Что такое синтетический полимер

Синтетические полимеры

Полимеры относятся к классу химических соединений, у которых короткие структурные единицы, состоящие из нескольких атомов (мономеров), соединенных в длинные цепочки при помощи различного рода связей. Характерная особенность полимеров – большая молекулярная масса – от нескольких тысяч, до миллионов. Натуральные и созданные позже синтетические полимеры характеризуются следующими свойствами:

Точная классификация подразделяет многочисленное семейство полимеров на органические и неорганические. Наиболее востребованы, имеют большой ассортимент разновидностей с различными свойствами органические соединения, которые основаны на углеродных цепочках.

Одним из первых полимеров, созданным человеком на основе природных материалов, стала резина, производимая путем вулканизации каучука, и целлулоид, имеющий в основе целлюлозу.

Дальнейшее создание и производство полимерных материалов базировалось на достижениях органической химии.

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.

Отдельные типы пластиков, наоборот, имеют высокую жесткость и твердость. Стеклотекстолит по прочности мало уступает стали, а такой полимер, как кевлар, даже превосходит ее.

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:

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.

Применение

Без преувеличения можно сказать, что полимеры нашли применение абсолютно во всех областях деятельности и жизни человека. Синтетические полимеры используются в быту и промышленности как самостоятельные изделия, так и в качестве замены традиционных материалов или в комплексе с ними для получения уникальных характеристик.

Первое применение нашли искусственные полимеры. Самый яркий пример – резина. В настоящее время основная часть резиновых изделий выполняется из синтетического каучука, но имеется несколько областей применения, где до сих пор используется резина из натурального каучука.

Полимеры обладают целым комплексом уникальных качеств, которых нет у традиционных материалов, или использование последних технологически и экономически нецелесообразно. Устойчивость к химическим реакциям в большом диапазоне температур и по отношению к большой группе активных химических соединений способствует большому распространению полимерных материалов в химии и химической промышленности.

Низкая токсичность, химическая устойчивость, отсутствие аллергических реакций позволило синтетическим полимерам найти широкое применение в медицине. Это искусственные органы, производство лекарств – от упаковок, до оболочек медицинских препаратов (таблеток, капсул), шовные материалы, клеи.

Пищевая упаковка из полимерных материалов

Те же самые качества используются и в пищевой промышленности для изготовления посуды, упаковочной тары для готовых продуктов и в процессе их производства. Себестоимость упаковки синтетической тары в несколько раз меньше, чем у картонной, бумажной или из иных натуральных материалов.

В промышленности высокомолекулярные полимерные соединения используются для производства конструкционных материалов, узлов трения, несущих конструкций, лаков и красок.

Благодаря превосходным электроизолирующим свойствам пластики практически полностью вытеснили натуральные материалы в электротехнической промышленности. Изоляция проводов, корпуса приборов, печатные платы изготавливаются на основе полимерных материалов. Жесткие обмоточные провода покрываются слоем синтетических лаков, при малой толщине обладающих высоким сопротивлением и прочностью, а гибкие монтажные проводники имеют оболочку из поливинилхлорида или полиэтилена, окрашенную в различные цвета для удобства обслуживании и ремонта.

На основе синтетических полимеров изготавливаются текстильные материалы большинства известных наименований. Ткани и одежда имеют в своем составе пряжу на основе полиамида, полиэстера, полипропилена. Как альтернатива натуральной шерсти выступает акрил, изделия из которого трудно отличить от натуральных.

Тот же самый полиамид, который служит заменой шелку, в монолитном состоянии имеет прочность, сравнимую со многими металлами. Если учесть, что полиамид, иначе называемый капрон или нейлон, химически инертен, а значит, не подвержен коррозии и имеет низкий коэффициент трения, то замена металлов синтетическими веществами вполне очевидна.

