макромолекулу.Они также связываются друг с другом с помощью простых ковалентов, которые являются единицами, повторяющимися в полимере.

Этот процесс образования полимера называется полимеризацией, и его степень относится к количеству простых сканирований, доступных в полимерной цепи. Именно с помощью этой процедуры создаются несколько типов соединений.

Несмотря на то, что на рынке компаундов существует множество применений, полимеры не являются изобретением человека. Даже натуральные варианты, такие как кожа, шерсть и дерево, присутствуют в нескольких сегментах.Следите за блогом Polyexcel, чтобы узнать больше о полимерах.

Виды полимеров

Существует несколько типов полимеров . Среди основных – природные, синтетические, аддитивные, конденсационные и перегруппированные. Для получения более подробной информации о каждом из них ознакомьтесь с описанием ниже!

Полимеры природные

Натуральные полимеры – это все природные полимеры. Среди основных примеров – каучук, полисахариды, крахмал, гликоген и белки.

Синтетические полимеры

Синтетические или искусственные полимеры производятся в лаборатории и обычно содержат ингредиенты, полученные из нефти. Наиболее известными примерами этого варианта являются: полистирол, метилполиметакрилат (акрил), полипропилен, полиэтилен и поливинилхлорид (ПВХ).

Из этой классификации полимеров становится возможным производство различных продуктов, таких как гидравлические трубы, полиэтиленовые пакеты, строительные материалы, шины, пластиковая упаковка, среди прочего.

Аддитивные полимеры

Это соединение получают путем последовательного добавления мономеров. В качестве примеров этих полимеров мы имеем полисахариды, которые образованы мономерами моносахаридов, и белки, которые производятся мономерами аминокислот.

Конденсирующие полимеры

Конденсирующиеся полимеры получают путем добавления двух разных мономеров с удалением молекулы кислоты, спирта или воды в процессе полимеризации.

Полимеры перегруппировки

Полимеры с перегруппировкой являются результатом реакции между мономерами, которые подвергаются перегруппировке, и их химическими структурами в процессе полимеризации. Пример тому – полиуретан.

Биоразлагаемые полимеры

Наконец, биоразлагаемые полимеры разлагаются на биомассу, воду и углекислый газ в результате действия ферментов или живых организмов. При благоприятных условиях они могут разложиться за несколько недель.

Как и предыдущие варианты, эти составы могут быть синтетическими или натуральными. Свойства биоразлагаемых полимеров получены из следующих источников:

  • Возобновляемые источники энергии растительного происхождения, такие как целлюлоза, кукуруза и сахарный тростник;
  • синтезируется бактериями;
  • Ископаемые источники, такие как нефть,
  • Получено из животных источников, таких как белки, хитин и хитозан.

Применение данных составов производится при производстве пакетов, пищевой упаковки, потребительских товаров и опций для сельского хозяйства.Благодаря процессу биоразложения эти полимеры помогают предотвратить накопление мусора и, как следствие, загрязнение.

Классификация пластмасс

Что общего у натуральных и синтетических полимеров , так это то, что оба они могут быть классифицированы как термопласты, то есть как материал, который можно модифицировать. Легко податливые, они используются в производстве волокон, пленок и упаковки. Кроме того, они подлежат вторичной переработке.

Но это еще не все, так как они также могут быть термостойкими или термореактивными, то есть когда трехмерная структура является жесткой с поперечными связями.По этой причине его формат изменить нельзя. Эта особенность делает эти составы идеальными для создания жестких и прочных конструкций, таких как детали автомобилей.

Познакомьтесь с полимерами Polyexcel!

После того, как вы узнаете, что такое полимеры, как насчет получения более подробной информации о характеристиках каждого из них? На веб-сайте Polyexcel можно запросить полный технический паспорт всех продуктов. Для этого просто заполните форму на странице «контакты».

Если вы хотите узнать больше о полимерах и новостях отрасли, продолжайте следить за блогом Polyexcel. Здесь мы всегда приводим подробную информацию о соединениях, управлении, логистике и многом другом. Подписывайтесь на нас!

