Polimerinės medžiagos: technologija, rūšys, gamyba ir pritaikymas

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 10:34

Polimerinės medžiagos yra cheminiai didelės molekulinės masės junginiai, susidedantys iš daugybės tos pačios struktūros mažų molekulių monomerų (vienetų). Dažnai polimerų gamybai naudojami šie monomeriniai komponentai: etilenas, vinilo chloridas, vinilo dechloridas, vinilo acetatas, propilenas, metilmetakrilatas, tetrafluoretilenas, stirenas, karbamidas, melaminas, formaldehidas, fenolis. Šiame straipsnyje mes išsamiai apsvarstysime, kas yra polimerinės medžiagos, kokios jų cheminės ir fizinės savybės, klasifikacija ir rūšys.

Polimerų tipai

Šios medžiagos molekulių ypatybė yra didelė molekulinė masė, kuri atitinka šią reikšmę: М>5103. Junginiai, turintys žemesnį šio parametro lygį (M=500-5000), vadinami oligomerais. Mažos molekulinės masės junginiuose masė mažesnė nei 500. Skiriamos šios polimerinių medžiagų rūšys: sintetinės ir natūralios. Pastariesiems priskiriamas natūralus kaučiukas, žėrutis, vilna, asbestas, celiuliozė ir kt. Tačiau pagrindinę vietą užima sintetiniai polimerai, gaunami cheminės sintezės būdu iš mažos molekulinės masės junginių. priklausomai nuoiš didelės molekulinės masės medžiagų gamybos būdo išskiriami polimerai, kurie susidaro polikondensacijos arba adityvinės reakcijos būdu.

Polimerizacija

Šis procesas yra mažos molekulinės masės komponentų ir didelės molekulinės masės derinys, siekiant gauti ilgas grandines. Polimerizacijos lygis yra „merų“skaičius tam tikros kompozicijos molekulėse. Dažniausiai polimerinėse medžiagose yra nuo tūkstančio iki dešimties tūkstančių jų vienetų. Polimerizacijos būdu gaunami šie dažniausiai naudojami junginiai: polietilenas, polipropilenas, polivinilchloridas, politetrafluoretilenas, polistirenas, polibutadienas ir kt.

Polikondensacija

Šis procesas yra laipsniška reakcija, kurią sudaro arba didelio skaičiaus to paties tipo monomerų, arba skirtingų grupių (A ir B) poros sujungimas į polikondensatorius (makromolekules), tuo pačiu metu formuojant: šalutiniai produktai: metilo alkoholis, anglies dioksidas, vandenilio chloridas, amoniakas, vanduo ir kt. Polikondensacijos metu gaunami silikonai, polisulfonai, polikarbonatai, aminoplastikai, fenoliniai plastikai, poliesteriai, poliamidai ir kitos polimerinės medžiagos.

Polyaddition

Šis procesas suprantamas kaip polimerų susidarymas, vykstantis daugkartinio monomerinių komponentų, kurių sudėtyje yra nesočiųjų grupių monomerų (aktyvių ciklų arba dvigubų jungčių), reakcijų derinių. Skirtingai nuo polikondensacijos, poliaddicijos reakcija vyksta be jokių šalutinių produktų. Svarbiausias šios technologijos procesas yra epoksidinių dervų kietėjimas ir poliuretanų gamyba.

Polimerų klasifikacija

Visų polimerinių medžiagų sudėtis skirstoma į neorganinius, organinius ir organinius elementus. Pirmieji iš jų (silikatinis stiklas, žėrutis, asbestas, keramika ir kt.) neturi atominės anglies. Jų pagrindą sudaro aliuminio, magnio, silicio ir kt. oksidai. Organiniai polimerai sudaro didžiausią klasę, juose yra anglies, vandenilio, azoto, sieros, halogeno ir deguonies atomų. Organoelementinės polimerinės medžiagos – tai junginiai, kurių pagrindinėse grandinėse, be išvardintų, yra silicio, aliuminio, titano ir kitų elementų atomų, kurie gali jungtis su organiniais radikalais. Gamtoje tokių derinių nebūna. Tai išskirtinai sintetiniai polimerai. Būdingi šios grupės atstovai yra organiniai silicio junginiai, kurių pagrindinė grandinė sudaryta iš deguonies ir silicio atomų.

Norint gauti reikalingų savybių polimerus, technologija dažnai naudoja ne „grynas“medžiagas, o jų derinius su organiniais arba neorganiniais komponentais. Puikus pavyzdys yra polimerinės statybinės medžiagos: metalas-plastikas, plastikas, stiklo pluoštas, polimerinis betonas.

