Полимеры. Основные виды полимерных материалов в строительстве

Полимерные материалы (пластмассы, пластики) представляют собой, как правило, затвердевшие композиционные составы, связующим в которых служат полимеры, олигомеры. Широко распространенное название «пластмассы» (что не совсем корректно) они получили за то, что при переработке в изделия находятся в пластическом (текучем) состоянии. Поэтому научно обоснованные названия - «полимерные материалы», «композиционные материалы на основе полимеров».

Полимеры (от греч. poly - много, meres - части) - это высокомолекулярные химические соединения, молекулы которых состоят из огромного числа многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры. Такие молекулы называют макромолекулами. В зависимости от расположения в них атомов и атомных групп (элементарных звеньев) они могут иметь линейное (цеповидное), разветвленное, сетчатое и пространственное (трехмерное) строение, что и определяет их физико-механические и химические свойства. Образование этих молекул возможно благодаря тому, что атомы углерода легко и прочно соединяются друг с другом и со многими другими атомами.

Различают также формополимеры (предполимеры, преполимеры), которые представляют собой соединения, содержащие функциональные группы и способные участвовать в реакциях роста или сшивания полимерной цепи с образованием высокомолекулярных линейных и сетчатых полимеров. Прежде всего, это тоже жидкие продукты полиолов с избытком полиизоционатов или других соединений при производстве изделий из полиуретанов.

По происхождению полимеры могут быть природными, искусственными и синтетическими.

Природные полимеры - это в основном биополимеры - белковые вещества, крахмал, природные смолы (сосновая канифоль), целлюлоза, натуральный каучук, битум и др. Многие из них образуются в процессе биосинтеза в клетках живых и растительных организмов. Однако в промышленности в большинстве случаев используются искусственные и синтетические полимеры.

Основным сырьем для производства полимеров являются побочные продукты угольной и нефтяной промышленности, производства удобрений, природный газ, целлюлоза и другие вещества. Процесс образования таких макромолекул и в целом полимера вызывается воздействием на исходное вещество (мономер) потока световых лучей, электрических разрядов токов высокой частоты, нагреванием, давлением и т. п.

В зависимости от способа получения полимеров их можно подразделить на полимеризационные, поликонденсационные и модифицированные природные полимеры. Процесс получения полимеров путем последовательного присоединения звеньев мономера друг к другу в результате раскрытия кратных (ненасыщенных) связей называют реакцией полимеризации. В процессе этой реакции вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости или твердое. При этом реакция не сопровождается отделением каких-либо низкомолекулярных побочных продуктов. Как мономер, так и полимер характеризуются одинаковым элементным составом. Реакцией полимеризации получают полиэтилен из этилена, полипропилен из пропилена, полиизобутилен из изобутилена и многие другие полимеры.

При реакции поликонденсации происходит перегруппировка атомов двух или нескольких мономеров и выделение из сферы реакции побочных низкомолекулярных продуктов (например, воды, спиртов или других низкомолекулярных веществ). Реакцией поликонденсации получают полиамиды, полиэфиры, эпоксидные, фенолоформальдегидные, кремнийорганические и другие синтетические полимеры, называемые еще смолами.

В зависимости от отношения к нагреванию и растворителям полимеры, как и материалы на их основе, делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры (термопласты) при переработке в изделия могут многократно переходить из твердого агрегатного состояния в вязко-текучее (плавиться), а при охлаждении вновь отвердевать. Они имеют, как правило, не высокую температуру перехода в вязко-текучее состояние, хорошо перерабатываются литьем под давлением, экструзией и прессованием. Формообразование изделий из них является процессом физическим, который состоит в затвердевании жидкого или размягченного материала при его охлаждении и химических изменений не происходит. Большинство из термопластов способны также растворяться в соответствующих растворителях. Термопластичные полимеры имеют линейное или слегка разветвленное строение макромолекул. К ним относят отдельные разновидности полиэтилена, поливинилхлорид, фторопласты, полиуретаны, битумы и др.

К термореактивным (реактопластам) относят полимеры, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого или трехмерного полимера (отверждением, сшивкой цепей) и переход из жидкого состояния в твердое, происходит необратимо. Отвержденное состояние их является термостабильным, и они теряют способность к повторному переходу в вязко-текучее состояние (например, фенолоальдегидные, полиэфирные, эпоксидные полимеры и др.).

