Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Полімерні матеріали

Скачати 463.64 Kb.

Полімерні матеріали




Скачати 463.64 Kb.
Сторінка1/4
Дата конвертації10.06.2017
Розмір463.64 Kb.
  1   2   3   4

1.7.1.2. Полімерні матеріали*
Термін полімер (грец.

Поліме́ри (грец. πολύ- - багато (poli); μέρος - частина (meres) - «складається з багатьох частин») - природні та штучні високомолекулярні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних однакових або різних за будовою атомних угруповань, з'єднаних між собою хімічними або координаційними зв'язками в довгі лінійні або розгалужені ланцюги.

Πολύ – багато (poli); μέρος — частина (meres) був уведений у науку І.Берцеліусом, відомим шведським хіміком, у 1833 р. для позначення особливого виду ізомерії, при якій речовини однакового складу відрізняються молекулярною масою. Наприклад, етилен і бутилен, кисень і озон. Синтетичні полімери на той час ще не були відомі, а перші згадки про них належать до 1838 р. (полівініліденхлорид) і 1839 р. (полістирол).

Хімія полімерів як наука виникла лише після створення в 60-х роках XIX ст. російським хіміком О. Бутлеровим (1828–1886) теорії хімічної будови органічних речовин, що дало можливість систематизувати величезний практичний матеріал, накопичений на той час органічною хімією.

Хімі́чна сполу́ка - речовина, молекули якої складаються з атомів двох або більше різних хімічних елементів, сполучених між собою тим чи іншим типом хімічного зв'язку. Сполука має певний хімічний склад і їй можна приписати точну хімічну формулу.

Органі́чна хі́мія - один з найважливіших розділів хімії, який вивчає структуру та властивості органічних сполук. Органічними називають сполуки вуглецю з іншими елементами. Здатність вуглецю з'єднуватися з більшістю елементів і утворювати молекули різного складу і будови обумовлює різноманіття органічних сполук (до кінця XX століття їх число перевищило 10 млн, зараз понад 20 млн).

Німецькі хіміки Штаудінгер, Фішер, Меєр та Френсіс вивчали природу полімерів та способи їх отримання.

Звичайно, низькомолекулярні сполуки існували задовго до пізнання їх будови – це природні полімери, отриманих за допомогою бактерій, грибків, водоростей, рослин, тварин або в клітках організму людини.

Людське тіло - фізична структура людини, людський організм. Тіло людини утворено клітинами різних типів, характерним чином організується в тканини, які формують органи, заповнюють простір між ними або покривають зовні.

Целюлоза, що входить до складу рослин, крохмаль, накопичений рослинами, геноми ДНК, хітозан, колаген, шовк, каучук, казеїн – ось лише деякі приклади природних полімерів. Деревина, кістка, зуби можуть бути класифіковані як передові та досі не перевершені за поєднанням своїх властивостей композиційні полімери.

Перший повністю синтетичний полімер отримав бельгійський хімік Лео Хендрік Баекелана у 1909 році. Це був матеріал на основі фенолформальдегідної смоли, названий бакелітом, який мав дуже добрі ізоляційні властивості. У 1912 році німецький хімік Фріц Клатте розробив промисловий метод отримання полівінілхлориду.

Значний прогрес у розвитку полімерів розпочався у 30-х роках ХХ століття, що було пов’язано з винайденням методів переробки нафтопродуктів. Так, наприклад, було розроблено такі матеріали, як полістирол, поліамід, синтетичні волокна (нейлон, капрон) та багато інших.

Фенолформальдегідні смоли [-C 6H3(OH)-CH2-]n - різновид конденсаційних смол, продукти поліконденсації фенолу C 6 H 5 OH з формальдегідом CH2=O.

Синтетичне волокно - це хімічне волокно, яке формують із синтетичних полімерів. У промисловості для одержання синтетичних волокон застосовують: поліаміди, поліефіри, поліакрилонітрил, поліолефіни, полівінілхлорид, полівініловий спирт.

