Какие свойства термопластичных полимеров
Наука различает два вида полимеров – натуральные и синтетические. Синтетические полимеры получаются путем очистки, модификации, температурной обработки и разбавления натурального полимера. По отношению к нагреву полимеры могут быть термопластичными и термореактивными. Термопластичные полимеры становятся мягкими при нагревании, и вновь затвердевают при снижении температуры.
Термопластичные полимеры
Полимер – длинная цепочка макромолекул, которые выстроены в одинаковые множественно повторяющиеся звенья. Эти звенья называют мономерами, они соединены в цепочку ковалентными химическими связями.
Полимеры отличаются большим количеством звеньев – от сотен до десятков тысяч. По своей молекулярной структуре полимеры делятся на:
- линейные;
- сетчатые;
- разветвленные;
- пространственные.
Линейные полимеры могут быть также и термопластичными. Это обусловлено их физическими свойствами по изменению структуры, пластичности при воздействии на них повышенных температур. Линейный полимер считаются более мягким и менее прочным чем разветвленный вид.
Термопластичные полимеры способны при нагревании становиться мягкими, а при охлаждении возвращаться в исходное состояние. Химические связи между молекулами не разрушаются, поэтому при многочисленном нагреве продукт не теряет своих свойств.
Свойства и применение
Термопластичными называют полимеры, которые при нагревании переходят из твердого состояния в мягкое, тягучее, а при охлаждении снова принимают твердую форму. Данные элементы получают реакцией полимеризации. Эта реакция проходит под большим давлением и без применения примесей. Реакция полимеризации стала возможна только благодаря современной химии и специализированной аппаратуре. Получить данный процесс в естественных условиях невозможно.
Свойства термопластичных полимеров вызваны способом соединения мономеров – соединение осуществляется в одном месте, в одном направлении. Другими словами, молекулы соединены между собой в линию при линейном виде, и в виде нескольких линий, сплетенных в паутину, при разветвленной структуре.
При нагревании эти связи слабеют, и полимер размягчается. Такая простота обработки обуславливает широкое применение материалу при производстве формовочных деталей и других сложных изделий.
Термопластичные полимеры хорошо плавятся, а также растворяются в реагентах и растворителях. При испарении растворителя материал твердеет и приобретает прежние свойства. Это качество применяется при производстве различных клеев, лаков, красок, герметиков, замазок и других строительных растворов, имеющих в своем составе полимеры.
Из термопластичных полимеров выделяют:
- полиолефины;
- полиамиды;
- поливинилхлориды;
- фторопласты;
- полиуретаны;
- поликарбонаты;
- полиметилметакрилаты;
- полистирол.
На основании полимеров, исходных веществ и способов обработки выделяют следующие окончательные продуты:
- пластмассы;
- волокниты;
- пленки;
- покрытия;
- слоистые пластики;
- клеи.
Самое широкое применение термопластичные полимеры получили в строительстве при изготовлении материалов для изоляции, органических стекол, пленок и покрытий различной плотности и толщины, тонких волокон, а также в качестве связующих основ для клеев, штукатурок и теплоизоляционных материалов.
Из полимеров изготавливают бутылки и различные по форме сосуды, тару, трубы, детали машин оргтехники, компьютеров и электронного оборудования. А также используют при производстве напольного покрытия — линолеума, плитки, плинтусов, отделочных декоративных пленок, настенных панелей и пластика.
Полиэтилен
Полиэтилен представляет собой прозрачный материал и считается самым распространенным полимером. Этот материал отличает высокая влагостойкость и газонепроницаемость. Он не пропускает воду, устойчив к кислотам, щелочам, солям и другим агрессивным элементам, хороший диэлектрик. Эластичность полиэтилена сохраняется даже при отрицательной температуре окружающей среды до отметки -70С градусов. Считается очень прочным и стойким материалом. Полиэтилен легко режется ножом, а при взаимодействии с огнем горит и одновременно плавится. К недостаткам также можно отнести слабую адгезию с минеральными соединениями и клеями, подверженность старению при попадании солнечного света и агрессивным факторам окружающей среды. При данных отрицательных фактах полиэтилен не теряет своих основных эксплуатационных свойств.
Полиэтилен
При изготовлении полиэтилена применяются термопластичные полимеры одного вида, а в результате различных обработок, получают совершенно различные по характеристикам типы полиэтилена. В зависимости от видов полимеризации различают три вида полиэтилена:
- Полиэтилен низкой плотности, получаемый при использовании высокого давления. Структура данного полимера имеет разветвленный вид, что обуславливает ее невысокую плотность и прочность, представляет собой мягкий и эластичный материал. Полиэтилен низкой плотности используется для изготовления пакетов для хранения пищевых продуктов, отходов и одежды, других упаковочных материалов. Из него изготавливают небьющеюся химическую посуду для лабораторий.
