Полимеры примеры. Особые механические свойства. Физические свойства полимеров

Полимер

Полимер - высокомолекулярное соединение, вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов. ), состоит из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок - составных звеньев , соединенных между собой химическими или координационными связями в длинные линейные (например, целлюлоза) или разветвленные (например, амилопектин) цепи, а также пространственные трёхмерные структуры.

Часто в его строении можно выделить мономер - повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, называют например поливинилхлорид (-СН2-СНСl-) n , каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами .

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки , нуклеиновые кислоты , полисахариды , каучук и другие органические вещества . В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров . Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли- : поли этилен, поли пропилен, поли винилацетат...

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении , текстильной промышленности , сельском хозяйстве и медицине , автомобиле- и судостроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки , украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины , волокна , пластмассы , пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Наука о полимерах

Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа , меха , шерсть , шелк , хлопок и т.п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент , известь , глина), образующие при соответствующей обработке трехмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы . Однако промышленное производство цепных полимеров началось в начале XX в., хотя предпосылки для этого создавались ранее.

Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях – путем переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путем получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе . Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы – целлулоид – был получен еще в начале XX в. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят пленки, волокна , лакокрасочные материалы и загустители . Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной пленки из нитроцеллюлозы .

Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу – продукт конденсации фенола и формальдегида , превращающийся при нагревании в трехмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов , телевизоров , розеток и т.п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.

Классификация полимеров

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

• Органические полимеры. Образованы с участием органических радикалов (CH3, C6H5, CH2). Это смолы и каучуки .
• Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель – кремнийорганические соединения.
• Неорганические полимеры. Их основу составляют оксиды Si, Al, Mg, Ca и др. Углеводородный скелет отсутствует. К ним относятся керамика , слюда , асбест .

Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания отдельных групп полимеров. Это композиционные материалы (например, стеклопластики).

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные, ленточные, пространственные, плоские.

По фазовому составу полимеры подразделяются на аморфные и кристаллические.

Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачки могут перемещаться относительно других элементов.

Кристаллические полимеры образуются тогда, когда их макромолекулы достаточно гибкие и образуют структуру.

По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в их составе диполей – молекул с разобщенным распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных полимерах дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются.

По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Природные органические полимеры

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды , белки и нуклеиновые кислоты , из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных – высокомолекулярных.

Особенности полимеров

Особые механические свойства:

• эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
• способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

• высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
• растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

• способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают уникальным для неживой природы свойством - гибкостью.

Полимеры, или макромолекулы - это очень большие молекулы, образованные связями многих молекул малого размера, которые называются составными звеньями, или мономерами. Молекулы настолько велики, что их свойства не изменяются существенным образом при добавлении или удалении нескольких таких составных звеньев. Термин "полимерные материалы" является обобщающим. Он объединяет три обширных группы синтетических пластиков, а именно: полимеры; пластмассы и их морфологическую разновидность - полимерные композиционные материалы (ПКМ) или, как их еще называют, армированные пластики. Общее для перечисленных групп то, что их обязательной частью является полимерная составляющая, которая и определяет основные термодеформационные и технологические свойства материала. Полимерная составляющая представляет собой органическое высокомолекулярное вещество, полученное в результате химической реакции между молекулами исходных низкомолекулярных веществ - мономеров.

Полимерами принято называть высокомолекулярные вещества (гомополимеры) с введенными в них добавками, а именно стабилизаторами, ингибиторами, пластификаторами, смазками, антирадами и т. д. Физически полимеры являются гомофазными материалами, они сохраняют все присущие гомополимерам физико-химические особенности.

Пластмассами называются композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Они (дисперсная среда) располагаются в полимерной матрице (дисперсионная среда). Физически пластмассы представляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех направлениях) физическими макросвойствами.

Пластмассы могут быть разделены на две основные группы - термопластические и термореактивные. Термопластические - это те, которые после формирования могут быть расплавлены и снова сформованы; термореактивные, сформованные раз, уже не плавятся и не могут принять другую форму под воздействием температуры и давления. Почти все пластмассы, используемые в упаковках, относятся к термопластическим, например, полиэтилен и полипропилен (члены семейства полиолефинов), полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, найлон (капрон), поликарбонат, поливинилацетат, поливиниловый спирт и другие.

Пластмассы также можно располагать по категориям в зависимости от метода, который используется для их полимеризации, на полимеры, полученные присоединением к поликонденсацией. Полимеры, полученные присоединением, производятся с помощью механизма, который включает либо свободные радикалы, либо ионы, по которому малые молекулы быстро присоединяются к растущей цепи, без образования сопутствующих молекул. Поликонденсационные полимеры производятся с помощью реакции функциональных групп в молекулах друг с другом, так что постадийно образуется длинная цепь полимера, и обычно происходит образование низкомолекулярного сопутствующего продукта, например воды, во время каждой стадии реакции. Большинство упаковочных полимеров, включая полиолефины, поливинилхлорид и полистирол - это полимеры присоединения.

Химические и физические свойства пластиков обусловлены их химическим составом, средней молекулярной массой и распределением молекулярной массы, историей обработки (и использования), и наличием добавок.

Полимерные армированные материалы являются разновидностью пластмасс. Они отличаются тем, что в них используются не дисперсные, а армирующие, то есть усиливающие наполнители (волокна, ткани, ленты, войлок, монокристаллы), образующие в ПКМ самостоятельную непрерывную фазу. Отдельные разновидности таких ПКМ называют слоистыми пластиками. Такая морфология позволяет получить пластики с весьма высокими деформационно-прочностными, усталостными, электрофизическими, акустическими и иными целевыми характеристиками, соответствующими самым высоким современным требованиям.