Классификация и свойства полимерных материалов

Полимерные материалы в зависимости от состава или количества компонентов подразделяются на ненаполненные, представленные только одним связующим (полимером) - органическое стекло, в большинстве случаев полиэтиленовая пленка; наполненные, в состав которых для получения требуемого комплекса свойств могут входить наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, пигменты - стеклопластики, текстолит, линолеум и газонаполненные (пено- и поропласты) - пенополистирол, пенополиуретан и др.

В зависимости от физического состояния при нормальной температуре и вязкоупругих свойств полимерные материалы бывают жесткие, полужесткие, мягкие и эластичные.

Жесткие - это твердые, упругие материалы аморфной структуры, имеющие модуль упругости более 1000 МПа. Они хрупко разрушаются с незначительным удлинением при разрыве. К ним относят фенопласты, аминопласты, пластмассы на основе глифталевых и других полимеров.

Плотность полимерных материалов чаще всего находится в пределах 900.1800 кг/м3, т.е. они в 2 раза легче алюминия и в 5.6 раз легче стали. Вместе с тем плотность пористых полимерных материалов (пенопластов) может составлять 30..15 кг/м3, а плотных - превышать 2 000 кг/м3.

Прочность при сжатии полимерных материалов в большинстве случаев превосходит многие традиционные строительные материалы (бетон, кирпич, древесину) и составляет для ненаполненных полимеров около 70 МПа, армированных пластиков - более 200 МПа, при растяжении - для материалов с порошкообразным наполнителем 100.150 МПа, у стекловолокнистых - 276.414 МПа и более.

Теплопроводность таких материалов зависит от их пористости и технологии производства. У пено- и поропластов она составляет 0,03.0,04 Вт/м-К, у остальных - 0,2.0,7 Вт/мК или в 500.600 раз ниже, чем у металлов.

Недостатком многих полимерных материалов является низкая теплостойкость. Например, у большинства из них (на основе полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена и других полимеров) теплостойкость составляет 60.80 °С. На основе фенолоформальдегидных смол теплостойкость может достигать 200 °С и лишь на кремнийорганических полимерах - 350 °С.

Являясь углеводородными соединениями, многие полимерные материалы сгораемы или имеют низкую огнестойкость. К легковоспламеняемым и сгораемым с обильным выделением сажи относятся изделия на основе полиэтилена, полистирола, производных целлюлозы. Трудно сгораемыми являются изделия на основе поливинилхлорида, полиэфирные стеклопластики, фенопласты, которые при повышенной температуре лишь обугливаются. Негорючими являются полимерные материалы с большим содержанием хлора, фтора или кремния.

Многие полимерные материалы при переработке, горении и даже нагревании выделяют опасные для здоровья вещества, такие как угарный газ, фенол, формальдегид, фосген, соляную кислоту и др. Значительным недостаткам их является также высокий коэффициент термического расширения - от 2 до 10 раз выше, чем у стали.

Полимерным материалам свойственна усадка при затвердевании, достигающая 5.8 %. У большей части из них низкий модуль упругости, значительно ниже, чем у металлов. При длительных нагрузках они обладают большой ползучестью. С повышением температуры ползучесть еще больше возрастает, что приводит к нежелательным деформациям.

Приведенная ниже статья постарается ответить на вопрос, что такое полимер. Здесь мы рассмотрим определение подобного термина, особенности взаимосвязей, возникающих в молекулах, образование, исторические данные и многое другое.

Введение

Что такое полимер? Это вещество, обладающее неорганической или органической природой и образующееся посредством химических связей, обуславливающих и придающих им аморфную или кристаллическую форму. Полимер возникает при помощи соединения большого количества звеньев простых мономеров, а полученная структура называется макромолекулой. Тип связи может быть: координационным или химическим видом. Понятие полимера тесно связанно с пластмассами.

Связь молекул

Отвечая на вопрос о том, что такое полимер, важно знать, как взаимно связываются молекулы в подобном веществе. В случае, когда макромолекулы объединяются посредством слабой силы Ван-Дер-Ваальса, их относят к термопластам. Если связь, при помощи которой они соединяются, носит химическую природу, то - это реактопласт.

