Полимерные материалы

Полимерные материалы

Полимеры – органические или неорганические вещества, состоящие из отдельных звеньев-мономеров, соединенных в длинные цепи-макромолекулы химическими или координационным связями. Примером природных органических полимеров могут служить белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты. Однако существует огромное количество синтезированных неорганических веществ, получаемых промышленным путем. При производстве полимерных материалов используют технологии полимеризации, конденсации и химических воздействий. Вследствие этого простые вещества объединяются в высокомолекулярные соединения с многократно повторяющимися структурными фрагментами. Названия материалов образуются от мономера с приставкой «поли»: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и т.д. В настоящее время эти и другие пластмассы известны всем бытовым потребителям. Из них изготавливают трубы, мебель, строительные и облицовочные материалы, посуду, пленку, упаковку и множество других предметов, которыми люди пользуются ежедневно. К полимерам также относятся каучуки, резины, различные клеи, герметики, лакокрасочные материалы. Каждый из составов обладает уникальным набором эксплуатационных характеристик, а их цена невелика по сравнению с традиционными материалами. Это обуславливает постоянное повышение спроса на полимерную продукцию.

• Классификация
• Происхождение
• Химический состав
• Структура
• Пространственное строение
• Агрегатное состояние
• Полярность
• Отношение к температурному воздействию
• Производство
• Полимеризация
• Поликонденсация
• Физические свойства
• Применение
• В быту
• В строительстве
• В медицине
• В сельском хозяйстве
• В пищевой отрасли
• Композитные полимерные материалы

Классификация

Классификация полимеров осуществляется по ряду признаков, которые отражаются на их физических и химических свойствах.

Происхождение

По происхождению полимерные материалы подразделяются на:

• природные (биополимеры);
• искусственные;
• синтетические.

Биополимеры – высокомолекулярные вещества, встречающиеся в природе и играющие важную роль в жизни животного и растительного мира. Помимо белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), к ним относятся крахмал, целлюлоза, инулин, гликоген, хитин и пр.

К искусственным относят полимеры, получаемые из природных путем химических модификаций, которые позволяют придавать материалам необходимые свойства. Примером искусственных полимеров служат пластмассы, изготовленные на основе целлюлозы.

Синтетические высокомолекулярные соединения получают путем полимеризации мономеров. К таким относится, например, полиэтилен, основой которого является бесцветный газ – этилен. В результате химической реакции образуется связь между отдельными молекулами, и вещество переходит в твердое агрегатное состояние. На сегодняшний день именно синтетические полимеры являются наиболее используемыми в различных отраслях промышленности.

Химический состав

Различают две большие группы полимерных материалов:

• гомоцепные;
• гетероцепные.

В гомоцепных соединениях главные цепи макромолекулы состоят из атомов одного вида. К таким, например, относятся карбоцепные, сульфидоцепные, селикоцепные, состоящие из атомов, углерода, серы, кремния соответственно. Это такие материалы, как органические: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, неорганические: карбин, кумулен, полисилан, элементоорганические: полиорганосиланы, поливинилалкилсиланы борсодержащие и др.

К гетероцепным относятся полимеры, структура которых содержит замещающие атомы разных химических элементов. Примером таких соединений являются полиэфиры, полиамиды, полисилоксаны, полиформальдегид и др.

Структура

Тип связей мономеров в макромолекуле оказывает сильное влияние на физические характеристики полимера. Существует большое количество разных видов структурных соединений, основными из которых являются:

• Линейная. Мономеры связаны в одну цепь. Такие материалы обладают высокой эластичностью. Примеры: натуральный каучук, эластомеры.
• Разветвленная. Цепи имеют боковые ответвления. Материалы с высокой прочностью. Например: амилопектин (составляющая крахмала), полиэтилен высокого давления.
• Сетчатая. Цепи имеют поперечные связи. Неэластичные и нерастворимые вещества, такие как отвердевшие эпоксидные смолы, фенолформальдегидные полимеры. Сетчатые соединения могут быть плоскими (лестничного либо паркетного типа) и пространственными. Трехмерные структуры обеспечивают материалам наивысшую твердость.

Полимеры, состоящие из одинаковых мономеров, называют гомополимерами, материалы, макромолекулы которых включают различные структурные звенья, относят к гетерополимерам (сополимерам).

Пространственное строение

По пространственному строению полимерные материалы бывают:

• Изотактические (стереорегулярные). Заместители расположены по одну сторону от основной цепи. Такие полимеры обладают высокой прочностью.
• Синдиотактические. Заместители расположены по обе стороны цепи с определенной периодичностью.
• Атактические (нестереорегулярные). Заместители расположены по обе стороны цепи с беспорядочной периодичностью. Такие материалы наиболее мягкие.

Агрегатное состояние

Твердые пластмассы широко применяются при изготовлении промышленных изделий, труб, корпусов бытовой техники, предметов интерьера и других товаров. Они обладают достаточно высокой прочностью и жесткостью. Также широко используются эластичные полимерные материалы, такие как каучук, резина, силикон.

