Полимерные материалы

Какие бывают полимеры – классификация

В современной промышленности насчитывается несколько десятков разновидностей. Разделение происходит по химическому составу, агрегатному состоянию и эксплуатационным качествам.

По происхождению

К ним относятся:

• • Синтетические. Являются самыми востребованными в производстве. Обладают исключительными особенностями из-за добавления и смешивания различных веществ.
• • Искусственные. Изделия из такого вида окружают нас в быту.
• • Природные (биополимеры).

По молекулярным соединениям

Различные химические свойства позволяют разделять на:

• • Органические, которые используют для основания пластмассовой продукции.
• • Комплексные, где одновременно применяются натуральные и синтетические вещества.
• • Неорганические.

Виды полимерных материалов по агрегатному состоянию

Характеристики вещества, подверженного различными температурами и давлением:

• • Эластичный. Гибкость позволяет использование при производстве строительного товара (поролон, силикон). Также большое применение находит для изготовления автомобильных покрышек.
• • Твердый. В этой форме пластмасса обладает повышенной прочностью и пластичностью. Область применения широка: оргтехника, пылесосы, холодильники, садовая мебель и другие предметы домашней утвари.
• • Жидкий. На такой основе изготавливаются лакокрасочные материалы, герметики, монтажная пена.

Типы полимеров по полярности

В этом случае на конструкцию влияют положительные и отрицательные заряды, которые определяют характер растворимости в различных средах:

• • полярный (гидрофильный);
• • неполярный (гидрофобный);
• • смешанный (амфильный).

Термопласты и реактопласты

Классификация полимеров по происхождению и по отношению к нагреванию призвана охарактеризовать поведение этих веществ при изменении температуры. В зависимости от процессов, происходящих при нагревании, получаются разные результаты. Если межмолекулярное взаимодействие ослабевает и увеличивается кинетическая энергия молекул, то вещество размягчается, переходя в вязкое состояние. При снижении температуры оно возвращается в обычное состояние – его химическая природа остается неизменной. Такие вещества называют термопластическими полимерами, например полиэтилен.

Другая группа соединений получила название термореактивных. Механизм происходящих в них при нагревании процессов совершенно другой. При наличии двойных связей или функциональных групп они взаимодействуют между собой, меняя химическую природу вещества. Оно не может восстановить свою первоначальную форму при охлаждении. Примером могут служить различные смолы.

Нанесение полимерного покрытия

При нанесении полимерного покрытия методом напыления главную роль играет оборудование.

Бак краскопульта имеет положительный заряд, в то время как окрашиваемая деталь заряжается отрицательно. Благодаря этому при контакте полимерного состава с поверхностью изделия возникает явление, схожее с магнитной индукцией при замыкании электрода.

На первом этапе работы происходит подготовка поверхности: она тщательно очищается от загрязнений и обезжиривается, те участки, которые обрабатывать не нужно, закрываются.

Далее следует предварительное грунтование изделия, нанесение самого покрытия, возможно лакирование. Все операции происходят в специальной закрытой камере, изолированной от проникновения пыли и других частиц. Одно из главных требований к этой камере – хорошая освещенность, позволяющая специалисту рассмотреть поверхность детали и нанести покрытие с любого ракурса.

Обрабатываемую деталь подвешивают на специальных крюках, подают на нее отрицательный заряд и приступают к нанесению покрытия. Весь процесс занимает достаточно много времени, материал наносится в один слой во избежание неравномерности.

Третий этап – полимеризация. Изделие с покрытием медленно прогревается в специальной камере с максимальной температурой +200 °C. Процесс занимает около 1 часа. Температура и время отверждения зависят от толщины слоя. Важным фактором правильной сушки является медленный и равномерный нагрев печи, во время которого покрытие растекается по детали, проникая во все труднодоступные места.

На последнем этапе изделие охлаждается. Для этого температура в печи постепенно снижается до +100 °C. Нельзя допускать резкого охлаждения камеры, так как на полимерном покрытии могут появиться трещины. Запрещается также открывать печь, так как перепад температуры вызовет те же последствия.

Остывшую деталь извлекают из печи и помещают в камеру для нанесения краски или лака. Данная операция необязательна и имеет, скорее, декоративное значение. Таким образом полимерному покрытию придается дополнительный блеск и глубина.

