Polymeeriset materiaalit: teknologia, tyypit, tuotanto ja soveltaminen

Polymeerimateriaalit ovat kemiallisia.suurimolekyyliset yhdisteet, jotka koostuvat lukuisista pienen molekyylimonomeereista (yksiköistä), joilla on sama rakenne. Usein polymeerien valmistuksessa, joissa käytetään seuraavia monomeerikomponentteja: eteeni, vinyylikloridi, vinyylideenikloridi, vinyyliasetaatti, propyleeni, metyylimetakrylaatti, tetrafluorieteeni, styreeni, urea, melamiini, formaldehydi, fenoli. Tässä artikkelissa tarkastellaan lähemmin, mitä polymeerejä, niiden kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia, luokitusta ja tyyppejä ovat.

Polymeerien lajit

Tämän materiaalin molekyylien ominaisuus onsuuri molekyylipaino, joka vastaa seuraavaa arvoa: M> 5 * 103. Yhdisteitä, joilla tämän parametrin alhaisempi taso (M = 500-5000), kutsutaan oligomeereiksi. Pienimolekyylisissä yhdisteissä massa on alle 500. Seuraavia polymeerimateriaaleja on synteettisiä ja luonnollisia. Jälkimmäiset luokitellaan yleensä luonnonkumiksi, kiille, villaksi, asbestiksi, selluloosaksi jne. Kuitenkin pääpaikka on synteettisten polymeerien käytössä, jotka saadaan kemiallisen synteesin tuloksena pienimolekyylipainoisista yhdisteistä. Riippuen suurimolekyylisten materiaalien valmistusmenetelmästä on olemassa polymeerejä, jotka syntyy joko polykondensaatiolla tai lisäysreaktiolla.

polymerointi

Tämä prosessi on yhdistyspienimolekyylipainoiset komponentit, joilla on suuri molekyylipaino ja jotka saavat pitkiä ketjuja. Polymerointitason suuruus on "mittojen" lukumäärä tietyn koostumuksen molekyyleissä. Useimmiten polymeerimateriaalit sisältävät yksikkönsä tuhannesta kymmeneen tuhanteen. Seuraavat yleisesti käytetyt yhdisteet saadaan polymeroimalla: polyeteeni, polypropeeni, polyvinyylikloridi, polytetrafluorieteeni, polystyreeni, polybutadieeni jne.

polykondensaatiossa

Tämä prosessi on vaiheittainenreaktio, joka koostuu samantyyppisten monomeerien tai monien eri ryhmien (A ja B) yhdistämisestä polykondensaattoreihin (makromolekyyleihin), jolloin muodostuu samanaikaisesti seuraavat sivutuotteet: metyylialkoholi, hiilidioksidi, kloorivety, ammoniakki, vesi jne. Polykondensaation avulla saat silikonit, polysulfonit, polykarbonaatit, amiinit, fenoplastit, polyesterit, polyamidit ja muut polymeerimateriaalit.

polyadditiossa

Tässä prosessissa ymmärrä koulutustapolymeerit seurauksena reaktioista, joissa monomeerikomponentteja, jotka sisältävät äärimmäisiä reaktiivisia yhdistyksiä, on lisätty tyydyttymättömien ryhmien monomeereihin (aktiiviset syklit tai kaksoissidokset). Toisin kuin polykondensaatiolla, polyadditio-reaktio etenee ilman sivutuotteiden poistoa. Tämän tekniikan tärkein prosessi on epoksihartsien kovettaminen ja polyuretaanien saaminen.

