Polymermaterialer: teknologi, typer, produktion og anvendelse

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Polymere materialer er kemiske højmolekylære forbindelser, der består af adskillige småmolekylære monomerer (enheder) med samme struktur. Ofte bruges følgende monomere komponenter til fremstilling af polymerer: ethylen, vinylchlorid, vinyldechlorid, vinylacetat, propylen, methylmethacrylat, tetrafluorethylen, styren, urinstof, melamin, formaldehyd, phenol. I denne artikel vil vi i detaljer overveje, hvad polymere materialer er, hvad er deres kemiske og fysiske egenskaber, klassificering og typer.

Typer af polymerer

Et træk ved molekylerne i dette materiale er en stor molekylvægt, som svarer til følgende værdi: М>5103. Forbindelser med et lavere niveau af denne parameter (M=500-5000) kaldes oligomerer. I forbindelser med lav molekylvægt er massen mindre end 500. Følgende typer polymermaterialer skelnes: syntetiske og naturlige. Sidstnævnte omfatter naturgummi, glimmer, uld, asbest, cellulose osv. Hovedpladsen er dog optaget af syntetiske polymerer, som opnås som et resultat af en kemisk synteseproces fra lavmolekylære forbindelser. afhængig affra metoden til fremstilling af højmolekylære materialer skelnes polymerer, som dannes enten ved polykondensation eller ved en additionsreaktion.

Polymerisation

Denne proces er en kombination af komponenter med lav molekylvægt til høj molekylvægt for at opnå lange kæder. Polymerisationsniveauet er antallet af "merer" i molekylerne af en given sammensætning. Oftest indeholder polymere materialer fra tusind til ti tusinde af deres enheder. Følgende almindeligt anvendte forbindelser opnås ved polymerisation: polyethylen, polypropylen, polyvinylchlorid, polytetrafluorethylen, polystyren, polybutadien, osv.

Polykondensation

Denne proces er en trinvis reaktion, som består i at kombinere enten et stort antal monomerer af samme type eller et par forskellige grupper (A og B) til polykondensatorer (makromolekyler) med samtidig dannelse af følgende biprodukter: methylalkohol, kuldioxid, hydrogenchlorid, ammoniak, vand osv. Polykondensering producerer silikoner, polysulfoner, polycarbonater, aminoplast, phenolplast, polyestere, polyamider og andre polymere materialer.

Polyaddition

Denne proces forstås som dannelsen af polymerer som et resultat af reaktioner med multipel tilsætning af monomere komponenter, der indeholder begrænsende reaktionskombinationer til monomerer af umættede grupper (aktive cyklusser eller dobbeltbindinger). I modsætning til polykondensation forløber polyadditionsreaktionen uden biprodukter. Den vigtigste proces i denne teknologi er hærdning af epoxyharpikser og fremstilling af polyurethaner.

Klassificering af polymerer

Sammensætningen af alle polymere materialer er opdelt i uorganisk, organisk og organoelement. Den første af dem (silikatglas, glimmer, asbest, keramik osv.) indeholder ikke atomart kulstof. De er baseret på oxider af aluminium, magnesium, silicium osv. Organiske polymerer udgør den mest omfattende klasse, de indeholder kulstof-, brint-, nitrogen-, svovl-, halogen- og oxygenatomer. Organoelement polymere materialer er forbindelser, der i hovedkæderne har, udover de anførte, atomer af silicium, aluminium, titanium og andre grundstoffer, der kan kombineres med organiske radikaler. Sådanne kombinationer forekommer ikke i naturen. Disse er udelukkende syntetiske polymerer. Karakteristiske repræsentanter for denne gruppe er organosiliciumbaserede forbindelser, hvis hovedkæde er opbygget af oxygen- og siliciumatomer.

For at opnå polymerer med de nødvendige egenskaber bruger teknologien ofte ikke "rene" stoffer, men deres kombinationer med organiske eller uorganiske komponenter. Et godt eksempel er polymerbyggematerialer: metal-plast, plast, glasfiber, polymerbeton.

Struktur af polymerer

Det særlige ved disse materialers egenskaber skyldes deres struktur, som igen er opdelt i følgende typer: lineært forgrenet, lineært, rumligtmed store molekylære grupper og meget specifikke geometriske strukturer, samt trappe. Lad os kort overveje hver af dem.