Реакция полимеризации - это последовательное присоединение молекул ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта - полимера. Молекулы алкена, вступающие в реакцию полимеризации, называются мономерами. Число элементарных звеньев, повторяющихся в макромолекуле, называется степенью полимеризации (обозначается п). В зависимости от степени полимеризации из одних и тех же мономеров можно получать вещества с различными свойствами. Так, полиэтилен с короткими цепями (n = 20) является жидкостью, обладающей смазочными свойствами. Полиэтилен с длиной цепи в 1500-2000 звеньев представляет собой твердый, но гибкий пластический материал, из которого можно получать пленки, изготовлять бутылки и другую посуду, эластичные трубы и т. д. Наконец, полиэтилен с длиной цели в 5-6 тыс. звеньев является твердым веществом, из которого можно готовить литые изделия, жесткие трубы, прочные нити.

Если в реакции полимеризации принимает участие небольшое число молекул, то образуются низкомолекулярные вещества, например димеры, тримеры и т. д. Условия протекания реакций полимеризации весьма различные. В некоторых случаях необходимы катализаторы и высокое давление. Но главным фактором является строение молекулы мономера. В реакцию полимеризации вступают непредельные (ненасыщенные) соединения за счет разрыва кратных связей. Структурные формулы полимеров кратко записывают так: формулу элементарного звена заключают в скобки и справа внизу ставят букву п. Например, структурная формула полиэтилена (-СН2-СН2-)n. Легко заключить, что название полимера слагается из названия мономера и приставки поли-, например полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и т. д.

Полимеризация - это цепная реакция, и, для того чтобы она началась, необходимо активировать молекулы мономера с помощью так называемых инициаторов. Такими инициаторами реакции могут быть свободные радикалы или ионы (катионы, анионы). В зависимости от природы инициатора различают радикальный, катионный или анионный механизмы полимеризации.

Наиболее распространенными полимерами углеводородной природы являются полиэтилен и полипропилен.

Полиэтилен получают полимеризацией этилена: Полипропилен получают стереоспецифической полимеризацией пропилена (пропена). Стереоспецифическая полимеризация - это процесс получения полимера со строго упорядоченным пространственным строением. К полимеризации способны многие другие соединения - производные этилена, имеющие общую формулу СН2==СН-X, где Х - различные атомы или группы атомов.

Виды полимеров:

Полиолефины - это класс полимеров одинаковой химической природы (химическая формула -(СН2)-n) с разнообразным пространственным строением молекулярных цепей, включающий в себя полиэтилен и полипропилен. Кстати сказать, все углеводы, к примеру, природный газ, сахар, парафин и дерево имеют схожее химическое строение. Всего в мире ежегодно производиться 150 млн. т. полимеров, а полеолефины составляют примерно 60% от этого количества. В будущем полиолефины будут окружать нас в гораздо большей степени, чем сегодня, поэтому полезно присмотреться к ним повнимательнее.

Комплекс свойств полиолефинов, в том числе такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, протыканию, усадке при нагреве и к раздиру, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий.

Особенно следует подчеркнуть, что полеолефины экологически чище большинства применяемых человеком материалов. При производстве, транспортировке и обработке стекла, дерева и бумаги, бетона и металла используется много энергии, при выработке которой неизбежно загрязняется окружающая среда. При утилизации традиционных материалов также выделяются вредные вещества и затрачивается энергия. Полиолефины производятся и утилизуются без выделения вредных веществ и при минимальных затаратах энергии, причем при сжигании полиолефинов выделяется большое количество чистого тепла с побочными продуктами в виде водяного пара и углекислого газа. Полиэтилен

Около 60% всех пластиков, используемых для упаковки- это полиэтилен, главным образом благодаря его низкой стоимости, но также благодаря его отличным свойствам для многих областей применения. Полиэтилен высокой плотности (ПЭНД - низкого давления) имеет самую простую структуру из всех пластиков, он состоит из повторяющихся звеньев этилена. -(CH2CH2)n- полиэтилен высокой плотности. Полиэтилен низкой плотности (ПЭВД - высокого давления) имеют ту же химическую формулу, но отличается тем, что его структура разветвленная. -(CH2CHR) n- полиэтилен низкой плотности Где R может быть -H, -(CH2)nCH3, или более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Полиэтилен, благодаря своему простому химическому строению, легко складывается в кристаллическую решетку, и, следовательно, имеет тенденцию к высокой степени кристалличности. Разветвление цепи препятствует этой способности к кристаллизации, что приводит к меньшему числу молекул на единицу объема, и, следовательно, меньшей плотности.

ПЭВД - полиэтилен высокого давления. Пластичен, слегка матовый, воскообразный на ощупь, перерабатывается методом экструзии в рукавную пленку с раздувом или в плоскую пленку через плоскощелевую головку и охлаждаемый валик. Пленка из ПЭВД прочна при растяжении и сжатии, стойка к удару и раздиру, прочна при низких температурах. Имеет особенность - довольно низкая температура размягчения (около 100 градусов Цельсия).

ПЭНД - полиэтилен низкого давления. Пленка из ПЭНД - жесткая, прочная, менее воскообразная на ощупь по сравнению с пленками ПЭВД. Получается экструзией рукава с раздувом или экструзией плоского рукава. Температура размягчения 121°С позволяет производить стерилизацию паром. Морозостойкость этих пленок такая же, как и у пленок из ПЭВД. Устойчивость к растяжению и сжатию - высокая, а сопротивление к удару и раздиру меньше, чем у пленок из ПЭВД. Пленки из ПЭНД - это прекрасная преграда влаге. Стойки к жирам, маслам. "Шуршащий" пакет-майка ("шуршавчик"), в который вы упаковываете покупки, изготовлен именно из ПЭНД.