- Полиэтилен, производимый при среднем давлении и плотности. Получается при давлении в 5-40 атмосфер и температуре 130-140С. Также используется для изготовления упаковочных материалов большей плотности, не дорогой посуды, различный контейнеров и форм для пищевых и не пищевых продуктов.
- Материал, получаемый при низком давлении, и имеющий высокую плотность. Обладает улучшенной механической прочностью по сравнению с двумя другими видами полиэтилена. Изготавливается под давлением 5 атмосфер и при температуре +70С градусов. Из данного вида полиэтилена изготавливают пакеты, игрушки для детей, посуду, а также формы для воды и сыпучих продуктов, миски, тазики и прочую хозяйскую утварь. Также изготавливают водопроводные трубы, медицинские шприцы, детали механизмов, шланги, фитинги поливочных систем. С применением литья изготавливают вентили, краны, задвижки, зубчатые колеса, шестерни.
Структура полиэтилена
Полистирол
Полистирол – пример самого распространенного термопластичного полимера. На вид он бесцветный, прозрачный и твердый. Полистирол является более прочным и жестким материалом, имеет большую рабочую температуру использования и меньшую склонность к старению по сравнению с полиэтиленом. Считается хорошим электрическим изолятором и обладает высокой водоотталкивающей способностью. Очень стоек к щелочным и кислотным средам, не подвержен плесени и грибкам.
Полистирол хорошо растворяется в углеводородах, сложных эфирах. Он очень хрупкий и хорошо горит.
Для увеличения прочности полистирол соединяют с другими полимерами или каучуком. Готовые изделия и заготовки из полистирола легко поддаются обработке. Детали изготавливаются при помощи литья жидкого компонента либо способом выдавливания под давлением.
Из полистирола изготавливают лабораторную химическую посуду, трубки, нити, пленки и ленты. Широко используется материал в электротехнике при производстве изоляторов и, в первую очередь, защитной оболочки на электрические провода. Для промышленной дальнейшей обработки материал первоначально выпускается в листах и в виде крошки, которые в дальнейшем могут служить сырьем для конечных деталей и механизмов.
Полистирол популярен в процессе сополимеризации, когда смешивают два и более полимера. Получаются материалы, которым придаются дополнительные полезные свойства своих компонентов. Как правило, это прочность, огнестойкость, стойкость к растрескиванию. Жидкий полистирол с растворителем применяется при производстве клеев и клеевых основ. Широко используется в строительстве при производстве пенополистирола. Из данного материала выпускаются теплоизоляционные блоки.
Пенополистирол производят из эмульсионного полистирола методом прессовки.
Пенополистирол используется для теплоизоляции холодильных установок, продуктовых витрин и другого торгового оборудования. Данный материал внешне напоминает застывшую пену. Хорошо выдерживает повышенную влажность, не подвержен гниению, стоек к образованию бактерий и грибков. Может использоваться при температуре до + 70С градусов. Главный недостаток пенополистирола – повышенная горючесть.
Применяется как термо- и звукоизоляционный материал при производстве бытовок, а также различной бытовой и промышленной техники, в пищевой промышленности – для изоляции камер хранилищ, трюмов плавучих средств и помещений для хранения продуктов питания при отрицательных температурах до -35С градусов. Используется также в производстве упаковочного материала.
Полипропилен
Еще один распространенный термопластичный полимер – полипропилен. В качестве исходного вещества для производства полимера используют – пропилен.
Имеет твердую, прочную структуру, устойчив к механическим воздействиям и к коррозийным процессам. Непрозрачный, как правило, белого цвета, не растворим в органических растворителях. Температура плавления +175С, а при 140 градусов продукт становится мягким на ощупь.
Полипропилен
Полипропилен хорошо выдерживает механические нагрузки, не теряя при этом своих свойств. Необходимо отметить чувствительность материала к воздействию света — под действием солнечных лучей и воздуха полипропилен разлагается, теряет блеск, что приводит к ухудшению его механических и физических свойств.
Существует много сортов полипропилена, которые получаются при добавлении специальных присадок, добавок и каучуков. Он легко поддается механической обработке, удобен в уходе, этим обусловлено широкое использование пропилена в любой отрасли промышленного производства. Один из главных недостатков –слабая устойчивость к низким температурам. При температуре ниже -5С элемент становится хрупким. Таким образом, пригоден для использования внутри отапливаемых и закрытых помещений.