Polymere materialer med en lineært forgrenet struktur, ud over hovedkæden af molekyler, har sidegrene. Disse polymerer omfatter polypropylen og polyisobutylen.

Materialer med en lineær struktur har lange zigzag- eller spiralkæder. Deres makromolekyler er primært karakteriseret ved gentagelser af steder i en strukturel gruppe af et led eller en kemisk enhed i kæden. Polymerer med en lineær struktur er kendetegnet ved tilstedeværelsen af meget lange makromolekyler med en signifikant forskel i arten af bindinger langs kæden og mellem dem. Dette refererer til intermolekylære og kemiske bindinger. Makromolekylerne af sådanne materialer er meget fleksible. Og denne egenskab er grundlaget for polymerkæder, hvilket fører til kvalitativt nye egenskaber: høj elasticitet, såvel som fraværet af skørhed i hærdet tilstand.

Og lad os nu finde ud af, hvad der er polymermaterialer med en rumlig struktur. Disse stoffer danner, når makromolekyler kombineres med hinanden, stærke kemiske bindinger i tværgående retning. Som et resultat opnås en maskestruktur, som har en uensartet eller rumlig basis af nettet. Polymerer af denne type har større varmebestandighed og stivhed end lineære. Disse materialer er grundlaget for mange strukturelle ikke-metalliske stoffer.

Molekyler af polymermaterialer med en stigestruktur består af et par kæder, der er forbundet med en kemisk binding. Disse omfatterorganiske siliciumpolymerer, som er karakteriseret ved øget stivhed, varmebestandighed, derudover interagerer de ikke med organiske opløsningsmidler.

Fasesammensætning af polymerer

Disse materialer er systemer, der består af amorfe og krystallinske områder. Den første af dem hjælper med at reducere stivheden, gør polymeren elastisk, det vil sige i stand til store reversible deformationer. Den krystallinske fase hjælper med at øge deres styrke, hårdhed, elasticitetsmodul og andre parametre, mens den reducerer stoffets molekylære fleksibilitet. Forholdet mellem volumenet af alle sådanne områder og det samlede volumen kaldes graden af krystallisation, hvor det maksimale niveau (op til 80%) har polypropylener, fluoroplaster, polyethylener med høj densitet. Polyvinylchlorider, lavdensitetspolyethylener har en lavere krystallisationsgrad.

Afhængigt af hvordan polymermaterialer opfører sig, når de opvarmes, er de norm alt opdelt i termohærdende og termoplastiske.

Termohærdende polymerer

Disse materialer har primært en lineær struktur. Når de opvarmes, blødgøres de, men som et resultat af kemiske reaktioner, der forekommer i dem, ændres strukturen til en rumlig, og stoffet bliver til et fast stof. I fremtiden opretholdes denne kvalitet. Polymer kompositmaterialer er bygget på dette princip. Deres efterfølgende opvarmning blødgør ikke stoffet, men fører kun til dets nedbrydning. Den færdige termohærdende blanding opløses eller smelter derfor ikkedet er ikke tilladt at genbruge det. Denne type materiale omfatter epoxysilikone, phenol-formaldehyd og andre harpikser.

Termoplastiske polymerer

Disse materialer bliver, når de opvarmes, først bløde og smelter derefter og hærder derefter, når de afkøles. Termoplastiske polymerer undergår ikke kemiske ændringer under denne behandling. Dette gør processen fuldstændig reversibel. Stoffer af denne type har en lineært forgrenet eller lineær struktur af makromolekyler, mellem hvilke små kræfter virker, og der er absolut ingen kemiske bindinger. Disse omfatter polyethylener, polyamider, polystyrener osv. Teknologien af termoplastiske polymermaterialer sørger for deres produktion ved sprøjtestøbning i vandkølede forme, presning, ekstrudering, blæsning og andre metoder.

Kemiske egenskaber

Polymerer kan være i følgende tilstande: fast, flydende, amorf, krystallinsk fase, såvel som meget elastisk, viskøs og glasagtig deformation. Den udbredte anvendelse af polymere materialer skyldes deres høje modstand mod forskellige aggressive medier, såsom koncentrerede syrer og baser. De er ikke udsat for elektrokemisk korrosion. Derudover, med en stigning i deres molekylvægt, falder materialets opløselighed i organiske opløsningsmidler. Og polymerer, som har en tredimensionel struktur, påvirkes generelt ikke af de nævnte væsker.

Fysiske egenskaber

De fleste polymerer er isolatorer, derudover er de ikke-magnetiske materialer. Af alle de anvendte strukturelle materialer er det kun de, der har den laveste varmeledningsevne og den højeste varmekapacitet samt termisk krympning (omkring tyve gange mere end metals). Årsagen til tabet af tæthed af forskellige tætningsenheder under lave temperaturforhold er den såkaldte glasovergang af gummi, såvel som den skarpe forskel mellem udvidelseskoefficienterne for metaller og gummier i forglasset tilstand.

Mekaniske egenskaber

Polymeriske materialer har en bred vifte af mekaniske egenskaber, som er meget afhængige af deres struktur. Ud over denne parameter kan forskellige eksterne faktorer have stor indflydelse på et stofs mekaniske egenskaber. Disse omfatter: temperatur, frekvens, varighed eller belastningshastighed, type spændingstilstand, tryk, miljøets natur, varmebehandling osv. Et kendetegn ved de mekaniske egenskaber af polymere materialer er deres relativt høje styrke ved meget lav stivhed (sammenlignet med til metaller).

Polymerer opdeles norm alt i faste, hvis elasticitetsmodul svarer til E=1–10 GPa (fibre, film, plast) og bløde højelastiske stoffer, hvis elasticitetsmodul er E=1– 10 MPa (gummi). Mønstrene og ødelæggelsesmekanismen for begge er forskellige.

Polymeriske materialer er kendetegnet ved en udt alt anisotropi af egenskaber, såvel som et fald i styrke, udvikling af krybning under langvarig belastning. Sammen med dettehar relativt høj udmattelsesmodstand. Sammenlignet med metaller adskiller de sig i en skarpere afhængighed af mekaniske egenskaber på temperatur. En af de vigtigste egenskaber ved polymere materialer er deformerbarhed (bøjelighed). Ifølge denne parameter, i et bredt temperaturområde, er det sædvanligt at evaluere deres vigtigste operationelle og teknologiske egenskaber.

Polymergulvmaterialer

Lad os nu overveje en af mulighederne for den praktiske anvendelse af polymerer og afsløre hele spektret af disse materialer. Disse stoffer er meget udbredt i konstruktions- og reparations- og færdiggørelsesarbejder, især i gulvbelægning. Den enorme popularitet forklares af de pågældende stoffers egenskaber: de er modstandsdygtige over for slid, har lav varmeledningsevne, har ringe vandabsorption, er ret stærke og hårde og har høje malings- og lakkvaliteter. Produktionen af polymere materialer kan betinget opdeles i tre grupper: linoleum (rullet), fliseprodukter og blandinger til installation af sømløse gulve. Lad os tage et hurtigt kig på hver enkelt nu.

Linoleums fremstilles på basis af forskellige typer fyldstoffer og polymerer. De kan også omfatte blødgørere, proceshjælpemidler og pigmenter. Afhængigt af typen af polymermateriale skelnes der mellem polyester (glyphthalsyre), polyvinylchlorid, gummi, colloxylin og andre belægninger. Derudover er de ifølge strukturen opdelt i grundløse og med en lyd- og varmeisolerende base, enkeltlags og flerlags, med en glat, fleecyog korrugeret overflade, samt enkelt- og flerfarvet.

Flisebelagte materialer fremstillet på basis af polymerkomponenter har meget lav slidstyrke, kemisk resistens og holdbarhed. Afhængigt af typen af råmateriale opdeles denne type polymerprodukter i coumaron-polyvinylchlorid, coumaron, polyvinylchlorid, gummi, phenolit, bituminøse fliser samt spånplader og fiberplader.

Materialer til sømløse gulve er de mest bekvemme og hygiejniske at bruge, de har høj styrke. Disse blandinger er norm alt opdelt i polymercement, polymerbeton og polyvinylacetat.