Polymeerien luokittelu

Koostumuksen mukaan kaikki polymeerimateriaalit jaetaanepäorgaaniset, orgaaniset ja organoelementit. Ensimmäinen niistä (silikaattilasi, kiille, asbestista, keramiikasta jne.) Ei sisällä atomihiiltä. Ne perustuvat alumiinin, magnesiumin, piin jne. Oksideihin. Orgaaniset polymeerit ovat laajin luokka, ne sisältävät hiiltä, ​​vetyä, typpeä, rikkiä, halogeenia ja happea. Elementti-orgaaniset polymeerimateriaalit ovat yhdisteitä, joiden pääketjujen koostumuksessa on lueteltujen lisäksi silikonin, alumiinin, titaanin ja muiden orgaanisten radikaalien kanssa yhdistettävien elementtien atomeja. Luonnossa tällaisia ​​yhdistelmiä ei tapahdu. Nämä ovat yksinomaan synteettisiä polymeerejä. Tämän ryhmän tyypillisiä edustajia ovat organosilikoniin perustuvat yhdisteet, joiden pääasiallinen ketju on rakennettu happi- ja piimetomeista.

Polymeereille, joilla on vaaditut ominaisuudetTekniikassa käytetään usein "puhtaita" aineita, mutta niiden yhdistelmiä orgaanisten tai epäorgaanisten komponenttien kanssa. Polymeerien rakennusmateriaalit ovat hyvä esimerkki: metalli- muovit, muovit, lasikuitu, polymeerbetoni.

Polymeerirakenne

Näiden materiaalien ominaisuuksien erityispiirre johtuuniiden rakenne, joka puolestaan ​​jakautuu seuraaviin tyyppeihin: lineaarisesti haarautunut, lineaarinen, tilava suurten molekyyliryhmien kanssa ja hyvin spesifiset geometriset rakenteet sekä tikkaat. Ajattele lyhyesti jokainen niistä.

Polymeerimateriaaleilla, joilla on lineaarisesti haarautunut rakenne, on molekyylien pääketjun lisäksi sivukonttoreita. Tällaisia ​​polymeerejä ovat polypropeeni ja polyisobutyleeni.

Materiaalit, joilla on lineaarinen rakenne, ovat pitkiäsiksak- tai spiraalikierteiset ketjut. Niiden makromolekyyleille on tunnusomaista ensisijaisesti kohtausten toistaminen ketjun linkin tai kemiallisen yksikön rakenteellisessa ryhmässä. Lineaarisen rakenteen omaavat polymeerit erottuvat hyvin pitkien makromolekyylien läsnäololla, joilla on merkittävä ero sidosten luonteessa ketjussa ja niiden välillä. Tarkoittaa molekyylien välisiä ja kemiallisia sidoksia. Tällaisten materiaalien makromolekyylit ovat hyvin joustavia. Ja tämä ominaisuus on polymeeriketjujen perusta, joka johtaa laadullisesti uusiin ominaisuuksiin: korkea elastisuus sekä epävakauden puuttuminen karkaistussa tilassa.

Ja nyt opimme, mitä polymeerimateriaaleja onspatiaalinen rakenne. Kun makromolekyylit liittyvät yhteen, nämä aineet muodostavat vahvoja kemiallisia sidoksia poikittaissuunnassa. Tuloksena on mesh-rakenne, jolla on ruudukon heterogeeninen tai spatiaalinen perusta. Tämän tyyppisillä polymeereillä on suurempi lämmönkestävyys ja jäykkyys kuin lineaarisilla. Nämä materiaalit perustuvat moniin rakenteellisiin ei-metallisiin aineisiin.

Polymeerimolekyylit, joissa on tikkaatRakenne koostuu ketjuparista, jotka on liitetty kemiallisella sidoksella. Näihin kuuluvat silikonipolymeerit, joille on tunnusomaista korkea jäykkyys, lämmönkestävyys, lisäksi ne eivät ole vuorovaikutuksessa orgaanisten liuottimien kanssa.

