Polimerni materiali: tehnologija, vrste, proizvodnja in uporaba

Polimerni materiali so kemične makromolekularne spojine, ki jih sestavljajo številne monomere z nizko molekulsko maso (povezave) iste strukture. Pogosto se za izdelavo polimerov pogosto uporabljajo naslednje monomerne sestavine: etilen, vinil klorid, viniliden klorid, vinil acetat, propilen, metil metakrilat, tetrafluoroetilen, stiren, sečnina, melamin, formaldehid, fenol. V tem članku bomo podrobneje preučili, katere polimerne materiale so, katere so njihove kemijske in fizikalne lastnosti, razvrstitev in vrste.

Vrste polimerov

Značilnost molekul tega materiala je velika molekulska masa, ki ustreza naslednji vrednosti: M> 5 * 103. Spojine z nižjim nivojem tega parametra (M = 500-5000) se običajno imenujejo oligomeri. V nizko-molekularnih spojinah je masa manjša od 500. Razlikujemo naslednje vrste polimernih materialov: sintetične in naravne. Slednje vključujejo naravni kavčuk, sljudo, volno, azbest, celulozo itd. Glavno mesto zasedajo sintetični polimeri, ki so pridobljeni kot posledica procesa kemične sinteze iz spojin nizke molekulske mase. Odvisno od metode izdelave visoko molekularnih materialov se razlikujeta polimeri, ki nastanejo bodisi s polikondenzacijo ali z reakcijo dodajanja.

Polimerizacija

Ta postopek je kombinacija komponent z nizko molekularno težo z visoko molekulsko maso, ki proizvajajo dolge verige. Velikost polimerizacijskega nivoja je število "ukrepov" v molekulah določene sestave. Najpogosteje polimerni materiali vsebujejo od tisoč do deset tisoč njihovih enot. Naslednje najpogosteje uporabljene spojine dobimo s polimerizacijo: polietilen, polipropilen, polivinilklorid, politetrafluoretilen, polistiren, polibutadien itd.

Polikondenzacija

Ta proces je postopna reakcija, ki združuje bodisi veliko število monomerov istega tipa bodisi par različnih skupin (A in B) v polikondenzatorje (makromolekule) s sočasnim nastajanje naslednjih stranskih produktov: metil alkohol, ogljikov dioksid, vodikov klorid, amoniak, voda in Itd. Polikondenzacija proizvaja silikone, polisulfone, polikarbonate, aminoplode, fenole, poliestre, poliamide in druge polimerne materiale.

Polyaddition

Ta postopek pomeni tvorbo polimerov kot posledica večkratnih veznih reakcij monomernih komponent, ki vsebujejo limite reakcijskih bazenov na monomere nenasičenih skupin (aktivnih obročev ali dvojnih vezi). Za razliko od polikondenzacije, reakcija polyaddition poteka brez izolacije stranskih produktov. Najpomembnejši proces te tehnologije je utrjevanje epoksidnih smol in proizvodnja poliuretanov.

Razvrstitev polimerov

V sestavi so vsi polimerni materiali razdeljeni na anorgansko, organsko in elementarnoorgansko. Prvi izmed njih (silikatno steklo, sljuda, azbest, keramika itd.) Ne vsebujejo atomskega ogljika. Njihova osnova so oksidi aluminija, magnezija, silicija itd. Organski polimeri so najobsežnejši razred, vsebujejo ogljik, vodik, dušik, žveplo, halogen in kisik. Organolemični polimerni materiali so spojine, ki poleg navedenih verig vsebujejo silikon, aluminij, titan in druge elemente, ki se lahko kombinirajo z organskimi radikali. V naravi takšne kombinacije ne nastanejo. To so izključno sintetični polimeri. Tipični predstavniki te skupine so spojine na osnovi silikona, katere glavna veriga je sestavljena iz atoma kisika in silicija.

Za izdelavo polimerov s potrebnimi lastnostmi v tehnologiji se ne uporabljajo pogosto "čiste" snovi, temveč njihove kombinacije z organskimi ali anorganskimi komponentami. Dober primer so polimerni gradbeni materiali: kovinska plastika, plastika, steklena vlakna, polimerni beton.

