Polymermaterialer: teknologi, typer, produksjon og bruk

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 10:37

Polymeriske materialer er kjemiske høymolekylære forbindelser som består av mange småmolekylære monomerer (enheter) med samme struktur. Ofte brukes følgende monomere komponenter til fremstilling av polymerer: etylen, vinylklorid, vinyldeklorid, vinylacetat, propylen, metylmetakrylat, tetrafluoretylen, styren, urea, melamin, formaldehyd, fenol. I denne artikkelen vil vi vurdere i detalj hva polymere materialer er, hva er deres kjemiske og fysiske egenskaper, klassifisering og typer.

Typer polymerer

Et trekk ved molekylene i dette materialet er en stor molekylvekt, som tilsvarer følgende verdi: М>5103. Forbindelser med et lavere nivå av denne parameteren (M=500-5000) kalles oligomerer. I lavmolekylære forbindelser er massen mindre enn 500. Følgende typer polymermaterialer skilles ut: syntetiske og naturlige. Sistnevnte inkluderer naturgummi, glimmer, ull, asbest, cellulose, etc. Hovedplassen er imidlertid okkupert av syntetiske polymerer, som oppnås som et resultat av en kjemisk synteseprosess fra forbindelser med lav molekylvekt. avhengig avfra metoden for fremstilling av høymolekylære materialer, skilles polymerer, som er skapt enten ved polykondensasjon eller ved en addisjonsreaksjon.

Polymerization

Denne prosessen er en kombinasjon av komponenter med lav molekylvekt til høy molekylvekt for å oppnå lange kjeder. Polymerisasjonsnivået er antall "merer" i molekylene i en gitt sammensetning. Oftest inneholder polymermaterialer fra tusen til ti tusen av deres enheter. Følgende vanlig brukte forbindelser oppnås ved polymerisering: polyetylen, polypropylen, polyvinylklorid, polytetrafluoretylen, polystyren, polybutadien, etc.

Polykondensering

Denne prosessen er en trinnvis reaksjon, som består i å kombinere enten et stort antall monomerer av samme type, eller et par forskjellige grupper (A og B) til polykondensatorer (makromolekyler) med samtidig dannelse av følgende biprodukter: metylalkohol, karbondioksid, hydrogenklorid, ammoniakk, vann osv. Polykondensering produserer silikoner, polysulfoner, polykarbonater, aminoplast, fenolplast, polyestere, polyamider og andre polymere materialer.

Polyaddition

Denne prosessen forstås som dannelsen av polymerer som et resultat av reaksjoner med multippel tilsetning av monomere komponenter som inneholder begrensende reaksjonskombinasjoner til monomerer av umettede grupper (aktive sykluser eller dobbeltbindinger). I motsetning til polykondensasjon, fortsetter polyaddisjonsreaksjonen uten noen biprodukter. Den viktigste prosessen med denne teknologien er herding av epoksyharpikser og produksjon av polyuretaner.

Klassifisering av polymerer

Sammensetningen av alle polymere materialer er delt inn i uorganisk, organisk og organoelement. Den første av dem (silikatglass, glimmer, asbest, keramikk, etc.) inneholder ikke atomært karbon. De er basert på oksider av aluminium, magnesium, silisium osv. Organiske polymerer utgjør den mest omfattende klassen, de inneholder karbon, hydrogen, nitrogen, svovel, halogen og oksygenatomer. Organoelement polymere materialer er forbindelser som i hovedkjedene har, i tillegg til de oppførte, atomer av silisium, aluminium, titan og andre grunnstoffer som kan kombineres med organiske radikaler. Slike kombinasjoner forekommer ikke i naturen. Disse er utelukkende syntetiske polymerer. Karakteristiske representanter for denne gruppen er organosisiumbaserte forbindelser, hvis hovedkjede er bygget opp av oksygen- og silisiumatomer.

For å oppnå polymerer med de nødvendige egenskapene, bruker teknologien ofte ikke "rene" stoffer, men deres kombinasjoner med organiske eller uorganiske komponenter. Et godt eksempel er polymere byggematerialer: metall-plast, plast, glassfiber, polymerbetong.

