Что такое полимерные материалы: применение в химии

Что такое полимерные материалы: применение в химии

Вопросы и ответы

Автор kartanxc_vsetehp На чтение 16 мин Просмотров 40 Опубликовано 07.12.2021

Что такое полимеры?

Синтетические полимеры — это производные нефти. Большинство из них получают в результате двух основных реакций: полимеризации и поликонденсации.

Вещества, которые имеют больше связей, чем мономеры, вступают в реакцию полимеризации. В результате получается продукт.

Вещества, имеющие в цепи функциональные группы мономеров, вступают в реакцию поликонденсации. В этом случае получают полимер с высокой молекулярной массой и вещество с низкой молекулярной массой (воду).

Полимеры — это не только вещества, искусственно созданные человеком, но и природный строительный материал для всего живого.

• сложные углеводы — полимеры элементарных сахаров;
• белки — полимеры аминокислот;
• целлюлоза — это полимер, содержащийся в древесине;
• кератин — полимер, содержащийся в волосах, ногтях и перьях птиц;
• хитин, полимер, скрепляющий панцири членистоногих;
• производные нуклеиновых кислот — гетерополимеры ДНК.

Открытие полимеров

ХХ век с полным основанием можно назвать веком полимеров. Их открытие не было целенаправленным исследованием. Изначально они были побочным продуктом различных химических экспериментов и реакций.

Химик Лео Бакеланд в конце концов обратил внимание на эти бесполезные материалы, и в ходе его экспериментальной работы был получен пластик — полимер, который может принимать разные формы при изменении температуры и давления. С момента изобретения бакелита (первоначальное название пластика) началась эра производства полимеров.

Во время Второй мировой войны синтетический каучук для производства каучука был разработан для нужд армии США. В ходе неудачных экспериментов был обнаружен и новый полимер в виде мастики с повышенной эластичностью. Это было время для создания стеклопластика и смол на основе фенолформальдегида. Возникла отдельная отрасль химии — полимеры.

Сущность

Состав и основа полимерных материалов — аналогичные группы атомов, из которых синтезируется высокомолекулярное вещество. Обычно производство происходит из продуктов переработки нефти, угля и газа. Второй способ — из вторичного сырья (целлюлоза, лигнин).

Физические свойства

Ассортимент производимых полимеров очень широк. Их физико-механические свойства очень разные. Основные из них:

• Низкая теплопроводность. Это позволяет использовать ряд материалов в качестве теплоизоляции.
• Высокое значение LTEC из-за ограничений движения и нестабильных коэффициентов деформации. Несмотря на это, некоторые полимеры идеально подходят для защитного напыления на стальные поверхности. Они образуют тонкую пленку, защищающую металл от коррозии.
• Удельный вес полимеров зависит от состава и структуры. Этот параметр варьируется в очень широких пределах.
• По прочности на разрыв полимеры уступают металлам и их сплавам. Однако этот показатель у них достаточно высокий, что отчасти связано с пластичностью материалов.
• Низкая рабочая температура. Как правило, большинство полимеров, таких как полиэтилен, полипропилен, ПВХ, можно использовать при температуре не выше 80 ° С. При превышении предельного значения материал размягчается и теряет твердость. Фенолоформальдегидные смолы выдерживают нагрев до 200 ° С, кремнийорганические соединения — до 350 ° С.
• Большинство полимеров горючие. Токсичные вещества выделяются при горении и плавлении.
• Большинство полимеров обладают высокими диэлектрическими свойствами. Это позволяет использовать их в качестве изоляционных материалов в электрооборудовании, а также при изготовлении рукояток для инструментов для работы с токопроводящими частями. Например, удельное сопротивление поливинилхлорида составляет 1017 Ом * см. В то же время в последние десятилетия были синтезированы полимеры с ионной или электронной проводимостью, что открывает возможности для нового использования этих материалов в качестве проводников и полупроводников.
• Эластомеры обладают способностью возвращаться к своей первоначальной форме после длительного воздействия нагрузки.

