Polymeerimateriaalit: tekniikka, tyypit, tuotanto ja käyttö

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 10:26

Polymeerimateriaalit ovat kemiallisia suurimolekyylisiä yhdisteitä, jotka koostuvat lukuisista pienimolekyylisistä monomeereistä (yksiköistä), joilla on sama rakenne. Usein polymeerien valmistukseen käytetään seuraavia monomeerikomponentteja: eteeni, vinyylikloridi, vinyylidekloridi, vinyyliasetaatti, propeeni, metyylimetakrylaatti, tetrafluorieteeni, styreeni, urea, melamiini, formaldehydi, fenoli. Tässä artikkelissa tarkastelemme yksityiskohtaisesti, mitä polymeerimateriaalit ovat, mitkä ovat niiden kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet, luokitus ja tyypit.

Polymeerityypit

Tämän materiaalin molekyylien ominaisuus on suuri molekyylipaino, joka vastaa seuraavaa arvoa: М>5103. Yhdisteitä, joiden tämä parametri on alhaisempi (M=500-5000), kutsutaan oligomeereiksi. Pienimolekyylipainoisissa yhdisteissä massa on alle 500. Seuraavat polymeerimateriaalit erotetaan: synteettiset ja luonnolliset. Jälkimmäisiä ovat luonnonkumi, kiille, villa, asbesti, selluloosa jne. Pääosan kuitenkin ovat synteettiset polymeerit, joita saadaan kemiallisen synteesiprosessin tuloksena pienimolekyylisistä yhdisteistä. riippuensuurimolekyylisten materiaalien valmistusmenetelmästä erotetaan polymeerit, jotka syntyvät joko polykondensaatiolla tai additioreaktiolla.

Polymerointi

Tämä prosessi on yhdistelmä alhaisen molekyylipainon komponentteja suureksi molekyylipainoksi pitkien ketjujen saamiseksi. Polymerointitaso on "meerien" lukumäärä tietyn koostumuksen molekyyleissä. Useimmiten polymeerimateriaalit sisältävät tuhannesta kymmeneen tuhatta yksikköä. Polymeroimalla saadaan seuraavia yleisesti käytettyjä yhdisteitä: polyeteeni, polypropeeni, polyvinyylikloridi, polytetrafluorieteeni, polystyreeni, polybutadieeni jne.

Polykondensaatio

Tämä prosessi on vaiheittainen reaktio, jossa yhdistetään joko suuri määrä samantyyppisiä monomeereja tai eri ryhmien pari (A ja B) polykondensaattoreiksi (makromolekyyleiksi) ja samanaikaisesti muodostuu seuraavia sivutuotteet: metyylialkoholi, hiilidioksidi, kloorivety, ammoniakki, vesi jne. Polykondensaatio tuottaa silikoneja, polysulfoneja, polykarbonaatteja, aminomuoveja, fenolimuoveja, polyestereitä, polyamideja ja muita polymeerimateriaaleja.

Polilisäys

Tällä prosessilla tarkoitetaan polymeerien muodostumista reaktioiden seurauksena, kun monomeerikomponentteja lisätään useaan kertaan, ja jotka sisältävät rajoittavia reaktioyhdistelmiä tyydyttymättömien ryhmien monomeereihin (aktiiviset syklit tai kaksoissidokset). Toisin kuin polykondensaatio, polyadditioreaktio etenee ilman sivutuotteita. Tämän tekniikan tärkein prosessi on epoksihartsien kovetus ja polyuretaanien valmistus.