Существует два основных типа ПЭНД. Более "старый" тип, произведенный первым в 1930-х годах, полимеризуется при высоких температурах и давлениях, условиях, которые достаточно энергетичны, чтобы обеспечить заметную встречаемость реакций по цепному механизму, которые приводят к образованию разветвления, как с длинными, так и с короткими цепями. Этот тип ПЭНД иногда называется полиэтиленом высокого давления (ПВД, ВД-ПЭНД, из-за высокого давления), если есть необходимость отличать его от линейного полиэтилена низкого давления, более "молодого" типа ПЭВД. При комнатной температуры полиэтилен - довольно мягкий и гибкий материал. Он хорошо сохраняет эту гибкость в условиях холода, так что применим в упаковке замороженных пищевых продуктов. Однако при повышенных температурах, таких как 100 °С, он становится слишком мягким для ряда применений. ПЭНД отличается более высокой хрупкостью и температурой размягчения, чем ПЭВД, но все же не является подходящим контейнеров горячего заполнения.

Около 30% всех пластиков, используемых для упаковки- это ПЭНД. Это наиболее широко используемый пластик для бутылок, из-за его низкой стоимости, простоты формования, и отличных эксплуатационных качеств, для многих областей применения. В его естественной форме ПЭНД имеет молочно-белый, полупрозрачный вид, и таким образом, не подходит для областей применения, где требуется исключительная прозрачность. Один недостаток использования ПЭНД в некоторых из областей применения- его тенденция к растрескиванию под напряжением при взаимодействии внешней среды, определяемая как разрушение пластикового контейнера при условиях одновременного напряжения и соприкосновения с продуктом, что в отдельности не приводит к разрушению. Растрескивание под напряжением при взаимодействии внешней срды в полиэтилене соотносится с кристалличностью полимера.

ПЭВД- это наиболее широко применяемый упаковочный полимер, соответствующий примерно одной трети всех упаковочных пластиков. Из-за его низкой кристалличности, это более мягкий, более гибкий материал, чем ПЭНД. Это предпочитаемый материал для пленок и сумок, из-за его низкой стоимости. ПЭВД отличается лучшей прозрачностью, чем ПЭНД, но все же не обладает кристальной чистотой, которая желательна для некоторых областей применения упаковок.

ПП - полипропилен. Прекрасная прозрачность (при быстром охлаждении в процессе формообразования), высокая температура плавления, химическая и водостойкость. ПП пропускает водяные пары, что делает его незаменимым для "противозапотевающей" упаковки продуктов питания (хлеба, зелени, бакалеи), а также в строительстве для гидро-ветроизоляции. ПП чувствителен к кислороду и окислителям. Перерабатывается методом экструзии с раздувом или через плоскощелевую головку с поливом на барабан или охлаждением в водяной бане. Имеет хорошую прозрачность и блеск, высокую химическую стойкость, особенно к маслам и жирам, не растрескивается под воздействием окружающей среды.

ПВХ - поливинилхлорид. В чистом виде применяется редко из-за хрупкости и неэлостичности. Недорог. Может перерабатываться в пленку методом экструзии с раздувом, либо плоскощелевой экструзии. Расплав высоковязкий. ПВХ термически нестабилен и коррозионно активен. При перегреве и горении выделяет высокотоксичное соединение хлора - диоксин. Широко распространился в 60-70е годы. Вытесняется более экологичным полипропиленом.

Идентификация полимеров

У потребителей полимерных пленок очень часто возникает практическая задача по распознаванию природы полимерных материалов, из которых они изготовлены. Основные свойства полимерных материалов, как хорошо известно, определяются составом и структурой их макромолекулярных цепей. Отсюда ясно, что для идентификации полимерных пленок в первом приближении может быть достаточной оценка функциональных групп, входящих в состав макромолекул. Некоторые полимеры благодаря наличию гидроксильных групп (-ОН) тяготеют к молекулам воды. Это объясняет высокую гигроскопичность, например, целлюлозных пленок и заметное изменение их эксплуатационных характеристик при увлажнении. В других полимерах (полиэтилентерефталат, полиэтилены, полипропилен и т.п.) такие группы отсутствуют вообще, что объясняет их достаточно хорошую водостойкость.

Наличие тех или иных функциональных групп в полимере может быть определено на основе существующих и научно обоснованных инструментальных методов исследования. Однако, практическая реализация этих методов всегда сопряжена с относительно большими временными затратами и обусловлена наличием соответствующих видов достаточно дорогостоящей испытательной аппаратуры, требующей соответствующей квалификации для ее использования. Вместе с тем, существуют достаточно простые и "быстрые" практические способы распознавания природы полимерных пленок. Эти способы основаны на том, что полимерные пленки из различных полимерных материалов отличаются друг от друга по своим внешним признакам, физико-механическим свойствам, а также по отношению к нагреванию, характеру их горения и растворимости в органических и неорганических растворителях.

