Polümeermaterjalid: tehnoloogia, tüübid, tootmine ja rakendus

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25

Polümeersed materjalid on keemilised kõrgmolekulaarsed ühendid, mis koosnevad paljudest sama struktuuriga väikemolekulaarsetest monomeeridest (ühikutest). Sageli kasutatakse polümeeride valmistamiseks järgmisi monomeerseid komponente: etüleen, vinüülkloriid, vinüüldekloriid, vinüülatsetaat, propüleen, metüülmetakrülaat, tetrafluoroetüleen, stüreen, uurea, melamiin, formaldehüüd, fenool. Selles artiklis käsitleme üksikasjalikult, mis on polümeersed materjalid, millised on nende keemilised ja füüsikalised omadused, klassifikatsioon ja tüübid.

Polümeeride tüübid

Selle materjali molekulide eripäraks on suur molekulmass, mis vastab järgmisele väärtusele: М>5103. Selle parameetri madalama tasemega ühendeid (M=500-5000) nimetatakse oligomeerideks. Madala molekulmassiga ühendites on mass alla 500. Eristatakse järgmisi polümeersete materjalide liike: sünteetilised ja looduslikud. Viimaste hulka kuuluvad looduslik kautšuk, vilgukivi, vill, asbest, tselluloos jne. Põhilise koha hõivavad aga sünteetilised polümeerid, mis saadakse madala molekulmassiga ühenditest keemilise sünteesiprotsessi tulemusena. olenev altkõrgmolekulaarsete materjalide valmistamise meetodist eristatakse polümeere, mis tekivad kas polükondensatsiooni või liitumisreaktsiooni teel.

Polümerisatsioon

See protsess on madala molekulmassiga komponentide kombineerimine suureks molekulmassiks, et saada pikki ahelaid. Polümerisatsiooni tase on "meride" arv antud koostise molekulides. Kõige sagedamini sisaldavad polümeermaterjalid tuhat kuni kümme tuhat nende ühikut. Polümerisatsiooni teel saadakse järgmisi tavaliselt kasutatavaid ühendeid: polüetüleen, polüpropüleen, polüvinüülkloriid, polütetrafluoroetüleen, polüstüreen, polübutadieen jne.

Polükondensatsioon

See protsess on astmeline reaktsioon, mis seisneb suure hulga sama tüüpi monomeeride või erinevate rühmade (A ja B) paari kombineerimises polükondensaatoriteks (makromolekulideks) koos järgmiste ühendite samaaegse moodustumisega. kõrvalsaadused: metüülalkohol, süsinikdioksiid, vesinikkloriid, ammoniaak, vesi jne. Polükondensatsioonil saadakse silikoone, polüsulfoone, polükarbonaate, aminoplaste, fenoolplaste, polüestreid, polüamiide ja muid polümeerseid materjale.

Polüliitmine

Selle protsessi all mõeldakse polümeeride moodustumist monomeersete komponentide korduva lisamise reaktsioonide tulemusena, mis sisaldavad piiravaid reaktsioonikombinatsioone küllastumata rühmade monomeeridega (aktiivsed tsüklid või kaksiksidemed). Erinev alt polükondensatsioonist kulgeb polüliitumisreaktsioon ilma kõrvalsaadusteta. Selle tehnoloogia kõige olulisem protsess on epoksüvaikude kõvenemine ja polüuretaanide tootmine.

Polümeeride klassifikatsioon

Kõigi polümeersete materjalide koostis jaguneb anorgaanilisteks, orgaanilisteks ja organoelementideks. Esimesed neist (silikaatklaas, vilgukivi, asbest, keraamika jne) ei sisalda aatomsüsinikku. Need põhinevad alumiiniumi, magneesiumi, räni jne oksiididel. Kõige ulatuslikuma klassi moodustavad orgaanilised polümeerid, mis sisaldavad süsiniku, vesiniku, lämmastiku, väävli, halogeeni ja hapniku aatomeid. Orgaaniliste elementide polümeersed materjalid on ühendid, mille peamistes ahelates on lisaks loetletutele räni, alumiiniumi, titaani ja muude elementide aatomeid, mis võivad ühineda orgaaniliste radikaalidega. Selliseid kombinatsioone looduses ei esine. Need on eranditult sünteetilised polümeerid. Selle rühma iseloomulikud esindajad on räniorgaanilised ühendid, mille põhiahel on üles ehitatud hapniku- ja räniaatomitest.

Nõutavate omadustega polümeeride saamiseks ei kasuta tehnoloogia sageli mitte "puhtaid" aineid, vaid nende kombinatsioone orgaaniliste või anorgaaniliste komponentidega. Hea näide on polümeersed ehitusmaterjalid: metall-plast, plastik, klaaskiud, polümeerbetoon.

