Где применяются полимеры. Полимерные материалы: технология, виды, производство и применение

Достоинства полимерных материалов - достаточно высокие прочность и износостойкость, хорошие антифрикционные свойства и химическая стойкость. Ремонт деталей с применением полимерных материалов не требует сложного оборудования, малотрудоемок, сопровождается невысоким нагревом детали (250-320 °С), допускает большие износы (1-1,2 мм), в ряде случаев не требует последующей механической обработки. Применяется для заделки трещин, вмятин, пробоин, раковин, отколов, для восстановления размеров изношенных деталей, для изготовления быстроизнашивающихся деталей или их отдельных частей, для противокоррозионной защиты. Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении, 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.

Традиционно изделия из полимеров отличаются надежностью и высоким качеством.

Применение полимерных материалов в домашнем хозяйстве с самого начала было одной из первых задач промышленности, производящей полимеры. Для этого было много предпосылок. Их легко окрашивать в любые цвета, и благодаря этому они могут украсить наши будни.

Полиэтиленовые ведра, тазы много легче металлических - вот и желанное облегчение труда. На предприятиях общественного питания мы встречаем небьющуюся легкую пластмассовую посуду. При этом тарелки, чашки и другая утварь, получаемые на основе меламиновой смолы, блестяще проявили себя в эксплуатации.

Из ПВХ и полиэтилена высокопроизводительными способами изготавливаются бутылки для уксуса и масла.

Полимерные материалы находят все большее применение в производстве мебели. Декоративные прессованные пленки придают столам, шкафам и другим предметам праздничный вид и делают их стойкими по отношению к таким воздействиям, которых не выносит покрытие из дерева. При этом за ними чрезвычайно легко ухаживать.

Моющиеся обои из пенистого материала обеспечивают одновременно уют и праздничную обстановку в помещении.

Современные надежные в эксплуатации покрытия для пола, изготавливаемые из полимерных материалов, также облегчают уборку помещений. Особо следует отметить, что для их изготовления можно применять отходы переработки полимеров.

Сегодня никого уже не удивляет водопроводная арматура из полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена или аминопластов. Привычным стал телефонный аппарат из полимерных материалов.

Приблизительно 25% производимых пластмасс в самых разнообразных формах находят применение в строительстве. О традиционном применении в качестве покрытия полов, обшивки внутренних водостоков, санитарных объектов и т.п. мы уже не будем говорить.

В последние годы во все большем объеме применяются элементы конструкций заводского изготовления, в которых преобладают полимерные материалы. Их незначительная масса приносит выгоды при транспортировке и монтаже. Высокая светопроницаемость, способность материала окрашиваться в любой цвет, незначительные расходы при эксплуатации-вот определяющие свойства этих новых материалов.

Отличные теплоизоляционные свойства, особенно пенопластов, также будоражат мысли архитекторов и строителей. Светопрозрачные купола делают возможным бестеневое освещение. Неразрушающиеся прозрачные элементы, как правило из стеклопластиков, заменяют традиционные конструкции из армированного бьющегося стекла. Такими сводами при толщине составляющих их элементов не более 2 мм можно перекрывать пролеты шириной до 12 м. Такие конструкции применяют, например, в строительстве теплиц, так как они не корродируют во влажной атмосфере и, кроме того, проницаемы для света. Можно было бы назвать еще много других примеров применения полимеров для покрытия помещений. Для перекрытия стадионов уже применяют панели с элементами большой площади.

Известны пластмассовые конструкции диаметром до 43 м и высотой до 36 м, которые служат для защиты радарных установок от атмосферного влияния. (Высокочастотное излучение проходит через стеклопластик, почти не теряя своей мощности.) Внушительные размеры сооружения подчеркивают возможность полимерных материалов. Стоит посмотреть и на смонтированные на головокружительной высоте цилиндры, защищающие антенну телевизионной башни от обледенения (63).

В последние годы в строительстве внедряются многослойные легкие строительные элементы для перекрытий (64). Так называемые сандвич-конструкции состоят из покрывающих слоев на основе алюминия, асбоцементного или жестковолокнистого полотна, которые соединены с жестким пенополиуретаном или пенополистиролом. При толщине элементов от 50 до 80 мм в зависимости от системы покрывающих слоев масса поверхности составляет от 6 до 25 кг/м2. Температурная область эксплуатации простирается до 100 °С.