Во многих случаях природу полимерных материалов, из которых изготовлены полимерные пленки, можно установить по внешним признакам, при изучении которых особое внимание следует обратить на следующие особенности: состояние поверхности, цвет, блеск, прозрачность, жесткость и эластичность, стойкость к раздиру и др. Например, неориентированные пленки из полиэтиленов, полипропилена и поливинилхлорида легко растягиваются. Пленки из полиамида, ацетата целлюлозы, полистирола, ориентированных полиэтиленов, полипропилена, поливинилхлорида растягиваются плохо. Пленки из ацетата целлюлозы нестойки к раздиру, легко расщепляются в направлении, перпендикулярном их ориентации, а также шуршат при их сминании. Более стойкие к раздиру полиамидные и лавсановые (полиэтилентерефталатные) пленки, которые также шуршат при сминании. В то же время пленки из полиэтилена низкой плотности, пластифицированного поливинилхлорида не шуршат при сминании и обладают высокой стойкостью к раздиру. Результаты изучения внешних признаков исследуемой полимерной пленки следует сравнить с характерными признаками, приведенными в табл. 1, после чего уже можно сделать некоторые предварительные выводы.

Таблица 1. Внешние признаки

Таблица 2. Физико-механические характеристики при 20°C

Таблица 3. Характеристики горения. Химическая стойкость

Таким образом, результаты комплексной оценки отдельных свойств полимерных пленок в соответствии с изложенными выше методами позволяют в большинстве случаев достаточно надежно установить вид полимерного материала, из которого изготовлены исследованные образцы. При возникающих затруднениях в определении природы полимерных материалов, из которых изготовлены пленки, необходимо провести дополнительные исследования их свойств химическими методами. Для этого образцы могут быть подвергнуты термическому разложению (пиролизу), при этом в продуктах деструкции определяется наличие характерных атомов (азота, хлора, кремния и т.п.) или групп атомов (фенола, нитрогрупп и т.п.), склонных к специфическим реакциям, в результате которых обнаруживается вполне определенный индикаторный эффект. Изложенные выше практические методы определения вида полимерных материалов, из которых изготовлены полимерные пленки, носят в известной степени субъективный характер, а, следовательно, не могут гарантировать их сто процентной идентификации. Если такая необходимость все же возникает, то следует воспользоваться услугами специальных испытательных лабораторий, компетентность которых подтверждена соответствующими аттестационными документами.

Показатель текучести расплава

Показатель текучести расплава полимерного материала это масса полимера в граммах, выдавливаемая через капилляр при определенной температуре и определенном перепаде давления за 10 минут. Определение величины показателя текучести расплава производят на специальных приборах, называемых капиллярными вискозиметрами. При этом размеры капилляра стандартизованы: длина 8,000±0,025 мм; диаметр 2,095±0,005 мм; внутренний диаметр цилиндра вискозиметра составляет 9,54±0,016 мм. Не целочисленные значения размеров капилляров связанны с тем, что впервые методика определения показателя текучести расплава появилась в странах с английской системой мер. Условия, рекомендуемые для определения показателя текучести расплава, регламентируются соответствующими стандартами. ГОСТ 11645-65 рекомендует нагрузки 2,16 кг, 5 кг и 10 кг и температуры, кратные 10°C. ASTM 1238-62T (США) рекомендует температуры от 125°C до 275°C и нагрузки от 0,325 кг до 21,6 кг. Наиболее часто показатель текучести расплава определяют при температуре 190°C и нагрузке 2,16 кг.

Величина показателя текучести для различных полимерных материалов определяется при различных нагрузках и температурах. Поэтому надо иметь в виду, что абсолютные величины показателя текучести сравнимы лишь для одного и того же материала. Так, например, можно сравнивать величину показателя текучести расплава полиэтилена низкой плотности различных марок. Сравнение же величин показателей текучести полиэтилена высокой и низкой плотности не дает возможности непосредственно сопоставить текучесть обоих материалов. Поскольку первый определяется при нагрузке в 5 кг, а второй при нагрузке в 2,16 кг.

Следует отметить, что вязкость расплавов полимеров существенно зависит от приложенной нагрузки. Так как показатель текучести того или иного полимерного материала измеряют лишь при одном значении нагрузки, то этот показатель характеризует только одну точку на всей кривой течения в области относительно низких напряжений сдвига. Поэтому полимеры, несколько различающиеся по разветвленности макромолекул или по молекулярной массе, но с одинаковым показателем текучести расплава, могут вести себя по-разному в зависимости от условий переработки. Однако, несмотря на это, по показателю текучести расплава для многих полимеров устанавливают границы рекомендуемых технологических параметров процесса переработки. Значительное распространение этого метода объясняется его быстротой и доступностью. Экструзионные процессы производства пленок требуют высоких вязкостей расплава, в связи с этим применяются марки сырья с низким показателем текучести расплава.

По материалам компании «НПЛ Пластик»

Полимерные материалы (пластмассы, пластики) представляют собой, как правило, затвердевшие композиционные составы, связующим в которых служат полимеры, олигомеры. Широко распространенное название «пластмассы» (что не совсем корректно) они получили за то, что при переработке в изделия находятся в пластическом (текучем) состоянии. Поэтому научно обоснованные названия - «полимерные материалы», «композиционные материалы на основе полимеров».

Полимеры (от греч. poly - много, meres - части) - это высокомолекулярные химические соединения, молекулы которых состоят из огромного числа многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры. Такие молекулы называют макромолекулами. В зависимости от расположения в них атомов и атомных групп (элементарных звеньев) они могут иметь линейное (цеповидное), разветвленное, сетчатое и пространственное (трехмерное) строение, что и определяет их физико-механические и химические свойства. Образование этих молекул возможно благодаря тому, что атомы углерода легко и прочно соединяются друг с другом и со многими другими атомами.

