Строение и свойства полимеров кратко

Обновлено: 06.07.2024

Характерными особенностями молекул полимеров являются их большая молекулярная масса и размеры. В зависимости от формы и строения макромолекул полимеры могут быть линейными, разветвленными, сетчатыми (рис. 9.1). Звенья цепных макромолекул по составу могут быть полностью идентичны или разные.

Особенностью цепных молекул является их гибкость, которая обусловлена устойчивостью молекулы при поворотах отдельных частей (звеньев) молекулы относительно валентных связей, благодаря чему возможен переход молекулы из одной конформации (формы) в другую без разрушения связей между звеньями молекулы. Эта возможность реализуется благодаря специфическому характеру связей между частицами в полимерном теле. Между звеньями макромолекул и между атомами в звеньях имеет место ковалентный характер связи.

Связь между макромолекулами в жидком или твердом полимере в большинстве случаев имеет полярный характер и осуществляется слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Возможны и другие виды связи. Однако во всех случаях характерные свойства полимеров реализуются только тогда, когда силы межмолекулярного взаимодействия остаются значительно меньше сил внутримолекулярного взаимодействия.

При оценке свойств полимерного материала необходимо учитывать две структурные единицы:

а) цепную макромолекулу,

б) звенья, из которых она построена.

Особенностью полимера является то, что эти единицы выступают в известной степени независимо друг от друга. Это является характерным только для полимерного материала и обусловливает возникновение своеобразного комплекса свойств этих материалов.

Значительное влияние на свойства полимерного материала оказывает степень упорядоченности цепных макромолекул в конденсированной фазе. В расплавленном состоянии цепные макромолекулы всегда более упорядочены, чем молекулы низкомолекулярной жидкости. Степень порядка в упорядоченном полимере (в ориентированном или закристаллизованном состоянии) всегда меньше, чем в кристалле соответст

вующего низкомолекулярного вещества, в связи с трудностью правильной упаковки в кристаллическую решетку громоздких цепных макромолекул.

Ввиду малой подвижности макромолекул полимеры можно весьма легко переохладить до нормальной температуры без их кристаллизации. В этом случае они переходят в стеклообразное состояние.

Релаксационными называются процессы перехода системы из неравновесного в равновесное состояние, они протекают во времени при воздействии на систему силового поля. Большие размеры и гибкость макромолекул, в первую очередь, оказывают чрезвычайно большое влияние на релаксационные процессы в полимерном материале.

За характеристику полимерного тела, находящегося под нагрузкой, принимают величину деформации, развивающуюся при данной температуре за определенное время и при заданном значении деформирующего напряжения.

График изменения деформации полимеров в зависимости от температуры при отмеченных условиях нагружения называется термомеханической кривой. На рис.

9.2, а приведена термомеханическая кривая, характерная для некристаллических (аморфных) полимерных материалов. На рис. 9.2, б показано изменение модуля упругости для таких полимеров от изменения температуры.

Температуры Т_с и Т_т разделяют кривую на три части.

1. При Т Т_с (рис. 9.2) происходит в условиях, когда подвижностью обладают звенья и сегменты молекул. Под действием напряжений, кроме упругой деформации, происходит выпрямление участков-сегментов макромолекул без того, чтобы молекула в целом переместилась в новое положение. Достигаемые деформации в этих условиях могут быть очень велики. Устранение деформирующей силы приводит к обратному скручиванию молекул и восстановлению размеров тела. Это происходит со скоростью, которая определяется временем релаксации этого процесса при данных условиях. Время релаксации этих процессов может быть весьма большое.

Поведение линейного полимерного тела в таких условиях соответствует высокоэластичному состоянию полимера (см. рис. 9.2, а, состояние с).

3. Деформация, когда Т > Т_т (рис. 9.2, а), происходит в условиях подвижного состояния целых макромолекул. Под нагрузкой макромолекулы перемещаются друг относительно друга. За счет этого достигается остаточная деформация, которая остается после устранения действующей нагрузки.

Поведение полимера в этих условиях соответствует вязко-текучему состоянию (см. рис. 9.2, а, состояние d).

