Виды полимерных материалов. Полимерные материалы

В 1833 году Й. Берцелиус ввел в обиход термин «полимерия», которым он назвал один из видов изомерии. Такие вещества (полимеры) должны были обладать одинаковым составом, но разной молекулярной массой, как например этилен и бутилен. К современному пониманию термина «полимер» умозаключение Й. Берцелиуса не соответствует, потому что истинные (синтетические) полимеры в то время еще не были известны. Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол) годам.

Химия полимеров возникла только после создания А. М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений и получила дальнейшее развитие благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука (Г. Бушарда, У. Тилден, К Гарриес, И. Л. Кондаков, С. В. Лебедев). С начала 20-х годов 20 века стали развиваться теоретические представления о строении полимеров.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Полимеры — химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов) , молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев).

Классификация полимеров

Классификация полимеров основана на трех признаках: их происхождении, химической природе и различиях в главной цепочке.

С точки зрения происхождения все полимеры подразделяют на природные (натуральные), к которым относят нуклеиновые кислоты, белки, целлюлозу, натуральный каучук, янтарь; синтетические (полученные в лаборатории путем синтеза и не имеющие природных аналогов), к которым относят полиуретан, поливинилиденфторид, фенолформальдегидные смоли и др; искусственные (полученные в лаборатории путем синтеза, но на основе природных полимеров) – нитроцеллюлоза и др.

Исходя из химической природы, полимеры делят на полимеры органической (в основе мономер – органическое вещество – все синтетические полимеры), неорганической (в основе Si, Ge, S и др. неорганические элементы – полисиланы, поликремниевые кислоты) и элементоорганической (смесь органических и неорганических полимеров – полислоксаны) природы.

Выделяют гомоцепные и гетероцепные полимеры. В первом случае главная цепь состоит из атомов углерода или кремния (полисиланы, полистирол), во втором – скелет из различных атомов (полиамиды, белки).

Физические свойства полимеров

Для полимеров характерны два агрегатных состояния – кристаллическое и аморфное и особые свойства – эластичность (обратимые деформации при небольшой нагрузке — каучук), малая хрупкость (пластмассы), ориентация при действии направленного механического поля, высокая вязкость, а также растворение полимера происходит посредством его набухания.

Получение полимеров

Реакции полимеризации – цепные реакции, представляющие собой последовательное присоединение молекул ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта – полимера (рис. 1).

Рис. 1. Общая схема получения полимера

Так, например, полиэтилен получают полимеризацией этилена. Молекулярная масса молекулы достигает 1миллиона.

n CH 2 =CH 2 = -(-CH 2 -CH 2 -)-

Химические свойства полимеров

В первую очередь для полимеров будут характерны реакции, характерные для функциональной группы, присутствующей в составе полимера. Например, если в состав полимера входит гидроксо-группа, характерная для класса спиртов, следовательно, полимер будет участвовать в реакциях подобно спиртам.

Во-вторых, взаимодействие с низкомолекулярными соединениями, взаимодействие полимеров друг с другом с образованием сетчатых или разветвленных полимеров, реакции между функциональными группами, входящими в состав одного и того же полимера, а также распад полимера на мономеры (деструкция цепи).

Применение полимеров

Производство полимеров нашло широкое применение в различных областях жизни человечества — химической промышленности (производство пластмасс), машино – и авиастроении, на предприятиях нефтепереработки, в медицине и фармакологии, в сельском хозяйстве (производство гербицидов, инсектицидов, пестицидов), строительной промышленности (звуко- и теплоизоляция), производство игрушек, окон, труб, предметов быта.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 1

Термин полимер, широко используется в наше время в производстве пластмасс и композитной промышленности, довольно часто слово «полимер» используют для обозначения пластиков. На самом деле, термин " полимер " означает намного-намного больше.

Специалисты компании ООО НПП «Симплекс» решили рассказать подробно, что же такое полимеры:
Полимер – вещество с химическим составом молекул соединенных в длинные повторяющиеся цепочки. Благодаря этому все материалы, изготовленные из полимеров, обладают уникальными свойствами и могут быть адаптированы в зависимости от их назначения.
Полимеры бываю как искусственного, так и естественного происхождения. Самым распространенным в природе является натуральный каучук, который является чрезвычайно полезным и используется человечеством уже несколько тысяч лет. Каучук (резина) обладает отличной эластичностью. Это результат того, что молекулярные цепи в молекуле чрезвычайно длинные. Абсолютно все виды полимеров обладают свойствами повышенной упругости, однако вместе с этими свойствами, могут демонстрировать и широкий спектр дополнительных полезных свойств. В зависимости от назначения, полимеры могут быть тонко синтезированы для максимально удобного и выгодного использования их определенных свойств.

