Сферы применения полимерных материалов. Полимерные материалы: технология, виды, производство и применение

Автор этой статьи академик Виктор Александрович Кабанов — выдающийся ученый в области химии высокомолекулярных соединений, ученик и преемник акадtvbrf В.А. Каргина, одного из мировых лидеров науки о полимерах, создателя крупной научной школы, автора большого количества работ, книг и учебных пособий.

Полимеры (от греч. polymeres — состоящий из многих частей, многообразный) — это химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

Классификация полимеров

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы.

Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде:

• открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например каучук натуральный);
• цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин);
• трёхмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы).

Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами, например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза.

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определённой периодичности, полимеры называются стереорегулярными (см. Стереорегулярные полимеры).

Что такое сополимеры
Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми (см. также Сополимеры).

Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.

Гетероцепные и гомоцепные полимеры

В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры делят на: гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен. Примеры гетероцепных полимеров. — полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты и др.), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими (см. Элементоорганические полимеры). Отдельную группу полимеров. образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид (см. Неорганические полимеры).

Свойства и важнейшие характеристики полимеров

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом и . Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и плёнки; способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластическом состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов (см. Растворы полимеров, Набухание). Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трёхмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластическим деформациям.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации — регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах. возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов и др.), тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимеров менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние называются эластомерами, с высокой — пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеров. могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4-цис-полибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 град.С — эластичный материал, который при температуре — 60 град.С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жёстких цепей, при температуре около 20 град.С — твёрдый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластическое состояние лишь при 100 град.С.

Целлюлоза — полимер с очень жёсткими цепями, соединёнными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластическое состоянии до температуры её разложения. Большие различия в свойствах П. могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол — кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 град.С, а нестереорегулярный (атактический) вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80 град.С.

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических связей между макромолекулами (т. н. сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи; распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты (см. Деструкция полимеров); реакции боковых функциональных групп полимеров. с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (т. н. полимераналогичные превращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливинилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта.

Скорость реакций полимеров. с низкомолекулярными веществами часто лимитируется скоростью диффузии последних в фазу полимеров. Наиболее явно это проявляется в случае сшитых полимеров. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими одной цепи.

Некоторые свойства полимеров., например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимеры из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров — химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвлённости и гибкости макромолекул, стереорегулярность и др. Свойства полимеров. существенно зависят от этих характеристик.

Получение полимеров

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и др. методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонденсацией. Карбоцепные полимеры обычно синтезируют полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углерод-углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных). Гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углерод-элемент (например, С = О, С º N, N = С = О) или непрочные гетероциклические группировки (например, в окисях олефинов, лактамах).

Применение полимеров

Благодаря механической прочности, эластичности, электроизоляционным и др. ценным свойствам изделия из полимеров применяют в различных отраслях промышленности и в быту. Основные типы полимерных материалов — пластические массы, резины, волокна (см. Волокна текстильные, Волокна химические), лаки, краски, клеи, ионообменные смолы. Значение биополимеров определяется тем, что они составляют основу всех живых организмов и участвуют практически во всех процессах жизнедеятельности.

Историческая справка. Термин «полимерия» был введён в науку И. Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Т. о., содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. «Истинные» синтетические полимеры к тому времени ещё не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен ещё в 1-й половине 19 в. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к «осмолению» продуктов основной химической реакции, т. е., собственно, к образованию полимера. (до сих пор полимеры часто называли «смолами»). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол).

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А. М. Бутлеровым теории химического строения (начало 60-х гг. 19 в.). А. М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее своё развитие (до конца 20-х гг. 20 в.) наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г. Бушарда, У. Тилден, нем. учёный К. Гарриес, И. Л. Кондаков, С. В. Лебедев и др.). В 30-х гг. было доказано существование свободнорадикального (Г. Штаудингер и др.) и ионного (американский учёный Ф. Уитмор и др.) механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса.

