Полімерні матеріали: технологія, види, виробництво і застосування

Полімерні матеріали - це хімічні високомолекулярні сполуки, які складаються з численних маломолекулярних мономерів (ланок) однакового будови. Найчастіше для виготовлення полімерів використовують наступні мономерні компоненти: етилен, вінілхлорид, вінілденхлорід, вінілацетат, пропилен, метилметакрилат, тетрафторетилен, стирол, сечовину, меламін, формальдегід, фенол. У даній статті ми докладно розглянемо, що таке полімерні матеріали, які їхні хімічні та фізичні властивості, класифікація та види.

Види полімерів

Особливістю молекул даного матеріалу є велика молекулярна маса, яка відповідає наступному значенню: М> 5 * 103. З`єднання з меншим рівнем цього параметра (М = 500-5000) прийнято називати олигомерами. У низькомолекулярних сполук маса менше 500. Розрізняють такі види полімерних матеріалів: синтетичні і природні. До останніх прийнято відносити натуральний каучук, слюду, шерсть, азбест, целюлозу і т. Д. Однак основне місце займають полімери синтетичного характеру, які отримують в результаті процесу хімічного синтезу із з`єднань низкомолекулярного рівня. Залежно від методу виготовлення високомолекулярних матеріалів, розрізняють полімери, які створені або шляхом поліконденсації, або за допомогою реакції приєднання.

Полімеризація

Цей процес являє собою об`єднання низькомолекулярних компонентів у високомолекулярні з отриманням довгих ланцюгів. Величина рівня полімеризації - це кількість «меров» в молекулах даного складу. Найчастіше полімерні матеріали містять від тисячі до десяти тисяч їх одиниць. Шляхом полімеризації отримують наступні часто вживані з`єднання: поліетилен, поліпропілен, полівінілхлорид, політетрафторетилен, полістирол, полібутадієн та ін.

Поліконденсація

Даний процес являє собою ступінчасту реакцію, яка полягає в з`єднанні або великої кількості однотипних мономерів, або пари різних груп (А і Б) в поліконденсатори (макромолекули) з одночасним утворенням наступних побічних продуктів: метилового спирту, діоксиду вуглецю, хлороводню, аміаку, води та ін. За допомогою поліконденсації отримують силікони, полісульфони, полікарбонати, амінопласти, фенопласти, поліестери, поліаміди та інші полімерні матеріали.

Поліприєднання

Під даним процесом розуміють утворення полімерів в результаті реакцій множинного приєднання мономерних компонентів, які містять граничні реакційні об`єднання, до мономерам ненасичених груп (активні цикли або подвійні зв`язки). На відміну від поліконденсації, реакція поліприєднання протікає без виділень побічних продуктів. Найважливішим процесом цієї технології вважають отверждение епоксидних смол та отримання поліуретанів.

Класифікація полімерів

За складом все полімерні матеріали діляться на неорганічні, органічні та елементоорганіческіе. Перші з них (силікатне скло, слюда, азбест, кераміка та ін.) Не містять атомарний вуглець. Їх основою є оксиди алюмінію, магнію, кремнію і т. д. Органічні полімери складають найбільш великий клас, вони містять атоми вуглецю, водню, азоту, сірки, галогену і кисню. Елементоорганіческіе полімерні матеріали - це сполуки, які у складі основних ланцюгів мають, крім перерахованих, і атоми кремнію, алюмінію, титану та інших елементів, здатних поєднуватися з органічними радикалами. У природі такі комбінації не виникають. Це виключно синтетичні полімери. Характерними представниками цієї групи є сполуки на кремнийорганической основі, головна ланцюг яких будується з атомів кисню і кремнію.

Для отримання полімерів з необхідними властивостями в техніці найчастіше використовують не «чисті» речовини, а їх поєднання з органічними або неорганічними компонентами. Хорошим прикладом служать полімерні будівельні матеріали: Металлопласти, пластмаси, склопластики, полімербетони.