Формулы термопластичных полимеров
Применяется для производства пленок, упаковок, контейнеров для сыпучих продуктов и круп, одноразовой посуды. Из этого материала изготавливают трубы и фитинги, игрушки и канцелярию. При изготовлении изделий из полипропилена используются все известные способы обработки полимеров.
Другие распространенные термопластичные полимеры
Также можно выделить еще целый ряд полимеров, которые хорошо зарекомендовали себя в строительстве, робототехнике и производстве бытовых приборов, деталей и компонентов для них.
Поливинилхлорид широко применяется при производстве пластмасс, используемых в конечных изделиях в строительстве: линолеум и декоративная плитка, водопроводные трубы, плинтуса, запасные части, шестеренки, и других подвижные детали бытовых приборов и техники.
Поликарбонат – новый вид полимера, который нашел широкое применение при производстве электрических розеток и вилок напряжением 220 и 380 Вольт, а также корпусов бытовой техники.
Поливинилацетат – очень часто применяется в строительстве в виде связующих компонентов для лаков, красок, как пластификатор для цементных растворов.
Фторопласт – считается фторсодержащим полимером. Материал широко применяются в электро- и радиотехнике, при производстве водопроводных труб, вентилей и кранов, бытовых и промышленных насосов, медицинских инструментов и техники, в криогенных емкостях для нанесения на поверхность.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что повседневно нас окружают изделия, техника, посуда и приборы, которые изготовлены или содержат в своей основе термопластичные полимеры. Такую популярность им придают эксплуатационные свойства, такие как твердость, стойкость к кислотам и щелочам, долговечность, универсальность и легкость в обработке, малый вес и большой диапазон рабочих температур.
Нейтральный цвет всех полимеров позволяет с легкостью окрашивать заготовки и конечный продукт в любую желаемую палитру. Это дает возможность подбирать готовые изделия из пластмасс под цвет комнаты и интерьера любой формы и сложности исполнения.
КЛАССИФИКАЦИЯ ВМС
1. Органические
и неорганические
Органические ВМС являются основой живой
природы входящие в состав растений, — полисахариды, белки, пектиновые вещества,
крахмал. Торф, бурый уголь, каменные угли представляют собой продукты
геологического превращения растительных тканей, главным образом целлюлозы и
лигнина также должны быть отнесены к высокомолекулярным соединениям.
В основе живого мира также лежат ВМС — белки, являющиеся главной составной
частью почти всех веществ животного происхождения.
Неорганические высокомолекулярные соединения играют большую роль в минеральном
мире. Основная часть земной коры состоит из окислов кремния, алюминия и других
многовалентных элементов, соединенных, по-видимому, в макромолекулы. Наиболее
распространен среди этих окислов кремниевый ангидрид [SiO2]n,
являющийся высокомолекулярным соединением. Более 50% всей массы земного шара
состоит из кремниевого ангидрида, а в наружной части земной коры содержание его
достигает 60%. Наиболее распространенной модификацией кремниевого ангидрида
является кварц — важнейшая составная часть большинства горных пород и песка.
2. По происхождению высокомолекулярные соединения делят на природные, илибиополимеры (белки,
нуклеиновые кислоты, полисахариды), искусственные и синтетические (полиэтилен, полистирол, фенолформальдегидные смолы).
3. В зависимости от расположения в макромолекуле атомов и
атомных групп (по структуре) различают:
Макромолекулы высокомолекулярных
соединений имеют линейное или разветвленное строение; при соединении их
поперечными связями возникают трехмерные пространственные полимеры.
1) линейные высокомолекулярные
соединения, макромолекулы которых представляют собой открытую, линейную, цепь
(каучук натуральный) или вытянутую в линию последовательность циклов
(целлюлоза);
2) разветвленные высокомолекулярные
соединения, макромолекулы которых имеют форму линейной цепи с ответвлениями
(амилопектин);
3) пространственные или сетчатые
высокомолекулярные соединения — трехмерные сетки, образованные отрезками
высокомолекулярных соединений цепного строения (пластмассы, дубленый коллаген, вулканизованный
каучук).
Структура | Линейная | Разветвлённая | Пространственная |
Примеры | натуральный | крахмал, | фенолформальдегидные |
Свойства | Обладают | Гибкость | Полимеры |
Гибкость макромолекул — это их
способность обратимо (без разрыва химических связей) изменять свою форму. Степень
гибкости макромолекул полимеров определяет область их применения.
4.
По строению
Химическое
строение макромолекул — это порядок соединения структурных звеньев в цепи.
Структурные
звeнья несимметричного строения, например,
могут
соединяться между собой двумя способами:
Полимеры,
макромолекулы которых построены одним из этих способов, называют регулярными.