Комерційне виробництво таких матеріалів дозволяло економити натуральну сировину та здешевшувати вартість товарів. Полімерні матеріали почали використовувати у машинобудуванні, медицині, оптиці, для виготовлення предметів побутового вжитку, взуття та одягу. У 1953 році General Motors впровадив на ринок новий «шевроле корвет», корпус якого виготовлений з армованого скловолокна. Відтоді полімерні композити зі скловолокном використовують у кожній новій генерації «шеврове».

Згодом полімерні матеріали знайшли застосування майже у всіх галузях. Сучасні літако- та ракетобудування широко використовують полімерні матеріали завдяки поєднанню їх механічних, фізичних та хімічних властивостей.

Хімічні властивості - властивості речовин, що стосуються хімічних процесів, тобто це такі властивості, які проявляються в ході хімічної реакції. До хімічних властивостей відноситься здатність реагувати з іншими речовинами, а також схильність до розкладу.

Навіть для виготовлення костюмів для космонавтів використовують шарові тканини, виготовлені з нейлону, поліаміду, політерефталану етилену, дроту тефлону, поєднаних між собою синтетичним каучуком неопреном.

Виробництво пластмас зростає з року в рік. Якщо у 1976 р. у всьому світі було випущено 20 млн тонн пластмас, то у 2013 р. було виготовлено приблизно 350 млн тонн пластмаси. До найважливіших штучних полімерів, які виготовляють у світі, належать: поліетилени (PE-LD, PE-LLD, PE-HD), поліпропілен (РР), полівінілхлорид (PCW), полістирол (PS, EPS), поліуретан (PUR) та політерефталан етилену (РЕТ). Головним сектором використання полімерів на теперішній час є такі галузі, як упакування, будівництво, машинобудування, електроніка та електротехніка. У табл. 1.75 наведено етапи відкриття штучних полімерів.

За способом отримання полімери можна поділити на:

− синтетичні полімери (наприклад, поліетилен, що виготовляють з продуктів нафтопереробки або біополіетилен, що виготовляють у процесі ферментаціїї цукрового очерету);

Цукро́ва трости́на (Saccharum) - рід, від 6 до 37 видів (залежно від інтерпретації) високих трав'янистих рослин родини тонконогові (злакові) (підродини Panicoideae, триби Andropogoneae). Всі вони походять із субтропічних та тропічних районів Старого світу.

− натуральні полімери (біополімери) (наприклад, натуральний каучук, білки, нуклеїнові кислоти (ДНК, РНК), полісахариди – крохмаль і целюлоза);

− модифіковані полімери – натуральні або синтетичні, структура яких була змінена шляхом фізичної або хімічної модифікації.

Основною сировиною для виробництва полімерів є сира нафта та продукти нафтопереробки. Пластмасова промисловість використовує цю сировину дуже економно, тільки близько 4% від світового виробництва сирої нафти використовується для виробництва цих матеріалів.

Нафта видобувна (рос. нефть добываемая; англ. produced oil; нім. Förderdöl n) - суміш нафти, газу, мінералізованої води, механічних домішок та інших попутних компонентів, безпосередньо видобута з пласта.

Нуклеїнові кислоти - складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди.

На́фта(від грец. ναφθα; лат. petroleum, від грецької Πέτρα (камінь) латини: oleum (олія)), також земляна́ олі́я, теку́чка або кип'я́чка - горюча корисна копалина, складна суміш вуглеводнів різних класів з невеликою кількістю органічних кисневих, сірчистих і азотних сполук, що являє собою густу оліїсту рідину.



Таблиця 1.75

Етапи відкриття штучних полімерів [1]




Назва матеріалу

Винахідник матеріалу

Рік

Країна

Фірма

-

Гума

Гудеа С.

1839

США

-

NC

Азотан целюлози (паркесина, ксилоніт)

Паркес А.

1862

Англія

Parkesine Company

-

Целулоїд

Хіатт Д.

1870

США

Albany Dental Punt

PF

Фенопласт (бакеліт)

Бакеланд Л.

1909

США

General Backelite

PCW (PVC)

Полівінілхлорид

Клатт Ф.

1912

Німеччина

BASF

PMMA

Поліметакрилан метилу (плексиіглас)

Ром О.

