Πολυμερή υλικά: τεχνολογία, τύποι, παραγωγή και εφαρμογή

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Τα πολυμερή υλικά είναι χημικές ενώσεις υψηλής μοριακής απόδοσης που αποτελούνται από πολυάριθμα μικρομοριακά μονομερή (μονάδες) της ίδιας δομής. Συχνά, τα ακόλουθα μονομερή συστατικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πολυμερών: αιθυλένιο, χλωριούχο βινύλιο, δεχλωριούχο βινύλιο, οξικό βινύλιο, προπυλένιο, μεθακρυλικό μεθύλιο, τετραφθοροαιθυλένιο, στυρόλιο, ουρία, μελαμίνη, φορμαλδεΰδη, φαινόλη. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε λεπτομερώς τι είναι τα πολυμερή υλικά, ποιες είναι οι χημικές και φυσικές ιδιότητες, η ταξινόμηση και οι τύποι τους.

Τύποι πολυμερών

Ένα χαρακτηριστικό των μορίων αυτού του υλικού είναι το μεγάλο μοριακό βάρος, το οποίο αντιστοιχεί στην ακόλουθη τιμή: М>5103. Οι ενώσεις με χαμηλότερο επίπεδο αυτής της παραμέτρου (Μ=500-5000) ονομάζονται ολιγομερή. Σε ενώσεις χαμηλού μοριακού βάρους, η μάζα είναι μικρότερη από 500. Διακρίνονται τα ακόλουθα είδη πολυμερών υλικών: συνθετικά και φυσικά. Τα τελευταία περιλαμβάνουν φυσικό καουτσούκ, μαρμαρυγία, μαλλί, αμίαντο, κυτταρίνη κ.λπ. Ωστόσο, την κύρια θέση κατέχουν τα συνθετικά πολυμερή, τα οποία λαμβάνονται ως αποτέλεσμα μιας διαδικασίας χημικής σύνθεσης από ενώσεις χαμηλού μοριακού βάρους. σε συνάρτησηαπό τη μέθοδο κατασκευής υψηλομοριακών υλικών διακρίνονται τα πολυμερή, τα οποία δημιουργούνται είτε με πολυσυμπύκνωση είτε με αντίδραση προσθήκης.

Πολυμερισμός

Αυτή η διαδικασία είναι ένας συνδυασμός συστατικών χαμηλού μοριακού βάρους σε υψηλού μοριακού βάρους για τη λήψη μακριών αλυσίδων. Το επίπεδο πολυμερισμού είναι ο αριθμός των «μερών» στα μόρια μιας δεδομένης σύνθεσης. Τις περισσότερες φορές, τα πολυμερή υλικά περιέχουν από χίλιες έως δέκα χιλιάδες μονάδες τους. Οι ακόλουθες συνήθως χρησιμοποιούμενες ενώσεις λαμβάνονται με πολυμερισμό: πολυαιθυλένιο, πολυπροπυλένιο, πολυβινυλοχλωρίδιο, πολυτετραφθοροαιθυλένιο, πολυστυρόλιο, πολυβουταδιένιο, κ.λπ.

Πολυσυμπύκνωση

Αυτή η διαδικασία είναι μια σταδιακή αντίδραση, η οποία συνίσταται στο συνδυασμό είτε ενός μεγάλου αριθμού μονομερών του ίδιου τύπου, είτε ενός ζεύγους διαφορετικών ομάδων (Α και Β) σε πολυπυκνωτές (μακρομόρια) με τον ταυτόχρονο σχηματισμό των παρακάτω υποπροϊόντα: μεθυλική αλκοόλη, διοξείδιο του άνθρακα, υδροχλώριο, αμμωνία, νερό κ.λπ. Η πολυσυμπύκνωση παράγει σιλικόνες, πολυσουλφόνες, πολυανθρακικά, αμινοπλαστικά, φαινολικά πλαστικά, πολυεστέρες, πολυαμίδια και άλλα πολυμερή υλικά.

