Что такое полимеры и пластмассы? Что такое полимер? Определение, характеристика, виды и классификации
Полимерные материалы (пластмассы, пластики) представляют собой, как правило, затвердевшие композиционные составы, связующим в которых служат полимеры, олигомеры. Широко распространенное название «пластмассы» (что не совсем корректно) они получили за то, что при переработке в изделия находятся в пластическом (текучем) состоянии. Поэтому научно обоснованные названия - «полимерные материалы», «композиционные материалы на основе полимеров».
Полимеры (от греч. poly - много, meres - части) - это высокомолекулярные химические соединения, молекулы которых состоят из огромного числа многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры. Такие молекулы называют макромолекулами. В зависимости от расположения в них атомов и атомных групп (элементарных звеньев) они могут иметь линейное (цеповидное), разветвленное, сетчатое и пространственное (трехмерное) строение, что и определяет их физико-механические и химические свойства. Образование этих молекул возможно благодаря тому, что атомы углерода легко и прочно соединяются друг с другом и со многими другими атомами.
Различают также формополимеры (предполимеры, преполимеры), которые представляют собой соединения, содержащие функциональные группы и способные участвовать в реакциях роста или сшивания полимерной цепи с образованием высокомолекулярных линейных и сетчатых полимеров. Прежде всего, это тоже жидкие продукты полиолов с избытком полиизоционатов или других соединений при производстве изделий из полиуретанов.
По происхождению полимеры могут быть природными, искусственными и синтетическими.
Природные полимеры - это в основном биополимеры - белковые вещества, крахмал, природные смолы (сосновая канифоль), целлюлоза, натуральный каучук, битум и др. Многие из них образуются в процессе биосинтеза в клетках живых и растительных организмов. Однако в промышленности в большинстве случаев используются искусственные и синтетические полимеры.
Основным сырьем для производства полимеров являются побочные продукты угольной и нефтяной промышленности, производства удобрений, природный газ, целлюлоза и другие вещества. Процесс образования таких макромолекул и в целом полимера вызывается воздействием на исходное вещество (мономер) потока световых лучей, электрических разрядов токов высокой частоты, нагреванием, давлением и т. п.
В зависимости от способа получения полимеров их можно подразделить на полимеризационные, поликонденсационные и модифицированные природные полимеры. Процесс получения полимеров путем последовательного присоединения звеньев мономера друг к другу в результате раскрытия кратных (ненасыщенных) связей называют реакцией полимеризации. В процессе этой реакции вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости или твердое. При этом реакция не сопровождается отделением каких-либо низкомолекулярных побочных продуктов. Как мономер, так и полимер характеризуются одинаковым элементным составом. Реакцией полимеризации получают полиэтилен из этилена, полипропилен из пропилена, полиизобутилен из изобутилена и многие другие полимеры.
При реакции поликонденсации происходит перегруппировка атомов двух или нескольких мономеров и выделение из сферы реакции побочных низкомолекулярных продуктов (например, воды, спиртов или других низкомолекулярных веществ). Реакцией поликонденсации получают полиамиды, полиэфиры, эпоксидные, фенолоформальдегидные, кремнийорганические и другие синтетические полимеры, называемые еще смолами.
В зависимости от отношения к нагреванию и растворителям полимеры, как и материалы на их основе, делят на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры (термопласты) при переработке в изделия могут многократно переходить из твердого агрегатного состояния в вязко-текучее (плавиться), а при охлаждении вновь отвердевать. Они имеют, как правило, не высокую температуру перехода в вязко-текучее состояние, хорошо перерабатываются литьем под давлением, экструзией и прессованием. Формообразование изделий из них является процессом физическим, который состоит в затвердевании жидкого или размягченного материала при его охлаждении и химических изменений не происходит. Большинство из термопластов способны также растворяться в соответствующих растворителях. Термопластичные полимеры имеют линейное или слегка разветвленное строение макромолекул. К ним относят отдельные разновидности полиэтилена, поливинилхлорид, фторопласты, полиуретаны, битумы и др.