Основы: определение и свойства полимеров

Если вам нужна основная информация о пластиковых материалах, это то место, где ее можно найти. Здесь вы узнаете определение и свойства полимеров – еще одно название пластмасс.

Самое простое определение полимера – это полезное химическое вещество, состоящее из множества повторяющихся единиц.Полимер может быть трехмерной сетью (подумайте о повторяющихся единицах, связанных вместе слева и справа, спереди и сзади, вверх и вниз) или двумерной сетью (подумайте о повторяющихся единицах, связанных вместе слева, справа, вверх и вниз в лист) или одномерная сеть (подумайте о повторяющихся единицах, связанных слева и справа в цепочке). Каждая повторяющаяся единица – это «-мер» или основная единица, причем «полимер» означает множество повторяющихся единиц. Повторяющиеся элементы часто состоят из углерода и водорода, а иногда и из кислорода, азота, серы, хлора, фтора, фосфора и кремния.Чтобы создать цепь, многие звенья или «-меры» химически связаны или полимеризуются вместе. Соединение бесчисленных полос плотной бумаги вместе, чтобы сделать бумажные гирлянды, или соединение сотен скрепок, чтобы сформировать цепочки, или нанизывание бусинок помогает визуализировать полимеры. Полимеры встречаются в природе и могут быть изготовлены для удовлетворения конкретных потребностей. Промышленные полимеры могут представлять собой трехмерные сети, которые после образования не плавятся. Такие сети называются полимерами THERMOSET. Эпоксидные смолы, используемые в двухкомпонентных клеях, представляют собой термореактивные пластмассы.Промышленные полимеры также могут быть одномерными цепями, которые можно плавить. Эти цепи представляют собой ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ полимеры, также называемые ЛИНЕЙНЫМИ полимерами. Пластиковые бутылки, пленки, чашки и волокна – это термопласты.

В природе много полимеров. Основными природными полимерами являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), определяющие жизнь. Шелк, волосы и рог паука – это белковые полимеры. Крахмал может быть полимером, как и целлюлоза в древесине. Латекс каучукового дерева и целлюлоза использовались в качестве сырья для производства полимерной резины и пластмасс.Первым синтетическим пластиком был бакелит, созданный в 1909 году для корпусов телефонов и электрических компонентов. Первым полимерным волокном, изготовленным из целлюлозы, в 1910 году был вискоз. Нейлон был изобретен в 1935 году, когда искали синтетический паучий шелк.

Структура полимеров

Многие обычные классы полимеров состоят из углеводородов, соединений углерода и водорода. Эти полимеры специально состоят из атомов углерода, связанных друг с другом в длинные цепи, которые называются основной цепью полимера.Из-за природы углерода один или несколько других атомов могут быть присоединены к каждому атому углерода в основной цепи. Есть полимеры, которые содержат только атомы углерода и водорода. Полиэтилен, полипропилен, полибутилен, полистирол и полиметилпентен являются их примерами. Поливинилхлорид (ПВХ) содержит хлор, связанный с углеродной основой. Тефлон имеет фтор, прикрепленный к углеродной основе.

Другие распространенные производимые полимеры имеют скелеты, которые содержат элементы, отличные от углерода.Нейлоны содержат атомы азота в повторяющейся единичной основной цепи. Полиэфиры и поликарбонаты содержат кислород в позвоночнике. Есть также некоторые полимеры, которые вместо углеродной основы имеют кремниевую или фосфорную основу. Они считаются неорганическими полимерами. Один из наиболее известных полимеров на основе силикона – Silly Putty ® .

Молекулярное расположение полимеров

Подумайте, как макароны с лапшой выглядят на тарелке. Это похоже на то, как могут быть организованы линейные полимеры, если они не имеют определенного порядка или являются аморфными.Контроль процесса полимеризации и гашение расплавленных полимеров может привести к аморфной организации. Аморфное расположение молекул не имеет дальнего порядка или формы, в которой располагаются полимерные цепи. Аморфные полимеры обычно прозрачны. Это важная характеристика для многих приложений, таких как пищевая упаковка, пластиковые окна, линзы для фар и контактные линзы.