Πολυπροσθήκη

Αυτή η διαδικασία νοείται ως ο σχηματισμός πολυμερών ως αποτέλεσμα αντιδράσεων πολλαπλής προσθήκης μονομερών συστατικών που περιέχουν περιοριστικούς συνδυασμούς αντιδράσεων σε μονομερή ακόρεστων ομάδων (ενεργοί κύκλοι ή διπλοί δεσμοί). Σε αντίθεση με την πολυσυμπύκνωση, η αντίδραση πολυπροσθήκης προχωρά χωρίς παραπροϊόντα. Η πιο σημαντική διαδικασία αυτής της τεχνολογίας είναι η σκλήρυνση των εποξειδικών ρητινών και η παραγωγή πολυουρεθανών.

Ταξινόμηση πολυμερών

Η σύνθεση όλων των πολυμερών υλικών χωρίζεται σε ανόργανα, οργανικά και οργανοστοιχεία. Το πρώτο από αυτά (πυριτικό γυαλί, μαρμαρυγία, αμίαντος, κεραμικά κ.λπ.) δεν περιέχουν ατομικό άνθρακα. Βασίζονται σε οξείδια αλουμινίου, μαγνησίου, πυριτίου κ.λπ. Τα οργανικά πολυμερή αποτελούν την πιο εκτεταμένη κατηγορία, περιέχουν άτομα άνθρακα, υδρογόνου, αζώτου, θείου, αλογόνου και οξυγόνου. Τα πολυμερή υλικά οργανοστοιχείων είναι ενώσεις που στις κύριες αλυσίδες έχουν, εκτός από αυτά που αναφέρονται, άτομα πυριτίου, αλουμινίου, τιτανίου και άλλα στοιχεία που μπορούν να συνδυαστούν με οργανικές ρίζες. Τέτοιοι συνδυασμοί δεν υπάρχουν στη φύση. Αυτά είναι αποκλειστικά συνθετικά πολυμερή. Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι αυτής της ομάδας είναι ενώσεις με βάση το οργανοπυρίτιο, η κύρια αλυσίδα των οποίων αποτελείται από άτομα οξυγόνου και πυριτίου.

Για τη λήψη πολυμερών με τις απαιτούμενες ιδιότητες, η τεχνολογία συχνά χρησιμοποιεί όχι «καθαρές» ουσίες, αλλά συνδυασμούς τους με οργανικά ή ανόργανα συστατικά. Ένα καλό παράδειγμα είναι τα πολυμερή δομικά υλικά: μέταλλο-πλαστικά, πλαστικά, υαλοβάμβακα, πολυμερές σκυρόδεμα.

Δομή πολυμερών

Η ιδιαιτερότητα των ιδιοτήτων αυτών των υλικών οφείλεται στη δομή τους, η οποία, με τη σειρά της, χωρίζεται στους ακόλουθους τύπους: γραμμικά διακλαδισμένα, γραμμικά, χωροταξικάμε μεγάλες μοριακές ομάδες και πολύ συγκεκριμένες γεωμετρικές δομές, καθώς και σκάλα. Ας εξετάσουμε εν συντομία καθένα από αυτά.

Πολυμερή υλικά με γραμμικά διακλαδισμένη δομή, εκτός από την κύρια αλυσίδα των μορίων, έχουν και πλευρικούς κλάδους. Αυτά τα πολυμερή περιλαμβάνουν το πολυπροπυλένιο και το πολυισοβουτυλένιο.

Τα υλικά με γραμμική δομή έχουν μακριές ζιγκ-ζαγκ ή σπειροειδείς αλυσίδες. Τα μακρομόριά τους χαρακτηρίζονται κυρίως από επαναλήψεις θέσεων σε μια δομική ομάδα ενός κρίκου ή χημικής μονάδας της αλυσίδας. Τα πολυμερή με γραμμική δομή διακρίνονται από την παρουσία πολύ μακριών μακρομορίων με σημαντική διαφορά στη φύση των δεσμών κατά μήκος της αλυσίδας και μεταξύ τους. Αυτό αναφέρεται σε διαμοριακούς και χημικούς δεσμούς. Τα μακρομόρια τέτοιων υλικών είναι πολύ εύκαμπτα. Και αυτή η ιδιότητα είναι η βάση των πολυμερών αλυσίδων, η οποία οδηγεί σε ποιοτικά νέα χαρακτηριστικά: υψηλή ελαστικότητα, καθώς και απουσία ευθραυστότητας στη σκληρυνόμενη κατάσταση.

