Polymeerimateriaalit: tekniikka, tyypit, tuotanto ja käyttö. Luonnollinen polymeeri - kaava ja käyttö

Johdanto
1. Polymeerien ominaisuudet
2. Luokittelu
3. Polymeerityypit
4. Sovellus
5. Polymeeritiede
Johtopäätös
Luettelo käytetyistä lähteistä

Johdanto

Polypropeenimolekyylien ketjut.

Polymeerit(kreikaksi πολύ- - monta; μέρος - osa) - epäorgaaniset ja orgaaniset, amorfiset ja kiteiset aineet, jotka saadaan toistumalla eri atomiryhmiä, joita kutsutaan "monomeeriksi yksiköiksi", jotka on liitetty pitkiksi makromolekyyleiksi kemiallisilla tai koordinaatiosidoksilla. Polymeeri on suurimolekyylinen yhdiste: polymeerin monomeeriyksiköiden lukumäärän (polymerointiasteen) on oltava melko suuri. Monissa tapauksissa yksiköiden lukumäärää voidaan pitää riittävänä molekyylin luokittelemiseksi polymeeriksi, jos molekyylien ominaisuudet eivät muutu toista monomeeriyksikköä lisättäessä. Yleensä polymeerit ovat aineita, joiden molekyylipaino on useista tuhansista useisiin miljooniin.

Jos makromolekyylien välinen yhteys toteutetaan heikkojen Van Der Waalsin voimien avulla, niitä kutsutaan kestomuoveiksi, jos kemiallisten sidosten kautta, niitä kutsutaan kertamuoveiksi. Lineaarisia polymeerejä ovat esimerkiksi selluloosa, haaroittuneet polymeerit, esimerkiksi amylopektiini, ja on polymeerejä, joilla on monimutkaiset kolmiulotteiset tilarakenteet.

Polymeerin rakenteessa voidaan erottaa monomeeriyksikkö - toistuva rakennefragmentti, joka sisältää useita atomeja. Polymeerit koostuvat suuresta määrästä saman rakenteen omaavia toistuvia ryhmiä (yksiköitä), esimerkiksi polyvinyylikloridi (-CH2-CHCl-)n, luonnonkumi jne. Suurimolekyyliset yhdisteet, joiden molekyylit sisältävät monenlaisia ​​toistuvia ryhmiä kutsutaan kopolymeereiksi tai heteropolymeereiksi.

Polymeeri muodostuu monomeereistä polymerointi- tai polykondensaatioreaktioiden tuloksena. Polymeereihin kuuluu lukuisia luonnonyhdisteitä: proteiineja, nukleiinihappoja, polysakkarideja, kumia ja muita orgaanisia aineita. Useimmissa tapauksissa käsite viittaa orgaanisiin yhdisteisiin, mutta on myös monia epäorgaanisia polymeerejä. Suuri määrä polymeerejä saadaan synteettisesti perustuen yksinkertaisimpiin luonnollista alkuperää olevien alkuaineiden yhdisteisiin polymerointireaktioiden, polykondensaatioiden ja kemiallisten muunnosten kautta. Polymeerien nimet muodostetaan monomeerin nimestä etuliitteellä poly: polyeteeni, polypropeeni, polyvinyyliasetaatti jne.

1. Polymeerien ominaisuudet

Erityiset mekaaniset ominaisuudet:

joustavuus- kyky kestää suuria palautuvia muodonmuutoksia suhteellisen pienillä kuormilla (kumit);

lasimaisten ja kiteisten polymeerien (muovit, orgaaninen lasi) alhainen hauraus;

makromolekyylien kyky orientoitua suunnatun mekaanisen kentän vaikutuksesta (käytetään kuitujen ja kalvojen valmistuksessa).

Polymeeriliuosten ominaisuudet:

korkea liuoksen viskositeetti alhaisella polymeeripitoisuudella;

Polymeerin liukeneminen tapahtuu turpoamisvaiheen kautta.

Erityiset kemialliset ominaisuudet:

kyky muuttaa dramaattisesti sen fysikaalisia ja mekaanisia ominaisuuksia pienten reagenssimäärien vaikutuksesta (kumin vulkanointi, nahan parkitus jne.).

Polymeerien erityisominaisuudet eivät selity pelkästään niiden suurella molekyylipainolla, vaan myös sillä, että makromolekyyleillä on ketjurakenne ja ne ovat joustavia.

2. Luokittelu

Kemiallisen koostumuksensa perusteella kaikki polymeerit jaetaan orgaanisiin, organoelementteihin ja epäorgaanisiin.

Orgaaniset polymeerit.

Organoelementtipolymeerit. Ne sisältävät orgaanisten radikaalien pääketjussa epäorgaanisia atomeja (Si, Ti, Al), jotka yhdistyvät orgaanisten radikaalien kanssa. Niitä ei ole luonnossa. Keinotekoisesti saatu edustaja ovat organopiiyhdisteet.

On huomattava, että teknisissä materiaaleissa käytetään usein eri polymeeriryhmien yhdistelmiä. Nämä ovat komposiittimateriaaleja (esimerkiksi lasikuitua).

Makromolekyylien muodon perusteella polymeerit jaetaan lineaarisiin, haarautuneisiin (erityistapaus on tähden muotoinen), nauhaan, litteään, kampamuotoiseen, polymeeriverkkoon ja niin edelleen.

Polymeerit luokitellaan napaisuuden mukaan (vaikuttaa liukoisuuteen eri nesteisiin). Polymeeriyksiköiden polariteetti määräytyy dipolien - molekyylien, joilla on eristetty positiivisten ja negatiivisten varausten jakautuminen - läsnäolo niiden koostumuksessa. Ei-polaarisissa yksiköissä atomisidosten dipolimomentit kompensoidaan keskenään. Polymeerejä, joiden yksiköillä on merkittävä polaarisuus, kutsutaan hydrofiilisiksi tai polaarisiksi. Polymeerit, joissa on ei-polaarisia yksiköitä - ei-polaarisia, hydrofobisia. Polymeerejä, jotka sisältävät sekä polaarisia että ei-polaarisia yksiköitä, kutsutaan amfifiilisiksi. Homopolymeerejä, joiden jokainen yksikkö sisältää sekä polaarisia että ei-polaarisia suuria ryhmiä, ehdotetaan kutsuttavan amfifiilisiksi homopolymeereiksi.

Lämmön suhteen polymeerit jaetaan termoplastisiin ja lämpökovettuviin. Termoplastiset polymeerit (polyeteeni, polypropeeni, polystyreeni) pehmenevät kuumennettaessa, jopa sulavat ja kovettuvat jäähtyessään. Tämä prosessi on palautuva. Kuumennettaessa lämpökovettuvat polymeerit tuhoutuvat peruuttamattomasti kemiallisesti sulamatta. Lämpökovettuvien polymeerien molekyyleillä on epälineaarinen rakenne, joka on saatu silloittamalla (esimerkiksi vulkanoimalla) ketjupolymeerimolekyylejä. Lämpökovettuvien polymeerien elastisuusominaisuudet ovat korkeammat kuin kestomuovilla, mutta lämpökovettuvilla polymeereillä ei ole käytännössä lainkaan juoksevuutta, minkä seurauksena niillä on pienempi murtumisjännitys.

Luonnollisia orgaanisia polymeerejä muodostuu kasvi- ja eläinorganismeissa. Tärkeimmät niistä ovat polysakkaridit, proteiinit ja nukleiinihapot, joista kasvien ja eläinten kehot suurelta osin koostuvat ja jotka varmistavat elämän toiminnan maapallolla. Uskotaan, että ratkaiseva vaihe elämän syntymisessä maapallolle oli monimutkaisempien, suurimolekyylisten molekyylien muodostuminen yksinkertaisista orgaanisista molekyyleistä (katso Kemiallinen evoluutio).

