Примеры полимеров и их применение. Применение полимерных материалов

Главная

Ливневая канализация

Полимеры, или макромолекулы - это очень большие молекулы, образованные связями многих молекул малого размера, которые называются составными звеньями, или мономерами. Молекулы настолько велики, что их свойства не изменяются существенным образом при добавлении или удалении нескольких таких составных звеньев. Термин "полимерные материалы" является обобщающим. Он объединяет три обширных группы синтетических пластиков, а именно: полимеры; пластмассы и их морфологическую разновидность - полимерные композиционные материалы (ПКМ) или, как их еще называют, армированные пластики. Общее для перечисленных групп то, что их обязательной частью является полимерная составляющая, которая и определяет основные термодеформационные и технологические свойства материала. Полимерная составляющая представляет собой органическое высокомолекулярное вещество, полученное в результате химической реакции между молекулами исходных низкомолекулярных веществ - мономеров.

Полимерами принято называть высокомолекулярные вещества (гомополимеры) с введенными в них добавками, а именно стабилизаторами, ингибиторами, пластификаторами, смазками, антирадами и т. д. Физически полимеры являются гомофазными материалами, они сохраняют все присущие гомополимерам физико-химические особенности.

Пластмассами называются композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Они (дисперсная среда) располагаются в полимерной матрице (дисперсионная среда). Физически пластмассы представляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех направлениях) физическими макросвойствами.

Пластмассы могут быть разделены на две основные группы - термопластические и термореактивные. Термопластические - это те, которые после формирования могут быть расплавлены и снова сформованы; термореактивные, сформованные раз, уже не плавятся и не могут принять другую форму под воздействием температуры и давления. Почти все пластмассы, используемые в упаковках, относятся к термопластическим, например, полиэтилен и полипропилен (члены семейства полиолефинов), полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, найлон (капрон), поликарбонат, поливинилацетат, поливиниловый спирт и другие.

Пластмассы также можно располагать по категориям в зависимости от метода, который используется для их полимеризации, на полимеры, полученные присоединением к поликонденсацией. Полимеры, полученные присоединением, производятся с помощью механизма, который включает либо свободные радикалы, либо ионы, по которому малые молекулы быстро присоединяются к растущей цепи, без образования сопутствующих молекул. Поликонденсационные полимеры производятся с помощью реакции функциональных групп в молекулах друг с другом, так что постадийно образуется длинная цепь полимера, и обычно происходит образование низкомолекулярного сопутствующего продукта, например воды, во время каждой стадии реакции. Большинство упаковочных полимеров, включая полиолефины, поливинилхлорид и полистирол - это полимеры присоединения.

Химические и физические свойства пластиков обусловлены их химическим составом, средней молекулярной массой и распределением молекулярной массы, историей обработки (и использования), и наличием добавок.

Полимерные армированные материалы являются разновидностью пластмасс. Они отличаются тем, что в них используются не дисперсные, а армирующие, то есть усиливающие наполнители (волокна, ткани, ленты, войлок, монокристаллы), образующие в ПКМ самостоятельную непрерывную фазу. Отдельные разновидности таких ПКМ называют слоистыми пластиками. Такая морфология позволяет получить пластики с весьма высокими деформационно-прочностными, усталостными, электрофизическими, акустическими и иными целевыми характеристиками, соответствующими самым высоким современным требованиям.

Реакция полимеризации - это последовательное присоединение молекул ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта - полимера. Молекулы алкена, вступающие в реакцию полимеризации, называются мономерами. Число элементарных звеньев, повторяющихся в макромолекуле, называется степенью полимеризации (обозначается п). В зависимости от степени полимеризации из одних и тех же мономеров можно получать вещества с различными свойствами. Так, полиэтилен с короткими цепями (n = 20) является жидкостью, обладающей смазочными свойствами. Полиэтилен с длиной цепи в 1500-2000 звеньев представляет собой твердый, но гибкий пластический материал, из которого можно получать пленки, изготовлять бутылки и другую посуду, эластичные трубы и т. д. Наконец, полиэтилен с длиной цели в 5-6 тыс. звеньев является твердым веществом, из которого можно готовить литые изделия, жесткие трубы, прочные нити.

Если в реакции полимеризации принимает участие небольшое число молекул, то образуются низкомолекулярные вещества, например димеры, тримеры и т. д. Условия протекания реакций полимеризации весьма различные. В некоторых случаях необходимы катализаторы и высокое давление. Но главным фактором является строение молекулы мономера. В реакцию полимеризации вступают непредельные (ненасыщенные) соединения за счет разрыва кратных связей. Структурные формулы полимеров кратко записывают так: формулу элементарного звена заключают в скобки и справа внизу ставят букву п. Например, структурная формула полиэтилена (-СН2-СН2-)n. Легко заключить, что название полимера слагается из названия мономера и приставки поли-, например полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и т. д.

Полимеризация - это цепная реакция, и, для того чтобы она началась, необходимо активировать молекулы мономера с помощью так называемых инициаторов. Такими инициаторами реакции могут быть свободные радикалы или ионы (катионы, анионы). В зависимости от природы инициатора различают радикальный, катионный или анионный механизмы полимеризации.

Наиболее распространенными полимерами углеводородной природы являются полиэтилен и полипропилен.

Полиэтилен получают полимеризацией этилена: Полипропилен получают стереоспецифической полимеризацией пропилена (пропена). Стереоспецифическая полимеризация - это процесс получения полимера со строго упорядоченным пространственным строением. К полимеризации способны многие другие соединения - производные этилена, имеющие общую формулу СН2==СН-X, где Х - различные атомы или группы атомов.

Виды полимеров:

Полиолефины - это класс полимеров одинаковой химической природы (химическая формула -(СН2)-n) с разнообразным пространственным строением молекулярных цепей, включающий в себя полиэтилен и полипропилен. Кстати сказать, все углеводы, к примеру, природный газ, сахар, парафин и дерево имеют схожее химическое строение. Всего в мире ежегодно производиться 150 млн. т. полимеров, а полеолефины составляют примерно 60% от этого количества. В будущем полиолефины будут окружать нас в гораздо большей степени, чем сегодня, поэтому полезно присмотреться к ним повнимательнее.

Комплекс свойств полиолефинов, в том числе такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, протыканию, усадке при нагреве и к раздиру, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий.

Особенно следует подчеркнуть, что полеолефины экологически чище большинства применяемых человеком материалов. При производстве, транспортировке и обработке стекла, дерева и бумаги, бетона и металла используется много энергии, при выработке которой неизбежно загрязняется окружающая среда. При утилизации традиционных материалов также выделяются вредные вещества и затрачивается энергия. Полиолефины производятся и утилизуются без выделения вредных веществ и при минимальных затаратах энергии, причем при сжигании полиолефинов выделяется большое количество чистого тепла с побочными продуктами в виде водяного пара и углекислого газа. Полиэтилен

Около 60% всех пластиков, используемых для упаковки- это полиэтилен, главным образом благодаря его низкой стоимости, но также благодаря его отличным свойствам для многих областей применения. Полиэтилен высокой плотности (ПЭНД - низкого давления) имеет самую простую структуру из всех пластиков, он состоит из повторяющихся звеньев этилена. -(CH2CH2)n- полиэтилен высокой плотности. Полиэтилен низкой плотности (ПЭВД - высокого давления) имеют ту же химическую формулу, но отличается тем, что его структура разветвленная. -(CH2CHR) n- полиэтилен низкой плотности Где R может быть -H, -(CH2)nCH3, или более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Полиэтилен, благодаря своему простому химическому строению, легко складывается в кристаллическую решетку, и, следовательно, имеет тенденцию к высокой степени кристалличности. Разветвление цепи препятствует этой способности к кристаллизации, что приводит к меньшему числу молекул на единицу объема, и, следовательно, меньшей плотности.

ПЭВД - полиэтилен высокого давления. Пластичен, слегка матовый, воскообразный на ощупь, перерабатывается методом экструзии в рукавную пленку с раздувом или в плоскую пленку через плоскощелевую головку и охлаждаемый валик. Пленка из ПЭВД прочна при растяжении и сжатии, стойка к удару и раздиру, прочна при низких температурах. Имеет особенность - довольно низкая температура размягчения (около 100 градусов Цельсия).