К жидким полимерам относятся лакокрасочные изделия, герметики и другие составы, используемые в строительстве и при выполнении отделочных работ.

Полярность

Отношение положительных и отрицательных зарядов определяет растворимость веществ в различных средах. Поэтому свойству полимерные материалы подразделяются на:

• полярные (гидрофильные);
• неполярные (гидрофобные);
• смешанные (амфильные).

Отношение к температурному воздействию

Классификация проводится по двум видам:

• термореактивные ПКМ (реактопласты);
• термопластичные ПКМ (термопласты).

К термореактивным относятся низкомолекулярные олигомеры: фенолоальдегидные, олигоэфирные, эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные смолы, бисмалеинимиды, смеси имидообразующих мономеров. При комнатной температуре заготовки хранятся в жидком состоянии. В изделиях реактопласты обладают лучшей прочностью, термостойкостью, пропитывающей способностью, адгезией, низкой вязкостью. К недостаткам относятся хрупкость, высокая пористость материалов, лимитированный срок хранения заготовок, токсичность используемых растворителей, необходимость термической обработки в процессе формовки, что увеличивает ее время. Изготовление конечной продукции сопровождается необратимой каталитической реакцией, вследствие чего она характеризуется неплавкой структурой с высокопрочными молекулярными связями. Вторичной переработке изделия не подлежат. Это создает определенные проблемы, связанные с их утилизацией.

К термопластичным относятся высокомолекулярные соединения: полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, фторопласты. При естественных условиях заготовки находятся в твердом состоянии, при этом срок их хранения практически не ограничен. Для формовки разогреваются до расплавления. Процессы нагрева и отверждения можно выполнять многократно. В зависимости от структуры термопластичные полимеры подразделяют на аморфные и частично кристаллические. Первые отличаются изотропностью свойств, эластичностью и высоким поверхностным трением. Для кристаллических характерны ударная прочность, термостойкость, химическая инертность. Недостатком термопластов является более быстрое старение под воздействием окружающей среды. Однако этот минус компенсируется возможностью переработки. Процесс изготовления изделий включает стадии нагрева, формовки, охлаждения.

Производство полимерных материалов

В производстве полимерных материалов используются две технологии:

• полимеризация;
• поликонденсация.

Полимеризация

Полимеризация – процесс создания высокомолекулярных соединений путем последовательного присоединения к цепи отдельных звеньев. В качестве мономеров используются низкомолекулярные вещества с парными связями и циклическими группами. В результате реакции эти связи обрываются, и образуются новые с цепью макромолекулы. Различают свободнорадикальный и ионный механизмы полимеризации.

Процесс свободно радикальной полимеризации включает несколько этапов.

1. Инициирование. На вещество оказывается химическое, тепловое либо световое воздействие, приводящее к разрыву связей и образованию активных групп – радикалов.
2. Наращивание цепи. На этой стадии происходит последовательное присоединение к макромолекуле звеньев с образованием новых радикалов.
3. Обрыв цепи. Конец реакции связан с образованием неактивных макромолекул.

Обрыв цепи является неконтролируемым процессом, поэтому молекулярная масса образовавшихся макромолекул значительно отличается. Свободно радикальная полимеризация применяется в производстве полиэтилена, полистирола и многих других материалов.

Механизм ионной полимеризации в целом схож со свободнорадикальным наращиванием цепи, но здесь активными группами являются катионы и анионы, вследствие чего различают катионные и анионные процессы. Ионная полимеризация, в частности, используется при изготовлении синтетических каучуков.

Поликонденсация

Поликонденсация представляет собой синтез полифункциональных мономеров или олигомеров с образованием макромолекул и отделением из исходного вещества побочных продуктов (воды, спиртов). В результате реакции простые молекулы отщепляются и создается связь для соединения функциональных групп в цепь.

Используемые в процессе мономеры содержат в составе от двух и боле активных групп (карбоксильных, гидроксильных, аминных, изоцианатных и т.д.) В отличие от процесса полимеризации, где используются монофункциональные соединения, при поликонденсации можно синтезировать мономеры с разными функциональными группами. При использовании бифункциональных мономеров конечным продуктом являются полимеры с линейной структурой. В случае большего количества функциональных групп (чаще 3 или 4) получают сетчатые пространственные макромолекулы.

В большинстве случаев поликонденсация представляет собой многостадийный процесс с получением промежуточных полимеров. Реакция осуществляется в расплаве, растворе, твердой фазе, на границе фаз. Для ускорения процесса применяют активацию функциональных групп, катализаторы, ультразвуковое воздействие, СВЧ-облучение и другие приемы.

Примером линейных полимеров, получаемых методом поликонденсации, являются полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты, сетчатых – алкидные, меламин-альдегидные, фенол-альдегидные смолы.

