Materiały polimerowe: technologia, rodzaje, produkcja i zastosowanie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Materiały polimerowe to wysokocząsteczkowe związki chemiczne składające się z wielu drobnocząsteczkowych monomerów (jednostek) o tej samej strukturze. Często do produkcji polimerów stosuje się następujące składniki monomeryczne: etylen, chlorek winylu, dechlorek winylu, octan winylu, propylen, metakrylan metylu, tetrafluoroetylen, styren, mocznik, melaminę, formaldehyd, fenol. W tym artykule szczegółowo rozważymy, czym są materiały polimerowe, jakie są ich właściwości chemiczne i fizyczne, klasyfikacja i rodzaje.

Rodzaje polimerów

Cechą cząsteczek tego materiału jest duża masa cząsteczkowa, która odpowiada następującej wartości: М>5103. Związki o niższym poziomie tego parametru (M=500-5000) nazywane są oligomerami. W związkach o niskiej masie cząsteczkowej masa jest mniejsza niż 500. Wyróżnia się następujące rodzaje materiałów polimerowych: syntetyczne i naturalne. Do tych ostatnich można zaliczyć kauczuk naturalny, mikę, wełnę, azbest, celulozę itp. Jednak główne miejsce zajmują polimery syntetyczne, które otrzymuje się w wyniku procesu syntezy chemicznej ze związków o małej masie cząsteczkowej. zależnyz metody wytwarzania materiałów wielkocząsteczkowych wyróżnia się polimery, które powstają w wyniku polikondensacji lub reakcji addycji.

Polimeryzacja

Ten proces polega na połączeniu składników o niskiej masie cząsteczkowej z wysoką masą cząsteczkową w celu uzyskania długich łańcuchów. Poziom polimeryzacji to liczba „merów” w cząsteczkach danej kompozycji. Najczęściej materiały polimerowe zawierają od tysiąca do dziesięciu tysięcy ich jednostek. W wyniku polimeryzacji otrzymuje się następujące powszechnie stosowane związki: polietylen, polipropylen, polichlorek winylu, politetrafluoroetylen, polistyren, polibutadien itp.

Polikondensacja

Proces ten jest reakcją etapową, która polega na połączeniu dużej liczby monomerów tego samego typu lub pary różnych grup (A i B) w polikondensatory (makrocząsteczki) z jednoczesnym utworzeniem następujących produkty uboczne: alkohol metylowy, dwutlenek węgla, chlorowodór, amoniak, woda itp. W wyniku polikondensacji powstają silikony, polisulfony, poliwęglany, tworzywa aminowe, tworzywa fenolowe, poliestry, poliamidy i inne materiały polimerowe.

Poliaddycja

Proces ten rozumiany jest jako tworzenie polimerów w wyniku reakcji wielokrotnego dodawania składników monomerowych zawierających ograniczające kombinacje reakcji do monomerów grup nienasyconych (aktywne cykle lub wiązania podwójne). W przeciwieństwie do polikondensacji, reakcja poliaddycji przebiega bez żadnych produktów ubocznych. Najważniejszym procesem tej technologii jest utwardzanie żywic epoksydowych i produkcja poliuretanów.

Klasyfikacja polimerów

Skład wszystkich materiałów polimerowych dzieli się na nieorganiczne, organiczne i organoelementy. Pierwsze z nich (szkło krzemianowe, mika, azbest, ceramika itp.) nie zawierają węgla atomowego. Oparte są na tlenkach glinu, magnezu, krzemu itp. Najszerszą klasę stanowią polimery organiczne, które zawierają atomy węgla, wodoru, azotu, siarki, halogenu i tlenu. Polimerowe materiały organoelementowe to związki, które w głównych łańcuchach zawierają oprócz wymienionych atomy krzemu, glinu, tytanu i innych pierwiastków, które mogą łączyć się z rodnikami organicznymi. Takie kombinacje nie występują w naturze. Są to wyłącznie polimery syntetyczne. Charakterystycznymi przedstawicielami tej grupy są związki krzemoorganiczne, których główny łańcuch zbudowany jest z atomów tlenu i krzemu.

Aby uzyskać polimery o wymaganych właściwościach, technologia często wykorzystuje nie „czyste” substancje, ale ich kombinacje ze składnikami organicznymi lub nieorganicznymi. Dobrym przykładem są polimerowe materiały budowlane: metal-tworzywa sztuczne, tworzywa sztuczne, włókno szklane, beton polimerowy.

Struktura polimerów

Specyfika właściwości tych materiałów wynika z ich struktury, która z kolei dzieli się na następujące typy: liniowo-rozgałęzione, liniowe, przestrzennez dużymi grupami molekularnymi i bardzo specyficznymi strukturami geometrycznymi, a także schodami. Przyjrzyjmy się pokrótce każdemu z nich.

