Polimerni materijali: tehnologija, vrste, proizvodnja i primjena. Prirodni polimer - formula i primjena

Uvod
1. Osobine polimera
2. Klasifikacija
3. Vrste polimera
4. Aplikacija
5. Nauka o polimerima
Zaključak
Spisak korištenih izvora

Uvod

Lanci molekula polipropilena.

Polimeri(grč. πολύ- - mnogo; μέρος - dio) - anorganske i organske, amorfne i kristalne tvari dobivene uzastopnim ponavljanjem različitih grupa atoma, zvanih "monomerne jedinice", povezane u dugačke makromolekule kemijskim ili koordinacijskim vezama. Polimer je visokomolekularno jedinjenje: broj monomernih jedinica u polimeru (stepen polimerizacije) mora biti prilično velik. U mnogim slučajevima, broj jedinica se može smatrati dovoljnim da se molekula klasifikuje kao polimer ako se molekularna svojstva ne promene prilikom dodavanja druge monomerne jedinice. Po pravilu, polimeri su supstance molekularne težine od nekoliko hiljada do nekoliko miliona.

Ako se veza između makromolekula vrši pomoću slabih Van Der Waalsovih sila, one se nazivaju termoplasti, a ako putem kemijskih veza nazivaju se termosetima. Linearni polimeri uključuju, na primjer, celulozu, razgranate polimere, na primjer, amilopektin, a postoje i polimeri sa složenim trodimenzionalnim prostornim strukturama.

U strukturi polimera može se razlikovati monomerna jedinica - ponavljajući strukturni fragment koji uključuje nekoliko atoma. Polimeri se sastoje od velikog broja ponavljajućih grupa (jedinica) iste strukture, na primjer, polivinil hlorid (-CH2-CHCl-)n, prirodna guma, itd. Visokomolekularna jedinjenja, čiji molekuli sadrže nekoliko vrsta ponavljanja grupe, nazivaju se kopolimeri ili heteropolimeri.

Polimer se formira od monomera kao rezultat reakcija polimerizacije ili polikondenzacije. Polimeri uključuju brojne prirodne spojeve: proteine, nukleinske kiseline, polisaharide, gumu i druge organske tvari. U većini slučajeva, koncept se odnosi na organska jedinjenja, ali postoji i mnogo neorganskih polimera. Veliki broj polimera se dobija sintetički na bazi najjednostavnijih spojeva elemenata prirodnog porekla reakcijama polimerizacije, polikondenzacije i hemijskih transformacija. Nazivi polimera nastaju od naziva monomera sa prefiksom poli: polietilen, polipropilen, polivinil acetat itd.

1. Osobine polimera

Posebna mehanička svojstva:

elastičnost- sposobnost podnošenja velikih reverzibilnih deformacija pod relativno malim opterećenjima (gume);

niska krhkost staklastih i kristalnih polimera (plastika, organsko staklo);

sposobnost makromolekula da se orijentiraju pod utjecajem usmjerenog mehaničkog polja (koristi se u proizvodnji vlakana i filmova).

Karakteristike polimernih otopina:

visok viskozitet rastvora pri niskoj koncentraciji polimera;

Otapanje polimera se dešava kroz fazu bubrenja.

Posebna hemijska svojstva:

sposobnost dramatične promjene svojih fizičkih i mehaničkih svojstava pod utjecajem malih količina reagensa (vulkanizacija gume, štavljenje kože, itd.).

Posebna svojstva polimera objašnjavaju se ne samo njihovom velikom molekularnom težinom, već i činjenicom da makromolekule imaju lančanu strukturu i da su fleksibilne.

2. Klasifikacija

Na osnovu svog hemijskog sastava, svi polimeri se dele na organske, organoelementne i neorganske.

Organski polimeri.

Organoelementni polimeri. Sadrže neorganske atome (Si, Ti, Al) u glavnom lancu organskih radikala, koji se spajaju s organskim radikalima. Oni ne postoje u prirodi. Vještački dobijeni predstavnik su organosilicijumska jedinjenja.

Treba napomenuti da tehnički materijali često koriste kombinacije različitih grupa polimera. To su kompozitni materijali (na primjer, fiberglas).

Na osnovu oblika makromolekula, polimeri se dijele na linearne, razgranate (poseban slučaj je u obliku zvijezde), trakaste, ravne, češljaste, polimerne mreže itd.

Polimeri su klasifikovani prema polaritetu (utiču na rastvorljivost u različitim tečnostima). Polaritet polimernih jedinica određen je prisustvom u njihovom sastavu dipola - molekula s izoliranom raspodjelom pozitivnih i negativnih naboja. U nepolarnim jedinicama, dipolni momenti atomskih veza su međusobno kompenzirani. Polimeri čije jedinice imaju značajan polaritet nazivaju se hidrofilni ili polarni. Polimeri sa nepolarnim jedinicama - nepolarni, hidrofobni. Polimeri koji sadrže i polarne i nepolarne jedinice nazivaju se amfifilni. Predlaže se da se homopolimeri, čija svaka jedinica sadrži i polarne i nepolarne velike grupe, nazivaju amfifilnim homopolimerima.

S obzirom na toplinu, polimeri se dijele na termoplastične i termoreaktivne. Termoplastični polimeri (polietilen, polipropilen, polistiren) omekšaju kada se zagreju, čak se tope i stvrdnu kada se ohlade. Ovaj proces je reverzibilan. Termoreaktivni polimeri, kada se zagreju, podležu nepovratnom hemijskom razaranju bez topljenja. Molekuli termoreaktivnih polimera imaju nelinearnu strukturu dobijenu umrežavanjem (na primjer, vulkanizacijom) lančanih polimernih molekula. Elastične osobine termoreaktivnih polimera su veće od termoreaktivnih polimera, međutim, termoreaktivni polimeri praktički nemaju fluidnost, zbog čega imaju niže naprezanje loma.

Prirodni organski polimeri nastaju u biljnim i životinjskim organizmima. Najvažniji od njih su polisaharidi, proteini i nukleinske kiseline, od kojih su u velikoj mjeri sastavljena tijela biljaka i životinja i koji osiguravaju samo funkcioniranje života na Zemlji. Vjeruje se da je odlučujuća faza u nastanku života na Zemlji bila formiranje složenijih, visokomolekularnih molekula od jednostavnih organskih molekula (vidi Hemijska evolucija).