Polymeerien luokitus

Kaikki polymeerimateriaalit on jaettu epäorgaanisiin, orgaanisiin ja organoelementteihin. Ensimmäinen niistä (silikaattilasi, kiille, asbesti, keramiikka jne.) ei sisällä atomihiiltä. Ne perustuvat alumiinin, magnesiumin, piin jne. oksideihin. Orgaaniset polymeerit muodostavat laajimman luokan, ne sisältävät hiili-, vety-, typpi-, rikki-, halogeeni- ja happiatomeja. Organoelementtipolymeerimateriaalit ovat yhdisteitä, joiden pääketjuissa on lueteltujen lisäksi piin, alumiinin, titaanin ja muiden alkuaineiden atomeja, jotka voivat yhdistyä orgaanisten radikaalien kanssa. Tällaisia yhdistelmiä ei esiinny luonnossa. Nämä ovat yksinomaan synteettisiä polymeerejä. Tämän ryhmän tunnusomaisia edustajia ovat piiorgaaniset yhdisteet, joiden pääketju on rakennettu happi- ja piiatomeista.

Vaadittujen ominaisuuksien omaavien polymeerien saamiseksi teknologia ei usein käytä "puhtaita" aineita, vaan niiden yhdistelmiä orgaanisten tai epäorgaanisten komponenttien kanssa. Hyvä esimerkki ovat polymeeriset rakennusmateriaalit: metalli-muovit, muovit, lasikuitu, polymeeribetoni.

Polymeerien rakenne

Näiden materiaalien ominaisuuksien erikoisuus johtuu niiden rakenteesta, joka puolestaan jakautuu seuraaviin tyyppeihin: lineaarinen haarautunut, lineaarinen, spatiaalinensuurilla molekyyliryhmillä ja erittäin spesifisillä geometrisilla rakenteilla sekä portaat. Tarkastellaanpa kutakin niistä lyhyesti.

Polymeerisissä materiaaleissa, joissa on lineaarisesti haarautunut rakenne, on molekyylien pääketjun lisäksi sivuhaaroja. Näitä polymeerejä ovat polypropeeni ja polyisobuteeni.

Materiaaleissa, joissa on lineaarinen rakenne, on pitkät siksak- tai spiraaliketjut. Niiden makromolekyyleille on ensisijaisesti tunnusomaista ketjun linkin tai kemiallisen yksikön yhden rakenneryhmän toistot. Lineaarisen rakenteen omaavat polymeerit erottuvat erittäin pitkien makromolekyylien läsnäolosta, joilla on merkittävä ero sidosten luonteessa ketjussa ja niiden välillä. Tämä viittaa molekyylien välisiin ja kemiallisiin sidoksiin. Tällaisten materiaalien makromolekyylit ovat hyvin joustavia. Ja tämä ominaisuus on polymeeriketjujen perusta, mikä johtaa laadullisesti uusiin ominaisuuksiin: korkea elastisuus sekä haurauden puuttuminen kovettuneessa tilassa.

Ja nyt selvitetään, mitkä ovat tilarakenteen omaavat polymeerimateriaalit. Nämä aineet muodostavat, kun makromolekyylit yhdistyvät toisiinsa, vahvoja kemiallisia sidoksia poikittaissuunnassa. Tuloksena saadaan verkkorakenne, jolla on verkon epätasainen tai avaruudellinen perusta. Tämän tyyppisillä polymeereillä on suurempi lämmönkestävyys ja jäykkyys kuin lineaarisilla. Nämä materiaalit ovat monien rakenteellisten ei-metallisten aineiden perusta.

Polymeerimateriaalien molekyylit, joissa on tikapuurakenne, koostuvat ketjuparista, jotka on yhdistetty kemiallisella sidoksella. Nämä sisältävätorganopiipolymeerit, joille on ominaista lisääntynyt jäykkyys, lämmönkestävyys, ja ne eivät myöskään ole vuorovaikutuksessa orgaanisten liuottimien kanssa.