Свыше 30% производимых пластмасс используется в машино- и аппаратостроении в качестве конструкционных материалов. В машиностроении в центре внимания находится, конечно, экономичность изготовления элементов конструкций. Уплотнения всех видов, зубчатые колеса с осями и втулками, дисковые кулачки, осевые и радиальные колеса, элементы сцепления, подшипники скольжения, катушки зубчатых передач и многие другие профильные детали оказались весьма эффективными в эксплуатации. Большая жесткость, способность точно сохранять заданные размеры, хорошее скольжение и износостойкость -достоинства, которые обеспечивают многофункциональность внедряемых полимерных материалов.

Наряду с большинством применяемых до сих пор в машиностроении пластмасс (твердые полиамиды, пресс-массы на основе фенольной смолы), сегодня могли бы найти новые области применения прежде всего стеклопластики на основе термопластичного связующего. Если массовое содержание стекловолокна достигает 30%, предел прочности на растяжение в 2-3 раза превышает этот показатель для неусиленного полимера, а модуль упругости даже в 3-4 раза. Напротив, тепловое линейное расширение составляет от 1/4 до х/з исходной величины, относительное удлинение при разрыве-только около 1/20. Сверх того уменьшается склонность к раздиру, что также указывает на увеличение работоспособности полимера.

Полиуретановые эластомеры также открывают новые технические возможности для машиностроения. Поскольку этот материал обладает и коррозионной стойкостью, отпадает необходимость поверхностной обработки и прежде всего нанесения металлических и неметаллических защитных слоев. Это существенно снижает затраты на изготовление и поддержание изделий в исправном состоянии.

В аппаратостроении, особенно для химической промышленности, значение полимеров определяется их высокой коррозионной стойкостью. При температуре до 100 °С и умеренных механических нагрузках имеются благоприятные предпосылки для замены высоколегированных сталей полимерными материалами. Поливинилхлорид, полиэтилен высокого давления, полипропилен, полибутен, политетрафторэтилен и стеклопластики-наиболее интересные в этом отношении материалы. Для конструкций, на которые вместе с механическими нагрузками действует агрессивная среда, особенно важную роль играют стеклопластики на основе термопластичных смол.

Трубы из термопластов можно производить экструзией при внешнем диаметре до 1200 мм, а методом обмотки изготавливают трубы диаметром до 3000 мм.

Складские и транспортные резервуары (65) можно изготавливать вместимостью до 85 м3 (железнодорожные цистерны) или до 22 м3 (автотрейлеры для уличного движения). Предпочтительный материал - стеклопластики. Существуют хранилища для соляной кислоты диаметром до 9 м и высотой до 7 м.

Внедрение пластмасс в область технологических аппаратов и соответствующих систем трубопроводов также весьма значительно. Очень эффективно использование полимерных материалов в вентиляционных установках для вытяжки агрессивных газов. Очистные башни для корро-зионноактивных отходящих газов, дымовые трубы, вентиляционные элементы для колпачковых тарелок, гальванотехническая аппаратура, установки для получения хлора и щелочей электролитическим методом, реакционные колонны, насосы и многие другие подобные области применения-вот примеры использования полимеров в качестве конструкционных материалов. Благодаря стойкости к истиранию, химической инертности и легкости обработки в каждом конкретном случае может быть достигнута экономия, которая складывается из уменьшения затрат на поддержание установок в исправности и увеличения длительности и безопасности их эксплуатации по сравнению с аналогичными из металлических или других материалов.

Упаковочная техника потребляет 20-25% всех производимых пластмасс, то есть столько же, сколько строительство. Традиционные упаковочные материалы, такие как бумага, дерево, веревки и ткани из растительных волокон, гораздо быстрее приходят в негодность. Полимерные пленки и пенопласты не только заменяют эти «старомодные» материалы, но и вызвали к жизни принципиально новую технологию упаковки.

Упаковочные пленки удовлетворяют более широким требованиям, чем традиционные материалы. Они прозрачны и на них можно печатать это обеспечивает упаковке привлекательный вид. Физиологическая инертность, так же как непроницаемость для газов и водяных паров, особенно ценятся при упаковке пищевых продуктов. Пленки бывают полиэтиленовые, полипропиленовые, поливинилхлоридные, полиамидные, из поливинилового спирта и целлофана толщиной от 20 до 200 мкм. Конечно, у них разные значения прочностных характеристик и проницаемости для газов и водяного пара. Для некоторых из этих материалов прочность при растяжении может быть достаточна высока, и тогда они могут удовлетворять требованиям, которые предъявляются, например, к мешкам (в них загружают до 50 кг материала и складывают в штабели до 30 слоев).

