Наука различает два вида полимеров – натуральные и синтетические. Синтетические полимеры получаются путем очистки, модификации, температурной обработки и разбавления натурального полимера. По отношению к нагреву полимеры могут быть термопластичными и термореактивными. Термопластичные полимеры становятся мягкими при нагревании, и вновь затвердевают при снижении температуры.
Полимер – длинная цепочка макромолекул, которые выстроены в одинаковые множественно повторяющиеся звенья. Эти звенья называют мономерами, они соединены в цепочку ковалентными химическими связями.
Полимеры отличаются большим количеством звеньев – от сотен до десятков тысяч. По своей молекулярной структуре полимеры делятся на:
- линейные;
- сетчатые;
- разветвленные;
- пространственные.
Линейные полимеры могут быть также и термопластичными. Это обусловлено их физическими свойствами по изменению структуры, пластичности при воздействии на них повышенных температур. Линейный полимер считаются более мягким и менее прочным чем разветвленный вид.
Термопластичные полимеры способны при нагревании становиться мягкими, а при охлаждении возвращаться в исходное состояние. Химические связи между молекулами не разрушаются, поэтому при многочисленном нагреве продукт не теряет своих свойств.
Свойства и применение
Термопластичными называют полимеры, которые при нагревании переходят из твердого состояния в мягкое, тягучее, а при охлаждении снова принимают твердую форму. Данные элементы получают реакцией полимеризации. Эта реакция проходит под большим давлением и без применения примесей. Реакция полимеризации стала возможна только благодаря современной химии и специализированной аппаратуре. Получить данный процесс в естественных условиях невозможно.
Свойства термопластичных полимеров вызваны способом соединения мономеров – соединение осуществляется в одном месте, в одном направлении. Другими словами, молекулы соединены между собой в линию при линейном виде, и в виде нескольких линий, сплетенных в паутину, при разветвленной структуре.
При нагревании эти связи слабеют, и полимер размягчается. Такая простота обработки обуславливает широкое применение материалу при производстве формовочных деталей и других сложных изделий.
Термопластичные полимеры хорошо плавятся, а также растворяются в реагентах и растворителях. При испарении растворителя материал твердеет и приобретает прежние свойства. Это качество применяется при производстве различных клеев, лаков, красок, герметиков, замазок и других строительных растворов, имеющих в своем составе полимеры.
Из термопластичных полимеров выделяют:
- полиолефины;
- полиамиды;
- поливинилхлориды;
- фторопласты;
- полиуретаны;
- поликарбонаты;
- полиметилметакрилаты;
- полистирол.
На основании полимеров, исходных веществ и способов обработки выделяют следующие окончательные продуты:
Самое широкое применение термопластичные полимеры получили в строительстве при изготовлении материалов для изоляции, органических стекол, пленок и покрытий различной плотности и толщины, тонких волокон, а также в качестве связующих основ для клеев, штукатурок и теплоизоляционных материалов.
Из полимеров изготавливают бутылки и различные по форме сосуды, тару, трубы, детали машин оргтехники, компьютеров и электронного оборудования. А также используют при производстве напольного покрытия — линолеума, плитки, плинтусов, отделочных декоративных пленок, настенных панелей и пластика.
Полиэтилен
Полиэтилен представляет собой прозрачный материал и считается самым распространенным полимером. Этот материал отличает высокая влагостойкость и газонепроницаемость. Он не пропускает воду, устойчив к кислотам, щелочам, солям и другим агрессивным элементам, хороший диэлектрик. Эластичность полиэтилена сохраняется даже при отрицательной температуре окружающей среды до отметки -70С градусов. Считается очень прочным и стойким материалом. Полиэтилен легко режется ножом, а при взаимодействии с огнем горит и одновременно плавится. К недостаткам также можно отнести слабую адгезию с минеральными соединениями и клеями, подверженность старению при попадании солнечного света и агрессивным факторам окружающей среды. При данных отрицательных фактах полиэтилен не теряет своих основных эксплуатационных свойств.
При изготовлении полиэтилена применяются термопластичные полимеры одного вида, а в результате различных обработок, получают совершенно различные по характеристикам типы полиэтилена. В зависимости от видов полимеризации различают три вида полиэтилена:
- Полиэтилен низкой плотности, получаемый при использовании высокого давления. Структура данного полимера имеет разветвленный вид, что обуславливает ее невысокую плотность и прочность, представляет собой мягкий и эластичный материал. Полиэтилен низкой плотности используется для изготовления пакетов для хранения пищевых продуктов, отходов и одежды, других упаковочных материалов. Из него изготавливают небьющеюся химическую посуду для лабораторий.
- Полиэтилен, производимый при среднем давлении и плотности. Получается при давлении в 5-40 атмосфер и температуре 130-140С. Также используется для изготовления упаковочных материалов большей плотности, не дорогой посуды, различный контейнеров и форм для пищевых и не пищевых продуктов.