С начала 20-х гг. 20 в. развиваются также теоретические представления о строении полимеров. Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория «малых блоков»). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г. Штаудингер. Победа идей этого учёного (к началу 40-х гг. 20 в.) заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Литература .: Энциклопедия полимеров, т. 1-2, М., 1972-74; Стрепихеев А. А., Деревицкая В. А., Слонимский Г. Л., Основы химии высокомолекулярных соединений, 2 изд., [М., 1967]; Лосев И. П., Тростянская Е. Б., Химия синтетических полимеров, 2 изд., М., 1964; Коршак В. В., Общие методы синтеза высокомолекулярных соединений, М., 1953; Каргин В. А., Слонимский Г. Л., Краткие очерки по физике-химии полимеров, 2 изд., М., 1967; Оудиан Дж., Основы химии полимеров, пер. с англ., М., 1974; Тагер А. А., Физико-химия полимеров, 2 изд., М., 1968; Тенфорд Ч., Физическая химия полимеров, пер. с англ., М., 1965.

В. А. Кабанов. Источник www.rubricon.ru

Полимер - сложное соединение, имеющее высокую молекулярную массу и состоящее из ряда составных звеньев, которые соединяются между собой посредством химических связей. Наиболее часто в основе структуры полимера - мономер - структурный фрагмент, состоящий из нескольких атомов.

Большую часть полимеров производят синтетическим путем (хотя существуют и природные полимеры) - с помощью реакций полимеризации и поликонденсации. Так, например, этилен превращается в полиэтилен, пропилен в полипропилен и т.д.

Свойства полимеров

Свойства полимеров во многом определяются их составом, однако некоторые особенности едины для большинства полимеров. Собственно говоря, именно эти особенности, обеспечивают их широчайшее практическое назначение. Полимеры эластичны, гибки и не хрупки. Макромолекулы, составляющие полимер, могут менять свою ориентацию под действием определенного механического поля, данная особенность применяется в производстве пленок.

Еще одно интересное свойство полимеров - способность к резкой смене физико-механических свойств при воздействии на них небольшим количеством реагента. Эта особенность используется при вулканизации каучука, дублении кож и т.д.

Виды полимеров

Полимеры классифицируются по ряду признаков. Наиболее значительные классификации - по происхождению и химическому составу.

По происхождению бывают полимеры:

• Природные - существующие в природе (крахмал, белки и т.д.);
• Синтетические - получаемые синтетически (полиэтилен, полипропилен и т.д.);
• Искусственные - получаемые синтетически из природных полимеров (нитроцеллюлоза, метилцеллюлоза и т.д.).

По химическому составу различают полимеры:

• Органические;
• Неорганические;
• Элементоорганические - содержат в своем составе как органические, так и неорганические структуры.

Полимеры на практике

Полимеры находят широкое применение в самых разных областях - машиностроении, текстильной промышленности, медицине, сельском хозяйстве. В быту также находится место полимерным соединениям. Вещи, частью которых являются полимеры, окружают нас повсюду - различные виды тканей (шерсть, шелк, кожа и т.д.), пластмассовые изделия, связующие строительные смеси (цемент, глина и т.д.), резиновые изделия, посуда… В общем, роль полимерных соединений в нашей жизни по-настоящему огромна. Теперь вы знаете, что такое полимер.

Приведенная ниже статья постарается ответить на вопрос, что такое полимер. Здесь мы рассмотрим определение подобного термина, особенности взаимосвязей, возникающих в молекулах, образование, исторические данные и многое другое.

Введение

Что такое полимер? Это вещество, обладающее неорганической или органической природой и образующееся посредством химических связей, обуславливающих и придающих им аморфную или кристаллическую форму. Полимер возникает при помощи соединения большого количества звеньев простых мономеров, а полученная структура называется макромолекулой. Тип связи может быть: координационным или химическим видом. Понятие полимера тесно связанно с пластмассами.

Связь молекул

Отвечая на вопрос о том, что такое полимер, важно знать, как взаимно связываются молекулы в подобном веществе. В случае, когда макромолекулы объединяются посредством слабой силы Ван-Дер-Ваальса, их относят к термопластам. Если связь, при помощи которой они соединяются, носит химическую природу, то - это реактопласт.

Существуют линейные формы полимеров (целлюлоза) и разветвленные (амилопектины). У последнего имеется сложная трехмерная структура. Строение полимера предопределяет в себе наличие мономерного звена. Это фрагмент цепи, который регулярно повторяется и состоит из нескольких атомов.

Образование

Полимер (polymer) - это вещество, которое образуется в ряде различных явлений при реакции полимеризации, а также поликонденсации. В эту группу соединений относится множество природных компонентов пищи, среди которых можно выделить: протеины (белок), полисахаридные углеводы, научу, ряд нуклеиновых кислот и т. д. Несмотря на то что преимущественно это вещества органической природы, неорганические соединения также располагают огромным количеством подобных химических образований. Множество из них получают при помощи искусственного синтеза.