К термореактивным (реактопластам) относят полимеры, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого или трехмерного полимера (отверждением, сшивкой цепей) и переход из жидкого состояния в твердое, происходит необратимо. Отвержденное состояние их является термостабильным, и они теряют способность к повторному переходу в вязко-текучее состояние (например, фенолоальдегидные, полиэфирные, эпоксидные полимеры и др.).
Классификация и свойства полимерных материалов
Полимерные материалы в зависимости от состава или количества компонентов подразделяются на ненаполненные, представленные только одним связующим (полимером) - органическое стекло, в большинстве случаев полиэтиленовая пленка; наполненные, в состав которых для получения требуемого комплекса свойств могут входить наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, пигменты - стеклопластики, текстолит, линолеум и газонаполненные (пено- и поропласты) - пенополистирол, пенополиуретан и др.
В зависимости от физического состояния при нормальной температуре и вязкоупругих свойств полимерные материалы бывают жесткие, полужесткие, мягкие и эластичные.
Жесткие - это твердые, упругие материалы аморфной структуры, имеющие модуль упругости более 1000 МПа. Они хрупко разрушаются с незначительным удлинением при разрыве. К ним относят фенопласты, аминопласты, пластмассы на основе глифталевых и других полимеров.
Плотность полимерных материалов чаще всего находится в пределах 900.1800 кг/м3, т.е. они в 2 раза легче алюминия и в 5.6 раз легче стали. Вместе с тем плотность пористых полимерных материалов (пенопластов) может составлять 30..15 кг/м3, а плотных - превышать 2 000 кг/м3.
Прочность при сжатии полимерных материалов в большинстве случаев превосходит многие традиционные строительные материалы (бетон, кирпич, древесину) и составляет для ненаполненных полимеров около 70 МПа, армированных пластиков - более 200 МПа, при растяжении - для материалов с порошкообразным наполнителем 100.150 МПа, у стекловолокнистых - 276.414 МПа и более.
Теплопроводность таких материалов зависит от их пористости и технологии производства. У пено- и поропластов она составляет 0,03.0,04 Вт/м-К, у остальных - 0,2.0,7 Вт/мК или в 500.600 раз ниже, чем у металлов.
Недостатком многих полимерных материалов является низкая теплостойкость. Например, у большинства из них (на основе полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена и других полимеров) теплостойкость составляет 60.80 °С. На основе фенолоформальдегидных смол теплостойкость может достигать 200 °С и лишь на кремнийорганических полимерах - 350 °С.
Являясь углеводородными соединениями, многие полимерные материалы сгораемы или имеют низкую огнестойкость. К легковоспламеняемым и сгораемым с обильным выделением сажи относятся изделия на основе полиэтилена, полистирола, производных целлюлозы. Трудно сгораемыми являются изделия на основе поливинилхлорида, полиэфирные стеклопластики, фенопласты, которые при повышенной температуре лишь обугливаются. Негорючими являются полимерные материалы с большим содержанием хлора, фтора или кремния.
Многие полимерные материалы при переработке, горении и даже нагревании выделяют опасные для здоровья вещества, такие как угарный газ, фенол, формальдегид, фосген, соляную кислоту и др. Значительным недостаткам их является также высокий коэффициент термического расширения - от 2 до 10 раз выше, чем у стали.
Полимерным материалам свойственна усадка при затвердевании, достигающая 5.8 %. У большей части из них низкий модуль упругости, значительно ниже, чем у металлов. При длительных нагрузках они обладают большой ползучестью. С повышением температуры ползучесть еще больше возрастает, что приводит к нежелательным деформациям.