- Материал, получаемый при низком давлении, и имеющий высокую плотность. Обладает улучшенной механической прочностью по сравнению с двумя другими видами полиэтилена. Изготавливается под давлением 5 атмосфер и при температуре +70С градусов. Из данного вида полиэтилена изготавливают пакеты, игрушки для детей, посуду, а также формы для воды и сыпучих продуктов, миски, тазики и прочую хозяйскую утварь. Также изготавливают водопроводные трубы, медицинские шприцы, детали механизмов, шланги, фитинги поливочных систем. С применением литья изготавливают вентили, краны, задвижки, зубчатые колеса, шестерни.
Полистирол
Полистирол – пример самого распространенного термопластичного полимера. На вид он бесцветный, прозрачный и твердый. Полистирол является более прочным и жестким материалом, имеет большую рабочую температуру использования и меньшую склонность к старению по сравнению с полиэтиленом. Считается хорошим электрическим изолятором и обладает высокой водоотталкивающей способностью. Очень стоек к щелочным и кислотным средам, не подвержен плесени и грибкам.
Полистирол хорошо растворяется в углеводородах, сложных эфирах. Он очень хрупкий и хорошо горит.
Для увеличения прочности полистирол соединяют с другими полимерами или каучуком. Готовые изделия и заготовки из полистирола легко поддаются обработке. Детали изготавливаются при помощи литья жидкого компонента либо способом выдавливания под давлением.
Из полистирола изготавливают лабораторную химическую посуду, трубки, нити, пленки и ленты. Широко используется материал в электротехнике при производстве изоляторов и, в первую очередь, защитной оболочки на электрические провода. Для промышленной дальнейшей обработки материал первоначально выпускается в листах и в виде крошки, которые в дальнейшем могут служить сырьем для конечных деталей и механизмов.
Полистирол популярен в процессе сополимеризации, когда смешивают два и более полимера. Получаются материалы, которым придаются дополнительные полезные свойства своих компонентов. Как правило, это прочность, огнестойкость, стойкость к растрескиванию. Жидкий полистирол с растворителем применяется при производстве клеев и клеевых основ. Широко используется в строительстве при производстве пенополистирола. Из данного материала выпускаются теплоизоляционные блоки.
Пенополистирол производят из эмульсионного полистирола методом прессовки.
Пенополистирол используется для теплоизоляции холодильных установок, продуктовых витрин и другого торгового оборудования. Данный материал внешне напоминает застывшую пену. Хорошо выдерживает повышенную влажность, не подвержен гниению, стоек к образованию бактерий и грибков. Может использоваться при температуре до + 70С градусов. Главный недостаток пенополистирола – повышенная горючесть.
Применяется как термо- и звукоизоляционный материал при производстве бытовок, а также различной бытовой и промышленной техники, в пищевой промышленности – для изоляции камер хранилищ, трюмов плавучих средств и помещений для хранения продуктов питания при отрицательных температурах до -35С градусов. Используется также в производстве упаковочного материала.
Полипропилен
Еще один распространенный термопластичный полимер – полипропилен. В качестве исходного вещества для производства полимера используют – пропилен.
Имеет твердую, прочную структуру, устойчив к механическим воздействиям и к коррозийным процессам. Непрозрачный, как правило, белого цвета, не растворим в органических растворителях. Температура плавления +175С, а при 140 градусов продукт становится мягким на ощупь.
Полипропилен хорошо выдерживает механические нагрузки, не теряя при этом своих свойств. Необходимо отметить чувствительность материала к воздействию света — под действием солнечных лучей и воздуха полипропилен разлагается, теряет блеск, что приводит к ухудшению его механических и физических свойств.
Существует много сортов полипропилена, которые получаются при добавлении специальных присадок, добавок и каучуков. Он легко поддается механической обработке, удобен в уходе, этим обусловлено широкое использование пропилена в любой отрасли промышленного производства. Один из главных недостатков –слабая устойчивость к низким температурам. При температуре ниже -5С элемент становится хрупким. Таким образом, пригоден для использования внутри отапливаемых и закрытых помещений.
Формулы термопластичных полимеров
Применяется для производства пленок, упаковок, контейнеров для сыпучих продуктов и круп, одноразовой посуды. Из этого материала изготавливают трубы и фитинги, игрушки и канцелярию. При изготовлении изделий из полипропилена используются все известные способы обработки полимеров.
Другие распространенные термопластичные полимеры
Также можно выделить еще целый ряд полимеров, которые хорошо зарекомендовали себя в строительстве, робототехнике и производстве бытовых приборов, деталей и компонентов для них.
