Полімерні матеріали

Полімери – неорганічніі органічні, аморфні та кристалічні речовини, що складаються з мономерних ланок, з’єднаних в довгі макромолекули хімічними або координаційними зв’язками. Полімер – це високомолекулярна сполука: кількість мономерних ланок у полімері (ступінь полімеризації) повинна бути достатньо велика. У багатьох випадках кількість ланок може вважатися достатньою, щоб віднести молекулу до полімерів, якщо при додаванні чергової мономерної ланки молекулярні властивості не змінюються. Як правило, полімери – це речовини з молекулярною масою від декількох тисяч до декількох мільйонів.

Якщо зв'язок між макромолекулами здійснюється за допомогою слабких сил Ван-Дер-Ваальса, вони називаються термопластами, якщо за допомогою хімічних зв’язків - реактопластами. До лінійних полімерів відноситься, наприклад, целюлоза, до розгалужених, наприклад, амілопектин. Є полімери зі складними просторовими тривимірними структурами.

У будові полімеру можна виділити мономерну ланку – повторюваний структурний фрагмент, що включає кілька атомів. Полімери складаються з великого числа повторюваних ланок однакової будови, наприклад полівінілхлорид (-СН₂-CHCl-) n, каучук натуральний та ін. Високомолекулярні сполуки, молекули яких містять кілька типів повторюваних угруповань, називають співполімерами або гетерополімерами.

Полімер утворюється з мономерів в результаті реакцій полімеризації або поліконденсації. До полімерів відносяться численні природні сполуки: білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди, каучук та інші органічні речовини. У більшості випадків поняття полімер відносять до органічних сполук, однак існує і безліч неорганічних полімерів. Велику кількість полімерів отримують синтетичним шляхом на основі найпростіших сполук елементів природного походження шляхом реакцій полімеризації, поліконденсації і хімічних перетворень.

На основі полімерів розроблено багато різних полімерних матеріалів, які отримали широке застосування в народному господарстві через свої корисні властивості. Зокрема в них цінується стійність до корозії, міцність, стійкість до дії агресивних середовищ, тривалість служби та ін. Безперечно полімерні матеріали володіють і рядом недоліків, найбільшим з яких є тривалість їхнього розкладу в природі, що зумовлює накопичення різних відходів та їх шкідливий вплив на навколишнє середовище. Частину полімерних матеріалів можна використати як вторинну сировину, однак більшість непридатні до повторної переробки через втрату своїх властивостей.

Всі полімерні матеріали унікальні за своїми властивостями, тому в даній статті варто поговорити про різні їх види окремо. Розглянемо найбільш поширені з них, а саме:

АБС-пластик;
пінопласти;
поліаміди;
полівінілхлорид;
полікарбонат;
поліметилметакрилат;
поліпропілен;
полістирол;
поліуретан;
поліетилен;
поліетилентерефталат;
фторопласти.

АБС-пластик

Про даний полімерний матеріал уже йшлося на сторінках нашого сайту в рамках окремої статті , тому щоб не повторюватися пропонуємо перейти безпосередньо до неї - ABS-пластик.

Пінопласти

Пінопласти – це спінені або комірчасті пластмаси, газонаповнені полімери, що представляють собою композиційні матеріали з каркасом (матрицею) з полімерних плівок, що утворюють стінки і ребра осередків (пор), заповнених газом. Об’ємне співвідношення газової та полімерної фаз в пінопласті становить зазвичай від 30: 1 до 1:10.

Відповідно до виду полімерного матеріалу, що використовується для отримання пінопластів, розрізняють пінопласти на основі полівінілхлориду, пінополістиролу, пінополіуретану, пінопласти на основі фенолоформальдегідних смол, поропласти на основі сечовиноформальдегідних смол, спінені синтетичні каучуки, пінополіетилен.

За реакцією на тепловий вплив пінопласти поділяються на термопластичні, які мають властивість розм’якшуватися при нагріванні і тверднути при охолодженні, наприклад, пінополістирол, пінопласти на основі полівінілхлориду; і термореактивні, які затверднувши (заполімеризувавшись), не здатні знову розм’якшуватися при підвищенні температури, наприклад, пінополіуретани, пінопласти на основі фенолформальдегідних смол.