3. Polymeerityypit

Synteettiset polymeerit. Keinotekoiset polymeerimateriaalit

Ihminen on käyttänyt luonnollisia polymeerimateriaaleja elämässään pitkään. Näitä ovat nahka, turkis, villa, silkki, puuvilla jne., joita käytetään vaatteiden valmistukseen, erilaisia ​​sideaineita (sementti, kalkki, savi), jotka sopivalla käsittelyllä muodostavat kolmiulotteisia polymeerikappaleita, joita käytetään laajalti rakennusmateriaaleina . Ketjupolymeerien teollinen tuotanto aloitettiin kuitenkin 1900-luvun alussa, vaikka edellytykset sille ilmenivät jo aikaisemmin.

Lähes välittömästi polymeerien teollinen tuotanto kehittyi kahteen suuntaan - prosessoimalla luonnollisia orgaanisia polymeerejä keinotekoisiksi polymeerimateriaaleiksi ja valmistamalla synteettisiä polymeerejä orgaanisista pienimolekyylisistä yhdisteistä.

Ensimmäisessä tapauksessa suurtuotanto perustuu selluloosaan. Ensimmäinen polymeerimateriaali fysikaalisesti muunnetusta selluloosasta - selluloosa - saatiin 1900-luvun alussa. Selluloosaeettereiden ja -estereiden laajamittainen tuotanto aloitettiin ennen toista maailmansotaa ja sen jälkeen, ja se jatkuu tähän päivään asti. Niitä käytetään kalvojen, kuitujen, maalien ja sakeutusaineiden valmistukseen. On huomattava, että elokuvan ja valokuvauksen kehitys oli mahdollista vain läpinäkyvän nitroselluloosakalvon tulon ansiosta.

Synteettisten polymeerien tuotanto alkoi vuonna 1906, kun L. Baekeland patentoi ns. bakeliittihartsin - fenolin ja formaldehydin kondensaatiotuotteen, joka kuumennettaessa muuttuu kolmiulotteiseksi polymeeriksi. Sitä on vuosikymmeniä käytetty sähkölaitteiden, akkujen, televisioiden, pistorasioiden jne. koteloiden valmistukseen, ja nykyään sitä käytetään useammin sideaineena ja liimana.

Henry Fordin ponnistelujen ansiosta autoteollisuuden nopea kehitys alkoi ennen ensimmäistä maailmansotaa ensin luonnon-, sitten myös synteettisen kumin pohjalta. Jälkimmäisen tuotanto hallittiin toisen maailmansodan aattona Neuvostoliitossa, Englannissa, Saksassa ja Yhdysvalloissa. Samoin vuosina hallittiin erinomaisten sähköeristysmateriaalien polystyreenin ja polyvinyylikloridin sekä polymetyylimetakrylaatin teollinen tuotanto - ilman orgaanista lasia, jota kutsutaan "pleksilasiksi", lentokoneiden massatuotanto olisi ollut mahdotonta sotavuosina.

Sodan jälkeen ennen sotaa alkanut polyamidikuitujen ja -kankaiden (nailon, nylon) tuotanto aloitettiin uudelleen. 50-luvulla XX vuosisadalla Polyesterikuitua kehitettiin ja siihen perustuvien kankaiden valmistus nimellä lavsan tai polyeteenitereftalaatti hallittiin. Polypropeeni ja nitroni - polyakryylinitriilistä valmistettu keinovilla - sulkevat luettelon synteettisistä kuiduista, joita nykyihmiset käyttävät vaatteissa ja teollisessa toiminnassa. Ensimmäisessä tapauksessa nämä kuidut yhdistetään hyvin usein selluloosasta tai proteiinista (puuvilla, villa, silkki) peräisin olevien luonnonkuitujen kanssa. Polymeerimaailman käänteentekevä tapahtuma oli 1900-luvun 50-luvun puolivälin löytö ja Ziegler-Natta-katalyyttien nopea teollinen kehitys, joka johti polyolefiineihin ja ennen kaikkea polypropeeniin perustuvien polymeerimateriaalien syntymiseen. -tiheyspolyeteeni (ennen tätä polyeteenin tuotanto hallittiin luokkaa 1000 atm.) sekä stereosäännölliset polymeerit, jotka pystyvät kiteytymään. Sitten massatuotantoon otettiin käyttöön polyuretaanit - yleisimmät tiivisteet, liimat ja huokoiset pehmeät materiaalit (vaahtokumi) sekä polysiloksaanit - organoelementtipolymeerit, joilla on korkeampi lämmönkestävyys ja elastisuus verrattuna orgaanisiin polymeereihin.

Listan täydentävät 60-70-luvulla syntetisoidut ns. ainutlaatuiset polymeerit. XX vuosisadalla Näitä ovat aromaattiset polyamidit, polyimidit, polyesterit, polyeetteriketonit jne.; Näiden polymeerien välttämätön ominaisuus on aromaattisten renkaiden ja (tai) aromaattisten kondensoituneiden rakenteiden läsnäolo. Niille on ominaista erinomaisen lujuuden ja lämmönkestävyyden yhdistelmä.

Palonkestävät polymeerit

Monet polymeerit, kuten polyuretaanit, polyesterit ja epoksihartsit, ovat alttiita syttymiselle, mikä on usein mahdotonta hyväksyä käytännön sovelluksissa. Tämän estämiseksi käytetään erilaisia ​​lisäaineita tai halogenoituja polymeerejä. Halogenoituja tyydyttymättömiä polymeerejä syntetisoidaan kondensoimalla kloorattuja tai bromattuja monomeerejä, kuten heksaklorend(CHEMTPA), dibromiopentyyliglykolia tai tetrabromiftaalihappoa. Tällaisten polymeerien suurin haitta on, että palaessaan ne voivat vapauttaa korroosiota aiheuttavia kaasuja, joilla voi olla haitallinen vaikutus lähellä olevaan elektroniikkaan. Korkeiden ympäristöturvallisuusvaatimusten vuoksi kiinnitetään erityistä huomiota halogeenittomiin komponentteihin: fosforiyhdisteisiin ja metallihydroksideihin.

Alumiinihydroksidin vaikutus perustuu siihen, että korkeassa lämpötilassa vapautuu vettä, joka estää palamisen. Vaikutuksen saavuttamiseksi on tarpeen lisätä suuria määriä alumiinihydroksidia: 4 paino-osaa yhteen osaan tyydyttymättömiä polyesterihartseja.

Ammoniumpyrofosfaatti toimii eri periaatteella: se aiheuttaa hiiltymistä, joka yhdessä lasimaisen pyrofosfaattikerroksen kanssa eristää muovin hapelta ja estää tulen leviämistä.

Uutena lupaavana täyteaineena ovat kerrostetut alumiinisilikaatit, joiden tuotantoa ollaan aloittamassa Venäjällä.

4. Sovellus

Arvokkaiden ominaisuuksiensa ansiosta polymeerejä käytetään koneenrakennuksessa, tekstiiliteollisuudessa, maataloudessa ja lääketieteessä, auto- ja laivanrakennuksessa, lentokoneiden rakentamisessa sekä jokapäiväisessä elämässä (tekstiilit ja nahkatavarat, astiat, liimat ja lakat, korut ja muut tavarat). Kumit, kuidut, muovit, kalvot ja maalipinnoitteet valmistetaan suurimolekyylisistä yhdisteistä. Kaikki elävien organismien kudokset ovat suurimolekyylisiä yhdisteitä.

