Классификация полимеров

1) По происхождению полимеры делят на:

- природные или, биополимеры ( например, белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук, целлюлоза, асбест, шерсть и т.д.) и

– искусственные или синтетические полимеры, которые получают в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений (например, полиэтилен, полиамиды, эпоксидные смолы).

2) По способу получения различают полимеры, которые получают методом полимеризации и методом поликонденсации.

Полимеризация – метод синтеза полимеров, при котором взаимодействие мономеров и (или) олигомеров не сопровождается выделением побочных низкомолекулярных соединений. Полимеризация – это непрерывный цепной процесс последовательного присоединения молекул мономера. При этом химический состав звеньев полимера совпадает с химическим составом исходного мономера. В промышленности полимеризацией получают полистирол, полиакрилаты, большинство каучуков.

Если в реакции полимеризации принимает участие один вид мономера, то процесс называют гомополимеризацией. При участи двух и более видах мономеров процесс называют сополимеризацией.

Поликонденсация – метод синтеза полимеров, при котором взаимодействие одинаковых или разнородных мономеров и (или) олигомеров сопровождается выделением побочных продуктов: низкомолекулярных соединений, например, воды - Н₂О, спирта -(С₂Н₅(ОН), аммиака - NH₃. Поэтому химический состав полимера не совпадает с составом исходного мономера. В промышленности поликонденсацией получают полиамиды, синтетические смолы, кремний органические полимеры.

В отличие от полимеризации, поликонденсация является не цепным, а ступенчатым процессом. Сначала образуются функциональные группы, состоящие из небольшого количества мономеров. При этом сами мономеры исчезают на ранней стадии процесса. Затем образовавшиеся функциональные группы начинают взаимодействовать между собой, образовывая макромолекулы, которые по мере продолжения процесса все более укрупняются.

3) В зависимости от химического состава полимеры бывают: органические, элементоорганические и неорганические.

Органические полимеры содержат в молекулярной цепи в основном атомы углерода, водорода, фосфора, серы, хлора и фтора.

Карбоцепные полимеры содержат в основной цепи только атомы углерода.

Гетероцепные – все остальные.

Элементоорганические полимеры содержат в составе основной молекулярной цепи атомы кремния, титана, алюминия в сочетании с органическими радикалами. Это синтетические полимеры, т.е. в природе таких соединений не существует.

Неорганические полимеры – это стекла, керамика, слюда, асбест, графит. Их основу чаще всего составляют оксиды алюминии, кремния, магния, кальция и др.

4) По форме макромолекул различают линейные, разветвленные, лестничные и пространственные полимеры (рис.)

Линейные макромолекулы – это длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки с высокой прочностью химической связи вдоль цепи и слабыми межмолекулярными связями.

Разветвленные макромолекулы характеризуются наличием боковых ответвлений от основной молекулярной цепи.

Для линейных и разветвленных полимеров характерна способность образовывать анизотропные волокна и пленки, а также существовать в высокоэластическом состоянии.

Лестничные полимеры имеет макромолекулу, состоящую из двух молекулярных цепей, соединенных химическими связями.

Пространственные (сетчатые) полимеры образуются при соединении молекулярных цепей между собой в поперечном направлении. В результате образуется пространственная сетчатая структура с различной частотой сетки. Частным случаем сетчатых полимеров являются паркетные (пластинчатые) полимеры.

5) По поведению при нагреве все полимеры делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются, а при охлаждении затвердевают. Это процесс можно повторять многократно. Поэтому термопластичные полимеры можно неоднократно перерабатывать в изделия. (Термопластичные полимеры - это полимеры с линейной или разветвленной структурой макромолекулы.)

Термореактивные полимеры первоначально имеют линейную структуру и при нагревании размягчаются. При высокой температуре происходит образование поперечных связей и образование пространственной сетчатой структуры. При охлаждении такие полимеры становятся твердыми, и при повторном нагревании выше определенной температуры происходит их деструкция, т.е. разрушение молекулы. Поэтому термореактивные полимеры не возможно повторно перерабатывать.

Полимеры могут находиться в одном из трех физических состояний: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

В стеклообразном состоянии полимеры находятся в твердом состоянии. При этом наблюдаетсятолько упругая деформация. Стеклообразное состояние связано с колебаниями атомов около положения своего равновесия. Движения звеньев и тем более макромолекул при этом не происходит. В стеклообразном состоянии могут находиться все полимеры. Полимеры с пространственной (сетчатой) структурой могут находиться только в стеклообразном состоянии.

Высокоэластическое состояние характеризуется способностью полимера к большим обратимым деформациям при небольших нагрузках. При этом могут колебаться звенья и изгибаться макромолекулы. Спиралевидные макромолекулы выпрямляются, а при снятии нагрузки вновь закручиваются в спираль. Подобное состояние достигается в полимерах с линейной, разветвленной и редкосетчатой структурой макромолекул.

Вязкотекучее состояние сходно с жидким, но отличается очень высокой вязкостью. При этом подвижной становится вся макромолекула. Это состояние наблюдается у линейных и разветвленных полимеров.

Полимер может находиться в одном из физических состояний в зависимости от температуры. По мере повышения температуры линейные и разветвленные полимеры переходят из стеклообразного в высокоэластическое состояние, а затем в вязкотекучее. Этот переход является плавным, не скачкообразным. Температура перехода из стеклообразного состояния в высокоэластическое состояние называется температурой стеклования, а температура перехода из высокоэластического в вязкотекучее состояние называется температурой текучести. Эти граничные температуры переходов являются важными характеристиками полимеров.