Очевидно, не все полимеры прозрачны. Полимерные цепи в полупрозрачных и непрозрачных объектах могут иметь кристаллическую структуру.По определению, кристаллическая структура имеет атомы, ионы или, в данном случае, молекулы, расположенные в виде различных структур. Обычно вы думаете о кристаллических структурах поваренной соли и драгоценных камней, но они могут встречаться и в пластмассах. Подобно тому, как закалка может привести к образованию аморфных структур, обработка может контролировать степень кристалличности тех полимеров, которые способны кристаллизоваться. Некоторые полимеры никогда не кристаллизуются. Другие предназначены для кристаллизации. Обычно чем выше степень кристалличности, тем меньше света может проходить через полимер.Следовательно, степень прозрачности или непрозрачности полимера может напрямую зависеть от его кристалличности. Кристалличность дает преимущества в прочности, жесткости, химической стойкости и стабильности.

Ученые и инженеры всегда производят более полезные материалы, манипулируя молекулярной структурой, которая влияет на получаемый конечный полимер. Производители и переработчики вводят в базовые полимеры различные наполнители, армирующие элементы и добавки, расширяя возможности продукта.

Характеристики полимеров

Большинство производимых полимеров являются термопластичными, что означает, что после образования полимера его можно нагревать и преобразовывать снова и снова. Это свойство облегчает переработку и переработку. Другая группа, термореактивные, не подлежит переплавке. После образования этих полимеров повторный нагрев приведет к окончательному разложению материала, но не к расплавлению.

Каждый полимер имеет очень разные характеристики, но большинство полимеров имеют следующие общие характеристики.

  1. Полимеры могут быть очень устойчивы к химическим веществам. Учтите, что в вашем доме все чистящие жидкости упакованы в пластик. Чтение предупреждающих этикеток, описывающих, что происходит, когда химическое вещество попадает в контакт с кожей, глазами или проглатывается, подчеркнет необходимость химической стойкости пластиковой упаковки. В то время как растворители легко растворяют некоторые пластмассы, другие пластмассы обеспечивают безопасную, небьющуюся упаковку для агрессивных растворителей.

  2. Полимеры могут быть как теплоизоляционными, так и электроизоляционными. Прогулка по вашему дому укрепит эту концепцию, поскольку вы рассматриваете все приборы, шнуры, электрические розетки и проводку, которые сделаны или покрыты полимерными материалами. Термостойкость очевидна на кухне с ручками для кастрюль и сковородок из полимеров, ручками для кофейников, пенопластом холодильников и морозильников, изолированными чашками, холодильниками и посудой для микроволновой печи.Термобелье, которое носят многие лыжники, изготовлено из полипропилена, а наполнитель зимних курток – из акрила и полиэстера.

  3. Обычно полимеры очень легкие по весу и обладают значительной прочностью. Рассмотрим диапазон применения: от игрушек до каркаса космических станций или от тонкого нейлонового волокна в колготках до кевлара, который используется в пуленепробиваемых жилетах.Некоторые полимеры плавают в воде, а другие тонут. Но по сравнению с плотностью камня, бетона, стали, меди или алюминия все пластмассы являются легкими материалами.

  4. Полимеры можно обрабатывать различными способами. Экструзия позволяет производить тонкие волокна или тяжелые трубы, пленки или пищевые бутылки. Литье под давлением позволяет производить очень сложные детали или большие панели кузова автомобиля. Пластмассы можно формовать в барабаны или смешивать с растворителями, чтобы получить клеи или краски.Эластомеры и некоторые пластмассы растягиваются и очень эластичны. Некоторые пластмассы, например, бутылки для безалкогольных напитков, при обработке растягиваются, чтобы сохранить свою форму. Другие полимеры могут быть вспенены, например полистирол (Styrofoam ™), полиуретан и полиэтилен.

  5. Полимеры – это материалы с неограниченным диапазоном характеристик и цветов. Полимеры обладают множеством неотъемлемых свойств, которые могут быть дополнительно улучшены широким спектром добавок для расширения сферы их применения и применения.Полимеры могут имитировать волокна хлопка, шелка и шерсти; фарфор и мрамор; а также алюминий и цинк. Из полимеров также можно получить продукты, которые не всегда можно получить из мира природы, например прозрачные листы и гибкие пленки.