5. Polymeeritiede

Polymeeritiede alkoi kehittyä itsenäisenä tietoalana toisen maailmansodan alkaessa ja muodostui yhdeksi kokonaisuudeksi 50-luvulla. 1900-luvulla, jolloin polymeerien rooli teknisen kehityksen ja biologisten esineiden elämän kehityksessä tajuttiin. Se liittyy läheisesti fysiikkaan, fysikaaliseen, kolloidiseen ja orgaaniseen kemiaan ja sitä voidaan pitää yhtenä modernin molekyylibiologian perusperustana, jonka tutkimuskohteita ovat biopolymeerit.

Luettelo käytetyistä lähteistä

1. Encyclopedia of Polymers, osa 1 - 3, ch. toim. V. A. Kargin, M., 1972 - 77;
2. Makhlis F.A., Fedyukin D.L., Terminological reference book on rubber, M., 1989;
3. Krivoshey V.N., Polymeerimateriaaleista valmistetut säiliöt, M., 1990;
4. Sheftel V. O., Haitalliset aineet muovissa, M., 1991;

Tiivistelmä aiheesta "Polymeerit" päivitetty: 18. tammikuuta 2018: Tieteelliset artikkelit.Ru

Monilla meistä, polymeerialan toimijoista, ei ollut kunnia saada opiskeluvuosinamme ammatillista koulutusta sekundääripolymeerien käsittelyssä. Samaan aikaan "jätteen tuotto" on aina houkutellut yrittäjiä todellisena mahdollisuutena ansaita rahaa. Ala on edelleen varsin heikosti kehittynyt varsinkin yritysten tietotuen osalta. Aloittelevien asiantuntijoiden on usein vaikea hallita teoreettista tietopohjaa polymeerimateriaalien kemiasta. Tietoa on joko hyvin vähän tai se kuvataan monimutkaisin teknisin ja kemiallisin termein. Käytännössämme kohtaamme usein kumppaneita ja aloittelevia pelaajia, jotka kysyvät innokkaasti siitä, mitä tiedämme hyvin. Ja olemme valmiita jakamaan tietoa, sillä kävimme alusta alkaen ja itsenäisesti läpi mutkaisen polun perusasioiden oppimisesta monimutkaisiin tarvikkeisiin ja konsultaatioihin raaka-aineiden ja laitteiden alalla.

Tässä artikkelissa puhumme yksinkertaisimmista ja samalla tärkeistä käsitteistä, jotka on kuvattu tarkasti kirjallisuudessa, joskus monimutkaisempia kuin mikään muu.

Mitä ovat polymeerit?

Polymeerit tai polymeerimateriaalit ovat valtava joukko aineita, jotka ovat rakenteeltaan samanlaisia. Tämä rakenne on luontainen sekä eläville että elottomille olennoille. Jos katsomme polymeeriä mikroskoopilla, näemme kauniin rakenteen toistuvista fragmenteista - monomeereistä - tiukasti toisiinsa sidottuina. Toisin sanoen polymeeri on tapa järjestää molekyyli tiettyjen yksiköiden useiden toistojen muodossa monimutkaisen kemiallisen algoritmin mukaisesti. Muovit ovat eräänlainen polymeeri.

Mistä polymeerit tulevat?

Alkuperänsä perusteella kaikki polymeerit voidaan jakaa kolmeen suureen ryhmään: luonnolliset, keinotekoiset ja synteettiset.

Luonnolliset polymeerit - on kasvien ja eläinten elintärkeän toiminnan tuote. Niitä löytyy suuria määriä villassa, puussa ja nahassa. Esimerkiksi kaikille tuttu tärkkelys on polymeeri, perunoiden jätetuote. Ihmisillä on myös polymeerirakenne. Proteiini, elämän perusta, on juuri polymeerinen, toistuva rakenne. Koulubiologian kurssilta monet tykkäsivät katsoa DNA-ketjua: monivärisiä nukleotideja, jotka tallentavat geneettistä tietoa kokonaisesta sukupolvesta, yhdistettynä ketjuksi, joka kokonaisuudessaan voi kertoa paljon omistajasta.

Keinotekoiset polymeerit - Tämä on muunnelma luonnollisista. Luonnolliset polymeerit käyvät yleensä läpi puhdistus- ja kyllästysmenettelyn lisäominaisuuksilla, minkä jälkeen ne voidaan turvallisesti luokitella keinotekoisiksi. Tällaisen käsittelyn tuote on esimerkiksi modifioitu kumi ja lateksi (hartsi).

Synteettiset polymeerit - erillinen polymeeriluokka. Nämä ovat teknisen vallankumouksen moottoreita. Tällaisilla materiaaleilla ei ole luonnossa analogeja, ne saadaan laboratorioissa vaikeissa olosuhteissa ja kemiallisissa muutosreaktioissa. Synteettisten polymeerien perusta on öljyn ja kaasun käsittely, hiilivetysynteesi. Synteettiset polymeerit mullistavat työn työkalut ja muuttivat 2000-luvun perustellusti korkean kemian aikakaudeksi, polymeerien ja muovien aikakaudeksi. He avasivat meille ovet mielenkiintoiseen ja hyödylliseen uusiomateriaalien käsittelyyn.

Joten mistä synteettiset polymeerit ovat peräisin, jos niillä ei ole analogeja luonnossa? Tarkastellaan askel askeleelta rakeen polkua raakaöljystä jalostettavaksi valmiiksi raaka-aineeksi.

Näin syntyvät primaariraaka-aineet, tai pikemminkin raaka-aineet tuotantolaitoksista. Tällaisia ​​tehtaita ei ole kovin paljon, ja niiden tuotanto on pääsääntöisesti valtava, eikä tämä ole yllättävää: näiden määrien pitäisi riittää koko maallemme ja hieman enemmän vientiin ulkomaisille kumppaneillemme. Näin ollen uusioraaka-aineet ovat raaka-aineita, jotka ovat jo palvelleet ihmistä ja elävät toista elämäänsä toissijaisten rakeiden muodossa odottaen seuraavaa käsittelyä. Tällaisten käsittelyjen määrä voi olla hyvin suuri, koska synteettiset polymeerit ovat yllättävän pysyviä aineita.

Mikä on termoplastinen?

Se, että kaikki muovituotteet olivat alun perin pellettejä ja omaksuivat myöhemmin jonkinlaisen tuotteen, viittaa siihen, että pelletit selvisivät teknologisesta muutosprosessista. Kutsumme sitä kierrätykseksi, ja olemme oikeassa.

Polymeerien käsittelyyn on monia menetelmiä, mutta ne kaikki periaatteessa kiteytyvät siihen, että rakeet lämmitetään erikoislaitteissa korkeaan lämpötilaan, sekoitetaan, kunnes muodostuu homogeeninen massa, tälle massalle annetaan haluttu muoto ja jäähdytetään. Tällä tavalla muodostettu tuote ei erityisesti menetä laatua, polymeerit ovat pysyviä aineita. Kaikki polymeerit eivät kuitenkaan sovellu tällaiseen käsittelyyn. Siksi otamme juuri nyt käyttöön polymeerien luokituksen niiden kierrätettävyyden mukaan. Tämä luokittelu on hyvin yksinkertainen

Soitamme sopiville kestomuovit, ja ne, jotka eivät sovellu - lämpökovettumat. Olemme kiinnostuneita kestomuovit, koska ei voida ansaita rahaa polymeereistä, joita ei voida kierrättää.

Kestomuovit eli kestomuovipolymeerit ovat siis polymeerejä, jotka kuumennettaessa voivat helposti lämmetä ja sulaa menettämättä arvokkaita kemiallisia ominaisuuksiaan, mutta jotka voivat fyysisesti omaksua minkä tahansa muodon jäähtyessään, olipa kyseessä wc-istuin tai kansi (alkaen sama). Juuri termoplastiset polymeerit osallistuvat loputtomiin muovinkäsittelyn sykleihin. Tätä ilmiötä tuotannossa kutsutaan kierrätykseksi. Mutta kertamuovit eivät kestä toistuvaa lämpötilakäsittelyä. Uudelleen lämmitettäessä ne tuhoutuvat täysin. Kuitenkin kertamuovit palvelevat ihmisiä liimapohjan, mastiksin ja muiden kemiallisten tuotteiden muodossa.