Полимеры нерегулярного строения образованы произвольным сочетанием обоих
способов соединения звeньев.
Полимер называется стереорегулярным,
если заместители R в основной цепи макромолекул расположены упорядоченно:
- или
все они находятся по одну сторону от плоскости цепи (такие полимеры называют изотактическими)
- или
строго очередно по одну и другую стороны от этой плоскости (синдиотактические
полимеры)
Стереорегулярные
полимеры способны кристаллизоваться, они обладают большей прочностью и
теплостойкостью.
- Если боковые заместители в
макромолекулах располагаются в беспорядке относительно плоскости основной цепи,
то такой полимер является стереонерегулярным или атактическим.
Атактические
полимеры не способны кристаллизоваться и уступают по большинству эксплуатационных
свойств стереорегулярным полимерам такого же химического состава.
5. По отношению к нагреванию различают:
Термопластичность – свойство тел
изменять форму в нагретом состоянии и сохранять её после охлаждения.
ТЕРМОПЛАСТЫ – пластмассы,
которые после формования изделия сохраняют способность к повторной переработке.
Наиболее распространены термопласты на основе полиэтилена, поливинилхлорида,
полистирола.
РЕАКТОПЛАСТЫ – термореактивные пластмассы,
пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической
реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала (происходит
отверждение). Наиболее распространены реактопласты на основе
феноло-формальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол. Содержат
обычно большие количества наполнителя — стекловолокна, сажи, мела и др.
6. По способам образования полимеры делятся на получаемые в
результате реакции полимеризации или
реакции поликонденсации.
1). Пoлимеризация – реакция
образования высокомолекулярных соединений путем последовательного присоединения
молекул мономера к растущей цепи.
Например, полимеризация этилена
записывается следующим образом:
n CH2=CH2
→ (–CH2–CH2–)n
или СH2=CH2 + CH2=CH2 + CH2=CH2 + … →
→ -CH2–CH2- + -CH2–CH2- + -CH2–CH2- +
… → (–СН2–СH2–)n
Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной
полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.
Пример. Схема сополимеризации этилена с пропиленом:
2). Пoликонденсация – процесс
образования высокомолекулярных соединений, протекающий по механизму замещения и
сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов.
Видео-опыт
«Получение пластмасс на примере резорцинформальдегидной смолы»
Видео-опыт
«Получение пенопласта»
Например, получение капрона из
ε-аминокапроновой кислоты:
n H2N-(CH2)5-COOH →
H-[-NH-(CH2)5-CO-]n-OH + (n-1) H2O
или лавсана из терефталевой кислоты и
этиленгликоля:
n HOOC-C6H4-COOH + n HO-CH2CH2-OH
→
→ HO-(-CO-C6H4-CO-O-CH2CH2-O-)n-H
+ (n-1) H2O
Поликонденсация является основным
способом образования природных полимеров в естественных условиях.
Пластмассы – материалы,
основой которых являются синтетические
или природные высокомолекулярные органические вещества – полимеры.
Полиэтилен
В зависимости от условий полимеризации
различают три вида полиэтилена.
1.
Полиэтилен
высокого давления (ВД) или низкой плотности (НП), получаемый при давлении
1000-3000 атм и температуре около 180°С; инициатором служит кислород
(радикальная полимеризация). Макромолекулы полиэтилена, полученного этим
способом имеют разветвленное строение, этим объясняется его невысокая плотность
(менее плотная упаковка макромолекул).
2.
Полиэтилен
среднего давления (полиэтилен СД) получают в среде разбавителя при 35-40 атм и
125-150°С на металлоксидных катализаторах.
3.
Полиэтилен
низкого давления (НД) или высокой плотности (ВП). Полимеризацию проводят в
среде органического растворителя при давлении около 5 атм и температуре ниже 80°С.
Катализаторами являются металлорганические комплексы (катализаторы
Циглера-Натта). Процесс идет по ионному механизму.
Несмотря на то, что различные виды
полиэтилена получают из одного и того же мономера, они представляют собой
совершенно различные материалы, отличаясь друг от друга не меньше, чем от
других полимеров. Это объясняется различными геометрическими формами
макромолекул и разной способностью к кристаллизации.
Полиэтилен высокого давления состоит из
разветвленных макромолекул и представляет собой мягкий и эластичный материал.
Полиэтилены среднего и низкого давления, имеющие линейное строение и довольно
высокую степень кристалличности (85-90%), – жесткие продукты. Все полиэтилены
обладают высокой морозостойкостью (низкой температурой хрупкости) и могут
эксплуатироваться при температурах до -70°С, некоторые марки сохраняют свои
ценные свойства при температурах ниже -120°С. Полиэтилены, являясь предельными
углеводородами, стойки по отношению ко многим агрессивным средам (кислотам,
щелочам и т.д.) и органическим жидкостям.
В промышленности полиэтилен разных марок
выпускается в виде блоков, листов и гранул. Перерабатываются они в изделия
главным образом методом литья под давлением, экструзии (выдавливание размягченного
полимера через сопло шприц-машины) и выдувания. Из полиэтилена производят
бесшовные коррозионно-стойкие трубки, изоляционные оболочки электропроводов и
пленки, широко применяемые в качестве упаковочного материала, для изготовления
покрытий, перегородок, в сельском хозяйстве и т.д. При помощи литья под
давлением или выдувания получают различную тару (бутылки, ведра и т.п.).
Благодаря прекрасным диэлектрическим свойствам полиэтилен применяется для
изоляции электрических кабелей в телевидении, радиолокации и многопроводной
телефонной связи.
Полиэтилен хорошо сваривается. Пропуская
струю сжатого воздуха со взвешенными в ней частицами полимера через
воздушно-ацетиленовое пламя и направляя эту струю на металлические изделия,
можно покрыть их сплошным защитным слоем (метод газопламенного напыления).
Существенным недостатком полиэтилена
является его быстрое старение, которое, однако, можно резко замедлить при
введении в полимер противостарителей (фенолы, амины, газовая сажа).
Изделия из полиэтилена
Полипропилен
Полимеризация пропилена осуществляется в
условиях, близких к тем, которые применяются при получении полиэтилена низкого
давления. При этом образуется стереорегулярный (изотактический) полипропилен.
Этот полимер легко кристаллизуется и обладает высокой температурой плавления
(175° С). Кристаллический полипропилен – наиболее легкий из всех известных
жестких полимеров (относительная плотность 0,9); он отличается высокой
прочностью на разрыв и твердостью. Благодаря кристаллической структуре
стереорегулярный полипропилен сохраняет форму и хорошие механические свойства
вплоть до температуры плавления и может поэтому подвергаться обычной
стерилизации. По прочности полипропилен превосходит полиэтилен, но уступает ему
по морозостойкости (температура хрупкости от -5 до-15° С). Однако этот
недостаток устраняется путем введения в макромолекулу изотактического
полипропилена звеньев этилена (например, при сополимеризации пропилена с
этиленом).
Стереорегулярный полипропилен обладает
такими же диэлектическими свойствами, как и полиэтилен, но более химически
устойчив при повышенных температурах. При помощи тех же методов, которые
используются при переработке полиэтилена, из полипропилена изготовляют трубы
для горячих жидкостей, прозрачные пленки с низкой проницаемостью для жидкостей
и газов, бутылки и различные сосуды для химической промышленности.
Полипропилен является экологически
чистым материалом. За столь ценные свойства он получил титул «короля
пластмасс».
При сополимеризации пропилена с этиленом
получают некристаллизующиеся сополимеры, которые проявляют свойства каучука,
отличающегося повышенной химической стойкостью и сопротивлением старению.
Политетрафторэтилен (тефлон)
Полимеризация тетрафторэтилена
проводится обычно водно-эмульсионным способом при 70-80° С и давлении 40-100
атм в присутствии инициаторов.
Вследствие симметричного линейного
строения политетрафторэтилен
…-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-…,
или (-CF2-CF2-)n, или (-CF2-)2n
имеет кристаллическую структуру и
высокую температуру плавления (320-327°С). Суммарный дипольный момент полимера
равен 0, поэтому тефлон является прекрасным диэлектриком. Температурный
интервал эксплуатации очень велик: от -190° С до +300° С. При этом полимер
отличается высокой химической стойкостью.
Для переработки тефлона в изделия
применяется метод холодного прессования порошкообразного полимера в
цилиндрические заготовки, которые затем подвергаются механической обработке на
токарных станках.
Тефлон используется в химическом
машиностроении для изготовления пластин, кранов, вентилей, клапанов и т.д.,
применяемых при высокой температуре в среде концентрированных минеральных
кислот. Высокое сопротивление износу и низкий коэффициент трения сделали тефлон
незаменимым материалом для производства подшипников, работающих в агрессивных
средах или в контакте со сжиженными газами (кислород, водород и т.п.) и не
требующих смазки.
Фенопласты – пластмассы полученные из фенолформальдегидной
смолы (текстолит, волокнит, гетинакс, стеклопласт, карболит).
Изделия из полипропилена