Примеры изделий из полимерных материалов
Прежде чем называть конкретные изделия из полимеров (их невозможно перечислить все, слишком большое их многообразие), для начала нужно разобраться, что дает полимер. Материал, который получают из ВМС, и будет основой для будущих изделий.
Основными материалами, изготовленными из полимеров, являются:
- пластмассы;
- полипропилены;
- полиуретаны;
- полистиролы;
- полиакрилаты;
- фенолформальдегидные смолы;
- эпоксидные смолы;
- капроны;
- вискозы;
- нейлоны;
- полиэфирные волокна;
- клеи;
- пленки;
- дубильные вещества и прочие.
Это только небольшой список из того многообразия, что предлагает современная химия. Ну а здесь уже становится понятным, какие предметы и изделия изготавливаются из полимеров – практически любые предметы быта, медицины и прочих областей (пластиковые окна, трубы, посуда, инструменты, мебель, игрушки, пленки и прочее).
Основные свойства полимеров
Строение макромолекул в виде цепи, а также различные типы связей между ними, возникшие при образовании молекул, определяют природу специальных физико-химических характеристик полимеров. Среди них важная особенность к пленко- и волокнообразованию, способности полимеров к вытяжке, прочности в определенных направлениях, эластичности и т.п. Такое строение полимерных молекул определяет тот факт, что вязкость растворов полимеров обычно высока. ВМС могут в высокой степени набухать в жидкостях, при этом образуя несколько видов систем, по свойствам находящихся между твердым жидким агрегатным состояниями.
Количество мономерных звеньев в макромолекулах полимеров и природа звена определяют молекулярную массу всего ВМС. Любой полимер всегда состоит из множества макромолекул, каждая из которых индивидуальна и отличается от других в том числе по длине цепи. Из-за этого факта молекулярная масса полимеров – всегда примерная средняя величина
Также из описанного следует, что важной характеристикой является молекулярно-массовое распределение (ММР), которое показывает в каком диапазоне молекулярных масс молекулы представлены в конкретном образце полимера. Чем меньше молекулярно-массовое распределение, тем стабильнее свойства полимеров и тем проще описать методики их переработки.
Полимеры могут находиться в нескольких агрегатных состояниях, которые отличаются от состояний обычных низкомолекулярных веществ, например в состоянии вязкотекучей жидкости, эластичном состоянии, такие как каучук, силикон, другие эластомеры, твердых пластмасс.
Эластомеры и их сокращенные обозначения
- БК – статический сополимер изобутилена и 0,6 -3,0 % изопрена.
- ДСТ-30 – термоэластопласт с 30% блоков стирола.
- СКД – цис-полибутадиеновый.
- СКДЛ – цис-полиизобутиленовый (литиевый катализатор).
- СКИ – цис-полиизопреновый.
- СКМС-30 – бутадиен-метилстирольный.
- СКН-18, СКН-26 – бутадиен-нитрильные с указанным содержанием нитрила акриловой кислоты в макромолекуле (в %) и т.д.
- СКС-30, СКМС-30 – бутадиен-стирольный, бутадиен-метилстирольный с 30% стирола в молекуле.
- СКС-30А – бутадиен-стирольный низкотемпературной полимеризации.
- СКТВ – метилвинилсилоксановый
- СКЭП – сополимер этилена (40-70%) и пропилена.
- СКЭПТ – сополимер этилена, пропилена и 1-2% несопряженного диена.
- СКУ – полиуретановый.
- ТЭП – термоэластопласт, блок-сополимер бутадиена и стирола.
Виды и способы получения теплоизоляционных полимеров
Основой для данного вида теплоизоляционных материалов являются органические полимеры, которые нередко именуются как газонаполненные пластмассы. Такая термоизоляция в основном применяется в промышленности, в строительной отрасли, а также при производстве бытовых приборов и оборудования. В сфере производства промышленного оборудования применяется полимерная изоляция трубопроводов с использованием полистирола, пенополиуретана и пенопласта – продуктов на основе полимеров.
Существует классификация, согласно которой полимерные материалы разделяют на несколько групп, каждая из которых отличается строением структуры:
- пенопласты, у которых ячейки замкнуты и никак не связаны между собой;
- поропласты, имеющие как связанные ячейки, так и замкнуты;
- сотопласты, выделяющиеся наличием только регулярно повторяющихся полостей.