1927

Німеччина

Rohm I Hass

PS

Полістирен

-

1930

Німеччина

BASF

РЕ

Поліетилен

Фавсетт Е., Гібсон Р.

1933

Англія

І.С.І.

UP

Поліестрова смола

Еліс С.

1936

США

American Cyanamid

PUR

Поліуретан

Баєр О.

1937

Німеччина

Bayer

EP

Епоксидна смола

Кастан П.

1938

Швеція

-

РА 6,6

Поліамід 6,6 (нейлон)

Каротерс В.

1941

США

DuPont

PET

Політерефталан етилену

Уїнфілд Д.

1941

Англія

Calico Printers’ Association

SI

Силікон

Варрік Е.

1941

США

General Electric

PTFE

Політетрафлуороетилен (тефлон)

Планкет Р.

1943

США

DuPont

РОМ

Поліоксиметилен

МакДоналд Р.

1953

США

DuPont

РР

Поліпропілен

Натта Д.

1957

Франція

Montecatini

PW (PC)

Полівеглан

Фокс Д.

1953

Німеччина, США

Bayer, General Electric

Крім того сировина може містити вугілля, природний газ, азот, водень і вапняк або солі. Загалом у виробництві полімерів частка продуктів переробки нафти, супутнього і природного газу становить близько 90%, частка продуктів переробки вугілля – 9 – 10%.

Переробка нафти - складний багатоступеневий технологічний процес, в результаті якого отримують широкий асортимент товарних продуктів, що відрізняються структурою, фізико-хімічними властивостями, складом і сферами використання.

При цьому вартість сировини у собівартості виробництва становить 70 – 80%.

Крім нафтохімічних полімерів є біологічні полімери, які отримують з відновлюваної сировини. Сьогодні кількість таких полімерів становить лише 1% від усього ринку полімерів. Рослинна сировина є важливою альтернативою нафти, поклади якої неперервно виснажуються. Біологічні полімери, одержувані в даний час на основі деревних компонентів та однорічних рослин, що містять крохмаль (картопля, кукурудза, пшениця, рис) і целюлозу.

Однорі́чні росли́ни (однорічники) - рослини, зазвичай трав'янисті, що живуть протягом лише одного вегетаційного періоду і за цей час встигають сформувати квітки і насіння.

Також такі матеріали можуть бути отримані за допомогою деяких бактерій, грибів та водоростей.

Отже, полімери – це природні та штучні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних однакових або різних за будовою атомних угруповань, з'єднаних між собою хімічними або координаційними зв'язками у довгі лінійні або розгалужені ланцюги.

Типові молекули синтетичних полімерів складаються з великої кількості невеликих фрагментів, що мають назву елементарних ланок.

Залежно від кількості (m) типів таких ланок розрізняють: гомополімери (полімери, m=1) та гетерополімери (сополімери, m≥2) [2].



Більшість полімерів синтезовано з ненасичених вуглеводнів (реакція полімеризації), їх полімерний ланцюг складається з атомів вуглецю, такі полімери мають назву карболанцюгових.

Ненаси́чені вуглево́дні - до ненасичених вуглеводнів відносяться алкени та алкіни. Ненасиченим вуглеводням протиставляються алкани - насичені вуглеводні. Ненасиченими називаються вуглеводні, що мають хоча б один подвійний або потрійний (кратний) карбонний зв’язок.

Полімери, утворені в результаті реакції між функціональними групами (реакції поліприєднання або поліконденсації – реакції, що супроводжуються утворенням низькомолекулярних сполук), називають гетероланцюговими – їх полімерний ланцюг містить гетероатом (О,N,S) між ланками з вуглеводнів.

Функціона́льні гру́пи (функці́йні гру́пи) - це специфічні групи атомів всередині молекул, які відповідають за властивості цих молекул в хімічних реакціях. Одна і та ж функціональна група однаково себе поводить в хімічних реакціях, незважаючи на розмір молекули, частиною якої є ця група..