Еще более высокие качества имеют такие промышленные полимеры, как фторопласты – фторорганические соединения. Данные синтетические полимерные материалы имеют один из самых низких коэффициентов трения и самую высокую химическую устойчивость. Эти качества используются при производстве узлов трения, особенно в устройствах, работающих в агрессивной среде.

Когда нельзя произвести полноценную замену металлических конструкций искусственными материалами, выполняют покрытие металлической основы слоем пластика. Технологический процесс покрытия металла слоем пластика осуществляется таким образом, чтобы происходила связь основы и покрытия на молекулярном уровне. Этим достигается высокая прочность соединения.

Промышленные полимеры могут иметь самые различные виды. Используются как термопластичные материалы, так и термореактивные пластики. В первом случае для изготовления деталей и конструкций используется метод литья или прессовки при температуре размягчения полимера, а во втором пластмасса формируется непосредственно в виде готового изделия или полуфабриката с минимальной последующей обработкой.

Среди промышленных синтетических полимеров можно выделить композиционные материалы, в которых наполнителем или армирующей составляющей могут служить самые различные материалы, а связующим веществом выступает полимер.

Наиболее известны такие композиционные материалы:

Классификация синтетических полимеров

Существует несколько классификационных групп полимеров, в зависимости от определяющего признака. В первую очередь, это:

По химическому составу деление таково:

В зависимости от типов цепочек молекулярного состава, можно указать следующие виды структуры полимеров:

Варианты структуры полимеров

Все полимерные соединения по-разному характеризуются по отношению к температуре. Таким образом, их делят на две группы:

Существует еще несколько типов классификации полимеров, к примеру, по полярности молекулярных цепочек. Но данная квалификация необходима только узким специалистам.

Многие типы полимеров используются в самостоятельном виде (полиэтилен, полиамид), но значительное количество применяется в качестве композиционных материалов, где выполняет роль связующего элемента между органической и неорганической основой – пластики на основе стеклянных или углеродных волокон. Часто можно встретить комбинацию полимер – полимер (текстолит, у которого полимерная ткань пропитана полимерным связующим).

Источник

Синтетические полимеры

Копировальные слои

Копировальные слои — это светочувствительные полимерные слои, применяемые при копировании негативного или позитивного изображения на формные пластины. Широкое применение нашли поливинилспиртовые и ортохинондиазидные копировальные слои.

Поливинилспиртовые копировальные слои представляют собой 7­процентные водные растворы поливинилового спирта, очувствленные 3% бихромата аммония (рассчитывая на абсолютно сухую массу поливинилового спирта). В процессе негативного копирования под действием интенсивного облучения ксеноновыми лампами молекулярные цепи поливинилового спирта сшиваются между собой (задубливаются) атомами трехвалентного хрома и вследствие этого теряют способность растворяться в воде. После экспозиции незадубленные участки поливинил­спиртового копировального слоя вымываются водой. Получившееся изображение закрепляют путем химической и термической обработки.

Ортохинондиазиды и феноло­альдегидные смолы, растворенные в органическом растворителе, наносятся на поверхность металлических пластин при изготовлении формных материалов для офсетной и высокой печати. Позитивное копирование изображения осуществляется под действием УФ­излучения. Ультрафиолетовые лучи разрушают ортохинондиазиды, а продукты разрушения вымываются щелочным проявителем. Те участки ортохинондиазидного копировального слоя, на которые не действовали ультрафиолетовые лучи, остаются нерастворимыми в щелочном проявителе.

Конечно, перечисленными примерами применение полимерных материалов полиграфии не исчерпывается. Более того, можно утверждать, что в полиграфии в той или иной мере используются практически все существующие в настоящее время 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:

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:

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:

Варианты структуры полимеров

Классификация проводится и по природе гетероатома:

Кроме этого выделяют две большие группы полимерных материалов:

Существует просто огромное количество разновидностей карбоцепных полимеров:

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.

