Новости

Полимеры - общие понятия. / 16.06.2010

Полимером(от греч. polymeres - состоящий из многих частей, многообразный) называется органическое вещество, длинные молекулы которого построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев - мономеров.
Полиэтилен - синтетический термопластичный неполярный полимер, принадлежащий к классу полиолефинов. Продукт полимеризации этилена. Твердое вещество белого цвета. Выпускается в форме полиэтилена низкого давления (полиэтилена высокой плотности), получаемого суспензионным методом полимеризации этилена при низком давлении на комплексных металлоорганических катализаторах в суспензии или газофазным методом полимеризации этилена в газовой фазе на комплексных металлоорганических катализаторах на носителе, и полиэтилена высокого давления (полиэтилен низкой плотности), получаемого при высоком давлении полимеризацией этилена в трубчатых реакторах или реакторах с перемешивающим устройством с применением инициаторов радикального типа.

Полипропилен - синтетический термопластичный неполярный полимер, принадлежащий к классу полиолефинов. Продукт полимеризации пропилена. Твердое вещество белого цвета. Выпускается в форме гомополимера и сополимеров, получаемых сополимеризацией пропилена и этилена в присутствии металлоорганических катализаторов при низком и среднем давлениях, в виде гранул стабилизированных, окрашенных или неокрашенных.

ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ - синтетический линейный термопластичный полимер, принадлежащий к классу полиэфиров. Продукт поликонденсации терефталевой кислоты и моноэтиленгликоля. Полиэтилентерефталат может эксплуатироваться как в аморфном, так и в кристаллическом состоянии. Аморфный полиэтилентерефталат – твердый прозрачный материал, кристаллический – твердый непрозрачный бесцветный.

ПОЛИСТИРОЛ - синтетический термопластичный твердый, жесткий, аморфный полимер. Продукт полимеризации стирола. Полистирол не растворяется в низших спиртах, алифатических углеводородах, фенолах, простых эфирах. Растворяется в собственном мономере, ароматических и хлорированных углеводородах, сложных эфирах, ацетоне. Устойчив к радиоактивному облучению, но стойкость к ультрафиолетовым лучам невелика. Полистирол легко формуется и окрашивается.

ПОЛИВИНИЛХЛОРИД - преимущественно линейный термопластичный полимер винилхлорида, формула [-CH2-CHCl-] n. Пластик белого цвета, молекулярная масса 6000-160 000, степень кристалличности 10-35%, плотность 1,35-1,43 г/см3 (20°С); физиологически безвреден. Поливинилхлорид достаточно прочен (при растяжении 40—60 Мн/м2, или 400—600 кгс/см2, при изгибе 80—120 Мн/м2, или 800—1200 кгс/см2), обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Он ограниченно растворим в кетонах, сложных эфирах, хлорированных углеводородах; устойчив к действию влаги, кислот, щелочей, растворов солей, промышленных газов (например, NO2, Cl2, Cl3, HF), бензина, керосина, жиров, спиртов; совмещается со многими пластификаторами (например, фталатами, фосфатами, себацинатами); стоек к окислению и практически не горюч.

ПОЛИИЗОБУТИЛЕН ПИБ - это полимеры изобутилена, [-C (CH3)2-CH2-] n. Вязкие жидкости (молекулярная масса 10-50 тыс.) или каучукоподобные аморфные продукты (молекулярная масса 70 000-225 000), обладающие хладотекучестью; температура размягчения 185-200 °С, не разлагаются до 350 °С, однако механические свойства существенно ухудшаются уже при 100 °C; сохраняют эластичность до -50 °С.

ПОЛИВИНИЛАЦЕТАТ - полимер винилацетата - является важнейшим техническим полимером среди сложных эфиров поливинилового спирта. Винилацетат - это сложный эфир уксусной кислоты и не известного в свободном виде винилового спирта СН2 = СН-ОН. Основным сырьем для получения винилацетата служат ацетилен и уксусная кислота. (Последнюю теперь получают синтезом из ацетилена, а не путем сухой перегонки древесины, как было раньше.)

