Синтетические полимеры

Классификация полимеров

Есть довольно большое количество показателей, по которым синтетические полимерные материалы могут классифицироваться. При этом классификация затрагивает и основные эксплуатационные качества. Именно поэтому рассмотрим разновидности полимерных материалов подробнее.

Классификация проводится по агрегатному состоянию:

Твердые. Практически все люди знакомы с полимерами, так как они используются при изготовлении корпусов бытовой техники и других предметов быты. Другое название этого материала – пластмасса. В твердой форме полимерный материал обладает достаточно высокой прочностью и пластичностью.
Эластичные материалы. Высокая эластичность структуры получила применение при производстве резины, поролона, силикона и других подобных материалов. Большая часть встречается в строительстве в качестве изоляции, что также связано с основными эксплуатационными качествами.
Жидкости. На основе полимеров производится достаточно большое количество самых различных жидких веществ, большая часть которых также применима в строительстве. Примером назовем краски, лаки, герметики и многое другое.

Жидкие полимеры — краски

Эластичные полимеры — резиновое покрытие

Различные виды полимерных материалов обладают разными эксплуатационными качествами. Именно поэтому следует рассматривать их особенности. Есть в продаже полимеры, которые до соединения находятся в жидком состоянии, но после вступления в реакцию становятся твердыми.

Классификация полимеров по происхождению:

Искусственные вещества, характеризующиеся высокомолекулярной массой.
Биополимеры, которые еще называют природными.
Синтетические.

Большее распространение получили полимерные материалы синтетического происхождения, так как за счет смешивания самых различных веществ достигаются исключительные эксплуатационные качества. Искусственные полимеры сегодня встречаются практически в каждом доме.

Классификация синтетических материалов проводится также по особенностям молекулярной сетки:

Линейные.
Разветвленные.
Пространственные.

Варианты структуры полимеров

Классификация проводится и по природе гетероатома:

В главную цепь может входить атом кислорода. Подобное строение цепочки позволяет получить сложные и простые полиэфиры и перекиси.
ВМС, которые характеризуются наличием атома серы в основной цепочке. За счет подобного строения получают политиоэфиры.
Можно встретить и соединения, в главной цепочке которых есть атомы фосфора.
В главную цепочку могут входить и атомы кислорода и с азотом. Наиболее распространенным примером подобного строения можно назвать полиуретаны.
Полиамины и полиамиды – яркие представители полимерных материалов, которые в своей главной цепочке имеют атомы азота.

Кроме этого выделяют две большие группы полимерных материалов:

Карбоцепные – вариант, который имеет основную цепочку макромолекулы ВМС с одним атомом углерода.
Гетероцепные – структура, которая кроме атома углерода имеет и атомы других веществ.

Существует просто огромное количество разновидностей карбоцепных полимеров:

Высокомолекулярные соединения, которые называют тефлоном.
Полимерные спирты.
Структуры с насыщенными главными цепочками.
Цепочки с насыщенными основными связями, которые представлены полиэтиленом и полипропиленом. Отметим, что сегодня подобные разновидности полимеров получили просто огромное распространение, их применяют при производстве строительных материалов и других вещей.
ВМС, которые получаются на основе переработки спиртов.
Вещества, полученные при переработке карбоновой кислоты.
Вещества, полученные на основе нитрилов.
Материалы, которые были получены на основе ароматических углеводородов. Самым распространенным представителем этой группы является полистирол. Он получил широкое применение по причине высоких изоляционных качеств. Сегодня полистирол используют для изоляции жилых и нежилых помещений, транспортных средств и другой техники.

Полимеры

Вся приведенная выше информация определяет то, что существует просто огромное количество разновидностей полимерных материалов. Этот момент также определяет их широкое распространение, применение практически во всех отраслях промышленности и сферах деятельности человека.

Образование полимеров

В природе биологические полимеры или биополимеры получаются естественным путем в процессе жизнедеятельности растительных и животных организмов. Искусственные же полимеры производят как правило нефтехимические и газохимические предприятия путем двух основных видов химических реакций: полимеризации и поликонденсации

Полимеризация – это процесс синтеза полимера путем присоединения повторяющихся цепочек молекул (звеньев) мономера к активному центру роста макромолекулы высокомолекулярного соединения. В упрощенном виде механизм полимеризации можно расписать по следующим стадиям:

образование центров полимеризации;
рост макромолекул полимера при присоединения очередных звеньев;
возникновение новых центров полимеризации на других молекулы и их интенсивный рост;
возникновение разветвленных молекул полимеров;
прекращение роста макромолекул.