  6. Полимеры обычно производятся из нефти, но не всегда. Многие полимеры состоят из повторяющихся элементов, полученных из природного газа, угля или сырой нефти.Но повторяющиеся единицы строительных блоков иногда могут быть сделаны из возобновляемых материалов, таких как полимолочная кислота из кукурузы или целлюлоза из хлопкового пуха. Некоторые пластмассы всегда изготавливались из возобновляемых материалов, таких как ацетат целлюлозы, используемый для рукояток отверток и подарочной ленты. Когда строительные блоки могут быть более экономичными из возобновляемых материалов, чем из ископаемого топлива, либо старые пластмассы находят новое сырье, либо вводятся новые пластмассы.

  7. Полимеры можно использовать для изготовления изделий, которые не имеют альтернативы из других материалов. Из полимеров можно получать прозрачные водонепроницаемые пленки. ПВХ используется для изготовления медицинских трубок и пакетов для крови, которые продлевают срок хранения крови и продуктов крови. ПВХ безопасно доставляет воспламеняющийся кислород по негорючим гибким трубкам. А антитромбогенный материал, такой как гепарин, может быть включен в гибкие катетеры из ПВХ для операций на открытом сердце, диализа и сбора крови. Многие медицинские устройства полагаются на полимеры для обеспечения эффективного функционирования.

Управление твердыми отходами

Обращаясь ко всем превосходным свойствам полимеров, не менее важно обсудить некоторые проблемы, связанные с материалами.Большинство пластмасс разрушаются при ярком солнечном свете, но никогда полностью не разлагаются при захоронении на свалках. Однако другие материалы, такие как стекло, бумага или алюминий, также не разлагаются на свалках. Однако некоторые биопластики разлагаются до углекислого газа и воды ТОЛЬКО на специально разработанных предприятиях по компостированию пищевых отходов. Они не разлагаются при других обстоятельствах.

Для 2005 1 , согласно оценке EPA твердых бытовых отходов перед переработкой в ​​США, пластмассы составили 11.8 процентов нашего мусора по весу по сравнению с бумагой, которая составляла 34,2 процента. Стекло и металлы составили 12,8 процента по весу. А дворовая обрезка составила 13,1 процента от массы твердых бытовых отходов. Пищевые отходы составили 11,9 процента твердых бытовых отходов. Характеристики, которые делают полимеры такими привлекательными и полезными, легкие и практически безграничные физические формы многих полимеров, разработанных для обеспечения определенного внешнего вида и функциональности, делают вторичную переработку после потребителя сложной задачей. Когда можно собрать достаточное количество использованных пластиковых предметов, компании разрабатывают технологию переработки использованного пластика.Уровень переработки всех пластмасс не так высок, как хотелось бы. Но уровень рециркуляции 1170 000 000 фунтов бутылок из полиэстера, 23,1%, переработанных в 2005 г., и 953 000 000 фунтов бутылок из полиэтилена высокой плотности, 28,8%, переработанных в 2005 г., показывает, что при наличии критической массы определенного материала рециркуляция может стать серьезной проблемой. коммерческий успех 2 .

Заявки на переработку пластмасс растут с каждым днем. Переработанный пластик можно смешивать с первичным пластиком (пластиком, который ранее не обрабатывался) без ущерба для свойств во многих областях применения.Из переработанного пластика делают полимерную древесину для использования в столах для пикника, заборах и на открытых игровых площадках, что обеспечивает низкие эксплуатационные расходы, отсутствие сколов и экономию натуральной древесины. Пластик из бутылок с безалкогольными напитками и водой может быть превращен в волокно для производства ковров или из новых бутылок для еды. Переработка по замкнутому циклу действительно имеет место, но иногда наиболее ценное использование переработанного пластика – это применение, отличное от первоначального.

Вариант для пластмасс, которые не перерабатываются, особенно загрязненных, таких как использованная пищевая пленка или подгузники, может быть системой преобразования отходов в энергию (WTE).В 2005 году 13,6% твердых бытовых отходов США было переработано в системах WTE 1 . Когда местные жители решают использовать системы переработки отходов в энергию для управления твердыми отходами, пластик может стать полезным компонентом.