Для утворення полімерного ланцюга необхідно, щоб функціональність (кількість активних центрів, що беруть участь у реакції) молекули була ≥2, отже, мономери – це сполуки, що мають функціональність ≥2. Активними центрами в макромолекулярній хімії можуть бути: подвійні зв'язки (реакція полімеризації – утворюються карболанцюгові полімери), нестійкі цикли (капролактам, окис етилену – реакція поліприєднання – утворюються гетероланцюгові полімери), функціональні групи – СООН, –NН2, –ОН (реакція поліконденсації – утворюються гетероланцюгові полімери).

Активний центр - особлива частина молекули ферменту, що визначає його специфічність і каталітичну активність.

Оксира́н (етиле́нокси́́д) - насичена гетероциклічна сполука з хімічною формулою C2H4O. Це найпростіший циклічний етер. За звичайних умов перебуває у газоподібному стані. Температура кипіння становить 10,7 °C.

Елементарна ланка полімеру, синтезованого з ненасиченого мономера, збігається із залишком мономера.

Мономер (М) Мономерна ланка ( М )

Добре відомі полімери мають такі групи замінників X та У:


  • поліетилен Х=Н; Y=Н

− поліпропілен Х=Н; Y=СН3

− полістирол Х=Н; Y=С6Н5

− поліакрилонітрил Х=Н; Y=СN

− поліметилстирол Х=СНз; Y=С6Н5

− поліметакрилова кислота Х=СН3;Y=СООН

Класифікація полімерів базується на таких ознаках:



  • за хімічним складом (органічні, неорганічні, елементоорганічні);

    Хімічний склад, також Склад речовини - термін хімії - частка вмісту окремих хімічних елементів у речовині, матеріалі, сплаві, породі тощо.



  • за походженням (природні, синтетичні, штучні);

  • за формою макромолекули (лінійні, розгалужені, стрічкові, драбинкові, просторові, сітчасті, тривимірні (рис.1.88);

  • за реакцією на нагрівання (термопластичні, термореактивні);

  • за природою атомів полімерного ланцюга (карбо-, гетероланцюгові);

  • за кількістю елементарних ланок полімерного ланцюга (полімер, гомополімер);

  • за фазовим станом (аморфні, кристалічні);

  • за полярністю (полярні, неполярні).

Незалежно від виду, складу вихідних речовин та способів отримання матеріали на основі полімерів можна класифікувати на:

− пластмаси;

− волокнити;

− шаруваті пластики;

− плівки;

покриття;

− клеї.



Рис.1.88. Можливі форми макромолекул полімерів
На відміну від низькомолекулярних сполук властивості полімерів значною мірою визначаються формою (архітектурою) макромолекул. Маючи велику молекулярну масу, вони не можуть переходити в газоподібний стан, при нагріванні утворювати в’язкі рідини або зовсім розм’якшуватись, легко розчинятися.

Газ (нід. gas, від грец. chaos - хаос) - один із агрегатних станів речовини, для якого характерні великі відстані між частинками (молекулами, атомами, іонами) порівняно з твердим чи рідинним станами, слабка міжмолекулярна взаємодія, невпорядкованість структури, а середня кінетична енергія хаотичного руху частинок набагато більша за енергію взаємодії між ними.

Полімери характеризуються еластичністю (каучуки), малою крихкістю (пластмаси, органічне скло), здатністю макромолекул до орієнтації за дії спрямованого механічного поля, високою в’язкістю розчину за малої концентрації полімеру, розчинністю після стадії набухання, здатністю різко змінювати свої фізико-механічні властивості при дії малої кількості реагента.

Органі́чне скло (в побуті часом оргскло́) - прозорі пластмаси на основі поліметилметакрилату (плексигласу), полікарбонатів, полівінілхлориду, полістиролу та інших полімерів. До їхніх переваг над неорганічним склом належать мала густина, вища міцність, добра технологічність: вони легко формуються у вироби, обробляються різанням, добре зварюються, склеюються.

Полімери можуть перебувати у склоподібному, високоеластичному або в’язко-рідкому стані.

Зі зміною температури лінійний або розгалужений полімер може переходити з одного фізичного стану в інший. Із підвищенням температури полімери розм’якшуються і стають дуже пластичними.

Механічні властивості полімерів залежать не тільки від їх будови та температури, але і від часу експлуатації та докладеного навантаження. При дії докладених напружень відбувається як розпрямлення та розкручування ланцюжків макромолекул, так і їх переміщення.

