Polimerni materijali: tehnologija, vrste, proizvodnja i primjena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

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

Vrste polimera

Obilježje molekula ovog materijala je velika molekularna težina, koja odgovara sljedećoj vrijednosti: M>5103. Spojevi s nižom razinom ovog parametra (M=500-5000) nazivaju se oligomeri. U spojevima male molekularne mase masa je manja od 500. Razlikuju se sljedeće vrste polimernih materijala: sintetski i prirodni. Potonji uključuju prirodnu gumu, liskun, vunu, azbest, celulozu itd. Međutim, glavno mjesto zauzimaju sintetski polimeri, koji se dobivaju kao rezultat procesa kemijske sinteze iz spojeva niske molekularne težine. ovisnood 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 molekularnu težinu kako bi se dobili dugi lanci. Razina polimerizacije je broj "mera" u molekulama danog sastava. Polimerni materijali najčešće sadrže od tisuću do deset tisuća svojih jedinica. Sljedeći najčešće korišteni spojevi dobivaju se polimerizacijom: polietilen, polipropilen, polivinil klorid, politetrafluoroetilen, polistiren, polibutadien, itd.

Polycondensation

Ovaj je proces postupna reakcija, koja se sastoji u kombiniranju ili velikog broja monomera iste vrste, ili para različitih grupa (A i B) u polikapacitore (makromolekule) uz istovremeno stvaranje sljedećih nusproizvodi: metilni alkohol, ugljični dioksid, klorovodik, amonijak, voda, itd. Polikondenzacijom nastaju silikoni, polisulfoni, polikarbonati, amino plastika, fenolna plastika, poliester, poliamidi i drugi polimerni materijali.

Polyadition

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

Klasifikacija polimera

Sastav svih polimernih materijala podijeljen je na anorganske, organske i organoelemente. Prvi od njih (silikatno staklo, liskun, azbest, keramika itd.) ne sadrže atomski ugljik. Temelje se na oksidima aluminija, magnezija, silicija itd. Organski polimeri čine najopsežniju klasu, sadrže atome ugljika, vodika, dušika, sumpora, halogena i kisika. Organoelementni polimerni materijali su spojevi koji u glavnim lancima imaju, osim navedenih, atome silicija, aluminija, titana i druge elemente koji se mogu kombinirati s organskim radikalima. Takve kombinacije se ne javljaju u prirodi. To su isključivo sintetički polimeri. Karakteristični predstavnici ove skupine su spojevi na bazi organosilicija, čiji je glavni lanac izgrađen od atoma kisika i silicija.

Za dobivanje polimera s potrebnim svojstvima, tehnologija često ne koristi "čiste" tvari, već njihove kombinacije s organskim ili anorganskim komponentama. Dobar primjer su polimerni građevinski materijali: metal-plastika, plastika, stakloplastike, polimerbeton.

Struktura polimera

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

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

Materijali s linearnom strukturom imaju duge cik-cak ili spiralne lance. Njihove makromolekule prvenstveno karakteriziraju ponavljanja mjesta u jednoj strukturnoj skupini karike ili kemijske jedinice lanca. Polimeri s linearnom strukturom razlikuju se po prisutnosti vrlo dugih makromolekula sa značajnom razlikom u prirodi veza duž lanca i između njih. To se odnosi na međumolekularne i kemijske veze. Makromolekule takvih materijala vrlo su fleksibilne. A ovo svojstvo je osnova polimernih lanaca, što dovodi do kvalitativno novih karakteristika: visoke elastičnosti, kao i odsutnosti krhkosti u stvrdnutom stanju.

A sada doznajmo što su polimerni materijali s prostornom strukturom. Ove tvari stvaraju, kada se makromolekule međusobno kombiniraju, jake kemijske veze u poprečnom smjeru. Kao rezultat, dobiva se mrežasta struktura koja ima neujednačenu ili prostornu osnovu mreže. Polimeri ove vrste imaju veću otpornost na toplinu i krutost od linearnih. Ovi materijali su osnova mnogih strukturnih nemetalnih tvari.

Molekule polimernih materijala sa strukturom ljestava sastoje se od para lanaca koji su povezani kemijskom vezom. To uključujeorganosilicijum polimeri, koji se odlikuju povećanom krutošću, otpornošću na toplinu, osim toga, ne stupaju u interakciju s organskim otapalima.

Fazni sastav polimera

Ovi materijali su sustavi 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 povećati njihovu čvrstoću, tvrdoću, modul elastičnosti i druge parametre, dok istovremeno smanjuje molekularnu fleksibilnost tvari. Omjer volumena svih takvih područja prema ukupnom volumenu naziva se stupanj kristalizacije, pri čemu maksimalnu razinu (do 80%) imaju polipropileni, fluoroplasti, polietileni visoke gustoće. Polivinil kloridi, polietileni niske gustoće imaju niži stupanj kristalizacije.

