В 1833 году Й. Берцелиус ввел в обиход термин «полимерия», которым он назвал один из видов изомерии. Такие вещества (полимеры) должны были обладать одинаковым составом, но разной молекулярной массой, как например этилен и бутилен. К современному пониманию термина «полимер» умозаключение Й. Берцелиуса не соответствует, потому что истинные (синтетические) полимеры в то время еще не были известны. Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол) годам.

Химия полимеров возникла только после создания А. М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений и получила дальнейшее развитие благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука (Г. Бушарда, У. Тилден, К Гарриес, И. Л. Кондаков, С. В. Лебедев). С начала 20-х годов 20 века стали развиваться теоретические представления о строении полимеров.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Полимеры — химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов) , молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев).

Классификация полимеров

Классификация полимеров основана на трех признаках: их происхождении, химической природе и различиях в главной цепочке.

С точки зрения происхождения все полимеры подразделяют на природные (натуральные), к которым относят нуклеиновые кислоты, белки, целлюлозу, натуральный каучук, янтарь; синтетические (полученные в лаборатории путем синтеза и не имеющие природных аналогов), к которым относят полиуретан, поливинилиденфторид, фенолформальдегидные смоли и др; искусственные (полученные в лаборатории путем синтеза, но на основе природных полимеров) – нитроцеллюлоза и др.

Исходя из химической природы, полимеры делят на полимеры органической (в основе мономер – органическое вещество – все синтетические полимеры), неорганической (в основе Si, Ge, S и др. неорганические элементы – полисиланы, поликремниевые кислоты) и элементоорганической (смесь органических и неорганических полимеров – полислоксаны) природы.

Выделяют гомоцепные и гетероцепные полимеры. В первом случае главная цепь состоит из атомов углерода или кремния (полисиланы, полистирол), во втором – скелет из различных атомов (полиамиды, белки).

Физические свойства полимеров

Для полимеров характерны два агрегатных состояния – кристаллическое и аморфное и особые свойства – эластичность (обратимые деформации при небольшой нагрузке — каучук), малая хрупкость (пластмассы), ориентация при действии направленного механического поля, высокая вязкость, а также растворение полимера происходит посредством его набухания.

Получение полимеров

Реакции полимеризации – цепные реакции, представляющие собой последовательное присоединение молекул ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта – полимера (рис. 1).

Рис. 1. Общая схема получения полимера

Так, например, полиэтилен получают полимеризацией этилена. Молекулярная масса молекулы достигает 1миллиона.

n CH 2 =CH 2 = -(-CH 2 -CH 2 -)-

Химические свойства полимеров

В первую очередь для полимеров будут характерны реакции, характерные для функциональной группы, присутствующей в составе полимера. Например, если в состав полимера входит гидроксо-группа, характерная для класса спиртов, следовательно, полимер будет участвовать в реакциях подобно спиртам.

Во-вторых, взаимодействие с низкомолекулярными соединениями, взаимодействие полимеров друг с другом с образованием сетчатых или разветвленных полимеров, реакции между функциональными группами, входящими в состав одного и того же полимера, а также распад полимера на мономеры (деструкция цепи).

Применение полимеров

Производство полимеров нашло широкое применение в различных областях жизни человечества — химической промышленности (производство пластмасс), машино – и авиастроении, на предприятиях нефтепереработки, в медицине и фармакологии, в сельском хозяйстве (производство гербицидов, инсектицидов, пестицидов), строительной промышленности (звуко- и теплоизоляция), производство игрушек, окон, труб, предметов быта.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 1

Задание	Полистирол хорошо растворяется в неполярных органических растворителях: бензоле, толуоле, ксилоле, тетрахлориде углерода. Вычислите массовую долю (%) полистирола в растворе, полученном растворением 25 г полистирола в бензоле массой 85г. (22,73%).
Решение	Записываем формулу для нахождения массовой доли: Найдем массу раствора бензола: m р-ра (C 6 H 6) = m(C 6 H 6)/(/100%)

1. На основе полимеров получают волокна путем продавливания растворов или расплавов через фильеры с последующим затвердеванием - это полиамиды, полиакрилонитрилы и др.

2. Полимерные пленки получают продавливанием через фильеры с щелевидными отверстиями или нанесением на движущую ленту. Их используют как электроизоляционный и упаковочный материал, основы магнитных лент.

3. Лаки - растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях.

4. Клеи, композиции способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями клеевой прослойкой.

5. Пластмассы

6. Композиты (композиционные материалы) - полимерная основа, армированная наполнителем.

10.4.2. Областиприменения полимеров

1. Полиэтилен устойчив к агрессивной среде, влагонепроницаем, является диэлектриком. Из него изготавливают трубы, электротехнические изделия, детали радиоаппаратуры, изоляционные пленки, оболочки кабелей телефонных и силовых линий.

2. Полипропилен - механически прочен, стоек к изгибам, истиранию, эластичен. Применяют для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков и др.

3. Полистирол - устойчив к действию кислот. Механически прочен, является диэлектриком Используется как электроизоляционный и конструкционный материал в электротехнике, радиотехнике.

4. Поливинилхлорид - трудногорюч, механически прочен, электроизоляционный материал.

5. Политетрафторэтилен (фторопласт) - диэлектрик не растворяется в органических растворителях. Обладает высокими диэлектрическими свойствами в широком диапазоне температур (от -270 до 260?С). Применяется также как антифрикционный и гидрофобный материал.

6. Полиметилметакрилат (плексиглас) - применяется в электротехнике как конструкционный материал.

7. Полиамид – обладает высокой прочностью, износостойкостью, высокими диэлектрическими свойствами.

8. Синтетические каучуки (эластомеры).

9. Фенолформальдегидные смолы - основа клеев, лаков, пластмасс.