Struktur av polymerer

Det særegne ved egenskapene til disse materialene skyldes deres struktur, som igjen er delt inn i følgende typer: lineært forgrenet, lineært, romligmed store molekylære grupper og svært spesifikke geometriske strukturer, samt trapp. La oss kort vurdere hver av dem.

Polymere materialer med lineært forgrenet struktur, i tillegg til hovedkjeden av molekyler, har sidegrener. Disse polymerene inkluderer polypropylen og polyisobutylen.

Materialer med lineær struktur har lange sikksakk- eller spiralkjeder. Makromolekylene deres er primært preget av repetisjoner av steder i en strukturell gruppe av en lenke eller kjemisk enhet i kjeden. Polymerer med en lineær struktur utmerker seg ved tilstedeværelsen av veldig lange makromolekyler med en betydelig forskjell i arten av bindinger langs kjeden og mellom dem. Dette refererer til intermolekylære og kjemiske bindinger. Makromolekylene til slike materialer er svært fleksible. Og denne egenskapen er grunnlaget for polymerkjeder, noe som fører til kvalitativt nye egenskaper: høy elastisitet, samt fravær av sprøhet i herdet tilstand.

Og la oss nå finne ut hva som er polymermaterialer med romlig struktur. Disse stoffene danner, når makromolekyler kombineres med hverandre, sterke kjemiske bindinger i tverrretningen. Som et resultat oppnås en maskestruktur som har en ujevn eller romlig basis av nettet. Polymerer av denne typen har større varmebestandighet og stivhet enn lineære. Disse materialene er grunnlaget for mange strukturelle ikke-metalliske stoffer.

Molekyler av polymermaterialer med stigestruktur består av et par kjeder som er forbundet med en kjemisk binding. Disse inkludererorganiske silisiumpolymerer, som er karakterisert ved økt stivhet, varmebestandighet, i tillegg interagerer de ikke med organiske løsningsmidler.

Fasesammensetning av polymerer

Disse materialene er systemer som består av amorfe og krystallinske områder. Den første av dem bidrar til å redusere stivheten, gjør polymeren elastisk, det vil si i stand til store reversible deformasjoner. Den krystallinske fasen bidrar til å øke deres styrke, hardhet, elastisitetsmodul og andre parametere, samtidig som den reduserer den molekylære fleksibiliteten til stoffet. Forholdet mellom volumet av alle slike områder og det totale volumet kalles krystalliseringsgraden, der det maksimale nivået (opptil 80%) har polypropylener, fluoroplaster, polyetylener med høy tetthet. Polyvinylklorider, polyetylener med lav tetthet har lavere krystalliseringsgrad.

Avhengig av hvordan polymermaterialer oppfører seg når de varmes opp, deles de vanligvis inn i herdeplast og termoplast.

Termoherdende polymerer

Disse materialene har primært en lineær struktur. Når de varmes opp, mykner de, men som et resultat av kjemiske reaksjoner som oppstår i dem, endres strukturen til en romlig struktur, og stoffet blir til et fast stoff. I fremtiden opprettholdes denne kvaliteten. Polymer komposittmaterialer er bygget på dette prinsippet. Deres påfølgende oppvarming myker ikke stoffet, men fører bare til nedbrytning. Den ferdige herdede blandingen løses ikke opp eller smelter derfordet er ikke tillatt å resirkulere det. Denne typen materiale inkluderer epoksysilikon, fenol-formaldehyd og andre harpikser.

Termoplastiske polymerer

Disse materialene, når de varmes opp, mykner først og smelter deretter, og stivner deretter når de avkjøles. Termoplastiske polymerer gjennomgår ikke kjemiske endringer under denne behandlingen. Dette gjør prosessen fullstendig reversibel. Stoffer av denne typen har en lineært forgrenet eller lineær struktur av makromolekyler, mellom hvilke små krefter virker og det er absolutt ingen kjemiske bindinger. Disse inkluderer polyetylener, polyamider, polystyrener osv. Teknologien for polymermaterialer av termoplasttype sørger for produksjon ved sprøytestøping i vannkjølte former, pressing, ekstrudering, blåsing og andre metoder.

