Materiale polimerice: tehnologie, tipuri, producție și aplicare

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Materialele polimerice sunt compuși chimici cu molecule în alte care constau din numeroși monomeri (unități) cu molecule mici cu aceeași structură. Adesea, următoarele componente monomerice sunt utilizate pentru fabricarea polimerilor: etilenă, clorură de vinil, declorură de vinil, acetat de vinil, propilenă, metacrilat de metil, tetrafluoretilenă, stiren, uree, melamină, formaldehidă, fenol. În acest articol, vom lua în considerare în detaliu ce sunt materialele polimerice, care sunt proprietățile lor chimice și fizice, clasificarea și tipurile.

Tipuri de polimeri

O caracteristică a moleculelor acestui material este o greutate moleculară mare, care corespunde următoarei valori: М>5103. Compușii cu un nivel mai scăzut al acestui parametru (M=500-5000) se numesc oligomeri. În compușii cu greutate moleculară mică, masa este mai mică de 500. Se disting următoarele tipuri de materiale polimerice: sintetice și naturale. Acestea din urmă includ cauciuc natural, mica, lână, azbest, celuloză etc. Cu toate acestea, locul principal este ocupat de polimerii sintetici, care sunt obținuți ca urmare a unui proces de sinteză chimică din compuși cu greutate moleculară mică. în funcţiedin metoda de fabricare a materialelor cu molecule în alte se disting polimerii, care sunt creați fie prin policondensare, fie printr-o reacție de adiție.

polimerizare

Acest proces este o combinație de componente cu greutate moleculară mică în greutate moleculară mare pentru a obține lanțuri lungi. Nivelul de polimerizare este numărul de „meri” din moleculele unei compoziții date. Cel mai adesea, materialele polimerice conțin de la o mie la zece mii de unități. Prin polimerizare se obțin următorii compuși utilizați în mod obișnuit: polietilenă, polipropilenă, clorură de polivinil, politetrafluoretilenă, polistiren, polibutadienă etc.

Policondens

Acest proces este o reacție în trepte, care constă în combinarea fie unui număr mare de monomeri de același tip, fie a unei perechi de grupe diferite (A și B) în policondensatori (macromolecule) cu formarea simultană a următoarelor: produse secundare: alcool metilic, dioxid de carbon, acid clorhidric, amoniac, apă etc. Policondensarea produce siliconi, polisulfone, policarbonați, materiale plastice amino, materiale plastice fenolice, poliesteri, poliamide și alte materiale polimerice.

Polyadițiune

Acest proces este înțeles ca formarea de polimeri ca rezultat al reacțiilor de adăugare multiplă a componentelor monomerice care conțin combinații de reacție limitatoare la monomeri ai grupărilor nesaturate (cicluri active sau duble legături). Spre deosebire de policondensare, reacția de poliadiție are loc fără niciun produs secundar. Cel mai important proces al acestei tehnologii este întărirea rășinilor epoxidice și producerea poliuretanilor.

Clasificarea polimerilor

Compoziția tuturor materialelor polimerice este împărțită în anorganice, organice și organoelement. Primele dintre ele (sticlă silicată, mica, azbest, ceramică etc.) nu conțin carbon atomic. Se bazează pe oxizi de aluminiu, magneziu, siliciu etc. Polimerii organici constituie cea mai extinsă clasă, conțin atomi de carbon, hidrogen, azot, sulf, halogen și oxigen. Materialele polimerice organoelement sunt compuși care în principalele lanțuri au, pe lângă cele enumerate, atomi de siliciu, aluminiu, titan și alte elemente care se pot combina cu radicalii organici. Astfel de combinații nu apar în natură. Aceștia sunt exclusiv polimeri sintetici. Reprezentanții caracteristici ai acestui grup sunt compușii pe bază de organosiliciu, al căror lanț principal este construit din atomi de oxigen și siliciu.

Pentru a obține polimeri cu proprietățile cerute, tehnologia folosește adesea nu substanțe „pure”, ci combinații ale acestora cu componente organice sau anorganice. Un bun exemplu sunt materialele de construcție polimerice: metal-plastic, materiale plastice, fibră de sticlă, beton polimeric.