10.5. Органические полимерные материалы

10.5.1. Полимеризационные термопластичные смолы

Полипропилен - термопластичный полимер, получаемый из газа пропилена C 3 H 6 . (CH 2 = CH - CH 3)

Структурная формула

[-CH 2 -CH(CH 3)-] n .

Полимеризация ведется в бензине при температуре 70 °С по способу Натта. Получают полимер с регулярной структурой. Он имеет высокую химостойкость и разрушается лишь под действием 98% H 2 SO 4 и 50% HNO 3 при температуре выше 70°.

Электрические свойства как у полиэтилена. Пленка имеет малую газо - и паропроницаемость. Применяется для изоляции высокочастотных кабелей и монтажных проводов, в качестве диэлектрика высокочастотных конденсаторов.

Полиизобутилен - продукт полимеризации газа изобутилена. Структурная формула:

Существует несколько видов полиизобутилена, жидкие низкомолекулярные (1000) и твердые высокомолекулярные (400000). Т.е. в зависимости от степени полимеризации он может быть жидким с различной вязкостью и эластичным подобно каучуку. Молекулы имеют нитевидную симметричную структуру с разветвленностью в боковых группах. Этим можно объяснить клейкость материала, большая эластичность, по сравнению с полиэтиленом. Это диэлектрик с r = 10 15 – 10 16 Ом см,e = 2,25 – 2,35, электрическая прочность – 16 – 23 кВ/мм.

Морозостойкость полиизобутилена зависит от его молекулярного веса, чем вес больше, тем полиизобутилен морозоустойчивее.

В чистом виде или в композициях полиизобутилен применяют для изготовления изоляционных лент; изоляции высокочастотных кабелей (в композициях с полиэтиленом); уплотнителей; изоляционных заливочных компаундов; клеящих материалов.

Вследствие холодной текучести полиизобутилена для изоляции высокочастотных кабелей применяется резиноподобная смесь из 90% полиизобутилена и 10% полистирола с прослойкой полистирольной пленки (стирофлекса). Эта смесь имеет высокие электрические свойства при повышенной влажности.

Полистирол – продукт полимеризации стирола – ненасышенного УВ – винилбензола или фенилэтилена –CH 2 CHC 6 H 5 .

Молекула стирола несколько несимметрична, что обусловлено наличием в нем фенольных групп.

При нормальной температуре стирол - бесцветная прозрачная жидкость. Из методов полимеризации стирола и получения твердого диэлектрика наиболее распространены методы блочной и эмульсионной полимеризации.

Стирол токсичен, вызывает раздражения кожи, глаз и органов дыхания. Пыль полистирола образует с воздухом взрывоопасные концентрации.

Плотность – 1,05 г/см 3

r, Ом·см, 10 14 – 10 17

e= 2,55 – 2,52

Полистирол – химически стоек, на него не действуют концентрированные кислоты (HNO 3 – исключение) и щелочи, он растворяется в эфирах, кетонах, ароматических углеводородах и не растворяется в спиртах, воде, растительных маслах.

Степень полимеризации зависит от условий. Можно получить полимер с молекулярной массой до 600000. Это будут твердые полимеры. Применение находят полимеры с М.М. от 40000 до 150000. При нагреве 180 – 300 ?С возможна деполимеризация. Электрические свойства также зависят от метода полимеризации и наличия полярных примесей, особенно эмульгаторов.

Изделия из полистирола производят прессованием и литьем под давлением. Из него изготавливают: пленку (стирофлекс), ламповые панели, каркасы катушек, изоляционные детали переключателей, изоляторы антенн; пленки для конденсаторов и др. Полистирол в виде лент, шайб, колпачков применяется для изоляции высокочастотных кабелей.

Недостатки: невысокая нагревостойкость и склонность к быстрому старению – появление на поверхности сетки мелких трещин; при этом понижается электрическая прочность и повышается e .

Полидихлорстирол – отличается от полистирола содержанием в каждом звене цепи двух атомов хлора и вследствие этого большой теплостойкостью, нагревостоек.

e= 2,25 – 2,65

Полихлорвинил – термопластичное синтетическое высокополимерное соединение с линейной структурой молекул несимметричного строения. Резко выраженная асимметричность и полярность полихлорвинила связана с хлором.

Получают полимеризацией хлорвинила H 2 C =CH -Cl. Исходным сырьем для получения являются дихлорэтан и ацетилен. Хлорвинил является галоидопроизводным этилена. При нормальной температуре он представляет собой бесцветный газ, при температуре 12 - 14 ?С – жидкость, и при -159 ?С твердое тело. Полимеризация хлорвинила может производиться тремя способами: блочным, эмульсионным и в растворах. Наиболее применимый – водоэмульсионный. Существуют марки полихлорвинила с добавкой пластификаторов и наполнителей с различными механическими свойствами, морозостойкостью и нагревостойкостью.

Молекула полихлорвинила имеет вид

e= 3,1 – 3,4 (при 800 Гц)

r = 10 15 – 10 16 Ом. см

Полихлорвинил малогигроскопичен, изменение диэлектрических свойств во влажной атмосфере незначительно.

Изделия изготовляют путем прессования, литьем под давлением, штамповкой, формованием.

Полихлорвинил применяется в виде пластмасс различной эластичности, в виде лаков для защитных покрытий. Он химически стоек против воздействия щелочей, кислот, спирта, бензина и минеральных масел. Сложные эфиры, кетоны, ароматические углеводороды частично растворяют его или вызывают набухание.

Полихлорвинил применяется в электропромышленности в следующих изделиях:

а) аккумуляторные банки;

б) шланги для электроизоляции и химзащиты;

в) изоляция телефонных проводов и кабелей (заменитель свинца);

г) изоляционные прокладки, втулки и др. изделия.

Не применяется в высокочастотных цепях в качестве диэлектрика из-за высоких диэлектрических потерь (высокая проводимость), и при температурах выше 60-70 ?С.

Поливинилацетат – полимеры жидкого винилацетата, получаемого в результате химического взаимодействия ацетилена (C 2 H 2) и уксусной кислоты:

или CH 2 =CHOCOCH 3 . Из него получаютвинилацетат - бесцветную легкоподвижную жидкость с эфирным запахом, разлагающуюся при 400°С.

Материал поливинилацетат – бесцветный, без запаха, занимает среднее место между смолами и каучуками. Свойства его зависят от степени полимеризации. М.М. от 10000 до 100000. Температура размягчения равна 40 – 50 °С.

Высокополимерные продукты при 50 – 100 °С становятся каучукоподобными, а при отрицательных температурах – твердыми, достаточно эластичными.

Все полимеры обладают светостойкостью, даже при 100 °С. При нагревании поливинилацетат не деполимеризуется до мономера, а разлагается с отщеплением уксусной кислоты. Не воспламеняется. Это полярный полимер. Растворим в эфирах, кетонах (ацетон), метиловом (CH 3 OH) и этиловом (C 2 H 5 OH) спиртах, не растворим в бензине. В воде слегка набухает, но не растворяется.

Применяется главным образом, для производства безосколочного стекла " триплекс ". Применяется в электроизоляционной технике. Лаки на его основе ценятся за хорошие электроизоляционные свойства, эластичность, светостойкость, бесцветность.

Полиметилметакрилат (органическое стекло, плексиглас) – большая группа высокополимерных эфиров метакриловой кислоты, имеющих большое техническое применение

В электропромышленности применяется как вспомогательный материал.

Получается при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты (метилметакрилат) в присутствии инициатора.

При 573 К полиметилметакрилат деполимеризуется с образованием исходного мономера метилметакрилата.

По составу от поливинилацетата отличается наличием метильной группы в боковой цепи вместо водорода и наличием валентной связи углерода главной цепи с эфирной группой не через кислород, а через углерод.

Имеет низкую теплостойкость (примерно 56 °C); e = 3,3 - 4,5; r = 2,3·10 13 - 2·10 12 Ом. м. Не пригоден для электрической изоляции.

Применяется как конструкционный, оптический и декоративный материал, окрашиваемый анилиновыми красителями в различные цвета. Из него изготовляют корпуса и шкалы приборов, прозрачные защитные стекла и колпаки, прозрачные детали аппаратуры и др. Органическое стекло легко обрабатывается: сверлится, пилится, обтачивается, шлифуется, полируется. Хорошо гнется, штампуется и склеивается растворами полиметилметакрилата в дихлорэтане.

Поливиниловый спирт – твердый полимер состава (-CH 2 -CHOH-) n . Получается при гидролизе поливинилацетата кислотой или щелочью. Формула поливинилового спирта

Линейный полимер несимметричной структуры. Наличие группы ОН в каждом звене цепи определяет высокую гигроскопичность и полярность спирта. Растворяется только в воде. Имеетr = 10 7 Ом·см. Используется как вспомогательный материал при изготовлении печатных радиосхем.

Устойчив против плесени и бактерий. Хороший материал для изготовления масло- и бензоустойчивых мембран, шлангов, панелей. Прогрев при 170°С в течение 3 – 5 часов повышает водостойкость и уменьшает растворимость поливинилового спирта.

Олигоэфиракрилаты

Олигомеры – химические соединения со средним молекулярным весом (менее 1000), большим по сравнению с мономерами и меньшим по сравнению с полимерами. Основное их свойство – способность к полимеризации за счет ненасыщенных связей, обуславливающих пространственную или линейную структуру готового продукта. При полимеризации не выделяются низкомолекулярные продукты, поэтому изоляция, полученная методом заливки олигомерами, отличается монолитностью, без пустот и пор. Они не требуют для полимеризации особых условий (высокого давления, температуры, среды и т.д.).

Промышленностью выпускаются полиэфирные, полиуретановые, кремнийорганические олигомерные соединения и их модификации.

Полимерные материалы - это химические высокомолекулярные соединения, которые состоят из многочисленных маломолекулярных мономеров (звеньев) одинакового строения. Зачастую для изготовления полимеров используют следующие мономерные компоненты: этилен, винилхлорид, винилденхлорид, винилацетат, пропилен, метилметакрилат, тетрафторэтилен, стирол, мочевину, меламин, формальдегид, фенол. В данной статье мы подробно рассмотрим, что такое полимерные материалы, каковы их химические и физические свойства, классификация и виды.

Виды полимеров

Особенностью молекул данного материала является большая которая соответствует следующему значению: М>5*103. Соединения с меньшим уровнем этого параметра (М=500-5000) принято называть олигомерами. У низкомолекулярных соединений масса меньше 500. Различают следующие виды полимерных материалов: синтетические и природные. К последним принято относить натуральный каучук, слюду, шерсть, асбест, целлюлозу и т. д. Однако основное место занимают полимеры синтетического характера, которые получают в результате процесса химического синтеза из соединений низкомолекулярного уровня. В зависимости от метода изготовления высокомолекулярных материалов, различают полимеры, которые созданы или путем поликонденсации, или с помощью реакции присоединения.

Полимеризация

Этот процесс представляет собой объединение низкомолекулярных компонентов в высокомолекулярные с получением длинных цепей. Величина уровня полимеризации - это количество «меров» в молекулах данного состава. Чаще всего полимерные материалы содержат от тысячи до десяти тысяч их единиц. Путем полимеризации получают следующие часто применяемые соединения: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полистирол, полибутадиен и др.

Поликонденсация

Данный процесс представляет собой ступенчатую реакцию, которая заключается в соединении или большого количества однотипных мономеров, или пары различных групп (А и Б) в поликонденсаторы (макромолекулы) с одновременным образованием следующих побочных продуктов: диоксида углерода, хлороводорода, аммиака, воды и др. При помощи поликонденсации получают силиконы, полисульфоны, поликарбонаты, аминопласты, фенопласты, полиэстеры, полиамиды и другие полимерные материалы.

Полиприсоединение

Под данным процессом понимают образование полимеров в результате реакций множественного присоединения мономерных компонентов, которые содержат предельные реакционные объединения, к мономерам непредельных групп (активные циклы или двойные связи). В отличие от поликонденсации, реакция полиприсоединения протекает без выделений побочных продуктов. Важнейшим процессом данной технологии считают отверждение и получение полиуретанов.

Классификация полимеров

По составу все полимерные материалы делятся на неорганические, органические и элементоорганические. Первые из них слюда, асбест, керамика и др.) не содержат атомарный углерод. Их основой являются оксиды алюминия, магния, кремния и т. д. Органические полимеры составляют наиболее обширный класс, они содержат атомы углерода, водорода, азота, серы, галогена и кислорода. Элементоорганические полимерные материалы - это соединения, которые в составе основных цепей имеют, кроме перечисленных, и атомы кремния, алюминия, титана и других элементов, способных сочетаться с органическими радикалами. В природе такие комбинации не возникают. Это исключительно синтетические полимеры. Характерными представителями этой группы являются соединения на кремнийорганической основе, главная цепь которых строится из атомов кислорода и кремния.

Для получения полимеров с необходимыми свойствами в технике зачастую используют не «чистые» вещества, а их сочетания с органическими или неорганическими компонентами. Хорошим примером служат полимерные строительные материалы: металлопласты, пластмассы, стеклопластики, полимербетоны.

Структура полимеров

Своеобразие свойств этих материалов обусловлено их структурой, которая, в свою очередь, делится на следующие виды: линейно-разветвленная, линейная, пространственная с большими молекулярными группами и весьма специфическими геометрическими строениями, а также лестничная. Рассмотрим вкратце каждую из них.

Полимерные материалы с линейно-разветвленной структурой, кроме основной цепи молекул, имеют боковые ответвления. К таким полимерам относятся полипропилен и полиизобутилен.

Материалы с линейной структурой имеют длинные зигзагообразные либо закрученные в спирали цепочки. Их макромолекулы прежде всего характеризуются повторениями участков в одной структурной группе звена либо химической единицы цепи. Полимеры с линейной структурой отличаются наличием весьма длинных макромолекул со значительным различием характера связей вдоль цепи и между ними. Имеются ввиду межмолекулярные и химические связи. Макромолекулы таких материалов весьма гибкие. И это свойство является основой полимерных цепей, которая приводит к качественно новым характеристикам: высокой эластичности, а также отсутствию хрупкости в затвердевшем состоянии.

А теперь узнаем, что такое полимерные материалы с пространственной структурой. Эти вещества образуют при объединении между собой макромолекул прочные химические связи в поперечном направлении. В результате получается сетчатая структура, у которой неоднородная либо пространственная основа сетки. Полимеры этого типа обладают большей теплостойкостью и жесткостью, чем линейные. Эти материалы являются основой многих конструкционных неметаллических веществ.

Молекулы полимерных материалов с лестничной структурой состоят из пары цепей, которые соединены химической связью. К ним относятся кремнийорганические полимеры, которые характеризуются повышенной жесткостью, термостойкостью, кроме того, они не взаимодействуют с органическими растворителями.

Фазовый состав полимеров

Данные материалы представляют собой системы, которые состоят из аморфных и кристаллических областей. Первая из них способствует снижению жесткости, делает полимер эластичным, то есть способным к большим деформациям обратимого характера. Кристаллическая фаза способствует увеличению их прочности, твердости, модуля упругости, а также других параметров, одновременно снижая молекулярную гибкость вещества. Отношение объема всех таких областей к общему объему называется степенью кристаллизации, где максимальный уровень (до 80%) имеют полипропилены, фторопласты, полиэтилены высокой плотности. Меньшим уровнем степени кристаллизации обладают поливинилхлориды, полиэтилены низкой плотности.

В зависимости от того, как ведут себя полимерные материалы при нагреве, их принято делить на термореактивные и термопластичные.

Термореактивные полимеры

Данные материалы первично имеют линейную структуру. При нагреве они размягчаются, однако в результате протекания в них химических реакций строение меняется на пространственное, и вещество превращается в твердое. В дальнейшем это качество сохраняется. На этом принципе построены полимерные Последующий их нагрев не размягчает вещество, а приводит только к его разложению. Готовая термореактивная смесь не растворяется и не плавится, поэтому недопустима ее повторная переработка. К этому виду материалов относятся эпоксидные кремнийорганические, феноло-формальдегидные и другие смолы.

Термопластичные полимеры

Данные материалы при нагреве сначала размягчаются и потом плавятся, а при последующем охлаждении затвердевают. Термопластичные полимеры при такой обработке не претерпевают химических изменений. Это делает данный процесс полностью обратимым. Вещества этого типа имеют линейно-разветвленную или линейную структуру макромолекул, между которыми действуют малые силы и совершенно нет химических связей. К ним относятся полиэтилены, полиамиды, полистиролы и др. Технология полимерных материалов термопластичного типа предусматривает их изготовление методом литья под давлением в водоохлажденных формах, прессования, экструзии, выдувания и другими способами.

Химические свойства

Полимеры могут перебывать в следующих состояниях: твердое, жидкое, аморфное, кристаллическое фазовое, а также высокоэластическое, вязкотекучее и стеклообразное деформационное. Широкое применение полимерных материалов обусловлено их высокой стойкостью к различным агрессивным средам, таким как концентрированные кислоты и щелочи. Они не подвержены воздействию Кроме того, с увеличением их молекулярной массы происходит снижение растворимости материала в органических растворителях. А полимеры, обладающие пространственной структурой, вообще не подвержены воздействию упомянутых жидкостей.

Физические свойства

Большинство полимеров являются диэлектриками, кроме того, они относятся к немагнитным материалам. Из всех используемых конструкционных веществ только они обладают наименьшей теплопроводностью и наибольшей теплоемкостью, а также тепловой усадкой (примерно в двадцать раз больше, чем у металла). Причиной потерь герметичности различными уплотнительными узлами при условиях низкой температуры является так называемое стеклование резины, а также резкое различие между коэффициентами расширения металлов и резин в застеклованном состоянии.

Механические свойства

Полимерные материалы отличаются широким диапазоном механических характеристик, которые сильно зависят от их структуры. Кроме этого параметра, большое влияние на механические свойства вещества могут оказать различные внешние факторы. К ним относятся: температура, частота, длительность или скорость нагружения, вид напряженного состояния, давление, характер окружающей среды, термообработка и др. Особенностью механических свойств полимерных материалов является их относительно высокая прочность при весьма малой жесткости (по сравнению с металлами).

Полимеры принято делить на твердые, модуль упругости которых соответствует Е=1-10 ГПа (волокна, пленки, пластмассы), и мягкие высокоэластичные вещества, модуль упругости которых составляет Е=1-10 МПа (резины). Закономерности и механизм разрушения тех и других различны.

Для полимерных материалов характерны ярко выраженная анизотропия свойств, а также снижение прочности, развитие ползучести при условии длительного нагружения. Вмести с этим они обладают довольно высоким сопротивлением усталости. По сравнению с металлами, они отличаются более резкой зависимостью механических свойств от температуры. Одной из главных характеристик полимерных материалов является деформируемость (податливость). По этому параметру в широком температурном интервале принято оценивать их основные эксплуатационные и технологические свойства.

Полимерные материалы для пола

Теперь рассмотрим один из вариантов практического применения полимеров, раскрывающего всю возможную гамму этих материалов. Эти вещества нашли широкое применение в строительстве и ремонтно-отделочных работах, в частности в покрытии полов. Огромная популярность объясняется характеристиками рассматриваемых веществ: они устойчивы к стиранию, малотеплопроводны, имеют незначительное водопоглощение, достаточно прочны и тверды, обладают высокими лакокрасочными качествами. Производство полимерных материалов можно разделить условно на три группы: линолеумы (рулонные), плиточные изделия и смеси для устройства бесшовных полов. Теперь вкратце рассмотрим каждый из них.

Линолеумы изготавливают на основе разных типов наполнителей и полимеров. В их состав также могут входить пластификаторы, технологические добавки и пигменты. В зависимости от типа полимерного материала, различают полиэфирные (глифталевые), поливинилхлоридные, резиновые, коллоксилиновые и другие покрытия. Кроме того, по структуре они делятся на безосновные и со звуко-, теплоизолирующей основой, однослойные и многослойные, с гладкой, ворсистой и рифленой поверхностью, а также одно- и многоцветные.

Материалы для бесшовных полов являются наиболее удобными и гигиеничными в эксплуатации, они обладают высокой прочностью. Эти смеси принято делить на полимерцемент, полимербетон и поливинилацетат.

Полимеры - это соединения макромолекулярного типа. Их основа - мономеры, из которых формируется макроцепь полимерных веществ. Применение полимеров позволяет создавать материалы, обладающие высоким уровнем прочности, износостойкости и рядом других полезных характеристик.

Классификация полимеров

Природные . Образуются естественным природным путем. Пример: янтарь, шелк, натуральный каучук.

Синтетические . Производятся в лабораторных условиях и не содержат природных компонентов. Пример: поливинилхлорид, полипропилен, полиуретан.

Искусственные . Производятся в лабораторных условиях, но в их основе лежат природные составляющие. Пример: целлулоид, нитроцеллюлоза.

Виды полимеров и их применение очень многообразны. Большая часть предметов, которые окружают человека, созданы с использованием этих материалов. В зависимости от типа, они имеют различные свойства, которые и определяют сферу их применения.

Существует ряд распространенных полимеров, с которыми мы сталкиваемся ежедневно и этого даже не замечаем:

• Полиэтилен. Используется для производства упаковки, труб, изоляций и других изделий, где требуется обеспечить влагонепроницаемость, устойчивость к агрессивным средам и диэлектрические характеристики.
• Фенолформальдегид. Является основой пластмасс, лаков и клеевых составов.
• Синтетический каучук. Обладает лучшими прочностными характеристиками и устойчивостью к истиранию, чем натуральный. Из него изготавливается резина и различные материалы на ее основе.
• Полиметилметакрилат - всем известный плексиглас. Используется в электротехнике, а также в качестве конструкционного материала в других производственных областях.
• Полиамил. Из него изготавливается ткань и нитки. Это капрон, нейлон и другие синтетические материалы.
• Политетрафторэтилен, он же - тефлон. Применяется в медицине, пищевой промышленности и различных других областях. Всем известны сковородки с тефлоновым покрытием, которые были когда-то очень популярны.
• Поливинилхлорид, он же ПВХ. Часто встречается в виде пленки, используется для изготовления изоляции кабелей, кожзаменителей, оконных профилей, натяжных потолков. Имеет очень широкую сферу использования.
• Полистирол. Применяется для производства бытовых изделий и широкого ряда строительных материалов.
• Полипропилен. Из этого полимера изготавливаются трубы, тара, нетканые материалы, бытовые изделия, строительные клеи и мастики.

Где применяются полимеры

Область применения полимерных материалов очень широка. Сейчас можно с уверенностью сказать - они используются в промышленности и производстве практически в любой сфере. Благодаря своим качествам полимеры полностью заменили природные материалы, существенно уступающие им по характеристикам. Поэтому стоит рассмотреть свойства полимеров и области их применения.

По классификации материалы можно разделить на:

• композиты;
• пластмассы;
• пленки;
• волокна;
• лаки;
• резины;
• клеящие субстанции.

Качества каждой разновидности определяет область применения полимеров.

Быт

Оглядевшись вокруг, мы можем увидеть огромное количество изделий из синтетических материалов. Это детали бытовых приборов, ткани, игрушки, кухонные принадлежности и даже бытовая химия. По сути - это огромный ряд изделий от обычной пластмассовой расчески до стирального порошка.

Такое широкое использование обусловлено низкой стоимостью производства и высокими качественными характеристиками. Изделия прочны, гигиеничны, не содержат вредных для организма человека компонентов и универсальны. Даже обычные капроновые колготки изготовлены из полимерных составляющих. Поэтому полимеры в быту применяются гораздо чаще, чем натуральные материалы. Они существенно превосходят их по качествам и обеспечивают низкую цену изделия.

Примеры:

• пластиковая посуда и упаковка;
• части различных бытовых приборов;
• синтетические ткани;
• игрушки;
• кухонные принадлежности;
• изделия для санузлов.

Любая вещь из пластика или с включением синтетических волокон изготавливается на основе полимеров, так что перечень примеров может быть бесконечным.

Строительная отрасль

Применение полимеров в строительстве тоже очень обширно. Их стали использовать сравнительно недавно, примерно 50-60 лет тому назад. Сейчас большая часть строительных материалов производится с применением полимеров.

Основные направления:

• изготовление ограждающих и строительных конструкций различного типа;
• клеящие составы и пены;
• производство инженерных коммуникаций;
• материалы для тепло- и гидроизоляции;
• наливные полы;
• различные отделочные материалы.

В сфере ограждающих и строительных конструкций - это полимербетон, композитная арматура и балки, рамы для стеклопакетов, поликарбонат, стеклопластик и различные другие материалы подобного типа. Все изделия на полимерной основе имеют высокие прочностные характеристики, длительный срок службы и устойчивость к негативным природным явлениям.

Клеи отличаются устойчивостью к влаге и отличной адгезией. Они используются для склеивания различных материалов и имеют высокую прочность соединения. Пены - идеальное решение для герметизации стыков. Они обеспечивают высокие теплосберегающие характеристики и насчитывают огромное количество разновидностей с различными качествами.

Применение полимерных материалов в сфере производства инженерных коммуникаций - одно из наиболее обширных направлений. Они используются в водоснабжении, электрообеспечении, теплосбережении, оборудовании канализационных сетей, вентиляции и отопительных систем.

Материалы для теплоизоляции имеют отличные теплосберегающие характеристики, малый вес и доступную стоимость. Гидроизоляция отличается высоким уровнем водонепроницаемости и может выпускаться в различном виде (рулонные изделия, порошок или жидкие смеси).

Полимерные полы - это специализированный материал, который позволяет создать на черновой основе идеально ровную поверхность без трудоемких работ. Такая технология используется как в бытовом, так и в промышленном строительстве.

Современная промышленность выпускает широкий ряд отделочных материалов на основе полимеров. Они могут иметь различную структуру и форму выпуска, но по характеристикам всегда превосходят натуральную отделку и имеют гораздо меньшую стоимость.

Медицина

Применение полимеров в медицине имеет широкое распространение. Самый простой пример - одноразовые шприцы. На данный момент производится около 3 тысяч изделий, используемых в медицинской сфере.

Чаще всего в данной области используются силиконы. Они незаменимы при проведении пластических операций, создания защиты на ожоговых поверхностях, а также изготовления различных изделий. В медицине полимеры использовались с 1788 года, но в ограниченном количестве. А 1895 году они получают более широкое распространение после операции, в ходе которой костный дефект был закрыт полимером на основе целлулоида.

Все материалы данного типа можно разделить на три группы согласно применению:

• 1 группа - для введения в организм. Это искусственные органы, протезы, кровезаменители, клеи, лекарственные препараты.
• 2 группа - полимеры, имеющие контакт с тканями, а также веществами, предназначенными для введения в организм. Это тара для хранения крови и плазмы, стоматологические материалы, шприцы и хирургические инструменты, составляющие медицинского оборудования.
• 3 группа - материалы, не имеющие контакта с тканями и не вводящиеся в организм. Это оборудование и приборы, лабораторная посуда, инвентарь, больничные принадлежности, постельное белье, оправы для очков и линзы.

Сельское хозяйство

Наиболее активно полимеры используются в тепличном хозяйстве и мелиорации. В первом случае имеется потребность в различных пленках, агроволокне, сотовом поликарбонате, а также арматуре. Это все необходимо для сооружения теплиц.

В мелиорации используются трубы из полимерных материалов. Они имеют меньший вес, чем металлические, доступную стоимость и более длительный срок службы.

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности полимерные материалы используются для изготовления тары и упаковки. Могут иметь форму твердых пластиков или пленок. Основное требование - полное соответствие санитарно-эпидемиологическим нормам. Не обойтись без полимеров и в пищевом машиностроении. Их применение позволяет создавать поверхности с минимальной адгезией, что важно при транспортировке зерна и других сыпучих продуктов. Также антиадгезионные покрытия необходимы в линиях выпечки хлеба и производства полуфабрикатов.

Полимеры применяются в различных отраслях деятельности человека, что обусловливает их высокую востребованность. Обойтись без них невозможно. Натуральные материалы не могут обеспечить ряда характеристик, необходимых для соответствия конкретным условиям использования.

Термин «полимерные материалы» является обобщающим. Он объединяет три обширных группы синтетических пластиков, а именно: полимеры; пластмассы и их морфологическую разновидность - полимерные композиционные материалы (ПКМ) или, как их еще называют, армированные пластики. Общее для перечисленных групп то, что их обязательной частью является полимерная составляющая, которая и определяет основные термодеформационные и технологические свойства материала. Полимерная составляющая представляет собой органическое высокомолекулярное вещество, полученное в результате химической реакции между молекулами исходных низкомолекулярных веществ - мономеров.