Ovisno o tome 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 zagrijavaju, omekšaju, ali kao rezultat kemijskih reakcija koje se događaju u njima, struktura se mijenja u prostornu, a tvar se pretvara u krutu tvar. U budućnosti se ova kvaliteta zadržava. Polimerni kompozitni materijali izgrađeni su na ovom principu. Njihovo naknadno zagrijavanje ne omekšava tvar, već samo dovodi do njezine razgradnje. Stoga se gotova termoreaktivna smjesa ne otapa niti topinije ga dopušteno reciklirati. Ova vrsta materijala uključuje epoksi silikon, fenol-formaldehid i druge smole.

Termoplastični polimeri

Ovi materijali, kada se zagriju, prvo omekšaju, a zatim se tope, a zatim stvrdnu kada se ohlade. Termoplastični polimeri ne prolaze kemijske promjene tijekom ovog tretmana. To čini proces potpuno reverzibilnim. Tvari 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.

Kemijska svojstva

Polimeri mogu biti u sljedećim stanjima: kruta, tekuća, amorfna, kristalna faza, kao i visokoelastična, viskozna i staklasta deformacija. Široka primjena polimernih materijala posljedica je njihove visoke otpornosti na različite agresivne medije, poput koncentriranih kiselina i lužina. Nisu podložni elektrokemijskoj koroziji. Osim toga, s povećanjem njihove molekularne mase, topljivost materijala u organskim otapalima se smanjuje. A na polimere, koji imaju trodimenzionalnu strukturu, općenito ne utječu spomenute tekućine.

Fizička svojstva

Većina polimera su izolatori, osim toga, oni su nemagnetski materijali. Od svih korištenih konstrukcijskih materijala, samo oni imaju najnižu toplinsku vodljivost i najveći toplinski kapacitet, kao i toplinsko skupljanje (dvadesetak puta više od metala). Razlog gubitka nepropusnosti različitih sklopova za brtvljenje u uvjetima niskih temperatura je tzv. stakleni prijelaz gume, kao i oštra razlika između koeficijenata ekspanzije metala i gume u vitrificiranom stanju.

Mehanička svojstva

Polimerni materijali imaju širok raspon mehaničkih karakteristika koje uvelike ovise o njihovoj strukturi. Osim ovog parametra, različiti vanjski čimbenici mogu imati veliki utjecaj na mehanička svojstva tvari. To uključuje: temperaturu, učestalost, trajanje ili brzinu opterećenja, vrstu stanja naprezanja, tlak, prirodu okoliša, toplinsku obradu itd. Značajka mehaničkih svojstava polimernih materijala je njihova relativno visoka čvrstoća pri vrlo maloj krutosti (u usporedbi 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 uništenja oba su različiti.

Polimerne materijale karakterizira izražena anizotropija svojstava, kao i smanjenje čvrstoće, razvoj puzanja pri dugotrajnom opterećenju. Zajedno s ovim oniimaju relativno visoku otpornost na zamor. U usporedbi s metalima, razlikuju se po oštrijoj ovisnosti mehaničkih svojstava o temperaturi. Jedna od glavnih karakteristika polimernih materijala je deformabilnost (savitljivost). Prema ovom parametru, u širokom temperaturnom rasponu, uobičajeno je ocjenjivati 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 imaju široku primjenu u građevinskim i popravnim i završnim radovima, posebice u podovima. Ogromna popularnost objašnjava se karakteristikama dotičnih tvari: otporne su na abraziju, imaju nisku toplinsku vodljivost, malo upijaju vodu, prilično su jake i tvrde te imaju visoke kvalitete boje i laka. Proizvodnja polimernih materijala može se uvjetno podijeliti u tri skupine: linoleum (valjani), proizvodi od pločica i mješavine za ugradnju bešavnih podova. Pogledajmo sada svaki od njih na brzinu.

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), polivinilklorid, guma, koloksilin i drugi premazi. Osim toga, prema strukturi, dijele se na bez podloge i sa zvučno i toplinski izolacijskom podlogom, jednoslojne i višeslojne, s glatkom, vunastimi valovita površina, kao i jednobojne i višebojne.

Popločani materijali izrađeni na bazi polimernih komponenti imaju vrlo nisku otpornost na habanje, kemijsku otpornost i izdržljivost. Ovisno o vrsti sirovine, ova vrsta polimernih proizvoda dijeli se na kumaron-polivinil klorid, kumaron, polivinil klorid, gumu, fenolit, bitumenske pločice, kao i na iverice i vlaknaste ploče.

Materijali za bešavne podove su najprikladniji i najhigijenskiji za upotrebu, imaju veliku čvrstoću. Ove smjese se obično dijele na polimer cement, polimer beton i polivinil acetat.