Polimerų struktūra

Šių medžiagų savybių ypatumus lemia jų struktūra, kuri, savo ruožtu, skirstoma į šiuos tipus: linijinė šaka, linijinė, erdvinė.su didelėmis molekulinėmis grupėmis ir labai specifinėmis geometrinėmis struktūromis, taip pat laiptais. Trumpai apsvarstykime kiekvieną iš jų.

Polimerinės medžiagos, turinčios tiesiškai šakotą struktūrą, be pagrindinės molekulių grandinės, turi šoninių šakų. Šie polimerai apima polipropileną ir poliizobuteną.

Tiesinės struktūros medžiagos turi ilgas zigzago arba spiralines grandines. Jų makromolekulėms pirmiausia būdingi vietų pasikartojimai vienoje grandinės grandies arba cheminio vieneto struktūrinėje grupėje. Linijinės struktūros polimerai išsiskiria tuo, kad yra labai ilgų makromolekulių, turinčių reikšmingą skirtumą tarp grandinės ir tarp jų esančių ryšių pobūdžio. Tai reiškia tarpmolekulinius ir cheminius ryšius. Tokių medžiagų makromolekulės yra labai lanksčios. Ir ši savybė yra polimerų grandinių pagrindas, dėl kurio atsiranda kokybiškai naujų savybių: didelis elastingumas, taip pat trapumas nėra sukietėjusioje būsenoje.

O dabar išsiaiškinkime, kas yra erdvinės struktūros polimerinės medžiagos. Šios medžiagos, kai makromolekulės jungiasi viena su kita, susidaro stiprios cheminės jungtys skersine kryptimi. Dėl to gaunama tinklinė struktūra, kuri turi netolygų arba erdvinį tinklelio pagrindą. Šio tipo polimerai turi didesnį atsparumą karščiui ir tvirtumą nei linijiniai. Šios medžiagos yra daugelio struktūrinių nemetalinių medžiagų pagrindas.

Polimerinių medžiagų molekulės, turinčios kopėčių struktūrą, susideda iš poros grandinių, sujungtų cheminiu ryšiu. Jie apimaorganiniai silicio polimerai, kuriems būdingas padidėjęs standumas, atsparumas karščiui, be to, jie nesąveikauja su organiniais tirpikliais.

Polimerų fazinė sudėtis

Šios medžiagos yra sistemos, susidedančios iš amorfinių ir kristalinių sričių. Pirmasis iš jų padeda sumažinti standumą, daro polimerą elastingą, tai yra, galintį daryti dideles grįžtamas deformacijas. Kristalinė fazė padeda padidinti jų stiprumą, kietumą, tamprumo modulį ir kitus parametrus, kartu sumažindama medžiagos molekulinį lankstumą. Visų tokių sričių tūrio ir bendro tūrio santykis vadinamas kristalizacijos laipsniu, kai didžiausias lygis (iki 80%) yra polipropilenai, fluoroplastai, didelio tankio polietilenai. Polivinilchloridai, mažo tankio polietilenai turi mažesnį kristalizacijos laipsnį.

Priklausomai nuo to, kaip polimerinės medžiagos elgiasi kaitinamos, jos paprastai skirstomos į termoreaktyvias ir termoplastines.

termoreaktingi polimerai

Šios medžiagos pirmiausia turi linijinę struktūrą. Kaitinant jie suminkštėja, tačiau dėl juose vykstančių cheminių reakcijų struktūra pasikeičia į erdvinę, o medžiaga virsta kieta medžiaga. Ateityje ši kokybė bus išlaikyta. Šiuo principu gaminamos polimerinės kompozicinės medžiagos. Vėlesnis jų kaitinimas medžiagos nesuminkština, o tik sukelia jos skilimą. Todėl gatavas termoreaktingas mišinys netirpsta ir nesilydoneleidžiama jo perdirbti. Šio tipo medžiagos apima epoksidinį silikoną, fenolio formaldehidą ir kitas dervas.

Termoplastiniai polimerai

Šios medžiagos, kaitinamos, pirmiausia suminkštėja, tada išsilydo, o tada sukietėja, kai atvėsta. Šio apdorojimo metu termoplastiniai polimerai chemiškai nepakeičiami. Dėl to procesas yra visiškai grįžtamas. Šio tipo medžiagos turi linijinę arba linijinę makromolekulių struktūrą, tarp kurių veikia mažos jėgos ir visiškai nėra cheminių ryšių. Tai yra polietilenai, poliamidai, polistirenai ir kt. Termoplastinio tipo polimerinių medžiagų technologija numato jų gamybą įpurškiant vandeniu aušinamose formose, presuojant, išspaudžiant, pučiant ir kitais būdais.