В тех случаях, когда требуется непроницаемый для газов материал, применяют так называемые комбинированные пленки. Наиболее известны дублированные пленочные материалы: полиэтилен-целлофан, полиэтилен-полиамид, поливинил-хлорид-целлофан, поливинилиденхлорид - целлофан. Для специальной упаковки высокочувствительных технических приборов, особенно для морских перевозок нужны трехслойные пленки. Комбинации полиэтилен - полиамид - полиэтилен, полиэтилен-полипропилен - полиэтилен, полиэтилен - поликарбонат - полиэтилен отвечают самым суровым требованиям.

Полимерные пленки открыли новые возможности для упаковочной техники. Особыми технологическими свойствами обладают так называемые термоусадочные пленки. При их получении фиксируются внутренние напряжения, которые позднее при воздействии тепла «снимаются» и таким образом возникает усадка.

Пленка охватывает предназначенное для упаковки изделие, и после завершения усадки оно готово к транспортированию, защищено от пыли и влаги. Отпадает необходимость в дополнительной перевязке. Благодаря компактности упаковки появляется возможность оптимально использовать загружаемое пространство, что равносильно увеличению полезного объема транспорта на 20%. Легко представить себе, какое народнохозяйственное значение имеет связанное с этим повышение степени загрузки транспорта.

Другие новые возможности в упаковочной технике появились благодаря пенопла-стам, прежде всего пенополистиролу с плотностью 25-30 кг/м3. В 1 м3 этого материала содержится около 350 000 сферических ячеек, разделенных стенками толщиной 1-2 мкм. Материал содержит до 97% воздуха. Воздух, заключенный в ячейках, гасит толчки и вибрацию, случающиеся при транспортировке. Прочность пенопла-стов должна быть достаточна для того, чтобы выдержать изделие. Внутри блока легко сделать выемку, точно соответствующую внешней форме изделия.

Новая упаковочная техника особенно ценна для транспортировки хрупких дорогих высококачественных приборов, например электронных ламп, пишущих машин, телевизионных аппаратов, так как позволяет существенно ограничить повреждения. Теплозащитная упаковка на определенное время без дополнительных мероприятий гарантирует, что температура транспортируемых товаров, чувствительных к воздействию тепла или холода, будет поддерживаться на определенном уровне. Так, для сохранения рыбы, транспортируемой в ящиках из пенополистирола, требуется только около половины обычно необходимого льда.

Зато мусор, возникающий после использования полимерных упаковочных материалов, также породил новые проблемы. Часть его не горит, а при горении некоторых видов полимеров отщепляются ядовитые продукты. Гнить пластмассовый мусор не может.

Для полного изменения упаковочной техники требуется дальнейшее развитие этих материалов и разработа способов безопасного уничтожения образующегося пластмассового мусора.

Пластмассы с их прекрасными диэлектрическими свойствами, можно сказать, подтолкнули развитие электротехники и электроники. Корпуса катушек и контактов, штепсельные соединения, монтажные платы, цоколи реле, программные переключатели, а также печатные платы - вот только некоторые примеры применения полимеров в этих важных отраслях промышленности.

Высокочастотный кабель с семью коаксиальными системами своей конструкцией и мощностью также обязан названному выше специфическому свойству пластмасс.

Раньше задачу электроизоляции возлагали на керамику, фарфор и резину. Сегодня возросшие требования к электроизоляционным свойствам и необходимость снижения электрических потерь удовлетворяется почти исключительно полимерами. Так, в высокочастотной технике требуется независимость эксплуатационных свойств материала от частоты и температуры. Кроме того, эти свойства не должны изменяться под влиянием старения, например во влажном теплом климате. Отщепление коррозионноактивных веществ под влиянием повышенной температуры и высокой влажности в процессе эксплуатации часто ограничивает работоспособность металлических контактов.

В последнее время в качестве изоляционных материалов нашли применение жесткие формовочные массы на основе термореактивных смол: фенольной, мелами-новой, мочевинной, полиэфирной и эпоклщной. Эти материалы, свойства которых варьируют, подбирая смолу, наполнитель и другие компоненты, отличаются теплостойкостью, незначительным тепловым расширением и формоустойчивостью при повышенных температурах. Особо ценятся их устойчивость к действию органических растворителей, незначительные воспламеняемость и горючесть и ряд других отличительных черт.

