Полимеры

Рубрика | Статьи | Полимеры

Полимеры — это химические соединения, которые характеризуются значительной молекулярной массой, величина которой колеблется от пары тысяч до пары миллионов. Полимерные молекулы, иначе называемые макромолекулами, состоят из большого числа мономерных звеньев, повторяющихся групп. В составе самих макромолекул атомы связаны между собой при помощи главных, или координационных, валентностей. Обычно различают полимеры синтетические и природные. Такая классификация проводится на основании их происхождения.
Атомы или их группы располагаются в макромолекулах абсолютно разным образом. Они могут быть похожи на открытую цепь или же быть вытянутыми в цепочку, состоящую из последовательности циклов. Яркий представитель последних — каучук. Бывают полимеры, представляющие собой цепь с несколькими ветвями, к ним, например, относится аминопектин. А самыми известными полимерами трехмерной сетки, или полимерами сшитыми, являются застывшие эпоксидные смолы. Существуют еще и гомополимеры — особые полимеры, для которых характерны мономерные звенья одинакового происхождения.
Полимерам присуща значительная механическая прочность, высокие электроизоляционные качества, эластичность, а также другие ценные характеристики. Это делает их чрезвычайно полезными в быту и разных отраслях современной промышленности. Наиболее широко сегодня используются такие виды полимерных материалов, как резина, пластмасса, краски и лаки, клеи, волокна и ионообменные смолы.
Биополимеры составляют основу живых организмов и принимают участие практически в каждом процессе жизнедеятельности. Наиболее распространенными считаются полимеры 12 марок. Чаще других используют полиэтилен. Он принадлежит к классу полиолефинов и является синтетическим неполярным термопластическим полимером. Получают его путем полимеризации этилена.
Еще одним термопластичным неполярным полимером, который получил широкой применение, является полипропилен. Это синтетическое соединения относится к классу полиолефинов, он является результатом процесса полимеризации пропилена. Полипропилен, как и полиэтилен, представляет собой твердое вещество белого цвета.
Полиэтилентерефталат (синтетический термопластический полимер линейного типа класса полиэфиров) получают с помощью поликонденсации моноэтиленгликоля и терефталевой кислоты. Широко используется и полистирол, который представляет собой твердый синтетический аморфный термопластический полимер, являющийся продуктом полимеризации стирола.
Еще один незаменимый в промышленности и быту линейный полимер термопластического типа — поливинилхлорид, который одновременно является полимером винилхлорида _CH2_CHC1_. Поливинилхлорид представляет собой пластик белого цвета, молекулярная масса которого составляет 6000 – 160. 000, плотность — 1.35 – 1.43 г/см3, степень кристалличности — 10 – 35%. Физиологически это вещество безвредно. Пластик назвали АБС, использовав начальные буквы названий мономеров, его составляющих, то есть акрилонитрила, бутадиена и стирола. Этот полимер относится к аморфным термопластичным тройным сополимерам.
Часто используют и полиуретаны — гетероцепные синтетические полимеры, в состав основных цепей которых входят макромолекулы уретановой группы _NH_CO_O_.
Еще одним видом термопластических синтетических полимеров, которые принадлежат к классу фторолефинов, является фторопласт, в состав которого входят атомы фтора. Эти атомы характеризуются высоким коэффициентом химической стойкости.
Пенопласт — это пористая, специально вспененная пластмасса. Он наполнен газом и представляет собой соединение материалов с матрицей из полимерных пленок. Последние формируют стенки пор и ребра, которые заполнены газом.
Фенопласт принадлежит к пластмассам термореактивного вида, основу которых составляют фенолоальдегидные смолы (чаще всего фенолоформальдегидные), содержащие в себе разнообразные отвердители, наполнители и другие добавки.
Полиамиды принадлежат к группе высокомолекулярных гетероцепных соединений. Их химические звенья соединены с помощью амидной связи _NH_CO_. Также широко используются полиэфиры угольной кислоты, диоксисоединений и поликарбонаты.