Распыление – наиболее простой способ. Для его реализации понадобится распылительный пистолет с точно настроенными параметрами, источник сжатого воздуха и само покрытие.

Особенности

Синтетические полимеры имеют в своей основе низкомолекулярные органические соединения (мономеры), которые в результате реакций полимеризации или поликонденсации образуют длинные цепочки. Расположение и конфигурация молекулярный цепей, тип их связи во многом определяют механические характеристики полимеров.

Искусственные и синтетические полимеры обладают радом специфических особенностей. На первом месте следует отметить их высокую эластичность и упругость – способность противостоять деформациям и восстанавливать первоначальную форму. Пример – полиамид, резина. Полиуретановая нить – эластан, способна без разрыва изменять свою длину на 800 % и затем восстанавливать первоначальный размер. Наличие длинных молекулярных цепочек в структуре синтетических материалов обусловило низкую хрупкость пластиковых изделий. В большинстве случаев увеличение хрупкости у некоторых типов пластмасс происходит при понижении температуры. Органические материалы практически полностью лишены этого недостатка.

Указанные свойства дополняются высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью. Большинство известных полимеров имеют высокое электрическое сопротивление, низкую теплопроводность.

Отмечая высокие эксплуатационные и технологические качества, нельзя забывать и про отрицательные стороны:

• Сложность утилизации. Вторичное использование допускает только термопластичный материал и только в случае правильной сортировки. Смесь полимеров с различным химическим составом вторичной переработке не подлежит. В природе пластики разлагаются чрезвычайно медленно – вплоть до десятков и сотен лет. При сжигании некоторых типов пластмасс в атмосферу выделяется большое количество высокотоксичных веществ и соединений. Особенно это касается пластиков, содержащих галогены. Наиболее известный материал такого типа – поливинилхлорид (ПВХ).
• Слабая устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Под действием ультрафиолетовых лучей длинные полимерные цепочки разрушаются, увеличивается хрупкость изделий, снижается прочность, холодостойкость.
• Трудность или невозможность соединения отдельных типов синтетических материалов.

Пластмассы

Химические свойства полимеров показывают их высокую стойкость к агрессивным веществам, но в ряде случаев затрудняет использование клеевых составов. Поэтому для термопластичных полимеров используют метод сварки – соединение разогретых элементов. Некоторые вещества, например, фторопласты, вообще не подлежат соединениям, кроме механических.

Образование полимеров

Искусственные полимеры получают в результате трех типов реакций: полимеризации, поликонденсации, химических реакций. Полимеризацией называется процесс присоединения повторяющихся цепочек молекул (звеньев) к активному центру роста макромолекулы. Механизм полимеризации состоит из таких этапов, как: — образование центров полимеризации; — рост молекул путем последовательного присоединения новых звеньев; — перенос центров полимеризации на другие молекулы, которые начинают активно расти; — разветвление молекул; — прекращение процесса роста молекул.

Для того чтобы вызвать полимеризацию в исходном низкомолекулярном сырье, используют различные способы воздействия: высокое давление, высокие температуры, воздействие светом или облучением, катализатором. В результате полимеризации химический состав сырья и готового продукта остается одним и тем же, но меняется структура вещества.

Поликонденсацией называется процесс изготовления полимеров из многофункциональных соединений методом перегруппировки атомов и отделения побочных продуктов (воды, низкомолекулярных соединений). Способом поликонденсации, например, производят поликарбонаты, полиуретаны, фенолальдегидные смолы.

Классификации полимерных материалов

Зависимо от происхождения полимеры разделяют на синтетические и природные. Несмотря на востребованность природных составляющих, материалы искусственного происхождения, которые производят на низкомолекулярной основе, благодаря синтезу, пользуются большим спросом.

Различия по химическому составу позволяет делить полимерные материалы на:

• неорганические, у которых нет однотипных соединений, при этом есть органические радикалы, в качестве дополнительных составляющих;
• элементоорганические полимеры, отличаются способностью удерживать в органическом радикальном соединении, атомы неорганики, хорошо сочетающихся с органикой;
• органические, которые используют, как основу для пластмассовых изделий.

Характерным отличием структуры, влияющим на свойства материала оказывает макромолекула. Ее вид позволяет разделить полимеры на:

• плоские;
• ленточного типа;
• разветвленной структуры;
• линейного характера;
• сетчатого типа;
• гребнеобразные полимеры;
• прочие виды.