ПЭНД - полиэтилен низкого давления. Пленка из ПЭНД - жесткая, прочная, менее воскообразная на ощупь по сравнению с пленками ПЭВД. Получается экструзией рукава с раздувом или экструзией плоского рукава. Температура размягчения 121°С позволяет производить стерилизацию паром. Морозостойкость этих пленок такая же, как и у пленок из ПЭВД. Устойчивость к растяжению и сжатию - высокая, а сопротивление к удару и раздиру меньше, чем у пленок из ПЭВД. Пленки из ПЭНД - это прекрасная преграда влаге. Стойки к жирам, маслам. "Шуршащий" пакет-майка ("шуршавчик"), в который вы упаковываете покупки, изготовлен именно из ПЭНД.

Существует два основных типа ПЭНД. Более "старый" тип, произведенный первым в 1930-х годах, полимеризуется при высоких температурах и давлениях, условиях, которые достаточно энергетичны, чтобы обеспечить заметную встречаемость реакций по цепному механизму, которые приводят к образованию разветвления, как с длинными, так и с короткими цепями. Этот тип ПЭНД иногда называется полиэтиленом высокого давления (ПВД, ВД-ПЭНД, из-за высокого давления), если есть необходимость отличать его от линейного полиэтилена низкого давления, более "молодого" типа ПЭВД. При комнатной температуры полиэтилен - довольно мягкий и гибкий материал. Он хорошо сохраняет эту гибкость в условиях холода, так что применим в упаковке замороженных пищевых продуктов. Однако при повышенных температурах, таких как 100 °С, он становится слишком мягким для ряда применений. ПЭНД отличается более высокой хрупкостью и температурой размягчения, чем ПЭВД, но все же не является подходящим контейнеров горячего заполнения.

Около 30% всех пластиков, используемых для упаковки- это ПЭНД. Это наиболее широко используемый пластик для бутылок, из-за его низкой стоимости, простоты формования, и отличных эксплуатационных качеств, для многих областей применения. В его естественной форме ПЭНД имеет молочно-белый, полупрозрачный вид, и таким образом, не подходит для областей применения, где требуется исключительная прозрачность. Один недостаток использования ПЭНД в некоторых из областей применения- его тенденция к растрескиванию под напряжением при взаимодействии внешней среды, определяемая как разрушение пластикового контейнера при условиях одновременного напряжения и соприкосновения с продуктом, что в отдельности не приводит к разрушению. Растрескивание под напряжением при взаимодействии внешней срды в полиэтилене соотносится с кристалличностью полимера.

ПЭВД- это наиболее широко применяемый упаковочный полимер, соответствующий примерно одной трети всех упаковочных пластиков. Из-за его низкой кристалличности, это более мягкий, более гибкий материал, чем ПЭНД. Это предпочитаемый материал для пленок и сумок, из-за его низкой стоимости. ПЭВД отличается лучшей прозрачностью, чем ПЭНД, но все же не обладает кристальной чистотой, которая желательна для некоторых областей применения упаковок.

ПП - полипропилен. Прекрасная прозрачность (при быстром охлаждении в процессе формообразования), высокая температура плавления, химическая и водостойкость. ПП пропускает водяные пары, что делает его незаменимым для "противозапотевающей" упаковки продуктов питания (хлеба, зелени, бакалеи), а также в строительстве для гидро-ветроизоляции. ПП чувствителен к кислороду и окислителям. Перерабатывается методом экструзии с раздувом или через плоскощелевую головку с поливом на барабан или охлаждением в водяной бане. Имеет хорошую прозрачность и блеск, высокую химическую стойкость, особенно к маслам и жирам, не растрескивается под воздействием окружающей среды.

ПВХ - поливинилхлорид. В чистом виде применяется редко из-за хрупкости и неэлостичности. Недорог. Может перерабатываться в пленку методом экструзии с раздувом, либо плоскощелевой экструзии. Расплав высоковязкий. ПВХ термически нестабилен и коррозионно активен. При перегреве и горении выделяет высокотоксичное соединение хлора - диоксин. Широко распространился в 60-70е годы. Вытесняется более экологичным полипропиленом.

Идентификация полимеров

У потребителей полимерных пленок очень часто возникает практическая задача по распознаванию природы полимерных материалов, из которых они изготовлены. Основные свойства полимерных материалов, как хорошо известно, определяются составом и структурой их макромолекулярных цепей. Отсюда ясно, что для идентификации полимерных пленок в первом приближении может быть достаточной оценка функциональных групп, входящих в состав макромолекул. Некоторые полимеры благодаря наличию гидроксильных групп (-ОН) тяготеют к молекулам воды. Это объясняет высокую гигроскопичность, например, целлюлозных пленок и заметное изменение их эксплуатационных характеристик при увлажнении. В других полимерах (полиэтилентерефталат, полиэтилены, полипропилен и т.п.) такие группы отсутствуют вообще, что объясняет их достаточно хорошую водостойкость.

Наличие тех или иных функциональных групп в полимере может быть определено на основе существующих и научно обоснованных инструментальных методов исследования. Однако, практическая реализация этих методов всегда сопряжена с относительно большими временными затратами и обусловлена наличием соответствующих видов достаточно дорогостоящей испытательной аппаратуры, требующей соответствующей квалификации для ее использования. Вместе с тем, существуют достаточно простые и "быстрые" практические способы распознавания природы полимерных пленок. Эти способы основаны на том, что полимерные пленки из различных полимерных материалов отличаются друг от друга по своим внешним признакам, физико-механическим свойствам, а также по отношению к нагреванию, характеру их горения и растворимости в органических и неорганических растворителях.

Во многих случаях природу полимерных материалов, из которых изготовлены полимерные пленки, можно установить по внешним признакам, при изучении которых особое внимание следует обратить на следующие особенности: состояние поверхности, цвет, блеск, прозрачность, жесткость и эластичность, стойкость к раздиру и др. Например, неориентированные пленки из полиэтиленов, полипропилена и поливинилхлорида легко растягиваются. Пленки из полиамида, ацетата целлюлозы, полистирола, ориентированных полиэтиленов, полипропилена, поливинилхлорида растягиваются плохо. Пленки из ацетата целлюлозы нестойки к раздиру, легко расщепляются в направлении, перпендикулярном их ориентации, а также шуршат при их сминании. Более стойкие к раздиру полиамидные и лавсановые (полиэтилентерефталатные) пленки, которые также шуршат при сминании. В то же время пленки из полиэтилена низкой плотности, пластифицированного поливинилхлорида не шуршат при сминании и обладают высокой стойкостью к раздиру. Результаты изучения внешних признаков исследуемой полимерной пленки следует сравнить с характерными признаками, приведенными в табл. 1, после чего уже можно сделать некоторые предварительные выводы.

Таблица 1. Внешние признаки

Вид полимера	Механические признаки	Состояние поверхности на ощупь	Цвет	Прозрачность	Блеск
	Мягкая, эластичная, стойкая к раздиру	Мягкая, гладкая	Бесцветная	Прозрачная
		Слегка маслянистая, гладкая, сладошуршащая	Бесцветная	Полупрозрачная
	Жестковатая, слегка эластичная, стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Полупрозрачная или прозрачная
	Жестковатая, стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Прозрачная
	Мягкая, стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Прозрачная
	Жесткая, стойкая к раздиру		Бесцветная	Прозрачная
		Сухая, гладкая	Бесцветная или светло-желтая	Полупрозрачная
	Жесткая, слабо стойкая к раздиру	Сухая, гладкая, сильно шуршащая	Бесцветная или с голубоватым оттенком	Прозрачная
	Жесткая, слабо стойкая к раздиру	Сухая, гладкая, сильно шуршащая	Бесцветная, с желтоватым или голубоватым оттенком	Высокопрозрачная
	Жесткая, не стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Высокопрозрачная
Целлофан	Жесткая, не стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Высокопрозрачная

Однако, как нетрудно уяснить из анализа данных, приведенных в табл. 2, не всегда по внешним признакам можно однозначно установит природу полимера, из которого изготовлена пленка. В этом случае, необходимо попытаться количественно оценить какие-нибудь физико-механические характеристики имеющегося образца полимерной пленки. Как видно, например, из данных, приведенных в табл. 2, плотность некоторых полимерных материалов (ПЭНП, ПЭВП, ПП) меньше единицы, а, следовательно, образцы этих пленок должны "плавать" в воде. С тем, чтобы уточнить вид полимерного материала, из которого изготовлена пленка, следует определить плотность имеющегося образца путем измерения его веса и вычисления или измерения его объема. Уточнению природы полимерных материалов способствуют и экспериментальные данные по таким их физико-механическим характеристикам как предел прочности и относительное удлинение при одноосном растяжении, а также температура плавления (табл. 2). Кроме того, как видно из анализа данных, приведенных в табл. 2, проницаемость полимерных пленок по отношению к различным средам также существенно зависит от вида материала, из которого они изготовлены.