Обычно полимеризация не возникает при нормальных условиях. Для начала химического процесса полимеризации на низкомолекулярное сырье оказывают разнообразные методы воздействия в зависимости от каждого конкретного техпроцесса: воздействие светом или другим типом облучением, повышенным давление, высокими температурами. При этом, наиболее эффективно процесс идет в среде катализатора, подбираемого для каждого конкретного процесса получения определенного полимера персонально. При образовании полимеров при помощи полимеризации не выделяется побочных веществ реакции, химический состав веществ остается неизменным, но меняется структура связей в веществе.

Рис. 2 Завод по производству полиэтилена

Поликонденсация – это процесс синтеза полимеров из низкомолекулярных веществ при помощи перегруппировки атомов выделения побочных продуктов поликонденсации. Это могут быть различные низкомолекулярные соединения, например вода. Методом поликонденсации выпускают такие крупнотоннажные полимеры, как полиуретаны, поликарбонаты, фенолоальдегидные смолы.

Полимеризация

Степень полимеризации — это число, показывающее сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу.

Степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено: (–CH2–CH2–)n

Характерные признаки полимеризации.

В основе полимеризации лежит реакция присоединения.
Полимеризация – цепная реакция, включает стадии инициирования, роста и обрыва цепи.
Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера одинаков.

Катализаторами полимеризации могут быть: металлический натрий, пероксиды, кислород, металлоорганические соединения, комплексные соединения.

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.

Например, схема сополимеризации этилена с пропиленом:

Важнейшие синтетические полимеры

Изображение с портала orgchem.ru

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и области их применения:

Полимер	Мономер	Характеристики полимера	Применение полимера
Полиэтилен (–СН2–СН2–)n	ЭтиленСН2=СН2	Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкий	Упаковка, тара
Полипропилен	ПропиленСН2=СН–СН3	Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкий	Трубы, упаковка, ткань (нетканый материал)
Поливинилхлорид	ВинилхлоридСН2=СН–Сl	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Натяжные потолки, окна, пленка, трубы, полы, изолента и т.д
Полистирол	Стирол	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Упаковка, посуда, потолочные панели
Полиметилметакрилат Метиловый эфир метакриловой кислоты	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Очки, корпуса фар и светильников, душевые кабины, мебель и т.д
Тефлон(политетрафторэтилен)	Тетрафторэтилен	Синтетический линейный полимер. Термопластичный (t = 260-3200C) Обладает очень высокой химической стойкостью	Посуда, пластины утюгов, ленты и скотч, упаковка, изоляция
Искусственный каучук Мономер: бутадиен-1,3 (дивинил)	Синтетический, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Натуральный каучук Мономер: 2-метилбутадиен-1,3	Природный, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Хлоропреновый каучук Мономер: 2-хлорбутадиен-1,3	Синтетический, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Бутадиен-стирольный каучук Мономеры: бутадиен-1,3 и стирол	Синтетический, эластомер	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Полиакрилонитрил	Акрилонитрил	Синтетический, линейный	Волокна, пластмассы

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.

Синтетические полимеры

Примеров переработки природных полимеров в искусственные можно привести очень много.

Но со временем были созданы синтетические полимеры, которые заменили природные и искусственные. Толчком для создания синтетических полимеров послужило открытие русского химика Александра Михайловича Бутлерова.

Теория химического строения органических веществ

В основе современной органической химии лежит теория химического строения органических веществ, автором которой является русский химик и ученый Александр Михайлович Бутлеров. В 1842 г. Бутлеров впервые провел реакцию полимеризации и изомеризации, доказав, что свойства веществ могут меняться в результате изменения строения молекулы, даже если состав и молекулярный вес не меняются.

После создания этой теории появилась химия высокомолекулярных полимерных соединений. В состав таких соединений входят молекулы с числом атомов до сотен тысяч. Началась целенаправленная модификация (изменение) химических веществ. Были созданы абсолютно новые синтетические полимеры. Свойства этих полимеров значительно превосходили свойства природных полимеров.