По свойствам соединений звеньев, полимерные материалы делят по полярности, влияющую на растворимость материалов в разных средах. Ее определяют по разобщению положительных и отрицательных зарядов. Характера этих связей позволяет разделить полимеры на:

• гидрофильные;
• гидрофобные;
• амфильные.

Иначе говоря, можно отнести перечисленные категории к полярным, неполярным или смешанным. Кроме этого, полимеры имеют разные свойства при изменении температуры. Они бывают:

• термопластичные, имеющие свойство размягчения, при увеличении градуса, а при понижении – твердеют;
• термореактивные, подвержены разрушению структурных связей между звеньями.

Явным примером, подчеркивающим различие структуры, будет письмо, отправленное по почте, предварительно заклеенное в конверт. В процессе транспортировки, тщательно склеенные поверхности остаются невредимыми. Но стоит нагреть обработанное место на огне или с помощью раскаленного металлического предмета, как клей утратит свои свойства и конверт откроется.

Полимерные материалы делят на два типа: синтетический (искусственный) и огнеупорный. Синтетика встречается в различных сферах жизнедеятельности человека: в строительстве, промышленности, быту и даже – в одежде. Производство искусственного сырья началось в первые годы ХХ века. Первым запатентованным материалом была бакелитовая смола, которая при нагревании меняла форму.

Современные синтетические материалы подвержены влиянию огня и высоких температур, а некоторые из них могут воспламеняться. Чтобы избежать подобное используют добавки, а также синтезируют сырье с помощью хлора или брома. Галогенированный полимерный материал, который получается после обработки, при сжигании образует газ, способствующий повышению коррозии других материалов. Разнообразие структур полимеров по химическому составу позволяет разделить материалы на несколько видов, которые находят все большее применение в народном хозяйстве.

1. Полиэтилен Известен по широко применяемой упаковке различного назначения. Свойства и низкая себестоимость сделала такие материалы популярными в разных отраслях. Различают полиэтилен низкого давления, который обладает прочной структурой молекул и высокого давления, с противоположными свойствами. Эти материалы имеют одинаковы по химическому составу, но различаются по структуре решетки.
2. Полипропилен Прозрачный полимер изготовленный методикой экструзии с охлаждением методом полива или другим способом с раздувом. Не контактирует с маслами и жирами, не деформируется при температурных изменениях, пропускает водяные пары. Эти свойства материала применяются в пищевой и строительной отрасли.
3. Поливинилхлорид Такие материалы с полимерной основой встречается реже других из-за способности быть хрупким и не эластичным. Был популярен в 60-е годы прошлого столетия, при сжигании образует диоксин. Современные материалы вытесняют эти полимеры за счет более высокой экологичности и улучшения структуры сырья.
4. Полиолефин Благодаря разнообразному строению макромолекул, эти полимеры включает в себя составляющие элементы пропилена и полиэтилена. Более половины производимой полимерной продукции относят к полиофелинам. Стойкость к разрыву, нагреву и усадке, позволит в ближайшем будущем увеличить объемы изготовления этого сырья. Тем более, что экологичность, которой обладают такие материалы выше других полимеров, а при производстве и утилизации – не выделяет вредных веществ.

Примеры изделий из полимерных материалов

Благодаря своим уникальным качествам и доступной цене область применения товаров из этого сырья разнообразна. Изделия из пластмассы применяются в медицинском оборудовании; в строительной отрасли; в железнодорожном, автомобильном и авиационном транспорте; в бытовой технике; в сельском хозяйстве; в легкой и тяжелой промышленности.

При возведении жилых объектов используется обшивка стен для утепления и облицовки. Большую популярность приобрели пластиковые окна и двери, напольные покрытия (ламинат, линолеум). Все строительные инструменты сделаны с элементами из полимера.

Декоративные изделия (сетка для цветов, поливалки, ведра, плошки) и мебель для садоводческих хозяйств из этого сырья получили широкую популярность у населения из-за небольшого веса, устойчивости к коррозии, эластичности, долговечности и недорогой стоимости. Детские и взрослые переносные бассейны, лодки и искусственные водоемы, круги для плавания изготавливаются из геотекстиля и мембраны, обладающие водонепроницаемостью. Несущие конструкции мотоциклов и некоторых легковых автомобилей производятся из пластмассы для облегчения веса и избежания воздействия ржавчины.