Таблица 2. Физико-механические характеристики при 20°C

Вид полимеров	Плотность кг/м 3	Прочность при разрыве, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %	Проницаемость по водяным парам, г/м 2 за 24 часа	Проницаемость по кислоробу, см 3 /(м 2 хатм) за 24 часа	Проницаемость по СО 2 , см 3 /(м 2 хатм) за 24 часа	Температура плавления, 0 С










Целлофан

Помимо отличительных особенностей в физико-механических характеристиках следует отметить и существующие различия в характерных признаках различных полимеров при их горении. Этот факт позволяет использовать на практике так называемый термический метод идентификации полимерных пленок. Он заключается в том, что образец пленки поджигают и выдерживают в открытом пламени в течение 5-10 секунд, фиксируя при этом следующие свойства: способность к горению и его характер, цвет и характер пламени, запах продуктов горения и др. Характерные признаки горения наиболее отчетливо наблюдаются в момент поджигания образцов. Для установления вида полимерного материала, из которого изготовлена пленка, необходимо сравнить результаты проведенного испытания с данными о характерных особенностях поведения полимеров при горении, приведенными в табл. 3.

Таблица 3. Характеристики горения. Химическая стойкость

Вид полимера	Горючесть	Окраска пламени	Запах продуктов горения	Хим. стойкость к кислотам	Хим. стойкость к щелочам
		Внутри синеватая, без копоти	Горящего парафина	Отличная
	Горит в пламени и при удалении	Внутри синеватая, без копоти	Горящего парафина	Отличная
	Горит в пламени и при удалении	Внутри синеватая, без копоти	Горящего парафина	Отличная
		Зеленоватая с копотью	Хдористого водорода
	Трудно воспламеняется и гаснет	Зеленоватая с копотью	Хлористого водорода	Отличная	Отличная
	Загорается и горит вне пламени	Желтоватая с сильной копотью	Сладковатый, неприятный	Отличная
	Горит и самозатухает	Голубая, желтоватая по краям	Жженого рога или пера
	Трудно воспламеняется и гаснет	Светящаяся	Сладковатый	Отличная	Отличная
	Трудно воспламеняется и гаснет	Желтоватая с копотью	Жженой бумаги
	Горит в пламени	Искрящаяся	Уксусной кислоты
Целлофан	Горит в пламени		Жженой бумаги

Как видно из данных, приведенных в табл. 3, по характеру горения и запаху продуктов горения полиолефины (полиэтилены и полипропилен) напоминают парафин. Это вполне понятно, поскольку элементарный химический состав этих веществ один и тот же. Отсюда возникает сложность в различении полиэтиленов и полипропилена. Однако при определенном навыке можно отличить полипропилен по более резким запахам продуктов горения с оттенками жженой резины или горящего сургуча.

Таким образом, результаты комплексной оценки отдельных свойств полимерных пленок в соответствии с изложенными выше методами позволяют в большинстве случаев достаточно надежно установить вид полимерного материала, из которого изготовлены исследованные образцы. При возникающих затруднениях в определении природы полимерных материалов, из которых изготовлены пленки, необходимо провести дополнительные исследования их свойств химическими методами. Для этого образцы могут быть подвергнуты термическому разложению (пиролизу), при этом в продуктах деструкции определяется наличие характерных атомов (азота, хлора, кремния и т.п.) или групп атомов (фенола, нитрогрупп и т.п.), склонных к специфическим реакциям, в результате которых обнаруживается вполне определенный индикаторный эффект. Изложенные выше практические методы определения вида полимерных материалов, из которых изготовлены полимерные пленки, носят в известной степени субъективный характер, а, следовательно, не могут гарантировать их сто процентной идентификации. Если такая необходимость все же возникает, то следует воспользоваться услугами специальных испытательных лабораторий, компетентность которых подтверждена соответствующими аттестационными документами.

Показатель текучести расплава

Показатель текучести расплава полимерного материала это масса полимера в граммах, выдавливаемая через капилляр при определенной температуре и определенном перепаде давления за 10 минут. Определение величины показателя текучести расплава производят на специальных приборах, называемых капиллярными вискозиметрами. При этом размеры капилляра стандартизованы: длина 8,000±0,025 мм; диаметр 2,095±0,005 мм; внутренний диаметр цилиндра вискозиметра составляет 9,54±0,016 мм. Не целочисленные значения размеров капилляров связанны с тем, что впервые методика определения показателя текучести расплава появилась в странах с английской системой мер. Условия, рекомендуемые для определения показателя текучести расплава, регламентируются соответствующими стандартами. ГОСТ 11645-65 рекомендует нагрузки 2,16 кг, 5 кг и 10 кг и температуры, кратные 10°C. ASTM 1238-62T (США) рекомендует температуры от 125°C до 275°C и нагрузки от 0,325 кг до 21,6 кг. Наиболее часто показатель текучести расплава определяют при температуре 190°C и нагрузке 2,16 кг.

Величина показателя текучести для различных полимерных материалов определяется при различных нагрузках и температурах. Поэтому надо иметь в виду, что абсолютные величины показателя текучести сравнимы лишь для одного и того же материала. Так, например, можно сравнивать величину показателя текучести расплава полиэтилена низкой плотности различных марок. Сравнение же величин показателей текучести полиэтилена высокой и низкой плотности не дает возможности непосредственно сопоставить текучесть обоих материалов. Поскольку первый определяется при нагрузке в 5 кг, а второй при нагрузке в 2,16 кг.

Следует отметить, что вязкость расплавов полимеров существенно зависит от приложенной нагрузки. Так как показатель текучести того или иного полимерного материала измеряют лишь при одном значении нагрузки, то этот показатель характеризует только одну точку на всей кривой течения в области относительно низких напряжений сдвига. Поэтому полимеры, несколько различающиеся по разветвленности макромолекул или по молекулярной массе, но с одинаковым показателем текучести расплава, могут вести себя по-разному в зависимости от условий переработки. Однако, несмотря на это, по показателю текучести расплава для многих полимеров устанавливают границы рекомендуемых технологических параметров процесса переработки. Значительное распространение этого метода объясняется его быстротой и доступностью. Экструзионные процессы производства пленок требуют высоких вязкостей расплава, в связи с этим применяются марки сырья с низким показателем текучести расплава.

По материалам компании «НПЛ Пластик»

Полимерные материалы - это химические высокомолекулярные соединения, которые состоят из многочисленных маломолекулярных мономеров (звеньев) одинакового строения. Зачастую для изготовления полимеров используют следующие мономерные компоненты: этилен, винилхлорид, винилденхлорид, винилацетат, пропилен, метилметакрилат, тетрафторэтилен, стирол, мочевину, меламин, формальдегид, фенол. В данной статье мы подробно рассмотрим, что такое полимерные материалы, каковы их химические и физические свойства, классификация и виды.

Виды полимеров

Особенностью молекул данного материала является большая которая соответствует следующему значению: М>5*103. Соединения с меньшим уровнем этого параметра (М=500-5000) принято называть олигомерами. У низкомолекулярных соединений масса меньше 500. Различают следующие виды полимерных материалов: синтетические и природные. К последним принято относить натуральный каучук, слюду, шерсть, асбест, целлюлозу и т. д. Однако основное место занимают полимеры синтетического характера, которые получают в результате процесса химического синтеза из соединений низкомолекулярного уровня. В зависимости от метода изготовления высокомолекулярных материалов, различают полимеры, которые созданы или путем поликонденсации, или с помощью реакции присоединения.

Полимеризация

Этот процесс представляет собой объединение низкомолекулярных компонентов в высокомолекулярные с получением длинных цепей. Величина уровня полимеризации - это количество «меров» в молекулах данного состава. Чаще всего полимерные материалы содержат от тысячи до десяти тысяч их единиц. Путем полимеризации получают следующие часто применяемые соединения: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полистирол, полибутадиен и др.