Спінені пластмаси, що містять переважно автономні (закриті) осередки, називаються власне пінопластами, на відміну від поропластів – полімерних матеріалів, в яких переважають відкриті осередки або тупикові капіляри-пори. Типові представники пінопластів – пластики з порожнистим сферичним наповнювачем, так звані синтактні (синтактичні) пінопласти, або сферопласти. Повністю відкриту пористу структуру мають сітчасті пінопласти.

Пінопласти з модулем пружності вище 1000 МПа відносять до еластичних, нижче 100 МПа – до жорстких пінопластів. Проміжне становище займають напівтверді пінопласти. В особливу категорію виділяють інтегральні пінопласти – газонаповнені полімерні матеріали та вироби анізотропної структури, які з легкої пористої серцевини (власне пінопласту), поступово переходить в монолітну поверхневу кірку. Розрізняють однокомпонентні інтегральні пінопласти (серцевина і кірка виконані з полімеру одного типу) і багатокомпонентні інтегральні пінопласти (серцевина і кірка виконані з двох або трьох різних полімерів).

Поліаміди

Поліаміди – синтетичні термопластичні полімери конструкційного призначення. До конструкційних або інженерно-технічних полімерів прийнято відносити ті полімерні матеріали, які забезпечують працездатність деталей при підвищених механічних і теплових навантаженнях, мають високі електроізоляційні характеристики і доступні ціни: поліаміди, поліформальдегід, полібутилентерефталат, поліетилентерефталат, полікарбонат, АБС-пластики. Поліаміди – найбільш затребувані серед них.

Відмінною рисою поліамідів є наявність в основному молекулярному ланцюзі повторюваної амідної групи -C (O)-NH-. Розрізняють аліфатичні і ароматичні поліаміди. Відомі поліаміди, які містять в основному ланцюзі як аліфатичні, так і ароматичні фрагменти.

Широко застосовуються склонаповнені поліаміди. Вони представляють собою композиційні матеріали, які складаються з поліамідів, наповнених короткими відрізками комплексних скляних ниток, що випускаються у вигляді гранул неправильної циліндричної форми.

Полівінілхлорид

Полівінілхлорид – синтетичний термопластичний полярний полімер. Продукт полімеризації вінілхлориду. Тверда речовина білого кольору. Випускається у вигляді капілярно-пористого порошку з розміром часток 100-200 мкм, який отримують полімеризацією вінілхлориду в масі, суспензії або емульсії. Порошок сипкий і добре переробляється. На основі полівінілхлориду одержують жорсткі (вініпласт) і м’які (пластикат) пластмаси, пластизолі (пасти), полівінілхлоридне волокно. Вініпласт використовується як жорсткий конструкційний матеріал, що використовується в будівництві у вигляді погонажу, профілів, труб. Пластикат застосовується для виготовлення плівок, шлангів, клейонки, лінолеуму.

Звичайне позначення полівінілхлориду – ПВХ, PVC (полівінілхлорид), PVC-P або FPVC (пластифікований полівінілхлорид), PVC-U або RPVC або U-PVC або UPVC (непластифікований полівінілхлорид), CPVC або PVC -C або PVCC (хлорований полівінілхлорид), HMW PVC (високомолекулярний полівінілхлорид).

Полікарбонат

Полікарбонат – синтетичний термопластичний полімер, один з видів складних поліефірів вугільної кислоти і дигідроксисполук. Продукт полімеризації полібісфенол-А-карбонату. Твердий прозорий аморфний полімерний матеріал. Випускається у вигляді прозорих гранул.

Звичайне позначення полікарбонату – ПК або PC. Високотермостойкій полікарбонат іноді позначається як PC-HT.

Поліметилметакрилат

Поліметилметакрилат – це синтетичний полярний термопластичний полімер, один з видів полімерів ефірів метакрилової кислоти. Продукт полімеризації метилметакрилату. Це твердий жорсткий прозорий полімерний матеріал. Випускається у формі гомополімерів або співполімерів метилметакрилату з акрилонітрилом, бутадієном або стиролом. Суспензійною полімеризацією отримують формувальний поліметилметакрилат у вигляді гранул розміром 3-5 мм. Блоковою полімеризацією отримують листовий поліметилметакрилат товщиною 0,8-200 мм.

Звичайне позначення поліметилметакрилату – ПММА або PMMA. Співполімер метилметакрилату і акрилонітрилу позначається як A/MMA. Співполімер метилметакрилату, акрилонітрилу, бутадієну і стиролу, що зветься прозорим АБС – MABS. Співполімер метилметакрилату, бутадієну і стиролу – MBS. Співполімер метилметакрилату і стиролу – MS.