Структура полімерів

Своєрідність властивостей цих матеріалів обумовлено їх структурою, яка, в свою чергу, ділиться на такі види: лінійно-розгалужена, лінійна, просторова з великими молекулярними групами і вельми специфічними геометричними будовами, а також сходова. Розглянемо коротко кожну з них.

Полімерні матеріали з лінійно-розгалуженою структурою, крім основного ланцюга молекул, мають бічні відгалуження. До таких полімерів відносяться поліпропілен і полиизобутилен.

Матеріали з лінійною структурою мають довгі зигзагоподібні або закручені в спіралі ланцюжки. Їх макромолекули насамперед характеризуються повтореннями ділянок в однієї структурної групі ланки або хімічної одиниці ланцюга. Полімери з лінійною структурою відрізняються наявністю вельми довгих макромолекул зі значним розходженням характеру зв`язків уздовж ланцюга і між ними. Маються на увазі міжмолекулярні і хімічні зв`язки. Макромолекули таких матеріалів досить гнучкі. І ця властивість є основою полімерних ланцюгів, яка призводить до якісно нових характеристиках: високої еластичності, а також відсутності крихкості в затверділому стані.

А тепер дізнаємося, що таке полімерні матеріали з просторовою структурою. Ці речовини утворюють при об`єднанні між собою макромолекул міцні хімічні зв`язки в поперечному напрямку. У результаті виходить сітчаста структура, у якої неоднорідна або просторова основа сітки. Полімери цього типу мають більшу теплостійкість і твердість, ніж лінійні. Ці матеріали є основою багатьох конструкційних неметалевих речовин.

Молекули полімерних матеріалів зі сходової структурою складаються з пари ланцюгів, які з`єднані хімічним зв`язком. До них відносяться кремнийорганические полімери, які характеризуються підвищеною жорсткістю, термостійкістю, крім того, вони не взаємодіють з органічними розчинниками.

Фазовий склад полімерів

Дані матеріали являють собою системи, які складаються з аморфних і кристалічних областей. Перша з них сприяє зниженню жорсткості, робить полімер еластичним, тобто здатним до великих деформацій оборотного характеру. Кристалічна фаза сприяє збільшенню їх міцності, твердості, модуля пружності, а також інших параметрів, одночасно знижуючи молекулярну гнучкість речовини. Відношення обсягу всіх таких областей до загального обсягу називається ступенем кристалізації, де максимальний рівень (до 80%) мають поліпропілени, фторопласти, поліетілени високої щільності. Меншим рівнем ступеня кристалізації володіють полівінілхлориди, поліетілени низької щільності.

Залежно від того, як поводяться полімерні матеріали при нагріванні, їх прийнято ділити на термореактивні і термопластичні.

Термореактивні полімери

Дані матеріали первинно мають лінійну структуру. При нагріванні вони розм`якшуються, проте в результаті протікання в них хімічних реакцій будова змінюється на просторове, і речовина перетворюється в тверде. Надалі це якість зберігається. На цьому принципі побудовані полімерні композиційні матеріали. Подальший їх нагрівання НЕ розм`якшує речовина, а призводить лише до його розкладання. Готова термореактивна суміш не розчиняється і не плавиться, тому неприпустима її повторна переробка. До цього виду матеріалів відносяться епоксидні кремнійорганічні, феноло-формальдегідні та інші смоли.

Термопластичні полімери

Дані матеріали при нагріванні спочатку розм`якшуються і потім плавляться, а при наступному охолодженні тверднуть. Термопластичні полімери при такій обробці не зазнають хімічних змін. Це робить даний процес повністю оборотним. Речовини цього типу мають лінійно-розгалужену або лінійну структуру макромолекул, між якими діють малі сили і абсолютно немає хімічних зв`язків. До них відносяться поліетілени, поліаміди, полістироли та ін. Технологія полімерних матеріалів термопластичного типу передбачає їх виготовлення методом лиття під тиском в водоохолодження формах, пресування, екструзії, видування та іншими способами.