3. Vrste polimera

Sintetički polimeri. Umjetni polimerni materijali

Čovjek već duže vrijeme koristi prirodne polimerne materijale u svom životu. To su koža, krzno, vuna, svila, pamuk itd., koji se koriste za izradu odevnih predmeta, razna veziva (cement, kreč, glina), koja uz odgovarajuću obradu formiraju trodimenzionalna polimerna tela, koja se široko koriste kao građevinski materijal . Međutim, industrijska proizvodnja lančanih polimera počela je početkom 20. stoljeća, iako su se preduslovi za to pojavili ranije.

Gotovo odmah se industrijska proizvodnja polimera razvijala u dva smjera - preradom prirodnih organskih polimera u umjetne polimerne materijale i proizvodnjom sintetičkih polimera od organskih niskomolekularnih spojeva.

U prvom slučaju, velika proizvodnja se zasniva na celulozi. Prvi polimerni materijal od fizički modifikovane celuloze - celuloid - dobijen je početkom 20. veka. Velika proizvodnja celuloznih etera i estera uspostavljena je prije i poslije Drugog svjetskog rata i traje do danas. Koriste se za proizvodnju filmova, vlakana, boja i zgušnjivača. Treba napomenuti da je razvoj kinematografije i fotografije bio moguć samo zahvaljujući pojavi prozirnog nitroceluloznog filma.

Proizvodnja sintetičkih polimera počela je 1906. godine, kada je L. Baekeland patentirao takozvanu bakelitnu smolu - kondenzacijski produkt fenola i formaldehida, koji se zagrijavanjem pretvara u trodimenzionalni polimer. Decenijama se koristi za izradu kućišta za električne uređaje, baterije, televizore, utičnice itd., a sada se sve češće koristi kao vezivo i ljepilo.

Zahvaljujući naporima Henryja Forda, prije Prvog svjetskog rata počeo je nagli razvoj automobilske industrije, prvo na bazi prirodne, a zatim i sintetičke gume. Proizvodnja potonjeg savladana je uoči Drugog svjetskog rata u Sovjetskom Savezu, Engleskoj, Njemačkoj i SAD-u. U tim istim godinama savladana je industrijska proizvodnja polistirena i polivinil hlorida, koji su odlični elektroizolacioni materijali, kao i polimetil metakrilata – bez organskog stakla zvanog „pleksiglas“ masovna proizvodnja aviona bila bi nemoguća tokom ratnih godina.

Poslije rata je nastavljena proizvodnja poliamidnih vlakana i tkanina (najlon, najlon), započeta prije rata. U 50-im godinama XX vijek Razvijeno je poliestersko vlakno i savladana proizvodnja tkanina na bazi njih pod nazivom lavsan ili polietilen tereftalat. Polipropilen i nitron - umjetna vuna od poliakrilonitrila - zatvaraju listu sintetičkih vlakana koja moderni ljudi koriste za odjeću i industrijske aktivnosti. U prvom slučaju, ova vlakna se vrlo često kombinuju sa prirodnim vlaknima iz celuloze ili proteina (pamuk, vuna, svila). Epohalni događaj u svijetu polimera bilo je otkriće sredinom 50-ih godina 20. stoljeća i brzi industrijski razvoj Ziegler-Natta katalizatora, što je dovelo do pojave polimernih materijala na bazi poliolefina i prije svega polipropilena i nisko -polietilen gustine (prije toga je proizvodnja polietilena savladana pod pritiskom reda 1000 atm.), kao i stereoregularni polimeri sposobni za kristalizaciju. Tada su u masovnu proizvodnju uvedeni poliuretani - najčešći zaptivači, ljepljivi i porozni meki materijali (pjenasta guma), kao i polisiloksani - polimeri organskih elemenata koji imaju veću otpornost na toplinu i elastičnost u odnosu na organske polimere.

Listu upotpunjuju takozvani jedinstveni polimeri sintetizirani 60-70-ih godina. XX vijek To uključuje aromatične poliamide, poliimide, poliestere, polieterketone, itd.; Neophodan atribut ovih polimera je prisustvo aromatičnih prstenova i (ili) aromatičnih kondenzovanih struktura. Odlikuje ih kombinacija izuzetne čvrstoće i otpornosti na toplotu.

Vatrootporni polimeri

Mnogi polimeri, poput poliuretana, poliestera i epoksidnih smola, skloni su zapaljivosti, što je često neprihvatljivo u praktičnim primjenama. Da bi se to spriječilo, koriste se različiti aditivi ili se koriste halogenirani polimeri. Halogenirani nezasićeni polimeri se sintetiziraju kondenzacijom kloriranih ili bromiranih monomera, kao što su hekskiselina (CHEMTPA), dibromoneopentilglikol ili tetrabromoftalna kiselina. Glavni nedostatak ovakvih polimera je to što kada sagore mogu ispuštati plinove koji uzrokuju koroziju, što može imati štetan učinak na elektroniku u blizini. S obzirom na visoke zahtjeve zaštite okoliša, posebna pažnja se poklanja komponentama bez halogena: jedinjenjima fosfora i metalnim hidroksidima.

Djelovanje aluminijum hidroksida zasniva se na činjenici da se pod visokim temperaturama oslobađa voda koja sprečava sagorevanje. Da bi se postigao efekat, potrebno je dodati velike količine aluminijum hidroksida: 4 težinska dela na jedan deo nezasićenih poliesterskih smola.

Amonijum pirofosfat deluje na drugačiji princip: izaziva ugljenisanje, koje zajedno sa staklastim slojem pirofosfata izoluje plastiku od kiseonika, sprečavajući širenje vatre.

Novo obećavajuće punilo su slojeviti aluminosilikati, čija se proizvodnja stvara u Rusiji.

4. Aplikacija

Zbog svojih vrijednih svojstava, polimeri se koriste u mašinstvu, tekstilnoj industriji, poljoprivredi i medicini, automobilskoj i brodogradnji, aviogradnji, te u svakodnevnom životu (tekstil i kožna galanterija, posuđe, ljepilo i lakovi, nakit i drugi predmeti). Gume, vlakna, plastika, folije i premazi boja napravljeni su od visokomolekularnih jedinjenja. Sva tkiva živih organizama su visokomolekularna jedinjenja.