Для улучшения физических характеристик в состав полимеров вводятся различные добавки. Такие материалы называются наполненными. По своим характеристикам композиты значительно превосходят чистые полимеры, что позволяет использовать их в экстремальных условиях.

Химический состав

Есть две большие группы полимерных материалов:

В гомоцицепных соединениях основные цепи макромолекулы состоят из атомов одного и того же типа. К ним, например, относятся углеродная цепь, сульфидная цепь, селиновая цепь, состоящая соответственно из атомов углерода, серы и кремния.

Это такие материалы, как органические: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, неорганические: карбин, кумулен, полисилан, органический элемент: полиорганосиланы, поливинилалкилсиланы, содержащие бор и др.

Гетероцепные полимеры — это полимеры, в структуре которых присутствуют атомы заместителей различных химических элементов. Примерами таких соединений являются полиэфиры, полиамиды, полисилоксаны, полиформальдегид и т.д.

Структура

Тип связей мономеров в макромолекуле оказывает сильное влияние на физические характеристики полимера. Существует ряд различных типов структурных соединений, основными из которых являются:

• Линейный. Мономеры соединены в цепочку. Эти материалы очень эластичны. Примеры: натуральный каучук, эластомеры.
• Разветвленный. Цепи имеют боковые ответвления. Высокопрочные материалы. Например: амилопектин (входящий в состав крахмала), полиэтилен высокого давления.
• Свитер. Цепи сшиты. Неэластичные и нерастворимые вещества, такие как вулканизированные эпоксидные смолы, фенолформальдегидные смолы. Сетевые соединения могут быть плоскими (например, лестница или паркет) и пространственными. Трехмерные структуры придают материалам максимальную твердость.

Полимеры, состоящие из одних и тех же мономеров, называются гомополимерами, материалы, макромолекулы которых включают разные структурные единицы, называются гетерополимерами (сополимерами).

Пространственное строение

К полимерным материалам по пространственной структуре относятся:

• Изотактический (стереорегулярный). Заместители расположены на одной стороне основной цепи. Эти полимеры обладают высокой прочностью.
• Синдиотактический. Заместители находятся на обеих сторонах цепи через равные промежутки времени.
• Атактический (не стереорегулярный). Заместители находятся по обе стороны цепи через случайные интервалы. Эти материалы самые мягкие.

Агрегатное состояние

Твердые пластмассы широко используются в производстве промышленных товаров, труб, корпусов для бытовой техники, предметов интерьера и других товаров. У них достаточно высокая прочность и жесткость. Также широко используются эластичные полимерные материалы, такие как резина, резина, силикон.

К жидким полимерам относятся лакокрасочные материалы, герметики и другие составы, применяемые в строительных и отделочных работах.

Полярность

Соотношение положительных и отрицательных зарядов определяет растворимость веществ в различных средах. Поэтому по свойствам полимерные материалы делятся на:

• полярный (гидрофильный);
• неполярный (гидрофобный);
• смешанный (амфильный).

Отношение к температурному воздействию

Классификация проводится на два типа:

• пСМ термореактивные (термореактивные пластмассы);
• термопласт pCM (термопласты).

Термореактивный агент включает низкомолекулярные олигомеры: фенольные, олигоэфиры, эпоксидные смолы, кремнийорганический, полиэфирные смолы, бисмалеинимиды, смеси имидообразующих мономеров. При комнатной температуре кусочки хранятся в жидком состоянии.

В изделиях термореактивные пластмассы обладают лучшей прочностью, термостойкостью, пропиточной способностью, адгезией, низкой вязкостью. К недостаткам можно отнести хрупкость, высокую пористость материалов, ограниченный срок хранения деталей, токсичность используемых растворителей, необходимость термической обработки в процессе формования, что увеличивает его время.

Производство конечного продукта сопровождается необратимой каталитической реакцией, в результате чего он характеризуется неплавкой структурой с высокой прочностью молекулярных связей. Продукты не подлежат переработке. Это создает некоторые проблемы, связанные с их утилизацией.

