Polymérne materiály: technológia, typy, výroba a použitie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Polymérne materiály sú chemické vysokomolekulové zlúčeniny, ktoré pozostávajú z mnohých malomolekulových monomérov (jednotiek) rovnakej štruktúry. Na výrobu polymérov sa často používajú nasledujúce monomérne zložky: etylén, vinylchlorid, vinyldechlorid, vinylacetát, propylén, metylmetakrylát, tetrafluóretylén, styrén, močovina, melamín, formaldehyd, fenol. V tomto článku podrobne zvážime, čo sú polymérne materiály, aké sú ich chemické a fyzikálne vlastnosti, klasifikácia a typy.

Typy polymérov

Vlastnosťou molekúl tohto materiálu je veľká molekulová hmotnosť, ktorá zodpovedá nasledujúcej hodnote: М>5103. Zlúčeniny s nižšou úrovňou tohto parametra (M=500-5000) sa nazývajú oligoméry. V zlúčeninách s nízkou molekulovou hmotnosťou je hmotnosť menšia ako 500. Rozlišujú sa tieto typy polymérnych materiálov: syntetické a prírodné. Medzi posledné patria prírodný kaučuk, sľuda, vlna, azbest, celulóza atď. Hlavné miesto však zaujímajú syntetické polyméry, ktoré sa získavajú ako výsledok procesu chemickej syntézy z nízkomolekulových zlúčenín. v závislostizo spôsobu výroby vysokomolekulárnych materiálov sa rozlišujú polyméry, ktoré vznikajú buď polykondenzáciou alebo adičnou reakciou.

Polymerizácia

Tento proces je kombináciou zložiek s nízkou molekulovou hmotnosťou na zložky s vysokou molekulovou hmotnosťou na získanie dlhých reťazcov. Úroveň polymerizácie je počet "mérov" v molekulách daného zloženia. Polymérne materiály najčastejšie obsahujú tisíc až desaťtisíc svojich jednotiek. Nasledujúce bežne používané zlúčeniny sa získavajú polymerizáciou: polyetylén, polypropylén, polyvinylchlorid, polytetrafluóretylén, polystyrén, polybutadién atď.

Polykondenzácia

Tento proces je postupná reakcia, ktorá spočíva v spojení buď veľkého počtu monomérov rovnakého typu, alebo páru rôznych skupín (A a B) do polykondenzátorov (makromolekúl) so súčasným vytvorením nasledujúcich vedľajšie produkty: metylalkohol, oxid uhličitý, chlorovodík, amoniak, voda atď. Polykondenzáciou vznikajú silikóny, polysulfóny, polykarbonáty, aminoplasty, fenolické plasty, polyestery, polyamidy a iné polymérne materiály.

Polyaddition

Tento proces sa chápe ako tvorba polymérov ako výsledok reakcií viacnásobnej adície monomérnych zložiek, ktoré obsahujú limitujúce reakčné kombinácie na monoméry nenasýtených skupín (aktívne cykly alebo dvojité väzby). Na rozdiel od polykondenzácie prebieha polyadičná reakcia bez akýchkoľvek vedľajších produktov. Najdôležitejším procesom tejto technológie je vytvrdzovanie epoxidových živíc a výroba polyuretánov.

Klasifikácia polymérov

Zloženie všetkých polymérnych materiálov sa delí na anorganické, organické a organoprvkové. Prvé z nich (silikátové sklo, sľuda, azbest, keramika atď.) neobsahujú atómový uhlík. Sú na báze oxidov hliníka, horčíka, kremíka atď. Organické polyméry tvoria najrozsiahlejšiu triedu, obsahujú atómy uhlíka, vodíka, dusíka, síry, halogénu a kyslíka. Organoprvkové polymérne materiály sú zlúčeniny, ktoré majú v hlavných reťazcoch okrem uvedených atómov kremíka, hliníka, titánu a iných prvkov, ktoré sa môžu spájať s organickými radikálmi. Takéto kombinácie sa v prírode nevyskytujú. Ide výlučne o syntetické polyméry. Charakteristickými predstaviteľmi tejto skupiny sú zlúčeniny na báze organokremičitých zlúčenín, ktorých hlavný reťazec tvoria atómy kyslíka a kremíka.

Na získanie polymérov s požadovanými vlastnosťami technológia často nepoužíva „čisté“látky, ale ich kombinácie s organickými alebo anorganickými zložkami. Dobrým príkladom sú polymérne stavebné materiály: kov-plasty, plasty, sklolaminát, polymérbetón.