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.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Введение
1. Состав полимеров
2. Классификация полимеров
3. Строение полимеров
4. Свойства полимеров
5. Применение полимеров
Введение
Полимеры - это высокомолекулярные вещества, без которых сегодня трудно представить науку и технику, удобство и комфорт, молекулы которых состоят из повторяющихся структурных элементов - звеньев, соединенных в цепочки химическими связями, в количестве, достаточном для возникновения специфических свойств. К специфическим свойствам следует отнести следующие способности: способность к значительным механическим обратимым высокоэластическим деформациям; к образованию анизотропных структур; к образованию высоковязких растворов при взаимодействии с растворителем; к резкому изменению свойств при добавлении ничтожных добавок низкомолекулярных веществ. Такие материалы служат достойной заменой металлов.
1. Состав полимеров
Полимеры - это вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев, которые представляют одинаковую группу атомов. Молекулярная масса молекул составляет от 500 до 1000000. В молекулах полимеров различают главную цепь, которая построена из большого числа атомов. Боковые цепи имеют меньшую протяженность.
Полимеры, главная цепь которых содержит одинаковые атомы, называют гомоцепными, а если атомы углерода - карбоцепными. Полимеры, в главной цепи которых содержатся различные атомы, называют гетероцепными.
Макромолекулы полимеров по форме делят на линейные, разветвленные, плоские, ленточные, пространственные, как показано на Рисунке 1.
Молекулы полимеров получают из исходных низкомолекулярных продуктов - мономеров - полимеризацией и поликонденсацией. К полимерам поликонденсационного типа относятся фенолформальдегидные смолы, полиэфиры, полиуретаны, эпоксидные смолы. К высокомолекулярным соединениям полимеризационного типа относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол, полипропилен. Высокополимерные и высокомолекулярные соединения являются основой органической природы - животных и растительных клеток, состоящих из белка.
Рисунок 1 - Структуры молекул полимеров:
а) линейная, б) разветвленная, в) ленточная, г) плоская, д) пространственная
2. 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 полимеры, например каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами.
Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными.
Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены цепи другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.
Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.
В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры, делят на: гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторзтилен. Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими. Отдельную группу полимеров образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.
3. Строение полимеров
Эластомеры
Эластомеры - это синтетические материалы с эластическими свойствами. Они без труда изменяют свою форму; если напряжение снимается, то они снова принимают свою первоначальную форму. Эластомеры отличаются от других эластичных синтетических материалов тем, что их эластичность в большей степени зависит от температуры.
Эластомеры состоят из пространственно-сетчатых макромолекул. Молекулярная сетка у эластомеров имеет широкие ячейки. При изменении формы, ячейки раздвигаются, не разрушая места связи. После снятия напряжения ячейки, подобно резине, притягиваются в свое первоначальное положение, синтетический материал снова принимает свою первоначальную форму.
Резина - продукт вулканизации каучука. Техническая резина - композиционный материал, который может содержать до 15-20 ингредиентов, выполняющих разнообразные функции. Основное отличие резины от других полимерных материалов - способность к большим обратимым высокоэластическим деформациям в широком интервале температур, включающем комнатную и более низкие температуры. Необратимая, или пластическая, составляющая деформации резины намного меньше, чем у каучука, поскольку макромолекулы каучука соединены в резине поперечными химическими связями (вулканизационная сетка). Резина (продукт вулканизации каучука) превосходит каучук по прочностным свойствам, тепло- и морозостойкости, устойчивости к действию агрессивных сред и др.
Пластмассы
Пластмассы - это органические материалы на основе полимеров, которые способны при нагреве размягчаться и под давлением принимать определенную устойчивую форму. Простые пластмассы состоят из одних химических полимеров. Сложные пластмассы включают добавки: наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, катализаторы. Пластмассы выпускаются монолитными - в виде термопластичных и термореактивных, газонаполненными - ячеистой структуры.
К термопластичным пластмассам относят полиэтилен низкого давления, полипропилен, ударопрочный полистирол, поливинилхлорид, стеклопластики, полиамиды и др.
К термореактивным пластмассам относятся: жесткие пенополиуретаны, аминопласты и др.
К газонаполненным пластмассам относятся пенополиуретаны - газонаполненный сверхлегкий конструкционный материал.