Polymeerien faasikoostumus

Nämä materiaalit ovat järjestelmiäjotka koostuvat amorfisista ja kiteisistä alueista. Ensimmäinen auttaa vähentämään jäykkyyttä, tekee polymeeristä elastisen, joka kykenee suuriin, käänteisluonteisiin muodonmuutoksiin. Kiteinen faasi lisää niiden lujuutta, kovuutta, kimmomoduulia ja muita parametreja samalla vähentäen aineen molekyylien joustavuutta. Kaikkien tällaisten alueiden tilavuuden suhdetta kokonaistilavuuteen kutsutaan kiteytymisasteeksi, jossa enimmäistaso (jopa 80%) ovat polypropyleenejä, fluoroplastisia ja suuritiheyksisiä polyeteenejä. Polyvinyylikloridilla, pienitiheyksisellä polyeteenillä on alhaisempi kiteytymisaste.

Riippuen siitä, miten polymeerimateriaalit käyttäytyvät kuumennettaessa, ne on yleensä jaettu lämpökovettuviin ja termoplastisiin.

Lämpökovettuvat polymeerit

Näillä materiaaleilla on ensisijaisesti lineaarinenrakennetta. Kuumennettaessa ne pehmenevät, mutta niiden kemiallisten reaktioiden seurauksena rakenne muuttuu tilaan ja aine muuttuu kiinteäksi. Tulevaisuudessa tämä laatu säilyy. Polymeerikomposiittimateriaalit perustuvat tähän periaatteeseen. Niiden myöhempi lämmitys ei pehmentä ainetta, vaan johtaa vain sen hajoamiseen. Valmis lämpökovettuva seos ei liukene eikä sulaa, joten sen kierrätys ei ole hyväksyttävää. Tämäntyyppiset materiaalit sisältävät epoksisilikonin, fenoli-formaldehydin ja muut hartsit.

Termoplastiset polymeerit

Nämä materiaalit pehmenevät ensin kuumennettaessaja sitten sulatetaan ja sen jälkeen jäähdytetään. Tällaisen käsittelyn mukaisia ​​termoplastisia polymeerejä ei muuteta kemiallisesti. Tämä tekee prosessista täysin palautuvan. Tämäntyyppisillä aineilla on lineaarisesti haarautunut tai lineaarinen makromolekyylien rakenne, joiden välillä on pieniä voimia ja mitään kemiallisia sidoksia. Näitä ovat polyeteenit, polyamidit, polystyreenit jne. Termoplastinen polymeerimateriaalitekniikka tarjoaa niiden valmistuksen ruiskuvalulla vesijäähdytetyissä muodoissa, puristamalla, suulakepuristamalla, puhaltamalla ja muilla menetelmillä.

Kemialliset ominaisuudet

Polymeerit voivat olla seuraavissa tiloissa: kiinteä, nestemäinen, amorfinen, kiteinen faasi sekä erittäin elastinen, viskoosi ja lasimainen muodonmuutos. Polymeerimateriaalien laaja käyttö sen vuoksi, että ne kestävät hyvin erilaisia ​​aggressiivisia väliaineita, kuten väkeviä happoja ja emäksiä. Ne eivät ole alttiita sähkökemialliselle korroosiolle. Lisäksi niiden molekyylipainon kasvaessa tapahtuu materiaalin liukoisuuden väheneminen orgaanisissa liuottimissa. Ja nämä nesteet eivät yleensä vaikuta polymeereihin, joilla on spatiaalinen rakenne.

Fysikaaliset ominaisuudet

Useimmat polymeerit ovat dielektrisiä aineita,lisäksi ne ovat ei-magneettisia materiaaleja. Kaikista käytetyistä rakennusmateriaaleista vain niillä on alhaisin lämmönjohtavuus ja suurin lämpökapasiteetti sekä terminen kutistuminen (noin kaksikymmentä kertaa enemmän kuin metallilla). Syy erilaisten tiivistysyksiköiden tiiviyden häviämiseen matalan lämpötilan olosuhteissa on niin sanottu kumilasi, samoin kuin metallien ja kumin paisuntakertoimien terävä ero lasimaisessa tilassa.