5. Nauka o polimerima

Nauka o polimerima počela se razvijati kao samostalna oblast znanja početkom Drugog svjetskog rata i formirala se kao jedinstvena cjelina 50-ih godina. XX vijeka, kada se shvatila uloga polimera u razvoju tehničkog napretka i životu bioloških objekata. Usko je vezan za fiziku, fizičku, koloidnu i organsku hemiju i može se smatrati jednim od osnovnih temelja moderne molekularne biologije čiji su predmeti proučavanja biopolimeri.

Spisak korištenih izvora

1. Enciklopedija polimera, vol. 1 - 3, pogl. ed. V. A. Kargin, M., 1972 - 77;
2. Makhlis F.A., Fedyukin D.L., Terminološki priručnik o gumi, M., 1989;
3. Krivoshey V.N., Kontejneri od polimernih materijala, M., 1990;
4. Sheftel V. O., Štetne materije u plastici, M., 1991;

Sažetak na temu "Polimeri" ažurirano: 18. januara 2018. od: Scientific Articles.Ru

Malo nas, učesnika u polimernom biznisu, imalo je čast da se tokom studentskih godina stručno obrazuje u preradi sekundarnih polimera. Istovremeno, oblast „prihoda od otpada“ oduvek je privlačila preduzetnike kao prava prilika za zaradu. Sektor je još uvijek dosta slabo razvijen, posebno kada je u pitanju informatička podrška poslovanju. Stručnjacima početnicima je često teško savladati teorijsku bazu znanja o hemiji polimernih materijala. Postoji ili vrlo malo informacija ili su opisane složenim tehničkim i hemijskim terminima. U našoj praksi često se susrećemo sa partnerima i igračima početnicima koji željno postavljaju pitanja o onome što dobro znamo. I spremni smo da podelimo znanje, jer smo od samog početka i samostalno prošli trnovit put od učenja osnova do kompleksnih nabavki i konsultacija u oblasti sirovina i opreme.

U ovom članku ćemo govoriti o najjednostavnijim i ujedno važnim pojmovima, koji su precizno opisani u literaturi, ponekad složeniji od bilo čega drugog.

Šta su polimeri?

Polimeri ili polimerni materijali su ogromna grupa supstanci slične strukture. Ova struktura je svojstvena i živim i neživim bićima. Ako pogledamo polimer pod mikroskopom, vidjet ćemo prekrasnu strukturu fragmenata koji se ponavljaju - monomera - čvrsto vezanih jedan za drugi. Drugim riječima, polimer je način organiziranja molekula u obliku višestrukih ponavljanja određenih jedinica prema složenom kemijskom algoritmu. Plastika je vrsta polimera.

Odakle potiču polimeri?

Na osnovu porijekla, svi polimeri se mogu podijeliti u tri velike grupe: prirodni, umjetni i sintetički.

Prirodni polimeri - je proizvod vitalne aktivnosti biljaka i životinja. U velikim količinama se nalaze u vuni, drvetu i koži. Na primjer, svima poznat škrob je polimer, otpadni proizvod krumpira. Ljudi takođe sadrže polimernu strukturu. Protein, osnova života, je upravo polimerna struktura koja se ponavlja. Sa školskog kursa biologije, mnogi ljudi su voljeli da gledaju lanac DNK: višebojne nukleotide koji pohranjuju genetske informacije o cijeloj generaciji porodice, spojene u lanac koji, u svojoj cjelini, može puno reći o vlasniku.

Umjetni polimeri - Ovo je modifikacija prirodnih. U pravilu, prirodni polimeri prolaze kroz postupak pročišćavanja i zasićenja s dodatnim svojstvima, nakon čega se sa sigurnošću mogu klasificirati kao umjetni. Proizvod takve prerade je, na primjer, modificirana guma i lateks (smola).

Sintetički polimeri - posebna kategorija polimera. Ovo su motori tehničke revolucije. Takvi materijali nemaju analoga u prirodi, oni se dobijaju u laboratorijama u teškim uslovima i reakcijama hemijske transformacije. Osnova sintetičkih polimera je prerada nafte i plina, sinteza ugljovodonika. Sintetički polimeri su revolucionirali oruđe rada, pretvarajući 21. vijek, s pravom, u doba visoke hemije, doba polimera i plastike. Oni su nam otvorili vrata za zanimljiv i koristan posao prerade sekundarnih materijala.

Dakle, odakle sintetički polimeri ako nemaju analoga u prirodi? Razmotrimo korak po korak put granula od sirove nafte do sirovine spremne za preradu.

Tako nastaju primarne sirovine, odnosno sirovine iz proizvodnih pogona. Takvih fabrika nema mnogo i po pravilu imaju kolosalnu proizvodnju, i to ne čudi: ove količine bi trebalo da budu dovoljne za celu našu zemlju i još malo za izvoz našim partnerima u inostranstvu. Shodno tome, sekundarne sirovine su sirovine koje su već poslužile osobi i žive svoj drugi život u obliku sekundarnih granula, koje čekaju sljedeću obradu. Broj takvih prerada može biti vrlo velik, jer su sintetički polimeri iznenađujuće stabilne tvari.

Šta je termoplast?

Činjenica da su svi plastični proizvodi prvobitno bili peleti, a kasnije su poprimili neki oblik proizvoda, sugerira da su pelete preživjele proces tehnološke transformacije. Nazvaćemo to recikliranjem i bićemo u pravu.

Postoji mnogo metoda za preradu polimera, ali sve se u osnovi svode na činjenicu da se granule u specijaliziranoj opremi zagrijavaju na visoku temperaturu, miješaju dok se ne formira homogena masa, ovoj masi se daje željeni oblik i hladi. Ovako formiran proizvod ne gubi posebno na kvalitetu, polimeri su stabilne tvari. Međutim, nisu svi polimeri prikladni za takvu obradu. Stoga ćemo upravo sada uvesti klasifikaciju polimera prema njihovoj mogućnosti recikliranja. Ova klasifikacija je vrlo jednostavna

Pozvaćemo one koji odgovaraju termoplastika, i one koje su neprikladne - termosetovi. Zainteresovani smo za termoplastika, jer se od polimera ne može zaraditi novac koji se ne može reciklirati.