Различают также формополимеры (предполимеры, преполимеры), которые представляют собой соединения, содержащие функциональные группы и способные участвовать в реакциях роста или сшивания полимерной цепи с образованием высокомолекулярных линейных и сетчатых полимеров. Прежде всего, это тоже жидкие продукты полиолов с избытком полиизоционатов или других соединений при производстве изделий из полиуретанов.

По происхождению полимеры могут быть природными, искусственными и синтетическими.

Природные полимеры - это в основном биополимеры - белковые вещества, крахмал, природные смолы (сосновая канифоль), целлюлоза, натуральный каучук, битум и др. Многие из них образуются в процессе биосинтеза в клетках живых и растительных организмов. Однако в промышленности в большинстве случаев используются искусственные и синтетические полимеры.

Основным сырьем для производства полимеров являются побочные продукты угольной и нефтяной промышленности, производства удобрений, природный газ, целлюлоза и другие вещества. Процесс образования таких макромолекул и в целом полимера вызывается воздействием на исходное вещество (мономер) потока световых лучей, электрических разрядов токов высокой частоты, нагреванием, давлением и т. п.

В зависимости от способа получения полимеров их можно подразделить на полимеризационные, поликонденсационные и модифицированные природные полимеры. Процесс получения полимеров путем последовательного присоединения звеньев мономера друг к другу в результате раскрытия кратных (ненасыщенных) связей называют реакцией полимеризации. В процессе этой реакции вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости или твердое. При этом реакция не сопровождается отделением каких-либо низкомолекулярных побочных продуктов. Как мономер, так и полимер характеризуются одинаковым элементным составом. Реакцией полимеризации получают полиэтилен из этилена, полипропилен из пропилена, полиизобутилен из изобутилена и многие другие полимеры.

При реакции поликонденсации происходит перегруппировка атомов двух или нескольких мономеров и выделение из сферы реакции побочных низкомолекулярных продуктов (например, воды, спиртов или других низкомолекулярных веществ). Реакцией поликонденсации получают полиамиды, полиэфиры, эпоксидные, фенолоформальдегидные, кремнийорганические и другие синтетические полимеры, называемые еще смолами.

В зависимости от отношения к нагреванию и растворителям полимеры, как и материалы на их основе, делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры (термопласты) при переработке в изделия могут многократно переходить из твердого агрегатного состояния в вязко-текучее (плавиться), а при охлаждении вновь отвердевать. Они имеют, как правило, не высокую температуру перехода в вязко-текучее состояние, хорошо перерабатываются литьем под давлением, экструзией и прессованием. Формообразование изделий из них является процессом физическим, который состоит в затвердевании жидкого или размягченного материала при его охлаждении и химических изменений не происходит. Большинство из термопластов способны также растворяться в соответствующих растворителях. Термопластичные полимеры имеют линейное или слегка разветвленное строение макромолекул. К ним относят отдельные разновидности полиэтилена, поливинилхлорид, фторопласты, полиуретаны, битумы и др.

К термореактивным (реактопластам) относят полимеры, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого или трехмерного полимера (отверждением, сшивкой цепей) и переход из жидкого состояния в твердое, происходит необратимо. Отвержденное состояние их является термостабильным, и они теряют способность к повторному переходу в вязко-текучее состояние (например, фенолоальдегидные, полиэфирные, эпоксидные полимеры и др.).

Классификация и свойства полимерных материалов

Полимерные материалы в зависимости от состава или количества компонентов подразделяются на ненаполненные, представленные только одним связующим (полимером) - органическое стекло, в большинстве случаев полиэтиленовая пленка; наполненные, в состав которых для получения требуемого комплекса свойств могут входить наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, пигменты - стеклопластики, текстолит, линолеум и газонаполненные (пено- и поропласты) - пенополистирол, пенополиуретан и др.

В зависимости от физического состояния при нормальной температуре и вязкоупругих свойств полимерные материалы бывают жесткие, полужесткие, мягкие и эластичные.

Жесткие - это твердые, упругие материалы аморфной структуры, имеющие модуль упругости более 1000 МПа. Они хрупко разрушаются с незначительным удлинением при разрыве. К ним относят фенопласты, аминопласты, пластмассы на основе глифталевых и других полимеров.

Плотность полимерных материалов чаще всего находится в пределах 900.1800 кг/м3, т.е. они в 2 раза легче алюминия и в 5.6 раз легче стали. Вместе с тем плотность пористых полимерных материалов (пенопластов) может составлять 30..15 кг/м3, а плотных - превышать 2 000 кг/м3.

Прочность при сжатии полимерных материалов в большинстве случаев превосходит многие традиционные строительные материалы (бетон, кирпич, древесину) и составляет для ненаполненных полимеров около 70 МПа, армированных пластиков - более 200 МПа, при растяжении - для материалов с порошкообразным наполнителем 100.150 МПа, у стекловолокнистых - 276.414 МПа и более.

Теплопроводность таких материалов зависит от их пористости и технологии производства. У пено- и поропластов она составляет 0,03.0,04 Вт/м-К, у остальных - 0,2.0,7 Вт/мК или в 500.600 раз ниже, чем у металлов.

Недостатком многих полимерных материалов является низкая теплостойкость. Например, у большинства из них (на основе полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена и других полимеров) теплостойкость составляет 60.80 °С. На основе фенолоформальдегидных смол теплостойкость может достигать 200 °С и лишь на кремнийорганических полимерах - 350 °С.

Являясь углеводородными соединениями, многие полимерные материалы сгораемы или имеют низкую огнестойкость. К легковоспламеняемым и сгораемым с обильным выделением сажи относятся изделия на основе полиэтилена, полистирола, производных целлюлозы. Трудно сгораемыми являются изделия на основе поливинилхлорида, полиэфирные стеклопластики, фенопласты, которые при повышенной температуре лишь обугливаются. Негорючими являются полимерные материалы с большим содержанием хлора, фтора или кремния.