Хімічні властивості

Полімери можуть перебувало в наступних станах: тверде, рідке, аморфне, кристалічна фазовий, а також високоеластіческое, вязкотекучее і стеклообразное деформаційне. Широке застосування полімерних матеріалів обумовлено їх високою стійкістю до різних агресивних середовищ, таким як концентровані кислоти і луги. Вони не схильні до дії електрохімічної корозії. Крім того, із збільшенням їх молекулярної маси відбувається зниження розчинності матеріалу в органічних розчинниках. А полімери, що володіють просторовою структурою, взагалі не схильні до дії згаданих рідин.

Фізичні властивості

Більшість полімерів є діелектриками, крім того, вони відносяться до немагнітним матеріалами. З усіх використовуваних конструкційних речовин тільки вони володіють найменшою теплопровідністю і найбільшою теплоємністю, а також теплової усадкою (приблизно в двадцять разів більше, ніж у металу). Причиною втрат герметичності різними ущільнювальними вузлами при умовах низької температури є так зване стеклование гуми, а також різке розходження між коефіцієнтами розширення металів і гум в застеклованном стані.

Механічні властивості

Полімерні матеріали відрізняються широким діапазоном механічних характеристик, які сильно залежать від їх структури. Крім цього параметра, великий вплив на механічні властивості речовини можуть надати різні зовнішні чинники. До них відносяться: температура, частота, тривалість або швидкість навантаження, вид напруженого стану, тиск, характер навколишнього середовища, термообробка та ін. Особливістю механічних властивостей полімерних матеріалів є їх відносно висока міцність при дуже малою жорсткості (в порівнянні з металами).

Полімери прийнято ділити на тверді, модуль пружності яких відповідає Е = 1-10 ГПа (волокна, плівки, пластмаси), і м`які високоеластичні речовини, модуль пружності яких становить Е = 1-10 МПа (гуми). Закономірності та механізм руйнування тих і інших різні.

Для полімерних матеріалів характерні яскраво виражена анізотропія властивостей, а також зниження міцності, розвиток повзучості за умови тривалого навантаження. Разом з цим вони мають досить високим опором втоми. У порівнянні з металами, вони відрізняються більш різкою залежністю механічних властивостей від температури. Однією з головних характеристик полімерних матеріалів є деформованість (податливість). За цим параметром в широкому температурному інтервалі прийнято оцінювати їх основні експлуатаційні та технологічні властивості.

Полімерні матеріали для підлоги

Тепер розглянемо один з варіантів практичного застосування полімерів, який розкриває всю можливу гаму цих матеріалів. Ці речовини знайшли широке застосування в будівництві та ремонтно-оздоблювальних роботах, зокрема в покритті підлог. Величезна популярність пояснюється характеристиками розглянутих речовин: вони стійкі до стирання, малотеплопроводние, мають незначне водопоглинання, досить міцні і тверді, володіють високими лакофарбовими якостями. Виробництво полімерних матеріалів можна розділити умовно на три групи: лінолеум (рулонні), плиткові вироби та суміші для влаштування безшовних підлог. Тепер коротко розглянемо кожен з них.

Лінолеум виготовляють на основі різних типів наповнювачів і полімерів. До їх складу також можуть входити пластифікатори, технологічні добавки і пігменти. Залежно від типу полімерного матеріалу, розрізняють поліефірні (гліфталеві), полівінілхлоридні, гумові, коллоксіліновие та інші покриття. Крім того, за структурою вони діляться на безосновние і зі звуко-, теплоізолюючих основою, одношарові і багатошарові, з гладкою, ворсистої і рифленою поверхнею, а також одно- і багатоколірні.

Плиткові матеріали, виготовлені на основі полімерних компонентів, володіють дуже малою стираністю, хімічною стійкістю і довговічністю. Залежно від типу сировини, цей вид полімерної продукції ділять на кумаронополівінілхлорідние, кумаронові, полівінілхлоридні, гумові, фенолітовие, бітумні плитки, а також деревостружкові і деревоволокнисті плити.

Матеріали для безшовних підлог є найбільш зручними і гігієнічними в експлуатації, вони володіють високою міцністю. Ці суміші прийнято ділити на полимерцемента, полімербетон і полівінілацетат.