Описание полимеров и их характеристики

Активное производство сырья началось в первой половине XX века. В первые годы существования полимеров технология представляла собой переработку некачественного сырья и целлюлозы. Так появились первые лакокрасочные вещества. На стадии появления кинематографа изготовление прозрачной пленки привело к появлению первых художественных картин.

Полимерные материалы имеют в своем составе высокомолекулярные цепочки, которые повторяются с определенным промежутком. Благодаря этому полимеры обладают такими свойствами, как:

• Малая теплопроводность. Наглядный пример: во время нагревания чайника на огне пластмассовая ручка остается холодной;
• Высокий уровень температурного расширения. Молекулярная структура позволяет добиться увеличения размера в несколько раз больше, чем металл при равной температуре;
• Гибкость, благодаря чему полимерами покрывают элементы изделий из металла, чтобы защитить их от ржавчины;
• Низкий показатель коэффициента трения, вследствие чего на предметах не видны механические повреждения;
• Электроизоляция. Предметы из полимеров не проводят электричество;
• Неподверженность изменению формы при долгих нагрузках. После остановки действия полимер возвращается в свой первоначальный вид.
• Повышенная горючесть. Это свойство определяет тот факт, что во многих отраслях полимеры не используют. При горении они выбрасывают токсины или горючий дым.

В современное время полимерные материалы существуют в нескольких физических состояниях. В качестве примера можно назвать клеящие вещества, лакокрасочные покрытия. При производстве технологического оборудования используют твердые пластмассы. За счет такого свойства, как эластичность, были получены резиновые и силиконовые напольные покрытия.

Химический состав полимеров может значительно отличаться. В ГОСТ описана процедура оценки качества, основанная на применении балльной шкалы.

Самым знакомым населению полимером является полиэтилен, из которого производят пищевую пленку, упаковочный материал для различных целей. Его используют во многих отраслях хозяйства.

Пропилен обладает эластичностью, гибкостью, водонепроницаемостью и прочностью, поэтому его используют при возведении многоэтажных домов и торгово-развлекательных комплексов. Из пропилена производят водопроводные трубы. Такие изделия не меняют свою форму при высокой нагрузке, не подвержены появлению ржавчины и обладают хорошей звукоизоляцией.

Полиолефин – материал, основой которого является полиэтилен и полипропилен. Большая часть пластиковой продукции по всему миру производится из него. Он имеет достоинства перед другим материалом: устойчив к разрывам, не проводит тепло, при утилизации и в процессе изготовления не загрязняет атмосферу ядом.

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. Классификация полимеров

Принцип	Виды	Определение	Примеры
По происхождению (возникновению)	Природные (натуральные)	Те, что встречаются в естественных условиях, в природе. Созданы природой.	ДНК, РНК, белки, крахмал, янтарь, шелк, целлюлоза, каучук натуральный
Синтетические	Получены в лабораторных условиях человеком, не имеют отношения к природе.	ПВХ, полиэтилен, фенолформальдегидные смолы, полипропилен, полиуретан и другие
Искусственные	Созданы человеком в лабораторных условиях, но на основе природных полимеров.	Целлулоид, ацетатцеллюлоза, нитроцеллюлоза
С точки зрения химической природы	Органической природы	Большая часть всех известных полимеров. В основе мономер органического вещества (состоит из атомов С, возможно включение атомов N, S, O, P и других).	Все синтетические полимеры
Неорганической природы	Основу составляют такие элементы, как Si, Ge, O, P, S, H и другие. Свойства полимеров: не бывают эластичными, не образуют макроцепей.	Полисиланы, полидихлорфосфазен, полигерманы, поликремниевые кислоты
Элементоорганической природы	Смесь органических и неорганических полимеров. Главная цепь — неорганика, боковые — органика.	Полисилоксаны, поликарбоксилаты, полиорганоциклофосфазены.
Различие главной цепочки	Гомоцепные	Главная цепь представлена либо углеродом, либо кремнием.	Полисиланы, полистирол, полиэтилен и другие.
Гетероцепные	Основной остов из разных атомов.	Полимеры примеры — полиамиды, белки, этиленгликоль.

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.