Και τώρα ας μάθουμε τι είναι τα πολυμερή υλικά με χωρική δομή. Αυτές οι ουσίες σχηματίζουν, όταν τα μακρομόρια συνδυάζονται μεταξύ τους, ισχυρούς χημικούς δεσμούς στην εγκάρσια κατεύθυνση. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνεται μια δομή πλέγματος, η οποία έχει μια ανομοιόμορφη ή χωρική βάση του πλέγματος. Τα πολυμερή αυτού του τύπου έχουν μεγαλύτερη αντοχή στη θερμότητα και ακαμψία από τα γραμμικά. Αυτά τα υλικά αποτελούν τη βάση πολλών δομικών μη μεταλλικών ουσιών.

Μόρια πολυμερών υλικών με δομή κλίμακας αποτελούνται από ένα ζευγάρι αλυσίδων που συνδέονται με έναν χημικό δεσμό. Αυτά περιλαμβάνουνπολυμερή οργανοπυριτίου, τα οποία χαρακτηρίζονται από αυξημένη ακαμψία, αντοχή στη θερμότητα, επιπλέον, δεν αλληλεπιδρούν με οργανικούς διαλύτες.

Σύνθεση φάσης πολυμερών

Αυτά τα υλικά είναι συστήματα που αποτελούνται από άμορφες και κρυσταλλικές περιοχές. Το πρώτο από αυτά βοηθά στη μείωση της ακαμψίας, καθιστά το πολυμερές ελαστικό, δηλαδή ικανό για μεγάλες αναστρέψιμες παραμορφώσεις. Η κρυσταλλική φάση συμβάλλει στην αύξηση της αντοχής, της σκληρότητας, του συντελεστή ελαστικότητας και άλλων παραμέτρων, ενώ μειώνει τη μοριακή ευκαμψία της ουσίας. Ο λόγος του όγκου όλων αυτών των περιοχών προς τον συνολικό όγκο ονομάζεται βαθμός κρυστάλλωσης, όπου το μέγιστο επίπεδο (έως 80%) έχει πολυπροπυλένια, φθοροπλάστες, πολυαιθυλένια υψηλής πυκνότητας. Τα πολυβινυλοχλωρίδια, τα πολυαιθυλένια χαμηλής πυκνότητας έχουν χαμηλότερο βαθμό κρυστάλλωσης.

Ανάλογα με το πώς συμπεριφέρονται τα πολυμερή υλικά όταν θερμαίνονται, συνήθως χωρίζονται σε θερμοσκληρυνόμενα και θερμοπλαστικά.

Θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή

Αυτά τα υλικά έχουν κυρίως γραμμική δομή. Όταν θερμαίνονται, μαλακώνουν, αλλά ως αποτέλεσμα των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε αυτά, η δομή αλλάζει σε χωρική και η ουσία μετατρέπεται σε στερεό. Στο μέλλον, αυτή η ποιότητα διατηρείται. Τα πολυμερή σύνθετα υλικά κατασκευάζονται βάσει αυτής της αρχής. Η επακόλουθη θέρμανση τους δεν μαλακώνει την ουσία, αλλά οδηγεί μόνο στην αποσύνθεσή της. Επομένως, το έτοιμο θερμοσκληρυνόμενο μείγμα δεν διαλύεται ούτε λιώνειδεν επιτρέπεται η ανακύκλωσή του. Αυτός ο τύπος υλικού περιλαμβάνει εποξειδική σιλικόνη, φαινόλη-φορμαλδεΰδη και άλλες ρητίνες.