Tulosten sijaan

Käytännössä, kun ymmärrämme nämä kaksi yksinkertaista ja samalla monimutkaista käsitettä, meidän ei ole vaikeaa tulkita polymeerien edustajien tieteellisiä määritelmiä: polypropeeni Ja polyeteeni. Missä tahansa kirjallisuudessa se kirjoitetaan näin:

Polypropeeni (PP) on synteettinen termoplastinen polymeeri, joka on propeenin polymeroinnin tuote.

Polyeteeni (PE) on synteettinen termoplastinen polymeeri, eteenin polymeroinnin tuote.

Monimutkainen muotoilu saattaa kuulostaa paljon yksinkertaisemmalta. Nyt tiedämme, mitä "synteettinen", "termoplastinen" tarkoittaa, ja kuvittele, mitä monomeeri on. Ei ole selvää, mitä polymerointi on. Polymerointi on kemiallinen reaktio, jossa monomeeri "muunnetaan" polymeeriksi.

Työssämme on tärkeää ymmärtää, mitä polymeeriraaka-aineet ovat ja mitkä ovat niiden ominaisuudet, ominaisuudet ja ominaisuudet. Monet artikkeleistamme on omistettu näille aiheille, mutta oppimisen alku on tässä. Tällaisen monimutkaisen ja mielenkiintoisen polymeerikemian peruskäsitteissä ja terminologiassa.

Ystävällisin terveisin Mirovoye Oborudovanie LLC:n pääjohtaja

Aleksandra Aleksandrovna Klemina

Polymeerimateriaalit ovat kemiallisia suurimolekyylisiä yhdisteitä, jotka koostuvat lukuisista pienimolekyylisistä monomeereistä (yksiköistä), joilla on sama rakenne. Usein polymeerien valmistukseen käytetään seuraavia monomeerikomponentteja: eteeni, vinyylikloridi, vinyldeenikloridi, vinyyliasetaatti, propeeni, metyylimetakrylaatti, tetrafluorieteeni, styreeni, urea, melamiini, formaldehydi, fenoli. Tässä artikkelissa tarkastellaan yksityiskohtaisesti, mitä polymeerimateriaalit ovat, mitkä ovat niiden kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet, luokittelu ja tyypit.

Polymeerityypit

Tämän materiaalin molekyylien erikoisuus on suuri, mikä vastaa seuraavaa arvoa: M>5*103. Yhdisteitä, joiden tämä parametri on pienempi (M=500-5000), kutsutaan yleensä oligomeereiksi. Pienen molekyylipainon omaavien yhdisteiden massa on alle 500. Polymeerimateriaalit erotetaan seuraavan tyyppisistä: synteettiset ja luonnolliset. Jälkimmäiset sisältävät yleensä luonnonkumia, kiillettä, villaa, asbestia, selluloosaa jne. Pääasiallisen paikan ovat kuitenkin synteettiset polymeerit, joita saadaan kemiallisen synteesin tuloksena pienimolekyylisistä yhdisteistä. Suurimolekyylisten materiaalien valmistusmenetelmästä riippuen on polymeerejä, jotka syntyvät joko polykondensaatiolla tai additioreaktiolla.

Polymerointi

Tämä prosessi on pienmolekyylipainoisten komponenttien yhdistäminen suurimolekyylipainoisiksi komponenteiksi pitkien ketjujen tuottamiseksi. Polymerointitaso on "meerien" lukumäärä tietyn koostumuksen molekyyleissä. Useimmiten polymeerimateriaalit sisältävät tuhannesta kymmeneen tuhatta yksikköä. Polymeroimalla saadaan seuraavia yleisesti käytettyjä yhdisteitä: polyeteeni, polypropeeni, polyvinyylikloridi, polytetrafluorieteeni, polystyreeni, polybutadieeni jne.

Polykondensaatio

Tämä prosessi on vaiheittainen reaktio, joka koostuu joko suuren määrän samantyyppisiä monomeerejä tai eri ryhmien (A ja B) parin yhdistämisestä polykondensaattoreiksi (makromolekyyleiksi), jolloin muodostuu samanaikaisesti seuraavia sivutuotteita: hiili: dioksidi, kloorivety, ammoniakki, vesi jne. Polykondensaatiota käytettäessä saadaan silikoneja, polysulfoneja, polykarbonaatteja, aminomuveja, fenoplasteja, polyestereitä, polyamideja ja muita polymeerimateriaaleja.

Polyadditio

Tämä prosessi ymmärretään polymeerien muodostumisena tyydyttyneitä reaktioyhdisteitä sisältävien monomeerikomponenttien moninkertaisten additioreaktioiden seurauksena tyydyttymättömien ryhmien monomeereihin (aktiiviset renkaat tai kaksoissidokset). Toisin kuin polykondensaatio, polyadditioreaktio tapahtuu ilman sivutuotteiden vapautumista. Tämän tekniikan tärkein prosessi on polyuretaanien kovetus ja valmistus.

Polymeerien luokitus

Koostumuksensa perusteella kaikki polymeerimateriaalit jaetaan epäorgaanisiin, orgaanisiin ja organoelementteihin. Ensimmäinen niistä (kiille, asbesti, keramiikka jne.) ei sisällä atomihiiltä. Ne perustuvat alumiinin, magnesiumin, piin jne. oksideihin. Orgaaniset polymeerit muodostavat suurimman luokan ne sisältävät hiili-, vety-, typpi-, rikki-, halogeeni- ja happiatomeja. Orgovat yhdisteitä, joiden pääketjuissa on lueteltujen lisäksi piin, alumiinin, titaanin ja muiden alkuaineiden atomeja, jotka voivat yhdistyä orgaanisten radikaalien kanssa. Tällaisia ​​yhdistelmiä ei esiinny luonnossa. Nämä ovat yksinomaan synteettisiä polymeerejä. Tämän ryhmän tyypillisiä edustajia ovat organopiipohjaiset yhdisteet, joiden pääketju on rakennettu happi- ja piiatomeista.

Vaadittujen ominaisuuksien omaavien polymeerien saamiseksi tekniikka ei usein käytä "puhtaita" aineita, vaan niiden yhdistelmiä orgaanisten tai epäorgaanisten komponenttien kanssa. Hyvä esimerkki ovat polymeeriset rakennusmateriaalit: metalli-muovit, muovit, lasikuitu, polymeeribetoni.

Polymeerirakenne

Näiden materiaalien ainutlaatuiset ominaisuudet johtuvat niiden rakenteesta, joka puolestaan ​​on jaettu seuraaviin tyyppeihin: lineaarinen haarautunut, lineaarinen, tilallinen, jossa on suuria molekyyliryhmiä ja hyvin spesifisiä geometrisia rakenteita, sekä tikkaat. Katsotaanpa lyhyesti jokaista niistä.

Polymeerimateriaaleissa, joilla on lineaarisesti haarautunut rakenne, on molekyylien pääketjun lisäksi sivuhaaroja. Tällaisia ​​polymeerejä ovat polypropeeni ja polyisobuteeni.