Štruktúra polymérov

Zvláštnosť vlastností týchto materiálov je spôsobená ich štruktúrou, ktorá sa zase delí na tieto typy: lineárne-rozvetvené, lineárne, priestorovés veľkými molekulovými skupinami a veľmi špecifickými geometrickými štruktúrami, ako aj schodisko. Pozrime sa stručne na každú z nich.

Polymérne materiály s lineárne rozvetvenou štruktúrou majú okrem hlavného reťazca molekúl bočné vetvy. Tieto polyméry zahŕňajú polypropylén a polyizobutylén.

Materiály s lineárnou štruktúrou majú dlhé cik-cak alebo špirálové reťazce. Ich makromolekuly sú primárne charakterizované opakovaním miest v jednej štruktúrnej skupine článku alebo chemickej jednotky reťazca. Polyméry s lineárnou štruktúrou sa vyznačujú prítomnosťou veľmi dlhých makromolekúl s výrazným rozdielom v povahe väzieb pozdĺž reťazca a medzi nimi. To sa týka medzimolekulových a chemických väzieb. Makromolekuly takýchto materiálov sú veľmi flexibilné. A táto vlastnosť je základom polymérnych reťazcov, čo vedie ku kvalitatívne novým vlastnostiam: vysokej elasticite, ako aj absencii krehkosti vo vytvrdenom stave.

A teraz poďme zistiť, čo sú polymérne materiály s priestorovou štruktúrou. Tieto látky vytvárajú, keď sa makromolekuly navzájom spájajú, silné chemické väzby v priečnom smere. V dôsledku toho sa získa sieťová štruktúra, ktorá má nerovnomerný alebo priestorový základ sieťoviny. Polyméry tohto typu majú väčšiu tepelnú odolnosť a tuhosť ako lineárne. Tieto materiály sú základom mnohých štruktúrnych nekovových látok.

Molekuly polymérnych materiálov s rebríčkovou štruktúrou pozostávajú z páru reťazcov, ktoré sú spojené chemickou väzbou. Tie obsahujúorganokremičité polyméry, ktoré sa vyznačujú zvýšenou tuhosťou, tepelnou odolnosťou, navyše neinteragujú s organickými rozpúšťadlami.

Fázové zloženie polymérov

Tieto materiály sú systémy, ktoré pozostávajú z amorfných a kryštalických oblastí. Prvý z nich pomáha znižovať tuhosť, robí polymér elastickým, to znamená, že je schopný veľkých reverzibilných deformácií. Kryštalická fáza pomáha zvyšovať ich pevnosť, tvrdosť, modul pružnosti a ďalšie parametre, pričom znižuje molekulárnu flexibilitu látky. Pomer objemu všetkých takýchto plôch k celkovému objemu sa nazýva stupeň kryštalizácie, kde maximálnu úroveň (až 80%) má polypropylény, fluoroplasty, polyetylény s vysokou hustotou. Polyvinylchloridy, polyetylény s nízkou hustotou majú nižší stupeň kryštalizácie.

V závislosti od toho, ako sa polymérové materiály správajú pri zahrievaní, sa zvyčajne delia na termosetové a termoplastické.

Termosetové polyméry

Tieto materiály majú predovšetkým lineárnu štruktúru. Pri zahrievaní zmäknú, ale v dôsledku chemických reakcií, ktoré sa v nich vyskytujú, sa štruktúra zmení na priestorovú a látka sa zmení na pevnú látku. V budúcnosti je táto kvalita zachovaná. Na tomto princípe sú postavené polymérne kompozitné materiály. Ich následné zahrievanie látku nezmäkčuje, ale vedie len k jej rozkladu. Hotová termosetová zmes sa preto nerozpúšťa ani neroztopínie je dovolené ho recyklovať. Tento typ materiálu zahŕňa epoxidový silikón, fenolformaldehyd a iné živice.

Termoplastické polyméry

Tieto materiály po zahriatí najskôr zmäknú a potom sa roztopia a po ochladení stvrdnú. Termoplastické polyméry počas tejto úpravy nepodliehajú chemickým zmenám. Vďaka tomu je proces úplne reverzibilný. Látky tohto typu majú lineárne rozvetvenú alebo lineárnu štruktúru makromolekúl, medzi ktorými pôsobia malé sily a neexistujú absolútne žiadne chemické väzby. Patria sem polyetylény, polyamidy, polystyrény atď. Technológia polymérnych materiálov termoplastického typu zabezpečuje ich výrobu vstrekovaním do foriem chladených vodou, lisovaním, vytláčaním, vyfukovaním a inými spôsobmi.