Специфика

Рассматриваемые в этой статье вещества, имеют множество характеристик, которые обуславливают большую потребность в их применении человеком.
К особенностям механических свойств можно отнести их эластичность, малую хрупкость стеклообразного и кристаллообразного ряда полимеров, а также способность, при помощи которой макромолекулы ориентируются в соединении, посредством деятельности направленных механических полей.

Растворы полимеров обладают высоким показателем вязкости при небольшой концентрации. Растворяться могут после прохождения стадии набухания.
Главным свойством химического типа является их умение быстро менять набор своих физико-механических свойств под воздействием малого количества реагентов. Молекулы характеризуются высокой гибкостью.

Виды

Классификация полимеров обуславливается в соответствие с несколькими параметрами.

Рассмотрение их с точки зрения химии позволяет выделять не- и органические, а также элементоорганические. К последним относятся вещества, содержащие в основе цепи наборы радикалов неорганического типа. Здесь прослеживается способность полимеров образовывать взаимосвязи между веществами разной природы. Примером может служить кремнийорганическое соединение, полученное искусственным путем. Неорганические виды полимеров обходятся без углерода в повторяющихся звеньях, но могут его включать в боковых заместителях.

В соответствии с формой выделяются несколько основных типов соединений: линейное, сетчатое, гребнеобразное, плоское, разветвленное, иногда звездообразное (входит в разветвленную группу) и прочие.

Другие виды полимеров могут различаться путем определения их полярности, значение которой можно найти при помощи расчета количества диполей. Что это?

Диполь - это молекула, обладающая разобщенной формой распределения «+» и «-» зарядов. Неполярное звено взаимно компенсирует дипольный момент связи между атомами. Полимеры, для которых характерно наличие значительной степени полярности, относят к гидрофильной группе. Амфифильным веществом называют соединение мономеров, обладающее как неполярными, так и полярными звеньями.

Реакции полимеров на нагревание позволяют выделять среди них термореактивные и термопластичные. К первым относятся вещества, размягчающиеся в ходе нагревании и затвердевающие при воздействии низких температур. Процесс носит обратимый характер. Термореактивные полимеры под влиянием высоких температур не восстанавливаются, а реакция считается необратимой.

Процесс развития

Что такое полимер? Этот вопрос вытекает из древности. Однако в такой форме был сформулирован, относительно недавно. Человеком использовались подобные вещества еще с древних времен. Шелка, хлопковые материалы, кожа, шерсть и многое другое применялось нашими предками для создания элементов одежды, в качестве связующих соединений, в ходе различных обработок и т. д. Формулировка вопроса изменялась с течением эволюции человека, но всегда носила общий характер.
На промышленных предприятиях цепные полимеры начали изготавливать в начале 20-го века. С момента зарождения отрасли по их производству пути образования соединений разделились на две ветки. Первая занималась переработкой полимеров, органической и природной формы. С их помощью создавались искусственные виды. Процесс синтеза, как правило, проходит с участием низкомолекулярного ряда соединений.

В настоящее время одно из самых масштабных и крупнотоннажных производств в качестве основы использует целлюлозу. Наладился процесс не сразу. Первым материалом, который получили при помощи физической модификации целлюлозы, является полимер целлулоида. Однако первое его открытие было сделано до двадцатого века - в середине девятнадцатого. Обладание патентом бакелитовой смолы, которую создал Лео Бакеланд, дало толчок к началу стремительного развития промышленных отраслей, в которых изготавливали полимеры. Это произошло в 1906 году. Упомянутая смола является продуктом процесса конденсации формальдегида в паре с фенолом. Наблюдать превращение можно было в ходе нагревания, а вследствие этого явления образовывалось трехмерное соединений. Не одно десятилетие эта смола применялась в ходе изготовления корпуса для различных механизмов, например для аккумулятора, телевизора, розетки и т. д.

Вклад Генри Форда

Производство полимеров во многом обязано усилиям, которые приложил Г. Форд. Перед началом первой мировой войны он активно развивал промышленность в сфере автомобилестроения. Изначально он использовал натуральные каучуки, а далее начал их синтезировать искусственно. Изготовление последнего бурно изучалось и осваивалось в 1937-1939 гг. Основными странами, которые вложили в это немало времени, денег и других средств, является СССР, Англия, Соединенные Штаты Америки и Германия. В этот же период были освоены полистирол и поливинилхлорид, которые прекрасно изолировали электропроводку. Открытие полиметилметакрилата позволило наладить широкомасштабное производство самолетов в военные годы.

