Полимеры и их применение

ВВЕДЕНИЕ

Полимеры, либо макромолекулы - это совсем огромные молекулы, образованные связями почти всех молекул малого размера, которые именуются составными звеньями, либо мономерами. Молекулы так значительны, что их характеристики не меняются значимым образом при добавлении либо удалении нескольких таковых составных звеньев.

Термин «полимерные материалы» является обобщающим. Он объединяет три  широких группы синтетических пластиков, а конкретно: полимеры; пластмассы и  их морфологическую разновидность - полимерные композиционные материалы (ПКМ) либо, как их еще называют, армированные пластики. Общее для перечисленных  групп то, что их обязательной частью является полимерная составляющая, которая  и описывает главные термодеформационные и технологические характеристики материала. Полимерная составляющая представляет собой органическое высокомолекулярное вещество, приобретенное в итоге химической реакции меж молекулами исходных низкомолекулярных веществ - мономеров.

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

Пластмассами именуются  композиционные материалы на базе полимеров, содержащие дисперсные либо коротковолокнистые наполнители, пигменты и другие сыпучие  составляющие. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Они (дисперсная среда) размещаются 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 главные группы - термопластические и термореактивные. Термопластические - это те, которые  после формирования могут быть расплавлены  и опять сформованы; термореактивные, сформованные раз, уже не плавятся и  не могут принять другую форму  под действием температуры и  давления. Практически все пластмассы, используемые в упаковках, относятся к термопластическим, к примеру, целлофан и полипропилен (члены семейства полиолефинов), полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, нейлон (капрон), поликарбонат, поливинилацетат, поливиниловый спирт и остальные.

Пластмассы также можно  располагать по категориям в зависимости  от способа, который употребляется  для их полимеризации, на полимеры, приобретенные присоединением к поликонденсацией. Полимеры, приобретенные присоединением, производятся с помощью механизма, который включает или свободные радикалы, или ионы, по которому малые молекулы скоро присоединяются к возрастающей цепи, без образования сопутствующих молекул. Поликонденсационные полимеры производятся с помощью реакции функциональных групп в молекулах друг с другом, так что постадийно появляется длинная цепь полимера, и традиционно происходит образование низкомолекулярного сопутствующего продукта, к примеру, воды, во время каждой стадии реакции. Большая часть упаковочных полимеров, включая полиолефины, поливинилхлорид и полистирол - это полимеры присоединения.

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

Полимерные армированные материалы являются разновидностью пластмасс. Они различаются тем, что в них употребляются не дисперсные, а армирующие, то есть усиливающие  наполнители (волокна, ткани, ленты, войлок, монокристаллы), образующие в ПКМ  самостоятельную непрерывную фазу. Отдельные разновидности таковых ПКМ называют слоистыми пластиками. Таковая морфология дозволяет получить пластики с очень высочайшими деформационно-прочностными, усталостными, электрофизическими, акустическими и другими целевыми чертами, соответствующими самым высочайшим современным требованиям.

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

Если в реакции полимеризации  воспринимает роль маленькое число  молекул, то образуются низкомолекулярные  вещества, к примеру, димеры, триммеры и т.д. Условия протекания реакций полимеризации очень разные. В неких вариантах необходимы катализаторы и высочайшее давление. Но основным фактором является строение молекулы мономера. В реакцию полимеризации вступают непредельные (ненасыщенные) соединения за счет разрыва кратных связей.

Структурные формулы полимеров  коротко записывают так: формулу  элементарного звена заключают  в скобки и справа внизу ставят букву п. К примеру, структурная  формула целлофана (-СН₂ -СН₂ -) n. Просто заключить, что заглавие полимера слагается из наименования мономера и приставки поли-, к примеру целлофан, поливинилхлорид, полистирол и т. д.

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

Более распространенными  полимерами углеводородной природы  являются целлофан и полипропилен.

Целлофан получают полимеризацией этилена:

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

К полимеризации способны почти все остальные соединения - производные этилена, имеющие общую  формулу СН₂ = СН-X, где Х - разные атомы либо группы атомов.

Виды  полимеров:

Полиолефины - это класс  полимеров одинаковой химической природы (химическая формула - (СН₂)-n) с различным пространственным строением молекулярных цепей, включающий в себя целлофан и полипропилен. Кстати сказать, все углеводы, к примеру, природный газ, сахар, парафин и дерево имеют похожее химическое строение. Всего в мире раз в год производиться 150млн. т. полимеров, а полиолефины составляют приблизительно 60% от этого количества. В будущим полиолефины будут окружать нас в еще большей степени, чем сейчас, потому полезно приглядеться к ним повнимательнее.

Комплекс параметров полиолефинов, в том числе такие, как стойкость  к ультрафиолету, окислителям, к  разрыву, протыканию, усадке при нагреве и к раздиру, изменяется в совсем широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий.

В особенности следует  выделить, что полиолефины экологически чище большинства применяемых человеком  материалов. При производстве, транспортировке  и обработке стекла, дерева и бумаги, бетона и сплава употребляется много  энергии, при выработке которой  неизбежно загрязняется окружающая среда. При утилизации обычных материалов также выделяются вредные вещества, и затрачивается энергия. Полиолефины  производятся и утилизуются без выделения вредных веществ и при малых затратах энергии, причем при сжигании полиолефинов выделяется огромное количество незапятнанного тепла с побочными продуктами в виде водяного пара и углекислого газа.