Производство синтетических тканей и материалов

В настоящее время новые технологии вошли во все области жизни и быта человека. С помощью синтеза люди научились изготавливать такие волокна, как:

Нефть.
Уголь.
Газ.

Шить:

Спортивную форму.
Домашний текстиль.
Спецодежду, которая защищает человека от плохого воздействия окружающей среды.

Процесс выработки проходит поэтапно – сначала происходит варка, в процессе которой древесную стружку помещают в специальный раствор, а затем в горячую воду добавляют реагенты, при помощи которых получается целлюлоза.

Этапы приготовления прядильного раствора:

Обработка щелочью.
Отжим.
Измельчение.
Фильтрование.

Затем происходят отбеливание, сушка, прессовка. Процесс не требует больших затрат, поэтому объемы производства с каждым годом лишь увеличиваются, а качество соответствующих товаров становится лучше.

Это интересно: Футер с начёсом — что за ткань, состав, виды и особенности

Классификация полимеров

Есть довольно большое количество показателей, по которым синтетические полимерные материалы могут классифицироваться. При этом классификация затрагивает и основные эксплуатационные качества. Именно поэтому рассмотрим разновидности полимерных материалов подробнее.

Классификация проводится по агрегатному состоянию:

Твердые. Практически все люди знакомы с полимерами, так как они используются при изготовлении корпусов бытовой техники и других предметов быты. Другое название этого материала – пластмасса. В твердой форме полимерный материал обладает достаточно высокой прочностью и пластичностью.
Эластичные материалы. Высокая эластичность структуры получила применение при производстве резины, поролона, силикона и других подобных материалов. Большая часть встречается в строительстве в качестве изоляции, что также связано с основными эксплуатационными качествами.
Жидкости. На основе полимеров производится достаточно большое количество самых различных жидких веществ, большая часть которых также применима в строительстве. Примером назовем краски, лаки, герметики и многое другое.

Жидкие полимеры — краски

Эластичные полимеры — резиновое покрытие

Различные виды полимерных материалов обладают разными эксплуатационными качествами. Именно поэтому следует рассматривать их особенности. Есть в продаже полимеры, которые до соединения находятся в жидком состоянии, но после вступления в реакцию становятся твердыми.

Классификация полимеров по происхождению:

Искусственные вещества, характеризующиеся высокомолекулярной массой.
Биополимеры, которые еще называют природными.
Синтетические.

Большее распространение получили полимерные материалы синтетического происхождения, так как за счет смешивания самых различных веществ достигаются исключительные эксплуатационные качества. Искусственные полимеры сегодня встречаются практически в каждом доме.

Классификация синтетических материалов проводится также по особенностям молекулярной сетки:

Линейные.
Разветвленные.
Пространственные.

Варианты структуры полимеров

Классификация проводится и по природе гетероатома:

В главную цепь может входить атом кислорода. Подобное строение цепочки позволяет получить сложные и простые полиэфиры и перекиси.
ВМС, которые характеризуются наличием атома серы в основной цепочке. За счет подобного строения получают политиоэфиры.
Можно встретить и соединения, в главной цепочке которых есть атомы фосфора.
В главную цепочку могут входить и атомы кислорода и с азотом. Наиболее распространенным примером подобного строения можно назвать полиуретаны.
Полиамины и полиамиды – яркие представители полимерных материалов, которые в своей главной цепочке имеют атомы азота.

Кроме этого выделяют две большие группы полимерных материалов:

Карбоцепные – вариант, который имеет основную цепочку макромолекулы ВМС с одним атомом углерода.
Гетероцепные – структура, которая кроме атома углерода имеет и атомы других веществ.

Существует просто огромное количество разновидностей карбоцепных полимеров:

Высокомолекулярные соединения, которые называют тефлоном.
Полимерные спирты.
Структуры с насыщенными главными цепочками.
Цепочки с насыщенными основными связями, которые представлены полиэтиленом и полипропиленом. Отметим, что сегодня подобные разновидности полимеров получили просто огромное распространение, их применяют при производстве строительных материалов и других вещей.
ВМС, которые получаются на основе переработки спиртов.
Вещества, полученные при переработке карбоновой кислоты.
Вещества, полученные на основе нитрилов.
Материалы, которые были получены на основе ароматических углеводородов. Самым распространенным представителем этой группы является полистирол. Он получил широкое применение по причине высоких изоляционных качеств. Сегодня полистирол используют для изоляции жилых и нежилых помещений, транспортных средств и другой техники.