Каучук

Это природный полимер, имеющий ценное хозяйственное значение. Впервые он был описан еще Робертом Куком, который в одном из своих путешествий его обнаружил. Произошло это так. Высадившись на острове, на котором жили неизвестные ему туземцы, он был гостеприимно встречен ими

Его внимание привлекли местные дети, которые играли необычным предметом. Это шарообразное тело отталкивалось от пола и подпрыгивало высоко вверх, затем возвращалось

Поинтересовавшись у местного населения о том, из чего сделана эта игрушка, Кук узнал, что так застывает сок одного из деревьев – гевеи. Много позже было выяснено, что это и есть биополимер каучук.

Химическая природа данного соединения известна – это изопрен, подвергшийся естественной полимеризации. Формула каучука (С₅Н₈)_n. Его свойства, благодаря которым он так высоко ценится, следующие:

Однако есть и недостатки. На холоде он становится хрупким и ломким, а на жаре – липким и тягучим. Именно поэтому появилась необходимость синтеза аналогов искусственной или синтетической основы. Сегодня каучуки широко используются в технических и промышленных целях. Самые главные продукты на их основе:

История

Исследование полимеров начало развиваться к 40 гг. XX в. и сформировалось в качестве самостоятельной научной области в середине столетия. Это было связано с развитием знаний о роли данных веществ в органическом мире и выяснением возможностей их применения в промышленности.

При этом цепные полимеры производили еще в начале XX столетия.

К середине века освоили выпуск электроизолирующих полимеров (поливинилхлорида и полистирола), плексигласа.

В начале второй половины столетия расширилось производство полимерных тканей за счет возврата выпускавшихся прежде материалов и появления новых вариантов. Среди них — хлопок, шерсть, шелк, лавсан. В тот же период, благодаря применению катализаторов, начали выпуск полиэтилена и полипропилена при малом давлении и кристаллизующихся стереорегулярных вариантов. Немного позже освоили массовый выпуск самых известных герметиков, пористых и адгезивных материалов, представленных полиуретанами, а также элементоорганических полимеров, отличающихся от органических аналогов большей эластичностью и термостойкостью (полисилоксаны).

В 60 — 70 гг. были созданы уникальные органические полимеры с ароматическими компонентами, характеризующиеся высокой термостойкостью и прочностью.

Производство органических полимеров интенсивно развивается и сейчас. Это обусловлено возможностью использования дешевых материалов, таких как уголь, попутные газы нефтепереработки и добычи и природные газы, в совокупности с водой и воздухом в виде исходного сырья для большинства из них.

Искусственные и синтетические полимеры

Искусственные полимеры получают из природных различными способами химической модификации для придания им необходимых свойств. Примером может служить целлюлоза, из которой получают многие пластмассы. Классификация полимеров по происхождению характеризует их как искусственные вещества. Синтетические ВМС получают химическим путем с помощью реакций полимеризации или поликонденсации. Их свойства, а следовательно и область применения, зависят от длины макромолекулы, то есть от молекулярного веса. Чем он больше, тем прочнее полученный материал. Очень удобна классификация полимеров по происхождению. Примеры подтверждают это.

Общее описание

Производство синтетических смол активно началось в начале прошлого века. Искусственные полимеры имеют ряд характерных отличий от натуральных разновидностей. Дело в том, что состав, созданный человеком, имеет особые свойства. Их можно задать еще на этапе изготовления. Составы могут значительно отличаться, что определяет их область применения.

Сегодня ежегодно в мире производится около 5 т искусственных полимеров. Синтетические смолы и пластмассы получают в результате переработки угля, нефти, газа или иных природных компонентов. Химические соединения, которые получаются таким способом, обладают низкой молекулярной массой. Причем они могут выпускаться не только в виде липкой густой смеси. Это может быть также порошок или гранулированная субстанция.