Существуют линейные формы полимеров (целлюлоза) и разветвленные (амилопектины). У последнего имеется сложная трехмерная структура. Строение полимера предопределяет в себе наличие мономерного звена. Это фрагмент цепи, который регулярно повторяется и состоит из нескольких атомов.

Образование

Полимер (polymer) - это вещество, которое образуется в ряде различных явлений при реакции полимеризации, а также поликонденсации. В эту группу соединений относится множество природных компонентов пищи, среди которых можно выделить: протеины (белок), полисахаридные углеводы, научу, ряд нуклеиновых кислот и т. д. Несмотря на то что преимущественно это вещества органической природы, неорганические соединения также располагают огромным количеством подобных химических образований. Множество из них получают при помощи искусственного синтеза.

Специфика

Рассматриваемые в этой статье вещества, имеют множество характеристик, которые обуславливают большую потребность в их применении человеком.
К особенностям механических свойств можно отнести их эластичность, малую хрупкость стеклообразного и кристаллообразного ряда полимеров, а также способность, при помощи которой макромолекулы ориентируются в соединении, посредством деятельности направленных механических полей.

Растворы полимеров обладают высоким показателем вязкости при небольшой концентрации. Растворяться могут после прохождения стадии набухания.
Главным свойством химического типа является их умение быстро менять набор своих физико-механических свойств под воздействием малого количества реагентов. Молекулы характеризуются высокой гибкостью.

Виды

Классификация полимеров обуславливается в соответствие с несколькими параметрами.

Рассмотрение их с точки зрения химии позволяет выделять не- и органические, а также элементоорганические. К последним относятся вещества, содержащие в основе цепи наборы радикалов неорганического типа. Здесь прослеживается способность полимеров образовывать взаимосвязи между веществами разной природы. Примером может служить кремнийорганическое соединение, полученное искусственным путем. Неорганические виды полимеров обходятся без углерода в повторяющихся звеньях, но могут его включать в боковых заместителях.

В соответствии с формой выделяются несколько основных типов соединений: линейное, сетчатое, гребнеобразное, плоское, разветвленное, иногда звездообразное (входит в разветвленную группу) и прочие.

Другие виды полимеров могут различаться путем определения их полярности, значение которой можно найти при помощи расчета количества диполей. Что это?

Диполь - это молекула, обладающая разобщенной формой распределения «+» и «-» зарядов. Неполярное звено взаимно компенсирует дипольный момент связи между атомами. Полимеры, для которых характерно наличие значительной степени полярности, относят к гидрофильной группе. Амфифильным веществом называют соединение мономеров, обладающее как неполярными, так и полярными звеньями.

Реакции полимеров на нагревание позволяют выделять среди них термореактивные и термопластичные. К первым относятся вещества, размягчающиеся в ходе нагревании и затвердевающие при воздействии низких температур. Процесс носит обратимый характер. Термореактивные полимеры под влиянием высоких температур не восстанавливаются, а реакция считается необратимой.

Процесс развития

Что такое полимер? Этот вопрос вытекает из древности. Однако в такой форме был сформулирован, относительно недавно. Человеком использовались подобные вещества еще с древних времен. Шелка, хлопковые материалы, кожа, шерсть и многое другое применялось нашими предками для создания элементов одежды, в качестве связующих соединений, в ходе различных обработок и т. д. Формулировка вопроса изменялась с течением эволюции человека, но всегда носила общий характер.
На промышленных предприятиях цепные полимеры начали изготавливать в начале 20-го века. С момента зарождения отрасли по их производству пути образования соединений разделились на две ветки. Первая занималась переработкой полимеров, органической и природной формы. С их помощью создавались искусственные виды. Процесс синтеза, как правило, проходит с участием низкомолекулярного ряда соединений.

В настоящее время одно из самых масштабных и крупнотоннажных производств в качестве основы использует целлюлозу. Наладился процесс не сразу. Первым материалом, который получили при помощи физической модификации целлюлозы, является полимер целлулоида. Однако первое его открытие было сделано до двадцатого века - в середине девятнадцатого. Обладание патентом бакелитовой смолы, которую создал Лео Бакеланд, дало толчок к началу стремительного развития промышленных отраслей, в которых изготавливали полимеры. Это произошло в 1906 году. Упомянутая смола является продуктом процесса конденсации формальдегида в паре с фенолом. Наблюдать превращение можно было в ходе нагревания, а вследствие этого явления образовывалось трехмерное соединений. Не одно десятилетие эта смола применялась в ходе изготовления корпуса для различных механизмов, например для аккумулятора, телевизора, розетки и т. д.

