Материал: 4629
Классификация по строению основной цепи
На рисунке 1 представлены схемы макромолекул полимеров различного строения. У линейных (А) основная цепь макромолекул состоит из повторяющихся звеньев, соединённых друг с другом в линейную конструкцию. Наглядной моделью макромолекулы линейного полимера может служить достаточно длинное разорванное в одном месте ожерелье.
Рис. 1. Схематическое изображение макромолекул различного строения: А – линейный полимер; Б, В, Г – разветвленные (В – звездообразный, Г – гребнеобразный);
Д, Е – сшитые (Е – лестничный)
Разветвленные (Б) (статистические, гребнеобразные, звездообразные) – основная цепь макромолекул которых содержит произвольно расположенные боковые ответвления длиной от нескольких атомов до размеров основной цепи. Предельный случай разветвлённых полимеров – звездообразные (В), макромолекулы которых представляют собой совокупность цепей, выходящих из одного центра. К разветвлённым относятся также гребнеобразные (Г) полимеры, содержащие короткие ответвления в каждом звене, например полигексадецилакрилат:
Сшитые или сетчатые полимеры состоят из макромолекул, образующих пространственную сетку, охватывающую весь образец; в сшитых полимерах макромолекулы во многом утрачивают свою индивидуальность. Среди сшитых полимеров различают густо- и редкосшитые, резко различающиеся по своим свойствам.
К сшитым иногда относят так называемые лестничные полимеры, две параллельные цепи которых соединены поперечными связями в каждом звене. Пример лестничного полимера со сдвоенной цепью – полисилоксан:
По отношению к нагреванию полимеры делят на две группы:
термопластичные (термопласты) – обратимо и многократно изменяющие свое агрегатное состояние при нагревании и охлаждении (полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, поливинилхлорид и др.),
термореактивные (реактопласты) – при нагревании необратимо меняют свою структуру и свойства (фенолоальдегидные, полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические и др.);
По механическим свойствам и назначению полимеры классифицируют на:
пластики (полистирол, полиметилметакрилат, фенопласты),
эластомеры (природные и синтетические каучуки),
волокна (шелк, шерсть, найлон, лавсан),
жидкие полимеры (эпоксидные смолы, лаки).
Эти группы полимеров отличаются по прочности, жесткости, эластично-
сти, относительному удлинению, вязкости и другим свойствам.
Полимерное состояние вещества
Важная особенность полимеров – цепное строение (значительное превышение длины макромолекулы над ее поперечным размером) – является причиной возникновения у полимеров ряда свойств, отличных от свойств низкомолекулярных соединений:
-повышенная прочность сцепления макромолекул (волокно- и пленкообразующие свойства);
-эластичность (цепное строение + гибкость) – способность к большим обратимым деформациям под действием малых нагрузок;
-особенности растворения и свойства растворов – предварительное набухание и большая вязкость разбавленных растворов (6%-ный раствор желатины теряет текучесть);
-небольшие воздействия приводят к значительному изменению свойств (одна сшивка каждой макромолекулы дает трехмерную сшитую структуру);
-влияние соседних по цепи заместителей на реакционную способность функциональных групп (большая вероятность кооперативных процессов);
-возможность хранения информации с высокой плотностью (последовательности расположения пуриновых и пиримидиновых оснований в макромолекулах ДНК). В частности, полимеры сохраняют информацию о способе их получения (молекулярно-массовое распределение, композиционная неоднородность сополимеров) и переработке (ориентация, анизотропия свойств, степень кристалличности).
Эти особенности строения и свойств ВМС дают основания рассматривать полимерное состояние как особое состояние вещества.
Состав композитов
Полимеры используются не в чистом виде, а в виде композиций – смесей с другими материалами. Добавка того или иного компонента обусловлена технологическими и экономическими соображениями. В состав полимерной композиции наряду с полимером, который является связующим и определяет основные физико-механические свойства, входят добавки, выбор которых зависит от свойств основного полимера, его способности совмещаться с добавками, от заданных физико-механических свойств, способности перерабатываться.