Контролируемое горение полимеров производит тепловую энергию. Тепловая энергия, производимая при сжигании пластиковых муниципальных отходов, не только может быть преобразована в электрическую, но также помогает сжигать мокрый мусор, который присутствует. Бумага также выделяет тепло при горении, но не так сильно, как пластик.С другой стороны, стекло, алюминий и другие металлы не выделяют энергии при горении.

Чтобы лучше понять процесс сжигания, рассмотрим дым, исходящий от горящего предмета. Если зажечь дым зажженной пропановой горелкой, можно увидеть, что дым исчезает. Это упражнение показывает, что побочные продукты неполного сгорания все еще горючие. Правильное сжигание сжигает материал и побочные продукты первоначального сжигания, а также заботится об атмосферных выбросах и твердых выбросах для обеспечения общественной безопасности.

Некоторые пластмассы могут быть переработаны в компост либо из-за специальных добавок, либо из-за структуры полимеров. Компостируемые пластмассы часто требуют более интенсивных условий для разложения, чем компостные кучи на заднем дворе. Для компостируемых пластиков рекомендуются коммерческие компостеры. В 2005 г. 1 компостированием было переработано 8,4% твердых бытовых отходов США.

Пластмассы также можно безопасно засыпать на сушу, хотя ценный энергетический ресурс пластмасс в этом случае будет утерян для переработки или улавливания энергии.В 2005 г. 1 54,3% твердых бытовых отходов в США были захоронены. Пластмассы используются для облицовки свалок, чтобы улавливать фильтрат и не загрязнять грунтовые воды. Не разлагающийся пластик помогает стабилизировать почву, так что после закрытия свалки земля может быть достаточно стабильной, чтобы иметь возможность использовать ее в будущем.

Полимеры влияют на каждый день нашей жизни. У этих материалов так много разнообразных характеристик и применений, что их полезность может быть измерена только нашим воображением.Полимеры – это материалы прошлых, настоящих и будущих поколений.

1 Агентство по охране окружающей среды США, «Твердые бытовые отходы в США, 2005 г. Факты и цифры», EPA530-R-06-011, октябрь 2006 г.
2 Американский химический совет, «2005 г. Отчет об утилизации бутылок »

Объяснитель: Что такое полимеры? | Новости науки для студентов

аминокислот Простые молекулы, которые естественным образом встречаются в тканях растений и животных и являются основными строительными блоками белков.

анатомия (прил. Анатомический) Исследование органов и тканей животных. Или характеристика тела или частей тела на основе их структуры и тканей. Ученые, работающие в этой области, известны как анатомы.

атом Основная единица химического элемента. Атомы состоят из плотного ядра, которое содержит положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны. Ядро вращается вокруг облака отрицательно заряженных электронов.

связь (в химии) Полупостоянное соединение между атомами – или группами атомов – в молекуле. Он образован силой притяжения между участвующими атомами. После соединения атомы будут работать как единое целое. Чтобы разделить составляющие атомы, молекуле необходимо подвести энергию в виде тепла или другого типа излучения.

углерод Химический элемент с атомным номером 6. Это физическая основа всей жизни на Земле. Углерод существует в свободном виде в виде графита и алмаза.Это важная часть угля, известняка и нефти, и она способна химически самосвязываться с образованием огромного количества химически, биологически и коммерчески важных молекул.

клетка Наименьшая структурная и функциональная единица организма. Обычно он слишком мал, чтобы увидеть невооруженным глазом, он состоит из водянистой жидкости, окруженной мембраной или стенкой. В зависимости от размера животные состоят из тысяч или триллионов клеток. Большинство организмов, таких как дрожжи, плесень, бактерии и некоторые водоросли, состоят только из одной клетки.

целлюлоза Тип волокна, обнаруженный в стенках растительных клеток. Он образован цепочками молекул глюкозы.

химический Вещество, состоящее из двух или более атомов, которые объединяются (связываются) в фиксированной пропорции и структуре. Например, вода – это химическое вещество, которое образуется, когда два атома водорода связываются с одним атомом кислорода. Его химическая формула – H 2 O. Химический также может быть прилагательным для описания свойств материалов, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.