Dakle, termoplasti, ili termoplastični polimeri, su polimeri koji se, kada se zagreju, mogu lako zagrijati i rastopiti bez gubitka svojih vrijednih hemijskih svojstava, ali su fizički sposobni da poprime bilo koji oblik kada se ohlade, bilo da je to WC daska ili poklopac (od isto) . Termoplastični polimeri učestvuju u beskrajnim ciklusima prerade plastike. Ova pojava u proizvodnji naziva se reciklaža. Ali termoset ne mogu preživjeti ponovljeni temperaturni tretman. Prilikom ponovnog zagrijavanja potpuno se uništavaju. Međutim, termosetovi služe ljudima u obliku ljepljivih baza, mastika i drugih kemijskih proizvoda.

Umjesto rezultata

U praksi, razumijevajući ova dva jednostavna i, istovremeno, složena koncepta, neće nam biti teško dešifrirati naučne definicije predstavnika polimera: polipropilen I polietilen. U bilo kojoj literaturi će biti napisano otprilike ovako:

polipropilen (PP) je sintetički termoplastični polimer, proizvod polimerizacije propilena.

polietilen (PE) je sintetički termoplastični polimer, proizvod polimerizacije etilena.

Složena formulacija može zvučati mnogo jednostavnije. Sada znamo šta znači "sintetičko", "termoplastično" i zamislite šta je monomer. Nije jasno šta je polimerizacija. Polimerizacija je hemijska reakcija "pretvaranja" monomera u polimer.

U našem radu važno je razumjeti šta su polimerne sirovine i koje su njihove karakteristike, karakteristike i svojstva. Mnogi od naših članaka su posvećeni ovim pitanjima, ali početak učenja leži ovdje. U osnovnim pojmovima i terminologiji tako složene i zanimljive hemije polimera.

S poštovanjem, generalni direktor Mirovoye Oborudovanie LLC

Aleksandra Aleksandrovna Klemina

Polimerni materijali su hemijska visokomolekularna jedinjenja koja se sastoje od brojnih niskomolekularnih monomera (jedinica) iste strukture. Često se za izradu polimera koriste sljedeće monomerne komponente: etilen, vinil hlorid, vinilden hlorid, vinil acetat, propilen, metil metakrilat, tetrafluoroetilen, stiren, urea, melamin, formaldehid, fenol. U ovom članku ćemo detaljno pogledati šta su polimerni materijali, koja su njihova hemijska i fizička svojstva, klasifikaciju i vrste.

Vrste polimera

Posebnost molekula ovog materijala je velika, što odgovara sljedećoj vrijednosti: M>5*103. Jedinjenja sa nižim nivoom ovog parametra (M=500-5000) obično se nazivaju oligomeri. Jedinjenja male molekularne težine imaju masu manju od 500. Razlikuju se sljedeće vrste polimernih materijala: sintetički i prirodni. Potonji obično uključuju prirodnu gumu, liskun, vunu, azbest, celulozu itd. Međutim, glavno mjesto zauzimaju sintetički polimeri, koji se dobivaju kao rezultat procesa kemijske sinteze iz niskomolekularnih spojeva. Ovisno o načinu proizvodnje visokomolekularnih materijala, postoje polimeri koji nastaju ili polikondenzacijom ili reakcijom adicije.

Polimerizacija

Ovaj proces je kombinacija komponenti niske molekularne težine u komponente visoke molekulske težine za proizvodnju dugih lanaca. Nivo polimerizacije je broj „mera“ u molekulima date kompozicije. Polimerni materijali najčešće sadrže od hiljadu do deset hiljada svojih jedinica. Polimerizacijom se dobijaju sledeći uobičajeni spojevi: polietilen, polipropilen, polivinil hlorid, politetrafluoroetilen, polistiren, polibutadien itd.

Polikondenzacija

Ovaj proces je postupna reakcija, koja se sastoji od spajanja ili velikog broja monomera istog tipa, ili para različitih grupa (A i B) u polikondenzatore (makromolekule) uz istovremeno stvaranje sljedećih nusproizvoda: ugljik dioksida, hlorovodonika, amonijaka, vode i dr. Pri upotrebi polikondenzacije dobijaju se silikoni, polisulfoni, polikarbonati, aminoplasti, fenoplasti, poliesteri, poliamidi i drugi polimerni materijali.

Poliadicija

Ovaj proces se podrazumijeva kao formiranje polimera kao rezultat višestrukih reakcija adicije monomernih komponenti koje sadrže zasićene reakcijske spojeve na monomere nezasićenih grupa (aktivni prstenovi ili dvostruke veze). Za razliku od polikondenzacije, reakcija poliadicije odvija se bez oslobađanja nusproizvoda. Najvažniji proces ove tehnologije je očvršćavanje i proizvodnja poliuretana.

Klasifikacija polimera

Svi polimerni materijali se prema svom sastavu dijele na neorganske, organske i organoelemente. Prvi od njih (liskun, azbest, keramika, itd.) ne sadrže atomski ugljik. Baziraju se na oksidima aluminijuma, magnezijuma, silicijuma, itd. Organski polimeri čine najveću klasu i sadrže atome ugljenika, vodonika, azota, sumpora, halogena i kiseonika. Organoelementni polimerni materijali su jedinjenja koja u svojim glavnim lancima sadrže, pored navedenih, atome silicija, aluminijuma, titana i druge elemente koji se mogu kombinovati sa organskim radikalima. Takve kombinacije se ne javljaju u prirodi. To su isključivo sintetički polimeri. Tipični predstavnici ove grupe su jedinjenja na bazi organosilicijuma, čiji je glavni lanac izgrađen od atoma kiseonika i silicijuma.

Da bi se dobili polimeri sa potrebnim svojstvima, tehnologija često koristi ne "čiste" tvari, već njihove kombinacije s organskim ili anorganskim komponentama. Dobar primjer su polimerni građevinski materijali: metal-plastika, plastika, fiberglas, polimer beton.

Polimerna struktura

Jedinstvena svojstva ovih materijala zahvaljuju se njihovoj strukturi, koja se, pak, dijeli na sljedeće tipove: linearno razgranate, linearne, prostorne s velikim molekularnim grupama i vrlo specifičnim geometrijskim strukturama, kao i na ljestve. Pogledajmo ukratko svaki od njih.

Polimerni materijali linearno razgranate strukture, pored glavnog lanca molekula, imaju i bočne grane. Takvi polimeri uključuju polipropilen i poliizobutilen.