Полимеры, используемые для получения теплоизоляции, необходимо наполнить газом или, по-другому, вспенить. Для этого выведено два основных способа вспенивания – физический и химический. Для первого способа растворить газ в среде полимера при повышенных давлении и температуре. После того, как эти параметры будут понижены, газ начнёт усиленно расширяться, при этом произойдет процесс вспенивания полимерного вещества. В качестве газа для наполнения наиболее часто выступает азот.
Химический метод подразумевает ввод в вещество газообразователя, с которым можно провести некоторые манипуляции. Можно либо нагреть смесь, из-за чего газообразователь начнет разложение, либо использовать такой образователь, вступающий в реакцию с полимером, вследствие чего произойдет выделение продуктов газа, которые и помогут достичь эффекта вспенивания.
Виды и характеристики клея
По количеству флаконов, входящих в упаковку, клей бывает таких видов:
- Однокомпонентный. Это смесь эпоксидки с растворителями и пластификаторами, готовая к применению. Она начинает твердеть после вскрытия герметичной упаковки. Обычно такими клеями выполняют небольшой объем работ, ими можно заклеивать мелкие дефекты, герметизировать швы, заделывать зазоры. Средства широко используются в быту, рукоделии.
- Двухкомпонентный. Реализуется в упаковке в виде двух емкостей. В одной находится эпоксидка в форме пасты, пластилина, в другой – отвердитель. Их нужно смешивать в определенной пропорции, быстро применять по назначению. Большинство эпоксидных клеев являются двухкомпонентными, ими можно склеить практически любой предмет.
По консистенции клеи бывают жидкими и в форме пластичной, густой массы. Жидкие материалы продаются в тюбиках, они не требуют разведения. Пластилинообразной массой рекомендуется ремонтировать сколы, ямки, иные дефекты. Перед использованием ее надо разминать в руках, перемешивать.
По способу отверждения материалы классифицируют на требующие термической обработки и не требующие ее. Первые нагревают перед введением отвердителя, вторые нужно выдержать при комнатной температуре.
Распространенные марки
В продаже можно встретить огромное разнообразие эпоксидных клеев, среди них есть импортные и отечественные марки:
- «Контакт». Хорошо подойдет для помещений с повышенной влажностью, годится для герметизации труб, ванны, унитаза.
- «Момент» от Henkel. Реализуется в каждом строительном магазине, самый популярный. Фасуется в разные упаковки – весом от 5 г, удобный и надежный.
- «Супер-Хват» эпоксидный равнокомпонентный. В составе содержит минеральные наполнители, что повышает прочность склеивания. Не имеет ограничений по обрабатываемым материалам.
- «Зубр». Двухкомпонентный бесцветный гель, применяется для заполнения пустот, трещин, сколов, помогает восстановить форму изделия.
- «Класс». Аналог предыдущего состава. Идеален для применения на металле и разных сплавах, помогает отремонтировать автомобили, раковины, трубы.
- «Секунда». Быстрый эффект склеивания – отличительная особенность средства, оно полностью застывает за 3 минуты.
- «Новоколор клей эпоксидный универсал». Отличается малой усадкой и высокой адгезией к разным основаниям, позволяет заклеить изделия с большими трещинами и сколами.
- Metal Bond. 5-минутный клей для любых видов металла, также может приклеить металлические поверхности к дереву, пластику, иным материалам.
- «Компаунд К-153». Средство черного цвета, используется для металлоконструкций, подвергающихся действию воды, нефтехимии.
- Ultima («Ультима»). Двухкомпонентное средство, используется для соединения большинства известных материалов, в том числе декоративно-облицовочных. Подходит для ремонта автомобилей, лодок, бытовой техники, сантехники.
- Poxipol («Поксипол»). Быстросохнущий состав, застынет через 10 минут после приготовления. Работать с ним надо очень быстро.
- ЭДП. Идеален для всех поверхностей – от металлических до стеклянных. Оптимален в соотношении «цена-качество».
- Epoxy steel. Отлично подходит для любого типа металлов, нередко его относят к категории автохимии и рекомендуют для ремонта автомобилей.
- DoneDeal «Эпокси Адгезив» в шприце. Двухкомпонентный клей, который дает абсолютно непроницаемое для воды соединение.
- BisonEpoxy 5 min. Отличается быстрой полимеризацией, сверхнадежным сцеплением поверхностей.