Поле того как окончилась война, начало возобновляться синтезирование полиамидных тканей и волокон. Производств их начало развиваться еще до второго конфликта между странами. В пятидесятых годах 20-го столетия разрабатывались методы по получению полиэфирных волокон, также освоилось изготовление таких материалов, как лавсан и полиэтилентерефлатат. Полипропиленовые вещества (искусственно полученная шерсть) - это еще один яркий пример эксплуатации волокон, полученных в ходе реакции поликонденсации и полимеризации.

Огнеупорная структура

Полимер - что это такое? Рассматривая такой вопрос, мы упоминали их способности реагировать на термическую обработку.

Углубляясь в это, важно знать, что множество полимеров являются воспламеняемыми. Такие вещества легко поддаются поджиганию. Однако это недопустимо в большинстве случаев при их изготовлении и эксплуатации. Для того чтобы предотвратить вероятность подобного казуса, в состав полимера добавляют специальный ряд добавок.

Существует понятие о галогенированных полимерах, которые создают при помощи включения в реакции конденсации, различного набора мономеров хлорированного или бромированного типа. Подобные соединения имеют высокую огнеупорность, но недостаток их заключается в том, что при воздействии высоких температур они начинают образовывать газы, дающие начало процессам коррозии. Это негативно сказывается на электротехнике, расположенной вблизи.

Способы эксплуатации

Делая обзор полимеров и пластмассы, можно сказать, что им свойственно общее наличие качественных характеристик. Оба соединения эксплуатируются в различных отраслях человеческой деятельности, например, при производстве машин, в сельско-хозяйственных целях, в медицине, при изготовлении самолетов, в судостроении и т. д. Повседневная обстановка человека не может обойтись без этих веществ. Благодаря соединениям высокомолекулярного типа, возможно производство различных волокон, резины и, собственно, пластмассы. Не забываем также о том, что наш организм функционирует благодаря наличию в нем большого количества полимеров, которые не только строят органы и ткани, но также служат средством добычи энергетических ресурсов, например, АТФ или НАДФ, образованных в ходе биологического окисления и пищеварения.

Изучение полимеров

Определение полимеров было сформулировано более 150 лет назад. Однако наука, изучающая их, стала самостоятельной лишь перед началом Второй мировой войны, которая началась в 1939 году. Более сильное развитие получила уже в пятидесятых годах ХХ века и затем детально исследовалась. В это время была определена роль полимеров, их взаимосвязь с развитием прогресса технической природы, влияние на биологические объекты и т. д. Отрасль науки, изучающая подобные соединения, тесно связана с различными разделами химии, физики и биологии.

Полимерами принято называть высокомолекулярные вещества (гомополимеры) с введенными в них добавками, а именно стабилизаторами, ингибиторами, пластификаторами, смазками, антирадами и т. д. Физически полимеры являются гомофазными материалами, они сохраняют все присущие гомополимерам физико-химические особенности.

Пластмассами называются композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Они (дисперсная среда) располагаются в полимерной матрице (дисперсионная среда). Физически пластмассы представляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех направлениях) физическими макросвойствами.
Пластмассы могут быть разделены на две основные группы - термопластические и термореактивные. Термопластические - это те, которые после формирования могут быть расплавлены и снова сформованы; термореактивные, сформованные раз, уже не плавятся и не могут принять другую форму под воздействием температуры и давления. Почти все пластмассы, используемые в упаковках, относятся к термопластическим, например, полиэтилен и полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, найлон (капрон), поликарбонат, поливинилацетат, поливиниловый спирт и другие.
Пластмассы также можно располагать по категориям в зависимости от метода, который используется для их полимеризации, на полимеры, полученные по механизму полиприсоединения или поликонденсации. Полимеры, полученные полиприсоединением, производятся с помощью механизма, который включает либо свободные радикалы, либо ионы, по которому малые молекулы быстро присоединяются к растущей цепи, без образования сопутствующих молекул. Поликонденсационные полимеры производятся с помощью реакции функциональных групп в молекулах друг с другом, так что постадийно образуется длинная цепь полимера, и обычно происходит образование низкомолекулярного сопутствующего продукта, например воды, во время каждой стадии реакции. Большинство упаковочных полимеров, включая полиолефины, поливинилхлорид и полистирол - это полимеры, полученные по механизму полиприсоединения (полимеризации).