Внедрение термопластов в электротехнику было поначалу существеннее всего з области кабельной изоляции. Высокая инертность и хорошие технологические свойства позволили все больше заменять резину, в частности для изоляции проводов.

В электронике высокоэкономичное массовое производство сложных деталей, особенно с учетом возрастающей их миниатюризации, создало хорошие предпосылки J.TJI внедрения термопластов. Стеклопластики на основе термопластов по прочностным и деформационным свойствам сопоставимы уже с материалами на термореактивной основе. Там, где до сих пор повышенным требованиям к стабильности форм при тепловом воздействии могли удовлетворить только термореактивные полимеры, теперь имеется широкий спектр материалов.

Хотя электрическим свойствам материалов мы придаем первостепенное значение, всегда надо сравнивать и их стоимости. Именно поэтому мы находим в управляющей и регулирующей, передающей технике и других смежных областях различные виды пластмасс, соответствующие этим конкретным областям.

Заключение.

В настоящее время полимеры вошли в каждый дом, а применение полимерных материалов охватило множество самых различных сфер, которые, казалось бы, не имеют ничего общего между собой. Каждый год растет уровень потребления полимерных материалов и спрос на них, расширяется сфера применения и рынок полимерной продукции. Современные технологии позволяют создать более качественные и совершенные изделия из полимерных материалов, сделать их экологичнее и безопаснее. Большим преимуществом применяемой полимерной продукции является то, что она подлежит вторичной переработке, и этому вопросу уделяется все больше внимания. Таким образом, полимеры без преувеличения можно назвать материалами будущего.

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.

Представьте следующую ситуацию. Вы выходите из магазина и торопитесь поскорее закинуть пакет в машину. Дело сделано. Вы быстро проверяете телефон и садитесь за руль. Заходя в свою квартиру, вы вытираете ноги о резиновый коврик, вынимаете все из пакетов: сковородку с антипригарным покрытием, игрушки для ребенка, пену для бритья, пару рубашек, обои. Вроде ничего не забыли. Вы прихватываете с собой бутылку воды и идете к компьютеру - пора бы и поработать. Все, о чем шла речь выше, содержит полимеры. Вплоть до магазина.

Полимеры - что это такое?

Полимеры - это материалы, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул. Они обладают уникальными свойствами в зависимости от типа соединяемых молекул и от того, как они соединены. Некоторые из них гнутся и тянутся, например резина и полиэстер. Другие твердые и жесткие, как эпоксиды и органическое стекло.

Термин «полимер» обычно используется для описания пластиков, которые являются синтетическими полимерами. Как бы то ни было, естественные полимеры также существуют: к примеру, резина и дерево - это естественные полимеры, состоящие из простого углеводорода, изопрена. Белки - тоже естественные полимеры, они состоят из аминокислот. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) - полимеры нуклеотидов - сложных молекул, состоящих из азотсодержащей основы, сахара и фосфорной кислоты.

Кто до этого додумался?

Отцом полимеров считается преподаватель органической химии из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Герман Штаудингер.

Герман Штаудингер. Источник: Wikimedia

Его исследования 1920-х гг. проложили путь для последующей работы, как с естественными, так и с синтетическими полимерами. Он ввел два термина, являющихся ключевыми для понимания полимеров: полимеризация и макромолекула. В 1953 г. Штаудингер получил заслуженную Нобелевскую премию «за его открытия в поле макромолекулярной химии».

Полимеризация - метод создания синтетических полимеров путем комбинирования более маленьких молекул, мономеров, в цепочку, скрепляемую ковалентными связями. Различные химические реакции, например те, что вызваны теплом и давлением, изменяют химические связи, которые скрепляют мономеры. Процесс заставляет молекулы связываться в линейной, разветвленной или пространственной структуре, превращая их в полимеры. Эти цепочки мономеров также называют макромолекулами. Одна макромолекула может состоять из сотен тысяч мономеров.

Виды полимеров

Вид полимера зависит от его структуры. Из вышенаписанного мы понимаем, что таких видов должно быть три.

Линейные полимеры. Это соединения, в которых мономеры химически инертны по отношению друг к другу и связаны лишь силами Ван-дер-Ваальса (силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10–20 кДж/моль. - Прим. ред .). Термин «линейные» вовсе не обозначает прямолинейное расположение молекул относительно друг друга. Наоборот, для них более характерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность.