Chemické vlastnosti

Polyméry môžu byť v nasledujúcich stavoch: tuhá, kvapalná, amorfná, kryštalická fáza, ako aj vysoko elastická, viskózna a sklovitá deformácia. Široké použitie polymérnych materiálov je spôsobené ich vysokou odolnosťou voči rôznym agresívnym médiám, ako sú koncentrované kyseliny a zásady. Nepodliehajú elektrochemickej korózii. Okrem toho so zvyšovaním ich molekulovej hmotnosti klesá rozpustnosť materiálu v organických rozpúšťadlách. A polyméry, ktoré majú trojrozmernú štruktúru, vo všeobecnosti nie sú ovplyvnené uvedenými kvapalinami.

Fyzikálne vlastnosti

Väčšina polymérov sú izolanty, navyše sú to nemagnetické materiály. Zo všetkých použitých konštrukčných materiálov majú iba oni najnižšiu tepelnú vodivosť a najvyššiu tepelnú kapacitu, ako aj tepelné zmrštenie (asi dvadsaťkrát väčšie ako kov). Príčinou straty tesnosti rôznych tesniacich zostáv v podmienkach nízkych teplôt je takzvaný sklený prechod gumy, ako aj prudký rozdiel medzi koeficientmi rozťažnosti kovov a gumy v sklenom stave.

Mechanické vlastnosti

Polymérne materiály majú širokú škálu mechanických charakteristík, ktoré vo veľkej miere závisia od ich štruktúry. Okrem tohto parametra môžu mať na mechanické vlastnosti látky veľký vplyv rôzne vonkajšie faktory. Patria sem: teplota, frekvencia, trvanie alebo rýchlosť zaťažovania, druh napätosti, tlak, povaha prostredia, tepelné spracovanie atď. Znakom mechanických vlastností polymérnych materiálov je ich relatívne vysoká pevnosť pri veľmi nízkej tuhosti (v porovnaní na kovy).

Polyméry sa zvyčajne delia na pevné, ktorých modul pružnosti zodpovedá E=1–10 GPa (vlákna, fólie, plasty) a mäkké vysokoelastické látky, ktorých modul pružnosti je E=1– 10 MPa (guma). Vzory a mechanizmus ničenia oboch sú rôzne.

Polymérne materiály sa vyznačujú výraznou anizotropiou vlastností, ako aj poklesom pevnosti, rozvojom tečenia pri dlhodobom zaťažení. Spolu s týmto onimajú relatívne vysokú odolnosť proti únave. V porovnaní s kovmi sa líšia výraznejšou závislosťou mechanických vlastností od teploty. Jednou z hlavných charakteristík polymérnych materiálov je deformovateľnosť (poddajnosť). Podľa tohto parametra sa v širokom rozsahu teplôt zvykne hodnotiť ich hlavné prevádzkové a technologické vlastnosti.

Polymérové podlahové materiály

Teraz sa pozrime na jednu z možností praktickej aplikácie polymérov, ktorá odhalí celú škálu týchto materiálov. Tieto látky sa široko používajú pri stavebných, opravárenských a dokončovacích prácach, najmä pri podlahách. Obrovskú popularitu vysvetľujú vlastnosti príslušných látok: sú odolné voči oderu, majú nízku tepelnú vodivosť, majú malú absorpciu vody, sú dosť pevné a tvrdé a majú vysokú kvalitu farieb a lakov. Výrobu polymérnych materiálov možno podmienečne rozdeliť do troch skupín: linoleá (valcované), výrobky z dlaždíc a zmesi na inštaláciu bezšvíkových podláh. Poďme sa teraz rýchlo pozrieť na každý z nich.

Linoleá sa vyrábajú na báze rôznych druhov plnív a polymérov. Môžu tiež zahŕňať zmäkčovadlá, pomocné látky na spracovanie a pigmenty. V závislosti od typu polymérneho materiálu sa rozlišujú polyesterové (glyftalové), polyvinylchloridové, kaučukové, koloxylínové a iné povlaky. Okrem toho sa podľa štruktúry delia na bezpodkladové a so zvukovo a tepelne izolačným podkladom, jednovrstvové a viacvrstvové, s hladkým, vlnitýma vlnitý povrch, ako aj jednofarebné a viacfarebné.

Kachľové materiály vyrobené na báze polymérových komponentov majú veľmi nízku oteru, chemickú odolnosť a životnosť. V závislosti od druhu suroviny sa tento typ polymérových produktov delí na kumarón-polyvinylchlorid, kumarón, polyvinylchlorid, kaučuk, fenol, bitúmenové dlaždice, ako aj drevotrieskové a drevovláknité dosky.

Materiály na bezšvíkové podlahy sú najpohodlnejšie a najhygienickejšie na použitie, majú vysokú pevnosť. Tieto zmesi sa zvyčajne delia na polymércement, polymérbetón a polyvinylacetát.