К термопластам относятся высокомолекулярные соединения: полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, фторопласты. В естественных условиях изделия находятся в твердом состоянии, а срок их службы практически неограничен.

Для формования их нагревают до плавления. Процессы нагрева и закалки можно проводить несколько раз. В зависимости от структуры термопластичные полимеры делятся на аморфные и частично кристаллические. Первые характеризуются изотропными свойствами, эластичностью и высоким поверхностным трением. Для кристаллов они характеризуются ударопрочностью, жаропрочностью, химической инертностью.

Недостаток термопластов в том, что они быстрее стареют при воздействии окружающей среды. Однако этот недостаток компенсируется возможностью обработки. Процесс изготовления изделий включает стадии нагрева, формовки, охлаждения.

Внутреннее строение мономеров

Здесь есть два представления:

• гомополимеры: цепь мономерных звеньев одного типа;
• сополимеры — звенья разной структуры, соединенные в цепочку и улучшающие свойства продукта.

Реакция на термическую обработку

1. Термопласты: после нагрева они возвращаются к своей первоначальной форме. Его можно перерабатывать много раз.
2. Термореактивные — они разрушаются под воздействием высоких температур.

В результате различных производственных процессов полученные полимеры делятся на 4 основные группы:

• пластмассы — полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиуретан;
• волокна — ацетат шелка, вискоза;
• эластомеры — резина, резина (вулканизированная резина);
• биополимеры — углеводы, белки, нуклеиновые кислоты.

Виды полимеров

По своему происхождению полимеры можно разделить на три типа:

• естественный. Природные или природные полимеры можно найти в естественных условиях. В эту группу входят, например, янтарь, шелк, каучук, крахмал.

• синтетический. Синтетические полимеры получены в лабораторных условиях, синтезированы человеком. К таким полимерам относятся ПВХ, полиэтилен, полипропилен, полиуретан — эти вещества не имеют ничего общего с природой.
• искусственный. Искусственные полимеры отличаются от синтетических тем, что их синтезируют даже в лабораторных условиях, но на основе природных полимеров. Искусственные полимеры включают целлулоид, ацетат целлюлозы, нитроцеллюлозу.

С точки зрения химической природы полимеры делятся на органические, неорганические и органоэлементы. Большинство известных полимеров являются органическими. Сюда входят все синтетические полимеры. Основу веществ неорганической природы составляют такие элементы, как S, O, P, H и другие.

Эти полимеры не эластичны и не образуют макрокатены. К ним относятся полисиланы, поликремниевая кислоты, полигерманы.

Органоэлементные полимеры включают смесь как органических, так и неорганических полимеров. Основная цепь всегда неорганическая, боковые цепи — органические. Примеры полимеров включают полисилоксаны, поликарбоксилаты, полиорганциклофосфазены.

Все полимеры могут находиться в разных агрегатных состояниях. Это могут быть жидкости (смазки, краски, клеи, краски), эластичные материалы (резина, силикон, поролон), а также твердые пластмассы (полиэтилен, полипропилен).

Природные полимеры

Такие полимеры можно найти в природе. Люди не участвуют в производстве этих полимеров. Примеры включают белок, крахмал, натуральный каучук, хлопок, шерсть и т.д.

Искусственные полимеры

Чтобы получить такие полимеры, человек проводит химические опыты. Например, чтобы получить модифицированный полимер, который затем будет использоваться при производстве красок, химики добавляют льняное или касторовое масло к раствору стирола в толуоле или ксилоле и нагревают его.

Синтетические полимеры

Такие полимеры можно получить химическим синтезом (то есть химическим способом). В синтезе участвуют высокомолекулярные органические продукты. Например, для получения синтетического полимера лавсана необходимо поликонденсировать (т.е провести химический эксперимент) терефталевую кислоту и этиленгликоль.

Примером могут служить смолы из нейлона, нейлона, полиэтилена, полипропилена, полистирола, фенолформальдегида.

Классификация полимеров

Полимеры имеют несколько классификаций.