Polymeerien faasikoostumus

Nämä materiaalit ovat järjestelmiä, jotka koostuvat amorfisista ja kiteisistä alueista. Ensimmäinen niistä auttaa vähentämään jäykkyyttä, tekee polymeeristä elastisen, eli kykenee suuriin palautuviin muodonmuutoksiin. Kiteinen faasi auttaa lisäämään niiden lujuutta, kovuutta, kimmomoduulia ja muita parametreja samalla, kun se vähentää aineen molekyylijoustavuutta. Kaikkien tällaisten alueiden tilavuuden suhdetta kokonaistilavuuteen kutsutaan kiteytysasteeksi, jossa enimmäistasolla (jopa 80%) on polypropeeneja, fluoroplasteja, korkeatiheyksisiä polyeteenejä. Polyvinyyliklorideilla, pienitiheyksisillä polyeteeneillä on alhaisempi kiteytysaste.

Riippuen siitä, kuinka polymeerimateriaalit käyttäytyvät kuumennettaessa, ne jaetaan yleensä lämpökovettuviin ja kestomuovisiin.

Lämpökovetetut polymeerit

Näillä materiaaleilla on ensisijaisesti lineaarinen rakenne. Kuumennettaessa ne pehmenevät, mutta niissä tapahtuvien kemiallisten reaktioiden seurauksena rakenne muuttuu avaruudelliseksi ja aine muuttuu kiinteäksi. Jatkossa tämä laatu säilyy. Polymeerikomposiittimateriaalit on rakennettu tällä periaatteella. Niiden myöhempi kuumennus ei pehmetä ainetta, vaan johtaa vain sen hajoamiseen. Valmis lämpökovettuva seos ei siksi liukene tai sulasitä ei saa kierrättää. Tämän tyyppiset materiaalit sisältävät epoksisilikonia, fenoli-formaldehydiä ja muita hartseja.

Termoplastiset polymeerit

Nämä materiaalit pehmenevät kuumennettaessa ensin ja sitten sulavat ja sitten kovettuvat jäähtyessään. Termoplastiset polymeerit eivät muutu kemiallisesti tämän käsittelyn aikana. Tämä tekee prosessista täysin palautuvan. Tämän tyyppisillä aineilla on lineaarisesti haarautunut tai lineaarinen makromolekyylirakenne, jonka välillä vaikuttavat pienet voimat ja joissa ei ole lainkaan kemiallisia sidoksia. Näitä ovat polyeteenit, polyamidit, polystyreenit jne. Kestomuovityyppisten polymeerimateriaalien teknologia mahdollistaa niiden valmistuksen ruiskuvalulla vesijäähdytetyissä muoteissa, puristamalla, suulakepuristamalla, puh altamalla ja muilla menetelmillä.

Kemialliset ominaisuudet

Polymeerit voivat olla seuraavissa olomuodoissa: kiinteä, nestemäinen, amorfinen, kiteinen faasi sekä erittäin elastinen, viskoosi ja lasimainen muodonmuutos. Polymeerimateriaalien laaja käyttö johtuu niiden korkeasta kestävyydestä erilaisia aggressiivisia aineita, kuten väkeviä happoja ja emäksiä, vastaan. Ne eivät ole alttiina sähkökemialliselle korroosiolle. Lisäksi niiden molekyylipainon kasvaessa materiaalin liukoisuus orgaanisiin liuottimiin heikkenee. Ja polymeereihin, joilla on kolmiulotteinen rakenne, mainitut nesteet eivät yleensä vaikuta.

Fysikaaliset ominaisuudet

Useimmat polymeerit ovat eristeitä, lisäksi ne ovat ei-magneettisia materiaaleja. Kaikista käytetyistä rakennemateriaaleista vain niillä on alhaisin lämmönjohtavuus ja suurin lämpökapasiteetti sekä lämpökutistuvuus (noin kaksikymmentä kertaa enemmän kuin metallilla). Syynä erilaisten tiivistyskokoonpanojen tiiviyden menetykseen matalissa lämpötiloissa on kumin niin kutsuttu lasisiirtymä sekä metallien ja kumien jyrkkä ero lasitetussa tilassa olevien laajenemiskertoimien välillä.