полимер химический свойство
4. Свойства полимеров
Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки, способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластичном 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 трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластичным деформациям.
Свойства пластмасс
Пластмассы характеризуются малой плотностью, чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой механической прочностью. При нагревании они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований. Физиологически почти безвредны.
Свойства пластмасс можно модифицировать методами сополимеризации или стереоспецифической полимеризации, путём сочетания различных пластмасс друг с другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная ткань, введением наполнителей и красителей, пластификаторов, а также варьированием сырья, например использование соответствующих.
Для придания особых свойств пластмассе, в неё добавляют пластификаторы (силикон и т. п.), антипирены, антиоксиданты (непредельные углеводороды).
Свойства резин
Важное свойство резины - эластичность, способность к большим обратимым деформациям в широком интервале температур. На молекулярном уровне это объясняется тем, что при деформации цепочки молекул вытягиваются и скользят друг относительно друга, после снятия нагрузки молекулярные цепи под действием теплового движения принимают прежнее свое положение, соответствующее изначальному, но все же они незначительно смещаются. Это изменение положений молекулярных цепей характеризует остаточную деформацию. Резина обладает высокой упругостью, имеет высокую деформируемость. Резина обладает небольшой твердостью, которая определяется содержанием в ней наполнителей и пластификаторов, а также степенью вулканизации. Резины хорошо сопротивляются износу, отлично изолируют тепло и звук. Они хорошие диамагнетики и диэлектрики. Существуют резины с масло-, бензо-, водо-, паро-, термостойкостью, а также стойкостью к агрессивным средам и к утомлению (снижение механических свойств).
5. Применение полимеров
Полимеры применяются во всех сферах жизнедеятельности человека:
Активное применение полимеров в сельском хозяйстве позволяет не терять урожай из-за погода, а увеличивать его примерно на 30%. Например теплицы.
В спорте, где традиционно принято играть на траве (футбол, теннис, крокет) без полимеров не обойтись, из них производят искусственную траву.
Однако - главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров это промышленность. Использование полимерных материалов в машиностроении растет такими темпами, какие не знают прецедента во всей человеческой истории. К примеру, в 1976 1. машиностроение нашей страны потребило 800000 т пласт масс, а в 1960 г. - всего 116 000 т. При этом интересно отметить, что еще десять лет назад в машиностроение направлялось 37--38% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а 1980 г. доля машиностроения в использовании пластмасс снизилась до 28%. И дело тут не в том, что могла бы снизится потребность, а в том, что другие отрасли народного хозяйства стали применять полимерные материалы в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности еще более интенсивно.
Список использованной литературы
1. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. Ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - 7-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 648 с.: ил.
2. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы/ Г.И. Поллер В.И. «Химия на пути в третье тысячелетие». - 1979. Ратинов А. М., Иванов Д.П «Химия в строительстве». Справочник.
3. Советский Васютин Д.О. «Полимеры».
4. Энциклопедический словарь.
5. http://www.e-reading-lib.org/chapter.php/99301/51/Buslaeva_-_Materialovedenie._Shpargalka.html
6. http://museion.ru/1.5/rezina.html
7. Свободная Энциклопедия Wikipedia.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Классификация, строение полимеров, их применение в различных отраслях промышленности и в быту. Реакция образования полимера из мономера - полимеризация. Формула получения полипропилена. Реакция поликонденсации. Получение крахмала или целлюлозы.
разработка урока , добавлен 22.03.2012
Особенности строения и свойств. Классификация полимеров. Свойства полимеров. Изготовление полимеров. Использование полимеров. Пленка. Мелиорация. Строительство. Коврики из синтетической травы. Машиностроение. Промышленность.
реферат , добавлен 11.08.2002
История развития науки о полимерах - высокомолекулярных соединений, веществ с большой молекулярной массой. Классификация и свойства органических пластических материалов. Примеры использования полимеров в медицине, сельском хозяйстве, машиностроении, быту.