В первую очередь их делят по происхождению:

• натуральные — каучук, протеин, картофельный и кукурузный крахмал, древесная масса;
• искусственный — вискоза;
• синтетические — нейлон, полиуретаны.

Далее по молекулярной массе. Указывает, насколько однородна молекула по своему химическому составу. Процент его реакции и полимеризации зависит от количества повторений структурной единицы мономеров их конструкции. Следовательно, дополнительные свойства играют важную роль в классификации.

Элементоорганические полимеры

Они содержат атомы других химических элементов, таких как кремний, алюминий, титан и др. назначать:

• термостойкие полимеры;
• полимеры с высокой электропроводностью и полупроводниковыми свойствами;
• вещества с высокой твердостью и эластичностью;
• биологически активные полимеры и др.

Химики получают такие полимеры путем реакции определенных органических веществ с солями или путем замены некоторых атомов углерода в молекулах другими составляющими. Примером могут служить полисилоксаны, полититаноксаны и др.

Неорганические полимеры

Полимеры, молекулы которых состоят из неорганических боковых цепей (или неорганических радикалов). Неорганические полимеры находятся в земной коре.

Полимеры могут различаться по составу мономерных звеньев. Мономерное звено является составной частью макромолекулы полимера. Различать:

• гомополимеры;
• гетерополимеры (или сополимеры).

Карбоцепные полимеры

Основные цепи макромолекул таких полимеров содержат только атомы углерода. Например: резина.

Гетероцепные полимеры

Основные цепи макромолекул таких полимеров включают не только атомы углерода, но также атомы кислорода, азота и серы.

Например: простые эфиры (например, полиэтиленгликоль), сложные эфиры (глифталевые смолы, полипептиды (белки) и т.д.).

Полимеры также можно подразделить на основе расположения цепей мономеров в пространстве. Различать:

• стереорегулярные (полимеры линейной структуры);
• не стереорегулярный (или атактический).

Структура полимерных макромолекул может быть разной. Итак, полимеры:

• линейный;
• разветвленный;
• лестница;
• трехмерное (сетчатое, пространственное) шитье).

Полимеры можно получить разными способами:

• если полимер получают поликонденсацией, то этот полимер называют поликонденсацией (или термореактивным пластиком);
• если с помощью полимеризации, речь идет о полимеризационном полимере.

В зависимости от реакции полимера на нагрев различают:

• термопласт (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол);
• термореактивные полимеры (полиэфиры, эпоксидные, меламиновые и фенольные смолы).

Синтетические пластмассы, смолы, каучуки

Смола — это ВМС, полученная из корневого соединения. В твердом состоянии вещество представляет собой аморфную массу, размягчается под действием температуры. Все известные искусственные полимеры представляют собой смолы.

Термопласты и реактопласты

Полимер — термопласт, относится к типу А, строение молекулы цепное. Вещество можно сливать и преобразовывать. Известны составы термопластической смолы:

• полиэтилен;
• полипропилен;
• поливинил хлорид;
• полистирол;
• поливинилацетат;
• полиакрилат;
• инден-кумарон.

Пластик — это материал, состоящий из смолы, наполнителя, стабилизатора и красителя. Добавки придают продукту желаемые свойства, снижают вязкость и обеспечивают стойкость состава. Полимер или смола — это синтетический продукт, а пластик — это композитный состав. Оргстекло, поликарбонат и тефлон — это термопластические материалы, готовые к использованию без добавок.

К термопластам относятся полимерные материалы, не восстанавливающие свойства после воздействия высоких температур:

• Фенопласт.
• Аминопласт.
• Волокно.
• Тестолит.
• Текстолит асбестовый.

Смолы — реактопласты

Смолы типа B получают в результате реакций поликонденсации или полимеризации в нескольких фазах. Конструкции не линейные, они получаются в результате совмещения компонентов с выделением простой воды или газа. Полимеры можно использовать один раз. Они затвердевают, при изменении агрегатного состояния разрушаются.