Θερμοπλαστικά πολυμερή

Αυτά τα υλικά, όταν θερμαίνονται, πρώτα μαλακώνουν και μετά λιώνουν και μετά σκληραίνουν όταν κρυώσουν. Τα θερμοπλαστικά πολυμερή δεν υφίστανται χημικές αλλαγές κατά τη διάρκεια αυτής της επεξεργασίας. Αυτό καθιστά τη διαδικασία εντελώς αναστρέψιμη. Οι ουσίες αυτού του τύπου έχουν μια γραμμική διακλαδισμένη ή γραμμική δομή μακρομορίων, μεταξύ των οποίων δρουν μικρές δυνάμεις και δεν υπάρχουν απολύτως χημικοί δεσμοί. Αυτά περιλαμβάνουν πολυαιθυλένια, πολυαμίδια, πολυστυρένια, κ.λπ. Η τεχνολογία των πολυμερών υλικών θερμοπλαστικής μορφής προβλέπει την παραγωγή τους με χύτευση με έγχυση σε υδρόψυκτα καλούπια, συμπίεση, εξώθηση, εμφύσηση και άλλες μεθόδους.

Χημικές ιδιότητες

Τα πολυμερή μπορεί να είναι στις ακόλουθες καταστάσεις: στερεή, υγρή, άμορφη, κρυσταλλική φάση, καθώς και εξαιρετικά ελαστική, ιξώδη και υαλώδη παραμόρφωση. Η ευρεία χρήση πολυμερών υλικών οφείλεται στην υψηλή αντοχή τους σε διάφορα επιθετικά μέσα, όπως συμπυκνωμένα οξέα και αλκάλια. Δεν υπόκεινται σε ηλεκτροχημική διάβρωση. Επιπλέον, με την αύξηση του μοριακού τους βάρους, μειώνεται η διαλυτότητα του υλικού σε οργανικούς διαλύτες. Και τα πολυμερή, τα οποία έχουν τρισδιάστατη δομή, γενικά δεν επηρεάζονται από τα αναφερόμενα υγρά.

Φυσικές ιδιότητες

Τα περισσότερα πολυμερή είναι μονωτικά, επιπλέον, είναι μη μαγνητικά υλικά. Από όλα τα δομικά υλικά που χρησιμοποιούνται, μόνο αυτά έχουν τη χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα και τη μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα, καθώς και θερμική συρρίκνωση (περίπου είκοσι φορές μεγαλύτερη από αυτή του μετάλλου). Ο λόγος για την απώλεια της στεγανότητας των διάφορων συγκροτημάτων στεγανοποίησης σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας είναι η λεγόμενη γυάλινη μετάπτωση του καουτσούκ, καθώς και η έντονη διαφορά μεταξύ των συντελεστών διαστολής μετάλλων και ελαστικών σε υαλοποιημένη κατάσταση.

Μηχανικές ιδιότητες

Τα πολυμερή υλικά έχουν ένα ευρύ φάσμα μηχανικών χαρακτηριστικών, τα οποία εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη δομή τους. Εκτός από αυτήν την παράμετρο, διάφοροι εξωτερικοί παράγοντες μπορούν να έχουν μεγάλη επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες μιας ουσίας. Αυτά περιλαμβάνουν: θερμοκρασία, συχνότητα, διάρκεια ή ρυθμό φόρτισης, τύπο καταπόνησης, πίεση, φύση του περιβάλλοντος, θερμική επεξεργασία κ.λπ. Ένα χαρακτηριστικό των μηχανικών ιδιοτήτων των πολυμερών υλικών είναι η σχετικά υψηλή αντοχή τους σε πολύ χαμηλή ακαμψία (συγκριτικά σε μέταλλα).

Τα πολυμερή συνήθως χωρίζονται σε στερεά, το μέτρο ελαστικότητας των οποίων αντιστοιχεί σε E=1–10 GPa (ίνες, μεμβράνες, πλαστικά) και σε μαλακές, εξαιρετικά ελαστικές ουσίες, ο συντελεστής ελαστικότητας των οποίων είναι E=1– 10 MPa (λάστιχο). Τα πρότυπα και ο μηχανισμός καταστροφής και των δύο είναι διαφορετικά.