Structura polimerilor

Particularitatea proprietăților acestor materiale se datorează structurii lor, care, la rândul ei, se împarte în următoarele tipuri: liniar-ramificat, liniar, spațialcu grupuri moleculare mari și structuri geometrice foarte specifice, precum și scară. Să luăm în considerare pe scurt fiecare dintre ele.

Materialele polimerice cu structură ramificată liniar, pe lângă lanțul principal de molecule, au ramuri laterale. Acești polimeri includ polipropilena și poliizobutilena.

Materialele cu structură liniară au lanțuri lungi în zig-zag sau în spirală. Macromoleculele lor sunt caracterizate în primul rând prin repetarea situsurilor într-un grup structural al unei legături sau al unei unități chimice a lanțului. Polimerii cu o structură liniară se disting prin prezența macromoleculelor foarte lungi, cu o diferență semnificativă în natura legăturilor de-a lungul lanțului și între ele. Aceasta se referă la legăturile intermoleculare și chimice. Macromoleculele unor astfel de materiale sunt foarte flexibile. Și această proprietate stă la baza lanțurilor polimerice, ceea ce duce la noi caracteristici calitativ: elasticitate ridicată, precum și absența fragilității în stare de întărire.

Și acum să aflăm ce sunt materialele polimerice cu structură spațială. Aceste substanțe formează, atunci când macromoleculele sunt combinate între ele, legături chimice puternice în direcția transversală. Ca rezultat, se obține o structură de plasă, care are o bază neuniformă sau spațială a plasei. Polimerii de acest tip au o rezistență la căldură și o rigiditate mai mare decât cei liniari. Aceste materiale sunt baza multor substanțe structurale nemetalice.

Moleculele de materiale polimerice cu o structură în scări constau dintr-o pereche de lanțuri care sunt conectate printr-o legătură chimică. Acestea includpolimeri organosilici, care se caracterizează prin rigiditate crescută, rezistență la căldură, în plus, nu interacționează cu solvenții organici.

Compoziția de fază a polimerilor

Aceste materiale sunt sisteme care constau din regiuni amorfe și cristaline. Primul dintre ele ajută la reducerea rigidității, face polimerul elastic, adică capabil de deformații reversibile mari. Faza cristalină ajută la creșterea rezistenței, durității, modulului de elasticitate și a altor parametri, reducând în același timp flexibilitatea moleculară a substanței. Raportul dintre volumul tuturor acestor zone și volumul total se numește grad de cristalizare, unde nivelul maxim (până la 80%) are polipropilene, fluoroplaste, polietilene de în altă densitate. Policlorurile de vinil, polietilenele de joasă densitate au un grad mai scăzut de cristalizare.

În funcție de modul în care se comportă materialele polimerice la încălzire, acestea sunt de obicei împărțite în termorigide și termoplastice.

Polimeri termorigizi

Aceste materiale au în principal o structură liniară. Când sunt încălzite, se înmoaie, dar ca urmare a reacțiilor chimice care au loc în ele, structura se schimbă într-una spațială, iar substanța se transformă într-un solid. În viitor, această calitate se menține. Materialele compozite polimerice sunt construite pe acest principiu. Încălzirea lor ulterioară nu înmoaie substanța, ci doar duce la descompunerea acesteia. Prin urmare, amestecul termorigid finit nu se dizolvă și nu se topeștenu este permis să-l recicleze. Acest tip de material include silicon epoxidic, fenol-formaldehidă și alte rășini.

Polimeri termoplastici

Aceste materiale, când sunt încălzite, mai întâi se înmoaie și apoi se topesc, apoi se întăresc când sunt răcite. Polimerii termoplastici nu suferă modificări chimice în timpul acestui tratament. Acest lucru face procesul complet reversibil. Substanțele de acest tip au o structură liniar-ramificată sau liniară de macromolecule, între care acționează forțe mici și nu există absolut nicio legătură chimică. Acestea includ polietilene, poliamide, polistiren etc. Tehnologia materialelor polimerice de tip termoplastic asigură producerea acestora prin turnare prin injecție în matrițe răcite cu apă, presare, extrudare, suflare și alte metode.

Proprietăți chimice

Polimerii pot fi în următoarele stări: solid, lichid, amorf, fază cristalină, precum și deformare foarte elastică, vâscoasă și sticloasă. Utilizarea pe scară largă a materialelor polimerice se datorează rezistenței lor ridicate la diferite medii agresive, cum ar fi acizii concentrați și alcalii. Nu sunt supuse coroziunii electrochimice. În plus, odată cu creșterea greutății lor moleculare, solubilitatea materialului în solvenți organici scade. Și polimerii, care au o structură tridimensională, nu sunt, în general, afectați de lichidele menționate.