Вклад Генри Форда

Производство полимеров во многом обязано усилиям, которые приложил Г. Форд. Перед началом первой мировой войны он активно развивал промышленность в сфере автомобилестроения. Изначально он использовал натуральные каучуки, а далее начал их синтезировать искусственно. Изготовление последнего бурно изучалось и осваивалось в 1937-1939 гг. Основными странами, которые вложили в это немало времени, денег и других средств, является СССР, Англия, Соединенные Штаты Америки и Германия. В этот же период были освоены полистирол и поливинилхлорид, которые прекрасно изолировали электропроводку. Открытие полиметилметакрилата позволило наладить широкомасштабное производство самолетов в военные годы.

Поле того как окончилась война, начало возобновляться синтезирование полиамидных тканей и волокон. Производств их начало развиваться еще до второго конфликта между странами. В пятидесятых годах 20-го столетия разрабатывались методы по получению полиэфирных волокон, также освоилось изготовление таких материалов, как лавсан и полиэтилентерефлатат. Полипропиленовые вещества (искусственно полученная шерсть) - это еще один яркий пример эксплуатации волокон, полученных в ходе реакции поликонденсации и полимеризации.

Огнеупорная структура

Полимер - что это такое? Рассматривая такой вопрос, мы упоминали их способности реагировать на термическую обработку.

Углубляясь в это, важно знать, что множество полимеров являются воспламеняемыми. Такие вещества легко поддаются поджиганию. Однако это недопустимо в большинстве случаев при их изготовлении и эксплуатации. Для того чтобы предотвратить вероятность подобного казуса, в состав полимера добавляют специальный ряд добавок.

Существует понятие о галогенированных полимерах, которые создают при помощи включения в реакции конденсации, различного набора мономеров хлорированного или бромированного типа. Подобные соединения имеют высокую огнеупорность, но недостаток их заключается в том, что при воздействии высоких температур они начинают образовывать газы, дающие начало процессам коррозии. Это негативно сказывается на электротехнике, расположенной вблизи.

Способы эксплуатации

Делая обзор полимеров и пластмассы, можно сказать, что им свойственно общее наличие качественных характеристик. Оба соединения эксплуатируются в различных отраслях человеческой деятельности, например, при производстве машин, в сельско-хозяйственных целях, в медицине, при изготовлении самолетов, в судостроении и т. д. Повседневная обстановка человека не может обойтись без этих веществ. Благодаря соединениям высокомолекулярного типа, возможно производство различных волокон, резины и, собственно, пластмассы. Не забываем также о том, что наш организм функционирует благодаря наличию в нем большого количества полимеров, которые не только строят органы и ткани, но также служат средством добычи энергетических ресурсов, например, АТФ или НАДФ, образованных в ходе биологического окисления и пищеварения.

Изучение полимеров

Определение полимеров было сформулировано более 150 лет назад. Однако наука, изучающая их, стала самостоятельной лишь перед началом Второй мировой войны, которая началась в 1939 году. Более сильное развитие получила уже в пятидесятых годах ХХ века и затем детально исследовалась. В это время была определена роль полимеров, их взаимосвязь с развитием прогресса технической природы, влияние на биологические объекты и т. д. Отрасль науки, изучающая подобные соединения, тесно связана с различными разделами химии, физики и биологии.

В 1833 году Й. Берцелиус ввел в обиход термин «полимерия», которым он назвал один из видов изомерии. Такие вещества (полимеры) должны были обладать одинаковым составом, но разной молекулярной массой, как например этилен и бутилен. К современному пониманию термина «полимер» умозаключение Й. Берцелиуса не соответствует, потому что истинные (синтетические) полимеры в то время еще не были известны. Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол) годам.

Химия полимеров возникла только после создания А. М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений и получила дальнейшее развитие благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука (Г. Бушарда, У. Тилден, К Гарриес, И. Л. Кондаков, С. В. Лебедев). С начала 20-х годов 20 века стали развиваться теоретические представления о строении полимеров.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Полимеры — химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов) , молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев).