Поликонденсация

Данный процесс представляет собой ступенчатую реакцию, которая заключается в соединении или большого количества однотипных мономеров, или пары различных групп (А и Б) в поликонденсаторы (макромолекулы) с одновременным образованием следующих побочных продуктов: диоксида углерода, хлороводорода, аммиака, воды и др. При помощи поликонденсации получают силиконы, полисульфоны, поликарбонаты, аминопласты, фенопласты, полиэстеры, полиамиды и другие полимерные материалы.

Полиприсоединение

Под данным процессом понимают образование полимеров в результате реакций множественного присоединения мономерных компонентов, которые содержат предельные реакционные объединения, к мономерам непредельных групп (активные циклы или двойные связи). В отличие от поликонденсации, реакция полиприсоединения протекает без выделений побочных продуктов. Важнейшим процессом данной технологии считают отверждение и получение полиуретанов.

Классификация полимеров

По составу все полимерные материалы делятся на неорганические, органические и элементоорганические. Первые из них слюда, асбест, керамика и др.) не содержат атомарный углерод. Их основой являются оксиды алюминия, магния, кремния и т. д. Органические полимеры составляют наиболее обширный класс, они содержат атомы углерода, водорода, азота, серы, галогена и кислорода. Элементоорганические полимерные материалы - это соединения, которые в составе основных цепей имеют, кроме перечисленных, и атомы кремния, алюминия, титана и других элементов, способных сочетаться с органическими радикалами. В природе такие комбинации не возникают. Это исключительно синтетические полимеры. Характерными представителями этой группы являются соединения на кремнийорганической основе, главная цепь которых строится из атомов кислорода и кремния.

Для получения полимеров с необходимыми свойствами в технике зачастую используют не «чистые» вещества, а их сочетания с органическими или неорганическими компонентами. Хорошим примером служат полимерные строительные материалы: металлопласты, пластмассы, стеклопластики, полимербетоны.

Структура полимеров

Своеобразие свойств этих материалов обусловлено их структурой, которая, в свою очередь, делится на следующие виды: линейно-разветвленная, линейная, пространственная с большими молекулярными группами и весьма специфическими геометрическими строениями, а также лестничная. Рассмотрим вкратце каждую из них.

Полимерные материалы с линейно-разветвленной структурой, кроме основной цепи молекул, имеют боковые ответвления. К таким полимерам относятся полипропилен и полиизобутилен.

Материалы с линейной структурой имеют длинные зигзагообразные либо закрученные в спирали цепочки. Их макромолекулы прежде всего характеризуются повторениями участков в одной структурной группе звена либо химической единицы цепи. Полимеры с линейной структурой отличаются наличием весьма длинных макромолекул со значительным различием характера связей вдоль цепи и между ними. Имеются ввиду межмолекулярные и химические связи. Макромолекулы таких материалов весьма гибкие. И это свойство является основой полимерных цепей, которая приводит к качественно новым характеристикам: высокой эластичности, а также отсутствию хрупкости в затвердевшем состоянии.

А теперь узнаем, что такое полимерные материалы с пространственной структурой. Эти вещества образуют при объединении между собой макромолекул прочные химические связи в поперечном направлении. В результате получается сетчатая структура, у которой неоднородная либо пространственная основа сетки. Полимеры этого типа обладают большей теплостойкостью и жесткостью, чем линейные. Эти материалы являются основой многих конструкционных неметаллических веществ.

Молекулы полимерных материалов с лестничной структурой состоят из пары цепей, которые соединены химической связью. К ним относятся кремнийорганические полимеры, которые характеризуются повышенной жесткостью, термостойкостью, кроме того, они не взаимодействуют с органическими растворителями.

Фазовый состав полимеров

Данные материалы представляют собой системы, которые состоят из аморфных и кристаллических областей. Первая из них способствует снижению жесткости, делает полимер эластичным, то есть способным к большим деформациям обратимого характера. Кристаллическая фаза способствует увеличению их прочности, твердости, модуля упругости, а также других параметров, одновременно снижая молекулярную гибкость вещества. Отношение объема всех таких областей к общему объему называется степенью кристаллизации, где максимальный уровень (до 80%) имеют полипропилены, фторопласты, полиэтилены высокой плотности. Меньшим уровнем степени кристаллизации обладают поливинилхлориды, полиэтилены низкой плотности.

В зависимости от того, как ведут себя полимерные материалы при нагреве, их принято делить на термореактивные и термопластичные.

Термореактивные полимеры

Данные материалы первично имеют линейную структуру. При нагреве они размягчаются, однако в результате протекания в них химических реакций строение меняется на пространственное, и вещество превращается в твердое. В дальнейшем это качество сохраняется. На этом принципе построены полимерные Последующий их нагрев не размягчает вещество, а приводит только к его разложению. Готовая термореактивная смесь не растворяется и не плавится, поэтому недопустима ее повторная переработка. К этому виду материалов относятся эпоксидные кремнийорганические, феноло-формальдегидные и другие смолы.

Термопластичные полимеры

Данные материалы при нагреве сначала размягчаются и потом плавятся, а при последующем охлаждении затвердевают. Термопластичные полимеры при такой обработке не претерпевают химических изменений. Это делает данный процесс полностью обратимым. Вещества этого типа имеют линейно-разветвленную или линейную структуру макромолекул, между которыми действуют малые силы и совершенно нет химических связей. К ним относятся полиэтилены, полиамиды, полистиролы и др. Технология полимерных материалов термопластичного типа предусматривает их изготовление методом литья под давлением в водоохлажденных формах, прессования, экструзии, выдувания и другими способами.

Химические свойства

Полимеры могут перебывать в следующих состояниях: твердое, жидкое, аморфное, кристаллическое фазовое, а также высокоэластическое, вязкотекучее и стеклообразное деформационное. Широкое применение полимерных материалов обусловлено их высокой стойкостью к различным агрессивным средам, таким как концентрированные кислоты и щелочи. Они не подвержены воздействию Кроме того, с увеличением их молекулярной массы происходит снижение растворимости материала в органических растворителях. А полимеры, обладающие пространственной структурой, вообще не подвержены воздействию упомянутых жидкостей.

Физические свойства

Большинство полимеров являются диэлектриками, кроме того, они относятся к немагнитным материалам. Из всех используемых конструкционных веществ только они обладают наименьшей теплопроводностью и наибольшей теплоемкостью, а также тепловой усадкой (примерно в двадцать раз больше, чем у металла). Причиной потерь герметичности различными уплотнительными узлами при условиях низкой температуры является так называемое стеклование резины, а также резкое различие между коэффициентами расширения металлов и резин в застеклованном состоянии.

Механические свойства

Полимерные материалы отличаются широким диапазоном механических характеристик, которые сильно зависят от их структуры. Кроме этого параметра, большое влияние на механические свойства вещества могут оказать различные внешние факторы. К ним относятся: температура, частота, длительность или скорость нагружения, вид напряженного состояния, давление, характер окружающей среды, термообработка и др. Особенностью механических свойств полимерных материалов является их относительно высокая прочность при весьма малой жесткости (по сравнению с металлами).

Полимеры принято делить на твердые, модуль упругости которых соответствует Е=1-10 ГПа (волокна, пленки, пластмассы), и мягкие высокоэластичные вещества, модуль упругости которых составляет Е=1-10 МПа (резины). Закономерности и механизм разрушения тех и других различны.

Для полимерных материалов характерны ярко выраженная анизотропия свойств, а также снижение прочности, развитие ползучести при условии длительного нагружения. Вмести с этим они обладают довольно высоким сопротивлением усталости. По сравнению с металлами, они отличаются более резкой зависимостью механических свойств от температуры. Одной из главных характеристик полимерных материалов является деформируемость (податливость). По этому параметру в широком температурном интервале принято оценивать их основные эксплуатационные и технологические свойства.

Полимерные материалы для пола

Теперь рассмотрим один из вариантов практического применения полимеров, раскрывающего всю возможную гамму этих материалов. Эти вещества нашли широкое применение в строительстве и ремонтно-отделочных работах, в частности в покрытии полов. Огромная популярность объясняется характеристиками рассматриваемых веществ: они устойчивы к стиранию, малотеплопроводны, имеют незначительное водопоглощение, достаточно прочны и тверды, обладают высокими лакокрасочными качествами. Производство полимерных материалов можно разделить условно на три группы: линолеумы (рулонные), плиточные изделия и смеси для устройства бесшовных полов. Теперь вкратце рассмотрим каждый из них.