химические связи Силы притяжения между атомами, достаточно сильные, чтобы связанные элементы функционировали как единое целое. Некоторые силы притяжения слабые, некоторые очень сильные. Кажется, что все связи связывают атомы посредством совместного использования или попытки совместного использования электронов.

компонент Что-то, что является частью чего-то еще (например, кусочки, которые помещаются на электронной плате, или ингредиенты, которые входят в рецепт печенья).

соединение (часто используется как синоним химического) Соединение – это вещество, образующееся, когда два или более химических элемента объединяются (связываются) в фиксированных пропорциях.Например, вода – это соединение, состоящее из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Его химический символ – H 2 O.

.

кристалл (прил. Кристаллический) Твердое тело, состоящее из симметричного, упорядоченного, трехмерного расположения атомов или молекул. Это организованная структура, присущая большинству минералов. Например, апатит образует шестигранные кристаллы. Минеральные кристаллы, из которых состоят горные породы, обычно слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.

растворить Превратить твердое вещество в жидкость и диспергировать его в исходной жидкости.(Например, кристаллы сахара или соли, которые являются твердыми веществами, растворятся в воде. Теперь кристаллы исчезли, и раствор представляет собой полностью диспергированную смесь жидкой формы сахара или соли в воде.)

ДНК (сокращение от дезоксирибонуклеиновой кислоты) Длинная, двухцепочечная и спиралевидная молекула внутри большинства живых клеток, несущая генетические инструкции. Он построен на основе атомов фосфора, кислорода и углерода. Эти инструкции сообщают клеткам, какие молекулы должны образовывать все живые существа, от растений и животных до микробов.

элемент (в химии) Каждое из более чем ста веществ, для которых наименьшей единицей является отдельный атом. Примеры включают водород, кислород, углерод, литий и уран.

глюкоза Простой сахар, который является важным источником энергии в живых организмах. Как источник энергии, перемещающийся по кровотоку, он известен как «сахар в крови». Это половина молекулы, из которой состоит столовый сахар (также известный как сахароза).

кератин Белок, из которого состоят волосы, ногти и кожа.

смазка Вещество, используемое для уменьшения трения между контактирующими друг с другом поверхностями.

макромолекула Молекула, содержащая большое количество атомов. (Префикс macro происходит от греческого языка и означает «большой» или «длинный».) Полимеры, включая природные белки (например, ДНК) и искусственные материалы (например, нейлон и полиэфир), являются примерами макромолекул.

материаловед Человек, изучающий способы, которыми атомная и молекулярная структура материала соотносится с его общими свойствами.Материаловеды могут создавать новые материалы или анализировать существующие. Их анализ общих свойств материала (таких как плотность, прочность и температура плавления) может помочь инженерам и другим исследователям выбрать материалы, которые лучше всего подходят для нового применения.

молекула Электрически нейтральная группа атомов, представляющая минимально возможное количество химического соединения. Молекулы могут состоять из атомов одного или разных типов. Например, кислород в воздухе состоит из двух атомов кислорода (O 2 ), а вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (H 2 O).

мономер Молекула, которая используется в качестве основного строительного блока некоторых более крупных молекул, известных как полимеры. С греческого языка мономер означает «одна часть». (Полимер, также с греческого, означает «много частей».)

сеть Группа взаимосвязанных людей или вещей.

азот Бесцветный, неактивный газообразный элемент без запаха, который составляет около 78 процентов атмосферы Земли. Его научный символ – N. Азот выделяется в виде оксидов азота при горении ископаемого топлива.

нейлон Шелковистый материал, состоящий из длинных синтетических молекул, называемых полимерами. Это длинные цепочки атомов, связанных вместе.

кислород Газ, составляющий около 21 процента атмосферы Земли. Все животные и многие микроорганизмы нуждаются в кислороде для своего роста (и обмена веществ).

подвесная группа (в химии) Группа атомов, которые свисают с основных звеньев полимера (тип цепной молекулы).Такие боковые группы атомов (а также любые отдельные атомы, которые могут быть присоединены к полимеру) часто определяют, как полимер взаимодействует с другими веществами в его окружении.