Практически все полимеры склонны к старению. Старение полимеров – это самопроизвольное необратимое ухудшение важнейших свойств в результате химических и физических процессов, развивающихся в полимере при эксплуатации и хранении при воздействии повышенной температуры, света, кислорода, озона, а также многократных деформаций. При старении полимеры могут размягчаться или, наоборот, их твердость возрастает, теряется эластичность, они становятся хрупкими.

Пластические массы (пластмассы, пластики)

Пластическими массами или пластмассами называют материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

Пластмассы относят к наиболее прогрессивным строительным материалам. Они по многим показателям превосходят традиционные материалы. Например, коэффициент конструктивного качества (удельная прочность) — отношение предела прочности при сжатии к средней плотности для пластмасс составляет обычно 1—2, как для легких металлических сплавов, в то время как для кирпича он равен примерно 0,02, тяжелого бетона класса В15 - 0,08, стали марки СтЗ - 0,5, сосновой древесины - 0,7.

При замене пластмассами в строительстве металла, бетона, железобетона, древесины во многих случаях достигается высокий технико-экономический эффект. Каждая тонна пластмасс позволяет экономить 5 тонн стали, 3 тонны цветных металлов. Капитальные вложения в производство полимерных строительных материалов в 2—3 раза меньше, чем в производство традиционных строительных материалов. При производстве изделий из пластмасс можно обеспечить высокий уровень комплексной механизации и автоматизации технологических процессов. Применение пластмасс позволяет также обеспечить высокий уровень индустриализации строительства, его качества, снижение материалоемкости зданий и сооружений.

Положительные характеристики материалов на основе пластмасс:

1) легкость в сочетании с высокой прочностью;

2) стойкость к воде;

3) стойкость к различным химическим реагентам;

4) высокая износостойкость;

5) технологичность;

6) способность легко окрашиваться;

7) низкая теплопроводность.

Состав пластмасс:

1. полимер;

2. наполнитель (твердые материалы органического и неорганического происхождения) для повышения прочности, твердости, теплостойкости и придания специальных свойств;

3. пластификаторы (олеиновая кислота, стеарин и др.) для повышения пластичности, что необходимо при изготовлении изделий из пластмасс;

4. отвердители, ускоряющие переход пластмасс в твердое состояние;

5. стабилизаторы, предотвращающие или замедляющие процесс старения пластмассы;

6. красители.

По типу связующего пластмассы делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Термопласты получают на основе термопластичных полимеров. Они хорошо перерабатываются в изделия, характеризуются значительной упругостью и малой хрупкостью. Обычно они не содержат наполнителей.

Реактопласты изготавливают на основе термореактивных полимеров. Они отличаются хрупкостью, при изготовлении изделий часто дают большую усадку, поэтому в них необходимо вводить усиливающие наполнители

По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые, волокнистые, слоистые, газонаполненные, без наполнителя.

По способу переработки в изделия пластмассы подразделяют на литьевые и прессовочные. Литьевые перерабатывают в изделия методами литьевого прессования и являются термопластичными. Прессовочные перерабатываются в изделия методами горячего прессования и являются термореактивными.

Основные методы переработки термопластов – литье под давлением, экструзия, вакуум формование, пневмоформование. Изделия из реактопластов изготовляют прессованием и литьем под давлением.

По назначению пластмассы бывают конструкционные, химически стойкие, прокладочные и уплотнительные, фрикционные, антифрикционные, теплоизоляционные, теплозащитные, электроизоляционные, оптически прозрачные, строительные: облицовочно-декоративные и отделочные. Это деление условно, т.к. одна и та же пластмасса может обладать различными свойствами.

Пластмассы без наполнителя чаще всего являются термопластичными материалами.

Полиэтилен. Занимает первое место в общем объеме мирового производства пластмасс. Различают полиэтилен получаемый полимеризацией при высоком давлении (ПЭВД) и при низком давлении (ПЭНД). Один из самых легких материалов, имеет высокую эластичность, отличные электроизоляционные свойства, химически стоек, водонепроницаем, морозостоек до -70⁰С, недорог, технологичен. Недостатки – склонность к старению и невысокая теплостойкость до +70⁰С. Для защиты от старения в полиэтилен вводят стабилизаторы (2-3% сажи) Полиэтилен используют при изготовлении пленки, изоляции проводов, изготовления коррозионно-стойких труб, уплотнительных деталей. Полиэтилен применяют для покрытия металлов с целью защиты их от коррозии.

Поливинилхлорид Химическая формула: [-CH₂-CHCl-]_n.Международное обозначение — PVC.

Пластиковые окна. Профиль производят методом экструзии. Такие окна дешевле деревянных и алюминиевых. Для придания жесткости оконной конструкции пластиковый профиль армирован (внутри проходит стальная вставка.)

Полистирол (С8Н8)_n или [-СН2-С(С6Н5)Н-]_n

Сп равка. Стиро́л C₈H₈ (фенилэтилен, винилбензол, этиленбензол) — бесцветная жидкость со специфическим запахом. Стирол практически нерастворим в воде, хорошо растворим в органических растворителях, хороший растворитель полимеров. Стирол относится ко второму классу опасности.

Большую часть стирола (около 85 %) в промышленности получают дегидрированием этилбензола при температуре 600—650°С, при атмосферном давлении и разбавлении перегретым водяным паром в 3 — 10 раз. Используют оксидные железо-хромовые катализаторы с добавкой карбоната калия.

Стружка из полистирола, растворенная в стироле, образует идеальный клей для полистирола: под действием тепла и остатков полимеризаторов клеевой шов достаточно быстро полимеризуется и полностью исчезает, т.о., две детали превращаются в единый монолит.