Polimerni materiali: tehnologija, vrste, proizvodnja in uporaba

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 10:40

Polimerni materiali so kemične visokomolekularne spojine, ki so sestavljene iz številnih majhnih molekulskih monomerov (enot) enake strukture. Za izdelavo polimerov se pogosto uporabljajo naslednje monomerne komponente: etilen, vinil klorid, vinil deklorid, vinil acetat, propilen, metil metakrilat, tetrafluoroetilen, stiren, sečnina, melamin, formaldehid, fenol. V tem članku bomo podrobno preučili, kaj so polimerni materiali, kakšne so njihove kemične in fizikalne lastnosti, razvrstitev in vrste.

Vrste polimerov

Značilnost molekul tega materiala je velika molekulska masa, ki ustreza naslednji vrednosti: М>5103. Spojine z nižjo stopnjo tega parametra (M=500-5000) imenujemo oligomeri. V spojinah z nizko molekulsko maso je masa manjša od 500. Ločimo naslednje vrste polimernih materialov: sintetični in naravni. Med slednje sodijo naravni kavčuk, sljuda, volna, azbest, celuloza itd. Vendar pa glavno mesto zasedajo sintetični polimeri, ki se pridobijo kot rezultat kemičnega sinteznega procesa iz spojin z nizko molekulsko maso. odvisnood načina izdelave visokomolekularnih materialov ločimo polimere, ki nastanejo bodisi s polikondenzacijo bodisi z reakcijo adicije.

Polimerizacija

Ta postopek je kombinacija komponent z nizko molekulsko maso v visoko molekulsko maso, da dobimo dolge verige. Stopnja polimerizacije je število "merov" v molekulah dane sestave. Najpogosteje polimerni materiali vsebujejo od tisoč do deset tisoč svojih enot. S polimerizacijo dobimo naslednje pogosto uporabljene spojine: polietilen, polipropilen, polivinil klorid, politetrafluoroetilen, polistiren, polibutadien itd.

Polycondensation

Ta proces je postopna reakcija, ki je sestavljena iz združevanja velikega števila monomerov iste vrste ali para različnih skupin (A in B) v polikapacitorje (makromolekule) s hkratnim tvorbo naslednjih stranski proizvodi: metilni alkohol, ogljikov dioksid, vodikov klorid, amoniak, voda, itd. S polikondenzacijo nastanejo silikoni, polisulfoni, polikarbonati, amino plastika, fenolna plastika, poliestri, poliamidi in drugi polimerni materiali.

Polyaddition

Ta proces razumemo kot nastanek polimerov kot rezultat reakcij večkratnega dodajanja monomernih komponent, ki vsebujejo omejevalne reakcijske kombinacije na monomere nenasičenih skupin (aktivni cikli ali dvojne vezi). Za razliko od polikondenzacije, poliadicijska reakcija poteka brez stranskih produktov. Najpomembnejši proces te tehnologije je utrjevanje epoksidnih smol in proizvodnja poliuretanov.

Razvrstitev polimerov

Sestavo vseh polimernih materialov delimo na anorganske, organske in organoelemente. Prvi od njih (silikatno steklo, sljuda, azbest, keramika itd.) Ne vsebujejo atomskega ogljika. Temeljijo na oksidih aluminija, magnezija, silicija itd. Organski polimeri predstavljajo najobsežnejši razred, vsebujejo atome ogljika, vodika, dušika, žvepla, halogena in kisika. Organoelementni polimerni materiali so spojine, ki imajo v glavnih verigah poleg naštetih še atome silicija, aluminija, titana in druge elemente, ki se lahko kombinirajo z organskimi radikali. Takšne kombinacije se v naravi ne pojavljajo. To so izključno sintetični polimeri. Značilni predstavniki te skupine so spojine na osnovi organosilicija, katerih glavna veriga je zgrajena iz atomov kisika in silicija.

Za pridobitev polimerov z zahtevanimi lastnostmi tehnologija pogosto uporablja ne »čiste« snovi, temveč njihove kombinacije z organskimi ali anorganskimi komponentami. Dober primer so polimerni gradbeni materiali: kovina-plastika, plastika, steklena vlakna, polimer beton.