Температуры Т_с и Т_т являются важными характеристиками линейных полимеров. Каждому из этих состояний соответствует область технического применения полимеров: производство волокон, конструкционных деталей требует полимеров в стеклообразном состоянии; резиновая промышленность – полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии в возможно более широком интервале температур. Все процессы переработки полимеров требуют перевода их в текучее состояние, достигаемое либо повышением температуры, либо переводом полимера в раствор.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Многих интересует вопрос, какое строение у полимеров. Ответ на него будет дан в этой статье. Свойства полимера (далее - П) в целом делятся на несколько классов в зависимости от масштаба, в котором определяется свойство, а также от его физической основы. Самым основным качеством этих веществ является идентичность составляющих его мономеров (М). Второй набор свойств, известный как микроструктура, по существу обозначает расположение этих М в П в масштабе одной Ц. Эти основные структурные характеристики играют главную роль в определении объемных физических свойств этих веществ, которые показывают, как П ведет себя в качестве макроскопического материала. Химические свойства в наномасштабе описывают, как цепи взаимодействуют через различные физические силы. В макромасштабе они показывают, как основной П взаимодействует с другими химическими веществами и растворителями.

Вам будет интересно: Какова твердость соли по шкале твердости Мооса?

Идентичность

Идентичность повторяющихся звеньев, составляющих П, является его первым и наиболее важным атрибутом. Номенклатура этих веществ обычно основана на типе мономерных остатков, составляющих П. Полимеры, которые содержат только один тип повторяющихся звеньев, известны как гомо-П. В то же время П, содержащие два или более типов повторяющихся звеньев, известны как сополимеры. Терполимеры содержат три типа повторяющихся звеньев.

Вам будет интересно: Что такое явления? Самые красивые и страшные природные явления

Полистирол, например, состоит только из остатков стирольного М и поэтому классифицируется как гомо-П. Этиленвинилацетат, с другой стороны, содержит более одного вида повторяющихся звеньев и, таким образом, является сополимером. Некоторые биологические П состоят из множества различных, но структурно связанных мономерных остатков; например, полинуклеотиды, такие как ДНК, состоят из четырех типов нуклеотидных субъединиц.

Полимерная молекула, содержащая ионизируемые субъединицы, известна как полиэлектролит или иономер.

Микроструктура

Вам будет интересно: Что такое жать? Толкование и примеры предложений

Микроструктура полимера (иногда называемая конфигурацией) связана с физическим расположением остатков М вдоль основной цепи. Это элементы структуры П, которые требуют разрыва ковалентной связи, чтобы измениться. Строение оказывает сильное влияние на другие свойства П. Например, два образца натурального каучука могут демонстрировать различную долговечность, даже если их молекулы содержат одинаковые мономеры.

Строение и свойства полимеров

Этот момент чрезвычайно важно прояснить. Важной микроструктурной особенностью строения полимера является его архитектура и форма, которые связаны с тем, как точки ветвления приводят к отклонению от простой линейной цепи. Разветвленная молекула этого вещества состоит из основной цепи с одной или несколькими боковыми цепями или ответвлениями заместителя. Типы разветвленных П включают звездообразные, гребенчатые П, щеточные П, дендронизированные, лестничные и дендримеры. Существуют также двумерные полимеры, которые состоят из топологически плоских повторяющихся звеньев. Разнообразные методики могут быть использованы для синтеза П-материала с различными типами устройства, например, живой полимеризацией.

Другие качества

Состав и строение полимеров в науке о них связано с тем, как разветвление ведет к отклонению от строго линейной П-цепи. Ветвление может происходить случайным образом, или реакции могут быть спроектированы таким образом, чтобы нацеливаться на конкретные архитектуры. Это важная микроструктурная особенность. Архитектура полимера влияет на многие его физические свойства, включая вязкость раствора, расплава, растворимость в различных составах, температуру стеклования и размер отдельных П-катушек в растворе. Это важно для изучения содержащихся компонентов и строения полимеров.

Ветвление

Ветви могут образовываться, когда растущий конец молекулы полимера закрепляется либо (а) обратно на себя, либо (б) на другую П-цепь, и то и другое, благодаря отводу водорода, способно создать зону роста средней цепи.