Полимерами принято называть высокомолекулярные вещества (гомополимеры) с введенными в них добавками, а именно стабилизаторами, ингибиторами, пластификаторами, смазками, антирадами и т. д. Физически полимеры являются гомофазными материалами, они сохраняют все присущие гомополимерам физико-химические особенности.

Пластмассами называются композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Они (дисперсная среда) располагаются в полимерной матрице (дисперсионная среда). Физически пластмассы представляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех направлениях) физическими макросвойствами.
Пластмассы могут быть разделены на две основные группы - термопластические и термореактивные. Термопластические - это те, которые после формирования могут быть расплавлены и снова сформованы; термореактивные, сформованные раз, уже не плавятся и не могут принять другую форму под воздействием температуры и давления. Почти все пластмассы, используемые в упаковках, относятся к термопластическим, например, полиэтилен и полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, найлон (капрон), поликарбонат, поливинилацетат, поливиниловый спирт и другие.
Пластмассы также можно располагать по категориям в зависимости от метода, который используется для их полимеризации, на полимеры, полученные по механизму полиприсоединения или поликонденсации. Полимеры, полученные полиприсоединением, производятся с помощью механизма, который включает либо свободные радикалы, либо ионы, по которому малые молекулы быстро присоединяются к растущей цепи, без образования сопутствующих молекул. Поликонденсационные полимеры производятся с помощью реакции функциональных групп в молекулах друг с другом, так что постадийно образуется длинная цепь полимера, и обычно происходит образование низкомолекулярного сопутствующего продукта, например воды, во время каждой стадии реакции. Большинство упаковочных полимеров, включая полиолефины, поливинилхлорид и полистирол - это полимеры, полученные по механизму полиприсоединения (полимеризации).

Реакция полимеризации - это последовательное присоединение молекул ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта - полимера. Молекулы алкена, вступающие в реакцию полимеризации, называются мономерами. Число элементарных звеньев, повторяющихся в макромолекуле, называется степенью полимеризации (обозначается n). В зависимости от степени полимеризации из одних и тех же мономеров можно получать вещества с различными свойствами. Так, полиэтилен с короткими цепями (n = 20) является жидкостью, обладающей смазочными свойствами. Полиэтилен с длиной цепи в 1500-2000 звеньев представляет собой твердый, но гибкий пластический материал, из которого можно получать пленки, изготовлять бутылки и другую посуду, эластичные трубы и т. д. Наконец, полиэтилен с длиной цели в 5-6 тыс. звеньев является твердым веществом, из которого можно готовить литые изделия, жесткие трубы, прочные нити.

Если в реакции полимеризации принимает участие небольшое число молекул, то образуются низкомолекулярные вещества, например димеры, тримеры и т. д. Условия протекания реакций полимеризации весьма различные. В некоторых случаях необходимы катализаторы и высокое давление. Но главным фактором является строение молекулы мономера. В реакцию полимеризации вступают непредельные (ненасыщенные) соединения за счет разрыва кратных связей.

Полимеризация - это цепная реакция, и, для того чтобы она началась, необходимо активировать молекулы мономера с помощью так называемых инициаторов. Такими инициаторами реакции могут быть свободные радикалы или ионы (катионы, анионы). В зависимости от природы инициатора различают радикальный, катионный или анионный механизмы полимеризации.

Химические и физические свойства пластиков обусловлены их химическим составом, средней молекулярной массой и распределением молекулярной массы, историей обработки (и использования), и наличием добавок.

Полимерные композиционные материалы являются разновидностью пластмасс. Они отличаются тем, что в них используются не дисперсные, а армирующие, то есть усиливающие наполнители (волокна, ткани, ленты, войлок, монокристаллы), образующие в ПКМ самостоятельную непрерывную фазу. Отдельные разновидности таких ПКМ называют слоистыми пластиками. Такая морфология позволяет получить пластики с весьма высокими деформационно-прочностными, усталостными, электрофизическими, акустическими и иными целевыми характеристиками, соответствующими самым высоким современным требованиям.

Структурные формулы полимеров кратко записывают так: формулу элементарного звена заключают в скобки и справа внизу ставят букву n. Например, структурная формула полиэтилена (-СН 2 -СН 2 -) n . Легко заключить, что название полимера слагается из названия мономера и приставки поли-, например полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и т. д.

Наиболее распространенными полимерами углеводородного строения являются полиэтилен и полипропилен.

Полиэтилен получают полимеризацией этилена. Полипропилен получают стереоспецифической полимеризацией пропилена (пропена).
Стереоспецифическая полимеризация - это процесс получения полимера со строго упорядоченным пространственным строением.

К полимеризации способны многие другие соединения - производные этилена, имеющие общую формулу СН 2 =СН-X, где Х - различные атомы или группы атомов.

Виды полимеров

Полиолефины - это класс полимеров одинаковой химической природы (химическая формула -(СН 2)- n) с разнообразным пространственным строением молекулярных цепей, включающий в себя полиэтилен и полипропилен. Кстати сказать, все углеводы, к примеру, природный газ, сахар, парафин и дерево имеют схожее химическое строение. Всего в мире ежегодно производиться 150 млн. т. полимеров, а полеолефины составляют примерно 60% от этого количества. В будущим полиолефины будут окружать нас в гораздо большей степени, чем сегодня, поэтому полезно присмотреться к ним повнимательнее.
Комплекс свойств полиолефинов, в том числе такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, протыканию, усадке при нагреве и к раздиру, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий.
Особенно следует подчеркнуть, что полеолефины экологически чище большинства применяемых человеком материалов. При производстве, транспортировке и обработке стекла, дерева и бумаги, бетона и металла используется много энергии, при выработке которой неизбежно загрязняется окружающая среда. При утилизации традиционных материалов также выделяются вредные вещества и затрачивается энергия. Полиолефины производятся и утилизуются без выделения вредных веществ и при минимальных затаратах энергии, причем при сжигании полиолефинов выделяется большое количество чистого тепла с побочными продуктами в виде водяного пара и углекислого газа.