Даний полімерний матеріал володіє хорошою прозорістю, що і зумовлює одну з основних областей його застосування – у вигляді органічного скла.

Поліпропілен

Поліпропілен – синтетичний термопластичний неполярний полімер, що належить до класу поліолефінів. Продукт полімеризації пропілену. Твердий полімерний матеріал білого кольору. Випускається у формі гомополімерів і співполімерів, які одержуються співполімеризацією пропілену та етилену в присутності металоорганічних каталізаторів при низькому і середньому тиску, у вигляді забарвлених чи незабарвлених стабілізованих гранул.

Звичайне позначення поліпропілену – ПП, але можуть зустрічатися і інші позначення: РР (поліпропілен), PP HO або PP homopolymer (поліпропілен гомополімер), HIPP (високоізотактичний поліпропілен гомополімер), РР-Х, PP-XMOD (зшитий поліпропілен), PPCP або PP/Co або PP block-copolymer або PP impact copolymer (поліпропілен блок-співполімер, блок-співполімер пропілену та етилену), PPМ (блок-співполімер пропілену та етилену з низьким вмістом поліетилену), PPR (блок-співполімер пропілену та етилену із середнім вмістом поліетилену), PPU (блок-співполімер пропілену та етилену з високим вмістом поліетилену), PPH (блок-співполімер пропілену та етилену з дуже високим вмістом поліетилену), PP random copolymer (статистичний співполімер пропілену та етилену), PP-EPDM або PP/EP (суміш поліпропілену і потрійного співполімеру етилену, пропілену та дієну), EPP (спінюваний поліпропілен), EMPP (поліпропілен, модифікований каучуком), mРР (металоценовий поліпропілен).

Полістирол

Полістирол – синтетичний термопластичний твердий, жорсткий, аморфний полімерний матеріал. Продукт полімеризації стиролу. Масово випускається у формі полістиролу загального призначення та ударостійкого полістиролу.

Полістирол загального призначення – прозорий полімер, що представляє собою продукт полімеризації стиролу в масі або в суспензії, або в емульсії, і призначений для виготовлення виробів різними методами термоформування. Цей полімерний матеріал легко переробляється.

Ударостійкий полістирол – непрозорий безбарвний матеріал, продукт прищепленої кополімеризації стиролу з бутадієновим або бутадієн-стирольним каучуком, який має двофазну структуру. Безперервна фаза (матриця) утворена полістиролом. Дискретна фаза (мікрогель) – частинками каучуку овальної форми з розмірами 2-5 мкм. Каучукові частинки оточені тонкою плівкою прищепленого співполімеру стиролу на каучуку, а всередині частинок міститься також оклюдований полістирол, в результаті чого збільшується ефективний об’єм каучукової фази. Від об’єму останньої багато в чому залежать властивості ударостійкого полістиролу. Ударостійкий полістирол випускається стабілізованим, у вигляді білих гранул. Основні методи переробки – лиття під тиском і екструзія листа з наступним пневматичним або вакуумним формуванням.

Звичайне позначення полімерних матеріалів на основі полістиролу: ПС, PS або GPPS або PS-GP або XPS або Crystal PS (полістирол загального призначення), УП чи УПС або HIPS або PS-HI або PS-I (ударостійкий полістирол) , MIPS або IPS або PS-I (ударостійкий полістирол середньої ударної міцності), SHIPS (ударостійкий полістирол надвисокої ударної міцності).

Крім полістиролу загального призначення та ударостійкого полістиролу промисловістю випускається широка різноманітність модифікацій і співполімерів стиролу. Зокрема, еластомери, що володіють здатністю до великих оборотних деформацій за рахунок часткового розгортання хаотично згорнутих ланцюгових молекул полімеру, і синдіотактичний полістирол, що отримується на металоценових каталізаторах і володіє дуже високою жорсткістю і термостійкістю.

Поліуретан

Поліуретани – синтетичні гетероланцюгові полімери. Поліуретани можуть сильно відрізнятися один від одного за будовою ланцюга, хімічною природою і властивостями, але їх об’єднує наявність в основному ланцюзі макромолекули уретанових груп -NHCOO-. Так само і полімерні матеріали, виготовлені на їх основі, відрізняються за своїми властивостями.