Физические свойства

Номенклатурный ряд производимых полимеров весьма обширен. Их физическо-механические свойства в значительной мере различны. К основным относятся:

• Низкая теплопроводность. Это позволяет использовать ряд материалов в качестве теплоизоляции.
• Высокий ТКЛР, вызванный подвижными связями и нестабильным коэффициентом деформации. Несмотря на это некоторые полимеры идеально подходят для защитного напыления на стальные поверхности. Они образуют тонкую пленку, предохраняющую металл от коррозии.
• Удельная масса полимеров зависит от состава и структуры. Этот параметр варьируется в очень широких границах.
• По пределу прочности полимеры уступают металлам и их сплавам. Тем не менее, этот показатель у них достаточно высок, что отчасти обуславливается пластичностью материалов.
• Невысокая рабочая температура. Как правило, большинство полимеров, таких как полиэтилен, полипропилен, ПВХ могут эксплуатироваться в режиме не более 80 °С. При превышении предельного значения происходит размягчение материала и потеря твердости. Фенолформальдегидные смолы выдерживают нагрев до 200 °С, кремнийорганические соединения – до 350 °С.
• Большинство полимеров горючи. При горении и плавлении выделяются токсичные вещества.
• Большинство полимеров обладают высокими диэлектрическими характеристиками. Это позволяет использовать их в качестве изоляционных материалов в электрооборудовании, а также при изготовлении рукояток инструмента, предназначенного для работы с токопроводящими деталями. Например, удельное сопротивление поливинилхлорида составляет 1017 Ом*см. В то же время в последние несколько десятилетий были синтезированы полимеры, обладающие ионной или электронной проводимостью, что предоставляет возможности нового использования этих материалов в качестве проводников и полупроводников.
• Эластомеры обладают способностью возвращаться в исходную форму после длительного воздействия нагрузок.

Для улучшения физических характеристик в состав полимеров вводят различные добавки. Такие материалы называются наполненными. По эксплуатационным свойствам композиты значительно превосходят чистые полимеры, что позволяет использовать их в экстремальных условиях.

Применение

Уникальные свойства и невысокая стоимость полимерных материалов обуславливают широкую сферу их применения: от предметов быта до космической отрасли.

В быту

В повседневной жизни каждый человек пользуется предметами, изготовленными из полимеров. Это:

• полиэтиленовые пакеты;
• пленка для запекания еды в духовке;
• одноразовая посуда;
• ручки;
• корпуса и детали бытовой техники (телевизоров, компьютеров, тюнеров, пылесосов, утюгов, миксеров, микроволновых печей, настольных ламп и т.д.);
• игрушки;
• детали интерьера кухонь и ванных комнат (полки, шкафчики, мыльницы, крючки для полотенец.
• элементы сантехники;
• ведра, канистры, цветочные горшки;
• мебельная фурнитура и заглушки;
• предметы личной гигиены (расчески, зубные щетки);
• синтетическая одежда (капроновые колготы, спортивные куртки, рыболовные костюмы);
• обувь и обувные подошвы;
• некоторые виды бытовой химии.

В строительстве

В строительной отрасли полимерные материалы постепенно вытесняют традиционные, такие как металл, дерево, бетон, а новые разработки постоянно расширяют их область применения. Полимеры используются в качестве:

• стеновых, потолочных и напольных облицовочных панелей;
• ограждающих конструкций;
• элементов окон и межкомнатных дверей;
• герметиков для заделки щелей, в том числе монтажной пены;
• труб, фитингов, емкостей и других элементов систем теплоснабжения водоснабжения и канализации;
• элементов вентиляции и вытяжек;
• тепло- и гидроизоляционных материалов;
• ЛКМ;
• наливных полов.

В медицине

В медицине используется несколько тысяч видов полимерных изделий. Среди них:

• одноразовые шприцы;
• контейнеры для крови и плазмы;
• препараты для обработки швов;
• протезы и искусственные органы
• стоматологические материалы;
• оправы очков, линзы;
• инструменты для хирургии;
• лабораторная посуда и мебель;
• бахилы.

В сельском хозяйстве

Использование полимерных материалов позволяет увеличить время плодоношения сельскохозяйственных культур и повысить их урожайность. В настоящее время широко используются:

• поликарбонатные теплицы на полипропиленовом каркасе;
• укрывные полиэтиленовые пленки;
• полимерные ткани для грядок, предотвращающие рост сорняков;
• сетки для вьющихся растений;
• пластиковые системы полива, в том числе капельного.

В пищевой отрасли

Одним из основных требований к пищевым комбинатам является соблюдение санитарно-эпидемиологических норм. Устойчивые к химическому воздействию, коррозии, биологическому поражению полимерные материалы используются в качестве:

• элементов оборудования пищевых цехов;
• антиадгезионных покрытий емкостей для хранения и транспортировки сыпучих продуктов;
• упаковок готовой продукции (пленок, вакуумных пакетов, контейнеров), предохраняющих их от загрязнения и порчи.

Композитные полимерные материалы

Полимерная промышленность постоянно развивается, регулярно создаются новые материалы, а физико-химические свойства уже известных постоянно улучшаются. На основе полимерной матрицы разработано большое количество композитов, превосходящих по характеристикам прочности и другим параметрам часто используемые металлы, но при этом имеющих значительно меньшую массу. Это создает возможности по применению материалов в автомобильном производстве, самолетостроении, космической отрасли.

https://vzp-nn.ru/articles/polimernye-materialy/