Полиэтилен
Около 60% всех пластиков, используемых для упаковки - это полиэтилен, который используется так широко главным образом благодаря его низкой стоимости, но также благодаря его отличным свойствам для многих областей применения.

Полиэтилен высокой плотности (ПЭНД - низкого давления) имеет самую простую структуру из всех пластиков, он состоит из повторяющихся звеньев этилена:
-(CH 2 -CH 2)- n полиэтилен высокой плотности.

Полиэтилен низкой плотности (ПЭВД - высокого давления) имеет ту же химическую формулу, но отличается тем, что его структура разветвленная:
-(CH 2 -CHR)- n полиэтилен низкой плотности,
где R может быть -H, -(CH 2) n , -CH 3 , или более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Полиэтилен, благодаря своему простому химическому строению, легко складывается в кристаллическую решетку, и, следовательно, имеет тенденцию к высокой степени кристалличности. Разветвление цепи препятствует этой способности к кристаллизации, что приводит к меньшему числу молекул на единицу объема, и, следовательно, меньшей плотности.

ПЭВД - полиэтилен высокого давления. Пластичен, слегка матовый, воскообразный на ощупь, перерабатывается методом экструзии в рукавную пленку с раздувом или в плоскую пленку через плоскощелевую головку и охлаждаемый валик. Пленка из ПЭВД прочна при растяжении и сжатии, стойка к удару и раздиру, прочна при низких температурах. Имеет особенность - довольно низкая температура размягчения (около 100 градусов Цельсия).

ПЭНД - полиэтилен низкого давления. Пленка из ПЭНД - жесткая, прочная, менее воскообразная на ощупь по сравнению с пленками ПЭВД. Получается экструзией рукава с раздувом или экструзией плоского рукава. Температура размягчения 121°С позволяет производить стерилизацию паром. Морозостойкость этих пленок такая же, как и у пленок из ПЭВД. Устойчивость к растяжению и сжатию - высокая, а сопротивление к удару и раздиру меньше, чем у пленок из ПЭВД. Пленки из ПЭНД - это прекрасная преграда влаге. Стойки к жирам, маслам.
"Шуршащий" пакет-майка, в который вы упаковываете покупки, изготовлен именно из ПЭНД.
Существует два основных типа ПЭНД. Более «старый» тип, произведенный первым в 1930-х годах, полимеризуется при высоких температурах и давлениях, условиях, которые достаточно энергетичны, чтобы обеспечить заметную скорость реакций по цепному механизму, которые приводят к образованию разветвления как с длинными, так и с короткими цепями. Этот тип ПЭНД иногда называется полиэтиленом высокого давления (ПВД, ВД-ПЭНД, из-за высокого давления), если есть необходимость отличать его от линейного полиэтилена низкого давления, более «молодого» типа ПЭВД.

При комнатной температуры полиэтилен - довольно мягкий и гибкий материал. Он хорошо сохраняет эту гибкость в условиях холода, так что применим в упаковке замороженных пищевых продуктов. Однако при повышенных температурах, таких как 100°С, он становится слишком мягким для ряда применений. ПЭНД отличается более высокой хрупкостью и температурой размягчения, чем ПЭВД, но все же не является подходящим контейнеров горячего заполнения.

Около 30% всех пластиков, используемых для упаковки - это ПЭНД. Это наиболее широко используемый пластик для бутылок, из-за его низкой стоимости, простоты формования, и отличных эксплуатационных качеств, для многих областей применения. В своей естественной форме ПЭНД имеет молочно-белый, полупрозрачный вид, и таким образом, не подходит для областей применения, где требуется исключительная прозрачность.

Один недостаток использования ПЭНД в некоторых из областей применения - его тенденция к растрескиванию под напряжением при взаимодействии внешней среды, определяемая как разрушение пластикового контейнера при условиях одновременного напряжения и соприкосновения с продуктом, что в отдельности не приводит к разрушению. Растрескивание под напряжением при взаимодействии внешней среды в полиэтилене соотносится с кристалличностью полимера.

ПЭВД является наиболее широко применяемым упаковочным полимером, соответствующий примерно одной трети всех упаковочных пластиков. Из-за его низкой кристалличности, это более мягкий, более гибкий материал, чем ПЭНД. Благодаря низкой стоимости, он является предпочтительным материалом для пакетов и сумок. ПЭВД отличается лучшей прозрачностью, чем ПЭНД, но все же не обладает кристальной чистотой, которая желательна для некоторых областей применения упаковок.

Полипропилен
Отличается прекрасной прозрачностью (при быстром охлаждении в процессе формообразования), высокой температурой плавления, химической и водостойкостью. ПП пропускает водяные пары, что делает его незаменимым для "дышащей" упаковки продуктов питания (хлеба, зелени, бакалеи), а также в строительстве для гидро-ветроизоляции. ПП чувствителен к кислороду и окислителям. Перерабатывается методом экструзии с раздувом или через плоскощелевую головку с поливом на барабан или охлаждением в водяной бане. Имеет хорошую прозрачность и блеск, высокую химическую стойкость, особенно к маслам и жирам, не растрескивается под воздействием окружающей среды.

Поливинилхлорид
В чистом виде применяется редко из-за хрупкости и неэластичности. Недорог. Может перерабатываться в пленку методом экструзии с раздувом, либо плоскощелевой экструзии. Расплав высоковязкий. ПВХ термически нестабилен и коррозионно активен. При перегреве и горении выделяет высокотоксичное соединение хлора - диоксин. Широко распространился в 60-70е годы. Вытесняется более экологичным полипропиленом.