Синтетические и натуральные смолы, затвердевая, обеспечивают качественное сцепление с разными материалами. У полимерных составов эта характеристика выражена больше. Когда искусственная смола затвердевает, она может образовывать отличное сцепление с бетоном, металлом, стеклом и прочими стройматериалами. Процесс отвердевания в этом случае происходит под воздействием высоких температур или катализаторов. В некоторых случаях в процессе создания качественного соединении дополнительно применяется прессовка.

Некоторым искусственным составам для отвердения нужно только время. В результате получается устойчивое к различным неблагоприятным условиям вещество, которое не боится перепадов температуры, механических воздействий. Они не разрушаются под воздействием воды, щелочи, кислоты, бензина или масла.

Такие особенности определяют область применения представленных составов. Они стабильные, в отличие от природных аналогов, характеризуются высокими эксплуатационными качествами. Область их применения обширна.

Полиизобутил, полистирол, винилацетат

Широко применяются современной промышленностью полиизобутиловые смолы, которые получаются в процессе полимеризации при температуре около 100 ºС. Это материал напоминает по виду каучук. Он эластичен, применяется в качестве противокоррозионного компонента. Он не пропускает воду, поэтому металлические поверхности надежно защищены от окислительных реакций. Из полиизобутилена изготавливают лаки, мастики.

Полистирольные синтетические смолы получают с помощью процесса полимеризации. В результате получается бесцветная смола, которая применяется для производства эмалей, латекса, а также гидроизоляционных пленок. Также из полимера создаются утеплительные материалы.

Поливинилацетатные смолы представляют собой полимеры, созданные из сложного эфира уксусной кислоты и винилового спирта. Это бесцветная жидкость, характеризующаяся высокой подвижностью.

Материал не обладает устойчивостью к воздействию щелочей и кислот. В воде поливинилацетат набухает слабо. Он растворяется в сложных эфирах и спиртах, а также в ароматических углеводородах.

Материл позволяет создать прочное соединение камня, стекла. Поэтому поливинилацетат широко применяют при производстве лаков и клеевых составов. При внутренней отделке здания эти материалы также широко используют.

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.

Применение

Неорганические полимеры применяются практически во всех сферах нашей жизни. В зависимости от вида, они обладают различными свойствами. Главная их особенность в том, что искусственные материалы обладают улучшенными свойствами в сравнении с органическими материалами.

Асбест применяется в различных сферах, в основном, в строительстве. Из смесей цемента с асбестом производят шифер и различные типы труб. Также асбест применяют для снижения кислотного влияния. В легкой промышленности асбест применяется для пошива противопожарных костюмов.

Силикон применяется в различных сферах. Из него производят трубки для химической промышленной, элементы, используемые в пищевой промышленности, а также используют в строительстве в качестве герметика.

Алмаз наиболее известен как ювелирный материал. Он очень дорогой благодаря своей красоте и сложности добычи. Но алмазы также используются в промышленности. Это материал необходим в режущих устройствах для распила очень прочных материалов. Он может использоваться в чистом виде как резец или в виде напыления на режущие элементы.

Графит широко используется в различных сферах, из него делают карандаши, он применяется в машиностроении, в атомной промышленности и в виде графитовых стержней.

Полимеры бора используются для производства абразивных материалов, режущих элементов и шлифовальных кругов. Инструменты из такого материала необходимы для обработки металла.

Карбид селена применяется для производства горного хрусталя. Его получают путем нагрева до 2000 градусов кварцевого песка и угля. Хрусталь используют для производства высококачественной посуды и предметов интерьера.

Основные физические свойства

Отличительной чертой этого материала является то, что в его химический состав входит вещество, обладающее высокомолекулярными цепочками, повторяющиеся с данной периодичностью. Благодаря этому самым распространенным стал каучук (резина), отличающийся своей эластичностью и повышенной стойкостью к истиранию. Он и другие виды не только обладают свойствами упругости, но и имеют иные важные качества:

Свойства

Внутреннее строение трехмерных форм полимера, соединенных вследствие полимеризации, а в некоторых случаях поликонденсации, четко выявлена и часто просматривается на изломе и разрыве материала. Основная часть полимеров – это органические соединения, при этом встречаются нередко – неорганические варианты.