Кількість уретанових груп залежить від молекулярної маси конкретного поліуретану і співвідношення вихідних компонентів при його синтезі. В залежності від природи останніх в макромолекулах поліуретанів можуть міститися й інші функціональні групи: прості ефірні і складноефірні (поліефіруретани), сечовини (поліуретансечовина), ізоціануратні (поліуретанізоціанурати), амідні (поліамідоуретани), подвійні зв’язки (полідієнуретани), які поряд з уретановою групою визначають комплекс властивостей полімерів. При збільшенні числа функціональних груп в молекулах одного або обох компонентів до трьох або більше виходять розгалужені або зшиті полімери.

Структуру і властивості поліуретанових полімерних матеріалів можна змінювати в широких межах шляхом підбору відповідних вихідних речовин. Вони відносяться до числа тих небагатьох полімерів, у яких можна направлено регулювати число поперечних зв’язків, гнучкість полімерних молекул і характер міжмолекулярних взаємодій. Це дає можливість отримувати з поліуретанів найрізноманітніші матеріали – синтетичні волокна, тверді і м’які еластомери, жорсткі та еластичні піноматеріали, різні термореактивні покриття та пластичні маси.

Звичайне позначення поліуретанів – ПУ або PU. Але можуть зустрічатися і інші позначення: PUR (поліуретан), TPE-U або TPU або TPUR або TP Urethane (термопластичний поліуретан), RTPU (жорсткий термопластичний поліуретан), ППУ – пінополіуретан.

Поліетилен

Поліетилен – синтетичний термопластичний неполярний полімер, що належить до класу поліолефінів. Продукт полімеризації етилену. Твердий полімерний матеріал білого кольору. Випускається у формі поліетилену низького тиску (поліетилену високої густини), який отримують суспензійним методом полімеризації етилену при низькому тиску на комплексних металоорганічних каталізаторах в суспензії або газофазним методом полімеризації етилену в газовій фазі на комплексних металоорганічних каталізаторах на носії, і поліетилену високого тиску (поліетилен низької густини), який отримують при високому тиску полімеризацією етилену в трубчастих реакторах або реакторах з перемішуючим пристроєм із застосуванням ініціаторів радикального типу. Крім того, існує декілька підкласів поліетилену, що відрізняються від традиційних вищими експлуатаційними характеристиками. Зокрема, надвисокомолекулярний поліетилен, лінійний поліетилен низької густини, поліетилен, що отримується на металоценових каталізаторах, бімодальний поліетилен.

Як правило, поліетилен випускають у вигляді стабілізованих гранул діаметром 2-5 міліметрів в забарвленому і незабарвленому вигляді. Але можливий і промисловий випуск поліетилену у вигляді порошку.

Звичайне позначення поліетилену – ПЕ, але можуть зустрічатися і інші позначення: PE (поліетилен), ПЕВТ або LDPE або PEBD або PELD (поліетилен високого тиску), ПЕНТ або HDPE або PEHD (поліетилен низького тиску), MDPE або PEMD (поліетилен середньої густини), ULDPE (поліетилен наднизької густини), VLDPE (поліетилен дуже низької густини), LLDPE або PELLD (лінійний поліетилен низької густини), LMDPE (лінійний поліетилен середньої густини), HMWPE або PEHMW або VHMWPE (високомолекулярний поліетилен). HMWHDPE (високомолекулярний поліетилен високої густини), PEUHMW або UHMWPE (надвисокомолекулярний поліетилен), UHMWHDPE (ультрависокомолекулярний поліетилен високої густини), PEX або XLPE (зшитий поліетилен), PEC або CPE (хлорований поліетилен), EPE (поліетилен, що спінюється), mLLDPE або MPE ( металоценовий лінійний поліетилен низької густини).

Але на ринку присутні й інші марки поліетилену, оскільки більшість виробників працює відповідно до власних ТУ, що відображають розвиток індустрії полімерних матеріалів, за якими система стандартизації не завжди встигає.

Поліетилентерефталат

Поліетилентерефталат – синтетичний лінійний термопластичний полімер, що належить до класу поліефірів. Продукт поліконденсації терефталевої кислоти і моноетиленгліколю. Поліетилентерефталат може експлуатуватися як в аморфному, так і в кристалічному стані. Аморфний поліетилентерефталат – твердий прозорий полімерний матеріал, кристалічний – твердий непрозорий, безбарвний. Ступінь кристалічності може бути відрегульований випалюванням при температурі між температурою склування і температурою плавлення. Товарний поліетилентерефталат випускається зазвичай у вигляді грануляту з розміром гранул 2-4 міліметри.