Основа (матрица, связующее) – полимер.
Наполнители обычно вводят для улучшения внешнего вида изделия, повышения физико-механических свойств, снижения себестоимости изделий. Наполнители могут быть твердыми, жидкими, газообразными. Наиболее распространены твердые порошкообразные ZnO, TiO2, каолин, слюда, кварц, графит (неорганические); древесная мука, шпон, бумага, целлюлоза (органические).
Отвердители – способствуют переходу линейных и разветвленных полимеров в пространственные. Механизм действия различен. Сера (вулканизирующий агент) сшивает цепи каучука. Отверждение резольных меламиноформальдегидных смол в присутствии кислот связано с взаимодействием метилольных групп. Отверждение полиэфиров идет за счет растворителя стирола.
Стабилизаторы – добавки, повышающие устойчивость полимерных материалов к действию тепла, света, О2 и других агентов. Стабилизаторы во многих случаях улучшают эксплуатационные свойства полимеров. Применение стабилизаторов дает значительный экономический эффект в производстве полимерных изделий.
Различают термостабилизаторы, светостабилизаторы, антиоксиданты. Пластификаторы – повышают пластичность полимера.
Мягчители – инертные разбавители (масла, смолы, битумы, низкомолекулярные полимеры). Введение таких добавок повышает мягкость, гибкость, эластичность полимера, снижается модуль упругости, повышается относительное удлинение при растяжении.
Смазки – стеарин, парафин, стеарат цинка, мыла – обеспечивают отделение полимера от оборудования, формы при изготовлении изделий.
Антипирены - добавки, придающие изделиям негорючесть. Это хлор, парафины, фосфины и др.
Красители – добавки для улучшения внешнего вида. Легче всего окрашиваются жидкие, расплавленные, порошкообразные полимеры. Краситель смешивается с полимером во всей массе. Возможно поверхностное окрашивание (особенно волокон) путем окунания изделий в раствор красителей. Вначале необходима предварительная обработка полимеров (окисление). Краситель удерживается на поверхности за счет полярных групп, образующихся при окислении. Иногда краситель вводят в процессе синтеза.
Порофоры (порообразователи) – для вспенивания применяют азосоединения, которые выделяют N2, карбонаты аммония, воду, эфиры, СО2, аммиак.
Антистатики – вещества, уменьшающие электризацию полимера. Большинство полимеров способны накапливать заряды статического электричества. Электризация может вызвать взрывы и пожары легковоспламеняющихся жидкостей, деструкцию полимерных материалов. Антистатики повышают проводимость и способствуют утечке зарядов. В качестве антистатиков используют ПАВ, сажу, графит, порошки металлов.
Основные изделия из полимеров
Пластмассы
Пластмассы изготавливают на основе природных и синтетических полимеров. Большинство пластмасс содержит 30…60 % полимерного связующего и 40…70 % других добавок. По способам получения полимерной составляющей пластмассы подразделяются на следующие классы:
1)пластмассы на основе полимеризационных полимеров (поливинилхлорид, полиметилметакрилат, поливинилацетат, полиэтилен, полипропилен и др.);
2)пластмассы на основе поликонденсационных полимеров и полимеров, полученных ступенчатой полимеризацией (полиамиды, полиуретаны);
3)пластмассы на основе химически модифицированных природных полимеров (эфиры целлюлозы);
4)пластмассы на основе природных и нефтяных асфальтов.
Пластмассы используются для изготовления крупногабаритных узлов мебели, стульев, мебельных ящиков, настенных полок, стеклопластиковых деталей, мебельной фурнитуры, облицовочных материалов.
Слоистые пластики
Слоистыми пластиками называют композиционные материалы на основе пластмасс, армированных стекловолокном, стеклотканью, асбестом, бумагой, древесным шпоном, тканями из синтетических волокон.
Процесс изготовления слоистых материалов заключается в пропитке или поверхностной проклейке тонких листов волокнистых материалов смолами с последующим прессованием их при повышенной температуре.