Materiały polimerowe o liniowo rozgałęzionej strukturze, oprócz głównego łańcucha cząsteczek, mają boczne odgałęzienia. Te polimery obejmują polipropylen i poliizobutylen.

Materiały o strukturze liniowej mają długie łańcuchy zygzakowate lub spiralne. Ich makrocząsteczki charakteryzują się przede wszystkim powtarzalnością miejsc w jednej grupie strukturalnej ogniwa lub jednostki chemicznej łańcucha. Polimery o strukturze liniowej wyróżniają się obecnością bardzo długich makrocząsteczek ze znaczną różnicą charakteru wiązań wzdłuż łańcucha i między nimi. Dotyczy to wiązań międzycząsteczkowych i chemicznych. Makrocząsteczki takich materiałów są bardzo elastyczne. Ta właściwość jest podstawą łańcuchów polimerowych, co prowadzi do jakościowo nowych właściwości: wysokiej elastyczności, a także braku kruchości w stanie utwardzonym.

A teraz dowiedzmy się, czym są materiały polimerowe o strukturze przestrzennej. Substancje te tworzą, gdy makrocząsteczki łączą się ze sobą, silne wiązania chemiczne w kierunku poprzecznym. W efekcie uzyskuje się strukturę siatkową, która ma niejednolitą lub przestrzenną podstawę siatki. Polimery tego typu mają większą odporność na ciepło i sztywność niż polimery liniowe. Materiały te są podstawą wielu strukturalnych substancji niemetalicznych.

Cząsteczki materiałów polimerowych o strukturze drabinkowej składają się z pary łańcuchów, które są połączone wiązaniem chemicznym. Obejmują onepolimery krzemoorganiczne, które charakteryzują się zwiększoną sztywnością, odpornością na ciepło, dodatkowo nie wchodzą w interakcje z rozpuszczalnikami organicznymi.

Skład fazowy polimerów

Te materiały to systemy składające się z obszarów amorficznych i krystalicznych. Pierwszy z nich pomaga zmniejszyć sztywność, uelastycznia polimer, czyli jest zdolny do dużych odwracalnych odkształceń. Faza krystaliczna pomaga zwiększyć ich wytrzymałość, twardość, moduł sprężystości i inne parametry, jednocześnie zmniejszając elastyczność molekularną substancji. Stosunek objętości wszystkich takich obszarów do całkowitej objętości nazywa się stopniem krystalizacji, gdzie maksymalny poziom (do 80%) mają polipropyleny, fluoroplasty, polietyleny o dużej gęstości. Polichlorki winylu, polietyleny o małej gęstości mają niższy stopień krystalizacji.

W zależności od tego, jak zachowują się materiały polimerowe po podgrzaniu, zwykle dzieli się je na termoutwardzalne i termoplastyczne.

Polimery termoutwardzalne

Te materiały mają przede wszystkim strukturę liniową. Podgrzane miękną, ale w wyniku zachodzących w nich reakcji chemicznych struktura zmienia się w przestrzenną, a substancja zamienia się w ciało stałe. W przyszłości ta jakość zostanie utrzymana. Na tej zasadzie budowane są polimerowe materiały kompozytowe. Ich późniejsze ogrzewanie nie zmiękcza substancji, a jedynie prowadzi do jej rozkładu. Dlatego gotowa mieszanka termoutwardzalna nie rozpuszcza się ani nie topinie wolno go poddawać recyklingowi. Ten rodzaj materiału obejmuje silikon epoksydowy, fenolowo-formaldehydowy i inne żywice.

Polimery termoplastyczne

Te materiały po podgrzaniu najpierw miękną, a następnie topią się, a następnie twardnieją po schłodzeniu. Podczas tego zabiegu polimery termoplastyczne nie ulegają zmianom chemicznym. Dzięki temu proces jest całkowicie odwracalny. Substancje tego typu mają liniowo-rozgałęzioną lub liniową strukturę makrocząsteczek, pomiędzy którymi działają niewielkie siły i nie ma absolutnie żadnych wiązań chemicznych. Należą do nich polietyleny, poliamidy, polistyreny itp. Technologia materiałów polimerowych typu termoplastycznych przewiduje ich wytwarzanie metodą wtrysku w formach chłodzonych wodą, prasowania, wytłaczania, rozdmuchu i innymi metodami.