Многие полимерные материалы при переработке, горении и даже нагревании выделяют опасные для здоровья вещества, такие как угарный газ, фенол, формальдегид, фосген, соляную кислоту и др. Значительным недостаткам их является также высокий коэффициент термического расширения - от 2 до 10 раз выше, чем у стали.

Полимерным материалам свойственна усадка при затвердевании, достигающая 5.8 %. У большей части из них низкий модуль упругости, значительно ниже, чем у металлов. При длительных нагрузках они обладают большой ползучестью. С повышением температуры ползучесть еще больше возрастает, что приводит к нежелательным деформациям.

Предисловие

Все виды полимерных материалов - это вещества, в которых каждая молекула представляет собой цепь из десятков или сотен тысяч последовательно соединенных одинаковых групп атомов, причем одна и та же группа атомов ритмически повторяется много раз.

Cодержание

К основным полимерным материалам относятся смолы и пластмассы. В зависимости от того, термопластичный это полимер или термореактивный, материал может либо размягчаться и затвердевать многократно, либо при однократном нагревании переходить в твердое состояние и навсегда утрачивать способность плавиться. Чаще всего используются такие современные полимерные материалы, как дисперсии, латексы и клеевые составы.

Что такое строительные полимерные материалы

Что такое полимерные материалы и как их используют в строительстве? Все виды полимерных материалов - это вещества, в которых каждая молекула представляет собой цепь из десятков или сотен тысяч последовательно соединенных одинаковых групп атомов, причем одна и та же группа атомов ритмически повторяется много раз.

Основные виды полимерных материалов делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры способны многократно размягчаться и затвердевать при изменении температуры, а также легко набухать и растворяться в органических растворителях. К ним относятся полистирольные, полиэтиленовые и поливинилхлоридные (полихлорвиниловые) смолы и пластмассы.

Основное свойство термореактивных полимерных материалов – переход при нагревании в нерастворимое твердое состояние и безвозвратная утрата способности плавиться. К таким полимерам относятся фенолоформальдегидные и мочевиноформальдегидные, полиэфирные и эпоксидные смолы.

Отдельные виды полимерных материалов в строительстве под действием тепла, света и кислорода воздуха с течением времени изменяют свойства: теряют гибкость, эластичность, проще говоря, стареют.

Для предотвращения старения современных строительных полимерных материалов применяются специальные стабилизаторы (антистарители), представляющие собой различные металлоорганические соединения свинца, бария, кадмия и др. Например, в качестве стабилизатора применяется тинувин П.

Какие бывают полимерные материалы, и каковы их основные характеристики, вы узнаете на этой странице.

Полимерные материалы пластмассы и их свойства

Один из основных типов полимерных материалов – это пластмассы. Они представляют собой группу органических материалов, основу которых составляют синтетические или природные смолообразные высокомолекулярные вещества, способные при нагревании и давлении формоваться, устойчиво сохраняя приданную им форму.

Полимерные материалы пластмассы обладают хорошими теплоизоляционными и электроизоляционными качествами, коррозийной стойкостью и долговечностью. Средняя плотность пластмасс - 15-2200 кг/м3; предел прочности при сжатии - 120-160 МПа. Пластмассы наделены хорошими электро-теплоизоляционными свойствами, коррозийной стойкостью и долговечностью. Некоторые из них обладают прозрачностью и высокой клеящей способностью, а также имеют свойство образовывать тонкие пленки и защитные покрытия. Благодаря своим свойствам широкое применение эти полимерные материалы нашли в строительстве, главным образом в комбинации с вяжущими веществами, металлами и каменными материалами.

Пластмассы состоят из связующего вещества - полимера, наполнителя, пластификатора и ускорителя отверждения. При изготовлении цветных пластмасс также используются минеральные красители.

В качестве наполнителей при изготовлении этого типа полимерных материалов используются органические и минеральные порошки, асбестовые, древесные и стеклянные волокна, бумага, стеклянные и хлопчатобумажные ткани, древесный шпон, асбестовый картон и др. Наполнители не только снижают стоимость материала, но и улучшают отдельные свойства пластмасс: повышают твердость, прочность, стойкость к кислотам и теплостойкость. Они должны быть химически инертными, малолетучими и нетоксичными. Пластификаторами при изготовлении пластмасс служат цинковая кислота, стеарат алюминия и иные, которые придают материалу большую пластичность. Катализаторы (ускорители) применяются в пластмассах для ускорения отверждения. Примером катализатора могут служить известь или уротропин, которые применяются для отверждения фенолоформальдегидного полимера.

Синтетические полимерные материалы и их применение

По способу производства синтетические полимерные материалы подразделяются на два класса: класс А - полимеры, получаемые цепной полимеризацией; класс Б - полимеры, получаемые поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией.

Процесс полимеризации представляет собой соединение одинаковых и разных молекул. Побочных продуктов при полимеризации не образуется.

Процесс поликонденсации представляет собой соединение большого количества одинаковых и различных полиреактивных молекул низкомолекулярных веществ, в результате чего образуется высокомолекулярное вещество. При процессе поликонденсации выделяются вода, хлористый водород, аммиак и другие вещества.

Кремнийорганические смолы - это особая группа высокомолекулярных соединений. Особенность этих полимерных строительных материалов состоит в том, что они обладают свойствами как органических, так и неорганических веществ.