Struktura polimerov

Posebnost lastnosti teh materialov je posledica njihove strukture, ki je nato razdeljena na naslednje vrste: linearno razvejane, linearne, prostorske z velikimi molekularnimi skupinami in zelo specifične geometrijske strukture ter tudi lestve. Na kratko razložimo vsako od njih.

Polimerni materiali z linearno razvejano strukturo imajo poleg glavne verige molekul tudi stranske veje. Taki polimeri vključujejo polipropilen in poliizobutilen.

Materiali z linearno strukturo imajo dolgo ciklično ali spiralno zvito verigo. Njihove makromolekule so v prvi vrsti značilne ponovitve lokacij v eni strukturni skupini povezave ali kemične enote verige. Polimere z linearno strukturo se odlikujejo po prisotnosti zelo dolgih makromolekul s pomembno razliko v značaju vezi vzdolž verige in med njimi. Obstajajo medmolekularne in kemične vezi. Makromolekule takšnih materialov so zelo prilagodljive. In ta lastnost je osnova polimernih verig, kar vodi k kvalitativno novim značilnostim: visoka elastičnost, pa tudi odsotnost krhkosti v utrjenem stanju.

In zdaj se učimo, kaj so polimerni materiali s prostorsko strukturo. Te snovi tvori močne kemične vezi v prečni smeri, ko se makromolekule združijo. Kot rezultat je pridobljena mrežna struktura, v kateri je heterogena ali prostorska osnova mreže. Polimeri te vrste imajo večjo toplotno odpornost in togost kot linearni polimeri. Ti materiali so osnova mnogih nekovinskih strukturnih materialov.

Molekule polimernih materialov z lestveno strukturo sestavljajo par verig, ki so povezane s kemično vezjo. Ti vključujejo organosilikonske polimere, za katere je značilna povečana togost, toplotna odpornost, poleg tega pa ne delujejo z organskimi topili.

Fazna sestava polimerov

Ti materiali so sistemi, ki so sestavljeni iz amorfnih in kristalnih regij. Prvi izmed njih pomaga zmanjšati togost, naredi polimer elastičen, ki je sposoben velikih deformacij reverzibilne narave. Kristalna faza prispeva k povečanju njihove trdnosti, trdote, modula elastičnosti in drugih parametrov ter zmanjšuje molekularno fleksibilnost snovi. Razmerje volumna vseh takšnih območij s celotno prostornino imenujemo stopnja kristalizacije, pri čemer so najvišja stopnja (do 80%) polipropileni, fluoroplasti, polietileni z visoko gostoto. Nižjo raven kristalizacije imajo polivinil kloridi, polietileni z nizko gostoto.

Odvisno od tega, kako se polimerni materiali ob ogrevanju obnašajo, so običajno razdeljeni na termoreaktivne in termoplastične.

Termosetni polimeri

Ti materiali imajo predvsem linearno strukturo. Ko se segrejejo, se mehčajo, a zaradi kemičnih reakcij v njih se struktura spremeni v prostorsko, snov pa postane trdna. V prihodnosti se ta kakovost ohranja. Na tem principu so izdelani polimerni kompozitni materiali. Naknadno segrevanje snovi ne mehča, ampak le pripelje do razpada. Končna termosetilna mešanica se ne raztopi in se ne stopi, zato je njegovo recikliranje nesprejemljivo. Ta vrsta materiala vključuje epoksidni silikon, fenol-formaldehid in druge smole.

Termoplastični polimeri

Ti materiali, ko se segrejejo, najprej zmehčajo in se nato stopijo in po nadaljnjem hlajenju strdijo. Termoplastični polimeri pri takem zdravljenju ne spreminjajo kemične spremembe. Zaradi tega je ta proces popolnoma reverzibilen. Snovi te vrste imajo linearno razvejano ali linearno strukturo makromolekul, med katerimi delujejo majhne sile in ni nikakršnih kemičnih vezi. Te vključujejo polietilene, poliamide, polistirene itd. Tehnologija polimernih materialov termoplastičnega tipa omogoča njihovo proizvodnjo z brizganjem v vodno hlajenih oblikah, stiskanju, iztiskanju, pihanju in drugim metodam.