Mekaaniset ominaisuudet

Polymeerisillä materiaaleilla on laaja valikoima mekaanisia ominaisuuksia, jotka riippuvat suuresti niiden rakenteesta. Tämän parametrin lisäksi useat ulkoiset tekijät voivat vaikuttaa suuresti aineen mekaanisiin ominaisuuksiin. Näitä ovat: lämpötila, taajuus, kuormituksen kesto tai nopeus, jännitystilan tyyppi, paine, ympäristön luonne, lämpökäsittely jne. Polymeerimateriaalien mekaanisten ominaisuuksien piirre on niiden suhteellisen korkea lujuus erittäin alhaisella jäykkyydellä (verrattuna). metalleihin).

Polymeerit jaetaan yleensä kiinteisiin aineisiin, joiden kimmokerroin vastaa E=1–10 GPa (kuidut, kalvot, muovit), ja pehmeisiin erittäin elastisiin aineisiin, joiden kimmomoduuli on E=1– 10 MPa (kumi). Molempien tuhoutumismallit ja -mekanismit ovat erilaisia.

Polymeerimateriaaleille on ominaista ominaisuuksien selvä anisotropia sekä lujuuden heikkeneminen ja virumisen kehittyminen pitkäaikaisessa kuormituksessa. Yhdessä tämän kanssa heniillä on suhteellisen korkea väsymiskestävyys. Metalleihin verrattuna ne eroavat mekaanisten ominaisuuksien terävämmällä riippuvuudesta lämpötilasta. Yksi polymeerimateriaalien pääominaisuuksista on muotoutuvuus (taustavuus). Tämän parametrin mukaan laajalla lämpötila-alueella on tapana arvioida niiden tärkeimmät toiminnalliset ja tekniset ominaisuudet.

Polymeerilattiamateriaalit

Katsotaan nyt yhtä vaihtoehtoa polymeerien käytännön soveltamiseen, paljastaen näiden materiaalien täyden valikoiman. Näitä aineita käytetään laajasti rakennus-, korjaus- ja viimeistelytöissä, erityisesti lattioissa. V altava suosio selittyy kyseisten aineiden ominaisuuksilla: ne kestävät hankausta, niillä on alhainen lämmönjohtavuus, heikosti imevät vettä, ovat melko vahvoja ja kovia ja niillä on korkeat maali- ja lakkaominaisuudet. Polymeerimateriaalien tuotanto voidaan jakaa ehdollisesti kolmeen ryhmään: linoleumit (valssatut), laattatuotteet ja seokset saumattomien lattioiden asentamiseen. Tarkastellaan nyt kutakin nopeasti.

Linoleumit valmistetaan erityyppisistä täyteaineista ja polymeereistä. Ne voivat sisältää myös pehmittimiä, prosessiapuaineita ja pigmenttejä. Polymeerimateriaalin tyypistä riippuen erotetaan polyesteri (glyftaali), polyvinyylikloridi, kumi, koloksiliini ja muut pinnoitteet. Lisäksi ne on rakenteen mukaan jaettu pohjattomiin ja ääni- ja lämpöä eristävällä pohjalla, yksikerroksisiin ja monikerroksisiin, joissa on sileä, fleecy.ja aallotettu pinta sekä yksi- ja monivärinen.

Polymeerikomponenteista valmistetuilla laattamateriaaleilla on erittäin alhainen kulutuskestävyys, kemikaalien kestävyys ja kestävyys. Raaka-ainetyypistä riippuen tämäntyyppiset polymeerituotteet jaetaan kumaroni-polyvinyylikloridiin, kumaroniin, polyvinyylikloridiin, kumiin, fenoliittiin, bitumilaattoihin sekä lastulevyyn ja kuitulevyyn.

Materiaalit saumattomiin lattioihin ovat kätevimpiä ja hygieenisimpiä käyttää, ne ovat erittäin lujia. Nämä seokset jaetaan yleensä polymeerisementtiin, polymeeribetoniin ja polyvinyyliasetaattiin.