презентация , добавлен 09.12.2013
Особенности химических реакций в полимерах. Деструкция полимеров под действием тепла и химических сред. Химические реакции при действии света и ионизирующих излучений. Формирование сетчатых структур в полимерах. Реакции полимеров с кислородом и озоном.
контрольная работа , добавлен 08.03.2015
Формула и описание полиацителена, его место в классификации полимеров. Строение, физические и химические свойства полиацителена. Способ получения полиацетилена полимеризацией ацетилена или полимерана логичными превращениями из насыщенных полимеров.
реферат , добавлен 05.04.2014
Физические и фазовые состояния и переходы. Термодинамика высокоэластической деформации. Релаксационные и механические свойства кристаллических полимеров. Теории их разрушения и долговечность. Стеклование, реология расплавов и растворов полимеров.
контрольная работа , добавлен 08.03.2015
Общая характеристика современных направлений развития композитов на основе полимеров. Сущность и значение армирования полимеров. Особенности получения и свойства полимерных композиционных материалов. Анализ физико-химических аспектов упрочнения полимеров.
реферат , добавлен 27.05.2010
Характеристика и классификация полимеров. Зарождение промышленности пластмасс, технологии производства полистирола. Физические и химические свойства. Надмолекулярная структура, конформация, конфигурация. Способы отверждения. Применение в промышленности.
реферат , добавлен 30.12.2008
Молекулярное строение полимерного вещества (химическая структура), т. е. его состав и способ соединения атомов в молекуле. Предельный случай упорядочения кристаллических полимеров. Схема расположения кристаллографических осей в кристалле полиэтилена.
контрольная работа , добавлен 02.09.2014
Прочностные свойства полимеров. Значения измерений на твердость, их применение для оптимизации содержания пластификатора, вида наполнителя, условий переработки. Зависимость твердости полиамида от температуры. Теплопроводность полиметилметакрилата.
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, 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 по механизму полиприсоединения или поликонденсации. Полимеры, полученные полиприсоединением, 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, полученные по механизму полиприсоединения (полимеризации).
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 n). 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.
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.
Химические и физические свойства пластиков обусловлены их химическим составом, средней молекулярной массой и распределением молекулярной массы, историей обработки (и использования), и наличием добавок.
Полимерные композиционные 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.
Структурные формулы полимеров кратко записывают так: формулу элементарного звена заключают в скобки и справа внизу ставят букву n. Например, структурная формула полиэтилена (-СН 2 -СН 2 -) n . Легко заключить, что название полимера слагается из названия мономера и приставки поли-, например полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и т. д.
Наиболее распространенными полимерами углеводородного строения 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 СН 2 =СН-X, где Х - различные атомы или группы атомов.
Виды полимеров
Полиолефины - это класс полимеров одинаковой химической природы (химическая формула -(СН 2)- 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 будущим 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, который используется так широко 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:
-(CH 2 -CH 2)- n полиэтилен высокой плотности.
Полиэтилен низкой плотности (ПЭВД - высокого давления) имеет ту же химическую формулу, но отличается тем, что его структура разветвленная:
-(CH 2 -CHR)- n полиэтилен низкой плотности,
где R может быть -H, -(CH 2) n , -CH 3 , 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, 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 скорость 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 своей 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 среды в полиэтилене соотносится с кристалличностью полимера.
ПЭВД является наиболее широко применяемым упаковочным полимером, соответствующий примерно одной трети всех упаковочных пластиков. Из-за его низкой кристалличности, это более мягкий, более гибкий материал, чем ПЭНД. Благодаря низкой стоимости, он является предпочтительным материалом для пакетов и сумок. ПЭВД отличается лучшей прозрачностью, чем ПЭНД, но все же не обладает кристальной чистотой, которая желательна для некоторых областей применения упаковок.
Полипропилен
Отличается прекрасной прозрачностью (при быстром охлаждении в процессе формообразования), высокой температурой плавления, химической и водостойкостью. ПП пропускает водяные пары, что делает его незаменимым для "дышащей" 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.