Реакция полимеризации - это последовательное присоединение молекул ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта - полимера. Молекулы алкена, вступающие в реакцию полимеризации, называются мономерами. Число элементарных звеньев, повторяющихся в макромолекуле, называется степенью полимеризации (обозначается n). В зависимости от степени полимеризации из одних и тех же мономеров можно получать вещества с различными свойствами. Так, полиэтилен с короткими цепями (n = 20) является жидкостью, обладающей смазочными свойствами. Полиэтилен с длиной цепи в 1500-2000 звеньев представляет собой твердый, но гибкий пластический материал, из которого можно получать пленки, изготовлять бутылки и другую посуду, эластичные трубы и т. д. Наконец, полиэтилен с длиной цели в 5-6 тыс. звеньев является твердым веществом, из которого можно готовить литые изделия, жесткие трубы, прочные нити.

Если в реакции полимеризации принимает участие небольшое число молекул, то образуются низкомолекулярные вещества, например димеры, тримеры и т. д. Условия протекания реакций полимеризации весьма различные. В некоторых случаях необходимы катализаторы и высокое давление. Но главным фактором является строение молекулы мономера. В реакцию полимеризации вступают непредельные (ненасыщенные) соединения за счет разрыва кратных связей.

Полимеризация - это цепная реакция, и, для того чтобы она началась, необходимо активировать молекулы мономера с помощью так называемых инициаторов. Такими инициаторами реакции могут быть свободные радикалы или ионы (катионы, анионы). В зависимости от природы инициатора различают радикальный, катионный или анионный механизмы полимеризации.

Химические и физические свойства пластиков обусловлены их химическим составом, средней молекулярной массой и распределением молекулярной массы, историей обработки (и использования), и наличием добавок.

Полимерные композиционные материалы являются разновидностью пластмасс. Они отличаются тем, что в них используются не дисперсные, а армирующие, то есть усиливающие наполнители (волокна, ткани, ленты, войлок, монокристаллы), образующие в ПКМ самостоятельную непрерывную фазу. Отдельные разновидности таких ПКМ называют слоистыми пластиками. Такая морфология позволяет получить пластики с весьма высокими деформационно-прочностными, усталостными, электрофизическими, акустическими и иными целевыми характеристиками, соответствующими самым высоким современным требованиям.

Структурные формулы полимеров кратко записывают так: формулу элементарного звена заключают в скобки и справа внизу ставят букву n. Например, структурная формула полиэтилена (-СН 2 -СН 2 -) n . Легко заключить, что название полимера слагается из названия мономера и приставки поли-, например полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и т. д.

Наиболее распространенными полимерами углеводородного строения являются полиэтилен и полипропилен.

Полиэтилен получают полимеризацией этилена. Полипропилен получают стереоспецифической полимеризацией пропилена (пропена).
Стереоспецифическая полимеризация - это процесс получения полимера со строго упорядоченным пространственным строением.

К полимеризации способны многие другие соединения - производные этилена, имеющие общую формулу СН 2 =СН-X, где Х - различные атомы или группы атомов.

Виды полимеров

Полиолефины - это класс полимеров одинаковой химической природы (химическая формула -(СН 2)- n) с разнообразным пространственным строением молекулярных цепей, включающий в себя полиэтилен и полипропилен. Кстати сказать, все углеводы, к примеру, природный газ, сахар, парафин и дерево имеют схожее химическое строение. Всего в мире ежегодно производиться 150 млн. т. полимеров, а полеолефины составляют примерно 60% от этого количества. В будущим полиолефины будут окружать нас в гораздо большей степени, чем сегодня, поэтому полезно присмотреться к ним повнимательнее.
Комплекс свойств полиолефинов, в том числе такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, протыканию, усадке при нагреве и к раздиру, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий.
Особенно следует подчеркнуть, что полеолефины экологически чище большинства применяемых человеком материалов. При производстве, транспортировке и обработке стекла, дерева и бумаги, бетона и металла используется много энергии, при выработке которой неизбежно загрязняется окружающая среда. При утилизации традиционных материалов также выделяются вредные вещества и затрачивается энергия. Полиолефины производятся и утилизуются без выделения вредных веществ и при минимальных затаратах энергии, причем при сжигании полиолефинов выделяется большое количество чистого тепла с побочными продуктами в виде водяного пара и углекислого газа.