Вам будет интересно: Караван-сарай - это. Значения, история, интересные факты

Эффект, связанный с разветвлением - химическое сшивание - образование ковалентных связей между цепями. Сшивание имеет тенденцию увеличивать Tg и повышать прочность и ударную вязкость. Среди других применений этот процесс используется для укрепления каучуков в процессе, известном как вулканизация, который основан на сшивании серой. Автомобильные шины, например, обладают высокой прочностью и степенью сшивания, чтобы уменьшить утечку воздуха и увеличить их долговечность. Резинка, с другой стороны, не сшита, что допускает отслаивание резины и предотвращает повреждение бумаги. Полимеризация чистой серы при более высоких температурах также объясняет, почему она становится более вязкой при повышенных температурах в расплавленном состоянии.

Сетка

Полимерная молекула с высокой степенью сшивки называется П-сеткой. Достаточно высокое отношение сшивки к цепи (Ц) может привести к образованию так называемой бесконечной сети или геля, в которой каждая такая ветвь связана по меньшей мере с одной другой.

С непрерывным развитием живой полимеризации синтез этих веществ с определенной архитектурой становится все более легким. Возможны такие архитектуры, как звездообразные, гребенчатые, щеточные, дендронизированные, дендримеры и кольцевые полимеры. Эти химические соединения со сложной архитектурой могут быть синтезированы либо с использованием специально подобранных исходных соединений, либо сначала путем синтеза линейных цепей, которые подвергаются дальнейшим реакциям для соединения друг с другом. Завязанные П состоят из множества внутримолекулярных циклизационных звеньев в одной П-цепи (ПЦ).

Разветвление

В целом, чем выше степень разветвления, тем более компактна полимерная цепь. Они также влияет на запутывание цепи, способность скользить мимо друг друга, что, в свою очередь, затрагивает объемные физические свойства. Длинноцепочечные деформации могут улучшить прочность полимера, ударную вязкость и температуру стеклования (Tg) из-за увеличения числа связей в соединении. С другой стороны, случайная и короткая величина Ц может снизить прочность материала из-за нарушения способности цепей взаимодействовать друг с другом или кристаллизоваться, что обусловлено строением молекул полимеров.

Пример влияния разветвления на физические свойства можно найти в полиэтилене. Полиэтилен высокой плотности (HDPE) имеет очень низкую степень разветвления, является относительно жестким и используется в производстве, например, бронежилетов. С другой стороны, полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) имеет значительное количество длинных и коротких ветвей, является относительно гибким и используется в таких областях, как пластиковые пленки. Химическое строение полимеров способствует именно такому их применению.

Дендримеры

Дендримеры представляют собой особый случай разветвленного полимера, где каждая мономерная единица также является точкой разветвления. Это имеет тенденцию уменьшать переплетение межмолекулярных цепей и кристаллизацию. Родственная архитектура, дендритный полимер, не является идеально разветвленным, но обладает сходными свойствами с дендримерами из-за их высокой степени разветвленности.

Степень формирования сложности структуры, которая происходит во время полимеризации, может зависеть от функциональности используемых мономеров. Например, при свободнорадикальной полимеризации стирола добавление дивинилбензола, который имеет функциональность 2, приведет к образованию разветвленного П.

Инженерные полимеры

Инженерные полимеры включают природные материалы, такие как резина, синтетические материалы, пластмассы и эластомеры. Они являются очень полезным сырьем, потому что их структуры могут быть изменены и адаптированы для производства материалов:

с диапазоном механических свойств;
в широком спектре цветов;
с различными свойствами прозрачности.

Молекулярное строение полимеров

Полимер состоит из множества простых молекул, которые повторяют структурные единицы, называемые мономерами (М). Одна молекула этого вещества может состоять из количества от сотен до миллиона М и иметь линейную, разветвленную или сетчатую структуру. Ковалентные связи удерживают атомы вместе, а вторичные связи затем удерживают группы полимерных цепей вместе, образуя полиматериал. Сополимеры представляют собой типы этого вещества, состоящие из двух или более различных типов М.

Полимер – это органический материал, а основа любого такого типа вещества – цепь атомов углерода. Атом углерода имеет четыре электрона во внешней оболочке. Каждый из этих валентных электронов может образовывать ковалентную связь с другим атомом углерода или с чужеродным атомом. Ключом к пониманию строения полимера является то, что два атома углерода могут иметь до трех общих связей и все еще связываться с другими атомами. Элементы, наиболее часто встречающиеся в этом химическом соединении, и их валентные числа: H, F, Cl, Bf и I с 1 валентным электроном; O и S с 2 валентными электронами; n с 3 валентными электронами и C и Si с 4 валентными электронами.

Пример полиэтилена

Способность молекул образовывать длинные цепи жизненно важна для получения полимера. Рассмотрим материал полиэтилен, который сделан из газообразного этана, C2H6. Этан-газ имеет два атома углерода в цепи, и каждый из них имеет два валентных электрона с другим. Если две молекулы этана соединены вместе, одна из углеродных связей в каждой молекуле может быть разорвана, и две молекулы могут быть соединены углерод-углеродной связью. После того, как два метра соединены, на каждом конце цепи остаются еще два свободных валентных электрона для соединения других метеров или П-цепей. Процесс способен продолжать соединять больше метеров и полимеров вместе до тех пор, пока он не будет остановлен добавлением другого химического вещества (терминатора), который заполняет доступную связь на каждом конце молекулы. Это называется линейным полимером и является строительным блоком для термопластичных видов соединения.

Полимерная цепь часто показана в двух измерениях, но следует отметить, что они имеют трехмерное строение полимеров. Каждая связь находится под углом 109° к следующей, и, следовательно, углеродный остов проходит через пространство, как витая цепь TinkerToys. При приложении напряжения эти цепи растягиваются, и удлинение П может быть в тысячи раз больше, чем в кристаллических структурах. Таковы особенности строения полимеров.

Полимерами называют высокомолекулярные химические соединения (ВМС) вещества, обладающие молекулярной массой от тысяч до нескольких миллионов атомных единиц. Макромолекулы полимеров образовываются из огромного количества повторяющихся мономерных звеньев. Свойства полимеров зависят от химической природы мономера, молекулярной массы, методом производства полимера, стереоструктурой молекул (расположением в пространстве) и степенью их разветвленности, а также связей между молекулами различной природы.

Большинство полимеров являются по природе диэлектриками, также имеют низкую теплопроводность и достаточно высокие механические характеристики.

Классификация полимеров

Разделение полимеров на четкие классы – достаточно сложное дело. В современной теории существует несколько подразделений полимерных материалов по видам:

полимеры могут быть природными или синтетическими, также бывают модифицированные полимеры;
по типу реакции образования полимеры делятся на полимеризационные и поликонденсационные;
в зависимости от химического состава полимеры подразделяются на неорганические (например, силиконы), органические полимеры (например, полистирол) и элементоорганические полимеры (например, фторопласты). При этом основной вид используемых полимеров – органические;
по методу переработки и соответствующему отношению к воздействию на них температуры полимеры делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Первые способны перерабатываться многократно, вторые – как правило, нет;
по составу мономерных звеньев полимеры делят на гомополимеры и сополимеры (гетерополимеры);
также полимеры разделяются по строению главной цепи на гомоцепные и гетероцепные, по пространственному расположению мономерных звеньев на стереорегулярные и атактические (нестереорегулярные), по степени разветвления на линейные, разветвленные, лестничные и сшитые и т.д.

Рис. 1 Структура полимеров

Образование полимеров

В природе биологические полимеры или биополимеры получаются естественным путем в процессе жизнедеятельности растительных и животных организмов. Искусственные же полимеры производят как правило нефтехимические и газохимические предприятия путем двух основных видов химических реакций: полимеризации и поликонденсации

Полимеризация – это процесс синтеза полимера путем присоединения повторяющихся цепочек молекул (звеньев) мономера к активному центру роста макромолекулы высокомолекулярного соединения. В упрощенном виде механизм полимеризации можно расписать по следующим стадиям:

образование центров полимеризации;
рост макромолекул полимера при присоединения очередных звеньев;
возникновение новых центров полимеризации на других молекулы и их интенсивный рост;
возникновение разветвленных молекул полимеров;
прекращение роста макромолекул.

Обычно полимеризация не возникает при нормальных условиях. Для начала химического процесса полимеризации на низкомолекулярное сырье оказывают разнообразные методы воздействия в зависимости от каждого конкретного техпроцесса: воздействие светом или другим типом облучением, повышенным давление, высокими температурами. При этом, наиболее эффективно процесс идет в среде катализатора, подбираемого для каждого конкретного процесса получения определенного полимера персонально. При образовании полимеров при помощи полимеризации не выделяется побочных веществ реакции, химический состав веществ остается неизменным, но меняется структура связей в веществе.

Рис. 2 Завод по производству полиэтилена

Поликонденсация – это процесс синтеза полимеров из низкомолекулярных веществ при помощи перегруппировки атомов выделения побочных продуктов поликонденсации. Это могут быть различные низкомолекулярные соединения, например вода. Методом поликонденсации выпускают такие крупнотоннажные полимеры, как полиуретаны, поликарбонаты, фенолоальдегидные смолы.

Основные свойства полимеров

Строение макромолекул в виде цепи, а также различные типы связей между ними, возникшие при образовании молекул, определяют природу специальных физико-химических характеристик полимеров. Среди них важная особенность к пленко- и волокнообразованию, способности полимеров к вытяжке, прочности в определенных направлениях, эластичности и т.п. Такое строение полимерных молекул определяет тот факт, что вязкость растворов полимеров обычно высока. ВМС могут в высокой степени набухать в жидкостях, при этом образуя несколько видов систем, по свойствам находящихся между твердым жидким агрегатным состояниями.

Количество мономерных звеньев в макромолекулах полимеров и природа звена определяют молекулярную массу всего ВМС. Любой полимер всегда состоит из множества макромолекул, каждая из которых индивидуальна и отличается от других в том числе по длине цепи. Из-за этого факта молекулярная масса полимеров – всегда примерная средняя величина. Также из описанного следует, что важной характеристикой является молекулярно-массовое распределение (ММР), которое показывает в каком диапазоне молекулярных масс молекулы представлены в конкретном образце полимера. Чем меньше молекулярно-массовое распределение, тем стабильнее свойства полимеров и тем проще описать методики их переработки.

Полимеры могут находиться в нескольких агрегатных состояниях, которые отличаются от состояний обычных низкомолекулярных веществ, например в состоянии вязкотекучей жидкости, эластичном состоянии, такие как каучук, силикон, другие эластомеры, твердых пластмасс.

Типы переработки полимеров в изделия

Переработка полимеров, как правило происходит при высоких температурах от 150 до 500 градусов Цельсия в зависимости от природы конкретного полимера. Исключение составляют некоторые термореактивные пластики, например двухкомпонентные разновидности эпоксидных смол или пенополиуретана, которые реагируют при комнатной температуре. При переработке в полимер могут вводить разные добавки (в случае, например, не применяющегося в качестве чистого вещества ПВХ, добавки практически обязательны) для лучшей перерабатываемости, придания пластмассе нужных свойств или удешевления продукта. Наиболее употребляемыми аддитивами (добавками для полимеров) являются , например, наполнители, красители, стабилизаторы, пластификаторы, модификаторы, нуклеаторы и т.д.

Классификация полимеров по областям применения

Полимеры, главным образом, термопласты подразделяют по степени роста технических и эксплуатационных характеристик. Основной характеристикой полимера при этом является температура долговременной эксплуатации. В данном случае полимеры с известными допущениями и довольно большими разночтениями у разных авторов разделяют на три категории:

General purpose plastics или полимеры общего (общетехнического) назначения;
Engineering plastics или конструкционные пластики (полимеры инженерно-технического назначения);
Super-engineering plastics или суперконструкционные полимеры.

Также всё более важную роль в современной индустрии полимеров играет класс эластомеров или термоэластопластов (TPE, ТПЭ). По своим свойствам и методам переработки в изделия эти материалы аналогичны термопластам, при этом по внешнему виду и эксплуатационным свойствам близки к резине и каучуку. ТПЭ в быту повсеместно путают с резиной из-за способности этих материалов к значительным обратимым деформациям.

Также полимеры и их марки классифицируют по наиболее подходящему способу переработки - литьевые, экструзионные, пресс-порошки и т.п.

Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки.

Например , полиэтилен, получаемый при полимеризации этилена CH₂=CH₂:

…-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-… или (-CH₂—CH₂-)_n

Соединения, из которых образуются полимеры, называются мономерами.

Например , пропилен (пропен) СН₂=СH–CH₃ является мономером полипропилена

Группа атомов, многократно повторяющаяся в цепной макромолекуле, называется ее структурным звеном.

Мономеры – низкомолекулярные вещества, из которых образуются полимеры.

Степень полимеризации – число, показывающее количество элементарных звеньев в молекуле полимера.

Полимеры, макромолекулы которых построены строго определенным способом, называют регулярными.

Полимер называется стереорегулярным, если заместители R в основной цепи макромолекул (–CH₂–CHR–)_n расположены упорядоченно.

Стереорегулярные полимеры обладают гораздо лучшими свойствами – пластичностью, прочностью и теплостойкостью; они способны кристаллизоваться, в отличие от нерегулярных.

Классификация по структуре

По структуре полимеры делятся на: линейные, разветвленные и пространственные.

Химические связи имеются и между цепями, образуя пространственную структуру

Линейные — макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру (целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон).

Разветвленные — макромолекулы которых имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной (крахмал).

Сетчатые (пространственные) — химические связи имеются и между цепями (резина, фенолформальдегидные смолы).

Классификация по происхождению

По способу получения полимеры делятся на: природные, синтетические и искусственные.

Природные полимеры непосредственно существуют в природе (крахмал, целлюлоза и др.).

Синтетические полимеры получают полностью химическим путем в реакциях полимеризации и поликонденсации (полиэтилен, полихлорвинил, фенол-формальдегидные смолы, метилметакрилат и т.д.). Не имеют аналогов в природе.

Искусственные – получают модификацией натуральных полимеров (вискоза –модифицированная целлюлоза, резина –модификация натурального каучука).

Классификация по химическому характеру

По химическому характеру и составу полимеры и химические волокна бывают: полиэфирные, полиамидные, элементоорганические (например, кремнийорганические полимеры).

Полиэфирные полимеры — содержат группу сложных эфиров -СОО-.

Полиамидные полимеры — содержат пептидную связь -СО-NH₂-.

Элементоорганические полимеры — содержат атомы других химических элементов (помимо С, Н, О, N).

Классификация по способу получения

Полимеры получают либо реакциями полимеризации, либо поликонденсацией.

Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного вещества(полимера) путём многократного присоединения молекул мономера к активным центрам в растущей молекуле полимера.

Например , образование полиэтилена происходит по механизму полимеризации:

Поликонденсация – процесс образования высокомолекулярных соединений, протекающий по механизму замещения и сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов (обычно это вода).

Например , образование капрона протекает по механизму поликонденсации:

Свойства полимеров

По свойствам полимеры можно разделить на: термореактивные, термопластичные и эластомеры.

Термореактивные полимеры — пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала.

Например , фенолформальдегидные смолы, полиуретан.

Термопластичные полимеры — меняют форму в нагретом состоянии и сохраняют её после охлаждения.

Например , полиэтилен, полистирол, полихлорвинил и т.д.

Эластомеры – обладают высокоэластичными свойствами в широком интервале температур.

Например , натуральный каучук.

Полимеризация

Степень полимеризации — это число, показывающее сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу.

В основе полимеризации лежит реакция присоединения.
Полимеризация – цепная реакция, включает стадии инициирования, роста и обрыва цепи.
Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера одинаков.

Катализаторами полимеризации могут быть: металлический натрий, пероксиды, кислород, металлоорганические соединения, комплексные соединения.

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.

Например , схема сополимеризации этилена с пропиленом:

Важнейшие синтетические полимеры

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и области их применения:

Метиловый эфир метакриловой кислоты

Термопластичный (t = 260-320 0 C)

Мономер: бутадиен-1,3 (дивинил)

Поликонденсация

В основе поликонденсации лежит реакция замещения.
Поликонденсация – процесс ступенчатый, т.к. образование макромолекул происходит в результате последовательного взаимодействия мономеров, димеров или n-меров как между собой, так и друг с другом.
Помимо высокомолекулярного соединения, в реакции поликонденсации образуется второе, низкомолекулярное вещество (обычно это вода).

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией поликонденсации, и области их применения:

Полимеры – это высокомолекулярные химические соединения (ВМС), макромолекулы которых образованы из множества мономерных звеньев. Молекулы полимеров характеризуются огромной молекулярной массой, от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомных единиц массы. Существует несколько вариантов классификации полимеров.

Термопласты и их сокращенные обозначения

Реактопласты и их сокращенные обозначения

БФ – фенолоформальдегидный олигомер, совмещенный с поливинилбутиралем.
КС – кремнийогранические смолы.
МАС – меламиноальдегидные смолы.
НПС – ненасыщенные полиэфирные смолы.
ПИ – полиимиды.
ПЭЭК – полиэфирэфиркетон.
ПУ – полиуретаны.
ППУ – пенополиуретаны.
ФС – фурановые смолы.
ФФС – фенолформальдегидные смолы.
ЭС – эпоксидные смолы.

Эластомеры и их сокращенные обозначения

БК – статический сополимер изобутилена и 0,6 -3,0 % изопрена.
ДСТ-30 – термоэластопласт с 30% блоков стирола.
СКД – цис-полибутадиеновый.
СКДЛ – цис-полиизобутиленовый (литиевый катализатор).
СКИ – цис-полиизопреновый.
СКМС-30 – бутадиен-метилстирольный.
СКН-18, СКН-26 – бутадиен-нитрильные с указанным содержанием нитрила акриловой кислоты в макромолекуле (в %) и т.д.
СКС-30, СКМС-30 – бутадиен-стирольный, бутадиен-метилстирольный с 30% стирола в молекуле.
СКС-30А – бутадиен-стирольный низкотемпературной полимеризации.
СКТВ – метилвинилсилоксановый [до 1% (мол.) винилового мономера]
СКЭП – сополимер этилена (40-70%) и пропилена.
СКЭПТ – сополимер этилена, пропилена и 1-2% несопряженного диена.
СКУ – полиуретановый.
ТЭП – термоэластопласт, блок-сополимер бутадиена и стирола.

Применение полимеров

Сложно переоценить значение полимеров с точки зрения их практического применения. В современном мире практически не найдется ни одной сферы жизни человека и общества, науки и бизнеса где не применялся бы хотя бы один вид полимеров.

Наиболее активное применение полимерные материалы получили в производстве автомобилей, машин и оборудования; в авиационной и аэрокосмической индустриях; в индустрии разработки и создания медицинских аппаратов и инвентаря. Остановимся на некоторых из направлений практического использования полимерных материалов более подробно.

Применение полимеров в автомобильной индустрии

Надежность работы современного автомобиля, долговечность и комфорт его эксплуатации, а также (что важно) безопасность передвижения могут быть обеспечены только при условии применения полимерных материалов — пластмасс, резин, лаков и красок и прочее.

Из пластмасс изготовляют кузова и кабины автомобилей и их отдельные крупногабаритные детали, разнообразные малогабаритные детали конструкционного и декоративного назначения, теплоизоляционные и звукоизоляционные детали и др.

К важнейшим и наиболее материалоемким резиновым изделиям для автомобилестроения относятся шины. Большое значение в этой отрасли промышленности имеют также многочисленные резино-технические изделия, от качества которых во многом зависит надежность работы автомобиля.

Лакокрасочные материалы применяемые для грунтования и окончательной отделки металлических поверхностей, должны образовывать покрытия, которые надежно защищают металл от коррозии (см. Защитные лакокрасочные покрытия), обладают высокой твердостью, эластичностью, ударопрочностью, термо- и износостойкостью.

Применение полимеров в авиастроении

Еще одним масштабным направлением практического применения широкой гаммы полимерных материалов является индустрия разработки, производства и эксплуатации летательных аппаратов.

Целесообразность применения полимеров в указанном направлении обусловлено их легкостью, вариабельностью состава и строения и следовательно, широким диапазоном технических свойств. Тенденция к расширению границ применения полимерных материалов характерна также и для производства ракет и космических аппаратов.

Основные полимеры и сегменты использования:

Реактопласты;
Термопласты;
Пенопласты и сотопласты;
Резина;
Герметики и клеи;
Лакокрасочные материалы.

Развернутую информацию на предмет использования полимеров по указанным сегментам в авиастроении вы найдете в основной статье, ссылка на которую указана в начале абзаца.

Применение полимеров в машиностроении

Пожалуй одним из ключевых направлений использования полимеров и материалов на их основе является машиностроение. Так например потребление пластических масс в этой отрасли уже становится соизмеримым (в единицах объема) с потреблением стали. Непрерывно, отмечают аналитики, возрастает также применение лакокрасочных материалов, синтетических волокон, клеев, резины и прощих веществ ии материалов на полимерной основе.

Целесообразность применения полимеров в машиностроении определяется, прежде всего, возможностью удешевления продукции. При этом улучшаются также важнейшие технико-экономические параметры машин: уменьшается масса, повышаются долговечность, надежность и прочие существенные свойства.

Применение полимеров в медицине

Благодаря широкой гамме свойств и физико-химических характеристик получаемых изделий полимеры и материалы на их основе получили огромное применение в медицине.

Применение полимерных материалов с целью изготовления изделий и техники медицинского назначения позволяет осуществлять серийный выпуск инструментов, предметов ухода за больными, специальной посуды и различных видов упаковок для лекарств, обладающих рядом преимуществ перед аналогичными изделиями из металлов и стекла: экономичностью, в ряде случаев — повышенной стойкостью к воздействию различных сред, возможностью выпуска изделий разового использования и прочее.

Особое внимание следует уделить вопросу применения полимерных материалов в фармакологии. Роль данной категории материалов в фармакологическом аспекте, пока относительно невелика. В лечебной практике их используют мало. К веществам, вводимым в организм, тем более к таким, которые должны в растворенном виде попасть в кровь, лимфу, межклеточные и клеточные полости и могут достигнуть любой части тела, любого его рецептора, предъявляются, естественно, очень жесткие требования.

Также отдельно следует остановиться и на вопросе практического использования полимерных материалов в таком медицинском сегменте, как – хирургия. Учитывая свойства получаемых изделий полимерные материалы получили активное применение сразу в нескольких сегментах современной хирургии:

Восстановительная хирургия;
Сердечно-сосудистая хирургия;
Хирургия внутренних органов и тканей;
Травматология и ортопедия;
Применение полимеров в функциональных узлах хирургических аппаратов.

В заключении отметим, что полимеры в медицинском аспекте применяются также в вопросе создания кровезаменителей и плазмозаменителей.

Применение полимеров в пищевой промышленности

Пожалуй самым известным для массового потребителя является вопрос использования полимеров для нужд пищевой промышленности.

Следует отметить, что полимеры в пищевой промышленности должны соответствовать комплексу определенных санитарно-гигиенических требований, обусловленных контактом этих материалов с продуктами питания. Обязательное условие применения полимерных материалов в пищевой промышленности — разрешение органов санитарного надзора, которое выдается на основании комплекса испытаний, включающих оценку органолептических свойств, а также санитарно-химическиеи токсикологические исследования полимеров и отдельных ингредиентов, входящих в состав композиционных материалов и изделий.

К числу наиболее крупных потребителей полимерных материалов в пищевой промышленности выступают “пищевое машиностроение” и производство тары и упаковки для хранения и транспортировки продуктов питания. При этом, в последнем случае, полимеры могут выступать и как основной материал (например, пластиковые бутылки), так и в качестве вспомогательных элементов и добавок, призванных (например) уберечь металлический контейнер от коррозии.

Применение полимеров в судостроении

Благодаря использованию полимерных материалов значительно улучшаются технические и эксплуатационные характеристики судов, повышаются их надежность и долговечность, сокращается продолжительность и снижается трудоемкость постройки.

Современная судостроительная промышленность — один из крупнейших потребителей синтетических полимерных материалов, причем области их применения очень разнообразны, а перспективы использования практически неограниченны. Полимеры применяют для изготовления корпусов судов и корпусных конструкций, в производстве деталей судовых механизмов, приборов и аппаратуры, для окраски судов, отделки помещений и их тепло-, звуко- и виброизоляции, а также прочие полезные свойства.

Читайте также: