Polimerni materijali: tehnologija, vrste, proizvodnja i primjena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Polimerni materijali su hemijska visokomolekularna jedinjenja koja se sastoje od brojnih malomolekularnih monomera (jedinica) iste strukture. Često se za proizvodnju polimera koriste sljedeće monomerne komponente: etilen, vinil hlorid, vinil deklorid, vinil acetat, propilen, metil metakrilat, tetrafluoroetilen, stiren, urea, melamin, formaldehid, fenol. U ovom članku ćemo detaljno razmotriti šta su polimerni materijali, koja su njihova hemijska i fizička svojstva, klasifikaciju i vrste.

Vrste polimera

Odlika molekula ovog materijala je velika molekulska težina, koja odgovara sljedećoj vrijednosti: M>5103. Jedinjenja sa nižim nivoom ovog parametra (M=500-5000) nazivaju se oligomeri. U niskomolekularnim jedinjenjima masa je manja od 500. Razlikuju se sljedeće vrste polimernih materijala: sintetički i prirodni. Potonji uključuju prirodnu gumu, liskun, vunu, azbest, celulozu itd. Međutim, glavno mjesto zauzimaju sintetički polimeri, koji se dobivaju kao rezultat procesa kemijske sinteze iz spojeva niske molekularne težine. zavisnood načina proizvodnje visokomolekularnih materijala razlikuju se polimeri koji nastaju ili polikondenzacijom ili reakcijom adicije.

Polimerizacija

Ovaj proces je kombinacija komponenti niske molekularne težine u visoku molekulsku težinu kako bi se dobili dugi lanci. Nivo polimerizacije je broj "mera" u molekulima date kompozicije. Polimerni materijali najčešće sadrže od hiljadu do deset hiljada svojih jedinica. Polimerizacijom se dobijaju sljedeća jedinjenja koja se najčešće koriste: polietilen, polipropilen, polivinil hlorid, politetrafluoroetilen, polistiren, polibutadien, itd.

Polycondensation

Ovaj proces je postupna reakcija, koja se sastoji od kombinovanja ili velikog broja monomera istog tipa, ili para različitih grupa (A i B) u polikapacitore (makromolekule) uz istovremeno stvaranje sledećih nusproizvodi: metil alkohol, ugljični dioksid, hlorovodonik, amonijak, voda, itd. Polikondenzacijom nastaju silikoni, polisulfoni, polikarbonati, amino plastika, fenolna plastika, poliester, poliamidi i drugi polimerni materijali.

Polyaddition

Ovaj proces se shvata kao formiranje polimera kao rezultat reakcija višestrukog dodavanja monomernih komponenti koje sadrže ograničavajuće reakcijske kombinacije na monomere nezasićenih grupa (aktivni ciklusi ili dvostruke veze). Za razliku od polikondenzacije, reakcija poliadicije se odvija bez ikakvih nusproizvoda. Najvažniji proces ove tehnologije je očvršćavanje epoksidnih smola i proizvodnja poliuretana.

Klasifikacija polimera

Po sastavu svih polimernih materijala dijele se na neorganske, organske i organoelemente. Prvi od njih (silikatno staklo, liskun, azbest, keramika, itd.) ne sadrže atomski ugljik. Baziraju se na oksidima aluminijuma, magnezijuma, silicijuma itd. Organski polimeri čine najširu klasu, sadrže atome ugljenika, vodonika, azota, sumpora, halogena i kiseonika. Organoelementni polimerni materijali su jedinjenja koja u glavnim lancima imaju, pored navedenih, atome silicijuma, aluminijuma, titana i druge elemente koji se mogu kombinovati sa organskim radikalima. Takve kombinacije se ne javljaju u prirodi. To su isključivo sintetički polimeri. Karakteristični predstavnici ove grupe su jedinjenja na bazi organosilicijuma, čiji je glavni lanac izgrađen od atoma kiseonika i silicijuma.

Da bi se dobili polimeri sa potrebnim svojstvima, tehnologija često ne koristi "čiste" supstance, već njihove kombinacije sa organskim ili neorganskim komponentama. Dobar primjer su polimerni građevinski materijali: metal-plastika, plastika, fiberglas, polimer beton.

Struktura polimera

Osebnost svojstava ovih materijala je zbog njihove strukture, koja se, pak, dijeli na sljedeće tipove: linearno razgranate, linearne, prostornesa velikim molekularnim grupama i vrlo specifičnim geometrijskim strukturama, kao i stepenicama. Razmotrimo ukratko svaki od njih.

Polimerni materijali linearno razgranate strukture, pored glavnog lanca molekula, imaju i bočne grane. Ovi polimeri uključuju polipropilen i poliizobutilen.

Materijali sa linearnom strukturom imaju dugačke cik-cak ili spiralne lance. Njihove makromolekule prvenstveno karakteriziraju ponavljanja mjesta u jednoj strukturnoj grupi karike ili hemijske jedinice lanca. Polimere s linearnom strukturom odlikuje prisustvo vrlo dugih makromolekula sa značajnom razlikom u prirodi veza duž lanca i između njih. Ovo se odnosi na intermolekularne i hemijske veze. Makromolekule takvih materijala su vrlo fleksibilne. A ovo svojstvo je osnova polimernih lanaca, što dovodi do kvalitativno novih karakteristika: visoke elastičnosti, kao i odsustva lomljivosti u stvrdnutom stanju.

A sada hajde da saznamo šta su polimerni materijali sa prostornom strukturom. Ove supstance formiraju, kada se makromolekule međusobno kombinuju, jake hemijske veze u poprečnom pravcu. Kao rezultat, dobija se mrežasta struktura koja ima neujednačenu ili prostornu osnovu mreže. Polimeri ovog tipa imaju veću otpornost na toplinu i krutost od linearnih. Ovi materijali su osnova mnogih strukturalnih nemetalnih supstanci.

Molekuli polimernih materijala sa merdevinastom strukturom sastoje se od para lanaca koji su povezani hemijskom vezom. Ovo uključujeorganosilicijum polimeri, koji se odlikuju povećanom krutošću, otpornošću na toplotu, osim toga, ne stupaju u interakciju sa organskim rastvaračima.

Fazni sastav polimera

Ovi materijali su sistemi koji se sastoje od amorfnih i kristalnih područja. Prvi od njih pomaže u smanjenju krutosti, čini polimer elastičnim, odnosno sposobnim za velike reverzibilne deformacije. Kristalna faza pomaže u povećanju njihove čvrstoće, tvrdoće, modula elastičnosti i drugih parametara, dok istovremeno smanjuje molekularnu fleksibilnost tvari. Odnos zapremine svih takvih površina prema ukupnoj zapremini naziva se stepen kristalizacije, pri čemu maksimalni nivo (do 80%) imaju polipropileni, fluoroplasti, polietileni visoke gustine. Polivinil hloridi, polietileni niske gustine imaju niži stepen kristalizacije.

U zavisnosti od toga kako se polimerni materijali ponašaju kada se zagrijavaju, obično se dijele na termoreaktivne i termoplastične.

Termoset polimeri

Ovi materijali prvenstveno imaju linearnu strukturu. Kada se zagriju, omekšaju, ali kao rezultat kemijskih reakcija koje se u njima odvijaju, struktura se mijenja u prostornu, a tvar se pretvara u čvrstu supstancu. U budućnosti se ovaj kvalitet zadržava. Polimerni kompozitni materijali su izgrađeni na ovom principu. Njihovo naknadno zagrijavanje ne omekšava tvar, već samo dovodi do njenog raspadanja. Zbog toga se gotova termoreaktivna smjesa ne otapa niti topinije dozvoljeno da se reciklira. Ova vrsta materijala uključuje epoksi silikon, fenol-formaldehid i druge smole.

Termoplastični polimeri

Ovi materijali, kada se zagreju, prvo omekšaju, a zatim se tope, a zatim stvrdnu kada se ohlade. Termoplastični polimeri ne prolaze kroz hemijske promene tokom ovog tretmana. Ovo čini proces potpuno reverzibilnim. Supstance ovog tipa imaju linearno razgranatu ili linearnu strukturu makromolekula, između kojih djeluju male sile i nema apsolutno nikakvih kemijskih veza. To uključuje polietilene, poliamide, polistirene itd. Tehnologija polimernih materijala termoplastičnog tipa predviđa njihovu proizvodnju injekcijskim prešanjem u kalupima hlađenim vodom, prešanjem, ekstruzijom, puhanjem i drugim metodama.