ПОЛИАКРИЛАТЫ - представляют собой полимеры производных акриловой и метакриловой кислот. Акриловая кислота СН2 = СН - СООН в среде органических или неорганических перекисей легко полимеризуется при температурах ниже 100°. Полимеры акриловой кислоты (так же, как и метакриловой) СН2 = С(СН3)СООН не имеют большого практического значения по сравнению с полимерами ее производных эфиров. Поэтому технический синтез проводится до стадии замещения (эфиризации) в результате реакции акриловой кислоты с получением ее эфиров - CH2 = CH - COOR.

ПОЛИЭФИРЫ - группа полимеров класса Б, полимеры на основе эфиров. Из них более широко применяют в строительной технике глифталевый полимер, полиэфирмалеинаты и полиэфиракрилаты. Эфирные полимеры получают поликонденсацией двухосновных кислот и многоатомных спиртов.

АБС-ПЛАСТИК - термопластичный аморфный тройной сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, название которого образовано из начальных букв наименований мономеров.

ПОЛИУРЕТАН - полиуретанами называют продукты взаимодействия диизоцианатов с многоатомными, чаще двухатомными спиртами. В названии этих полимеров указывается на содержание в отдельном звене полимера группировки - NH - COO - R -, характерной для эфиров карбаминовой кислоты, так называемых уретанов.

ФТОРОПЛАСТ - синтетические термопластичные полимеры, принадлежащие к классу фторолефинов. Полимер,содержащий атомы фтора, отличается высокой химической стойкостью.

ПЕНОПЛАСТ - вспененные или ячеистые пластмассы, газонаполненные полимеры, представляющие собой композиционные материалы с каркасом (матрицей) из полимерных пленок, образующих стенки и ребра ячеек (пор), заполненных газом.

ФЕНОПЛАСТ - термореактивные пластические массы на основе фенолоальдегидных смол (главным образом фенолоформальдегидных), в состав которых входят разнообразные наполнители, отвердители и другие добавки.

ПОЛИАМИД - это многочисленная группа гетероцепных высокомолекулярных соединений, химические звенья которых, соединены амидной связью (-NH-CO-).

ПОЛИКАРБОНАТ - это полиэфиры угольной кислоты и диоксисоединений.

ИЗ ИСТОРИИ О ПОЛИМЕРАХ

Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилхлорид) и 1839 (полистирол). Ряд полимеров, возможно, был получен еще в первой половине 19 века. Но в те времена химики пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к "осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е. к образованию полимеров (полимеры и сейчас часто называют "смолами”).

В 1833 И.Берцелиусом для обозначения особого вида изомерии впервые был применен термин "полимерия”. В этой изомерии вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладали различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Однако этот термин имел несколько другой смысл, чем современные представления о полимерах. "Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. После создания А.М.Бутлеровым теории химического строения возникла химия полимеров. Наука о полимерах получила свое развитие главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука. В этих исследованиях принимали участие учёные многих стран, такие как: Г.Бушарда, У.Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У.Карозерса.

В 30-х годах было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации.

С начала 20-х годов 20 века Г.Штаудингер стал автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы. До этого предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория "малых блоков”). Однако открытие Г.Штаудингера заставила рассматривать полимеры, как качественно новый объект исследования химии и физики.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные; и синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы. Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные п., например каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные п., например амилопектин); трёхмерной сетки (сшитые п., например отверждённые эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами, например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза.

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ

Природные (биополимеры) образуются в результате жизнедеятельности растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс.С помощью экстракции, фракционного осаждения и др. методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья.

Обычно природные полимеры подвергаются операциям выделения очистки, модификации, при которых структура основных цепей остается неизменной.Продуктом такой переработки являются искусственные полимеры. Примерами являются латекс, изготовляемый из натурального каучука; целлулоид, представляющий собой нитроцеллюлозу, пластифицированную камфарой для повышения эластичности.

Природные и искусственные полимеры сыграли большую роль в современной технике, а в некоторых областях остаются незаменимыми и до сих пор, например в целлюлозно-бумажной промышленности. Однако резкий рост производства и потребления органических материалов произошел за счет синтетических полимеров – материалов, полученных синтезом из низкомолекулярных веществ не имеющих аналогов в природе.

СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРОВ

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и плёнки; способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластическом состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трёхмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластическим деформациям.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов и др.), тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние называются эластомерами, с высокой - пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимера могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4-цис-полибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 °С - эластичный материал, который при температуре — 60 °С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жёстких цепей, при температуре около 20 °С — твёрдый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластическое состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза - полимер с очень жёсткими цепями, соединёнными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластическое состоянии до температуры её разложения. Большие различия в свойствах могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол - кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 °С, а нестереорегулярный (атактический) вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80 °С.

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических связей между макромолекулами (т. н. сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи; распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты; реакции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (т. н. полимераналогичные превращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливинилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций полимеров с низкомолекулярными веществами часто лимитируется скоростью диффузии последних в фазу. Наиболее явно это проявляется в случае сшитых полимеров. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими одной цепи.

Некоторые свойства, такие как растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики — химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвлённости и гибкости макромолекул, стереорегулярность и другие свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРОВ

В настоящее время имеется множество процессов и методов переработки полимеров, основными из них являются каландрование, отливка, прямое прессование, литье под давлением, экструзия, пневмоформование, холодное формование, термоформование, вспенивание, армирование, формование из расплава, сухое и мокрое формование. Последние три метода используют для производства волокон из волокнообразующих материалов, а остальные - для переработки пластических и эластомерных материалов в промышленные изделия.

ПОТРЕБЛЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ ПО ВИДАМ И СФЕРАМ ПРИМЕНЕНИЯ

Полимеры широко применяются во многих областях человеческой деятельности, удовлетворяя потребности различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта. При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли, и способы их получения. Полимерам стали доверять все более ответственные задачи. Из полимеров стали изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и механизмов, несущих значительные нагрузки.

Сферы применения:

Транспорт - используется в автомобилестроении, включая производство кузовов автомобилей, грузовиков, автобусов, мотоциклов, запчастей для них, также двигателей и систем зажигания, Кроме того полимеры также активно используются в строительстве авиатехники, кораблей, железнодорожного, военного и космического оборудования.

Упаковка – бутылки, контейнеры, коробки, чашки, тарелки, пленки, гибкая упаковка (мешки, кульки, пакеты), паллеты, ящики, кассеты, бобины, бечевки, ленты и т.д.

Строительство - применяются в производстве труб, акведуков, дренажных и ирригационных систем, изоляции, водопроводных систем, софитов, вывесок, напольных покрытий, крыш , панелей, дверей, окон, оконных рам, подоконников, сантехники, лестниц, решеток, оград, перил, чехлов для передвижных строений и т.д.

Электроника и электротехника - стиральные и сушильные машины, кондиционеры, осветительные приборы, морозильники, холодильники и рефрижераторы, радиоприемники, телевизоры, телефоны, офисная техника, электрооборудование, измерительное оборудование, средства связи, компоненты электротехники, включая полупроводники, резисторы, батареи, провода, кабели, телефонные аппараты (мобильные и какие угодно) и т.д.

Мебель - жесткая мебель, включая бытовую, кухонную, садовую, спинки кроватей, офисную, школьную мебель, сиденья для стадионов, для публичных зданий, мебель для церквей и ресторанов; мягкая мебель, имитация дерева, декоративная мебель, подушки, коврики, занавески, жалюзи, шторы, ставни, навесы, тенты, переносные лампы, торшеры, материалы для отделки стен и т.д.

Потребительская сфера - одноразовая посуда, багаж, кнопки, ручные сумки, одежда, украшения, садовое оборудование (для газонов и лужаек), коробки для льда, горшки для цветов, медицинское оборудование, шприцы, игрушки и спортивные товары, кредитные карточки и т.д.

Машиностроение - все мыслимые виды промышленного оборудования, двигатели и части турбин; фермерские и садовые машины, строительные машины, буровые установки, нефтяное оборудование, оборудование для химической промышленности, артиллерийское и огнестрельное оружие и т.д.

Клеи/Краски/Покрытия - клеи, материал для уплотнения, покрытия бумаг (так называемое мелование), печатные краски, рисовальные краски, лаки, изоляционные лаки, эмали и т.д.