Физические и механические характеристики этих полимерных материалов практически не зависят от колебаний температуры по сравнению с обычными смолами, к тому же они обладают высокой гидрофобностью и теплостойкостью. Кремнийорганические смолы служат для получения различных изделий, стойких к действию повышенных температур (400-500°С).

Основная область применения этих синтетических полимерных материалов – изготовление бетонов и растворов для повышения их долговечности. Также их применяют в виде защитных покрытий на природных и искусственных каменных материалах (бетоне, известняке, травертине, мраморе и т. д.). Пропитка оказывает защитное действие в течение 6-10 лет, после чего ее следует возобновить.

Для поверхностей пропитки изделий из природного камня и других строительных конструкций применяют гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости (ГКЖ), которые перед употреблением растворяют органическими растворителями, а также водную 50%-ную эмульсию (молочно-белого цвета), которую перед употреблением смешивают с водой в соотношении 1:10.

Поливинилацетатная дисперсия (ПВА) - это продукт полимеризации винилацетата в водной среде в присутствии инициатора и защитного коллоида. Это вязкая жидкость белого цвета, однородная, без криков и посторонних включений.

ПВА в зависимости от вязкости изготавливается трех марок: Н - низковязкая, С - средневязкая, В - высоковязкая. Она применяется при изготовлении полимерцементных растворов, мастик, паст, которые используются при облицовочных работах.

Латекс синтетический СКС-65ГП - продукт совместной полимеризации бутадиена со стиролом в соотношении 35:65 (по массе) в водной эмульсии с применением в качестве эмульгатора некаля и натриевого мыла синтетических жирных кислот. Латекс СКС-65ГП используется при изготовлении полимербетонов, эмульсионных красок, мастик и паст, применяемых при облицовочных работах. Также латекс используется при нанесении различных покрытий.

Физико-химические свойства этого полимерного строительного материала латекс СКС-65ГП:

• содержание сухого вещества, %, не менее 47;
• содержание незаполимеризованного стирола, %, не более 0,08;
• концентрация водородных ионов (pH), не менее 11;
• поверхностное натяжение, дин/см2, не более 40;
• вязкость, с - 11-15;
• содержание золы, %, не более 1,5.

Латекс синтетический СКС-ЗОШР - продукт совместной полимеризации бутадиена со стиролом в водной эмульсии, применяется в качестве связующего или клеящего материала при облицовочных работах.

Физико-химические свойства латекса СКС-ЗОШР:

• содержание сухого вещества, %, не менее 33;
• температура желатинизации, °С, не выше 14;
• содержание свободной щелочи, %, не более 0,15.

Характеристики полимерных клеящих материалов

Полимерные клеящие материалы выпускают в виде жидкостей порошков и пленок.

Жидкие клеи бывают двух типов. Первый тип клеевых составов представляет собой растворенные в органическом летучем растворителе (спирте или ацетоне) каучуки, смолы или производные целлюлозы. После испарения растворителя образуется твердое клеевое соединение. Второй тип клеевых составов - это водные растворы специально приготовленных для клеев смол. Такие растворы при правильном хранении не густеют в течение нескольких месяцев. Жидкие клеи содержат 40-70% твердого клеящего вещества.

Из жидких клеев самыми распространенными являются меламиноформальдегидные, фенолоформальдегидные, мочевиноформальдегидные, каучуковые, эпоксидные, поливинилацетатные, а также клеи с добавлением силиконов.

Клей КМЦ (натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы) используется при изготовлении мастик и растворов, применяемых при .

Карбинольный клей (винилацетилен карболен) - это вязкая прозрачная жидкость светло-оранжевого цвета, обладающая высокой клеящей способностью. Поэтому его называют универсальным. Он способен склеивать различные материалы, даже такие, как бетон, камень, металл, дерево. Затвердевший карбинольный клей устойчив к воздействию масел, кислот, щелочей, бензина, ацетона и воды.

В качестве катализаторов для ускорения твердения карбинольного клея используются концентрированная азотная кислота или перекись бензоила. Последняя представляет собой взрывоопасный порошок, поэтому его следует хранить, оберегая от огня.

Карбинольный клей выпускается на основе карбинольного сиропа (100 мас.ч) двух составов: в 1-й добавляется в качестве отвердителя перекись бензоила (1-3 мас.ч.), во 2-й – концентрированную азотную кислоту (1-2 мас.ч.).

Карбинольный клей хранят при температуре 20°С и в темноте, так как под влиянием света он теряет клеящую способность.

Эпоксидный клей представляет собой прозрачную вязкую жидкость светло-коричневого цвета, обладающую высокой клеящейся способностью. Он применяется для склеивания камня, бетона, керамической плитк. Затвердевший шов эпоксидного клея устойчив к воздействию кислот, щелочей, растворителей, воды, а также к большим механическим нагрузкам. Отвердителями эпоксидной смолы служат полиэтиленполиамин или гексаметилендиамин, пластификатором – дибутилфтолат.

Удивительно, насколько разнообразны окружающие нас предметы и материалы, из которых они изготовлены. Раньше, примерно в XV-XVI веках, основными материалами были металлы и дерево, чуть позже стекло, почти во все времена фарфор и фаянс. А вот сегодняшний век - это время полимеров, о которых и пойдет речь дальше.

Понятие о полимерах

Полимер. Что это такое? Ответить можно с разных точек зрения. С одной стороны, это современный материал, используемый для изготовления множества бытовых и технических предметов.

С другой стороны, можно сказать, это специально синтезированное синтетическое вещество, получаемое с заранее заданными свойствами для использования в широкой специализации.