Линолеумы изготавливают на основе разных типов наполнителей и полимеров. В их состав также могут входить пластификаторы, технологические добавки и пигменты. В зависимости от типа полимерного материала, различают полиэфирные (глифталевые), поливинилхлоридные, резиновые, коллоксилиновые и другие покрытия. Кроме того, по структуре они делятся на безосновные и со звуко-, теплоизолирующей основой, однослойные и многослойные, с гладкой, ворсистой и рифленой поверхностью, а также одно- и многоцветные.

Материалы для бесшовных полов являются наиболее удобными и гигиеничными в эксплуатации, они обладают высокой прочностью. Эти смеси принято делить на полимерцемент, полимербетон и поливинилацетат.

Развитие современных технологий привело к появлению материалов, которые обладают исключительными эксплуатационными качествами. Полимерные материалы могут обладать молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольким миллионов. Основные качества подобных материалов определяют их большое распространение. С каждым годом на долю полимеров приходится все большее количество выпускаемой продукции. Именно поэтому рассмотрим их особенности подробнее.

Свойства полимеров

Применение полимеров весьма обширно. Это связано с особыми качествами, которых обладает рассматриваемый материал. Сегодня полимерные материалы встречаются в самых различных областях, присутствуют практически в каждом доме. Процесс производства полимерных материалов постоянно совершенствуется, проводится изменение состава, за счет чего он приобретает новые эксплуатационные качества.

Физические свойства полимеров можно охарактеризовать следующим образом:

Низкий показатель коэффициента теплопроводности. Именно поэтому некоторые полимеры могут применяться в качестве изоляции при проведении некоторых работ.
Высокий показатель ТКЛР обуславливается относительно высокой подвижностью связей и постоянной сменой коэффициента деформации.
Несмотря на высокий показатель ТКЛР, полимерные материалы идеально подходят для напыления. В последнее время часто можно встретить ситуацию, когда полимер наносится на поверхность в виде тонкого слоя для придания металлу и другим материал антикоррозионных качеств. Современные технологии нанесения позволяют получать тонкую защитную пленку.
Удельная масса может варьироваться в достаточно большом диапазоне в зависимости от особенностей конкретного состава.
Довольно высокий предел прочности от части вызван повышенной пластичностью. Конечно, показатель существенно уступает тем, которые имеет металл или сплавы.
Прочность полимеров относительно невысокая. Для того чтобы повысить значение ударной вязкости проводится добавление в состав различных дополнительных компонентов, за счет чего получаются особые разновидности полимеров.
Стоит учитывать низкую рабочую температуру. Полимерные материалы плохо справляются с нагревом. Именно поэтому многие варианты исполнения могут работать при температуре не выше 80 градусов Цельсия. Если превысить рекомендуемый температурный порог, то есть вероятность, что сильный нагрев станет причиной повышения пластичности полимерного материала. Слишком высокая пластичность становится причиной снижения прочности и изменение других физических свойств.
Удельное сопротивление может варьироваться в достаточно большом диапазоне. Примером таких полимеров назовем ПВХ твердый, который имеет 10 17 Ом×см.
Многие полимерные материалы имеют повышенную горючесть. Этот момент определяет то, что в некоторых отраслях промышленности использовать полимеры нельзя. Кроме этого химический состав определяет то, что при горении могут выделять токсичные вещества или едкий дым.
При применении особой технологии производства поверхность может иметь сниженный показатель коэффициента трения по стали. За счет этого покрытие служит намного дольше, и на нем не появляются дефекты.
Коэффициент линейного расширения составляет от 70 до 200 10 -6 на градус Цельсия.

Рассматривая характеристики распространенных полимеров, не стоит забывать о нижеприведенных качествах:

Хорошие диэлектрические свойства позволяют использовать полимерный материал без опаски поражения электричеством. Именно поэтому полимеры довольно часто применяют при создании инструментов и оборудования, предназначенного для работы с электричеством.
Линейные полимеры способны восстанавливать свою первоначальную форму после длительного воздействия нагрузки. Примером можно назвать воздействие поперечной нагрузки, которая изгибает деталь, но после ее пропадания форма не сохраняется.
Важное качество всех полимеров – существенное изменение эксплуатационных качеств при введении небольшого количества примесей.
Сегодня полимерные материалы встречаются в самых различных агрегатных состояниях. Примером можно назвать клей, смазку, герметик, краски, некоторые твердые полимерные материалы. Большое распространение получили твердые пластмассы, которые используются при производстве самого различного оборудования. Как ранее было отмечено, вещество обладает высокой эластичностью, за счет чего был получен силикон, резина, поролон и другие подобные полимерные материалы.

Стоит учитывать тот момент, что химический состав полимерных материалов может существенно отличаться. В ГОСТ представлена процедура качественной оценки, которая основана на баллах.
Большое распространение полимерные материалы получили в промышленности, так как имеют повышенную стойкость к неорганическим реактивам. Именно поэтому они применяются при производстве баков для чистой воды или особо чистых реактивов.
Вся приведенная выше информация определяет то, что полимеры получили просто огромное распространение в самых различных отраслях. Однако не стоит забывать, что насчитывается несколько десятков основных типов полимерных материалов, все они обладают своими определенными качествами. Именно поэтому следует подробно рассмотреть классификацию полимерных материалов.
Классификация полимеров
Есть довольно большое количество показателей, по которым синтетические полимерные материалы могут классифицироваться. При этом классификация затрагивает и основные эксплуатационные качества. Именно поэтому рассмотрим разновидности полимерных материалов подробнее.
Классификация проводится по агрегатному состоянию:
Твердые. Практически все люди знакомы с полимерами, так как они используются при изготовлении корпусов бытовой техники и других предметов быты. Другое название этого материала – пластмасса. В твердой форме полимерный материал обладает достаточно высокой прочностью и пластичностью.
Эластичные материалы. Высокая эластичность структуры получила применение при производстве резины, поролона, силикона и других подобных материалов. Большая часть встречается в строительстве в качестве изоляции, что также связано с основными эксплуатационными качествами.
Жидкости. На основе полимеров производится достаточно большое количество самых различных жидких веществ, большая часть которых также применима в строительстве. Примером назовем краски, лаки, герметики и многое другое.

Жидкие полимеры — краски
Эластичные полимеры — резиновое покрытие
Различные виды полимерных материалов обладают разными эксплуатационными качествами. Именно поэтому следует рассматривать их особенности. Есть в продаже полимеры, которые до соединения находятся в жидком состоянии, но после вступления в реакцию становятся твердыми.
Классификация полимеров по происхождению:
Искусственные вещества, характеризующиеся высокомолекулярной массой.
Биополимеры, которые еще называют природными.
Синтетические.

Большее распространение получили полимерные материалы синтетического происхождения, так как за счет смешивания самых различных веществ достигаются исключительные эксплуатационные качества. Искусственные полимеры сегодня встречаются практически в каждом доме.
Классификация синтетических материалов проводится также по особенностям молекулярной сетки:
Линейные.
Разветвленные.
Пространственные.

Классификация проводится и по природе гетероатома:
В главную цепь может входить атом кислорода. Подобное строение цепочки позволяет получить сложные и простые полиэфиры и перекиси.
ВМС, которые характеризуются наличием атома серы в основной цепочке. За счет подобного строения получают политиоэфиры.
Можно встретить и соединения, в главной цепочке которых есть атомы фосфора.
В главную цепочку могут входить и атомы кислорода и с азотом. Наиболее распространенным примером подобного строения можно назвать полиуретаны.
Полиамины и полиамиды – яркие представители полимерных материалов, которые в своей главной цепочке имеют атомы азота.

Кроме этого выделяют две большие группы полимерных материалов:
Карбоцепные – вариант, который имеет основную цепочку макромолекулы ВМС с одним атомом углерода.
Гетероцепные – структура, которая кроме атома углерода имеет и атомы других веществ.