Разветвленные полимеры. Они образованы цепями с боковыми ответвлениями (число ответвлений и их длина различны). Разветвленные полимеры более прочны, чем линейные.

Линейные и разветвленные полимеры размягчаются при нагревании и вновь затвердевают при охлаждении. Такое их свойство называется термопластичностью, а сами полимеры - термопластичными, или термопластами. Связи между молекулами в таких полимерах могут быть разорваны и соединены по новой. Это значит, что пластмассовые бутылки можно использовать для производства других полимерсодержащих вещей, от коврика до флисовых курток. Конечно, можно наделать еще бутылок. Все, что понадобится для переработки, - высокая температура. Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так как связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под действием реагентов. К термопластам относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол и др.

Если же макромолекулы содержат реакционно-способные мономеры, то при нагревании они соединяются множеством поперечных связей, и полимер приобретает пространственную структуру. Такие полимеры называют термоактивными, или реактопластами.

С одной стороны, реактопласты обладают положительными качествами: они более твердые и теплостойкие. С другой стороны, после разрушения связей между молекулами термоактивных полимеров ее не получится установить второй раз. Переработка в таком случае отпадает, а это очень нехорошо. Самые распространенные полимеры этой группы - полиэстер, винилэстер и эпоксиды.

1. На основе полимеров получают волокна путем продавливания растворов или расплавов через фильеры с последующим затвердеванием - это полиамиды, полиакрилонитрилы и др.

2. Полимерные пленки получают продавливанием через фильеры с щелевидными отверстиями или нанесением на движущую ленту. Их используют как электроизоляционный и упаковочный материал, основы магнитных лент.

3. Лаки - растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях.

4. Клеи, композиции способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями клеевой прослойкой.

5. Пластмассы

6. Композиты (композиционные материалы) - полимерная основа, армированная наполнителем.

10.4.2. Областиприменения полимеров

1. Полиэтилен устойчив к агрессивной среде, влагонепроницаем, является диэлектриком. Из него изготавливают трубы, электротехнические изделия, детали радиоаппаратуры, изоляционные пленки, оболочки кабелей телефонных и силовых линий.

2. Полипропилен - механически прочен, стоек к изгибам, истиранию, эластичен. Применяют для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков и др.

3. Полистирол - устойчив к действию кислот. Механически прочен, является диэлектриком Используется как электроизоляционный и конструкционный материал в электротехнике, радиотехнике.

4. Поливинилхлорид - трудногорюч, механически прочен, электроизоляционный материал.

5. Политетрафторэтилен (фторопласт) - диэлектрик не растворяется в органических растворителях. Обладает высокими диэлектрическими свойствами в широком диапазоне температур (от -270 до 260ºС). Применяется также как антифрикционный и гидрофобный материал.

6. Полиметилметакрилат (плексиглас) - применяется в электротехнике как конструкционный материал.

7. Полиамид – обладает высокой прочностью, износостойкостью, высокими диэлектрическими свойствами.

8. Синтетические каучуки (эластомеры).

9. Фенолформальдегидные смолы - основа клеев, лаков, пластмасс.

10.5. Органические полимерные материалы

10.5.1. Полимеризационные термопластичные смолы

Полипропилен - термопластичный полимер, получаемый из газа пропилена C 3 H 6 . (CH 2 = CH - CH 3)

Структурная формула

[-CH 2 -CH(CH 3)-] n .

Полимеризация ведется в бензине при температуре 70 °С по способу Натта. Получают полимер с регулярной структурой. Он имеет высокую химостойкость и разрушается лишь под действием 98% H 2 SO 4 и 50% HNO 3 при температуре выше 70°.

Электрические свойства как у полиэтилена. Пленка имеет малую газо - и паропроницаемость. Применяется для изоляции высокочастотных кабелей и монтажных проводов, в качестве диэлектрика высокочастотных конденсаторов.

Полиизобутилен - продукт полимеризации газа изобутилена. Структурная формула:

Существует несколько видов полиизобутилена, жидкие низкомолекулярные (1000) и твердые высокомолекулярные (400000). Т.е. в зависимости от степени полимеризации он может быть жидким с различной вязкостью и эластичным подобно каучуку. Молекулы имеют нитевидную симметричную структуру с разветвленностью в боковых группах. Этим можно объяснить клейкость материала, большая эластичность, по сравнению с полиэтиленом. Это диэлектрик с ρ = 10 15 – 10 16 Ом см,ε = 2,25 – 2,35, электрическая прочность – 16 – 23 кВ/мм.