Составы используются как клеи, добавки в лакокрасочные, строительные, вяжущие смеси:

• Фенолоформальдегидные смолы используются для склеивания пластиков, ДСП, при производстве красок и клеев. К этому типу ВМС относятся бакелитовая краска, полимер В, полимер FR-12.
• Аминоформальдегидные смолы используются в качестве связующих для теплоизоляционных материалов и пластмасс.
• Полиуретановые смолы — клеи.
• Кремнийорганические смолы характеризуются как гидрофобный материал. Клеи на его основе не разрушаются при перепадах температур.
• Эпоксидные смолы используются в качестве связующего в строительных смесях. Для склеивания требуется добавка отвердителя.

Искусственные каучуки

Все материалы, относящиеся к резине, эластичны. Длинная молекула линейного вещества свернута в шар. Когда он растягивается, он меняет свою конфигурацию. Такие вещества называют эластомерами. Известны синтетические каучуки:

• бутадиен;
• изопрен;
• хлоропрен:
• бутадиен-стирол.

Основным радикалом в синтезированном каучуке является бутадиен, его изомер, молекула с хлором и стиролом.

Путем вулканизации сажи путем нагревания композиции с добавлением сажи получают каучук. Известный эбонитовый материал представляет собой трехмерную структуру, полученную путем вулканизации каучука с порошком серы.

Характеристики полимерных клеящих материалов

Полимерные клеи выпускаются в виде жидких порошков и пленок.

Есть два типа жидких клеев. Первый тип клея — это камеди, смолы или производные целлюлозы, растворенные в летучем органическом растворителе (спирте или ацетоне). После испарения растворителя образуется прочная адгезионная связь. Второй тип клеев — это водные растворы смол, специально приготовленные для клеев. При правильном хранении эти растворы не загустевают в течение нескольких месяцев. Жидкие клеи содержат 40-70% твердого клея.

Наиболее распространены жидкие клеи меламиноформальдегидные, фенолформальдегидные, карбамидоформальдегидные, каучуковые, эпоксидные, поливинилацетатные, а также клеи с добавлением силиконов.

Клей КМЦ (натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы) используется при производстве мастик и строительных растворов для облицовки каменных материалов.

Карбиноловый клей (винилацетиленкарбонен) представляет собой прозрачную вязкую жидкость светло-оранжевого цвета с высокой адгезионной способностью. Поэтому его называют универсальным. Он способен склеивать различные материалы, в том числе бетон, камень, металл, дерево. Клей, отвержденный карбинолом, устойчив к маслам, кислотам, щелочам, бензину, ацетону и воде.

Концентрированная азотная кислота или перекись бензоила используются в качестве катализаторов для ускорения затвердевания карбинольного клея. Последний является взрывоопасным порохом, поэтому хранить его следует вдали от огня.

Карбиноловый клей производится на основе сиропа карбинола (100 частей по весу) двух составов: в первый добавляют пероксид бензоила (1-3 части по весу) в качестве отвердителя и концентрированную азотную кислоту (1-2 части по весу).) во втором ч.).

Клей Carbinol хранят при температуре 20 ° С и в темноте, так как под воздействием света он теряет клеящую способность.

Эпоксидный клей представляет собой светло-коричневую прозрачную вязкую жидкость с высокой адгезионной способностью.

Применяется для склеивания камня, бетона, керамической плитки. Затвердевший шов эпоксидного клея устойчив к кислотам, щелочам, растворителям, воде и высоким механическим нагрузкам. Отвердители эпоксидной смолы — полиэтиленполиамин или гексаметилендиамин, пластификатор — дибутилфталат.

Где используются полимеры?

Благодаря своим свойствам полимеры сейчас используются во многих отраслях промышленности. Из них делают самые разные материалы.

Например, в строительстве — как материал для электротехнических конструкций, кабелей, проводов, труб, эмалей и изоляционных красок. Полимеры химически добавляются в состав бетона и железобетона для улучшения их качества. Полимеры используются в производстве защитных пленок и покрытий, сеток и заборов.