Kemijske lastnosti

Polimeri so lahko prisotni v naslednjih stanjih: trdna, tekoča, amorfna, kristalna faza, pa tudi zelo elastična, viskozna in steklasta deformacija. Široka uporaba polimernih materialov je zaradi njihove visoke odpornosti na različne agresivne medije, kot so koncentrirane kisline in alkalije. Niso predmet elektrokemične korozije. Poleg tega se s povečevanjem molekulske mase zmanjša topnost materiala v organskih topilih. In omenjene tekočine sploh ne vplivajo na polimere, ki imajo prostorsko strukturo.

Fizične lastnosti

Večina polimerov so dielektriki, poleg tega pa pripadajo nemagnetnim materialom. Od vseh uporabljenih strukturnih snovi imajo le najmanjšo toplotno prevodnost in največjo toplotno kapaciteto ter toplotno krčenje (približno dvajsetkrat večja od tiste iz kovine). Vzrok izgube uhajanja z različnimi tesnilnimi enotami pri nizkotemperaturnih pogojih je tako imenovani stekleni prehod gume, pa tudi ostra razlika med koeficienti ekspanzije kovin in kavčema v vitrificiranem stanju.

Mehanske lastnosti

Polimerni materiali imajo širok razpon mehanskih lastnosti, ki so močno odvisne od njihove strukture. Poleg tega parametra lahko tudi zunanji dejavniki močno vplivajo na mehanske lastnosti snovi. Te vključujejo: temperaturo, frekvenco, trajanje ali hitrost natovarjanja, vrsto stresnega stanja, tlak, naravo okolja, toplotno obdelavo itd. Posebnost mehanskih lastnosti polimernih materialov je njihova relativno visoka trdnost z zelo nizko togostjo (v primerjavi s kovinami).

Polimeri so običajno razdeljeni na trdne snovi, katerih modul elastičnosti ustreza E = 1-10 GPa (vlakna, folije, plastika) in mehke elastomerne snovi, modul elastičnosti je E = 1-10 MPa (guma). Modeli in mehanizem uničenja obeh se razlikujejo.

Za polimerne materiale je značilna izrazita anizotropija lastnosti, pa tudi zmanjšanje moči, razvoj lezenja pod pogojem podaljšane obremenitve. Skupaj s tem imajo precej visoko odpornost na utrujenost. V primerjavi s kovinami jih zaznamuje izrazitejša odvisnost mehanskih lastnosti od temperature. Ena glavnih značilnosti polimernih materialov je deformabilnost (skladnost). V tem širokem parametru je običajno oceniti njihove glavne operativne in tehnološke lastnosti v širokem temperaturnem območju.

Polimerni materiali za tla

Zdaj upoštevajte eno od možnosti za praktično uporabo polimerov, ki razkriva celoten obseg teh materialov. Te snovi so našli široko uporabo pri gradbenih, popravljalnih in zaključnih delih, še posebej v tla. Ogromna priljubljenost je razložena z značilnostmi obravnavanih snovi: odporni so na abrazijo, nizko toplotno prevodnost, malo absorpcije vode, dovolj močni in trdi, imajo visoke lastnosti barve in laka. Proizvodnja polimernih materialov lahko razdelimo v tri skupine: linoleje (zvitke), ploščate izdelke in mešanice za napravo brezšivnih tal. Zdaj pa na kratko preučimo vsako od njih.

Linolej je narejen na osnovi različnih vrst polnil in polimerov. Lahko vključujejo tudi plastifikatorje, sredstva za predelavo in pigmente. Glede na vrsto polimernega materiala obstajajo poliester (gliptični), polivinilklorid, guma, koloksilin in drugi premazi. Poleg tega so v strukturi razdeljeni na neosnovno in z zvočno izolacijsko podlago, enostopenjsko in večplastno, z gladko, fleksibilno in valovito površino ter enojno in večbarvno.

Materiali za ploščice, izdelani na osnovi sestavnih delov polimera, imajo zelo majhno abrazijo, kemično odpornost in vzdržljivost. Te vrste polimernih izdelkov so odvisne od vrste surovin razdeljene na kumaronopolivinilklorid, kumaron, polivinilklorid, gumo, fenolit, bitumenske plošče, pa tudi plošče za iverne plošče in lesne vlaknine.

Materiali za brezšivne talne obloge so najprimernejši in higienski, imajo visoko trdnost. Te zmesi običajno delimo na polimerni cement, polimerni beton in polivinil acetat.