Materijali sa linearnom strukturom imaju duge cik-cak ili spiralne lance. Njihove makromolekule prvenstveno karakterišu ponavljanje delova u jednoj strukturnoj grupi karike ili hemijske jedinice lanca. Polimere s linearnom strukturom karakterizira prisustvo vrlo dugih makromolekula sa značajnom razlikom u prirodi veza duž lanca i između njih. Ovo se odnosi na intermolekularne i hemijske veze. Makromolekule takvih materijala su vrlo fleksibilne. A ovo svojstvo je osnova polimernih lanaca, što dovodi do kvalitativno novih karakteristika: visoke elastičnosti, kao i odsustva lomljivosti u očvrslom stanju.

Sada hajde da saznamo šta su polimerni materijali sa prostornom strukturom. Kada se makromolekule međusobno spajaju, ove tvari formiraju jake kemijske veze u poprečnom smjeru. Rezultat je mrežasta struktura koja ima neujednačenu ili prostornu osnovu mreže. Polimeri ovog tipa imaju veću otpornost na toplinu i krutost od linearnih. Ovi materijali su osnova mnogih strukturalnih nemetalnih supstanci.

Molekule polimernih materijala sa merdevinastom strukturom sastoje se od para lanaca koji su povezani hemijskom vezom. To uključuje organosilicijumske polimere, koje karakterizira povećana krutost, otpornost na toplinu, a osim toga, ne stupaju u interakciju s organskim otapalima.

Fazni sastav polimera

Ovi materijali su sistemi koji se sastoje od amorfnih i kristalnih područja. Prvi od njih pomaže u smanjenju krutosti i čini polimer elastičnim, odnosno sposobnim za velike, reverzibilne deformacije. Kristalna faza pomaže u povećanju njihove čvrstoće, tvrdoće, modula elastičnosti i drugih parametara, dok istovremeno smanjuje molekularnu fleksibilnost tvari. Omjer volumena svih takvih površina prema ukupnom volumenu naziva se stupanj kristalizacije, gdje polipropileni, fluoroplasti i polietileni visoke gustoće imaju maksimalan nivo (do 80%). Polivinil hloridi i polietileni male gustine imaju niži stepen kristalizacije.

Ovisno o tome kako se polimerni materijali ponašaju kada se zagrijavaju, obično se dijele na termoreaktivne i termoplastične.

Termoset polimeri

Ovi materijali prvenstveno imaju linearnu strukturu. Kada se zagriju, omekšaju, ali kao rezultat kemijskih reakcija koje se odvijaju u njima, struktura se mijenja u prostornu, a tvar se pretvara u čvrstu supstancu. U budućnosti se ovaj kvalitet zadržava. Polimeri su izgrađeni na ovom principu. Njihovo naknadno zagrijavanje ne omekšava supstancu, već samo dovodi do njenog raspadanja. Gotova termoreaktivna smjesa se ne rastvara i ne topi, pa je njena ponovna obrada neprihvatljiva. Ova vrsta materijala uključuje epoksidni organosilicij, fenol-formaldehidne i druge smole.

Termoplastični polimeri

Pri zagrijavanju ovi materijali prvo omekšaju, a zatim se tope, a nakon naknadnog hlađenja stvrdnu. Termoplastični polimeri ne prolaze kroz hemijske promene tokom ovog tretmana. Ovo čini ovaj proces potpuno reverzibilnim. Supstance ovog tipa imaju linearno razgranatu ili linearnu strukturu makromolekula, između kojih postoje male sile i apsolutno nema hemijskih veza. Tu spadaju polietileni, poliamidi, polistireni itd. Tehnologija termoplastičnih polimernih materijala podrazumeva njihovu proizvodnju injekcijskim prešanjem u kalupima hlađenim vodom, prešanjem, ekstruzijom, puhanjem i drugim metodama.

Hemijska svojstva

Polimeri mogu biti u sljedećim stanjima: čvrsta, tečna, amorfna, kristalna faza, kao i visokoelastična, viskozna i staklasta deformacija. Široka upotreba polimernih materijala je zbog njihove visoke otpornosti na različite agresivne sredine, poput koncentrisanih kiselina i lužina. Osim toga, s povećanjem njihove molekularne težine, smanjuje se topljivost materijala u organskim rastvaračima. A na polimere sa prostornom strukturom pomenute tečnosti uopšte ne utiču.

Fizička svojstva

Većina polimera su dielektrici, osim toga, oni su nemagnetni materijali. Od svih korištenih konstrukcijskih materijala, samo oni imaju najmanju toplinsku provodljivost i najveći toplinski kapacitet, kao i termičko skupljanje (dvadeset puta više od metala). Razlog gubitka nepropusnosti različitih zaptivnih jedinica u uslovima niskih temperatura je takozvana vitrifikacija gume, kao i oštra razlika između koeficijenata ekspanzije metala i gume u vitrificiranom stanju.

Mehanička svojstva

Polimerni materijali imaju širok raspon mehaničkih karakteristika, koje u velikoj mjeri zavise od njihove strukture. Pored ovog parametra, različiti vanjski faktori mogu imati veliki utjecaj na mehanička svojstva tvari. To uključuje: temperaturu, učestalost, trajanje ili brzinu opterećenja, vrstu napregnutog stanja, pritisak, prirodu okoline, termičku obradu, itd. Karakteristika mehaničkih svojstava polimernih materijala je njihova relativno visoka čvrstoća uz vrlo nisku krutost (u poređenju sa na metale).

Polimeri se obično dijele na tvrde, čiji modul elastičnosti odgovara E = 1-10 GPa (vlakna, filmovi, plastika), i meke, visoko elastične tvari, čiji modul elastičnosti odgovara E = 1-10 MPa ( guma). Obrasci i mehanizam uništavanja oba su različiti.

Polimerne materijale karakterizira izražena anizotropija svojstava, kao i smanjenje čvrstoće i razvoj puzanja u uvjetima dugotrajnog opterećenja. Istovremeno, imaju prilično visoku otpornost na zamor. U poređenju s metalima, razlikuju se po oštrijoj ovisnosti mehaničkih svojstava o temperaturi. Jedna od glavnih karakteristika polimernih materijala je deformabilnost (usklađenost). Uobičajeno je da se njihova osnovna operativna i tehnološka svojstva procjenjuju pomoću ovog parametra u širokom temperaturnom rasponu.

