Polimer anyagok: technológia, típusok, gyártás és alkalmazás

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 10:30

A polimer anyagok nagy molekulájú kémiai vegyületek, amelyek számos, azonos szerkezetű kis molekulájú monomerből (egységből) állnak. Gyakran a következő monomer komponenseket használják polimerek gyártásához: etilén, vinil-klorid, vinil-deklorid, vinil-acetát, propilén, metil-metakrilát, tetrafluor-etilén, sztirol, karbamid, melamin, formaldehid, fenol. Ebben a cikkben részletesen megvizsgáljuk, melyek azok a polimer anyagok, melyek kémiai és fizikai tulajdonságaik, osztályozásuk és típusaik.

Polimerek típusai

Az anyag molekuláinak egyik jellemzője a nagy molekulatömeg, amely a következő értéknek felel meg: М>5103. Azokat a vegyületeket, amelyeknél ez a paraméter alacsonyabb (M=500-5000), oligomereknek nevezzük. Kis molekulatömegű vegyületekben a tömeg kisebb, mint 500. A polimer anyagok következő típusait különböztetjük meg: szintetikus és természetes. Ez utóbbiak közé tartozik a természetes gumi, csillám, gyapjú, azbeszt, cellulóz stb. A fő helyet azonban a szintetikus polimerek foglalják el, amelyeket kis molekulatömegű vegyületekből kémiai szintézis eljárás eredményeként nyernek. attól függőena nagy molekulatömegű anyagok előállítási módszeréből a polimereket különböztetik meg, amelyek vagy polikondenzációval vagy addíciós reakcióval jönnek létre.

Polimerizáció

Ez az eljárás az alacsony molekulatömegű komponensek nagy molekulatömegűvé történő kombinációja hosszú láncok előállítására. A polimerizáció mértéke az adott összetétel molekuláiban lévő "merek" száma. Leggyakrabban a polimer anyagok ezer-tízezer egységet tartalmaznak. A következő általánosan használt vegyületeket polimerizációval állítják elő: polietilén, polipropilén, polivinil-klorid, politetrafluor-etilén, polisztirol, polibutadién stb.

Polikondenzáció

Ez a folyamat egy lépésenkénti reakció, amely abból áll, hogy vagy nagyszámú azonos típusú monomert, vagy egy pár különböző csoportot (A és B) polikondenzátorokká (makromolekulákká) kombinálunk, a következők egyidejű képződésével melléktermékek: metil-alkohol, szén-dioxid, hidrogén-klorid, ammónia, víz stb. A polikondenzáció során szilikonok, poliszulfonok, polikarbonátok, amino-műanyagok, fenolos műanyagok, poliészterek, poliamidok és más polimer anyagok keletkeznek.

Polyaddition

Ezen a folyamaton polimerek képződését értjük olyan monomer komponensek többszöri hozzáadásával járó reakciók eredményeként, amelyek korlátozó reakciókombinációkat tartalmaznak telítetlen csoportok monomereire (aktív ciklusok vagy kettős kötések). A polikondenzációval ellentétben a poliaddíciós reakció melléktermékek nélkül megy végbe. Ennek a technológiának a legfontosabb folyamata az epoxigyanták keményítése és a poliuretánok előállítása.

A polimerek osztályozása

Az összes polimer anyag összetétele szervetlen, szerves és szerves elemekre oszlik. Közülük az első (szilikátüveg, csillám, azbeszt, kerámia stb.) nem tartalmaz atomi szenet. Alumínium-, magnézium-, szilícium-, stb. oxidokon alapulnak. A szerves polimerek alkotják a legkiterjedtebb osztályt, szén-, hidrogén-, nitrogén-, kén-, halogén- és oxigénatomokat tartalmaznak. A szerves elemes polimer anyagok olyan vegyületek, amelyek fő láncaiban a felsoroltakon kívül szilícium-, alumínium-, titán- és más elemek is vannak, amelyek szerves gyökökkel kapcsolódhatnak. Ilyen kombinációk a természetben nem fordulnak elő. Ezek kizárólag szintetikus polimerek. Ennek a csoportnak a jellegzetes képviselői a szerves szilícium alapú vegyületek, amelyek fő lánca oxigén- és szilíciumatomokból épül fel.

A szükséges tulajdonságokkal rendelkező polimerek előállításához a technológia gyakran nem „tiszta” anyagokat, hanem azok szerves vagy szervetlen összetevőkkel való kombinációját használja. Jó példa erre a polimer építőanyagok: fém-műanyag, műanyag, üvegszál, polimer beton.