Полимеры

Вся приведенная выше информация определяет то, что существует просто огромное количество разновидностей полимерных материалов. Этот момент также определяет их широкое распространение, применение практически во всех отраслях промышленности и сферах деятельности человека.

Органические полимеры

Восемь наиболее распространенных типов синтетических органических полимеров, которые обычно встречаются в домашних условиях:

Полиэтилен низкой плотности (ПВД)
Полиэтилен высокой плотности (HDPE)
Полипропилен (ПП)
Поливинил хлорид (ПВХ)
Полистирол (PS)
Нейлон, нейлон 6, нейлон 6,6
Тефлон (Политетрафторэтилен)
Термопластичные полиуретаны (ТПУ)

Список некоторых аддитивные полимеры и их использование
Полимер	Сокращение	Характеристики	Использует
Полиэтилен низкой плотности	LDPE	Химически инертный, гибкий, изолятор	Выжимать бутылки, игрушки, гибкие трубы, изоляционное покрытие (электрические провода), шесть колец, так далее.
Полиэтилен высокой плотности	HDPE	Инертный, термостойкий, жесткий и высокий предел прочности	Бутылки, трубы, внутренняя изоляция (диэлектрик) коаксиальный кабель (см. также PTFE), полиэтиленовые пакеты и т. д.
Полипропилен	PP	Устойчивы к кислоты и щелочи, Высокая прочность на разрыв	Автозапчасти, промышленные волокна, контейнеры для пищевых продуктов, вкладыши в мешках, посуда и в качестве оберточного материала для текстильных изделий и продуктов питания.
Полистирол (термокол)	PS	Теплоизолятор. Свойства зависят от формы, расширенная форма жесткая и жесткая	чашки Петри, Чехол для компакт-диска, пластиковые столовые приборы
Политетрафторэтилен	PTFE	Очень низкий коэффициент трения, отлично диэлектрик свойства, химически инертный	Низкий коэффициент трения подшипники, сковороды с антипригарным покрытием, внутренняя изоляция (диэлектрик) коаксиальный кабель (см. также HDPE), покрытие от химического воздействия и т. д.
Поливинил хлорид	ПВХ	Изолятор огнестойкий, химически инертный	Труба (в основном слив), ограждение, шезлонги, сумки, штора одежда, непродовольственные бутылки, плащи, игрушки, винил напольное покрытие, изоляция электроустановок и т. д.
Полихлортрифторэтилен	PCTFE	Устойчив к нагреву и термическим атакам, имеет высокую прочность на разрыв и не смачивание	клапаны, уплотнения, прокладки и Т. Д.

Лайкра

Лайкра или спандекс – это волокно, известное своей исключительной эластичностью; он может увеличиваться в размерах до 5 раз. Его наиболее ценные характеристики заключаются в том, что, несмотря на растяжение, он возвращается к своему первоначальному размеру и сохнет быстрее, чем другие ткани. Он прочнее и долговечнее резины и был изобретен в 1950-х годах.

Благодаря своей эластичности и прочности, он используется во многих предметах одежды, особенно в спорте. Велосипедные шорты, плавки, лыжные штаны, костюмы для триатлона и гидрокостюмы – вот лишь некоторые из наиболее распространенных применений. Другое использование включает в себя нижнее белье, купальники, перчатки и лайкры.

Синтетические полимеры

Примеров переработки природных полимеров в искусственные можно привести очень много.

Но со временем были созданы синтетические полимеры, которые заменили природные и искусственные. Толчком для создания синтетических полимеров послужило открытие русского химика Александра Михайловича Бутлерова.

Теория химического строения органических веществ

А.М. Бутлеров

В основе современной органической химии лежит теория химического строения органических веществ, автором которой является русский химик и ученый Александр Михайлович Бутлеров. В 1842 г. Бутлеров впервые провел реакцию полимеризации и изомеризации, доказав, что свойства веществ могут меняться в результате изменения строения молекулы, даже если состав и молекулярный вес не меняются.