Структура

Свойства и технические характеристики полимерного материала зависят от молекулярных соединений в цепи. По строению идет разделение на:

• • Линейное. Это соединения, где макромолекулы составляют длинные цепочки и имеют спиральную или зубчатую комбинацию. При этом они чрезвычайно гибкие. Такое качество дает высокую эластичность, и товар не крошится при застывшем состоянии.
• • Лестничное. Здесь макромолекулы создают пару длинных цепей, которые являются основой для создания изделий с высокой жесткостью и стойкостью к большим температурам. Помимо этих положительных качеств, есть главное достоинство – не вступают в химическую реакцию с растворителями из органики.
• • Пространственное. Мономолекулы связаны между собой поперечными мостиками и синтезируются при помощи мочевины и формальдегида. Итогом такой операции становится пространственная или неоднородная структура основы сетки. Из такого сырья создаются жесткие конструкционные продукты.
• • Линейно-разветвленное. Это когда от основной цепи идут ответвления, численность и размер которых различны. Такая структура наиболее прочная. Это свойство нашло применение в изготовлении полиэтилена, полистирола, поливинилхлорида.

Химические свойства полимеров

Химическая стойкость полимеров определяется разными способами, но чаще всего по изменению массы при выдержке образца в соответствующей среде или реагенте. Этот критерий, однако, не является универсальным и не отражает природу химических изменений (деструкции).

Даже в стандартах (ГОСТ 12020—66) предусмотрены лишь качественные ее оценки по балльной системе. Так, полимеры, изменяющие за 42 суток массу на 3 … 5%, считаются устойчивыми, на 5 … 8% — относительно устойчивыми, более 8 … 10% — нестойкими. Конечно, эти пределы зависят от вида изделия и его назначения.

Для полимеров характерна высокая стойкость по отношению к неорганическим реактивам и меньшая — к органическим.

В принципе все полимеры неустойчивы в средах, обладающих резко выраженными окислительными свойствами, но среди них есть и такие, химическая стойкость которых выше, чем золота и платины.

Поэтому полимеры широко используются в качестве контейнеров для особо чистых реактивов и воды, защиты и герметизации радиокомпонентов, и особенно полупроводниковых приборов и ИС.

Особенность полимеров состоит еще и в том, что они по своей природе не являются вакуумплотными. Молекулы газообразных и жидких веществ, особенно воды, могут проникать в микропустоты, образующиеся при движении отдельных сегментов полимера, даже если его структура бездефектна.

Полимеры выполняют роль защиты металлических поверхностей от коррозии в случаях, когда:

• толщина слоя велика,
• полимер оказывает пассивирующее действие на активные (дефектные) центры металла, тем самым подавляя коррозионное действие влаги, проникающей к поверхности металла.

Как видно, герметизирующие возможности полимеров ограничены, а пассивирующее их действие неуниверсально. Поэтому полимерная герметизация применяется в неответственных изделиях, эксплуатирующихся в благоприятных условиях.

Для большинства полимеров характерно старение — необратимое изменение структуры и свойств, приводящее к снижению их прочности. Совокупность химических процессов, приводящих под действием агрессивных сред (кислород, озон, растворы кислот и щелочей) к изменению строения и молекулярной массы, называется химической деструкцией.

Наиболее распространенный ее вид — термоокислительная деструкция — происходит под действием окислителей при повышенной температуре. При деструкции не все свойства деградируют в равной мере: например, при окислении кремнийорганических полимеров их диэлектрические параметры ухудшаются несущественно, так как Si окисляется до оксида, который является хорошим диэлектриком.

Многие полимеры, такие как полиуретаны, полиэфирные и эпоксидные смолы, склонны к воспламенению, что зачастую недопустимо при практическом применении. Для предотвращения этого применяются различные добавки или используются галогенированные полимеры.

Галогенированные ненасыщенные полимеры синтезируют путем включения в конденсацию хлорированных или бромированных мономеров, дибромнеопентилгликоля или тетрабромфталевой кислоты.

Главным недостатком таких полимеров является то, что при горении они способны выделять газы, вызывающие коррозию, что может губительно сказаться на располагающейся рядом электронике

Учитывая высокие требования экологической безопасности, особое внимание уделяется галоген-несодержащим компонентам: соединениям фосфора и гидроксидам металлов