Proprietăți fizice

Majoritatea polimerilor sunt izolatori, în plus, sunt materiale nemagnetice. Dintre toate materialele structurale utilizate, numai acestea au cea mai scăzută conductivitate termică și cea mai mare capacitate termică, precum și contracție termică (de aproximativ douăzeci de ori mai mare decât cea a metalului). Motivul pierderii etanșeității diferitelor ansambluri de etanșare în condiții de temperatură scăzută este așa-numita tranziție sticloasă a cauciucului, precum și diferența accentuată dintre coeficienții de dilatare a metalelor și cauciucurilor în stare vitrificată.

Proprietăți mecanice

Materialele polimerice au o gamă largă de caracteristici mecanice, care sunt foarte dependente de structura lor. Pe lângă acest parametru, diverși factori externi pot avea o mare influență asupra proprietăților mecanice ale unei substanțe. Acestea includ: temperatura, frecvența, durata sau viteza de încărcare, tipul stării de solicitare, presiunea, natura mediului, tratamentul termic etc. O caracteristică a proprietăților mecanice ale materialelor polimerice este rezistența lor relativ mare la rigiditate foarte scăzută (comparativ la metale).

Polimerii sunt de obicei împărțiți în solidi, al căror modul elastic corespunde cu E=1–10 GPa (fibre, filme, materiale plastice) și substanțe moi foarte elastice, al căror modul elastic este E=1– 10 MPa (cauciuc). Tiparele și mecanismul de distrugere al ambelor sunt diferite.

Materialele polimerice se caracterizează printr-o anizotropie pronunțată a proprietăților, precum și o scădere a rezistenței, dezvoltarea fluajului sub încărcare pe termen lung. Împreună cu aceasta eiau o rezistență relativ mare la oboseală. În comparație cu metalele, ele diferă într-o dependență mai accentuată a proprietăților mecanice de temperatură. Una dintre principalele caracteristici ale materialelor polimerice este deformabilitatea (pliabilitatea). Conform acestui parametru, într-un interval larg de temperatură, se obișnuiește să se evalueze principalele lor proprietăți operaționale și tehnologice.

Materiale polimerice pentru podele

Acum să luăm în considerare una dintre opțiunile pentru aplicarea practică a polimerilor, dezvăluind întreaga gamă a acestor materiale. Aceste substanțe sunt utilizate pe scară largă în lucrări de construcții și reparații și finisare, în special în pardoseli. Popularitatea uriașă se explică prin caracteristicile substanțelor în cauză: sunt rezistente la abraziune, au conductivitate termică scăzută, au o absorbție redusă de apă, sunt destul de puternice și dure și au calități ridicate de vopsea și lac. Producția de materiale polimerice poate fi împărțită condiționat în trei grupe: linoleum (rulat), produse din faianță și amestecuri pentru instalarea pardoselilor fără sudură. Să aruncăm o privire rapidă la fiecare acum.

Linoleum-urile sunt realizate pe baza diferitelor tipuri de umpluturi și polimeri. Ele pot include, de asemenea, plastifianți, adjuvanți de prelucrare și pigmenți. În funcție de tipul de material polimeric, se disting poliester (gliftalic), clorură de polivinil, cauciuc, coloxilină și alte acoperiri. În plus, în funcție de structură, acestea sunt împărțite în fără bază și cu o bază izolatoare fonică și termică, cu un singur strat și cu mai multe straturi, cu un strat neted, lanos.și suprafață ondulată, precum și unică și multicoloră.

Materialele cu gresie realizate pe baza componentelor polimerice au abraziune, rezistență chimică și durabilitate foarte scăzute. În funcție de tipul de materie primă, acest tip de produse polimerice se împart în cumaronă-policlorură de vinil, cumaronă, clorură de polivinil, cauciuc, fenolit, plăci bituminoase, precum și PAL și plăci din fibre.

Materialele pentru podele fără sudură sunt cele mai convenabile și igienice de utilizat, au rezistență ridicată. Aceste amestecuri sunt de obicei împărțite în ciment polimeric, beton polimeric și acetat de polivinil.