A polimerek szerkezete

Ezen anyagok tulajdonságainak sajátossága a szerkezetükből adódik, amely viszont a következő típusokra oszlik: lineáris elágazás, lineáris, térbelinagy molekulacsoportokkal és nagyon specifikus geometriai szerkezetekkel, valamint lépcsővel. Tekintsük röviden mindegyiket.

A lineárisan elágazó szerkezetű polimer anyagoknak a molekulák főláncán kívül mellékágaik is vannak. Ezek a polimerek közé tartozik a polipropilén és a poliizobutilén.

A lineáris szerkezetű anyagok hosszú cikk-cakk vagy spirális láncokkal rendelkeznek. Makromolekuláikra elsősorban a láncszem vagy kémiai egység szerkezeti csoportjában található helyek ismétlődése jellemző. A lineáris szerkezetű polimereket nagyon hosszú makromolekulák jelenléte különbözteti meg, amelyek jelentős különbségeket mutatnak a lánc mentén és közöttük lévő kötések természetében. Ez intermolekuláris és kémiai kötésekre vonatkozik. Az ilyen anyagok makromolekulái nagyon rugalmasak. Ez a tulajdonság pedig a polimer láncok alapja, ami minőségileg új tulajdonságokhoz vezet: nagy rugalmasság, valamint a ridegség hiánya kikeményedett állapotban.

És most nézzük meg, melyek azok a térszerkezetű polimer anyagok. Ezek az anyagok a makromolekulák egymással kombinálva erős kémiai kötéseket hoznak létre keresztirányban. Ennek eredményeként egy hálószerkezetet kapunk, amelynek a háló egyenetlen vagy térbeli alapja van. Az ilyen típusú polimerek nagyobb hőállósággal és merevséggel rendelkeznek, mint a lineárisak. Ezek az anyagok sok szerkezeti nemfémes anyag alapját képezik.

A polimer anyagok létraszerkezetű molekulái egy pár láncból állnak, amelyeket kémiai kötéssel kötnek össze. Ezek tartalmazzákszerves szilícium polimerek, amelyeket fokozott merevség, hőállóság jellemez, ráadásul nem lépnek kölcsönhatásba szerves oldószerekkel.

A polimerek fázisösszetétele

Ezek az anyagok olyan rendszerek, amelyek amorf és kristályos régiókból állnak. Ezek közül az első segít csökkenteni a merevséget, rugalmassá teszi a polimert, azaz képes nagy reverzibilis alakváltozásokra. A kristályos fázis segít növelni szilárdságukat, keménységüket, rugalmassági modulusukat és egyéb paramétereiket, miközben csökkenti az anyag molekuláris rugalmasságát. Az összes ilyen terület térfogatának a teljes térfogathoz viszonyított arányát kristályosodási foknak nevezik, ahol a maximális szint (legfeljebb 80%) polipropiléneket, fluoroplasztokat, nagy sűrűségű polietiléneket tartalmaz. A polivinil-kloridok és a kis sűrűségű polietilének alacsonyabb kristályosodási fokúak.

Attól függően, hogy a polimer anyagok hogyan viselkednek melegítéskor, általában hőre keményedő és hőre lágyuló műanyagokra osztják őket.

Hőre keményedő polimerek

Ezek az anyagok elsősorban lineáris szerkezetűek. Melegítéskor meglágyulnak, de a bennük lezajló kémiai reakciók következtében szerkezetük térbelivé változik, és az anyag szilárd anyaggá alakul. A jövőben ez a minőség megmarad. A polimer kompozit anyagok ezen az elven épülnek fel. Későbbi melegítésük nem lágyítja az anyagot, hanem csak bomlásához vezet. A kész hőre keményedő keverék ezért nem oldódik és nem olvad megnem szabad újrahasznosítani. Az ilyen típusú anyagok közé tartozik az epoxi-szilikon, a fenol-formaldehid és más gyanták.

Hőre lágyuló polimerek

Ezek az anyagok hevítéskor először meglágyulnak, majd megolvadnak, majd lehűtve megkeményednek. A hőre lágyuló polimerek nem mennek keresztül kémiai változásokon a kezelés során. Ez a folyamatot teljesen visszafordíthatóvá teszi. Az ilyen típusú anyagok lineárisan elágazó vagy lineáris makromolekulákkal rendelkeznek, amelyek között kis erők hatnak, és egyáltalán nincsenek kémiai kötések. Ide tartoznak a polietilének, poliamidok, polisztirolok stb. A hőre lágyuló típusú polimer anyagok technológiája biztosítja ezek előállítását fröccsöntéssel vízhűtéses formákban, préseléssel, extrudálással, fúvással és egyéb módszerekkel.