Морозостойкость полиизобутилена зависит от его молекулярного веса, чем вес больше, тем полиизобутилен морозоустойчивее.

В чистом виде или в композициях полиизобутилен применяют для изготовления изоляционных лент; изоляции высокочастотных кабелей (в композициях с полиэтиленом); уплотнителей; изоляционных заливочных компаундов; клеящих материалов.

Вследствие холодной текучести полиизобутилена для изоляции высокочастотных кабелей применяется резиноподобная смесь из 90% полиизобутилена и 10% полистирола с прослойкой полистирольной пленки (стирофлекса). Эта смесь имеет высокие электрические свойства при повышенной влажности.

Полистирол – продукт полимеризации стирола – ненасышенного УВ – винилбензола или фенилэтилена –CH 2 CHC 6 H 5 .

Молекула стирола несколько несимметрична, что обусловлено наличием в нем фенольных групп.

При нормальной температуре стирол - бесцветная прозрачная жидкость. Из методов полимеризации стирола и получения твердого диэлектрика наиболее распространены методы блочной и эмульсионной полимеризации.

Стирол токсичен, вызывает раздражения кожи, глаз и органов дыхания. Пыль полистирола образует с воздухом взрывоопасные концентрации.

Плотность – 1,05 г/см 3

ρ, Ом·см, 10 14 – 10 17

ε= 2,55 – 2,52

Полистирол – химически стоек, на него не действуют концентрированные кислоты (HNO 3 – исключение) и щелочи, он растворяется в эфирах, кетонах, ароматических углеводородах и не растворяется в спиртах, воде, растительных маслах.

Степень полимеризации зависит от условий. Можно получить полимер с молекулярной массой до 600000. Это будут твердые полимеры. Применение находят полимеры с М.М. от 40000 до 150000. При нагреве 180 – 300 ºС возможна деполимеризация. Электрические свойства также зависят от метода полимеризации и наличия полярных примесей, особенно эмульгаторов.

Изделия из полистирола производят прессованием и литьем под давлением. Из него изготавливают: пленку (стирофлекс), ламповые панели, каркасы катушек, изоляционные детали переключателей, изоляторы антенн; пленки для конденсаторов и др. Полистирол в виде лент, шайб, колпачков применяется для изоляции высокочастотных кабелей.

Недостатки: невысокая нагревостойкость и склонность к быстрому старению – появление на поверхности сетки мелких трещин; при этом понижается электрическая прочность и повышается ε .

Полидихлорстирол – отличается от полистирола содержанием в каждом звене цепи двух атомов хлора и вследствие этого большой теплостойкостью, нагревостоек.

ε= 2,25 – 2,65

Полихлорвинил – термопластичное синтетическое высокополимерное соединение с линейной структурой молекул несимметричного строения. Резко выраженная асимметричность и полярность полихлорвинила связана с хлором.

Получают полимеризацией хлорвинила H 2 C =CH -Cl. Исходным сырьем для получения являются дихлорэтан и ацетилен. Хлорвинил является галоидопроизводным этилена. При нормальной температуре он представляет собой бесцветный газ, при температуре 12 - 14 ºС – жидкость, и при -159 ºС твердое тело. Полимеризация хлорвинила может производиться тремя способами: блочным, эмульсионным и в растворах. Наиболее применимый – водоэмульсионный. Существуют марки полихлорвинила с добавкой пластификаторов и наполнителей с различными механическими свойствами, морозостойкостью и нагревостойкостью.

Молекула полихлорвинила имеет вид

ε= 3,1 – 3,4 (при 800 Гц)

ρ = 10 15 – 10 16 Ом. см

Полихлорвинил малогигроскопичен, изменение диэлектрических свойств во влажной атмосфере незначительно.

Изделия изготовляют путем прессования, литьем под давлением, штамповкой, формованием.

Полихлорвинил применяется в виде пластмасс различной эластичности, в виде лаков для защитных покрытий. Он химически стоек против воздействия щелочей, кислот, спирта, бензина и минеральных масел. Сложные эфиры, кетоны, ароматические углеводороды частично растворяют его или вызывают набухание.