пластик Любой из легко деформируемых материалов; или синтетические материалы, которые были изготовлены из полимеров (длинных цепочек некоторых строительных блоков), которые имеют тенденцию быть легкими, недорогими и устойчивыми к разложению.

пластификатор Любой из нескольких химикатов, добавляемых к определенным синтетическим материалам, чтобы сделать их мягкими и / или податливыми.

полиэстер Синтетический материал, используемый в основном для изготовления тканей. Фактическое химическое название используемого материала – полиэтилентерефталат.

полимер Вещество, состоящее из длинных цепочек повторяющихся групп атомов. Промышленные полимеры включают нейлон, поливинилхлорид (более известный как ПВХ) и многие виды пластмасс. Природные полимеры включают каучук, шелк и целлюлозу (например, они содержатся в растениях и используются для изготовления бумаги).

поливинилхлорид (ПВХ) Пластмасса, образованная при нагревании для превращения жидкой смолы в твердую.Пластик может быть мягким и гибким или жестким и твердым. Сырье состоит в основном из хлора и углерода.

белок Соединение, состоящее из одной или нескольких длинных цепочек аминокислот. Белки – неотъемлемая часть всех живых организмов. Они составляют основу живых клеток, мышц и тканей; они также выполняют работу внутри клеток. Среди наиболее известных автономных белков – гемоглобин (в крови) и антитела (также в крови), которые пытаются бороться с инфекциями.Лекарства часто работают, удерживая белки.

сопротивление (в физике) То, что не дает физическому материалу (например, деревянному блоку, потоку воды или воздуха) свободно перемещаться, обычно потому, что оно создает трение, препятствующее его движению.

кремний Неметаллический полупроводниковый элемент, используемый для создания электронных схем. Чистый кремний существует в блестящей темно-серой кристаллической форме и в виде бесформенного порошка.

силикон Термостойкие вещества, которые можно использовать по-разному, включая резиноподобные материалы, обеспечивающие водонепроницаемое уплотнение вокруг окон и в аквариумах.Некоторые силиконы служат в качестве консистентных смазок в легковых и грузовых автомобилях. Большинство силиконов, типа молекул, известных как полимеры, построены вокруг длинных цепочек атомов кремния и кислорода.

крахмал Мягкий белый химикат, производимый всеми зелеными растениями. Это относительно длинная молекула, состоящая из соединения множества более мелких, одинаковых строительных блоков – все они глюкоза, простой сахар. Растения и животные используют глюкозу в качестве источника энергии. Растения хранят эту глюкозу в виде крахмала в качестве резервного источника энергии.Животные, потребляющие крахмал, могут расщеплять крахмал на молекулы глюкозы для извлечения полезной энергии.

вязкость Мера устойчивости жидкости к нагрузке. Вязкость соответствует представлению о том, насколько «густая» жидкость. Например, мед очень вязкий, в то время как вода имеет относительно низкую вязкость.

Что такое полимер? | Живая наука

Полимеры – это материалы, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул. Материалы обладают уникальными свойствами в зависимости от типа связываемых молекул и того, как они связаны.Некоторые полимеры сгибаются и растягиваются, например резина и полиэстер. Другие твердые и прочные, например, эпоксидные смолы и стекло.

Полимеры затрагивают практически все аспекты современной жизни. Скорее всего, большинство людей контактировали хотя бы с одним полимерсодержащим продуктом – от бутылок с водой до гаджетов и шин – за последние пять минут.

Термин «полимер» часто используется для описания пластмасс, которые являются синтетическими полимерами. Однако природные полимеры также существуют; каучук и дерево, например, являются натуральными полимерами, которые состоят из простого углеводорода, изопрена, согласно Британской энциклопедии.Белки – это природные полимеры, состоящие из аминокислот, а нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) – это полимеры нуклеотидов – сложных молекул, состоящих, например, из азотсодержащих оснований, сахаров и фосфорной кислоты.