Каждое из этих определений верное, только первое с точки зрения бытовой, а второе - с точки зрения химической. Еще одним химическим определением является следующее. Полимеры - соединения, в основе которых лежат короткие участки цепи молекулы - мономеры. Они многократно повторяются, формируя макроцепь полимера. Мономерами могут быть как органические, так и неорганические соединения.

Поэтому вопрос: "полимер - что это такое?" - требует развернутого ответа и рассмотрения по всем свойствам и областям применения этих веществ.

Виды полимеров

Существует множество классификаций полимеров по различным признакам (химической природе, термостойкости, строению цепи и так далее). В ниже приведенной таблице коротко рассмотрим основные виды полимеров.

Также различают полимеры линейного, сетчатого и разветвленного строения. Основа полимеров позволяет быть им термопластичными или термореактивными. Также они имеют различия по способности к деформации при обычных условиях.

Физические свойства полимерных материалов

Основные два агрегатных состояния, характерные для полимеров, это:

• аморфное;
• кристаллическое.

Каждое характеризуется своим набором свойств и имеет важное практическое значение. Например, если полимер существует в аморфном состоянии, значит, он может быть и вязкотекущей жидкостью, и стеклоподобным веществом и высокоэластичным соединением (каучуки). Это находит широкое применение в химических отраслях промышленности, строительстве, технике, производстве промышленных товаров.

Кристаллическое состояние полимеры имеют достаточно условное. На самом деле данное состояние перемежается с аморфными участками цепи, и в целом вся молекула получается очень удобной для получения эластичных, но в тоже время высокопрочных и твердых волокон.

Температуры плавления для полимеров различны. Многие аморфные плавятся при комнатной температуре, а некоторые синтетические кристаллические выдерживают довольно высокие температуры (оргстекло, стекловолокно, полиуретан, полипропилен).

Окрашиваться полимеры могут в самые разные цвета, без ограничений. Благодаря своей структуре они способны поглощать краску и приобретать самые яркие и необычные оттенки.

Химические свойства полимеров

Химические свойства полимеров отличаются от таковых у низкомолекулярных веществ. Это объясняется размером молекулы, наличием различных функциональных группировок в ее составе, общим запасом энергии активации.

В целом можно выделить несколько основных типов реакций, характерных для полимеров:

1. Реакции, которые будут определяться функциональной группой. То есть если в состав полимера входит группа ОН, характерная для спиртов, значит, и реакции, в которые они будут вступать, будут идентичны таковым у окисление, восстановление, дегидрирование и так далее).
2. Взаимодействие с НМС (низкомолекулярными соединениями).
3. Реакции полимеров между собой с образованием сшитых сетей макромолекул (сетчатые полимеры, разветвленные).
4. Реакции между функциональными группировками в пределах одной макромолекулы полимера.
5. Распад макромолекулы на мономеры (деструкция цепи).

Все перечисленные реакции имеют в практике большое значение для получения полимеров с заранее заданными и удобными человеку свойствами. Химия полимеров позволяет создавать термоустойчивые, кислотно и щелочеупорные материалы, обладающие при этом достаточной эластичностью и стабильностью.

Применение полимеров в быту

Применение этих соединений повсеместно. Мало можно вспомнить областей промышленности, народного хозяйства, науки и техники, в которых не нужен был бы полимер. Что это такое - полимерное хозяйство и повсеместное применение, и чем оно исчерпывается?

1. Химическая промышленность (производство пластмасс, дубильных веществ, синтез важнейших органических соединений).
2. Машиностроение, авиастроение, нефтеперерабатывающие предприятия.
3. Медицина и фармакология.
4. Получение красителей и пестицидов и гербицидов, инсектицидов сельского хозяйства.
5. Строительная промышленность (легирование сталей, конструкции звуко- и теплоизоляции, строительные материалы).
6. Изготовление игрушек, посуды, труб, окон, предметов быта и домашней утвари.

Химия полимеров позволяет получать все новые и новые, совершенно универсальные по свойствам материалы, равных которым нет ни среди металлов, ни среди дерева или стекла.

Примеры изделий из полимерных материалов

Прежде чем называть конкретные изделия из полимеров (их невозможно перечислить все, слишком большое их многообразие), для начала нужно разобраться, что дает полимер. Материал, который получают из ВМС, и будет основой для будущих изделий.

Основными материалами, изготовленными из полимеров, являются:

• пластмассы;
• полипропилены;
• полиуретаны;
• полистиролы;
• полиакрилаты;
• фенолформальдегидные смолы;
• эпоксидные смолы;
• капроны;
• вискозы;
• нейлоны;
• клеи;
• пленки;
• дубильные вещества и прочие.

Это только небольшой список из того многообразия, что предлагает современная химия. Ну а здесь уже становится понятным, какие предметы и изделия изготавливаются из полимеров - практически любые предметы быта, медицины и прочих областей (пластиковые окна, трубы, посуда, инструменты, мебель, игрушки, пленки и прочее).

Полимеры в различных отраслях науки и техники

Мы уже затрагивали вопрос о том, в каких областях применяются полимеры. Примеры, показывающие их значение в науке и технике, можно привести следующие:

• антистатические покрытия;
• электромагнитные экраны;
• корпусы практически всей бытовой техники;
• транзисторы;
• светодиоды и так далее.

Нет никаких ограничений фантазии по применению полимерных материалов в современном мире.

Производство полимеров

Полимер. Что это такое? Это практически все, что нас окружает. Где же они производятся?

1. Нефтехимическая (нефтеперерабатывающая) промышленность.
2. Специальные заводы по производству полимерных материалов и изделий из них.

Это основные базы, на основе которых получают (синтезируют) полимерные материалы.