Классификация полимеров

Классификация полимеров основана на трех признаках: их происхождении, химической природе и различиях в главной цепочке.

С точки зрения происхождения все полимеры подразделяют на природные (натуральные), к которым относят нуклеиновые кислоты, белки, целлюлозу, натуральный каучук, янтарь; синтетические (полученные в лаборатории путем синтеза и не имеющие природных аналогов), к которым относят полиуретан, поливинилиденфторид, фенолформальдегидные смоли и др; искусственные (полученные в лаборатории путем синтеза, но на основе природных полимеров) – нитроцеллюлоза и др.

Исходя из химической природы, полимеры делят на полимеры органической (в основе мономер – органическое вещество – все синтетические полимеры), неорганической (в основе Si, Ge, S и др. неорганические элементы – полисиланы, поликремниевые кислоты) и элементоорганической (смесь органических и неорганических полимеров – полислоксаны) природы.

Выделяют гомоцепные и гетероцепные полимеры. В первом случае главная цепь состоит из атомов углерода или кремния (полисиланы, полистирол), во втором – скелет из различных атомов (полиамиды, белки).

Физические свойства полимеров

Для полимеров характерны два агрегатных состояния – кристаллическое и аморфное и особые свойства – эластичность (обратимые деформации при небольшой нагрузке — каучук), малая хрупкость (пластмассы), ориентация при действии направленного механического поля, высокая вязкость, а также растворение полимера происходит посредством его набухания.

Получение полимеров

Реакции полимеризации – цепные реакции, представляющие собой последовательное присоединение молекул ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта – полимера (рис. 1).

Рис. 1. Общая схема получения полимера

Так, например, полиэтилен получают полимеризацией этилена. Молекулярная масса молекулы достигает 1миллиона.

n CH 2 =CH 2 = -(-CH 2 -CH 2 -)-

Химические свойства полимеров

В первую очередь для полимеров будут характерны реакции, характерные для функциональной группы, присутствующей в составе полимера. Например, если в состав полимера входит гидроксо-группа, характерная для класса спиртов, следовательно, полимер будет участвовать в реакциях подобно спиртам.

Во-вторых, взаимодействие с низкомолекулярными соединениями, взаимодействие полимеров друг с другом с образованием сетчатых или разветвленных полимеров, реакции между функциональными группами, входящими в состав одного и того же полимера, а также распад полимера на мономеры (деструкция цепи).

Применение полимеров

Производство полимеров нашло широкое применение в различных областях жизни человечества — химической промышленности (производство пластмасс), машино – и авиастроении, на предприятиях нефтепереработки, в медицине и фармакологии, в сельском хозяйстве (производство гербицидов, инсектицидов, пестицидов), строительной промышленности (звуко- и теплоизоляция), производство игрушек, окон, труб, предметов быта.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 1

1. На основе полимеров получают волокна путем продавливания растворов или расплавов через фильеры с последующим затвердеванием - это полиамиды, полиакрилонитрилы и др.

2. Полимерные пленки получают продавливанием через фильеры с щелевидными отверстиями или нанесением на движущую ленту. Их используют как электроизоляционный и упаковочный материал, основы магнитных лент.

3. Лаки - растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях.

4. Клеи, композиции способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями клеевой прослойкой.

5. Пластмассы

6. Композиты (композиционные материалы) - полимерная основа, армированная наполнителем.

10.4.2. Областиприменения полимеров

1. Полиэтилен устойчив к агрессивной среде, влагонепроницаем, является диэлектриком. Из него изготавливают трубы, электротехнические изделия, детали радиоаппаратуры, изоляционные пленки, оболочки кабелей телефонных и силовых линий.

2. Полипропилен - механически прочен, стоек к изгибам, истиранию, эластичен. Применяют для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков и др.

3. Полистирол - устойчив к действию кислот. Механически прочен, является диэлектриком Используется как электроизоляционный и конструкционный материал в электротехнике, радиотехнике.

4. Поливинилхлорид - трудногорюч, механически прочен, электроизоляционный материал.

5. Политетрафторэтилен (фторопласт) - диэлектрик не растворяется в органических растворителях. Обладает высокими диэлектрическими свойствами в широком диапазоне температур (от -270 до 260ºС). Применяется также как антифрикционный и гидрофобный материал.