Materiaaleissa, joissa on lineaarinen rakenne, on pitkät siksak- tai spiraaliketjut. Niiden makromolekyyleille on ensisijaisesti tunnusomaista osien toistot ketjun linkin tai kemiallisen yksikön yhdessä rakenneryhmässä. Lineaarisen rakenteen omaaville polymeereille on ominaista erittäin pitkien makromolekyylien läsnäolo, joilla on merkittävä ero ketjun ja niiden välisten sidosten luonteessa. Tämä viittaa molekyylien välisiin ja kemiallisiin sidoksiin. Tällaisten materiaalien makromolekyylit ovat hyvin joustavia. Ja tämä ominaisuus on polymeeriketjujen perusta, mikä johtaa laadullisesti uusiin ominaisuuksiin: korkea elastisuus sekä haurauden puuttuminen kovetetussa tilassa.

Otetaan nyt selvää, mitä ovat tilarakenteen omaavat polymeerimateriaalit. Kun makromolekyylit yhdistyvät keskenään, nämä aineet muodostavat vahvoja kemiallisia sidoksia poikittaissuunnassa. Tuloksena on verkkorakenne, jolla on epäyhtenäinen tai avaruudellinen verkon perusta. Tämän tyyppisillä polymeereillä on suurempi lämmönkestävyys ja jäykkyys kuin lineaarisilla. Nämä materiaalit ovat monien rakenteellisten ei-metallisten aineiden perusta.

Tikasrakenteisten polymeerimateriaalien molekyylit koostuvat ketjuparista, jotka on yhdistetty kemiallisella sidoksella. Näitä ovat organopiipolymeerit, joille on ominaista lisääntynyt jäykkyys, lämmönkestävyys, ja lisäksi ne eivät ole vuorovaikutuksessa orgaanisten liuottimien kanssa.

Polymeerien faasikoostumus

Nämä materiaalit ovat järjestelmiä, jotka koostuvat amorfisista ja kiteisistä alueista. Ensimmäinen niistä auttaa vähentämään jäykkyyttä ja tekee polymeeristä elastisen, eli kykenevän suuriin, palautuviin muodonmuutoksiin. Kiteinen faasi auttaa lisäämään niiden lujuutta, kovuutta, kimmomoduulia ja muita parametreja samalla, kun se vähentää aineen molekyylijoustavuutta. Kaikkien tällaisten alueiden tilavuuden suhdetta kokonaistilavuuteen kutsutaan kiteytysasteeksi, jossa polypropeeneilla, fluorimuoveilla ja suuritiheyksisille polyeteeneille on maksimitaso (jopa 80 %). Polyvinyylikloridien ja pientiheyksisten polyeteenien kiteytysaste on alhaisempi.

Riippuen siitä, kuinka polymeerimateriaalit käyttäytyvät kuumennettaessa, ne jaetaan yleensä lämpökovettuviin ja kestomuovisiin.

Lämpökovettuvia polymeerejä

Näillä materiaaleilla on pääasiassa lineaarinen rakenne. Kuumennettaessa ne pehmenevät, mutta niissä tapahtuvien kemiallisten reaktioiden seurauksena rakenne muuttuu avaruudelliseksi ja aine muuttuu kiinteäksi aineeksi. Jatkossa tämä laatu säilyy. Polymeerit on rakennettu tälle periaatteelle. Niiden myöhempi kuumennus ei pehmetä ainetta, vaan johtaa vain sen hajoamiseen. Valmis lämpökovettuva seos ei liukene tai sula, joten sen uudelleenkäsittelyä ei voida hyväksyä. Tämän tyyppiset materiaalit sisältävät epoksiorgaanisen piin, fenoliformaldehydin ja muut hartsit.

Termoplastiset polymeerit

Kuumennettaessa nämä materiaalit ensin pehmenevät ja sitten sulavat, ja myöhemmin jäähtyessään ne kovettuvat. Termoplastiset polymeerit eivät muutu kemiallisesti tämän käsittelyn aikana. Tämä tekee tästä prosessista täysin palautuvan. Tämän tyyppisillä aineilla on lineaarisesti haarautunut tai lineaarinen makromolekyylirakenne, jonka välillä on pieniä voimia eikä lainkaan kemiallisia sidoksia. Näitä ovat polyeteenit, polyamidit, polystyreenit jne. Termoplastisten polymeerimateriaalien teknologiaan kuuluu niiden valmistus ruiskuvalulla vesijäähdytteisissä muoteissa, puristamalla, suulakepuristamalla, puhalluksella ja muilla menetelmillä.

Kemialliset ominaisuudet

Polymeerit voivat olla seuraavissa olomuodoissa: kiinteä, nestemäinen, amorfinen, kiteinen faasi sekä erittäin elastinen, viskoosi ja lasimainen muodonmuutos. Polymeerimateriaalien laaja käyttö johtuu niiden korkeasta kestävyydestä erilaisia ​​aggressiivisia ympäristöjä, kuten väkeviä happoja ja emäksiä, vastaan. Niihin ei vaikuta. Lisäksi niiden molekyylipainon kasvaessa materiaalin liukoisuus orgaanisiin liuottimiin heikkenee. Eikä mainitut nesteet vaikuta lainkaan polymeereihin, joilla on spatiaalinen rakenne.

Fyysiset ominaisuudet

Useimmat polymeerit ovat dielektrisiä, lisäksi ne ovat ei-magneettisia materiaaleja. Kaikista käytetyistä rakennemateriaaleista vain niillä on alhaisin lämmönjohtavuus ja suurin lämpökapasiteetti sekä lämpökutistuvuus (noin kaksikymmentä kertaa enemmän kuin metalli). Syynä erilaisten tiivistysyksiköiden tiiviyden menetykseen matalissa lämpötiloissa on kumin ns. lasittuminen sekä metallien ja kumien jyrkkä ero lasitetussa tilassa.

Mekaaniset ominaisuudet

Polymeerimateriaaleilla on laaja valikoima mekaanisia ominaisuuksia, jotka riippuvat voimakkaasti niiden rakenteesta. Tämän parametrin lisäksi useat ulkoiset tekijät voivat vaikuttaa suuresti aineen mekaanisiin ominaisuuksiin. Näitä ovat: lämpötila, taajuus, kuormituksen kesto tai nopeus, jännitystilan tyyppi, paine, ympäristön luonne, lämpökäsittely jne. Polymeerimateriaalien mekaanisten ominaisuuksien piirre on niiden suhteellisen korkea lujuus ja erittäin alhainen jäykkyys (verrattuna). metalleille).

Polymeerit jaetaan yleensä koviin, joiden kimmomoduuli vastaa E = 1-10 MPa (kuidut, kalvot, muovit) ja pehmeisiin, erittäin elastisiin aineisiin, joiden kimmomoduuli vastaa E = 1-10 MPa ( kumi). Molempien tuhoutumismallit ja -mekanismit ovat erilaisia.

Polymeerimateriaaleille on ominaista ominaisuuksien selvä anisotropia sekä lujuuden väheneminen ja virumisen kehittyminen pitkäaikaisen kuormituksen olosuhteissa. Samalla niillä on melko korkea väsymiskestävyys. Metalleihin verrattuna niille on ominaista mekaanisten ominaisuuksien voimakkaampi riippuvuus lämpötilasta. Yksi polymeerimateriaalien pääominaisuuksista on muotoutuvuus (mukavuus). On tapana arvioida niiden toiminnalliset ja tekniset perusominaisuudet käyttämällä tätä parametria laajalla lämpötila-alueella.

Polymeeriset lattiamateriaalit

Tarkastellaan nyt yhtä polymeerien käytännön käytön vaihtoehdoista, joka paljastaa näiden materiaalien koko mahdollisen valikoiman. Näitä aineita käytetään laajalti rakentamisessa sekä korjaus- ja viimeistelytöissä, erityisesti lattianpäällysteissä. Valtava suosio selittyy kyseisten aineiden ominaisuuksilla: ne kestävät hankausta, niillä on alhainen lämmönjohtavuus, heikosti imeytyvät vettä, ovat melko kestäviä ja kovia ja niillä on korkeat maali- ja lakkaominaisuudet. Polymeerimateriaalien tuotanto voidaan jakaa kolmeen ryhmään: linoleumi (valssattu), laattatuotteet ja seokset saumattomien lattioiden luomiseen. Katsotaanpa nyt lyhyesti jokaista niistä.