Основные физические свойства полимеров:

• Ударопрочность
• Жесткость
• Прозрачность
• Гибкость
• Упругость

  Ученые химики давно заметили одну интересную особенность, связанную с полимерами: если посмотреть на полимерную цепь под микроскопом, то можно увидеть, что визуальная структура и физические свойства молекулы цепочки будет имитировать реальные физические свойства полимера.

  Например, если полимерная цепь состоит из туго скрученных между нитей мономеров и их трудно разделить, то, скорее всего, этот полимер будет сильным и упругим. Или, если полимерная цепь на молекулярном уровне проявляет эластичность, скорее всего, и полимер будет иметь гибкие свойства.

  Переработка полимеров
  Большинство изделий из полимеров можно изменить и деформировать под воздействием высоких температур, однако на молекулярном уровне сам полимер может, не изменится и из него можно будет создать новое изделие. Например, можно расплавить пластиковую тару и бутылки и затем сделать из этих полимеров пластиковые контейнеры или детали автомобилей.

  Примеры Полимеров
  Ниже приводится список самых распространенных полимеров, используемых в наше время, а также их основное применение:

  • Полипропилен (PP) – Производство ковровых покрытий, тара для продуктов, фляги.
  • Неопрен – Гидрокостюмы
  • Поли-винил-хлорид) (PVC) - Производство трубопроводов, профнастил
  • Полиэтилен низкой плотности (LDPE) - Продуктовые пакеты
  • Полиэтилен высокой плотности (HDPE) – Тара для моющих средств, бутылки, игрушки
  • Полистирол (PS) - Игрушки, пены, бескаркасная мебель
  • Политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторопласт) - антипригарные сковородки, электрическая изоляция
  • Полиметилметакрилат (ПММА, плексигласа, оргстекла) – офтальмология, производство акриловых ванн, осветительная техника
  • (ПВА) - Краски, клеи

  

Не многим из нас, участников полимерного бизнеса, в пору студенческих лет выпала честь получить профессиональное образование по профилю переработки вторичных полимеров. Вместе с тем, сфера «доходов на отходах» всегда привлекала предпринимателей как реальная возможность извлечь деньги. Сектор по-прежнему развит достаточно слабо, особенно это касается информационной поддержки бизнеса. Начинающим специалистам зачастую приходится сложно осваивать теоретическую базу знаний о химии полимерных материалов. Информации либо крайне мало, либо она описана в сложных технических и химических терминах. В нашей практике достаточно часто встречаются партнеры и начинающие игроки, которые жадно задают вопросы о том, что нам хорошо известно. И мы готовы делиться знаниями, поскольку тернистый путь от изучения азов до комплексных поставок и консультаций в сфере сырья и оборудования мы прошли с самого начала и самостоятельно.

В этой статье речь пойдёт о самых простых и одновременно важных понятиях, которые как раз и описаны в литературе, порой, сложнее всего остального.

Что такое полимеры?

Полимеры, или полимерные материалы - это огромная группа схожих по строению веществ. Такое строение присуще и живому и неживому. Если рассматривать полимер под микроскопом, то мы увидим красивую структуру повторяющихся фрагментов - мономеров - крепко связанных друг с другом. Иными словами, полимер - это способ организации молекулы в виде многократного повторения определенных звеньев по сложному химическому алгоритму. Пластмассы - это одна из разновидностей полимеров.

Откуда берутся полимеры?

По происхождению все полимеры можно разделить на три большие группы: природные, искусственные и синтетические.

Природные полимеры - это продукт жизнедеятельности растений и животных. Они в большом количестве содержатся в шерсти, древесине, коже. Например, знакомый всем крахмал - это полимер, продукт жизнедеятельности картофеля. Полимерную структуру содержит в себе и человек. Белок - основа жизни - представляет собой именно полимерную, повторяющуюся структуру. Из курса школьной биологии многим нравилось рассматривать цепочку ДНК: разноцветные нуклеотиды, хранящие в себе генетическую информацию о целом поколении рода, объединенные в цепь, которая в полном составе способна рассказать многое о владельце.

Искусственные полимеры - это модификация природных. Как правило, природные полимеры проходят процедуру очистки и насыщения дополнительными свойствами, после чего их можно смело отнести к классу искусственных. Продуктом такой переработки является, например, каучук модифицированный и латекса (смолы).

Синтетические полимеры - отдельная категория полимеров. Это двигатели технической революции. Такие материалы не имеют аналогов в природе, их получают в лабораториях при сложных условиях и химических реакциях превращения. Основа синтетических полимеров - нефтегазовая переработка, синтез углеводородов. Именно синтетические полимеры и совершили революцию орудий труда, обратив 21 век, по праву, в век высокой химии, век полимеров и пластмасс. Именно они открыли нам двери в интересный и такой полезный бизнес по переработке вторичных материалов.

Так откуда же взялись синтетические полимеры, если они не имеют аналогов в природе? Рассмотрим поэтапно путь гранулы от сырой нефти до готового к переработке сырья.

Именно так на свет появляется первичное сырьё, точнее, сырьё с заводов производителей. Таких заводов не очень много и у них, как правило, колоссальная выработка, и это неудивительно: этих объемов должно хватать на всю нашу страну и ещё немного для экспорта нашим партнерам за рубежом. Соответственно, вторичное сырьё -это сырьё, которое уже успело послужить человеку и проживает свою вторую жизнь в виде вторичной гранулы, ожидая следующей переработки. Количество таких переработок может быть очень большим, потому что синтетические полимеры - удивительно стабильные вещества.

Что такое термопласт?

Тот факт, что все пластмассовые изделия изначально были гранулами, а впоследствии приняли какую-либо форму изделия, говорит о том, что гранулы пережили технологический процесс превращения. Мы назовем это переработкой, и будем правы.

Методов переработки полимеров множество, но в основе все они сводятся к тому, что гранулы в специализированном оборудовании нагревают до высокой температуры, перемешивают до однородной массы, придают этой массе нужную форму и остужают. Сформованное таким образом изделие при этом не особенно теряет в качестве, полимеры стабильные вещества. Однако не все полимеры пригодны для подобной переработки. Поэтому прямо сейчас мы введем классификацию полимеров по их пригодности к вторичной переработке. Эта классификация очень проста

Те, что пригодны, мы назовём термопластами, а те, что непригодны-реактопластами. Интересуют нас именно термопласты , потому что на полимерах, которые нельзя переработать, нечего и заработать.

Итак, термопласты, или термопластичные полимеры, - это полимеры, которые при нагревании могут спокойно нагреться, расплавиться, не растеряв своих ценных химических свойств, а вот физически способны принять любую форму при остывании, хоть седло от унитаза, хоть крышка (от него же). Именно термопластичные полимеры принимают участие в бесконечных циклах переработки пластмасс. Это явление в производстве называют рециклинг. А вот реактопласты повторную температурную обработку пережить не смогут. При повторном нагревании они полностью разрушаются. Тем не менее, реактопласты служат человеку в виде клеевых основ, мастики и прочих химических товаров.

Вместо итогов

На практике, понимая два эти простые и, одновременно, сложные понятия, нам не составит особого труда расшифровать научные определения представителей полимеров: полипропилен и полиэтилен . В любой литературе будет написано как-то так:

Полипропилен (ПП) - это синтетический термопластичный полимер, продукт полимеризации пропилена.

Полиэтилен (ПЭ) - это синтетический термопластичный полимер, продукт полимеризации этилена.

Сложная формулировка может звучать значительно проще. Теперь мы знаем, что означает «синтетический», «термопластичный», представляет себе, что такое мономер. Непонятно только, что такое полимеризация. Полимеризация - это химическая реакция «превращения» мономера в полимер.

В нашей работе важно понимать, что такое полимерное сырьё, и какие у него особенности, характеристики и свойства. Этим вопросам посвящены многие наши статьи, но начало обучения лежит именно здесь. В базовых понятиях и терминологии такой сложной и такой интересной химии полимеров.

С уважением, генеральный директор ООО «Мировое оборудование»

Александра Александровна Клемина

Представьте следующую ситуацию. Вы выходите из магазина и торопитесь поскорее закинуть пакет в машину. Дело сделано. Вы быстро проверяете телефон и садитесь за руль. Заходя в свою квартиру, вы вытираете ноги о резиновый коврик, вынимаете все из пакетов: сковородку с антипригарным покрытием, игрушки для ребенка, пену для бритья, пару рубашек, обои. Вроде ничего не забыли. Вы прихватываете с собой бутылку воды и идете к компьютеру - пора бы и поработать. Все, о чем шла речь выше, содержит полимеры. Вплоть до магазина.

Полимеры - что это такое?

Полимеры - это материалы, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул. Они обладают уникальными свойствами в зависимости от типа соединяемых молекул и от того, как они соединены. Некоторые из них гнутся и тянутся, например резина и полиэстер. Другие твердые и жесткие, как эпоксиды и органическое стекло.

Термин «полимер» обычно используется для описания пластиков, которые являются синтетическими полимерами. Как бы то ни было, естественные полимеры также существуют: к примеру, резина и дерево - это естественные полимеры, состоящие из простого углеводорода, изопрена. Белки - тоже естественные полимеры, они состоят из аминокислот. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) - полимеры нуклеотидов - сложных молекул, состоящих из азотсодержащей основы, сахара и фосфорной кислоты.

Кто до этого додумался?

Отцом полимеров считается преподаватель органической химии из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Герман Штаудингер.

Герман Штаудингер. Источник: Wikimedia

Его исследования 1920-х гг. проложили путь для последующей работы, как с естественными, так и с синтетическими полимерами. Он ввел два термина, являющихся ключевыми для понимания полимеров: полимеризация и макромолекула. В 1953 г. Штаудингер получил заслуженную Нобелевскую премию «за его открытия в поле макромолекулярной химии».

Полимеризация - метод создания синтетических полимеров путем комбинирования более маленьких молекул, мономеров, в цепочку, скрепляемую ковалентными связями. Различные химические реакции, например те, что вызваны теплом и давлением, изменяют химические связи, которые скрепляют мономеры. Процесс заставляет молекулы связываться в линейной, разветвленной или пространственной структуре, превращая их в полимеры. Эти цепочки мономеров также называют макромолекулами. Одна макромолекула может состоять из сотен тысяч мономеров.

Виды полимеров

Вид полимера зависит от его структуры. Из вышенаписанного мы понимаем, что таких видов должно быть три.

Линейные полимеры. Это соединения, в которых мономеры химически инертны по отношению друг к другу и связаны лишь силами Ван-дер-Ваальса (силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10–20 кДж/моль. - Прим. ред .). Термин «линейные» вовсе не обозначает прямолинейное расположение молекул относительно друг друга. Наоборот, для них более характерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность.

Разветвленные полимеры. Они образованы цепями с боковыми ответвлениями (число ответвлений и их длина различны). Разветвленные полимеры более прочны, чем линейные.

Линейные и разветвленные полимеры размягчаются при нагревании и вновь затвердевают при охлаждении. Такое их свойство называется термопластичностью, а сами полимеры - термопластичными, или термопластами. Связи между молекулами в таких полимерах могут быть разорваны и соединены по новой. Это значит, что пластмассовые бутылки можно использовать для производства других полимерсодержащих вещей, от коврика до флисовых курток. Конечно, можно наделать еще бутылок. Все, что понадобится для переработки, - высокая температура. Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так как связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под действием реагентов. К термопластам относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол и др.

Если же макромолекулы содержат реакционно-способные мономеры, то при нагревании они соединяются множеством поперечных связей, и полимер приобретает пространственную структуру. Такие полимеры называют термоактивными, или реактопластами.

С одной стороны, реактопласты обладают положительными качествами: они более твердые и теплостойкие. С другой стороны, после разрушения связей между молекулами термоактивных полимеров ее не получится установить второй раз. Переработка в таком случае отпадает, а это очень нехорошо. Самые распространенные полимеры этой группы - полиэстер, винилэстер и эпоксиды.

Полимер - сложное соединение, имеющее высокую молекулярную массу и состоящее из ряда составных звеньев, которые соединяются между собой посредством химических связей. Наиболее часто в основе структуры полимера - мономер - структурный фрагмент, состоящий из нескольких атомов.

Большую часть полимеров производят синтетическим путем (хотя существуют и природные полимеры) - с помощью реакций полимеризации и поликонденсации. Так, например, этилен превращается в полиэтилен, пропилен в полипропилен и т.д.

Свойства полимеров

Свойства полимеров во многом определяются их составом, однако некоторые особенности едины для большинства полимеров. Собственно говоря, именно эти особенности, обеспечивают их широчайшее практическое назначение. Полимеры эластичны, гибки и не хрупки. Макромолекулы, составляющие полимер, могут менять свою ориентацию под действием определенного механического поля, данная особенность применяется в производстве пленок.

Еще одно интересное свойство полимеров - способность к резкой смене физико-механических свойств при воздействии на них небольшим количеством реагента. Эта особенность используется при вулканизации каучука, дублении кож и т.д.

Виды полимеров

Полимеры классифицируются по ряду признаков. Наиболее значительные классификации - по происхождению и химическому составу.

По происхождению бывают полимеры:

• Природные - существующие в природе (крахмал, белки и т.д.);
• Синтетические - получаемые синтетически (полиэтилен, полипропилен и т.д.);
• Искусственные - получаемые синтетически из природных полимеров (нитроцеллюлоза, метилцеллюлоза и т.д.).

По химическому составу различают полимеры:

• Органические;
• Неорганические;
• Элементоорганические - содержат в своем составе как органические, так и неорганические структуры.

Полимеры на практике

Полимеры находят широкое применение в самых разных областях - машиностроении, текстильной промышленности, медицине, сельском хозяйстве. В быту также находится место полимерным соединениям. Вещи, частью которых являются полимеры, окружают нас повсюду - различные виды тканей (шерсть, шелк, кожа и т.д.), пластмассовые изделия, связующие строительные смеси (цемент, глина и т.д.), резиновые изделия, посуда… В общем, роль полимерных соединений в нашей жизни по-настоящему огромна. Теперь вы знаете, что такое полимер.