Существует просто огромное количество разновидностей карбоцепных полимеров:
Высокомолекулярные соединения, которые называют тефлоном.
Полимерные спирты.
Структуры с насыщенными главными цепочками.
Цепочки с насыщенными основными связями, которые представлены полиэтиленом и полипропиленом. Отметим, что сегодня подобные разновидности полимеров получили просто огромное распространение, их применяют при производстве строительных материалов и других вещей.
ВМС, которые получаются на основе переработки спиртов.
Вещества, полученные при переработке карбоновой кислоты.
Вещества, полученные на основе нитрилов.
Материалы, которые были получены на основе ароматических углеводородов. Самым распространенным представителем этой группы является полистирол. Он получил широкое применение по причине высоких изоляционных качеств. Сегодня полистирол используют для изоляции жилых и нежилых помещений, транспортных средств и другой техники.

Вся приведенная выше информация определяет то, что существует просто огромное количество разновидностей полимерных материалов. Этот момент также определяет их широкое распространение, применение практически во всех отраслях промышленности и сферах деятельности человека.
Применение полимеров
Современная экономика и жизнь людей просто не может обойтись без полимерных материалов. Это связано с тем, что они обладают относительно невысокой стоимостью, при необходимости основные эксплуатационные качества могут изменяться под конкретные задачи.
Применение полимерных материалов
Рассматривая применение полимеров, следует уделить внимание нижеприведенным моментам:
Активное производство началось в начале 20 века. Изначально технология производства заключалась в переработке низкомолекулярного сырья и целлюлозы. В результате их переработки появились краски и пленки.
Современные полимеры повлияли на развитие всех отраслей промышленности. В момент развития кинематографа появление прозрачных пленок позволило снимать первые картины.
В современном мире рассматриваемые полимерные материалы применяется практически во всех отраслях промышленности. Примером можно назвать использование полимеров при производстве игрушек, оборудования, лекарственных средств, тканей, строительных материалов и многого другого. Кроме этого они становятся частью других материалов для изменения их основных эксплуатационных качеств, применяются при обработке натуральной кожи или резины. За счет применения пластика производители смогли снизить стоимость компьютеров и мобильных девайсов, сделать их легче и тоньше. Если сравнить металл и полимеры, то разница в стоимости может быть просто огромной.
Совершенствование технологии производства полимерных материалов привело к появлению более современных композитов, которые стали использовать в машиностроении и многих других отраслях промышленности.
Применение полимера связано и с космосом. Можно назвать примером создание как летальных аппаратов, так и различных спутников. Существенное снижение массы позволяет с меньшими затратами преодолеть земное притяжение. Кроме этого полимеры хорошо известны тем, что выдерживают воздействие окружающей среды, представленное перепадами температуры и влажности.

Изначально в качестве сырья при производстве полимеров использовали низкокачественные низкомолекулярные вещества. Именно поэтому у них было огромное количество недостатков. Однако совершенствование технологий производства привело к тому, что сегодня полимеры обладают высокой безопасностью при применении, не выделяют вредных веществ в окружающую среду. Поэтому они стали все чаще использоваться при изготовлении вещей, применяемых в быту.
В заключение отметим, что рассматриваемая область постоянно развивается, за счет чего стали появляться композитные материалы. Они обходятся намного дороже полимеров, но при этом обладают исключительными физическими, химическими и механическими качествами. В ближайшее время полимерные материалы будут все также активно применяться в самых различных областях, так как альтернативы для их замены пока не существует.

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.

На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты).

Волокна получают путем продавливания растворов или расплавов полимеров через тонкие отверстия (фильеры) в пластине с последующим затвердеванием. К волокнообразующим полимерам относятся полиамиды, полиакрилонитрилы и др.

Полимерные пленки получают из расплавов полимеров методом продавливания через фильеры с щелевидными отверстиями, либо методом нанесения растворов полимеров на движущуюся ленту, либо методом каландрования полимеров. Пленки используют в качестве электроизоляционного и упаковочного материала, основы магнитных лент и т.д.

Каландрование –обработка полимеров на каландрах, состоящих из двух или более валков, расположенных параллельно и вращающихся навстречу друг другу.

Лаки – растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях. Кроме полимеров, лаки содержат вещества, повышающие пластичность (пластификаторы), растворимые красители, отвердители и др. Применяются для электроизоляционных покрытий, а также в качестве основы грунтовочного материала и лакокрасочных эмалей.

Клеи – композиции, способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями и клеевой прослойкой. Синтетические органические клеи составляются на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей. В состав композиции входят отвердители, наполнители, пластификаторы и др. Клеи подразделяются на термопластические, термореактивные и резиновые. Термопластические клеи образуют связь с поверхностью в результате затвердевания при охлаждении от температуры текучести до комнатной температуры или испарения растворителя. Термореактивные клеи образуют связь с поверхностью в результате отвердевания (образования поперечных сшивок), резиновые клеи – в результате вулканизации.

Пластмассы – это материалы, содержащие полимер, который при формировании изделия находится в вязкотекучем состоянии, а при его эксплуатации – в стеклообразном. Все пластмассы подразделяются на реактопласты и термопласты. При формовании реактопластов происходит необратимая реакция отвердевания, заключающаяся в образовании сетчатой структуры. К реактопластам относятся материалы на основе фенолоформальдегидных, мочевиноформальдегидных, эпоксидных и других смол. Термопласты способны многократно переходить в вязкотекучее состояние при нагревании и стеклообразное – при охлаждении. К термопластам относятся материалы на основе полиэтилена, политетрафторэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, полиамидов и других полимеров.

Эластомеры – это полимеры и композиты на их основе, для которых температурный интервал температуры стеклования – температуры текучести достаточно высок и захватывает обычные температуры.

Кроме полимеров в состав пластмасс и эластомеров входят пластификаторы, красители и наполнители. Пластификаторы – например, диоктилфталат, дибутилсебацинат, хлорированный парафин – снижают температуру стеклования и повышают текучесть полимера. Антиоксиданты замедляют деструкцию полимеров. Наполнители улучшают физико-механические свойства полимеров. В качестве наполнителей применяют порошки (графит, сажа, мел, металл и т.д.), бумагу, ткань.

Армирующие волокна и кристаллы могут быть металлическими, полимерными, неорганическими (например, стеклянными, карбидными, нитридными, борными). Армирующие наполнители в значительной степени определяют механические, теплофизические и электрические свойства полимеров. Многие композиционные полимерные материалы по прочности не уступают металлам. Композиты на основе полимеров, армированных стекловолокном (стеклопластики), обладают высокой механической прочностью (прочностью при разрыве 1300–2500 МПа) и хорошими электроизоляционными свойствами. Композиты на основе полимеров, армированных углеродными волокнами (углепластики), сочетают высокую прочность и вибропрочность с повышенной теплопроводностью и химической стойкостью. Боропластики (наполнители – борные волокна) имеют высокую прочность, твердость и низкую ползучесть.

Композиты на основе полимеров используются как конструкционные, электро- и теплоизоляционные, коррозионностойкие, антифрикционные материалы в автомобильной, станкостроительной, электротехнической, авиационной, радиотехнической, горнорудной промышленности, космической технике, химическом машиностроении и строительстве.

Редокситы. Широкое применение получили полимеры с окислительно-восстановительными свойствами – редокситы (с редоксгруппами, или редоксиониты).

Применение полимеров. В настоящее время широко применяется большое число различных полимеров, обладающих различными физическими и химическими свойствами.

Рассмотрим некоторые полимеры и композитов на их основе.

Полиэтилен [-CH2-CH2-] n – термопласт, получаемый методом радикальной полимеризации при температуре до 320 0C и давлении 120-320 МПа (полиэтилен высокого давления) или при давлении до 5 МПа с использованием комплексных катализаторов (полиэтилен низкого давления). Полиэтилен низкого давлений имеет более высокие прочность, плотность, эластичность и температуру размягчения, чем полиэтилен высокого давления. Полиэтилен химически стоек во многих средах, но под действием окислителей стареет. Полиэтилен – хороший диэлектрик, может эксплуатироваться в пределах температур от –20 до +100 0 C. Облучение может повысить теплостойкость полимера. Из полиэтилена изготавливают трубы, электротехнические изделия, детали радиоаппаратуры, изоляционные пленки и оболочки кабелей (высокочастотных, телефонных, силовых), пленки, упаковочный материал, заменители стеклотары.

Полипропилен [-CH(CH 3)-CH 2 -] n – кристаллический термопласт, получаемый методом стереоспецифической полимеризации. Обладает более высокой термостойкостью (до 120–140 0 C), нежели полиэтилен. Имеет высокую механическую прочность (см. табл. 14.2), стойкость к многократным изгибам и истиранию, эластичен. Применяется для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков и др.

Полистирол – термопласт, получаемый радикальной полимеризацией стирола. Полимер стоек к действию окислителей, но неустойчив к воздействию сильных кислот, он растворяется в ароматических растворителях, обладает высокой механической прочностью и диэлектрическими свойствами и используется как высококачественный электроизоляционный, а также конструкционный и декоративно-отделочный материал в приборостроении, электротехнике, радиотехнике, бытовой технике. Гибкий эластичный полистирол, получаемый вытяжкой в горячем состоянии, применяется для оболочек кабелей и проводов. На основе полистирола также выпускают пенопласты.

Поливинилхлорид [-CH 2 -CHCl-] n – термопласт, изготовляемый полимеризацией винилхлорида, стоек к воздействию кислот, щелочей и окислителей; растворим в циклогексаноне, тетрагидрофуране, ограничено – в бензоле и ацетоне; трудногорюч, механически прочен; диэлектрические свойства хуже, чем у полиэтилена. Применяется как изоляционный материал, который можно соединять сваркой. Из него изготовляют грампластинки, плащи, трубы и др. предметы.

Политетрафторэтилен (фторопласт) [-CF 2 -CF 2 -] n – термопласт, получаемый методом радикальной полимеризации тетрафторэтилена. Обладает исключительной химической стойкостью к кислотам, щелочам и окислителям; прекрасный диэлектрик; имеет очень широкие температурные пределы эксплуатации (от –270 до +260 0 C). При 400 0 C разлагается с выделением фтора, не смачивается водой. Фторопласт используется как химически стойкий конструкционный материал в химической промышленности. Как лучший диэлектрик применяется в условиях, когда требуется сочетание электроизоляционных свойств с химической стойкостью. Кроме того, его используют для нанесения антифрикционных, гидрофобных и защитных покрытий, покрытий сковородок.

Полиметилметакрилат (плексиглас)

– термопласт, получаемый методом полимеризации метилметакрилата. Механически прочен; стоек к действию кислот; атмосферостоек; растворяется в дихлорэтане, ароматических углеводородах, кетонах, сложных эфирах; бесцветен и оптически прозрачен. Применяется в электротехнике как конструкционный материал, а также как основа для клеев.

Полиамиды – термопласты, содержащие в основной цепи амидогруппу -NHCO-, например, поли-ε-капрон [-NH-(CH 2) 5 -CO-] n , полигексаметиленадипинамид (нейлон) [-NH-(CH 2) 5 -NH-CO-(CH 2) 4 -CO-] n ; полидодеканамид [-NH-(CH 2) 11 -CO-] n и др. Их получают как поликонденсацией, так и полимеризацией. Плотность полимеров 1,0÷1,3 г/см 3 . Характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, диэлектрическими свойствами; устойчивы в маслах, бензине, разбавленных кислотах и концентрированных щелочах. Применяются для получения волокон, изоляционных пленок, конструкционных, антифрикционных и электроизоляционных изделий.

Полиуретаны – термопласты, содержащие в основной цепи группы -NH(CO)O-, а также эфирные, карбаматные и др. Получают взаимодействием изоциантов (соединений, содержащих одну или несколько NCO-групп) с полиспиртами, например, с гликолями и глицерином. Устойчивы к действию разбавленных минеральных кислот и щелочей, масел и алифатических углеводородов. Выпускаются в виде пенополиуретанов (поролонов), эластомеров, входят в составы лаков, клеев, герметиков. Используются для тепло- и электроизоляции, в качестве фильтров и упаковочного материала, для изготовления обуви, искусственной кожи, резинотехнических изделий.

Полиэфиры – полимеры с общей формулой НО[-R-О-] n Н или [-OC-R-COO-R"-O-] n . Получают либо полимеризацией циклических оксидов, например этиленоксида, лактонов (сложных эфиров оксикислот), либо поликонденсацией гликолей, диэфиров и других соединений. Алифатические полиэфиры устойчивы к действию растворов щелочей, ароматические – также к действию растворов минеральных кислот и солей. Применяются в производстве волокон, лаков и эмалей, пленок, коагулянтов и фотореагентов, компонентов гидравлических жидкостей и др.

Синтетические каучуки (эластомеры) получают эмульсионной или стереоспецифической полимеризацией. При вулканизации превращаются в резину, для которой характерна высокая эластичность. Промышленность выпускает большое число различных синтетических каучуков (CK), свойства которых зависят от типа мономеров. Многие каучуки получают совместной полимеризацией двух и более мономеров. Различают CK общего и специального назначения. К CK общего назначения относят бутадиеновый [-CH 2 -CH=CH-CH 2 -] n и бутадиенстирольный [-СН 2 -СН=СН-СН 2 -] n - - [-CH 2 -CH(C 6 H 5)-] n . Резины на их основе используются в изделиях массового назначения (шины, защитные оболочки кабелей и проводов, ленты и т.д.). Из этих каучуков также получают эбонит, широко используемый в электротехнике. Резины, получаемые из CK специального назначения, кроме эластичности, характеризуются некоторыми специальными свойствами, например бензо- и маслостойкостью (бутадиен-нитрильный CK [-CH 2 -CH=CH-CH 2 -] n – [-CH 2 -CH(CN)-] n), бензо-, масло- и теплостойкостью, негорючестью (хлоропреновый CK [-CH 2 -C(Cl)=CH-CH 2 -] n), износостойкостью (полиуретановый и др.), тепло-, свето-, озоностойкостью (бутилкаучук) [-С(СН 3) 2 -СН 2 -] n -[-СН 2 С(СН 3)=СН-CН 2 -] m . К наиболее применяемым относятся бутадиенстирольный (более 40 %), бутадиеновый (13 %), изопреновый (7 %), хлоропреновый (5 %) каучуки и бутилкаучук (5 %). Основная доля каучуков. (60 - 70 %) идет на производство шин, около 4 % – на изготовление обуви

Кремнийорганические полимеры (силиконы) – содержат атомы кремния в элементарных звеньях макромолекул. Большой вклад в разработку кремнийорганических полимеров внес российский ученый К. А. Андрианов. Характерной особенностью этих полимеров является высокая тепло- и морозостойкость, эластичность; они не стойки к воздействию щелочей и растворяются во многих ароматических и алифатических растворителях. Кремнийорганические полимеры используются для получения лаков, клеев, пластмасс и резины. Кремнийорганические каучуки [-Si(R 2)-O-] n , например диметилсилоксановый и метилвинилсилоксановый имеют плотность 0,96 – 0,98 г/см 3 , температуру стеклования 130 0 C. Растворимы в углеводородах, галогеноуглеводородах, эфирах. Вулканизируются с помощью органических пероксидов. Резины могут эксплуатироваться при температуре от -90 до +300 0 C, обладают атмосферостойкостью, высокими электроизоляционными свойствами. Применяются для изделий, работающих в условиях большого перепада температур, например для защитных покрытий космических аппаратов и т.д.

Феноло- и аминоформальдегидные смолы получают поликонденсацией формальдегида с фенолом или аминами. Это термореактивные полимеры, у которых в результате образования поперечных связей образуется сетчатая пространственная структура, которую невозможно превратить в линейную структуру, т.е. процесс идет необратимо. Их используют как основу для клеев, лаков, ионитов, пластмасс.

Пластмассы на основе фенолоформальдегидных смол получили название фенопластов , на основе мочевиноформальдегидных смол – аминопластов . Наполнителями фенопластов и аминопластов служит бумага или картон (гетинакс), ткань (текстолит), древесина, кварцевая и слюдяная мука и др. Фенопласты стойки к действию воды, растворов кислот, солей и оснований, органических растворителей, трудногорючи, атмосферостойки и являются хорошими диэлектриками. Используются в производстве печатных плат, корпусов электро- и радиотехнических изделий, фольгированных диэлектриков.

Аминопласты характеризуются высокими диэлектрическими и физико-механическими свойствами, устойчивы к действию света и УФ-лучей, трудногорючи, стойки к действию слабых кислот и оснований и многих растворителей. Они могут быть окрашены в любые цвета. Применяются для изготовления электротехнических изделий (корпусов приборов и аппаратов, выключателей, плафонов, тепло- и звукоизоляционных материалов и др.).