Linoleumit valmistetaan erityyppisten täyteaineiden ja polymeerien pohjalta. Ne voivat sisältää myös pehmittimiä, prosessoinnin apuaineita ja pigmenttejä. Polymeerimateriaalin tyypistä riippuen on polyesteriä (glyftaali), polyvinyylikloridia, kumia, koloksiliinia ja muita pinnoitteita. Lisäksi ne jaetaan rakenteensa mukaan pohjattomiin ja ääntä ja lämpöä eristävällä pohjalla varustettuihin, yksi- ja monikerroksisiin, sileäpintaisiin, fleecy- ja aallotettuihin, sekä yksi- ja monivärisiin. .

Saumattomien lattioiden materiaalit ovat kätevimpiä ja hygieenisimpiä käyttää, ne ovat erittäin kestäviä. Nämä seokset jaetaan yleensä polymeerisementtiin, polymeeribetoniin ja polyvinyyliasetaattiin.

Polymeeri

Polymeeri- suurimolekyylinen yhdiste, aine, jonka molekyylipaino on suuri (useista tuhansista useisiin miljooniin), koostuu suuresta määrästä toistuvia atomiryhmiä, joilla on sama tai erilainen rakenne - ainesosia, jotka on liitetty toisiinsa kemiallisilla tai koordinaatiosidoksilla pitkiksi lineaariset (esimerkiksi selluloosa) tai haaroittuneet (esimerkiksi amylopektiini) ketjut sekä spatiaaliset kolmiulotteiset rakenteet.

Usein sen rakenteessa voidaan erottaa monomeeri - toistuva rakennefragmentti, joka sisältää useita atomeja. Polymeerit koostuvat suuresta määrästä saman rakenteen omaavia toistuvia ryhmiä (yksiköitä), kuten polyvinyylikloridi (-CH2-CHCl-) n, luonnonkumi jne. Suuren molekyylipainon yhdisteet, joiden molekyylit sisältävät useita erilaisia ​​toistuvia ryhmiä , kutsutaan kopolymeereiksi.

Polymeeri muodostuu monomeereistä polymerointi- tai polykondensaatioreaktioiden tuloksena. Polymeereihin kuuluu lukuisia luonnonyhdisteitä: proteiineja, nukleiinihappoja, polysakkarideja, kumia ja muita orgaanisia aineita. Useimmissa tapauksissa käsite viittaa orgaanisiin yhdisteisiin, mutta on myös monia epäorgaanisia polymeerejä. Suuri määrä polymeerejä saadaan synteettisesti perustuen yksinkertaisimpiin luonnollista alkuperää olevien alkuaineiden yhdisteisiin polymerointireaktioiden, polykondensaatioiden ja kemiallisten muunnosten kautta. Polymeerien nimet muodostetaan monomeerin nimestä etuliitteellä poly-: poly eteeni, poly propeeni, poly vinyyliasetaatti...

Arvokkaiden ominaisuuksiensa ansiosta polymeerejä käytetään koneenrakennuksessa, tekstiiliteollisuudessa, maataloudessa ja lääketieteessä, auto- ja laivanrakennuksessa sekä jokapäiväisessä elämässä (tekstiilit ja nahkatavarat, astiat, liimat ja lakat, korut ja muut tavarat). Kumit, kuidut, muovit, kalvot ja maalipinnoitteet valmistetaan suurimolekyylisistä yhdisteistä. Kaikki elävien organismien kudokset ovat suurimolekyylisiä yhdisteitä.

Polymeeritiede

Synteettiset polymeerit. Keinotekoiset polymeerimateriaalit

Ihminen on käyttänyt luonnollisia polymeerimateriaaleja elämässään pitkään. Näitä ovat nahka, turkis, villa, silkki, puuvilla jne., joita käytetään vaatteiden valmistukseen, erilaisia ​​sideaineita (sementti, kalkki, savi), jotka sopivalla käsittelyllä muodostavat kolmiulotteisia polymeerikappaleita, joita käytetään laajalti rakennusmateriaaleina . Ketjupolymeerien teollinen tuotanto alkoi kuitenkin 1900-luvun alussa, vaikka edellytykset siihen luotiin jo aiemmin.

Lähes välittömästi polymeerien teollinen tuotanto kehittyi kahteen suuntaan - prosessoimalla luonnollisia orgaanisia polymeerejä keinotekoisiksi polymeerimateriaaleiksi ja valmistamalla synteettisiä polymeerejä orgaanisista pienimolekyylisistä yhdisteistä.

Ensimmäisessä tapauksessa suurtuotanto perustuu selluloosaan. Ensimmäinen polymeerimateriaali fysikaalisesti muunnetusta selluloosasta – selluloosa – saatiin 1900-luvun alussa. Selluloosaeettereiden ja -estereiden laajamittainen tuotanto aloitettiin ennen toista maailmansotaa ja sen jälkeen, ja se jatkuu tähän päivään asti. Niiden pohjalta valmistetaan kalvoja, kuituja, maaleja ja lakkoja sekä sakeutusaineita. On huomattava, että elokuvan ja valokuvauksen kehitys oli mahdollista vain läpinäkyvän nitroselluloosakalvon tulon ansiosta.

Synteettisten polymeerien tuotanto alkoi vuonna 1906, kun L. Baekeland patentoi ns. bakeliittihartsin - fenolin ja formaldehydin kondensaatiotuotteen, joka kuumennettaessa muuttuu kolmiulotteiseksi polymeeriksi. Sitä on vuosikymmeniä käytetty sähkölaitteiden, akkujen, televisioiden, pistorasioiden jne. koteloiden valmistukseen, ja nykyään sitä käytetään useammin sideaineena ja liimana.

Polymeerien luokitus

Kemiallisen koostumuksensa perusteella kaikki polymeerit jaetaan orgaanisiin, organoelementteihin ja epäorgaanisiin.

• Orgaaniset polymeerit. Muodostunut orgaanisten radikaalien (CH3, C6H5, CH2) osallistuessa. Nämä ovat hartseja ja kumia.
• Organoelementtipolymeerit. Ne sisältävät orgaanisten radikaalien pääketjussa epäorgaanisia atomeja (Si, Ti, Al), jotka yhdistyvät orgaanisten radikaalien kanssa. Niitä ei ole luonnossa. Keinotekoisesti saatu edustaja ovat organopiiyhdisteet.
• Epäorgaaniset polymeerit. Ne perustuvat Si:n, Al:n, Mg:n, Ca:n jne. oksideihin. Hiilivetyrunkoa ei ole. Näitä ovat keramiikka, kiille, asbesti.

On huomattava, että teknisissä materiaaleissa käytetään usein yksittäisten polymeeriryhmien yhdistelmiä. Nämä ovat komposiittimateriaaleja (esimerkiksi lasikuitua).

Makromolekyylien muodon perusteella polymeerit jaetaan lineaarisiin, haarautuneisiin, nauhallisiin, spatiaalisiin ja litteisiin.

Faasikoostumuksensa perusteella polymeerit jaetaan amorfisiin ja kiteisiin.

Amorfiset polymeerit ovat yksifaasisia ja rakennettu pakkauksiin kerätyistä ketjumolekyyleistä. Pakkaukset voivat liikkua suhteessa muihin elementteihin.

Kiteiset polymeerit muodostuvat, kun niiden makromolekyylit ovat riittävän joustavia ja muodostavat rakenteen.