Τα πολυμερή υλικά χαρακτηρίζονται από έντονη ανισοτροπία ιδιοτήτων, καθώς και από μείωση της αντοχής, ανάπτυξη ερπυσμού υπό μακροχρόνια φόρτιση. Μαζί με αυτόέχουν σχετικά υψηλή αντοχή στην κόπωση. Σε σύγκριση με τα μέταλλα, διαφέρουν σε μια πιο έντονη εξάρτηση των μηχανικών ιδιοτήτων από τη θερμοκρασία. Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά των πολυμερών υλικών είναι η παραμορφωσιμότητα (ελαστότητα). Σύμφωνα με αυτήν την παράμετρο, σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, είναι σύνηθες να αξιολογούνται οι κύριες λειτουργικές και τεχνολογικές τους ιδιότητες.

Πολυμερή υλικά δαπέδων

Ας εξετάσουμε τώρα μία από τις επιλογές για την πρακτική εφαρμογή των πολυμερών, αποκαλύπτοντας την πλήρη γκάμα αυτών των υλικών. Αυτές οι ουσίες χρησιμοποιούνται ευρέως σε κατασκευές και εργασίες επισκευής και φινιρίσματος, ιδίως σε δάπεδα. Η τεράστια δημοτικότητα εξηγείται από τα χαρακτηριστικά των εν λόγω ουσιών: είναι ανθεκτικά στην τριβή, έχουν χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, έχουν μικρή απορρόφηση νερού, είναι αρκετά ισχυρά και σκληρά και έχουν υψηλές ιδιότητες βαφής και βερνικιού. Η παραγωγή πολυμερών υλικών μπορεί να χωριστεί υπό όρους σε τρεις ομάδες: λινέλαιο (έλαση), προϊόντα πλακιδίων και μείγματα για την εγκατάσταση δαπέδων χωρίς ραφή. Ας ρίξουμε μια γρήγορη ματιά στο καθένα τώρα.

Τα λινέλαιο κατασκευάζονται με βάση διαφορετικούς τύπους πληρωτικών και πολυμερών. Μπορούν επίσης να περιλαμβάνουν πλαστικοποιητές, βοηθήματα επεξεργασίας και χρωστικές ουσίες. Ανάλογα με τον τύπο του πολυμερούς υλικού, διακρίνονται ο πολυεστέρας (γλυφθαλικό), το χλωριούχο πολυβινύλιο, το καουτσούκ, η κολοξυλίνη και άλλες επικαλύψεις. Επιπλέον, ανάλογα με τη δομή, χωρίζονται σε αβάσιμες και με ηχομονωτική και θερμομονωτική βάση, μονοστρωματικές και πολυστρωματικές, με λεία, ελαστικήκαι κυματοειδές επιφάνεια, καθώς και μονόχρωμη και πολύχρωμη.

Τα υλικά πλακιδίων που κατασκευάζονται με βάση πολυμερή συστατικά έχουν πολύ χαμηλή τριβή, χημική αντοχή και ανθεκτικότητα. Ανάλογα με τον τύπο της πρώτης ύλης, αυτός ο τύπος πολυμερών προϊόντων χωρίζεται σε κουμαρόνη-χλωριούχο πολυβινύλιο, κουμαρόνη, χλωριούχο πολυβινύλιο, καουτσούκ, φαινόλιθο, ασφαλτικά πλακίδια, καθώς και μοριοσανίδες και ινοσανίδες.

Τα υλικά για δάπεδα χωρίς ραφή είναι τα πιο βολικά και υγιεινά στη χρήση, έχουν υψηλή αντοχή. Αυτά τα μείγματα συνήθως χωρίζονται σε πολυμερές τσιμέντο, πολυμερές σκυρόδεμα και οξικό πολυβινύλιο.