Целлофан

Около 60% всех пластиков, используемых для упаковки - это целлофан, основным образом благодаря его низкой стоимости, но также благодаря его  хорошим свойствам для почти  всех областей внедрения.

Целлофан высочайшей плотности (ПЭНД - низкого давления) имеет самую  простую структуру из всех пластиков, он состоит из циклических звеньев  этилена.

-(CH₂  CH₂)n - целлофан высочайшей плотности.

Целлофан низкой плотности (ПЭВД - высочайшего давления) имеют  ту же химическую формулу, но различается  тем, что его структура разветвленная.

-(CH₂  CHR) n - целлофан низкой плотности.

Где R может быть -H, -(CH₂)n CH₃ , либо более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Целлофан, благодаря своему обычному химическому строению, просто складывается в кристаллическую  решетку, и, следовательно, имеет тенденцию  к высочайшей степени кристалличности. Разветвление цепи препятствует данной возможности к кристаллизации, что приводит к наименьшему числу молекул на единицу размера, и, следовательно, наименьшей плотности.

ПЭВД - целлофан высочайшего  давления. Пластичен, слегка матовый, воскообразный  на ощупь, перерабатывается способом экструзии  в рукавную пленку с раздувом либо 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 изюминка - достаточно низкая температура размягчения (около 100 градусов Цельсия).

ПЭНД - целлофан низкого давления. Пленка из ПЭНД - твердая, прочная, менее  воскообразная на ощупь по сравнению  с пленками ПЭВД. Выходит экструзией рукава с раздувом либо экструзией плоского рукава. Температура размягчения 121^оС позволяет создавать стерилизацию паром. Морозостойкость этих пленок таковая же, как и у пленок из ПЭВД. Устойчивость к растяжению и сжатию - высочайшая, а сопротивление к удару и раздиру меньше, чем у пленок из ПЭВД. Пленки из ПЭНД - это красивая преграда влаге. Стойки к жирам, маслам.

«Шуршащий» пакет-майка ("шуршавчик"), в который вы упаковываете покупки, сделан конкретно из ПЭНД.

Существует два главных  типа ПЭНД. Более <старый> тип, произведенный  первым в 1930-х годах, полимеризуется при больших температурах и давлениях, условиях, которые довольно энергетичны, чтоб обеспечить заметную встречаемость реакций по цепному механизму, которые приводят к образованию разветвления, как с длинными, так и с маленькими цепями. Этот тип ПЭНД время от времени именуется полиэтиленом высочайшего давления (ПВД, ВД-ПЭНД, из-за высочайшего давления), если есть необходимость различать его от линейного целлофана низкого давления, более «молодого» типа ПЭВД.

При комнатной температуры целлофан - достаточно мягкий и гибкий материал. Он отлично сохраняет эту упругость в условиях холода, так что применим в упаковке замороженных пищевых товаров. Но при завышенных температурах, таковых как 100^оС, он становится очень мягким для ряда применений. ПЭНД различается более высочайшей хрупкостью и температурой размягчения, чем ПЭВД, но все же не является подходящим контейнеров горячего наполнения.

Около 30% всех пластиков, используемых для упаковки - это ПЭНД. Это более  обширно используемый пластик для  бутылок, из-за его низкой стоимости, простоты формования, и хороших эксплуатационных свойств, для почти всех областей внедрения. В его естественной форме  ПЭНД имеет молочно-белый, полупрозрачный вид, и таким образом, не подходит для областей внедрения, где требуется  исключительная прозрачность.

Один недочет использования  ПЭНД в неких из областей внедрения - его тенденция к растрескиванию под напряжением при содействии наружной среды, определяемая как разрушение пластмассового контейнера при условиях одновременного напряжения и соприкосновения  с продуктом, что в отдельности  не приводит к разрушению. Растрескивание под напряжением при содействии наружной среды в целлофане соотносится с кристалличностью полимера.

ПЭВД - это более обширно  применяемый упаковочный полимер, соответственный приблизительно одной  трети всех упаковочных пластиков. Из-за его низкой кристалличности, это  более мягкий, более гибкий материал, чем ПЭНД. Это предпочитаемый материал для пленок и сумок, из-за его низкой стоимости. ПЭВД различается наилучшей  прозрачностью, чем ПЭНД, но все, же не владеет кристальной чистотой, которая желательна для неких областей внедрения упаковок.

ПП - полипропилен. Красивая прозрачность (при стремительном  охлаждении в процессе формообразования), высочайшая температура плавления, химическая и водостойкость. ПП пропускает водяные пары, что делает его неподменным для «противозапотевающей» упаковки товаров питания (хлеба, зелени, бакалеи), а также в строительстве для                            гидро-ветроизоляции. ПП чувствителен к кислороду и окислителям. Перерабатывается способом экструзии с раздувом либо через плоскощелевую головку с поливом на барабан либо остыванием в водяной бане. Имеет хорошую прозрачность и блеск, высшую химическую стойкость, в особенности к маслам и жирам, не растрескивается под действием окружающей среды.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