Polaaisuuden perusteella polymeerit jaetaan polaarisiin ja ei-polaarisiin. Napaisuuden määrää niiden koostumuksessa olevien dipolien läsnäolo - molekyylit, joilla on eristetty positiivisten ja negatiivisten varausten jakautuminen. Ei-polaarisissa polymeereissä atomisidosten dipolimomentit kompensoidaan keskenään.

Lämmön suhteen polymeerit jaetaan termoplastisiin ja lämpökovettuviin.

Luonnolliset orgaaniset polymeerit

Luonnollisia orgaanisia polymeerejä muodostuu kasvi- ja eläinorganismeissa. Tärkeimmät niistä ovat polysakkaridit, proteiinit ja nukleiinihapot, joista kasvien ja eläinten kehot suurelta osin koostuvat ja jotka varmistavat elämän toiminnan maapallolla. Uskotaan, että ratkaiseva vaihe elämän syntymisessä maapallolla oli monimutkaisempien, korkeamolekyylisten molekyylien muodostuminen yksinkertaisista orgaanisista molekyyleistä.

Polymeerien ominaisuudet

Erityiset mekaaniset ominaisuudet:

• elastisuus - kyky suorittaa suuria palautuvia muodonmuutoksia suhteellisen pienellä kuormituksella (kumit);
• lasimaisten ja kiteisten polymeerien (muovit, orgaaninen lasi) alhainen hauraus;
• makromolekyylien kyky orientoitua suunnatun mekaanisen kentän vaikutuksesta (käytetään kuitujen ja kalvojen valmistuksessa).

Polymeeriliuosten ominaisuudet:

• korkea liuoksen viskositeetti alhaisella polymeeripitoisuudella;
• Polymeerin liukeneminen tapahtuu turpoamisvaiheen kautta.

Erityiset kemialliset ominaisuudet:

• kyky muuttaa dramaattisesti sen fysikaalisia ja mekaanisia ominaisuuksia pienten reagenssimäärien vaikutuksesta (kumin vulkanointi, nahan parkitus jne.).

Polymeerien erityisominaisuudet eivät selity pelkästään niiden suurella molekyylipainolla, vaan myös sillä, että makromolekyyleillä on ketjurakenne ja niillä on ainutlaatuinen ominaisuus elottomaan luontoon - joustavuus.

Jos makromolekyylien välinen yhteys suoritetaan käyttämällä heikkoja van der Waalsin voimia, niitä kutsutaan kestomuoveiksi, jos kemiallisten sidosten kautta - kertamuoviksi. Lineaarisia polymeerejä ovat esimerkiksi selluloosa, haaroittuneet polymeerit, esimerkiksi amylopektiini, ja on polymeerejä, joilla on monimutkaiset spatiaaliset kolmiulotteiset rakenteet.

Polymeerin rakenteessa voidaan erottaa monomeeriyksikkö - toistuva rakennefragmentti, joka sisältää useita atomeja. Polymeerit koostuvat suuresta määrästä saman rakenteen omaavia toistuvia ryhmiä (yksiköitä), esimerkiksi polyvinyylikloridi (-CH 2 -CHCl-) n, luonnonkumi jne. Suurimolekyylipainoisia yhdisteitä, joiden molekyylit sisältävät useita erilaisia toistuvia ryhmiä kutsutaan kopolymeereiksi tai heteropolymeereiksi.

Polymeeri muodostuu monomeereistä polymerointi- tai polykondensaatioreaktioiden tuloksena. Polymeereihin kuuluu lukuisia luonnonyhdisteitä: proteiineja, nukleiinihappoja, polysakkarideja, kumia ja muita orgaanisia aineita. Useimmissa tapauksissa käsite viittaa orgaanisiin yhdisteisiin, mutta on myös monia epäorgaanisia polymeerejä. Suuri määrä polymeerejä saadaan synteettisesti perustuen yksinkertaisimpiin luonnollista alkuperää olevien alkuaineiden yhdisteisiin polymerointireaktioiden, polykondensaatioiden ja kemiallisten muunnosten kautta. Polymeerien nimet muodostetaan monomeerin nimestä etuliitteellä poly-: poly eteeni, poly propeeni, poly vinyyliasetaatti jne.

Erikoisuudet

Erityiset mekaaniset ominaisuudet

• elastisuus - kyky suorittaa suuria palautuvia muodonmuutoksia suhteellisen pienellä kuormituksella (kumit);
• lasimaisten ja kiteisten polymeerien (muovit, orgaaninen lasi) alhainen hauraus;
• makromolekyylien kyky orientoitua suunnatun mekaanisen kentän vaikutuksesta (käytetään kuitujen ja kalvojen valmistuksessa).

Polymeeriliuosten ominaisuudet:

• korkea liuoksen viskositeetti alhaisella polymeeripitoisuudella;
• Polymeerin liukeneminen tapahtuu turpoamisvaiheen kautta.

Erityiset kemialliset ominaisuudet:

• kyky muuttaa dramaattisesti sen fysikaalisia ja mekaanisia ominaisuuksia pienten reagenssimäärien vaikutuksesta (kumin vulkanointi, nahan parkitus jne.).

Polymeerien erityisominaisuudet eivät selity pelkästään niiden suurella molekyylipainolla, vaan myös sillä, että makromolekyyleillä on ketjurakenne ja ne ovat joustavia.

Kopolymeerit

Polymeereja, jotka on valmistettu erilaisista monomeereistä tai eri polymeerien kemiallisesti sitoutuneista molekyyleistä, kutsutaan kopolymeereiksi. Esimerkiksi iskunkestävä polystyreeni on polystyreeni-polybutadieeni-kopolymeeri.

Kopolymeerit eroavat rakenteeltaan, valmistustekniikalta ja tuloksena olevilta ominaisuuksiltaan. Vuodelle 2014 luodut tekniikat:

• satunnaiset kopolymeerit, jotka muodostuvat ketjuista, jotka sisältävät erilaisia ​​kemiallisia ryhmiä, saadaan polymeroimalla useiden alkumonomeerien seosta;
• vuorotteleville kopolymeereille on tunnusomaista ketjut, joissa eri monomeerien radikaalit vuorottelevat;
• oksaskopolymeerejä muodostetaan kiinnittämällä toisen monomeerin molekyylien ketjuja päämonomeerista muodostuneiden makromolekyylien puolelle;
• kampakopolymeerit ovat oksaskopolymeerejä, joissa on erittäin pitkät sivuketjut;
• lohkokopolymeerit rakennetaan yhden monomeerin melko pitkistä ketjuista (lohkoista), jotka on liitetty päistään toisen monomeerin melko pitkiin ketjuihin.

Kopolymeerien ominaisuudet

Kampamaiset kopolymeerit voivat koostua materiaaleista, joilla on erilaisia ​​ominaisuuksia, mikä antaa tällaiselle kopolymeerille pohjimmiltaan uusia ominaisuuksia, esimerkiksi nestekiteisiä.

Eriominaisuuksista komponenteista koostuvissa lohkokopolymeereissä syntyy superhiloja, jotka rakennetaan eri faasiin erotetuista kemiallisista eri lohkoista. Lohkojen koot riippuvat lähtömonomeerien suhteesta. Siten hauraan polystyreenin vetolujuus lisätään jopa 40 % kopolymeroimalla 5-10 % polybutadieenin kanssa, jolloin saadaan iskunkestävää polystyreeniä, ja 19 % polystyreeniä polybutadieenissä materiaalilla on kumimainen käyttäytyminen.

Luokittelu

Kemiallisen koostumuksensa mukaan kaikki polymeerit jaetaan Luomu, organoelementti, epäorgaaninen.