Polümeeride struktuur

Nende materjalide omaduste eripära on tingitud nende struktuurist, mis omakorda jaguneb järgmisteks tüüpideks: lineaarne hargnenud, lineaarne, ruumilinesuurte molekulaarsete rühmade ja väga spetsiifiliste geomeetriliste struktuuridega, samuti trepp. Vaatleme lühid alt igaüks neist.

Lineaarselt hargnenud struktuuriga polümeersetel materjalidel on lisaks molekulide põhiahelale kõrvalharud. Nende polümeeride hulka kuuluvad polüpropüleen ja polüisobutüleen.

Lineaarse struktuuriga materjalidel on pikad siksakilised või spiraalsed ahelad. Nende makromolekule iseloomustavad peamiselt saitide kordused ahela lüli või keemilise üksuse ühes struktuurirühmas. Lineaarse struktuuriga polümeere eristab väga pikkade makromolekulide olemasolu, millel on oluline erinevus sidemete olemuses piki ahelat ja nende vahel. See viitab molekulidevahelistele ja keemilistele sidemetele. Selliste materjalide makromolekulid on väga paindlikud. Ja see omadus on polümeeriahelate aluseks, mis toob kaasa kvalitatiivselt uued omadused: kõrge elastsus, aga ka rabeduse puudumine kõvenenud olekus.

Ja nüüd uurime välja, mis on ruumilise struktuuriga polümeersed materjalid. Need ained moodustavad makromolekulide omavahelisel kombineerimisel ristisuunas tugevad keemilised sidemed. Selle tulemusena saadakse võrgustruktuur, millel on võrgu ebaühtlane või ruumiline alus. Seda tüüpi polümeeridel on suurem kuumakindlus ja jäikus kui lineaarsetel. Need materjalid on paljude struktuursete mittemetalliliste ainete aluseks.

Redelstruktuuriga polümeermaterjalide molekulid koosnevad ahela paarist, mis on omavahel ühendatud keemilise sidemega. Need sisaldavadräniorgaanilised polümeerid, mida iseloomustab suurenenud jäikus, kuumakindlus, lisaks ei interakteeru nad orgaaniliste lahustitega.

Polümeeride faasiline koostis

Need materjalid on süsteemid, mis koosnevad amorfsetest ja kristalsetest piirkondadest. Esimene neist aitab vähendada jäikust, muudab polümeeri elastseks, st võimeliseks suuri pöörduvaid deformatsioone. Kristalliline faas aitab suurendada nende tugevust, kõvadust, elastsusmoodulit ja muid parameetreid, vähendades samal ajal aine molekulaarset paindlikkust. Kõigi selliste alade mahu ja kogumahu suhet nimetatakse kristallisatsiooniastmeks, kus maksimaalne tase (kuni 80%) on polüpropüleenid, fluoroplastid, suure tihedusega polüetüleenid. Polüvinüülkloriididel, madala tihedusega polüetüleenidel on madalam kristallisatsiooniaste.

Sõltuv alt sellest, kuidas polümeermaterjalid kuumutamisel käituvad, jagatakse need tavaliselt termoreaktiivseteks ja termoplastilisteks.

Termosaktiivsed polümeerid

Neil materjalidel on peamiselt lineaarne struktuur. Kuumutamisel need pehmenevad, kuid neis toimuvate keemiliste reaktsioonide tulemusena muutub struktuur ruumiliseks ja aine muutub tahkeks. Tulevikus see kvaliteet säilib. Sellel põhimõttel on ehitatud polümeerkomposiitmaterjalid. Nende järgnev kuumutamine ei pehmenda ainet, vaid viib ainult selle lagunemiseni. Valmis termoreaktiivsegu seetõttu ei lahustu ega sulaseda ei ole lubatud taaskasutada. Seda tüüpi materjalide hulka kuuluvad epoksüsilikoon, fenoolformaldehüüd ja muud vaigud.

Termoplastilised polümeerid

Need materjalid pehmenevad kuumutamisel esm alt ja seejärel sulavad ning jahutamisel kõvenevad. Termoplastilised polümeerid ei muutu selle töötlemise ajal keemiliselt. See muudab protsessi täielikult pöörduvaks. Seda tüüpi ainetel on lineaarselt hargnenud või lineaarne makromolekulide struktuur, mille vahel toimivad väikesed jõud ja puuduvad absoluutselt keemilised sidemed. Nende hulka kuuluvad polüetüleenid, polüamiidid, polüstüreenid jne. Termoplasti tüüpi polümeersete materjalide tehnoloogia näeb ette nende valmistamise vesijahutusega vormides survevalu, pressimise, ekstrusiooni, puhumise ja muude meetoditega.