Kjemiske egenskaper

Polymerer kan være i følgende tilstander: fast, flytende, amorf, krystallinsk fase, samt svært elastisk, viskøs og glassaktig deformasjon. Den utbredte bruken av polymere materialer skyldes deres høye motstand mot ulike aggressive medier, som konsentrerte syrer og alkalier. De er ikke utsatt for elektrokjemisk korrosjon. I tillegg, med en økning i deres molekylvekt, reduseres løseligheten av materialet i organiske løsningsmidler. Og polymerer, som har en tredimensjonal struktur, påvirkes generelt ikke av de nevnte væskene.

Fysiske egenskaper

De fleste polymerer er isolatorer, i tillegg er de ikke-magnetiske materialer. Av alle de strukturelle materialene som brukes, er det bare de som har den laveste varmeledningsevnen og den høyeste varmekapasiteten, samt termisk krymping (omtrent tjue ganger mer enn metall). Årsaken til tapet av tetthet til forskjellige tetningssammenstillinger under lave temperaturforhold er den såk alte glassovergangen av gummi, samt den skarpe forskjellen mellom ekspansjonskoeffisienten til metaller og gummier i forglasset tilstand.

Mekaniske egenskaper

Polymere materialer har et bredt spekter av mekaniske egenskaper, som er svært avhengig av deres struktur. I tillegg til denne parameteren kan ulike eksterne faktorer ha stor innflytelse på de mekaniske egenskapene til et stoff. Disse inkluderer: temperatur, frekvens, varighet eller belastningshastighet, type spenningstilstand, trykk, miljøets natur, varmebehandling osv. Et trekk ved de mekaniske egenskapene til polymermaterialer er deres relativt høye styrke ved svært lav stivhet (sammenlignet med til metaller).

Polymerer deles vanligvis inn i solide, hvis elastisitetsmodul tilsvarer E=1–10 GPa (fibre, filmer, plast), og myke høyelastiske stoffer, hvis elastisitetsmodul er E=1– 10 MPa (gummi). Mønstrene og mekanismen for ødeleggelse av begge er forskjellige.

Polymeriske materialer er preget av en utt alt anisotropi av egenskaper, samt en reduksjon i styrke, utvikling av kryp under langvarig belastning. Sammen med dettehar relativt høy utmattelsesmotstand. Sammenlignet med metaller skiller de seg i en skarpere avhengighet av mekaniske egenskaper på temperatur. En av hovedegenskapene til polymermaterialer er deformerbarhet (føyelighet). I henhold til denne parameteren, i et bredt temperaturområde, er det vanlig å evaluere deres viktigste operasjonelle og teknologiske egenskaper.

Polymergulvmaterialer

La oss nå vurdere et av alternativene for praktisk anvendelse av polymerer, og avsløre hele spekteret av disse materialene. Disse stoffene er mye brukt i konstruksjon og reparasjon og etterbehandling, spesielt i gulvbelegg. Den enorme populariteten forklares av egenskapene til de aktuelle stoffene: de er motstandsdyktige mot slitasje, har lav varmeledningsevne, har liten vannabsorpsjon, er ganske sterke og harde, og har høye malings- og lakkkvaliteter. Produksjonen av polymermaterialer kan betinget deles inn i tre grupper: linoleum (rullet), flisprodukter og blandinger for installasjon av sømløse gulv. La oss ta en rask titt på hver enkelt nå.

Linoleum er laget på grunnlag av forskjellige typer fyllstoffer og polymerer. De kan også inkludere myknere, prosesshjelpemidler og pigmenter. Avhengig av typen polymermateriale skilles polyester (glyftalsyre), polyvinylklorid, gummi, kolloksylin og andre belegg ut. I tillegg, i henhold til strukturen, er de delt inn i grunnløse og med en lyd- og varmeisolerende base, ettlags og flerlags, med en jevn, fleecyog korrugert overflate, samt enkelt- og flerfarget.

Flislagte materialer laget på basis av polymerkomponenter har svært lav slitasje, kjemisk motstandsdyktighet og holdbarhet. Avhengig av type råmateriale deles denne typen polymerprodukter inn i kumaron-polyvinylklorid, kumaron, polyvinylklorid, gummi, fenolitt, bituminøse fliser, samt sponplater og fiberplater.

Materialer for sømløse gulv er de mest praktiske og hygieniske å bruke, de har høy styrke. Disse blandingene deles vanligvis inn i polymersement, polymerbetong og polyvinylacetat.