Звичайне позначення поліетилентерефталату – ПЕТ, але можуть зустрічатися і інші позначення: ПЕТФ або PET або PETP (поліетилентерефталат), APET (аморфний поліетилентерефталат).

У промисловому масштабі ПЕТ почав випускатися як волокноутворюючий полімер, але незабаром зайняв одне з провідних місць і в індустрії полімерної упаковки. За темпами зростання споживання в даний час поліетилентерефталат є найбільш швидкозростаючим полімерним матеріалом.

Волокноутворюючий поліетилентерефталат відомий на ринку під торговими марками лавсан або поліестер.

Фторопласти

Фторопласти – синтетичні термопластичні полімери, що належать до класу фторолефінів. Продукти полімеризації фторпохідних олефінів.

Найбільше застосування в промисловості знаходять:

політетрафторетилен, відомий під торговими марками фторопласт-4, тефлон (США);
політрифторхлоретилен, відомий під торговими марками фторопласт-3;
полівініліденфторид, відомий під торговими марками, фторопласт-2;
співполімер тетрафторетилену з етиленом, відомий під торговими марками фторопласт-40;
співполімер тетрафторетилену з вініліденфторидом, відомий під торговою маркою фторопласт-42;
співполімер тетрафторетилену з гексафторпропіленом, відомий під торговими марками фторопласт-4МБ;
співполімер тетрафторетилену з перфторвінілпропіловим ефіром, відомий під торговими марками фторопласт-50, тефлон PFA (США).

Широко застосовуються також композиції на основі фторопластів, коли під фторполімери вводяться наповнювачі, що підвищують зносостійкість, міцність, твердість або пружність полімерних матеріалів.

В якості наповнювачів для фторопластових композицій застосовують матеріали, що витримують температуру спікання фторопласту. Найбільш поширені наповнювачі можна розділити на наступні групи:

Порошкоподібні:

металеві – мідь, срібло, свинець, нікель, бронза, олово, алюміній;
мінеральні – кварц, стклопорошок, сита, кераміка, слюда, каолін;
органічні – графіт, сажа, вугілля, кокс.

Волокнисті (армувальні наповнювачі):

неткані – скловолокно, азбестове, графітове, кварцове, базальтове волокно, металеві вуса;
тканини – склотканини, графітові, азбестові і базальтові тканини.

Армувальні наповнювачі каркасного типу:

металева зім’ята сітка;
зім’ята фольга.

Наповнювачі можна вводити під фторопласт кожен окремо або в різних поєднаннях (комбіновані наповнювачі) залежно від призначення композицій.

Внесення у фторопласти таких наповнювачів, як скловолокно, графіт, бронза, коксова мука, дисульфід молібдену, силіциди металів, дозволяє в 200-1000 разів зменшити знос ущільнювального елементу, в кілька разів збільшити теплопровідність, в 5-10 разів збільшити міцність при стисненні і твердість, зменшити тертя.

Зокрема:

введення графіту використовують в тих випадках, коли треба підвищити механічну міцність і зберегти стійкість;
введення бронзи підвищує теплопровідність, твердість, стабільність розмірів, в 450 разів збільшує зносостійкість композиції;
введення дисульфіду молібдену збільшує твердість і міцність, знижує коефіцієнт тертя;
введення скловолокна підвищує зносостійкість, стабільність розмірів при водопоглинанні і усадки, теплостійкість, зменшує коефіцієнт лінійного розширення і холодотекучість;
композиції зі скловолокном і 5% дисульфіду молібдену використовують для отримання деталей, що працюють в умовах глибокого вакууму, сухого і вологого повітря та газів;
введення вуглецевого волокна підвищує зносостійкість, твердість і питому теплопровідність, опір повзучості, знижує деформацію при навантаженні, підвищує модуль пружності при стискуванні і модуль пластичності;
введення колоїдного графіту підвищує жорсткість і зменшує холодотекучість матеріалу.

При використанні як наповнювачів скловолокна, кремнезему, азбестової тканини, металевої вати збільшується жорсткість композиту, зменшується відносна деформація при невисоких коефіцієнтах тертя.

Серед самих фторопластів найбільшого поширення набув фтропласт-4 і композиції на його основі, завдяки винятковій хімічній інертності цього полімерного матеріалу по відношенню практично до всіх агресивних середовищ.

За матеріалами: polymerbranch.com.

Читайте також:

Меню