Поливинилхлорид широко применяется при производстве пластмасс, используемых в конечных изделиях в строительстве: линолеум и декоративная плитка, водопроводные трубы, плинтуса, запасные части, шестеренки, и других подвижные детали бытовых приборов и техники.
Поликарбонат – новый вид полимера, который нашел широкое применение при производстве электрических розеток и вилок напряжением 220 и 380 Вольт, а также корпусов бытовой техники.
Поливинилацетат – очень часто применяется в строительстве в виде связующих компонентов для лаков, красок, как пластификатор для цементных растворов.
Фторопласт – считается фторсодержащим полимером. Материал широко применяются в электро- и радиотехнике, при производстве водопроводных труб, вентилей и кранов, бытовых и промышленных насосов, медицинских инструментов и техники, в криогенных емкостях для нанесения на поверхность.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что повседневно нас окружают изделия, техника, посуда и приборы, которые изготовлены или содержат в своей основе термопластичные полимеры. Такую популярность им придают эксплуатационные свойства, такие как твердость, стойкость к кислотам и щелочам, долговечность, универсальность и легкость в обработке, малый вес и большой диапазон рабочих температур.
Нейтральный цвет всех полимеров позволяет с легкостью окрашивать заготовки и конечный продукт в любую желаемую палитру. Это дает возможность подбирать готовые изделия из пластмасс под цвет комнаты и интерьера любой формы и сложности исполнения.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Реакция полимера на механическое воздействие при повышенных температурах зависит от его строения. Возможна следующая схема классификации полимеров в зависимости от их поведения при высоких температурах:
- Все полимеры можно разделить на термопласты (или термопластичные полимеры) и реактопласты (или термореактивные полимеры)
- Термопласты размягчаются при повышении температуры литья под давлением и становятся подобными жидкостям, а при охлаждении они твердеют
- Этот процесс обратим и может быть повторен несколько раз.
Термопласты – сравнительно мягкие материалы. Большинство линейных гибкоцепных полимеров и полимеров с относительно небольшим содержанием боковых ветвей принадлежат к классу термопластов.
Если говорить о молекулярном уровне, то это означает, что с повышением температуры вторичные связи разрушаются благодаря интенсивным молекулярным движениям. При этом становится возможным относительное перемещение соседних цепей при приложении напряжений. Если же расплавленный термопласт нагреть до слишком высокой температуры, то при литье под давлением начинается необратимая термодеструкция (разрушение он перегрева полимера).
Производство изделий из таких материалов происходит при одновременном воздействии повышенных температур и давления. Примеры обычных распространенных термопластов это полиэтилен, полистирол, полиэтилентерефталат и поливинилхлорид.
Особенности термореактивных полимеров
Термореактивные полимеры — это материалы с сетчатой структурой. Они становятся твердыми непосредственно в процессе их изготовления, остаются в таком состоянии и не размягчаются при нагревании.
В сетчатых полимерах существует сетка ковалентных связей между соседними молекулярными цепями. При нагревании эти связи сохраняются и препятствуют вибрационным или ротационным движениям молекул. Поэтому они остаются твердыми при повышении температуры. Сетка поперечных сшивок – довольно плотная:
- От 10 до 50% повторяющихся единиц в цепи связаны поперечными связями
- Лишь нагревание до очень высоких температур приводит к разрушению этих связей, и, как следствие, полимер деструктирует
- Как правило, реактопласты более жесткие и более прочные материалы по сравнению с термопластами, так что изделия из них лучше сохраняют приданную им форму.
Большинство сшитых и сетчатых полимеров, включая и вулканизованные каучуки, а также эпоксидные и фенольные смолы, а также полиэфиры, относятся к классу реактопластов.
Понять, что такое термопластичные полимеры поможет строение полимеров. Особенностью строения полимерной молекулы является повторяемость мономеров, которые в соединении полимеризируются. Кратко строение полимера можно изобразить формулой: 2 короткоживущих радикала метиленовой группы полимеризируются, создав прочный мономер этилена (СН2 = СН2). Несколько идентичных мономеров также способны создать прочную связь, только уже не двойную.
В полимеризации может участвовать n мономеров (их количество варьируется от 1 и свыше 1000), тогда формула получившегося элемента будет изображена следующим образом: (СН2-СН2)n – это формула простейшего полимера – полиэтилена. Если в строении полимера участвует один вид мономера – это гомополимер, если два вида и более – это сополимер.
Полимеры: свойства и классификация
Самая распространенная классификация полимеров по их составу:
- высокомолекулярное органическое;
- элементоорганическое;
- неорганическое высокомолекулярное.
Классификация полимеров по происхождению:
- природное происхождение, в естественной среде у природных полимеров (основополагающие в этом виде – полимеры белков, где мономер – аминокислота, полисахариды);
- искусственное происхождение у высокомолекулярных веществ- измененные химически модифицированные природные вещества (так из целлюлозы делается пластмасса);
- добытые синтетическим путем, используя полимеризацию или поликонденсацию различной структуры и длины. От длины цепочки зависит свойство и применение полимера.