Полиэтилен
Около 60% всех пластиков, используемых для упаковки - это полиэтилен, который используется так широко главным образом благодаря его низкой стоимости, но также благодаря его отличным свойствам для многих областей применения.

Полиэтилен высокой плотности (ПЭНД - низкого давления) имеет самую простую структуру из всех пластиков, он состоит из повторяющихся звеньев этилена:
-(CH 2 -CH 2)- n полиэтилен высокой плотности.

Полиэтилен низкой плотности (ПЭВД - высокого давления) имеет ту же химическую формулу, но отличается тем, что его структура разветвленная:
-(CH 2 -CHR)- n полиэтилен низкой плотности,
где R может быть -H, -(CH 2) n , -CH 3 , или более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Полиэтилен, благодаря своему простому химическому строению, легко складывается в кристаллическую решетку, и, следовательно, имеет тенденцию к высокой степени кристалличности. Разветвление цепи препятствует этой способности к кристаллизации, что приводит к меньшему числу молекул на единицу объема, и, следовательно, меньшей плотности.

ПЭВД - полиэтилен высокого давления. Пластичен, слегка матовый, воскообразный на ощупь, перерабатывается методом экструзии в рукавную пленку с раздувом или в плоскую пленку через плоскощелевую головку и охлаждаемый валик. Пленка из ПЭВД прочна при растяжении и сжатии, стойка к удару и раздиру, прочна при низких температурах. Имеет особенность - довольно низкая температура размягчения (около 100 градусов Цельсия).

ПЭНД - полиэтилен низкого давления. Пленка из ПЭНД - жесткая, прочная, менее воскообразная на ощупь по сравнению с пленками ПЭВД. Получается экструзией рукава с раздувом или экструзией плоского рукава. Температура размягчения 121°С позволяет производить стерилизацию паром. Морозостойкость этих пленок такая же, как и у пленок из ПЭВД. Устойчивость к растяжению и сжатию - высокая, а сопротивление к удару и раздиру меньше, чем у пленок из ПЭВД. Пленки из ПЭНД - это прекрасная преграда влаге. Стойки к жирам, маслам.
"Шуршащий" пакет-майка, в который вы упаковываете покупки, изготовлен именно из ПЭНД.
Существует два основных типа ПЭНД. Более «старый» тип, произведенный первым в 1930-х годах, полимеризуется при высоких температурах и давлениях, условиях, которые достаточно энергетичны, чтобы обеспечить заметную скорость реакций по цепному механизму, которые приводят к образованию разветвления как с длинными, так и с короткими цепями. Этот тип ПЭНД иногда называется полиэтиленом высокого давления (ПВД, ВД-ПЭНД, из-за высокого давления), если есть необходимость отличать его от линейного полиэтилена низкого давления, более «молодого» типа ПЭВД.

При комнатной температуры полиэтилен - довольно мягкий и гибкий материал. Он хорошо сохраняет эту гибкость в условиях холода, так что применим в упаковке замороженных пищевых продуктов. Однако при повышенных температурах, таких как 100°С, он становится слишком мягким для ряда применений. ПЭНД отличается более высокой хрупкостью и температурой размягчения, чем ПЭВД, но все же не является подходящим контейнеров горячего заполнения.

Около 30% всех пластиков, используемых для упаковки - это ПЭНД. Это наиболее широко используемый пластик для бутылок, из-за его низкой стоимости, простоты формования, и отличных эксплуатационных качеств, для многих областей применения. В своей естественной форме ПЭНД имеет молочно-белый, полупрозрачный вид, и таким образом, не подходит для областей применения, где требуется исключительная прозрачность.

Один недостаток использования ПЭНД в некоторых из областей применения - его тенденция к растрескиванию под напряжением при взаимодействии внешней среды, определяемая как разрушение пластикового контейнера при условиях одновременного напряжения и соприкосновения с продуктом, что в отдельности не приводит к разрушению. Растрескивание под напряжением при взаимодействии внешней среды в полиэтилене соотносится с кристалличностью полимера.