Polimerni podni materijali

Sada razmotrimo jednu od opcija za praktičnu upotrebu polimera, otkrivajući cijeli mogući raspon ovih materijala. Ove supstance se široko koriste u građevinarstvu i popravkama i završnim radovima, posebno u podnim oblogama. Ogromna popularnost objašnjava se karakteristikama dotičnih supstanci: otporne su na abraziju, imaju nisku toplinsku provodljivost, imaju nisku apsorpciju vode, prilično su izdržljive i tvrde, te imaju visoke kvalitete boje i laka. Proizvodnja polimernih materijala može se podijeliti u tri grupe: linoleum (valjani), proizvodi od pločica i mješavine za izradu bešavnih podova. Pogledajmo sada ukratko svaki od njih.

Linoleumi se izrađuju na bazi različitih vrsta punila i polimera. Takođe mogu sadržavati plastifikatore, pomoćna sredstva za obradu i pigmente. U zavisnosti od vrste polimernog materijala, razlikuju se poliesterski (gliftalni), polivinilhloridni, gumeni, koloksilinski i drugi premazi. Osim toga, prema svojoj strukturi, dijele se na bez podloge i sa zvučno i toplotno izolacijskom podlogom, jednoslojne i višeslojne, s glatkom, dlakavom i valovitom površinom, kao i jednobojne i višebojne. .

Materijali za bešavne podove su najpogodniji i najhigijenskiji za upotrebu, vrlo su izdržljivi. Ove mješavine se obično dijele na polimer cement, polimer beton i polivinil acetat.

Polimer

Polimer- visokomolekulsko jedinjenje, supstanca velike molekulske težine (od nekoliko hiljada do nekoliko miliona), sastoji se od velikog broja ponavljajućih atomskih grupa iste ili različite strukture - sastavnih jedinica, međusobno povezanih hemijskim ili koordinacionim vezama u duge linearni (na primjer, celuloza) ili razgranati (na primjer, amilopektin) lanci, kao i prostorne trodimenzionalne strukture.

Često se u njegovoj strukturi može razlikovati monomer - ponavljajući strukturni fragment koji uključuje nekoliko atoma. Polimeri se sastoje od velikog broja ponavljajućih grupa (jedinica) iste strukture, kao što su polivinil hlorid (-CH2-CHCl-) n, prirodna guma, itd. Jedinjenja visoke molekularne težine, čiji molekuli sadrže nekoliko tipova ponavljajućih grupa , nazivaju se kopolimeri.

Polimer se formira od monomera kao rezultat reakcija polimerizacije ili polikondenzacije. Polimeri uključuju brojne prirodne spojeve: proteine, nukleinske kiseline, polisaharide, gumu i druge organske tvari. U većini slučajeva, koncept se odnosi na organska jedinjenja, ali postoji i mnogo neorganskih polimera. Veliki broj polimera se dobija sintetički na bazi najjednostavnijih spojeva elemenata prirodnog porekla reakcijama polimerizacije, polikondenzacije i hemijskih transformacija. Nazivi polimera formirani su od imena monomera sa prefiksom poli-: poli etilen, poli propilen, poli vinil acetat...

Zbog svojih vrijednih svojstava, polimeri se koriste u mašinstvu, tekstilnoj industriji, poljoprivredi i medicini, automobilskoj i brodogradnji, te u svakodnevnom životu (tekstil i kožna galanterija, posuđe, ljepilo i lakovi, nakit i drugi predmeti). Gume, vlakna, plastika, folije i premazi boja napravljeni su od visokomolekularnih jedinjenja. Sva tkiva živih organizama su visokomolekularna jedinjenja.

Polymer Science

Sintetički polimeri. Umjetni polimerni materijali

Čovjek već duže vrijeme koristi prirodne polimerne materijale u svom životu. To su koža, krzno, vuna, svila, pamuk itd., koji se koriste za izradu odevnih predmeta, razna veziva (cement, kreč, glina), koja uz odgovarajuću obradu formiraju trodimenzionalna polimerna tela, koja se široko koriste kao građevinski materijal . Međutim, industrijska proizvodnja lančanih polimera počela je početkom 20. stoljeća, iako su se preduslovi za to stvorili ranije.

Gotovo odmah se industrijska proizvodnja polimera razvijala u dva smjera - preradom prirodnih organskih polimera u umjetne polimerne materijale i proizvodnjom sintetičkih polimera od organskih niskomolekularnih spojeva.

U prvom slučaju, velika proizvodnja se zasniva na celulozi. Prvi polimerni materijal od fizički modifikovane celuloze - celuloid - dobijen je početkom 20. veka. Velika proizvodnja celuloznih etera i estera uspostavljena je prije i poslije Drugog svjetskog rata i traje do danas. Na njihovoj osnovi se proizvode folije, vlakna, boje i lakovi i zgušnjivači. Treba napomenuti da je razvoj kinematografije i fotografije bio moguć samo zahvaljujući pojavi prozirnog nitroceluloznog filma.

Proizvodnja sintetičkih polimera počela je 1906. godine, kada je L. Baekeland patentirao takozvanu bakelitnu smolu - kondenzacijski produkt fenola i formaldehida, koji se zagrijavanjem pretvara u trodimenzionalni polimer. Decenijama se koristi za izradu kućišta za električne uređaje, baterije, televizore, utičnice itd., a sada se sve češće koristi kao vezivo i ljepilo.

Klasifikacija polimera

Na osnovu svog hemijskog sastava, svi polimeri se dele na organske, organoelementne i neorganske.

• Organski polimeri. Nastaje uz učešće organskih radikala (CH3, C6H5, CH2). To su smole i gume.
• Organoelementni polimeri. Sadrže neorganske atome (Si, Ti, Al) u glavnom lancu organskih radikala, koji se spajaju s organskim radikalima. Oni ne postoje u prirodi. Vještački dobijeni predstavnik su organosilicijumska jedinjenja.
• Neorganski polimeri. Baziraju se na oksidima Si, Al, Mg, Ca, itd. Ne postoji ugljikovodični skelet. To uključuje keramiku, liskun, azbest.

Treba napomenuti da tehnički materijali često koriste kombinacije pojedinih grupa polimera. To su kompozitni materijali (na primjer, fiberglas).

Na osnovu oblika makromolekula, polimeri se dijele na linearne, razgranate, trakaste, prostorne i ravne.

Na osnovu faznog sastava, polimeri se dijele na amorfne i kristalne.

Amorfni polimeri su jednofazni i izgrađeni su od lančanih molekula sakupljenih u paketima. Paketi se mogu pomicati u odnosu na druge elemente.