Struktura polimerov

Posebnost lastnosti teh materialov je posledica njihove strukture, ki pa je razdeljena na naslednje vrste: linearno razvejano, linearno, prostorskoz velikimi molekularnimi skupinami in zelo specifičnimi geometrijskimi strukturami ter stopnicami. Na kratko razmislimo o vsakem od njih.

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

Materiali z linearno strukturo imajo dolge cikcak ali spiralne verige. Za njihove makromolekule so značilne predvsem ponovitve mest v eni strukturni skupini člena ali kemične enote verige. Polimere z linearno strukturo odlikuje prisotnost zelo dolgih makromolekul s pomembno razliko v naravi vezi vzdolž verige in med njimi. To se nanaša na medmolekularne in kemične vezi. Makromolekule takšnih materialov so zelo prožne. In ta lastnost je osnova polimernih verig, kar vodi do kvalitativno novih lastnosti: visoke elastičnosti, pa tudi odsotnosti krhkosti v strjenem stanju.

In zdaj poglejmo, kaj so polimerni materiali s prostorsko strukturo. Te snovi tvorijo, ko se makromolekule združijo med seboj, močne kemične vezi v prečni smeri. Kot rezultat se dobi mrežasta struktura, ki ima neenakomerno ali prostorsko osnovo mreže. Polimeri te vrste imajo večjo toplotno odpornost in togost kot linearni. Ti materiali so osnova številnih strukturnih nekovinskih snovi.

Molekule polimernih materialov z lestveno strukturo so sestavljene iz para verig, ki so povezane s kemično vezjo. Tej vključujejoorganosilicijevi polimeri, za katere je značilna povečana togost, toplotna odpornost, poleg tega pa ne sodelujejo z organskimi topili.

Fazna sestava polimerov

Ti materiali so sistemi, sestavljeni iz amorfnih in kristalnih območij. Prvi od njih pomaga zmanjšati togost, naredi polimer elastičen, torej sposoben velikih reverzibilnih deformacij. Kristalna faza pomaga povečati njihovo trdnost, trdoto, modul elastičnosti in druge parametre, hkrati pa zmanjša molekularno prožnost snovi. Razmerje med volumnom vseh takih območij in celotnim volumnom se imenuje stopnja kristalizacije, kjer imajo najvišjo raven (do 80%) polipropileni, fluoroplasti, polietileni visoke gostote. Polivinilkloridi, polietileni nizke gostote imajo nižjo stopnjo kristalizacije.

Odvisno od tega, kako se polimerni materiali obnašajo pri segrevanju, jih običajno delimo na termoreaktivne in termoplastične.

Termoset polimeri

Ti materiali imajo predvsem linearno strukturo. Ko se segrejejo, se zmehčajo, vendar se zaradi kemičnih reakcij, ki potekajo v njih, struktura spremeni v prostorsko in snov se spremeni v trdno snov. V prihodnosti se ta kakovost ohranja. Na tem principu so zgrajeni polimerni kompozitni materiali. Njihovo naknadno segrevanje ne zmehča snovi, ampak vodi le do njene razgradnje. Končna termoreaktivna mešanica se zato ne raztopi ali stopini dovoljeno reciklirati. Ta vrsta materiala vključuje epoksi silikon, fenol-formaldehidne in druge smole.

Termoplastični polimeri

Ti materiali se pri segrevanju najprej zmehčajo in nato stopijo, nato pa se pri ohlajanju strdijo. Termoplastični polimeri med to obdelavo niso podvrženi kemičnim spremembam. Zaradi tega je proces popolnoma reverzibilen. Snovi te vrste imajo linearno razvejano ali linearno strukturo makromolekul, med katerimi delujejo majhne sile in ni nobenih kemičnih vezi. Sem spadajo polietileni, poliamidi, polistireni itd. Tehnologija polimernih materialov termoplastičnega tipa predvideva njihovo proizvodnjo z brizganjem v vodno hlajenih kalupih, stiskanjem, ekstrudiranjem, pihanjem in drugimi metodami.