Полимеры классифицируются в соответствии со своим происхождением. Различают природные или биополимеры, представителями которых являются нуклеиновые кислоты, природные смолы и белки, а также синтетические полимеры, такие, как полиэтилен, полипропилен и смолы фенолоформальдегидной группы. Расположение атомов и атомных групп в макромолекулах может быть разнообразным. Это могут быть, как открытые цепи или вытянутые в линию последовательности циклов, так и цепи с разветвлениями и трехмерные сетки. К первой группе относятся линейные полимеры, к примеру, натуральный каучук. Сшитыми полимерами трехмерной сетки являются отвержденные эпоксидные смолы. Поливинилхлориды, поликапроамиды и целлюлоза отличаются одинаковыми звеньями мономеров и получили название гомополимеров.
Способы получения полимеров разнообразны. Биополимеры являются продуктом жизнедеятельности животных и растений. Из древесины путем экстракции фракционного осаждения или другими методами кожи и шерсти животных получают протеин, целлюлозу, крахмалы, шеллак, лигнин и латекс. Как правило, процессы очистки, модификации биополимеров не влияют на структуру их основных цепей. В результате процесса переработки биополимеров получают искусственные полимеры. К ним относятся латекс, который получают из природного каучука, также целлулоид, получаемый из нитроцеллюлозы, пластифицированный камфарой с целью повышения эластичных свойств.
Особую роль в росте производства и потребления органических материалов сыграли синтетические полимеры. Как природные, так и искусственные полимеры незаменимы в области получения изделия из пластмассы, современной техники и целлюлозно-бумажной индустрии. Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных веществ путем синтеза. Они не имеют аналогов в природе. Благодаря синтетическим полимерам произошел резкий толчок в росте производства и использования материалов органического происхождения.
Полимеры широко используются благодаря присущим им особым чертам, самой важной из которых является способность образовывать анизотропные высокоориентированные пленки и волокна, отличающиеся высокой прочностью. Линейные полимеры обладают также рядом специфических комплексных механических и физико-химических свойств.
Имеющие высокую молекулярную массу линейные полимеры предрасположены к большим обратимым деформациям, для которых характерно длительное развитие. Доведенные до высокоэластичного состояния эти полимеры могут набухать перед тем, как раствориться. Полимеры линейного типа имеют высокую вязкость растворов. Полимерам с густыми сетчатыми конструкциями, трехмерными сетками и разветвлениями эти свойства менее присущи.
Сильно сшитые полимеры нельзя растворить или расплавить, они не поддаются высокоэластичным деформациям.
Для полимеров характерны как кристаллические, так и аморфные состояния. Кристаллические полимеры отличаются присутствием в своей структуре регулярных, довольно длинных участков макромолекул. В них часто формируются разные надмолекулярные конструкции, например, сферолиты, фибриллы или монокристаллы. Типы этих конструкций сильно влияют на свойства и характеристики полимерного материала. Реже надмолекулярные структуры образуются на основе незакристаллизированных полимеров, которые встречаются в трех физических состояниях – стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.
При понижении температуры эластомеры способны изменять свое состояние из стеклообразного в высокоэластическое. Пластики же переходят в такое состояние при высокой температуре. Полимеры обладают разнообразными свойствами, которые зависят от строения их молекул, их химического состава и взаимного расположения. Возьмем, например, 1.4-цис-полибутадиен, состоящий из углеводородных цепей, которые обладают характерной гибкостью. При температуре 20 °С он представляет собой эластический материал, тогда как при нагревании свыше 60 °С приобретает стеклообразную физическую форму. Полиметилметакрилат же, который состоит из довольно жестких цепей, при 20 С° является стеклообразным, твердым продуктом, чтобы он перешел в высокоэластичное состояние, необходимо создать температуру в 100 °С.
Целлюлоза состоит из более твердых цепей, соединенных между собой с помощью водородных связей. Она не приобретет высокоэластического состояния до того момента, пока не нагреется до температуры своего разложения. Даже полимеры, имеющие небольшие отличия в построении макромолекул, очень разнятся по своим свойствам. Скажем, стереорегулярный полистирол свой кристаллический вид сохраняет и при температуре плавления, то есть при 235 °С, а нестереорегулярный, или атактический, полистирол, не обладающий такой способностью кристаллизации, уже при температуре 80 С° становится мягким. Одна из наиболее характерных для полимеров реакций — сшивание между макромолекулами в структуре полимеров. Наиболее ярко она проявляется в процессе дубления кожи или вулканизации каучуков и состоит в том, что молекулы полимеров начинают делиться на более короткие фрагменты.