- «Абро» (Abro). Клей данного артикула выпускается в двух цветах – белом, черном, представляет собой «холодную сварку» для всех типов поверхностей.
- Novol Plus 710. Это ремонтный комплект, состоящий из смолы, отвердителя, стекломата (стекловолокна). Подходит, если склеиваемое изделие имеет значительные дефекты, трещины.
- Uhu. Применяется для соединения разных видов пластика и металлов, может выступать средством для заливки.
- «Дифенс – ЭК». Химстойкий эпоксидный клей, реализуется в большой таре (по 10 кг), применяется, в основном, на производстве.
- «Эпокси Титан». Материал повышенной прочности, стойкий к ударным нагрузкам, равнокомпонентный. Фасуется в блистеры по 20 и 200 мл, в ведра по 2 л.
Где применяются полимеры
Область применения полимерных материалов очень широка. Сейчас можно с уверенностью сказать – они используются в промышленности и производстве практически в любой сфере. Благодаря своим качествам полимеры полностью заменили природные материалы, существенно уступающие им по характеристикам. Поэтому стоит рассмотреть свойства полимеров и области их применения.
По классификации материалы можно разделить на:
Качества каждой разновидности определяет область применения полимеров.
Оглядевшись вокруг, мы можем увидеть огромное количество изделий из синтетических материалов. Это детали бытовых приборов, ткани, игрушки, кухонные принадлежности и даже бытовая химия. По сути – это огромный ряд изделий от обычной пластмассовой расчески до стирального порошка.
Такое широкое использование обусловлено низкой стоимостью производства и высокими качественными характеристиками. Изделия прочны, гигиеничны, не содержат вредных для организма человека компонентов и универсальны. Даже обычные капроновые колготки изготовлены из полимерных составляющих. Поэтому полимеры в быту применяются гораздо чаще, чем натуральные материалы. Они существенно превосходят их по качествам и обеспечивают низкую цену изделия.
Примеры:
- пластиковая посуда и упаковка;
- части различных бытовых приборов;
- синтетические ткани;
- игрушки;
- кухонные принадлежности;
- изделия для санузлов.
Любая вещь из пластика или с включением синтетических волокон изготавливается на основе полимеров, так что перечень примеров может быть бесконечным.
Сополимеры [ править | править код ]
Полимеры, изготовленные из разных мономеров или химически связанных молекул разных полимеров, называют сополимерами. Например, ударопрочный полистирол является сополимером полистирол−полибутадиен .
Сополимеры различаются по строению, технологии изготовления и получаемым свойствам. На 2014 год созданы технологии :
- статистические сополимеры, образованные цепочками, содержащими химические группы различной природы, получают путём полимеризации смеси нескольких исходных мономеров;
- чередующиеся сополимеры характеризуются цепочками, в которых чередуются радикалы разных мономеров;
- привитые сополимеры образуются путём прикрепления цепочек молекул второго мономера сбоку к макромолекулам, образованным из основного мономера;
- гребнеобразными сополимерами называют привитые сополимеры с очень длинными боковыми цепочками;
- блок-сополимеры построены из достаточно протяжённых цепочек (блоков) одного мономера, соединённых по концам с достаточно протяжёнными цепочками другого мономера.
Свойства сополимеров
Гребнеобразные сополимеры можно составить из материалов с разными свойствами, что даёт такому сополимеру принципиально новые свойства, например, жидкокристаллические .
В блок-сополимерах, составленных из компонент с разными свойствами, возникают суперрешетки, построенные из выделившихся в отдельную фазу блоков различной химической природы. Размеры блоков зависят от соотношения исходных мономеров. Так, хрупкому полистиролу добавляют устойчивость к растяжению до 40 % путём сополимеризации с 5−10 % полибутадиена, и получается ударопрочный полистирол, а при 19 % полистирола в полибутадиене материал демонстрирует каучукоподобное поведение .
Структура
Свойства и технические характеристики полимерного материала зависят от молекулярных соединений в цепи. По строению идет разделение на:
- • Линейное. Это соединения, где макромолекулы составляют длинные цепочки и имеют спиральную или зубчатую комбинацию. При этом они чрезвычайно гибкие. Такое качество дает высокую эластичность, и товар не крошится при застывшем состоянии.
- • Лестничное. Здесь макромолекулы создают пару длинных цепей, которые являются основой для создания изделий с высокой жесткостью и стойкостью к большим температурам. Помимо этих положительных качеств, есть главное достоинство – не вступают в химическую реакцию с растворителями из органики.