Hemijska svojstva

Polimeri mogu biti u sledećim stanjima: čvrsta, tečna, amorfna, kristalna faza, kao i visokoelastična, viskozna i staklasta deformacija. Široka upotreba polimernih materijala je zbog njihove visoke otpornosti na različite agresivne medije, poput koncentriranih kiselina i lužina. Nisu podložni elektrohemijskoj koroziji. Osim toga, s povećanjem njihove molekularne težine, topljivost materijala u organskim otapalima se smanjuje. A na polimere, koji imaju trodimenzionalnu strukturu, generalno ne utiču pomenute tečnosti.

Fizička svojstva

Većina polimera su izolatori, osim toga, oni su nemagnetni materijali. Od svih upotrijebljenih konstrukcijskih materijala, samo oni imaju najnižu toplinsku provodljivost i najveći toplinski kapacitet, kao i termičko skupljanje (oko dvadeset puta više od metala). Razlog gubitka nepropusnosti različitih zaptivnih sklopova u uslovima niske temperature je takozvani stakleni prelaz gume, kao i oštra razlika između koeficijenata ekspanzije metala i gume u vitrifikovanom stanju.

Mehanička svojstva

Polimerni materijali imaju širok spektar mehaničkih karakteristika, koje u velikoj meri zavise od njihove strukture. Pored ovog parametra, različiti vanjski faktori mogu imati veliki utjecaj na mehanička svojstva tvari. To uključuje: temperaturu, učestalost, trajanje ili brzinu opterećenja, vrstu naponskog stanja, pritisak, prirodu okoline, termičku obradu, itd. Karakteristika mehaničkih svojstava polimernih materijala je njihova relativno visoka čvrstoća pri vrlo maloj krutosti (u poređenju sa na metale).

Polimeri se obično dijele na čvrste, čiji modul elastičnosti odgovara E=1–10 GPa (vlakna, filmovi, plastika), i meke visokoelastične tvari, čiji je modul elastičnosti E=1– 10 MPa (guma). Obrasci i mehanizam uništavanja oba su različiti.

Polimerne materijale karakteriše izražena anizotropija svojstava, kao i smanjenje čvrstoće, razvoj puzanja pri dugotrajnom opterećenju. Zajedno sa ovim oniimaju relativno visoku otpornost na zamor. U poređenju sa metalima, razlikuju se po oštrijoj zavisnosti mehaničkih svojstava od temperature. Jedna od glavnih karakteristika polimernih materijala je deformabilnost (savitljivost). Prema ovom parametru, u širokom temperaturnom rasponu, uobičajeno je vrednovati njihova glavna operativna i tehnološka svojstva.

Polimerni podni materijali

Sada razmotrimo jednu od opcija za praktičnu primjenu polimera, otkrivajući cijeli niz ovih materijala. Ove tvari se široko koriste u građevinskim i popravnim i završnim radovima, posebno u podovima. Ogromna popularnost objašnjava se karakteristikama dotičnih supstanci: otporne su na abraziju, imaju nisku toplinsku provodljivost, malo upijaju vodu, prilično su jake i tvrde, te imaju visoke kvalitete boje i laka. Proizvodnja polimernih materijala može se uvjetno podijeliti u tri grupe: linoleum (valjani), proizvodi od pločica i mješavine za ugradnju bešavnih podova. Hajde da sada na brzinu pogledamo svaki od njih.

Linoleumi se izrađuju na bazi različitih vrsta punila i polimera. Oni također mogu uključivati plastifikatore, pomoćna sredstva za obradu i pigmente. Ovisno o vrsti polimernog materijala razlikuju se poliester (gliftalni), polivinil hlorid, guma, koloksilin i drugi premazi. Osim toga, prema strukturi se dijele na bez podloge i sa zvučno i toplotno izolacijskom podlogom, jednoslojne i višeslojne, sa glatkom, vunetomi valovita površina, kao i jednobojne i višebojne.

Popločani materijali napravljeni na bazi polimernih komponenti imaju vrlo nisku otpornost na habanje, hemijsku otpornost i izdržljivost. Ovisno o vrsti sirovine, ova vrsta polimernih proizvoda dijeli se na kumaron-polivinil hlorid, kumaron, polivinil hlorid, kaučuk, fenolit, bitumenske pločice, kao i ivericu i ploče od vlakana.

Materijal za bešavne podove su najpogodniji i najhigijenskiji za upotrebu, imaju veliku čvrstoću. Ove mješavine se obično dijele na polimer cement, polimer beton i polivinil acetat.