Kemijske lastnosti

Polimeri so lahko v naslednjih stanjih: trdna, tekoča, amorfna, kristalna faza, pa tudi zelo elastična, viskozna in steklena deformacija. Široka uporaba polimernih materialov je posledica njihove visoke odpornosti na različne agresivne medije, kot so koncentrirane kisline in alkalije. Niso podvrženi elektrokemični koroziji. Poleg tega se s povečanjem njihove molekulske mase topnost materiala v organskih topilih zmanjša. Omenjene tekočine na splošno ne vplivajo na polimere, ki imajo tridimenzionalno strukturo.

Fizične lastnosti

Večina polimerov je izolatorjev, poleg tega pa so nemagnetni materiali. Od vseh uporabljenih konstrukcijskih materialov imajo le ti najnižjo toplotno prevodnost in največjo toplotno kapaciteto ter toplotno krčenje (približno dvajsetkrat več kot pri kovini). Razlog za izgubo tesnosti različnih tesnilnih sklopov pri nizkih temperaturnih pogojih je tako imenovani stekleni prehod gume, pa tudi ostra razlika med koeficienti raztezanja kovin in kavčukov v vitrificiranem stanju..

Mehanske lastnosti

Polimerni materiali imajo široko paleto mehanskih lastnosti, ki so močno odvisne od njihove strukture. Poleg tega parametra lahko na mehanske lastnosti snovi močno vplivajo različni zunanji dejavniki. Sem spadajo: temperatura, pogostost, trajanje ali hitrost obremenitve, vrsta napetostnega stanja, tlak, narava okolja, toplotna obdelava itd. Značilnost mehanskih lastnosti polimernih materialov je njihova relativno visoka trdnost pri zelo nizki togosti (v primerjavi na kovine).

Polimere običajno delimo na trdne, katerih modul elastičnosti ustreza E=1–10 GPa (vlakna, filmi, plastike), in mehke visoko elastične snovi, katerih modul elastičnosti je E=1– 10 MPa (guma). Vzorci in mehanizem uničenja obeh so različni.

Za polimerne materiale je značilna izrazita anizotropija lastnosti, pa tudi zmanjšanje trdnosti, razvoj lezenja pri dolgotrajni obremenitvi. Skupaj s tem soimajo relativno visoko odpornost proti utrujenosti. V primerjavi s kovinami se razlikujejo po močnejši odvisnosti mehanskih lastnosti od temperature. Ena od glavnih značilnosti polimernih materialov je deformabilnost (prožnost). Po tem parametru je v širokem temperaturnem območju običajno oceniti njihove glavne operativne in tehnološke lastnosti.

polimerni talni materiali

Sedaj razmislimo o eni od možnosti za praktično uporabo polimerov, ki razkrivajo celotno paleto teh materialov. Te snovi se pogosto uporabljajo pri gradbenih in popravilih ter zaključnih delih, zlasti pri talnih oblogah. Ogromno priljubljenost pojasnjujejo značilnosti zadevnih snovi: odporne so na obrabo, imajo nizko toplotno prevodnost, malo vpijajo vodo, so precej močne in trde ter imajo visoke lastnosti barve in laka. Proizvodnja polimernih materialov lahko pogojno razdelimo v tri skupine: linoleji (valjani), izdelki iz ploščic in mešanice za vgradnjo brezšivnih tal. Oglejmo si na hitro vsakega.

Linoleji so izdelani na osnovi različnih vrst polnil in polimerov. Vključujejo lahko tudi mehčala, pripomočke za obdelavo in pigmente. Glede na vrsto polimernega materiala se razlikujejo poliester (gliftalni), polivinilklorid, guma, koloksilin in drugi premazi. Poleg tega jih glede na strukturo delimo na brezpodstavne in z zvočno in toplotno izolacijsko podlago, enoslojne in večplastne, z gladko, dlakavoin valovite površine, pa tudi enobarvne in večbarvne.

Ploščice, izdelane na osnovi polimernih komponent, imajo zelo nizko odpornost na obrabo, kemično odpornost in vzdržljivost. Glede na vrsto surovine se ta vrsta polimernih izdelkov deli na kumaron-polivinilklorid, kumaron, polivinilklorid, gumo, fenolit, bitumenske ploščice, pa tudi na iverne plošče in vlaknene plošče.

Materiali za brezšivna tla so najbolj priročni in higienski za uporabo, imajo visoko trdnost. Te mešanice se običajno delijo na polimerni cement, polimerni beton in polivinil acetat.