Cheminės savybės

Polimerai gali būti šių būsenų: kietos, skystos, amorfinės, kristalinės fazės, taip pat labai elastingos, klampios ir stiklinės deformacijos. Plačiai naudojamos polimerinės medžiagos dėl didelio atsparumo įvairioms agresyvioms terpėms, tokioms kaip koncentruotos rūgštys ir šarmai. Jie nėra veikiami elektrocheminės korozijos. Be to, didėjant jų molekulinei masei, mažėja medžiagos tirpumas organiniuose tirpikliuose. O polimerams, kurie turi trimatę struktūrą, minėti skysčiai paprastai neveikia.

Fizikinės savybės

Dauguma polimerų yra izoliatoriai, be to, jie yra nemagnetinės medžiagos. Iš visų naudojamų konstrukcinių medžiagų tik jos turi mažiausią šilumos laidumą ir didžiausią šiluminę talpą bei terminį susitraukimą (apie dvidešimt kartų daugiau nei metalo). Įvairių sandarinimo mazgų sandarumo praradimo žemos temperatūros sąlygomis priežastis yra vadinamasis gumos stiklėjimas, taip pat staigus metalų ir kaučiuko plėtimosi koeficientų skirtumas stiklinėje būsenoje.

Mechaninės savybės

Polimerinės medžiagos pasižymi įvairiomis mechaninėmis savybėmis, kurios labai priklauso nuo jų struktūros. Be šio parametro, didelę įtaką medžiagos mechaninėms savybėms gali turėti įvairūs išoriniai veiksniai. Tai apima: temperatūrą, dažnį, apkrovos trukmę arba greitį, įtempių būsenos tipą, slėgį, aplinkos pobūdį, terminį apdorojimą ir kt. Polimerinių medžiagų mechaninių savybių ypatybė yra santykinai didelis jų stiprumas esant labai mažam standumui (palyginti į metalus).

Polimerai dažniausiai skirstomi į kietuosius, kurių tamprumo modulis atitinka E=1–10 GPa (pluoštai, plėvelės, plastikai), ir minkštas itin elastingas medžiagas, kurių tamprumo modulis E=1– 10 MPa (guma). Abiejų sunaikinimo modeliai ir mechanizmai skiriasi.

Polimerinėms medžiagoms būdinga ryški savybių anizotropija, taip pat stiprumo sumažėjimas, valkšnumo išsivystymas esant ilgalaikei apkrovai. Kartu su tuo jieturi santykinai didelį atsparumą nuovargiui. Palyginti su metalais, jie skiriasi didesne mechaninių savybių priklausomybe nuo temperatūros. Viena iš pagrindinių polimerinių medžiagų charakteristikų yra deformuojamumas (lankstumas). Pagal šį parametrą plačiame temperatūrų diapazone įprasta įvertinti jų pagrindines eksploatacines ir technologines savybes.

Polimerinės grindų medžiagos

Dabar apsvarstykime vieną iš praktinio polimerų panaudojimo variantų, atskleisdami visą šių medžiagų asortimentą. Šios medžiagos plačiai naudojamos statybos ir remonto bei apdailos darbuose, ypač grindyse. Didžiulis populiarumas paaiškinamas nagrinėjamų medžiagų savybėmis: jos yra atsparios trinčiai, turi mažą šilumos laidumą, mažai sugeria vandenį, yra gana tvirtos ir kietos, pasižymi aukštomis dažų ir lako savybėmis. Polimerinių medžiagų gamybą sąlyginai galima suskirstyti į tris grupes: linoleumus (valcuotus), plytelių gaminius ir mišinius besiūlių grindų įrengimui. Greitai pažvelkime į kiekvieną dabar.

Linoleumai gaminami įvairių tipų užpildų ir polimerų pagrindu. Juose taip pat gali būti plastifikatorių, pagalbinių apdorojimo medžiagų ir pigmentų. Priklausomai nuo polimerinės medžiagos tipo, išskiriamos poliesterio (gliftalio), polivinilchlorido, gumos, koloksilino ir kitos dangos. Be to, pagal struktūrą jie skirstomi į be pagrindo ir su garsą ir šilumą izoliuojančiu pagrindu, vienasluoksnius ir daugiasluoksnius, su lygiu, minkštu.ir gofruoto paviršiaus, taip pat vienos ir kelių spalvų.

Plytelių medžiagos, pagamintos iš polimerinių komponentų, pasižymi labai mažu trinčiai, cheminiu atsparumu ir ilgaamžiškumu. Priklausomai nuo žaliavos rūšies, šio tipo polimeriniai gaminiai skirstomi į kumarono-polivinilchloridą, kumaroną, polivinilchloridą, kaučiuką, fenolitą, bitumines plyteles, taip pat medžio drožlių plokštes ir medienos plaušų plokštes.

Medžiagos besiūlėms grindims yra patogiausios ir higieniškiausios naudoti, jos pasižymi dideliu stiprumu. Šie mišiniai paprastai skirstomi į polimerinį cementą, polimerinį betoną ir polivinilacetatą.