Mekaaniset ominaisuudet

Polymeerimateriaaleilla on laajamekaanisten ominaisuuksien alue, joka riippuu voimakkaasti niiden rakenteesta. Tämän parametrin lisäksi erilaisilla ulkoisilla tekijöillä voi olla suuri vaikutus aineen mekaanisiin ominaisuuksiin. Näitä ovat: lämpötila, taajuus, kesto tai kuormitusnopeus, jännitystilan tyyppi, paine, ympäristön luonne, lämpökäsittely jne. Polymeerimateriaalien mekaanisten ominaisuuksien erityispiirre on niiden suhteellisen korkea lujuus, erittäin jäykkä (verrattuna metalleihin).

Polymeerit voidaan jakaa kiinteisiin moduuleihinjonka elastisuus vastaa E = 1–10 GPa (kuidut, kalvot, muovit) ja pehmeät, erittäin elastiset aineet, joiden elastisuusmoduuli on E = 1–10 MPa (kumi). Näiden ja muiden tuhoamismallit ja -mekanismi ovat erilaisia.

Polymeerimateriaaleille on ominaista kirkasvoimakas anisotrooppinen ominaisuus sekä voimakkuuden heikkeneminen, virran kehittyminen pitkittyneen kuormituksen yhteydessä. Yhdessä tämän kanssa heillä on melko suuri väsymiskestävyys. Metalleihin verrattuna ne erottuvat mekaanisten ominaisuuksien terävämmästä riippuvuudesta lämpötilasta. Yksi polymeerimateriaalien pääominaisuuksista on muodonmuutos (sitkeys). Tämän parametrin mukaan on tavallista arvioida niiden tärkeimmät toiminnalliset ja teknologiset ominaisuudet laajalla lämpötila-alueella.

Polymeerilattiamateriaalit

Tarkastakaa nyt yksi käytännön vaihtoehdoistapolymeerien käyttö, joka paljastaa näiden materiaalien koko mahdollisen valikoiman. Näitä aineita käytetään laajalti rakennus-, korjaus- ja viimeistelytyöissä, erityisesti lattiapäällysteissä. Suuri suosio johtuu kyseisten aineiden ominaisuuksista: ne kestävät hankausta, niillä on alhainen lämmönjohtavuus, niillä on vähän vettä, ne ovat melko voimakkaita ja kiinteitä, ja niissä on korkeat maali- ja lakkaominaisuudet. Polymeerimateriaalien tuotanto voidaan jakaa kolmeen ryhmään: linoleumi (rulla), laatatuotteet ja saumattomat lattiat. Ajattele nyt lyhyesti niitä.

Linoleumit valmistetaan eri tyyppien perusteellatäyteaineet ja polymeerit. Ne voivat sisältää myös pehmittimiä, prosessointiaineita ja pigmenttejä. Polymeerimateriaalin tyypistä riippuen erotetaan polyesteri (glyptal), polyvinyylikloridi, kumi, kolloksyyliini ja muut pinnoitteet. Lisäksi rakenteen mukaan ne on jaettu peruskyvyttömiin ja äänieristäviin, kerroksellisiin ja monikerroksisiin alustoihin, joissa on sileä, pehmeä ja uritettu pinta sekä yksi- ja monivärinen.

Laattojen perusteella valmistetut laatoitetut materiaalit. \ Tpolymeerikomponenteilla on hyvin alhainen kuluminen, kemiallinen kestävyys ja kestävyys. Raaka-ainetyypistä riippuen tämäntyyppinen polymeerituote jaetaan kumaronipolyvinyylikloridiksi, kumaroniksi, polyvinyylikloridiksi, kumiksi, fenoliitiksi, bitumilevyiksi ja lastulevyiksi ja kuitulevyiksi.

Saumattomat lattiat ovat materiaalin mukavimpia ja hygieenisimpiä, niillä on suuri lujuus. Nämä seokset voidaan jakaa polymeerisementiksi, polymeeri- betoniksi ja polyvinyyliasetaatiksi.