Поливинилхлорид
В чистом виде применяется редко из-за хрупкости и неэластичности. 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.
1. На основе полимеров получают волокна путем продавливания растворов или расплавов через фильеры с последующим затвердеванием - это полиамиды, полиакрилонитрилы и др.
2. Полимерные пленки получают продавливанием через фильеры с щелевидными отверстиями или нанесением на движущую ленту. Их используют как электроизоляционный и упаковочный материал, основы магнитных лент.
3. Лаки - растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях.
4. Клеи, композиции способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями клеевой прослойкой.
5. Пластмассы
6. Композиты (композиционные материалы) - полимерная основа, армированная наполнителем.
10.4.2. Областиприменения полимеров
1. Полиэтилен устойчив к агрессивной среде, влагонепроницаем, является диэлектриком. Из него изготавливают трубы, электротехнические изделия, детали радиоаппаратуры, изоляционные пленки, оболочки кабелей телефонных и силовых линий.
2. Полипропилен - механически прочен, стоек к изгибам, истиранию, эластичен. Применяют для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков и др.
3. Полистирол - устойчив к действию кислот. Механически прочен, является диэлектриком Используется как электроизоляционный и конструкционный материал в электротехнике, радиотехнике.
4. Поливинилхлорид - трудногорюч, механически прочен, электроизоляционный материал.
5. Политетрафторэтилен (фторопласт) - диэлектрик не растворяется в органических растворителях. Обладает высокими диэлектрическими свойствами в широком диапазоне температур (от -270 до 260ºС). Применяется также как антифрикционный и гидрофобный материал.
6. Полиметилметакрилат (плексиглас) - применяется в электротехнике как конструкционный материал.
7. Полиамид – обладает высокой прочностью, износостойкостью, высокими диэлектрическими свойствами.
8. Синтетические каучуки (эластомеры).
9. Фенолформальдегидные смолы - основа клеев, лаков, пластмасс.
10.5. Органические полимерные материалы
10.5.1. Полимеризационные термопластичные смолы
Полипропилен - термопластичный полимер, получаемый из газа пропилена C 3 H 6 . (CH 2 = CH - CH 3)
Структурная формула
[-CH 2 -CH(CH 3)-] n .
Полимеризация ведется в бензине при температуре 70 °С по способу Натта. Получают полимер с регулярной структурой. Он имеет высокую химостойкость и разрушается лишь под действием 98% H 2 SO 4 и 50% HNO 3 при температуре выше 70°.
Электрические свойства как у полиэтилена. Пленка имеет малую газо - и паропроницаемость. Применяется для изоляции высокочастотных кабелей и монтажных проводов, в качестве диэлектрика высокочастотных конденсаторов.
Полиизобутилен - продукт полимеризации газа изобутилена. Структурная формула:
Существует несколько видов полиизобутилена, жидкие низкомолекулярные (1000) и твердые высокомолекулярные (400000). Т.е. в зависимости от степени полимеризации он может быть жидким с различной вязкостью и эластичным подобно каучуку. Молекулы имеют нитевидную симметричную структуру с разветвленностью в боковых группах. Этим можно объяснить клейкость материала, большая эластичность, по сравнению с полиэтиленом. Это диэлектрик с ρ = 10 15 – 10 16 Ом см,ε = 2,25 – 2,35, электрическая прочность – 16 – 23 кВ/мм.
Морозостойкость полиизобутилена зависит от его молекулярного веса, чем вес больше, тем полиизобутилен морозоустойчивее.
В чистом виде или в композициях полиизобутилен применяют для изготовления изоляционных лент; изоляции высокочастотных кабелей (в композициях с полиэтиленом); уплотнителей; изоляционных заливочных компаундов; клеящих материалов.
Вследствие холодной текучести полиизобутилена для изоляции высокочастотных кабелей применяется резиноподобная смесь из 90% полиизобутилена и 10% полистирола с прослойкой полистирольной пленки (стирофлекса). Эта смесь имеет высокие электрические свойства при повышенной влажности.