Полимеры также используются в автомобильной промышленности. Из них изготавливают автомобильные комплектующие: резину, решетки радиатора, колпаки колес, чехлы на сиденья, вентиляционные решетки, коврики; их добавляют в лаки и краски.

Они также используются в производстве клеев.

Нефтегазовая промышленность также использует полимеры: при производстве оборудования, такого как насосы, камеры и т.д.

В медицине из полимеров делают капсулы для лекарств. Полимерный поликарбонат также используется при разработке искусственного сердца. А гиалуроновая кислота, которая также является полимером, используется в процессе увеличения тканей.

Использование полимеров

Отметим, что полимеры используются практически во всех сферах жизни современного человека. В магазине сумки, пластиковые бутылки, текстильные волокна, телефоны, компьютеры, пищевая упаковка, автозапчасти, игрушки — полимеры есть повсюду. В производстве чаще всего используют полиэтилен и полипропилен. Их молекулы могут содержать от 10 000 до 200 000 мономеров.

В быту

В повседневной жизни все используют предметы из полимеров. Это:

• пластиковые пакеты;
• пленка для приготовления еды в духовке;
• одноразовая посуда;
• перья;
• корпуса и части бытовой техники (телевизоры, компьютеры, тюнеры, пылесосы, утюги, блендеры, микроволновые печи, настольные лампы и др);
• игрушки;
• детали интерьера кухонь и ванных комнат (полки, шкафы, мыльницы, крючки для полотенец.
• гидроэлементы;
• ведра, бидоны, цветочные горшки;
• мебельная фурнитура и заглушки;
• предметы личной гигиены (расчески, зубные щетки);
• синтетическая одежда (нейлоновые колготки, спортивные куртки, рыболовные костюмы);
• обувь и подошвы для обуви;
• некоторые виды бытовой химии.

В строительстве

В строительном секторе полимерные материалы постепенно вытесняют традиционные, такие как металл, дерево, бетон, и новинки постоянно расширяют область своего применения. Полимеры используются как:

• облицовочные панели для стен, потолка и пола;
• защитные конструкции;
• элементы межкомнатных окон и дверей;
• герметики для заделки трещин, в том числе пенополиуретан;
• трубы, фитинги, емкости и другие элементы систем теплоснабжения для водоснабжения и канализации;
• элементы вентиляции и вытяжки;
• тепло- и гидроизоляционные материалы;
• Малярные материалы;
• наливные полы.

В медицине

В медицине используется несколько тысяч наименований полимерных изделий. Между ними:

• одноразовые шприцы;
• емкости для крови и плазмы;
• препараты для обработки швов;
• протезы и искусственные органы
• стоматологические материалы;
• оправы для очков, линзы;
• хирургические инструменты;
• посуда и лабораторная мебель;
• бахилы.

Будущее полимеров

Исследователи экспериментируют с различными типами полимеров с целью развития медицины и улучшения продуктов, которые мы уже используем. Например, полимерные соединения, армированные углеродным волокном, должны делать автомобили легче (что означает меньший расход топлива) и безопаснее.

Полимеры также используются для создания голограмм. Ученые из Пенсильванского университета создали голограмму на гибком полимерном материале, в который были встроены золотые нанополоски. Новое устройство может поддерживать несколько изображений вместо одного.

«Это важный шаг, потому что теперь можно записывать больше голографических изображений и редактировать их, просто растягивая полимер», — сказал ведущий автор исследования Ритеш Агарвал, профессор Пенсильванского университета.

Искусственная кожа из силикона (который, кстати, также является полимером) может стать будущим в антивозрастной индустрии. Кремы на полимерной основе должны укреплять кожу, а значит избавляться от морщин и мешков под глазами. Кроме того, искусственная кожа призвана помочь людям с кожными заболеваниями, такими как экзема, а также может использоваться для защиты от солнца.

https://vsetehpribory.ru/voprosi-i-otveti/chto-takoe-polimernye-materialy-ih-svojstva-i-primenenie