Химические реакции

Герман Штаудингер, профессор органической химии Eidgenössische Technische Hochschule (Университет прикладных наук) в Цюрихе, является отцом разработки современных полимеров. Его исследования в 1920-х годах привели к современным манипуляциям как с натуральными, так и с синтетическими полимерами.Он придумал два термина, которые являются ключевыми для понимания полимеров: полимеризация и макромолекулы, согласно Американскому химическому обществу (ACS). Он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1953 г. «за открытия в области химии макромолекул».

Полимеризация – это метод создания синтетических полимеров путем объединения более мелких молекул, называемых мономерами, в цепочку, удерживаемую ковалентными связями, согласно ThoughtCo., Онлайн-образовательному ресурсу. По данным Scientific American, различные химические реакции – например, вызванные теплом и давлением – изменяют химические связи, удерживающие мономеры вместе.Этот процесс заставляет молекулы связываться в линейную, разветвленную или сетчатую структуру, в результате чего образуются полимеры.

Эти цепочки мономеров также называют макромолекулами. Большинство полимерных цепей имеют в качестве основы цепочку атомов углерода. По данным Учебного центра науки о полимерах, одна макромолекула может состоять из сотен тысяч мономеров.

Использование полимеров

Полимеры используются практически во всех сферах современной жизни. Пакеты для продуктов, бутылки с газировкой и водой, текстильные волокна, телефоны, компьютеры, пищевая упаковка, автозапчасти и игрушки содержат полимеры.

Еще более сложные технологии используют полимеры. Например, согласно ACS, «мембраны для опреснения воды, носители, используемые для контролируемого высвобождения лекарств, и биополимеры для тканевой инженерии, используют полимеры».

Популярные полимеры для производства включают полиэтилен и полипропилен. Их молекулы могут состоять из 10 000 – 200 000 мономеров.

Во время реакции полимеризации большое количество мономеров соединяется ковалентными связями с образованием единой длинной молекулы, полимера.(Изображение предоставлено: LibreTexts)

Будущее полимеров

Исследователи экспериментируют со многими различными типами полимеров с целью дальнейшего развития медицины и улучшения продуктов, которые мы уже используем.

Например, углеродные полимеры разрабатываются и улучшаются для автомобильной промышленности.

«Композиты из армированного углеродным волокном полимера (CFRP) – также называемые ламинатом из углеродного волокна – представляют собой материалы следующего поколения для создания более легких, экономичных и безопасных автомобилей», – говорится в колонке Live Science 2016 года Никхила Гупты. доцент, и Стивен Зельтманн, студент-исследователь, оба в лаборатории композитных материалов и механики факультета механической и аэрокосмической техники инженерной школы Тандон Нью-Йоркского университета.«Углеродный ламинат чрезвычайно прочный и жесткий из-за его тканых слоев из почти чистых углеродных волокон, связанных вместе затвердевшим пластиком, например эпоксидной смолой». [Углеродное волокно: это больше, чем скорость]

Полимеры также используются для улучшения голограмм. Согласно исследованию, опубликованному в начале 2017 года в журнале Nano Letters, ученые из Пенсильванского университета создали голограмму на гибком полимерном материале под названием PDMA, в который были залиты золотые наностержни.Это новое голографическое устройство может содержать несколько изображений вместо одного.

«Мы задали вопрос:« Можем ли мы закодировать несколько битов информации в голограмме? »», – сказал Live Science Ритеш Агарвал, руководитель исследований и профессор материаловедения и инженерии Университета Пенсильвании. «Это важная работа, потому что это первый раз, когда кому-то показали, что вы можете записать несколько голографических изображений, и, просто растягивая полимер, вы можете фактически изменить изображение.”

Искусственная кожа из силиконового полимера может стать будущим усилий по борьбе со старением. В виде двух кремов полимер может подтягивать кожу человека, уменьшать появление морщин и уменьшать мешки под глазами, согласно исследованию, опубликованному в мае 2016 года в журнале Nature Materials. Такая искусственная кожа может также использоваться для помощи людям с кожными заболеваниями, такими как экзема, или использоваться в качестве солнцезащитного крема.

«Мы в восторге от этого; это совершенно новый материал », – сказал Live Science соавтор исследования Роберт Лангер, профессор Массачусетского технологического института.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *