Polimēru materiāli: tehnoloģija, veidi, ražošana un pielietojums

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Polimēru materiāli ir ķīmiski lielmolekulāri savienojumi, kas sastāv no daudziem mazmolekulāriem monomēriem (vienībām) ar tādu pašu struktūru. Bieži vien polimēru ražošanā tiek izmantoti šādi monomēru komponenti: etilēns, vinilhlorīds, vinildehlorīds, vinilacetāts, propilēns, metilmetakrilāts, tetrafluoretilēns, stirols, urīnviela, melamīns, formaldehīds, fenols. Šajā rakstā mēs detalizēti apsvērsim, kas ir polimēru materiāli, kādas ir to ķīmiskās un fizikālās īpašības, klasifikācija un veidi.

Polimēru veidi

Šī materiāla molekulu iezīme ir liela molekulmasa, kas atbilst šādai vērtībai: М>5103. Savienojumus ar zemāku šī parametra līmeni (M=500-5000) sauc par oligomēriem. Zemas molekulmasas savienojumos masa ir mazāka par 500. Izšķir šādus polimēru materiālu veidus: sintētiskus un dabīgus. Pie pēdējiem pieder dabīgais kaučuks, vizla, vilna, azbests, celuloze uc Tomēr galveno vietu ieņem sintētiskie polimēri, kas iegūti ķīmiskās sintēzes procesa rezultātā no mazmolekulāriem savienojumiem. atkarībāno lielmolekulāro materiālu ražošanas metodes izšķir polimērus, kas rodas vai nu ar polikondensāciju, vai ar pievienošanas reakciju.

Polimerizācija

Šis process ir zemas molekulmasas komponentu kombinācija ar augstu molekulmasu, lai iegūtu garas ķēdes. Polimerizācijas līmenis ir "meru" skaits noteiktā sastāva molekulās. Visbiežāk polimērmateriāli satur no tūkstoš līdz desmit tūkstošiem to vienību. Polimerizējot tiek iegūti šādi plaši izmantotie savienojumi: polietilēns, polipropilēns, polivinilhlorīds, politetrafluoretilēns, polistirols, polibutadiēns utt.

Polikondensācija

Šis process ir pakāpeniska reakcija, kas sastāv no liela skaita viena veida monomēru vai dažādu grupu pāra (A un B) apvienošanas polikondensatoros (makromolekulās), vienlaikus veidojot: blakusprodukti: metilspirts, oglekļa dioksīds, hlorūdeņradis, amonjaks, ūdens utt. Polikondensācijas rezultātā tiek iegūti silikoni, polisulfoni, polikarbonāti, aminoplastmasa, fenola plastmasa, poliesteri, poliamīdi un citi polimēru materiāli.

Polyaddition

Šis process tiek saprasts kā polimēru veidošanās reakcijas rezultātā, vairākkārt pievienojot monomēru komponentus, kas satur ierobežotas reakcijas kombinācijas līdz nepiesātinātu grupu monomēriem (aktīvi cikli vai dubultsaites). Atšķirībā no polikondensācijas, polipievienošanās reakcija norit bez blakusproduktiem. Šīs tehnoloģijas svarīgākais process ir epoksīdsveķu sacietēšana un poliuretānu ražošana.

Polimēru klasifikācija

Visu polimēru materiālu sastāvs ir sadalīts neorganiskajos, organiskajos un organoelementos. Pirmais no tiem (silikāta stikls, vizla, azbests, keramika utt.) nesatur atomu oglekli. To pamatā ir alumīnija, magnija, silīcija uc oksīdi. Organiskie polimēri veido visplašāko klasi, tie satur oglekļa, ūdeņraža, slāpekļa, sēra, halogēna un skābekļa atomus. Organoelementu polimērmateriāli ir savienojumi, kuru galvenajās ķēdēs papildus uzskaitītajiem ir silīcija, alumīnija, titāna un citu elementu atomi, kas var apvienoties ar organiskajiem radikāļiem. Šādas kombinācijas dabā nenotiek. Tie ir tikai sintētiski polimēri. Raksturīgi šīs grupas pārstāvji ir silīcija organiskie savienojumi, kuru galvenā ķēde ir veidota no skābekļa un silīcija atomiem.

Lai iegūtu polimērus ar nepieciešamajām īpašībām, tehnoloģijā bieži tiek izmantotas nevis “tīras” vielas, bet gan to kombinācijas ar organiskām vai neorganiskām sastāvdaļām. Labs piemērs ir polimēru būvmateriāli: metāls-plastmasa, plastmasa, stikla šķiedra, polimērbetons.

Polimēru struktūra

Šo materiālu īpašību īpatnība ir saistīta ar to struktūru, kas savukārt iedalās šādos veidos: lineāri sazarots, lineārs, telpisksar lielām molekulārām grupām un ļoti specifiskām ģeometriskām struktūrām, kā arī kāpnēm. Īsi apskatīsim katru no tiem.

Polimēru materiāliem ar lineāri sazarotu struktūru papildus galvenajai molekulu ķēdei ir sānzari. Šie polimēri ietver polipropilēnu un poliizobutilēnu.

Materiāliem ar lineāru struktūru ir garas zigzaga vai spirālveida ķēdes. To makromolekulas galvenokārt raksturo vietu atkārtošanās vienā ķēdes saites vai ķīmiskās vienības strukturālajā grupā. Polimēri ar lineāru struktūru izceļas ar ļoti garu makromolekulu klātbūtni ar būtiskām atšķirībām saišu raksturā gar ķēdi un starp tām. Tas attiecas uz starpmolekulārām un ķīmiskām saitēm. Šādu materiālu makromolekulas ir ļoti elastīgas. Un šī īpašība ir polimēru ķēžu pamatā, kas rada kvalitatīvi jaunas īpašības: augstu elastību, kā arī trausluma neesamību sacietēšanas stāvoklī.

Un tagad noskaidrosim, kas ir polimērmateriāli ar telpisku struktūru. Šīs vielas, makromolekulām savstarpēji savienojoties, veidojas stipras ķīmiskās saites šķērsvirzienā. Rezultātā tiek iegūta sieta struktūra, kurai ir nevienmērīgs jeb telpiskais acs pamats. Šāda veida polimēriem ir lielāka karstumizturība un stingrība nekā lineārajiem. Šie materiāli ir daudzu strukturālu nemetālisku vielu pamatā.

Polimēru materiālu molekulas ar kāpņu struktūru sastāv no ķēžu pāra, kuras savieno ķīmiskā saite. Tie ietversilīcija organiskie polimēri, kam raksturīga paaugstināta stingrība, karstumizturība, turklāt tie nesadarbojas ar organiskiem šķīdinātājiem.

Polimēru fāzes sastāvs

Šie materiāli ir sistēmas, kas sastāv no amorfiem un kristāliskiem apgabaliem. Pirmais no tiem palīdz samazināt stingrību, padara polimēru elastīgu, tas ir, spējīgu veikt lielas atgriezeniskas deformācijas. Kristāliskā fāze palīdz palielināt to stiprību, cietību, elastības moduli un citus parametrus, vienlaikus samazinot vielas molekulāro elastību. Visu šādu laukumu tilpuma attiecību pret kopējo tilpumu sauc par kristalizācijas pakāpi, kur maksimālais līmenis (līdz 80%) ir polipropilēni, fluoroplasti, augsta blīvuma polietilēni. Polivinilhlorīdiem, zema blīvuma polietilēniem ir zemāka kristalizācijas pakāpe.

Atkarībā no tā, kā polimērmateriāli uzvedas karsējot, tos parasti iedala termoreaktīvos un termoplastiskajos.

Termosaktīvi polimēri

Šiem materiāliem galvenokārt ir lineāra struktūra. Sildot tie mīkstina, bet tajos notiekošo ķīmisko reakciju rezultātā struktūra mainās uz telpisku, un viela pārvēršas cietā vielā. Nākotnē šī kvalitāte tiks saglabāta. Polimēru kompozītmateriāli ir veidoti pēc šī principa. To turpmākā karsēšana vielu nemīkstina, bet tikai noved pie tās sadalīšanās. Tāpēc gatavais termoreaktīvais maisījums nešķīst un neizkūstnav atļauts to pārstrādāt. Šāda veida materiāli ietver epoksīda silikonu, fenola formaldehīdu un citus sveķus.

Termoplastiskie polimēri

Šie materiāli, karsējot, vispirms mīkstina un pēc tam izkūst, un pēc tam atdzesē. Šīs apstrādes laikā termoplastiskie polimēri netiek pakļauti ķīmiskām izmaiņām. Tas padara procesu pilnībā atgriezenisku. Šāda veida vielām ir lineāri sazarota vai lineāra makromolekulu struktūra, starp kurām darbojas nelieli spēki un nav absolūti nekādu ķīmisko saišu. Tie ietver polietilēnus, poliamīdus, polistirolus utt. Termoplastiskā tipa polimēru materiālu tehnoloģija paredz to ražošanu ar iesmidzināšanas formēšanu ar ūdeni dzesētās veidnēs, presēšanu, ekstrūzijas, pūšanas un citām metodēm.

Ķīmiskās īpašības

Polimēri var būt šādos stāvokļos: cieta, šķidra, amorfa, kristāliskā fāze, kā arī ļoti elastīga, viskoza un stiklveida deformācija. Polimēru materiālu plašā izmantošana ir saistīta ar to augsto izturību pret dažādām agresīvām vidēm, piemēram, koncentrētām skābēm un sārmiem. Tie nav pakļauti elektroķīmiskai korozijai. Turklāt, palielinoties to molekulmasai, materiāla šķīdība organiskajos šķīdinātājos samazinās. Un polimērus, kuriem ir trīsdimensiju struktūra, minētie šķidrumi parasti neietekmē.

Fizikālās īpašības

Lielākā daļa polimēru ir izolatori, turklāt tie ir nemagnētiski materiāli. No visiem izmantotajiem konstrukcijas materiāliem tikai tiem ir viszemākā siltumvadītspēja un vislielākā siltumietilpība, kā arī termiskā saraušanās (apmēram divdesmit reizes lielāka nekā metālam). Iemesls dažādu blīvējuma mezglu hermētiskuma zudumam zemas temperatūras apstākļos ir tā sauktā gumijas stiklošanās, kā arī krasā atšķirība starp metālu un gumiju izplešanās koeficientiem stiklveida stāvoklī.

Mehāniskās īpašības

Polimēru materiāliem ir plašs mehānisko īpašību klāsts, kas ir ļoti atkarīgi no to struktūras. Papildus šim parametram dažādi ārējie faktori var ļoti ietekmēt vielas mehāniskās īpašības. Tajos ietilpst: temperatūra, biežums, slodzes ilgums vai ātrums, sprieguma stāvokļa veids, spiediens, vides raksturs, termiskā apstrāde utt. Polimēru materiālu mehānisko īpašību iezīme ir to relatīvi augstā izturība pie ļoti zemas stingrības (salīdzinājumam). uz metāliem).

Polimērus parasti iedala cietajos, kuru elastības modulis atbilst E=1–10 GPa (šķiedras, plēves, plastmasas), un mīkstās ļoti elastīgās vielās, kuru elastības modulis ir E=1– 10 MPa (gumijas). Abu iznīcināšanas modeļi un mehānismi ir atšķirīgi.

Polimēru materiāliem ir raksturīga izteikta īpašību anizotropija, kā arī stiprības samazināšanās, šļūdes attīstība ilgstošas slodzes apstākļos. Kopā ar šo viņiir salīdzinoši augsta noguruma izturība. Salīdzinot ar metāliem, tie atšķiras ar lielāku mehānisko īpašību atkarību no temperatūras. Viena no polimēru materiālu galvenajām īpašībām ir deformējamība (elastība). Saskaņā ar šo parametru plašā temperatūras diapazonā ir pieņemts novērtēt to galvenās ekspluatācijas un tehnoloģiskās īpašības.

Polimēru grīdas seguma materiāli

Tagad apsvērsim vienu no polimēru praktiskā pielietojuma iespējām, atklājot visu šo materiālu klāstu. Šīs vielas plaši izmanto celtniecībā, remontdarbos un apdares darbos, jo īpaši grīdas segumos. Milzīgā popularitāte izskaidrojama ar attiecīgo vielu īpašībām: tās ir izturīgas pret nodilumu, ar zemu siltumvadītspēju, ar zemu ūdens uzsūkšanas spēju, ir diezgan izturīgas un cietas, tām ir augstas krāsas un lakas īpašības. Polimēru materiālu ražošanu nosacīti var iedalīt trīs grupās: linoleji (velmēti), flīžu izstrādājumi un maisījumi bezšuvju grīdu ieklāšanai. Tagad ātri apskatīsim katru no tiem.

Linolejs tiek izgatavots uz dažādu veidu pildvielu un polimēru bāzes. Tie var ietvert arī plastifikatorus, apstrādes palīglīdzekļus un pigmentus. Atkarībā no polimērmateriāla veida izšķir poliestera (gliftalskābes), polivinilhlorīda, gumijas, koloksilīna un citus pārklājumus. Turklāt pēc struktūras tie ir sadalīti bezpamatnes un ar skaņu un siltumizolējošu pamatni, vienslāņa un daudzslāņu, ar gludu, mīkstuun gofrētā virsma, kā arī vienkrāsains un daudzkrāsains.

Flīžu materiāliem, kas izgatavoti uz polimēru komponentu bāzes, ir ļoti zema nodilumizturība, ķīmiskā izturība un izturība. Atkarībā no izejmateriāla veida šāda veida polimēru izstrādājumus iedala kumarona-polivinilhlorīda, kumarona, polivinilhlorīda, gumijas, fenolīta, bitumena flīzēs, kā arī skaidu plātnēs un kokšķiedru plātnēs.

Materiāli bezšuvju grīdām ir visērtāk un higiēniskāk lietojami, tiem ir augsta izturība. Šos maisījumus parasti iedala polimērcementā, polimērbetonā un polivinilacetātā.