Kémiai tulajdonságok

A polimerek a következő halmazállapotúak lehetnek: szilárd, folyékony, amorf, kristályos fázis, valamint nagyon rugalmas, viszkózus és üveges alakváltozás. A polimer anyagok széles körben elterjedt alkalmazása a különféle agresszív közegekkel, például tömény savakkal és lúgokkal szembeni nagy ellenállásuknak köszönhető. Nincsenek kitéve elektrokémiai korróziónak. Ezenkívül molekulatömegük növekedésével az anyag szerves oldószerekben való oldhatósága csökken. A háromdimenziós szerkezetű polimerekre pedig általában nincsenek hatással az említett folyadékok.

Fizikai tulajdonságok

A legtöbb polimer szigetelő, ráadásul nem mágneses anyag. A felhasznált szerkezeti anyagok közül csak ezek rendelkeznek a legalacsonyabb hővezető képességgel és a legnagyobb hőkapacitással, valamint hőzsugorodásukkal (mintegy hússzor nagyobb, mint a fémeké). A különböző tömítőegységek alacsony hőmérsékleten bekövetkező tömítettségvesztésének oka a gumi úgynevezett üveges átalakulása, valamint az üveges állapotban lévő fémek és gumik tágulási együtthatói közötti éles különbség.

Mechanikai tulajdonságok

A polimer anyagok mechanikai jellemzőik széles skálájával rendelkeznek, amelyek nagymértékben függnek szerkezetüktől. Ezen a paraméteren kívül különféle külső tényezők is nagyban befolyásolhatják az anyag mechanikai tulajdonságait. Ide tartoznak a következők: hőmérséklet, gyakoriság, terhelés időtartama vagy sebessége, feszültségi állapot típusa, nyomás, a környezet jellege, hőkezelés stb. A polimer anyagok mechanikai tulajdonságainak egyik jellemzője a viszonylag nagy szilárdságuk nagyon alacsony merevség mellett (összehasonlítva). fémekhez).

A polimereket általában szilárd anyagokra osztják, amelyek rugalmassági modulusa E=1–10 GPa (szálak, fóliák, műanyagok) és lágy, rendkívül rugalmas anyagokra, amelyek rugalmassági modulusa E=1– 10 MPa (gumi). Mindkettő elpusztításának mintázata és mechanizmusa eltérő.

A polimer anyagokat a tulajdonságok kifejezett anizotrópiája jellemzi, valamint a szilárdság csökkenése, a kúszás kialakulása hosszú távú terhelés esetén. Ezzel együtt őkviszonylag magas fáradtságállósággal rendelkeznek. A fémekhez képest a mechanikai tulajdonságok hőmérséklettől való élesebb függésében különböznek egymástól. A polimer anyagok egyik fő jellemzője a deformálhatóság (hajlékonyság). Ennek a paraméternek megfelelően széles hőmérsékleti tartományban szokás értékelni főbb működési és technológiai tulajdonságaikat.

Polimer padlóanyagok

Most nézzük meg a polimerek gyakorlati alkalmazásának egyik lehetőségét, feltárva ezen anyagok teljes skáláját. Ezeket az anyagokat széles körben használják az építőiparban, a javítási és befejező munkákban, különösen a padlóburkolatoknál. A hatalmas népszerűség a szóban forgó anyagok jellemzőivel magyarázható: kopásállóak, alacsony hővezető képességgel rendelkeznek, csekély a vízfelvételük, meglehetősen erősek és kemények, valamint jó festék- és lakkminőségűek. A polimer anyagok gyártása feltételesen három csoportra osztható: linóleum (hengerelt), csempetermékek és keverékek varrat nélküli padlók felszereléséhez. Vessünk most egy gyors pillantást mindegyikre.

A linóleumok különböző típusú töltőanyagok és polimerek alapján készülnek. Tartalmazhatnak lágyítókat, feldolgozási segédanyagokat és pigmenteket is. A polimer anyag típusától függően poliészter (gliftál), polivinil-klorid, gumi, kolloxilin és egyéb bevonatok különböztethetők meg. Ezenkívül felépítésük szerint alap nélküli és hang- és hőszigetelő alappal ellátott, egyrétegű és többrétegű, sima, gyapjas.és hullámos felületű, valamint egy- és többszínű.

A polimer komponensekből készült csempézett anyagok nagyon alacsony kopásállósággal, vegyszerállósággal és tartóssággal rendelkeznek. Az ilyen típusú polimer termékek az alapanyag típusától függően kumaron-polivinil-kloridra, kumaronra, polivinil-kloridra, gumira, fenolitra, bitumenes csempére, valamint forgácslapra és farostlemezre oszthatók.

A varrat nélküli padlókhoz használt anyagok a legkényelmesebb és leghigiénikusabbak, nagy szilárdságúak. Ezeket a keverékeket általában polimer cementre, polimer betonra és polivinil-acetátra osztják.