Kristalni polimeri nastaju kada su njihove makromolekule dovoljno fleksibilne i formiraju strukturu.

Na osnovu polariteta, polimeri se dijele na polarne i nepolarne. Polaritet je određen prisustvom u njihovom sastavu dipola - molekula s izoliranom raspodjelom pozitivnih i negativnih naboja. U nepolarnim polimerima, dipolni momenti atomskih veza su međusobno kompenzirani.

S obzirom na toplinu, polimeri se dijele na termoplastične i termoreaktivne.

Prirodni organski polimeri

Prirodni organski polimeri nastaju u biljnim i životinjskim organizmima. Najvažniji od njih su polisaharidi, proteini i nukleinske kiseline, od kojih se u velikoj mjeri sastoje tijela biljaka i životinja i koji osiguravaju samo funkcioniranje života na Zemlji. Vjeruje se da je odlučujuća faza u nastanku života na Zemlji bilo formiranje složenijih, visokomolekularnih molekula od jednostavnih organskih molekula.

Karakteristike polimera

Posebna mehanička svojstva:

• elastičnost - sposobnost podnošenja velikih reverzibilnih deformacija pod relativno malim opterećenjem (gume);
• niska krhkost staklastih i kristalnih polimera (plastika, organsko staklo);
• sposobnost makromolekula da se orijentiraju pod utjecajem usmjerenog mehaničkog polja (koristi se u proizvodnji vlakana i filmova).

Karakteristike polimernih otopina:

• visok viskozitet rastvora pri niskoj koncentraciji polimera;
• Otapanje polimera se dešava kroz fazu bubrenja.

Posebna hemijska svojstva:

• sposobnost dramatične promjene svojih fizičkih i mehaničkih svojstava pod utjecajem malih količina reagensa (vulkanizacija gume, štavljenje kože, itd.).

Posebna svojstva polimera objašnjavaju se ne samo njihovom velikom molekulskom težinom, već i činjenicom da makromolekule imaju lančanu strukturu i imaju jedinstveno svojstvo za neživu prirodu - fleksibilnost.

Ako se veza između makromolekula provodi pomoću slabih van der Waalsovih sila, oni se nazivaju termoplasti, ako putem kemijskih veza - termosetima. Linearni polimeri uključuju, na primjer, celulozu, razgranate polimere, na primjer, amilopektin, a postoje i polimeri sa složenim prostornim trodimenzionalnim strukturama.

U strukturi polimera može se razlikovati monomerna jedinica - ponavljajući strukturni fragment koji uključuje nekoliko atoma. Polimeri se sastoje od velikog broja ponavljajućih grupa (jedinica) iste strukture, na primjer, polivinil hlorid (-CH 2 -CHCl-) n, prirodna guma, itd. Jedinjenja visoke molekularne težine, čije molekule sadrže nekoliko vrsta ponavljajuće grupe, nazivaju se kopolimeri ili heteropolimeri.

Polimer se formira od monomera kao rezultat reakcija polimerizacije ili polikondenzacije. Polimeri uključuju brojne prirodne spojeve: proteine, nukleinske kiseline, polisaharide, gumu i druge organske tvari. U većini slučajeva, koncept se odnosi na organska jedinjenja, ali postoji i mnogo neorganskih polimera. Veliki broj polimera se dobija sintetički na bazi najjednostavnijih spojeva elemenata prirodnog porekla reakcijama polimerizacije, polikondenzacije i hemijskih transformacija. Nazivi polimera formirani su od imena monomera sa prefiksom poli-: poli etilen, poli propilen, poli vinil acetat, itd.

Posebnosti

Posebna mehanička svojstva

• elastičnost - sposobnost podnošenja velikih reverzibilnih deformacija pod relativno malim opterećenjem (gume);
• niska krhkost staklastih i kristalnih polimera (plastika, organsko staklo);
• sposobnost makromolekula da se orijentiraju pod utjecajem usmjerenog mehaničkog polja (koristi se u proizvodnji vlakana i filmova).

Karakteristike polimernih otopina:

• visok viskozitet rastvora pri niskoj koncentraciji polimera;
• Otapanje polimera se dešava kroz fazu bubrenja.

Posebna hemijska svojstva:

• sposobnost dramatične promjene svojih fizičkih i mehaničkih svojstava pod utjecajem malih količina reagensa (vulkanizacija gume, štavljenje kože, itd.).

Posebna svojstva polimera objašnjavaju se ne samo njihovom velikom molekularnom težinom, već i činjenicom da makromolekule imaju lančanu strukturu i da su fleksibilne.

Kopolimeri

Polimeri napravljeni od različitih monomera ili hemijski vezanih molekula različitih polimera nazivaju se kopolimeri. Na primjer, polistiren otporan na udarce je kopolimer polistirena i polibutadiena.

Kopolimeri se razlikuju po strukturi, tehnologiji proizvodnje i rezultirajućim svojstvima. Tehnologije kreirane za 2014. godinu:

• statistički kopolimeri, formirani lancima koji sadrže hemijske grupe različite prirode, dobijaju se polimerizacijom mešavine nekoliko polaznih monomera;
• naizmjenične kopolimere karakteriziraju lanci u kojima se izmjenjuju radikali različitih monomera;
• graft kopolimeri se formiraju vezivanjem lanaca molekula drugog monomera na stranu makromolekula formiranih od glavnog monomera;
• češljasti kopolimeri su graft kopolimeri sa vrlo dugim bočnim lancima;
• blok kopolimeri su građeni od prilično dugih lanaca (blokova) jednog monomera, povezanih na krajevima sa prilično dugim lancima drugog monomera.

Svojstva kopolimera

Kopolimeri u obliku češlja mogu biti sastavljeni od materijala različitih svojstava, što takvom kopolimeru daje fundamentalno nova svojstva, na primjer, tekući kristalni.

U blok kopolimerima sastavljenim od komponenata različitih svojstava nastaju superrešetke, izgrađene od blokova različite hemijske prirode razdvojenih u posebnu fazu. Veličine blokova zavise od omjera početnih monomera. Tako se krhkom polistirenu kopolimerizacijom sa 5-10% polibutadiena dodaje vlačna čvrstoća do 40% i dobija se polistiren otporan na udarce, a sa 19% polistirena u polibutadienu materijal pokazuje ponašanje poput gume.

Klasifikacija

Prema svom hemijskom sastavu svi polimeri se dijele na organski, organoelement, neorganski.