6. Полиметилметакрилат (плексиглас) - применяется в электротехнике как конструкционный материал.

7. Полиамид – обладает высокой прочностью, износостойкостью, высокими диэлектрическими свойствами.

8. Синтетические каучуки (эластомеры).

9. Фенолформальдегидные смолы - основа клеев, лаков, пластмасс.

10.5. Органические полимерные материалы

10.5.1. Полимеризационные термопластичные смолы

Полипропилен - термопластичный полимер, получаемый из газа пропилена C 3 H 6 . (CH 2 = CH - CH 3)

Структурная формула

[-CH 2 -CH(CH 3)-] n .

Полимеризация ведется в бензине при температуре 70 °С по способу Натта. Получают полимер с регулярной структурой. Он имеет высокую химостойкость и разрушается лишь под действием 98% H 2 SO 4 и 50% HNO 3 при температуре выше 70°.

Электрические свойства как у полиэтилена. Пленка имеет малую газо - и паропроницаемость. Применяется для изоляции высокочастотных кабелей и монтажных проводов, в качестве диэлектрика высокочастотных конденсаторов.

Полиизобутилен - продукт полимеризации газа изобутилена. Структурная формула:

Существует несколько видов полиизобутилена, жидкие низкомолекулярные (1000) и твердые высокомолекулярные (400000). Т.е. в зависимости от степени полимеризации он может быть жидким с различной вязкостью и эластичным подобно каучуку. Молекулы имеют нитевидную симметричную структуру с разветвленностью в боковых группах. Этим можно объяснить клейкость материала, большая эластичность, по сравнению с полиэтиленом. Это диэлектрик с ρ = 10 15 – 10 16 Ом см,ε = 2,25 – 2,35, электрическая прочность – 16 – 23 кВ/мм.

Морозостойкость полиизобутилена зависит от его молекулярного веса, чем вес больше, тем полиизобутилен морозоустойчивее.

В чистом виде или в композициях полиизобутилен применяют для изготовления изоляционных лент; изоляции высокочастотных кабелей (в композициях с полиэтиленом); уплотнителей; изоляционных заливочных компаундов; клеящих материалов.

Вследствие холодной текучести полиизобутилена для изоляции высокочастотных кабелей применяется резиноподобная смесь из 90% полиизобутилена и 10% полистирола с прослойкой полистирольной пленки (стирофлекса). Эта смесь имеет высокие электрические свойства при повышенной влажности.

Полистирол – продукт полимеризации стирола – ненасышенного УВ – винилбензола или фенилэтилена –CH 2 CHC 6 H 5 .

Молекула стирола несколько несимметрична, что обусловлено наличием в нем фенольных групп.

При нормальной температуре стирол - бесцветная прозрачная жидкость. Из методов полимеризации стирола и получения твердого диэлектрика наиболее распространены методы блочной и эмульсионной полимеризации.

Стирол токсичен, вызывает раздражения кожи, глаз и органов дыхания. Пыль полистирола образует с воздухом взрывоопасные концентрации.

Плотность – 1,05 г/см 3

ρ, Ом·см, 10 14 – 10 17

ε= 2,55 – 2,52

Полистирол – химически стоек, на него не действуют концентрированные кислоты (HNO 3 – исключение) и щелочи, он растворяется в эфирах, кетонах, ароматических углеводородах и не растворяется в спиртах, воде, растительных маслах.

Степень полимеризации зависит от условий. Можно получить полимер с молекулярной массой до 600000. Это будут твердые полимеры. Применение находят полимеры с М.М. от 40000 до 150000. При нагреве 180 – 300 ºС возможна деполимеризация. Электрические свойства также зависят от метода полимеризации и наличия полярных примесей, особенно эмульгаторов.

Изделия из полистирола производят прессованием и литьем под давлением. Из него изготавливают: пленку (стирофлекс), ламповые панели, каркасы катушек, изоляционные детали переключателей, изоляторы антенн; пленки для конденсаторов и др. Полистирол в виде лент, шайб, колпачков применяется для изоляции высокочастотных кабелей.

Недостатки: невысокая нагревостойкость и склонность к быстрому старению – появление на поверхности сетки мелких трещин; при этом понижается электрическая прочность и повышается ε .