Właściwości chemiczne

Polimery mogą występować w stanach: stałym, ciekłym, bezpostaciowym, w fazie krystalicznej, a także w odkształceniu wysoce elastycznym, lepkim i szklistym. Powszechne stosowanie materiałów polimerowych wynika z ich wysokiej odporności na różne agresywne media, takie jak stężone kwasy i zasady. Nie podlegają korozji elektrochemicznej. Ponadto wraz ze wzrostem ich masy cząsteczkowej zmniejsza się rozpuszczalność materiału w rozpuszczalnikach organicznych. A polimery, które mają trójwymiarową strukturę, na ogół nie mają wpływu na wymienione ciecze.

Właściwości fizyczne

Większość polimerów to izolatory, a ponadto są to materiały niemagnetyczne. Spośród wszystkich użytych materiałów konstrukcyjnych tylko one mają najniższą przewodność cieplną i największą pojemność cieplną, a także skurcz termiczny (około dwudziestokrotnie większy niż w przypadku metalu). Przyczyną utraty szczelności różnych zespołów uszczelniających w warunkach niskich temperatur jest tzw. zeszklenie gumy, a także ostra różnica między współczynnikami rozszerzalności metali i gum w stanie zeszklonym.

Właściwości mechaniczne

Materiały polimerowe mają szeroki zakres właściwości mechanicznych, które w dużym stopniu zależą od ich struktury. Oprócz tego parametru na właściwości mechaniczne substancji duży wpływ mogą mieć różne czynniki zewnętrzne. Należą do nich: temperatura, częstotliwość, czas trwania lub szybkość obciążenia, rodzaj stanu naprężenia, ciśnienie, charakter środowiska, obróbka cieplna itp. Cechą właściwości mechanicznych materiałów polimerowych jest ich stosunkowo wysoka wytrzymałość przy bardzo małej sztywności (w porównaniu do metali).

Polimery dzieli się zwykle na stałe, których moduł sprężystości odpowiada E=1–10 GPa (włókna, folie, tworzywa sztuczne) oraz miękkie substancje wysoce elastyczne, których moduł sprężystości wynosi E=1– 10 MPa (guma). Wzory i mechanizm niszczenia obu są różne.

Materiały polimerowe charakteryzują się wyraźną anizotropią właściwości, a także spadkiem wytrzymałości, rozwojem pełzania przy długotrwałym obciążeniu. Razem z tymmają stosunkowo wysoką wytrzymałość zmęczeniową. W porównaniu z metalami różnią się ostrzejszą zależnością właściwości mechanicznych od temperatury. Jedną z głównych cech materiałów polimerowych jest odkształcalność (giętkość). Zgodnie z tym parametrem, w szerokim zakresie temperatur, zwyczajowo ocenia się ich główne właściwości eksploatacyjne i technologiczne.

Polimerowe materiały podłogowe

Rozważmy teraz jedną z opcji praktycznego zastosowania polimerów, ujawniając pełną gamę tych materiałów. Substancje te znajdują szerokie zastosowanie w pracach budowlano-remontowo-wykończeniowych, w szczególności w podłogach. Ogromną popularność tłumaczy się właściwościami omawianych substancji: są odporne na ścieranie, mają niską przewodność cieplną, mają małą nasiąkliwość, są dość mocne i twarde, mają wysokie właściwości farb i lakierów. Produkcję materiałów polimerowych można warunkowo podzielić na trzy grupy: linoleum (walcowane), produkty z płytek i mieszanki do montażu bezspoinowych podłóg. Przyjrzyjmy się teraz każdemu z nich.

Linoleum powstają na bazie różnego rodzaju wypełniaczy i polimerów. Mogą również zawierać plastyfikatory, środki ułatwiające przetwarzanie i pigmenty. W zależności od rodzaju materiału polimerowego rozróżnia się poliester (gliftalowy), polichlorek winylu, gumę, koloksylinę i inne powłoki. Ponadto w zależności od konstrukcji dzielą się na bezpodstawne i z podstawą dźwiękoizolacyjną, jednowarstwowe i wielowarstwowe, z gładką, wełnianąi falistej powierzchni, a także jedno i wielokolorowe.

Materiały kaflowe wykonane na bazie komponentów polimerowych charakteryzują się bardzo niską ścieralnością, odpornością chemiczną i trwałością. W zależności od rodzaju surowca, ten rodzaj produktów polimerowych dzieli się na kumaron-polichlorek winylu, kumaron, polichlorek winylu, gumę, fenolit, płytki bitumiczne, a także płyty wiórowe i pilśniowe.

Materiały do podłóg bezszwowych są najwygodniejsze i najbardziej higieniczne w użyciu, mają wysoką wytrzymałość. Mieszaniny te zwykle dzieli się na cement polimerowy, beton polimerowy i polioctan winylu.