• Orgaaniset polymeerit.
• Organoelementtipolymeerit. Ne sisältävät orgaanisten radikaalien pääketjussa epäorgaanisia atomeja (Si, Ti, Al), jotka yhdistyvät orgaanisten radikaalien kanssa. Niitä ei ole luonnossa. Keinotekoisesti saatu edustaja ovat organopiiyhdisteet.
• Epäorgaaniset polymeerit. Ne eivät sisällä C-C-sidoksia toistuvassa yksikössä, mutta pystyvät sisältämään orgaanisia radikaaleja sivusubstituentteina.

On huomattava, että tekniikassa polymeerejä käytetään usein komposiittimateriaalien, esimerkiksi lasikuidun, komponentteina. Komposiittimateriaalit ovat mahdollisia, joiden kaikki komponentit ovat polymeerejä (joilla on erilaisia ​​koostumuksia ja ominaisuuksia).

Makromolekyylien muodon perusteella polymeerit jaetaan lineaarisiin, haarautuneisiin (erityistapaus on tähden muotoinen), nauhaan, litteään, kampamuotoiseen, polymeeriverkkoon ja niin edelleen.

Polymeerit luokitellaan napaisuuden mukaan (vaikuttaa liukoisuuteen eri nesteisiin). Polymeeriyksiköiden polariteetti määräytyy dipolien - molekyylien, joilla on eristetty positiivisten ja negatiivisten varausten jakautuminen - läsnäolo niiden koostumuksessa. Ei-polaarisissa yksiköissä atomisidosten dipolimomentit kompensoidaan keskenään. Polymeereja, joiden yksiköillä on merkittävä polariteetti, kutsutaan hydrofiilinen tai napainen. Polymeerit, joissa on ei-polaarisia yksiköitä - ei-polaarinen, hydrofobinen. Polymeereja, jotka sisältävät sekä polaarisia että ei-polaarisia yksiköitä, kutsutaan amfifiilinen. Homopolymeerejä, joiden jokainen yksikkö sisältää sekä polaarisia että ei-polaarisia suuria ryhmiä, ehdotetaan kutsuttavaksi amfifiiliset homopolymeerit.

Lämmityksen suhteen polymeerit jaetaan termoplastinen Ja lämpökovettuva. Termoplastinen polymeerit (polyeteeni, polypropeeni, polystyreeni) pehmenevät kuumennettaessa, jopa sulavat ja kovettuvat jäähtyessään. Tämä prosessi on palautuva. Termosetti Kuumennettaessa polymeerit tuhoutuvat peruuttamattomasti kemiallisesti sulamatta. Lämpökovettuvien polymeerien molekyyleillä on epälineaarinen rakenne, joka on saatu silloittamalla (esimerkiksi vulkanoimalla) ketjupolymeerimolekyylejä. Lämpökovettuvien polymeerien elastisuusominaisuudet ovat korkeammat kuin kestomuovilla, mutta lämpökovettuvilla polymeereillä ei ole käytännössä lainkaan juoksevuutta, minkä seurauksena niillä on pienempi murtumisjännitys.

Luonnollisia orgaanisia polymeerejä muodostuu kasvi- ja eläinorganismeissa. Tärkeimmät niistä ovat polysakkaridit, proteiinit ja nukleiinihapot, joista kasvien ja eläinten kehot suurelta osin koostuvat ja jotka varmistavat elämän toiminnan maapallolla. Uskotaan, että ratkaiseva vaihe elämän syntymisessä maapallolle oli monimutkaisempien, suurimolekyylisten molekyylien muodostuminen yksinkertaisista orgaanisista molekyyleistä (katso Kemiallinen evoluutio).

Tyypit

Synteettiset polymeerit. Keinotekoiset polymeerimateriaalit

Ihminen on käyttänyt luonnollisia polymeerimateriaaleja elämässään pitkään. Näitä ovat nahka, turkis, villa, silkki, puuvilla jne., joita käytetään vaatteiden valmistukseen, erilaisia ​​sideaineita (sementti, kalkki, savi), jotka sopivalla käsittelyllä muodostavat kolmiulotteisia polymeerikappaleita, joita käytetään laajalti rakennusmateriaaleina . Ketjupolymeerien teollinen tuotanto aloitettiin kuitenkin 1900-luvun alussa, vaikka edellytykset sille ilmenivät jo aikaisemmin.

Lähes välittömästi polymeerien teollinen tuotanto kehittyi kahteen suuntaan - prosessoimalla luonnollisia orgaanisia polymeerejä keinotekoisiksi polymeerimateriaaleiksi ja valmistamalla synteettisiä polymeerejä orgaanisista pienimolekyylisistä yhdisteistä.

Ensimmäisessä tapauksessa suurtuotanto perustuu selluloosaan. Ensimmäinen polymeerimateriaali fyysisesti muunnetusta selluloosasta - selluloosa - saatiin 1800-luvun puolivälissä. Selluloosaeettereiden ja -estereiden laajamittainen tuotanto aloitettiin ennen toista maailmansotaa ja sen jälkeen, ja se jatkuu tähän päivään asti. Niiden pohjalta valmistetaan kalvoja, kuituja, maaleja ja lakkoja sekä sakeutusaineita. On huomattava, että elokuvan ja valokuvauksen kehitys oli mahdollista vain läpinäkyvän nitroselluloosakalvon tulon ansiosta.

Synteettisten polymeerien tuotanto alkoi vuonna 1906, kun Leo Baekeland patentoi ns. bakeliittihartsin - fenolin ja formaldehydin kondensaatiotuotteen, joka kuumennettaessa muuttuu kolmiulotteiseksi polymeeriksi. Sitä on vuosikymmeniä käytetty sähkölaitteiden, akkujen, televisioiden, pistorasioiden jne. koteloiden valmistukseen, ja nykyään sitä käytetään useammin sideaineena ja liimana.

Luettelon täydentävät 1900-luvun 60-70-luvuilla syntetisoidut niin sanotut ainutlaatuiset polymeerit. Näitä ovat aromaattiset polyamidit, polyimidit, polyesterit, polyeetteriketonit jne.; Näiden polymeerien välttämätön ominaisuus on aromaattisten renkaiden ja (tai) aromaattisten kondensoituneiden rakenteiden läsnäolo. Niille on ominaista erinomaisen lujuuden ja lämmönkestävyyden yhdistelmä.

Palonkestävät polymeerit

Monet polymeerit, kuten polyuretaanit, polyesterit ja epoksihartsit, ovat alttiita syttymiselle, mikä on usein mahdotonta hyväksyä käytännön sovelluksissa. Tämän estämiseksi käytetään erilaisia ​​lisäaineita tai halogenoituja polymeerejä. Halogenoituja tyydyttymättömiä polymeerejä syntetisoidaan kondensoimalla kloorattuja tai bromattuja monomeerejä, kuten heksaklorend(CHEMTPA), dibromiopentyyliglykolia tai tetrabromiftaalihappoa. Tällaisten polymeerien suurin haitta on, että palaessaan ne voivat vapauttaa korroosiota aiheuttavia kaasuja, joilla voi olla haitallinen vaikutus lähellä olevaan elektroniikkaan.

Alumiinihydroksidin vaikutus perustuu siihen, että korkeassa lämpötilassa vapautuu vettä, joka estää palamisen. Vaikutuksen saavuttamiseksi on tarpeen lisätä suuria määriä alumiinihydroksidia: 4 paino-osaa yhteen osaan tyydyttymättömiä polyesterihartseja.

Ammoniumpyrofosfaatti toimii eri periaatteella: se aiheuttaa hiiltymistä, joka yhdessä lasimaisen pyrofosfaattikerroksen kanssa eristää muovin hapelta ja estää tulen leviämistä.