- • Пространственное. Мономолекулы связаны между собой поперечными мостиками и синтезируются при помощи мочевины и формальдегида. Итогом такой операции становится пространственная или неоднородная структура основы сетки. Из такого сырья создаются жесткие конструкционные продукты.
- • Линейно-разветвленное. Это когда от основной цепи идут ответвления, численность и размер которых различны. Такая структура наиболее прочная. Это свойство нашло применение в изготовлении полиэтилена, полистирола, поливинилхлорида.
Зачем красить пластик?
Необходимость покраски пластмасс продиктована с одной стороны эстетическими соображениями, а с другой — необходимостью защищать пластики. Ведь ничего вечного нет. Пластмасса хоть и не гниет, но в процессе эксплуатации и атмосферных воздействий она все равно повергается старению и деструкции. А нанесенный лакокрасочный слой защищает поверхность пластика от различных агрессивных воздействий и продлевает срок его службы.
На заводе покраска пластмассовых деталей трудностей не вызывает. Технологии здесь отлажены, да и речь в данном случае идет о покраске новых одинаковых деталей из одной и той же пластмассы. А вот в условиях мастерской маляры уже сталкиваются с проблемой, заключающейся в разнородности материалов различных деталей.
Вот здесь и приходится ответить себе на вопрос: «Что вообще такое пластмасса? Из чего ее делают, каковы ее свойства и основные виды?».
Свойства и важнейшие характеристики полимеров
Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. 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.
Классификация полимеров
Разделение полимеров на четкие классы – достаточно сложное дело. В современной теории существует несколько подразделений полимерных материалов по видам:
- полимеры могут быть природными или синтетическими, также бывают модифицированные полимеры;
- по типу реакции образования полимеры делятся на полимеризационные и поликонденсационные;
- в зависимости от химического состава полимеры подразделяются на неорганические (например, силиконы), органические полимеры (например, полистирол) и элементоорганические полимеры (например, фторопласты). При этом основной вид используемых полимеров – органические;
- по методу переработки и соответствующему отношению к воздействию на них температуры полимеры делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Первые способны перерабатываться многократно, вторые – как правило, нет;
- по составу мономерных звеньев полимеры делят на гомополимеры и сополимеры (гетерополимеры);
- также полимеры разделяются по строению главной цепи на гомоцепные и гетероцепные, по пространственному расположению мономерных звеньев на стереорегулярные и атактические (нестереорегулярные), по степени разветвления на линейные, разветвленные, лестничные и сшитые и т.д.
Рис. 1 Структура полимеров
Особенности
Синтетические полимеры имеют в своей основе низкомолекулярные органические соединения (мономеры), которые в результате реакций полимеризации или поликонденсации образуют длинные цепочки. Расположение и конфигурация молекулярный цепей, тип их связи во многом определяют механические характеристики полимеров.
Искусственные и синтетические полимеры обладают радом специфических особенностей. На первом месте следует отметить их высокую эластичность и упругость – способность противостоять деформациям и восстанавливать первоначальную форму. Пример – полиамид, резина. Полиуретановая нить – эластан, способна без разрыва изменять свою длину на 800 % и затем восстанавливать первоначальный размер. Наличие длинных молекулярных цепочек в структуре синтетических материалов обусловило низкую хрупкость пластиковых изделий. В большинстве случаев увеличение хрупкости у некоторых типов пластмасс происходит при понижении температуры. Органические материалы практически полностью лишены этого недостатка.
Указанные свойства дополняются высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью. Большинство известных полимеров имеют высокое электрическое сопротивление, низкую теплопроводность.
Отмечая высокие эксплуатационные и технологические качества, нельзя забывать и про отрицательные стороны:
- Сложность утилизации. Вторичное использование допускает только термопластичный материал и только в случае правильной сортировки. Смесь полимеров с различным химическим составом вторичной переработке не подлежит. В природе пластики разлагаются чрезвычайно медленно – вплоть до десятков и сотен лет. При сжигании некоторых типов пластмасс в атмосферу выделяется большое количество высокотоксичных веществ и соединений. Особенно это касается пластиков, содержащих галогены. Наиболее известный материал такого типа – поливинилхлорид (ПВХ).