Полихлорвинил применяется в электропромышленности в следующих изделиях:

а) аккумуляторные банки;

б) шланги для электроизоляции и химзащиты;

в) изоляция телефонных проводов и кабелей (заменитель свинца);

г) изоляционные прокладки, втулки и др. изделия.

Не применяется в высокочастотных цепях в качестве диэлектрика из-за высоких диэлектрических потерь (высокая проводимость), и при температурах выше 60-70 ºС.

Поливинилацетат – полимеры жидкого винилацетата, получаемого в результате химического взаимодействия ацетилена (C 2 H 2) и уксусной кислоты:

или CH 2 =CHOCOCH 3 . Из него получаютвинилацетат - бесцветную легкоподвижную жидкость с эфирным запахом, разлагающуюся при 400°С.

Материал поливинилацетат – бесцветный, без запаха, занимает среднее место между смолами и каучуками. Свойства его зависят от степени полимеризации. М.М. от 10000 до 100000. Температура размягчения равна 40 – 50 °С.

Высокополимерные продукты при 50 – 100 °С становятся каучукоподобными, а при отрицательных температурах – твердыми, достаточно эластичными.

Все полимеры обладают светостойкостью, даже при 100 °С. При нагревании поливинилацетат не деполимеризуется до мономера, а разлагается с отщеплением уксусной кислоты. Не воспламеняется. Это полярный полимер. Растворим в эфирах, кетонах (ацетон), метиловом (CH 3 OH) и этиловом (C 2 H 5 OH) спиртах, не растворим в бензине. В воде слегка набухает, но не растворяется.

Применяется главным образом, для производства безосколочного стекла " триплекс ". Применяется в электроизоляционной технике. Лаки на его основе ценятся за хорошие электроизоляционные свойства, эластичность, светостойкость, бесцветность.

Полиметилметакрилат (органическое стекло, плексиглас) – большая группа высокополимерных эфиров метакриловой кислоты, имеющих большое техническое применение

В электропромышленности применяется как вспомогательный материал.

Получается при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты (метилметакрилат) в присутствии инициатора.

При 573 К полиметилметакрилат деполимеризуется с образованием исходного мономера метилметакрилата.

По составу от поливинилацетата отличается наличием метильной группы в боковой цепи вместо водорода и наличием валентной связи углерода главной цепи с эфирной группой не через кислород, а через углерод.

Имеет низкую теплостойкость (примерно 56 °C); ε = 3,3 - 4,5; ρ = 2,3·10 13 - 2·10 12 Ом. м. Не пригоден для электрической изоляции.

Применяется как конструкционный, оптический и декоративный материал, окрашиваемый анилиновыми красителями в различные цвета. Из него изготовляют корпуса и шкалы приборов, прозрачные защитные стекла и колпаки, прозрачные детали аппаратуры и др. Органическое стекло легко обрабатывается: сверлится, пилится, обтачивается, шлифуется, полируется. Хорошо гнется, штампуется и склеивается растворами полиметилметакрилата в дихлорэтане.

Поливиниловый спирт – твердый полимер состава (-CH 2 -CHOH-) n . Получается при гидролизе поливинилацетата кислотой или щелочью. Формула поливинилового спирта

Линейный полимер несимметричной структуры. Наличие группы ОН в каждом звене цепи определяет высокую гигроскопичность и полярность спирта. Растворяется только в воде. Имеетρ = 10 7 Ом·см. Используется как вспомогательный материал при изготовлении печатных радиосхем.

Устойчив против плесени и бактерий. Хороший материал для изготовления масло- и бензоустойчивых мембран, шлангов, панелей. Прогрев при 170°С в течение 3 – 5 часов повышает водостойкость и уменьшает растворимость поливинилового спирта.

Олигоэфиракрилаты

Олигомеры – химические соединения со средним молекулярным весом (менее 1000), большим по сравнению с мономерами и меньшим по сравнению с полимерами. Основное их свойство – способность к полимеризации за счет ненасыщенных связей, обуславливающих пространственную или линейную структуру готового продукта. При полимеризации не выделяются низкомолекулярные продукты, поэтому изоляция, полученная методом заливки олигомерами, отличается монолитностью, без пустот и пор. Они не требуют для полимеризации особых условий (высокого давления, температуры, среды и т.д.).

Промышленностью выпускаются полиэфирные, полиуретановые, кремнийорганические олигомерные соединения и их модификации.

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.