• Organski polimeri.
• Organoelementni polimeri. Sadrže neorganske atome (Si, Ti, Al) u glavnom lancu organskih radikala, koji se spajaju s organskim radikalima. Oni ne postoje u prirodi. Vještački dobijeni predstavnik su organosilicijumska jedinjenja.
• Neorganski polimeri. Oni ne sadrže C-C veze u jedinici koja se ponavlja, ali su u stanju da sadrže organske radikale kao bočne supstituente.

Treba napomenuti da se u inženjerstvu polimeri često koriste kao komponente kompozitnih materijala, na primjer, stakloplastike. Mogući su kompozitni materijali čije su sve komponente polimeri (različitih sastava i svojstava).

Na osnovu oblika makromolekula, polimeri se dijele na linearne, razgranate (poseban slučaj je u obliku zvijezde), trakaste, ravne, češljaste, polimerne mreže itd.

Polimeri su klasifikovani prema polaritetu (utiču na rastvorljivost u različitim tečnostima). Polaritet polimernih jedinica određen je prisustvom u njihovom sastavu dipola - molekula s izoliranom raspodjelom pozitivnih i negativnih naboja. U nepolarnim jedinicama, dipolni momenti atomskih veza su međusobno kompenzirani. Polimeri čije jedinice imaju značajan polaritet nazivaju se hidrofilna ili polar. Polimeri sa nepolarnim jedinicama - nepolarni, hidrofobna. Polimeri koji sadrže i polarne i nepolarne jedinice nazivaju se amfifilni. Predlaže se da se nazivaju homopolimeri, čija svaka jedinica sadrži i polarne i nepolarne velike grupe amfifilni homopolimeri.

U odnosu na grijanje, polimeri se dijele na termoplastični I termoreaktivna. Thermoplastic polimeri (polietilen, polipropilen, polistiren) omekšaju kada se zagreju, čak se tope i stvrdnu kada se ohlade. Ovaj proces je reverzibilan. Thermoset Kada se zagriju, polimeri podliježu nepovratnom kemijskom razaranju bez topljenja. Molekuli termoreaktivnih polimera imaju nelinearnu strukturu dobijenu umrežavanjem (na primjer, vulkanizacijom) lančanih polimernih molekula. Elastične osobine termoreaktivnih polimera su veće od termoreaktivnih polimera, međutim, termoreaktivni polimeri praktički nemaju fluidnost, zbog čega imaju niže naprezanje loma.

Prirodni organski polimeri nastaju u biljnim i životinjskim organizmima. Najvažniji od njih su polisaharidi, proteini i nukleinske kiseline, od kojih se u velikoj mjeri sastoje tijela biljaka i životinja i koji osiguravaju samo funkcioniranje života na Zemlji. Vjeruje se da je odlučujuća faza u nastanku života na Zemlji bila formiranje složenijih, visokomolekularnih molekula od jednostavnih organskih molekula (vidi Hemijska evolucija).

Vrste

Sintetički polimeri. Umjetni polimerni materijali

Čovjek već duže vrijeme koristi prirodne polimerne materijale u svom životu. To su koža, krzno, vuna, svila, pamuk itd., koji se koriste za izradu odevnih predmeta, razna veziva (cement, kreč, glina), koja uz odgovarajuću obradu formiraju trodimenzionalna polimerna tela, koja se široko koriste kao građevinski materijal . Međutim, industrijska proizvodnja lančanih polimera počela je početkom 20. stoljeća, iako su se preduslovi za to pojavili ranije.

Gotovo odmah se industrijska proizvodnja polimera razvijala u dva smjera - preradom prirodnih organskih polimera u umjetne polimerne materijale i proizvodnjom sintetičkih polimera od organskih niskomolekularnih spojeva.

U prvom slučaju, velika proizvodnja se zasniva na celulozi. Prvi polimerni materijal od fizički modifikovane celuloze - celuloid - dobijen je sredinom 19. veka. Velika proizvodnja celuloznih etera i estera uspostavljena je prije i poslije Drugog svjetskog rata i traje do danas. Na njihovoj osnovi se proizvode folije, vlakna, boje i lakovi i zgušnjivači. Treba napomenuti da je razvoj kinematografije i fotografije bio moguć samo zahvaljujući pojavi prozirnog nitroceluloznog filma.

Proizvodnja sintetičkih polimera započela je 1906. godine, kada je Leo Baekeland patentirao takozvanu bakelitnu smolu - kondenzacijski proizvod fenola i formaldehida, koji se zagrijavanjem pretvara u trodimenzionalni polimer. Decenijama se koristi za izradu kućišta za električne uređaje, baterije, televizore, utičnice itd., a sada se sve češće koristi kao vezivo i ljepilo.

Spisak upotpunjuju takozvani jedinstveni polimeri sintetizovani 60-70-ih godina 20. veka. To uključuje aromatične poliamide, poliimide, poliestere, polieterketone, itd.; Neophodan atribut ovih polimera je prisustvo aromatičnih prstenova i (ili) aromatičnih kondenzovanih struktura. Odlikuje ih kombinacija izuzetne čvrstoće i otpornosti na toplotu.

Vatrootporni polimeri

Mnogi polimeri, poput poliuretana, poliestera i epoksidnih smola, skloni su zapaljivosti, što je često neprihvatljivo u praktičnim primjenama. Da bi se to spriječilo, koriste se različiti aditivi ili se koriste halogenirani polimeri. Halogenirani nezasićeni polimeri se sintetiziraju kondenzacijom kloriranih ili bromiranih monomera, kao što su hekskiselina (CHEMTPA), dibromoneopentilglikol ili tetrabromoftalna kiselina. Glavni nedostatak ovakvih polimera je to što kada sagore mogu ispuštati plinove koji uzrokuju koroziju, što može imati štetan učinak na elektroniku u blizini.

Djelovanje aluminijum hidroksida zasniva se na činjenici da se pod visokim temperaturama oslobađa voda koja sprečava sagorevanje. Da bi se postigao efekat, potrebno je dodati velike količine aluminijum hidroksida: 4 težinska dela na jedan deo nezasićenih poliesterskih smola.

Amonijum pirofosfat deluje na drugačiji princip: izaziva ugljenisanje, koje zajedno sa staklastim slojem pirofosfata izoluje plastiku od kiseonika, sprečavajući širenje vatre.