- Слабая устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Под действием ультрафиолетовых лучей длинные полимерные цепочки разрушаются, увеличивается хрупкость изделий, снижается прочность, холодостойкость.
- Трудность или невозможность соединения отдельных типов синтетических материалов.
Пластмассы
Химические свойства полимеров показывают их высокую стойкость к агрессивным веществам, но в ряде случаев затрудняет использование клеевых составов. Поэтому для термопластичных полимеров используют метод сварки – соединение разогретых элементов. Некоторые вещества, например, фторопласты, вообще не подлежат соединениям, кроме механических.
Химические свойства полимеров
Химические свойства полимеров отличаются от таковых у низкомолекулярных веществ. Это объясняется размером молекулы, наличием различных функциональных группировок в ее составе, общим запасом энергии активации.
В целом можно выделить несколько основных типов реакций, характерных для полимеров:
- Реакции, которые будут определяться функциональной группой. То есть если в состав полимера входит группа ОН, характерная для спиртов, значит, и реакции, в которые они будут вступать, будут идентичны таковым у спиртов (дегидратация, окисление, восстановление, дегидрирование и так далее).
- Взаимодействие с НМС (низкомолекулярными соединениями).
- Реакции полимеров между собой с образованием сшитых сетей макромолекул (сетчатые полимеры, разветвленные).
- Реакции между функциональными группировками в пределах одной макромолекулы полимера.
- Распад макромолекулы на мономеры (деструкция цепи).
Все перечисленные реакции имеют в практике большое значение для получения полимеров с заранее заданными и удобными человеку свойствами. Химия полимеров позволяет создавать термоустойчивые, кислотно и щелочеупорные материалы, обладающие при этом достаточной эластичностью и стабильностью.
Пурал
Пурал изготавливается на основе полиуретана и модифицированного полиамида. Покрытие из пурала отличается шелковисто-матовой поверхностью, высокой термостойкостью и устойчивостью к резким перепадам температур.
Данный материал не выцветает и не разрушается под действием химически агрессивных сред. Пурал не так устойчив к пластическому деформированию, как пластизол, и стоит дороже, чем полиэстер, однако по соотношению цены и качества является оптимальным вариантом из всех представленных выше.
Наибольшее распространение пураловые покрытия получили при производстве кровельных элементов из оцинкованного металла. Сталь, обработанная пуралом, приобретает красивый внешний вид, высокие антикоррозионные характеристики и устойчивость к УФ-излучению.
Термопласты
Классификация пластмасс выделяет еще один их вид – термопласты. Их особенность состоит в том, что эти материалы плавятся под воздействием высоких температур, но при охлаждении быстро возвращаются в свое изначальное состояние. Молекулярные цепи данного вида пластмасс либо слегка разветвлены, либо линейны. Когда изделие находится в условиях воздействия невысоких температур, оно хрупкое и твердое. Это связано с тем, что молекулы размещаются крайне плотно друг к другу, что практически полностью ограничивает их движение. Как только температура немного повышается, молекулы получают возможность двигаться, что существенно ослабевает связь между ними. В ходе описанного процесса материал становится более пластичным. Если температуру продолжают повышать, то межмолекулярные связи окончательно ослабевают, и теперь они скользят друг относительно друга. В это время пластмасса становится вязкотекучей и невероятно эластичной. Если температуру снизить, то все эти процессы повернутся вспять.
Если контролировать температуру таким образом, чтобы не допускать перегрева, который провоцирует распад молекулярной цепи, то описанные выше процессы можно повторять бесконечное количество раз. Используя эти свойства пластмасс данной категории, их многократно перерабатывают в разнообразные изделия. Это позволяет меньше загрязнять окружающую среду, ведь отходы пластмасс в почве разлагаются от одной до четырех сотен лет.
Более того, благодаря описанным выше особенностям, термопласты с легкостью могут быть спаяны или сварены. Любые механические повреждения можно исправить путем правильного температурного воздействия.
Применение пластмасс такого типа широко распространено в сфере автомобилестроения (изготовление колпаков колес, бамперов, панелей, корпусов фонарей, каркасов, наружных зеркал, решеток бампера и так далее).
Основные термопласты:
- поливинилхлорид;
- поливинилацетат;
- полиоксиметилен;
- полипропилен;
- полиамид;
- сополимеры бутадиена, стирола и акрилонитрила;
- поликарбонат;
- полистирол;
- полиэтилен;
- поливинилацетат.