Располагаться мономеры в пространстве могут по разному, отсюда различия в структурах. Она может быть:
Смотрите видео о том, что такое полимеры.
Линейная структура может быть прямой цепочкой, протянувшейся зигзагом или спиралью. Участки цепи повторяются и прочно соединяются между аналогичными участками такой же цепи.
Характеризующая особенность первой структуры – обладание гибкостью. Отсюда особенность продуктов – высокая эластичность и малая изменяемость структуры при низких температурах, отсутствует хрупкость, ломкость на морозе. (Например, полиэтилен).
Во второй структуре участвует две цепочки, химически связанные между собой. Свойства данного вида полимеров: Жесткость, выносливость высоких температур и нерастворимость в растворителях органики.
Пространственное соединение образуется из не мелких мономеров, но целых молекул поперечно. Внешне это строение напоминает сетку с ячейками разного размера. Жесткость и теплостойкость в этом соединении значительно выше, чем у линейной структуры.
Полимеры и их характеристики
При нагреве различные вещества ведут себя не одинаково. В некоторых зафиксирована термореактивная реакция. Первоначальная линейная структура под влиянием высокой температуры видоизменяет структуру на пространственную, становясь твердым веществом, сохраняя высокую твердость в дальнейшем. Получившееся соединение нельзя расплавить и растворить. Повторному нагреву получившиеся соединения не подлежат. Их примером служат различные смолы, эпоксидные, фенолоформальдегидные и пр.
В отличие от термореактивных соединений термопластичные можно нагревать много раз. Каждый раз после плавления при охлаждении они вновь затвердевают. Причиной тому служит их первоначальная структура. Линейное соединение не отягощено крепкими химическими связями. Нагревом рушатся имеющиеся слабые связи и при охлаждении они восстанавливаются в прежнем или измененном виде.
Вещество, обладающее термопластичной характеристикой (например, полиэтилен, полиамид, полистирол и пр.) при нагреве становится аморфным, если повышать температуру – даже жидким. Это свойство зачастую используется для литья под давлением, прессования, экструзии, выдувания, чтобы срастить несколько деталей сваркой.
Термопластичные полимеры
В практике свойство становиться жидкими или мягкими не время применяется весьма эффективно. Но для того, чтоб процесс прошел без затруднений, необходимо разобраться температурой термического разложения вещества. У различных полимеров она отличается, это напрямую зависит от строения молекулы вещества.
Для эффективности процесса размягчения используются технологии, снижающие низкий предел вязкости вещества или повышающие температуру восстановления, проводя процесс в помещениях с инертным газом.
Термопласт способен раздуваться и измельчаться в растворяющем веществе. Причина та же – линейная структура его молекулы и ее крупный размер. При испарении растворителя молекулярное строение термопласта принимает первоначальный вид. Это свойство применяется в создании клея, вяжущего компонента мастики, красящих веществ на полимерной основе.
Отрицательные особенности полимеров, имеющих термопластичную характеристику:
- низкая теплостойкость;
- повышенная хрупкость при отрицательных температурах;
- повышенная текучесть, при высоких температурах;
- утрата свойств при попадании ультрафиолетовых лучей;
- окисление на воздухе;
- пониженная твердость поверхности.
Примеры применения свойств термопласта
Наиболее популярными термопластами на стройках и в бытовом применении стали: полиэтилены, полипропилены и полистиролы.
Создание полиэтилена возможно при полимеризации этилена. Поддерживая давление на высоком уровне обрабатывается очень высокой температурой нефтяной газ или добытый нефтепродукт подвергается гидролизу. Для процесса важно соблюдать оптимальный градус по Цельсию, добавлять способствующее процессу вещество и вводить кислород.
Отрицательные характеристики полиэтилена:
- Низкие теплостойкость и твердость.
- Высокие горючесть.
- Старение под ультрафиолетом.
Продукты, используемые в быту – трубы, пленки, электро-, звуко-, теплоизоляция и пр., иные полимеры и пластмассы.
Полипропилен получается полимеризацией газа с использованием растворителя. Тверже и прочнее полиэтилена, но становится хрупким уже при – 20. Используется в виде битума, резины. А полистирол получается из стирола и используется для теплоизоляционного слоя, для создания облицовочной плитки и мелкой фурнитуры. В вариациях с растворителями же можно получать клеи.
Как вы считаете, термопластичные полимеры – спасение человечества в распределении ресурсов или наоборот – лишний материал, засоряющий нашу планету? Оставьте свое сообщение в комментариях. А также смотрите видео об изготовлении и обработке деталей из термопластичных полимеров.