Полидихлорстирол – отличается от полистирола содержанием в каждом звене цепи двух атомов хлора и вследствие этого большой теплостойкостью, нагревостоек.

ε= 2,25 – 2,65

Полихлорвинил – термопластичное синтетическое высокополимерное соединение с линейной структурой молекул несимметричного строения. Резко выраженная асимметричность и полярность полихлорвинила связана с хлором.

Получают полимеризацией хлорвинила H 2 C =CH -Cl. Исходным сырьем для получения являются дихлорэтан и ацетилен. Хлорвинил является галоидопроизводным этилена. При нормальной температуре он представляет собой бесцветный газ, при температуре 12 - 14 ºС – жидкость, и при -159 ºС твердое тело. Полимеризация хлорвинила может производиться тремя способами: блочным, эмульсионным и в растворах. Наиболее применимый – водоэмульсионный. Существуют марки полихлорвинила с добавкой пластификаторов и наполнителей с различными механическими свойствами, морозостойкостью и нагревостойкостью.

Молекула полихлорвинила имеет вид

ε= 3,1 – 3,4 (при 800 Гц)

ρ = 10 15 – 10 16 Ом. см

Полихлорвинил малогигроскопичен, изменение диэлектрических свойств во влажной атмосфере незначительно.

Изделия изготовляют путем прессования, литьем под давлением, штамповкой, формованием.

Полихлорвинил применяется в виде пластмасс различной эластичности, в виде лаков для защитных покрытий. Он химически стоек против воздействия щелочей, кислот, спирта, бензина и минеральных масел. Сложные эфиры, кетоны, ароматические углеводороды частично растворяют его или вызывают набухание.

Полихлорвинил применяется в электропромышленности в следующих изделиях:

а) аккумуляторные банки;

б) шланги для электроизоляции и химзащиты;

в) изоляция телефонных проводов и кабелей (заменитель свинца);

г) изоляционные прокладки, втулки и др. изделия.

Не применяется в высокочастотных цепях в качестве диэлектрика из-за высоких диэлектрических потерь (высокая проводимость), и при температурах выше 60-70 ºС.

Поливинилацетат – полимеры жидкого винилацетата, получаемого в результате химического взаимодействия ацетилена (C 2 H 2) и уксусной кислоты:

или CH 2 =CHOCOCH 3 . Из него получаютвинилацетат - бесцветную легкоподвижную жидкость с эфирным запахом, разлагающуюся при 400°С.

Материал поливинилацетат – бесцветный, без запаха, занимает среднее место между смолами и каучуками. Свойства его зависят от степени полимеризации. М.М. от 10000 до 100000. Температура размягчения равна 40 – 50 °С.

Высокополимерные продукты при 50 – 100 °С становятся каучукоподобными, а при отрицательных температурах – твердыми, достаточно эластичными.

Все полимеры обладают светостойкостью, даже при 100 °С. При нагревании поливинилацетат не деполимеризуется до мономера, а разлагается с отщеплением уксусной кислоты. Не воспламеняется. Это полярный полимер. Растворим в эфирах, кетонах (ацетон), метиловом (CH 3 OH) и этиловом (C 2 H 5 OH) спиртах, не растворим в бензине. В воде слегка набухает, но не растворяется.

Применяется главным образом, для производства безосколочного стекла " триплекс ". Применяется в электроизоляционной технике. Лаки на его основе ценятся за хорошие электроизоляционные свойства, эластичность, светостойкость, бесцветность.

Полиметилметакрилат (органическое стекло, плексиглас) – большая группа высокополимерных эфиров метакриловой кислоты, имеющих большое техническое применение

В электропромышленности применяется как вспомогательный материал.

Получается при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты (метилметакрилат) в присутствии инициатора.

При 573 К полиметилметакрилат деполимеризуется с образованием исходного мономера метилметакрилата.

По составу от поливинилацетата отличается наличием метильной группы в боковой цепи вместо водорода и наличием валентной связи углерода главной цепи с эфирной группой не через кислород, а через углерод.

Имеет низкую теплостойкость (примерно 56 °C); ε = 3,3 - 4,5; ρ = 2,3·10 13 - 2·10 12 Ом. м. Не пригоден для электрической изоляции.