Полистирол – продукт полимеризации стирола – ненасышенного УВ – винилбензола или фенилэтилена –CH 2 CHC 6 H 5 .
Молекула стирола несколько несимметрична, что обусловлено наличием в нем фенольных групп.
При нормальной температуре стирол - бесцветная прозрачная жидкость. Из методов полимеризации стирола и получения твердого диэлектрика наиболее распространены методы блочной и эмульсионной полимеризации.
Стирол токсичен, вызывает раздражения кожи, глаз и органов дыхания. Пыль полистирола образует с воздухом взрывоопасные концентрации.
Плотность – 1,05 г/см 3
ρ, Ом·см, 10 14 – 10 17
ε= 2,55 – 2,52
Полистирол – химически стоек, на него не действуют концентрированные кислоты (HNO 3 – исключение) и щелочи, он растворяется в эфирах, кетонах, ароматических углеводородах и не растворяется в спиртах, воде, растительных маслах.
Степень полимеризации зависит от условий. Можно получить полимер с молекулярной массой до 600000. Это будут твердые полимеры. Применение находят полимеры с М.М. от 40000 до 150000. При нагреве 180 – 300 ºС возможна деполимеризация. Электрические свойства также зависят от метода полимеризации и наличия полярных примесей, особенно эмульгаторов.
Изделия из полистирола производят прессованием и литьем под давлением. Из него изготавливают: пленку (стирофлекс), ламповые панели, каркасы катушек, изоляционные детали переключателей, изоляторы антенн; пленки для конденсаторов и др. Полистирол в виде лент, шайб, колпачков применяется для изоляции высокочастотных кабелей.
Недостатки: невысокая нагревостойкость и склонность к быстрому старению – появление на поверхности сетки мелких трещин; при этом понижается электрическая прочность и повышается ε .
Полидихлорстирол – отличается от полистирола содержанием в каждом звене цепи двух атомов хлора и вследствие этого большой теплостойкостью, нагревостоек.
ε= 2,25 – 2,65
Полихлорвинил – термопластичное синтетическое высокополимерное соединение с линейной структурой молекул несимметричного строения. Резко выраженная асимметричность и полярность полихлорвинила связана с хлором.
Получают полимеризацией хлорвинила H 2 C =CH -Cl. Исходным сырьем для получения являются дихлорэтан и ацетилен. Хлорвинил является галоидопроизводным этилена. При нормальной температуре он представляет собой бесцветный газ, при температуре 12 - 14 ºС – жидкость, и при -159 ºС твердое тело. Полимеризация хлорвинила может производиться тремя способами: блочным, эмульсионным и в растворах. Наиболее применимый – водоэмульсионный. Существуют марки полихлорвинила с добавкой пластификаторов и наполнителей с различными механическими свойствами, морозостойкостью и нагревостойкостью.
Молекула полихлорвинила имеет вид
ε= 3,1 – 3,4 (при 800 Гц)
ρ = 10 15 – 10 16 Ом. см
Полихлорвинил малогигроскопичен, изменение диэлектрических свойств во влажной атмосфере незначительно.
Изделия изготовляют путем прессования, литьем под давлением, штамповкой, формованием.
Полихлорвинил применяется в виде пластмасс различной эластичности, в виде лаков для защитных покрытий. Он химически стоек против воздействия щелочей, кислот, спирта, бензина и минеральных масел. Сложные эфиры, кетоны, ароматические углеводороды частично растворяют его или вызывают набухание.
Полихлорвинил применяется в электропромышленности в следующих изделиях:
а) аккумуляторные банки;
б) шланги для электроизоляции и химзащиты;
в) изоляция телефонных проводов и кабелей (заменитель свинца);
г) изоляционные прокладки, втулки и др. изделия.
Не применяется в высокочастотных цепях в качестве диэлектрика из-за высоких диэлектрических потерь (высокая проводимость), и при температурах выше 60-70 ºС.