После создания этой теории появилась химия высокомолекулярных полимерных соединений. В состав таких соединений входят молекулы с числом атомов до сотен тысяч. Началась целенаправленная модификация (изменение) химических веществ. Были созданы абсолютно новые синтетические полимеры. Свойства этих полимеров значительно превосходили свойства природных полимеров.

Классификации полимерных материалов

Зависимо от происхождения полимеры разделяют на синтетические и природные. Несмотря на востребованность природных составляющих, материалы искусственного происхождения, которые производят на низкомолекулярной основе, благодаря синтезу, пользуются большим спросом.

Различия по химическому составу позволяет делить полимерные материалы на:

неорганические, у которых нет однотипных соединений, при этом есть органические радикалы, в качестве дополнительных составляющих;
элементоорганические полимеры, отличаются способностью удерживать в органическом радикальном соединении, атомы неорганики, хорошо сочетающихся с органикой;
органические, которые используют, как основу для пластмассовых изделий.

Характерным отличием структуры, влияющим на свойства материала оказывает макромолекула. Ее вид позволяет разделить полимеры на:

плоские;
ленточного типа;
разветвленной структуры;
линейного характера;
сетчатого типа;
гребнеобразные полимеры;
прочие виды.

По свойствам соединений звеньев, полимерные материалы делят по полярности, влияющую на растворимость материалов в разных средах. Ее определяют по разобщению положительных и отрицательных зарядов. Характера этих связей позволяет разделить полимеры на:

гидрофильные;
гидрофобные;
амфильные.

Иначе говоря, можно отнести перечисленные категории к полярным, неполярным или смешанным. Кроме этого, полимеры имеют разные свойства при изменении температуры. Они бывают:

термопластичные, имеющие свойство размягчения, при увеличении градуса, а при понижении – твердеют;
термореактивные, подвержены разрушению структурных связей между звеньями.

Явным примером, подчеркивающим различие структуры, будет письмо, отправленное по почте, предварительно заклеенное в конверт. В процессе транспортировки, тщательно склеенные поверхности остаются невредимыми. Но стоит нагреть обработанное место на огне или с помощью раскаленного металлического предмета, как клей утратит свои свойства и конверт откроется.

Полимерные материалы делят на два типа: синтетический (искусственный) и огнеупорный. Синтетика встречается в различных сферах жизнедеятельности человека: в строительстве, промышленности, быту и даже – в одежде. Производство искусственного сырья началось в первые годы ХХ века. Первым запатентованным материалом была бакелитовая смола, которая при нагревании меняла форму.

Современные синтетические материалы подвержены влиянию огня и высоких температур, а некоторые из них могут воспламеняться. Чтобы избежать подобное используют добавки, а также синтезируют сырье с помощью хлора или брома. Галогенированный полимерный материал, который получается после обработки, при сжигании образует газ, способствующий повышению коррозии других материалов. Разнообразие структур полимеров по химическому составу позволяет разделить материалы на несколько видов, которые находят все большее применение в народном хозяйстве.

Полиэтилен Известен по широко применяемой упаковке различного назначения. Свойства и низкая себестоимость сделала такие материалы популярными в разных отраслях. Различают полиэтилен низкого давления, который обладает прочной структурой молекул и высокого давления, с противоположными свойствами. Эти материалы имеют одинаковы по химическому составу, но различаются по структуре решетки.
Полипропилен Прозрачный полимер изготовленный методикой экструзии с охлаждением методом полива или другим способом с раздувом. Не контактирует с маслами и жирами, не деформируется при температурных изменениях, пропускает водяные пары. Эти свойства материала применяются в пищевой и строительной отрасли.
Поливинилхлорид Такие материалы с полимерной основой встречается реже других из-за способности быть хрупким и не эластичным. Был популярен в 60-е годы прошлого столетия, при сжигании образует диоксин. Современные материалы вытесняют эти полимеры за счет более высокой экологичности и улучшения структуры сырья.
Полиолефин Благодаря разнообразному строению макромолекул, эти полимеры включает в себя составляющие элементы пропилена и полиэтилена. Более половины производимой полимерной продукции относят к полиофелинам. Стойкость к разрыву, нагреву и усадке, позволит в ближайшем будущем увеличить объемы изготовления этого сырья. Тем более, что экологичность, которой обладают такие материалы выше других полимеров, а при производстве и утилизации – не выделяет вредных веществ.