Keemilised omadused

Polümeerid võivad olla järgmistes olekutes: tahke, vedel, amorfne, kristalliline faas, samuti väga elastne, viskoosne ja klaasjas deformatsioon. Polümeermaterjalide laialdane kasutamine on tingitud nende kõrgest vastupidavusest erinevatele agressiivsetele vahenditele, nagu kontsentreeritud happed ja leelised. Need ei allu elektrokeemilisele korrosioonile. Lisaks väheneb nende molekulmassi suurenemisega materjali lahustuvus orgaanilistes lahustites. Ja polümeere, millel on kolmemõõtmeline struktuur, mainitud vedelikud üldiselt ei mõjuta.

Füüsikalised omadused

Enamik polümeere on isolaatorid, lisaks on need mittemagnetilised materjalid. Kõigist kasutatud konstruktsioonimaterjalidest on ainult neil madalaim soojusjuhtivus ja suurim soojusmahtuvus ning termiline kokkutõmbumine (ligikaudu paarkümmend korda suurem kui metallil). Erinevate tihendussõlmede tiheduse kadumise põhjuseks madala temperatuuri tingimustes on kummi nn klaasistumine, samuti metallide ja kummide paisumistegurite järsk erinevus klaasistunud olekus.

Mehaanilised omadused

Polümeermaterjalidel on lai valik mehaanilisi omadusi, mis sõltuvad suuresti nende struktuurist. Lisaks sellele parameetrile võivad aine mehaanilistele omadustele suurt mõju avaldada erinevad välistegurid. Nende hulka kuuluvad: temperatuur, sagedus, laadimise kestus või kiirus, pinge tüüp, rõhk, keskkonna iseloom, kuumtöötlus jne. Polümeermaterjalide mehaaniliste omaduste tunnuseks on nende suhteliselt kõrge tugevus väga madala jäikuse juures (võrreldes). metallidele).

Polümeerid jagunevad tavaliselt tahketeks, mille elastsusmoodul vastab E=1–10 GPa (kiud, kiled, plastid) ja pehmeteks ülielaststeks aineteks, mille elastsusmoodul on E=1– 10 MPa (kumm). Mõlema hävitamise mustrid ja mehhanismid on erinevad.

Polümeerseid materjale iseloomustab omaduste väljendunud anisotroopsus, samuti tugevuse vähenemine, roomamise areng pikaajalisel koormusel. Koos sellega nadneil on suhteliselt kõrge väsimuskindlus. Võrreldes metallidega erinevad need mehaaniliste omaduste järsem sõltuvuse poolest temperatuurist. Polümeermaterjalide üks peamisi omadusi on deformeeritavus (painduvus). Selle parameetri järgi on laias temperatuurivahemikus tavaks hinnata nende peamisi töö- ja tehnoloogilisi omadusi.

Polümeerpõrandamaterjalid

Nüüd kaalume ühte võimalust polümeeride praktiliseks kasutamiseks, paljastades nende materjalide täieliku valiku. Neid aineid kasutatakse laialdaselt ehitus-, remondi- ja viimistlustöödel, eelkõige põrandakatete valmistamisel. Suur populaarsus on seletatav kõnealuste ainete omadustega: need on hõõrdumiskindlad, madala soojusjuhtivusega, vähese veeimavusega, üsna tugevad ja kõvad ning kõrgete värvi- ja lakiomadustega. Polümeermaterjalide tootmist saab tinglikult jagada kolme rühma: linoleumid (v altsitud), plaatide tooted ja segud õmblusteta põrandate paigaldamiseks. Heidame nüüd igaühele kiire pilgu.

Linoleume valmistatakse erinevat tüüpi täiteainete ja polümeeride baasil. Need võivad sisaldada ka plastifikaatoreid, abiaineid ja pigmente. Sõltuv alt polümeermaterjali tüübist eristatakse polüestrit (glüftaalhapet), polüvinüülkloriidi, kummi, koloksüliini ja muid katteid. Lisaks jagunevad need struktuuri järgi alusetuteks ning heli- ja soojusisolatsiooni alusega, ühe- ja mitmekihilisteks, sileda, fliisija gofreeritud pind, samuti ühe- ja mitmevärviline.

Polümeerkomponentide baasil valmistatud plaaditud materjalidel on väga madal kulumiskindlus, keemiline vastupidavus ja vastupidavus. Sõltuv alt tooraine tüübist jagunevad seda tüüpi polümeertooted kumaroon-polüvinüülkloriidiks, kumarooniks, polüvinüülkloriidiks, kummiks, fenoliidiks, bituumenplaatideks, samuti puitlaast- ja puitkiudplaatideks.

Õmblusteta põrandate materjale on kõige mugavam ja hügieenilisem kasutada, neil on suur tugevus. Need segud jagunevad tavaliselt polümeertsemendiks, polümeerbetooniks ja polüvinüülatsetaadiks.