В настоящее время около 1/3 всех пластмасс применяется в электротехнике, электронике и машиностроении, 1/4 – в строительстве и примерно 1/5 – для упаковки. Растущий интерес к полимерам можно показать на примере автомобилестроения. Многие специалисты оценивают уровень совершенства автомобиля по доле использования в нем полимеров. Например, масса полимерных материалов возросла от 32 кг у ВАЗ-2101 до 76 кг у ВАЗ-2108. За рубежом средняя масса пластмасс составляет 75÷120 кг на автомашину.

Таким образом, полимеры находят чрезвычайно широкое применение в виде пластмасс и композитов, волокон, клеев и лаков, причем масштабы и области их использования постоянно возрастают.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое полимеры? Их виды.

2. Что такое мономер, олигомер?

3. В чем заключается метод получения полимеров полимеризацией? Привести примеры.

4. В чем заключается метод получения полимеров поликонденсацией? Привести примеры.

5. В чем заключается радикальная полимеризация?

6. В чем заключается ионная полимеризация?

7. В чем заключается полимеризация в массе (блоке)?

8. В чем заключается эмульсионная полимеризация?

9. В чем заключается суспензионная полимеризация?

10. В чем заключается газовая полимеризация?

11. В чем заключается поликонденсация в расплаве?

12. В чем заключается поликонденсация в растворе?

13. В чем заключается поликонденсация на межфазной границе?

14. Какова форма и структура макромолекул полимеров?

15. Чем характеризуется кристаллическое состояние полимеров?

16. Каковы особенности физического состояния аморфных полимеров?

17. Каковы химические свойства полимеров?

18. Каковы физические свойства полимеров?

19. Какие материалы получают на основе полимеров?

20. Каково применение полимеров в различных отраслях промышленности?

Вопросы для самостоятельной работы:

1. Полимеры и их применение.

2. Пожарная опасность полимеров.

Литература:

1. Семенова Е. В., Кострова В. Н., Федюкина У. В. Химия. – Воронеж: Научная книга – 2006, 284 с.

2. Артименко А.И. Органическая химия. - М.: Высш. шк. – 2002, 560 с.

3. Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высш. шк. – 1990, 560 с.

4. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Высш. шк. – 1983, 650 с.

5. Глинка Н.Л. Сборник задач и упражнений по общей химии. – М.: Высш. шк. – 1983, 230 с.

6. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.:Высшая шк. – 2003, 743 с.

Лекция 17 (2 ч)

Тема 11. Химическая идентификация и анализ вещества

Цель лекции: ознакомится с качественным и количественным анализом веществ и дать общую характеристику, применяемых при этом методов

Изучаемые вопросы:

11.1. Качественный анализ вещества.

11.2. Количественный анализ вещества. Химические методы анализа.

11.3. Инструментальные методы анализа.

11.1. Качественный анализ вещества

В практической деятельности часто возникает необходимость идентификации (обнаружения) того или иного вещества, а также количественной оценки (измерения) его содержания. Наука, которая занимается качественным и количественным анализом называется аналитической химией . Анализ проводят поэтапно: сначала проводят химическую идентификацию вещества (качественный анализ), а затем определяют, сколько вещества находится в образце (количественный анализ).

Химическая идентификация (обнаружение) – это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов и других составных частей вещества на основе сопоставления экспериментальных и соответствующих справочных данных для известных веществ. Идентификация является целью качественного анализа.При идентификации обычно определяется комплекс свойств веществ: цвет, фазовое состояние, плотность, вязкость, температуры плавления, кипения и фазового перехода, растворимость, электродный потенциал, энергия ионизации и (или) т.д. Для облегчения идентификации созданы банки химических и физико-химических данных. При анализе многокомпонентных веществ часто используются универсальные приборы (спектрометры, спектрофотометры, хроматографы, полярографы и др.), снабженные компьютерами, в памяти которых имеется справочная химико-аналитическая информация. На базе этих универсальных установок создается автоматизированная система анализа и обработки информации.

В зависимости от вида идентифицируемых частиц различают элементный, молекулярный, изотопный и фазовый анализы. Поэтому наибольшее значение имеют методы определения, классифицируемые по характеру определяемого свойства, или по способу регистрации аналитического сигнала:

1) химические методы анализа ,которые основаны на применении химических реакций. Они сопровождаются внешними эффектами (образование осадка, выделение газа, появление, исчезновение или изменение окраски);

2) физические методы , которые основаны на определенной взаимосвязи между физическими свойствами вещества и его химическим составом;

3) физико-химические методы , которые основаны на физических явлениях, сопровождающих химические реакции. Они наиболее распространены вследствие высокой точности, селективности (избирательности) и чувствительности. В первую очередь будут рассмотрены элементный и молекулярный анализы.

В зависимости от массы сухого вещества или объема раствора анализируемого вещества различают макрометод (0,5 – 10 г или 10 – 100 мл), полумикрометод (10 – 50 мг или 1 – 5 мл), микрометод (1-5 Гмг или 0,1 – 0,5 мл) и ультрамикрометод (ниже 1 мг или 0,1 мл) идентификаций.

Качественный анализ характеризуется пределом обнаружения (обнаруженным минимумом) сухого вещества, т. е. минимальным количеством надежно идентифицируемого вещества и предельной концентрацией раствора. В качественном анализе применяются только такие реакции, пределы обнаружения которых не менее 50 мкг.

Имеются некоторые реакции, которые позволяют обнаружить то или иное вещество или ион в присутствии других веществ или других ионов. Такие реакции называются специфическими . Примером таких реакций могут быть обнаружение ионов NH 4 + действием щелочи или нагреванием

NH 4 Cl + NaOH = NH 3 + H 2 O + NaCl

или реакция иода с крахмалом (темно-синее окрашивание) и т.д.

Однако в большинстве случаев реакции обнаружения вещества не являются специфическими, поэтому мешающие идентификации вещества переводят в осадок, слабодиссоциирующее или комплексное соединение. Анализ неизвестного вещества проводят в определенной последовательности, при которой то или иное вещество идентифицируют после обнаружения и удаления, мешающих анализу других веществ, т.е. применяют не только реакции обнаружения веществ, но и реакции отделения их друг от друга.

Следовательно, качественный анализ вещества зависит от содержания примесей в нем, т. е. его чистоты. Если примеси содержатся в очень малых количествах, то их называют «следами». Термины отвечают молярным долям в %: «следы» 10 -3 ÷ 10 -1 , «микроследы» – 10 -6 ÷ 10 -3 , «ультрамикроследы» - 10 -9 ÷ 10 -6 , субмикроследы – менее 10 -9 . Вещество называется высокочистым при содержании примесей не более 10 -4 ÷ 10 -3 % (мол. доли) и особо чистым (ультрачистым) при содержании примесей ниже 10 -7 % (мол. доли). Имеется и другое определение особо чистых вещества, согласно которому они содержат примеси в таких количествах, которые не влияют на основные специфические свойства веществ. Однако значение имеет не любая примесь, а примеси, оказывающие влияние на свойства чистого вещества. Такие примеси называются лимитирующими или контролирующими.

При идентификации неорганических веществ проводят качественный анализ катионов и анионов. Методы качественного анализа базируются на ионных реакциях, которые позволяют идентифицировать элементы в форме тех или иных ионов. Как и при любом виде качественного анализа, в ходе реакций образуются труднорастворимые соединения, окрашенные комплексные соединения, происходит окисление или восстановление с изменением цвета раствора. Для идентификации с помощью образования труднорастворимых соединений используют как групповые, так и индивидуальные осадители.

При идентификации катионов неорганических веществ групповыми осадителями для ионов Ag + , Pb 2+ , Hg 2+ служит NaCl; для ионов Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ - (NH 4) 2 CO 3 , для ионов Al 3+ , Cr 3+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ и др. - (NH 4) 2 S.

Если присутствует несколько катионов, то проводят дробный анализ , при котором осаждаются все труднорастворимые соединения, а затем обнаруживаются оставшиеся катионы тем или иным методом, либо проводят ступенчатое добавление реагента, при котором сначала осаждаются соединения с наименьшим значением ПР, а затем соединения с более высоким значением ПР. Любой катион можно идентифицировать с помощью определенной реакции, если удалить другие катионы, мешающие этой идентификации. Имеется много органических и неорганических реагентов, образующих осадки или окрашенные комплексные соединения с катионами (табл. 9).

Разделы