Поливинилацетат – полимеры жидкого винилацетата, получаемого в результате химического взаимодействия ацетилена (C 2 H 2) и уксусной кислоты:
или CH 2 =CHOCOCH 3 . Из него получаютвинилацетат - бесцветную легкоподвижную жидкость с эфирным запахом, разлагающуюся при 400°С.
Материал поливинилацетат – бесцветный, без запаха, занимает среднее место между смолами и каучуками. Свойства его зависят от степени полимеризации. М.М. от 10000 до 100000. Температура размягчения равна 40 – 50 °С.
Высокополимерные продукты при 50 – 100 °С становятся каучукоподобными, а при отрицательных температурах – твердыми, достаточно эластичными.
Все полимеры обладают светостойкостью, даже при 100 °С. При нагревании поливинилацетат не деполимеризуется до мономера, а разлагается с отщеплением уксусной кислоты. Не воспламеняется. Это полярный полимер. Растворим в эфирах, кетонах (ацетон), метиловом (CH 3 OH) и этиловом (C 2 H 5 OH) спиртах, не растворим в бензине. В воде слегка набухает, но не растворяется.
Применяется главным образом, для производства безосколочного стекла " триплекс ". Применяется в электроизоляционной технике. Лаки на его основе ценятся за хорошие электроизоляционные свойства, эластичность, светостойкость, бесцветность.
Полиметилметакрилат (органическое стекло, плексиглас) – большая группа высокополимерных эфиров метакриловой кислоты, имеющих большое техническое применение
В электропромышленности применяется как вспомогательный материал.
Получается при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты (метилметакрилат) в присутствии инициатора.
При 573 К полиметилметакрилат деполимеризуется с образованием исходного мономера метилметакрилата.
По составу от поливинилацетата отличается наличием метильной группы в боковой цепи вместо водорода и наличием валентной связи углерода главной цепи с эфирной группой не через кислород, а через углерод.
Имеет низкую теплостойкость (примерно 56 °C); ε = 3,3 - 4,5; ρ = 2,3·10 13 - 2·10 12 Ом. м. Не пригоден для электрической изоляции.
Применяется как конструкционный, оптический и декоративный материал, окрашиваемый анилиновыми красителями в различные цвета. Из него изготовляют корпуса и шкалы приборов, прозрачные защитные стекла и колпаки, прозрачные детали аппаратуры и др. Органическое стекло легко обрабатывается: сверлится, пилится, обтачивается, шлифуется, полируется. Хорошо гнется, штампуется и склеивается растворами полиметилметакрилата в дихлорэтане.
Поливиниловый спирт – твердый полимер состава (-CH 2 -CHOH-) n . Получается при гидролизе поливинилацетата кислотой или щелочью. Формула поливинилового спирта
Линейный полимер несимметричной структуры. Наличие группы ОН в каждом звене цепи определяет высокую гигроскопичность и полярность спирта. Растворяется только в воде. Имеетρ = 10 7 Ом·см. Используется как вспомогательный материал при изготовлении печатных радиосхем.
Устойчив против плесени и бактерий. Хороший материал для изготовления масло- и бензоустойчивых мембран, шлангов, панелей. Прогрев при 170°С в течение 3 – 5 часов повышает водостойкость и уменьшает растворимость поливинилового спирта.
Олигоэфиракрилаты
Олигомеры – химические соединения со средним молекулярным весом (менее 1000), большим по сравнению с мономерами и меньшим по сравнению с полимерами. Основное их свойство – способность к полимеризации за счет ненасыщенных связей, обуславливающих пространственную или линейную структуру готового продукта. При полимеризации не выделяются низкомолекулярные продукты, поэтому изоляция, полученная методом заливки олигомерами, отличается монолитностью, без пустот и пор. Они не требуют для полимеризации особых условий (высокого давления, температуры, среды и т.д.).
Промышленностью выпускаются полиэфирные, полиуретановые, кремнийорганические олигомерные соединения и их модификации.