Полімерам властиве явище старіння – зміна фізико-механічних властивостей, спричинена різними хімічними реакціями (окиснення, утворення вільних радикалів, деполімеризація з одиничними розривами ланцюжків), які проходять у полімері.

Радика́л (вільний радикал; від фр. radical та лат. radicalis - «корінний», «той, що має корінь»; від лат. radix, «корінь») в хімії - парамагнітна частинка (атоми або молекули) з неспареним електроном на зовнішній атомній або молекулярній орбіталі.

Хімі́чна реа́кція - це перетворення речовин, при якому молекули одних речовин руйнуються і на їхньому місці утворюються молекули інших речовин з іншим атомним складом. Усі хімічні реакції зображують хімічними рівняннями.

Старіння може відбуватися унаслідок дії тепла, озону та атмосфери протягом тривалого часу. Якщо при цьому докладаються механічні навантаження, то процес старіння пришвидшується. Для уповільнення та запобігання явищу старіння до складу полімерів вводять антиоксиданти.

При дії іонізуючого випромінювання у полімерах відбувається явище іонізації та порушення, що супроводжується розривом хімічного зв’язку й утворенням вільних радикалів.

Іонізаці́йна радіа́ція - потоки електромагнітних хвиль або частинок речовини, що здатні при взаємодії з речовиною утворювати в ній іони. До іонізаційного випромінення відносять альфа-, бета-, гамма-промені, рентгенівське випромінювання, а також інші високоенергетичні заряджені частинки на кшталт протонів та іонів, отриманих у прискорювачах.

Для підвищення стійкості полімерів до дії іонізуючого випромінювання до їх складу вводять антирадикали.



Пластмаси: основні поняття і класифікація. Пластмаси – це штучні матеріали, які одержують на основі органічних полімерів. Основними інгредієнтами, що входять до складу пластмас, є:

− наповнювачі – для підвищення міцності, твердості, в’язкості, хімічної стійкості та поліпшення інших властивостей пластмас;

− пластифікатори – для поліпшення технологічних та експлуатаційних властивостей;

− стабілізатори – для підвищення стійкості пластмас до впливу різних факторів, які сприяють розпаданню полімеру;

− антистатики;

− агенти – для зшивання молекули полімеру у сітку;

− барвники;

− за потреби речовини, що змащують, прискорюють твердіння, поліпшують антифрикційні або фрикційні властивості.

Пластмаси, отримані на основі термопластичних полімерів, називають термопластичними, або термопластами, а отримані на основі термореактивних смол – термореактивними, або реактопластами.

Термопласти випускають як без наповнювача (поліетилен, органічне скло), так і з наповнювачами у вигляді мінеральних і синтетичних волокон (органопласти).

Термореактивні полімери після твердіння та переходу в термостабільний стан крихкі, тому вони, в основному, не мають самостійного застосування, а використовуються як сполучні (матриці) при одержанні полімерних композиційних матеріалів.

Загальними особливостями пластмас є мала густина (до 2·103 кг/м3), низька теплопровідність (0,1-0,3 Вт/(мК), добрі електроізоляційні властивості, висока хімічна стійкість, фрикційні та антифрикційні властивості, значне теплове розширення. Міцність силових пластиків порівнянна з міцністю сталі і вище. Пластмаси мають добрі технологічні властивості. Недоліками пластмас є невисока теплостійкість, низькі модулі пружності порівняно з металами, а деяких – схильність до старіння.

Компози́тний матеріа́л (КМ), або компози́т - гетерофазний матеріал, окремі фази якого виконують специфічні функції, забезпечуючи йому властивості, яких не має жодний з компонентів окремо. Зазвичай отримують поєднанням двох або більше компонентів, які нерозчинні або малорозчинні один в одному і мають властивості, що сильно відрізняються.

Мо́дулі пру́жності - фізичні характеристики твердотільних речовин, якими визначається величина механічних напружень при пружній деформації.


  1   2   3   4


Скачати 463.64 Kb.

  • Пластмаси: основні поняття і класифікація.