ПЭВД является наиболее широко применяемым упаковочным полимером, соответствующий примерно одной трети всех упаковочных пластиков. Из-за его низкой кристалличности, это более мягкий, более гибкий материал, чем ПЭНД. Благодаря низкой стоимости, он является предпочтительным материалом для пакетов и сумок. ПЭВД отличается лучшей прозрачностью, чем ПЭНД, но все же не обладает кристальной чистотой, которая желательна для некоторых областей применения упаковок.

Полипропилен
Отличается прекрасной прозрачностью (при быстром охлаждении в процессе формообразования), высокой температурой плавления, химической и водостойкостью. ПП пропускает водяные пары, что делает его незаменимым для "дышащей" упаковки продуктов питания (хлеба, зелени, бакалеи), а также в строительстве для гидро-ветроизоляции. ПП чувствителен к кислороду и окислителям. Перерабатывается методом экструзии с раздувом или через плоскощелевую головку с поливом на барабан или охлаждением в водяной бане. Имеет хорошую прозрачность и блеск, высокую химическую стойкость, особенно к маслам и жирам, не растрескивается под воздействием окружающей среды.

Поливинилхлорид
В чистом виде применяется редко из-за хрупкости и неэластичности. Недорог. Может перерабатываться в пленку методом экструзии с раздувом, либо плоскощелевой экструзии. Расплав высоковязкий. ПВХ термически нестабилен и коррозионно активен. При перегреве и горении выделяет высокотоксичное соединение хлора - диоксин. Широко распространился в 60-70е годы. Вытесняется более экологичным полипропиленом.

Термин полимер, широко используется в наше время в производстве пластмасс и композитной промышленности, довольно часто слово «полимер» используют для обозначения пластиков. На самом деле, термин " полимер " означает намного-намного больше.

Специалисты компании ООО НПП «Симплекс» решили рассказать подробно, что же такое полимеры:
Полимер – вещество с химическим составом молекул соединенных в длинные повторяющиеся цепочки. Благодаря этому все материалы, изготовленные из полимеров, обладают уникальными свойствами и могут быть адаптированы в зависимости от их назначения.
Полимеры бываю как искусственного, так и естественного происхождения. Самым распространенным в природе является натуральный каучук, который является чрезвычайно полезным и используется человечеством уже несколько тысяч лет. Каучук (резина) обладает отличной эластичностью. Это результат того, что молекулярные цепи в молекуле чрезвычайно длинные. Абсолютно все виды полимеров обладают свойствами повышенной упругости, однако вместе с этими свойствами, могут демонстрировать и широкий спектр дополнительных полезных свойств. В зависимости от назначения, полимеры могут быть тонко синтезированы для максимально удобного и выгодного использования их определенных свойств.

Основные физические свойства полимеров:

• Ударопрочность
• Жесткость
• Прозрачность
• Гибкость
• Упругость

  Ученые химики давно заметили одну интересную особенность, связанную с полимерами: если посмотреть на полимерную цепь под микроскопом, то можно увидеть, что визуальная структура и физические свойства молекулы цепочки будет имитировать реальные физические свойства полимера.

  Например, если полимерная цепь состоит из туго скрученных между нитей мономеров и их трудно разделить, то, скорее всего, этот полимер будет сильным и упругим. Или, если полимерная цепь на молекулярном уровне проявляет эластичность, скорее всего, и полимер будет иметь гибкие свойства.

  Переработка полимеров
  Большинство изделий из полимеров можно изменить и деформировать под воздействием высоких температур, однако на молекулярном уровне сам полимер может, не изменится и из него можно будет создать новое изделие. Например, можно расплавить пластиковую тару и бутылки и затем сделать из этих полимеров пластиковые контейнеры или детали автомобилей.

  Примеры Полимеров
  Ниже приводится список самых распространенных полимеров, используемых в наше время, а также их основное применение:

  • Полипропилен (PP) – Производство ковровых покрытий, тара для продуктов, фляги.
  • Неопрен – Гидрокостюмы
  • Поли-винил-хлорид) (PVC) - Производство трубопроводов, профнастил
  • Полиэтилен низкой плотности (LDPE) - Продуктовые пакеты
  • Полиэтилен высокой плотности (HDPE) – Тара для моющих средств, бутылки, игрушки
  • Полистирол (PS) - Игрушки, пены, бескаркасная мебель
  • Политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторопласт) - антипригарные сковородки, электрическая изоляция
  • Полиметилметакрилат (ПММА, плексигласа, оргстекла) – офтальмология, производство акриловых ванн, осветительная техника
  • (ПВА) - Краски, клеи