Одновременно реакции происходят в боковых рядах полимеров с низкомолекулярными субстанциями, но основную цепь они не затрагивают. Эти превращения называются полимераналогичными. Полимерам также характерны внутремолекулярные взаимодействия между их функциональными группами. Такой может считаться реакция циклизации внутри молекул. Сшивание молекул, упомянутое выше, часто сопровождается деструктивными процессами. Примером является добывание поливинилового спирта в процессе омыления поливинилацетата. Полимеры взаимодействуют с низкомолекулярными веществами, а скорость их не может быть выше скорости диффузии низкомолекулярных сущностей в период фазы. Этот процесс часто можно наблюдать у сшитых полимеров. Прямое влияние на скорость протекания реакции макромолекул в составе полимеров с низкомолекулярными структурами имеет положение близ лежащих звеньев по отношению к звену, которое реагирует. То же самое присуще внутримолекулярным взаимодействиям между функциональными группами в структуре цепи одной и той же макромолекулы. Некоторыми свойствами полимеров такими, как стабильность, растворимость или склонность к вязкому течению, можно управлять с помощью добавления в них небольших количествах специальных смесей. Последние, взаимодействуя с макромолекулами, способны изменить свойства полимеров. Так, чтобы сделать линейный полимер абсолютно нерастворимым, необходимо добавить 1-2 поперечные связи на 1 макромолекулу. Делаем вывод: самые важные свойства полимеров — это их химический состав, молекулярная масса макромолекул и ее распределение, стереорегулярность, а также степень их гибкости и разветвленности.
Самыми популярными методами переработки полимеров являются каландрование и отливка, прямое прессование полимеров и литье под давлением, а также экструзия, холодное, термо- и пневмоформование, формование из расплава, сухое и мокрое формование, вспенивание, армирование. Формование из расплава, сухое и мокрое формование используются для изготовления волокон, а остальные служат для переработки материалов с пластическими и эластомерными характеристиками в промышленные.
Полимеры задействованы практически во всех сферах деятельности человека, как в промышленности, так и в сельском хозяйстве, а также в медицине, культуре и быту. Они удовлетворяют всем потребностям промышленности. Появление новых технологий повлияло на функции полимерных материалов в разных отраслях и на способы их получения. Теперь на них возлагаются более ответственные функции. Из этих материалов стали изготавливать более мелкие, но сложные по своей конструкции детали машин и механизмов. Полимеры, или изделия из пластмассы, стали применять в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и механизмов, рассчитанных на существенные нагрузки.
Пластмассовые изделия, то есть полимеры, можно смело назвать товарами широкого потребления. Действительно, сегодня они используются во всех сферах нашей жизни. Пластмассы необходимы для производства автобусов, грузовиков, мотоциклов и запчастей для них. Кроме того, их используют для изготовления систем зажигания и автомобильных двигателей. Кораблестроение, создание авиатехники, космического, военного и железнодорожного оборудования — новая сфера применения пластмассовых изделий. Эти полимеры используются для изготовления разных видов упаковки: контейнеров, бутылок, мешков, пакетов, чашек и тарелок. Из них делают одноразовую посуду, ленты и бечевки. Водопроводные системы разных видов, трубы и акведуки, вывески и софиты часто создают при помощи этих полимеров. Они могут выполнять изоляционные функции, стать основой напольных покрытий, крыш и панелей, окон и дверей. Эти полимеры используют при изготовлении лестниц, сантехники, оград и решеток. Холодильники, телевизоры, кондиционеры и стиральные машины, офисная техника, телефонные аппараты, осветительные приборы и даже компоненты электротехники (провода, батареи, кабели, полупроводники и резисторы) — во всех них есть пластмассовые детали. Подобные изделия используют в производстве измерительного оборудования и радиоприемников, тентов и жалюзи, ламп и торшеров. Не обошлись без участия полимеров и в производстве товаров народного потребления таких, как сидения для стадионов, декоративная мебель, подушки, занавески, навесы и ставни. Полимеры присутствуют в составе клея, красок, уплотняющих материалов, лаков, эмалей, их используют для мелования бумаги. Даже для создания одежды, украшений, игрушек, сумок и чемоданов, медицинского и садового оборудования, кредитных карточек и спортивных товаров необходимы пластмассовые детали.