Свойства полимерных материалов определяются в большей степени строением макромолекул, из которых они состоят. Для изменения характеристик материала используют различные добавки:

Для большинства полимеров характерны различные механические свойства, которые зависят от структуры и внешних факторов воздействия:

Как и любой другой материал, полимеры обладают недостатками:

Основной характеристикой полимеров считают их деформируемость. Именно по этому признаку в различных температурных режимах обычно оценивают свойства полимерных материалов.

Полиэфирные и акриловые смолы

В сфере производства синтетических смол и пластмасс выделяется такая разновидность, как полиэфирные составы. Этот материал создается в процессе переработки спиртов. Такая смола позволяет создать менее прочное соединение, чем эпоксидный состав. Но благодаря особенностям производства полиэфирные разновидности стоят дешевле. При этом с подобными смолами проще работать.

Самыми крупными потребителями продукции этого типа являются отрасли авто- и кораблестроения, производство осветительной техники. Полиэфирные смолы также нужны при производстве перегородок, душевых кабин и подоконников. Представленный материал легко гнется после затвердевания, может быть окрашен при помощи соответствующих составов.

Акриловые синтетические смолы применяются в ходе производства пластмасс, мозаики, искусственного камня. Также подобные составы широко применяются в ходе строительно-ремонтных работ в ванных комнатах, душевых, при обустройстве фонтанов, душевых кабинок и прочего. Акриловая смола становится твердой быстро. Материал менее токсичен, чем перечисленные ранее составы.

Акриловые смолы применяют в качестве самостоятельного материала или при изготовлении иных составов. В них добавляют песок, мраморную крошку, а также различные пигменты. Поэтому акрил может иметь самые разные оттенки. В эту смолу можно добавить не более 50% дополнительных компонентов.

Акрил требует применения отвердителя. После процесса полимеризации состав получается абсолютно непористым, что значительно повышает эксплуатационные качества. Это значительно расширяет область применения материала. Из-за отсутствия пор в составе изделие не будет окрашиваться при попадании на поверхность красящих веществ. Если из акрила сделана столешница, сок свеклы не оставит на ней следа. Материал способен выдержать нагрев до 70 ºС. Формы для изготовления подобной продукции изготавливают из гипса, силикона или стекла.

Особенности производства

Синтетическая смола – полимер, который получают в ходе определенных химических реакций. В результате производится высокомолекулярное соединение, обладающее заданным набором качеств. Смолы искусственного происхождения получают в результате поликонденсации или полимеризации. Эти два процесса основаны на разных принципах.

Полимеризация представляет собой ряд реакций, в ходе которых соединяется заданное количество элементарных составных частей в сложные молекулы. При этом побочные продукты не образуются.

Поликонденсация представляет собой процесс, в ходе которого простые молекулы преобразуются в сложные соединения, создавая органические вещества. Это происходит путем создания новых углеродных связей с прочими атомами.

Сегодня в разных сферах человеческой деятельности применяются обе разновидности смол. Выбор типа материала зависит от требований к результату производимых работ. В ходе производства синтетических смол и пластмасс получают две разновидности составов:

Термоактивные смолы искусственного происхождения представляют собой вещество, способное плавиться только в определенном температурном диапазоне. Если же окружающая среда не соответствует заданным рамкам, вещество становится неплавким и нерастворимым. Причем подобное свойство появляется как при повышении, так и при понижении температуры свыше установленного предела.

Термопластичная смола искусственного происхождения сохраняет пластичность и плавкость при любых условиях. В зависимости от типа исходного сырья, способа производства может получаться эмульсия, порошок, гранулы, блоки или листы полимерного материала.

Источник