Применяется как конструкционный, оптический и декоративный материал, окрашиваемый анилиновыми красителями в различные цвета. Из него изготовляют корпуса и шкалы приборов, прозрачные защитные стекла и колпаки, прозрачные детали аппаратуры и др. Органическое стекло легко обрабатывается: сверлится, пилится, обтачивается, шлифуется, полируется. Хорошо гнется, штампуется и склеивается растворами полиметилметакрилата в дихлорэтане.

Поливиниловый спирт – твердый полимер состава (-CH 2 -CHOH-) n . Получается при гидролизе поливинилацетата кислотой или щелочью. Формула поливинилового спирта

Линейный полимер несимметричной структуры. Наличие группы ОН в каждом звене цепи определяет высокую гигроскопичность и полярность спирта. Растворяется только в воде. Имеетρ = 10 7 Ом·см. Используется как вспомогательный материал при изготовлении печатных радиосхем.

Устойчив против плесени и бактерий. Хороший материал для изготовления масло- и бензоустойчивых мембран, шлангов, панелей. Прогрев при 170°С в течение 3 – 5 часов повышает водостойкость и уменьшает растворимость поливинилового спирта.

Олигоэфиракрилаты

Олигомеры – химические соединения со средним молекулярным весом (менее 1000), большим по сравнению с мономерами и меньшим по сравнению с полимерами. Основное их свойство – способность к полимеризации за счет ненасыщенных связей, обуславливающих пространственную или линейную структуру готового продукта. При полимеризации не выделяются низкомолекулярные продукты, поэтому изоляция, полученная методом заливки олигомерами, отличается монолитностью, без пустот и пор. Они не требуют для полимеризации особых условий (высокого давления, температуры, среды и т.д.).

Промышленностью выпускаются полиэфирные, полиуретановые, кремнийорганические олигомерные соединения и их модификации.

Полимер

Полимер - высокомолекулярное соединение, вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов. ), состоит из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок - составных звеньев , соединенных между собой химическими или координационными связями в длинные линейные (например, целлюлоза) или разветвленные (например, амилопектин) цепи, а также пространственные трёхмерные структуры.

Часто в его строении можно выделить мономер - повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, называют например поливинилхлорид (-СН2-СНСl-) n , каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами .

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки , нуклеиновые кислоты , полисахариды , каучук и другие органические вещества . В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров . Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли- : поли этилен, поли пропилен, поли винилацетат...

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении , текстильной промышленности , сельском хозяйстве и медицине , автомобиле- и судостроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки , украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины , волокна , пластмассы , пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Наука о полимерах

Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа , меха , шерсть , шелк , хлопок и т.п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент , известь , глина), образующие при соответствующей обработке трехмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы . Однако промышленное производство цепных полимеров началось в начале XX в., хотя предпосылки для этого создавались ранее.

Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях – путем переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путем получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе . Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы – целлулоид – был получен еще в начале XX в. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят пленки, волокна , лакокрасочные материалы и загустители . Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной пленки из нитроцеллюлозы .

Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу – продукт конденсации фенола и формальдегида , превращающийся при нагревании в трехмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов , телевизоров , розеток и т.п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.

Классификация полимеров

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

• Органические полимеры. Образованы с участием органических радикалов (CH3, C6H5, CH2). Это смолы и каучуки .
• Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель – кремнийорганические соединения.
• Неорганические полимеры. Их основу составляют оксиды Si, Al, Mg, Ca и др. Углеводородный скелет отсутствует. К ним относятся керамика , слюда , асбест .

Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания отдельных групп полимеров. Это композиционные материалы (например, стеклопластики).

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные, ленточные, пространственные, плоские.

По фазовому составу полимеры подразделяются на аморфные и кристаллические.

Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачки могут перемещаться относительно других элементов.

Кристаллические полимеры образуются тогда, когда их макромолекулы достаточно гибкие и образуют структуру.

По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в их составе диполей – молекул с разобщенным распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных полимерах дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются.

По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Природные органические полимеры

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды , белки и нуклеиновые кислоты , из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных – высокомолекулярных.

Особенности полимеров

Особые механические свойства:

• эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
• способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

• высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
• растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

• способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают уникальным для неживой природы свойством - гибкостью.