Полимерные материалы: классификация, производство, применение, где купить

Полимерные материалы используются в различных сферах. Они обладают высокой стойкостью к коррозиям и длительным сроком эксплуатации. В изготовлении применяют натуральные и искусственные элементы. Чаще всего материалы из полимера состоят из органики, но на рынке можно встретить и неорганические. Высокопрочные свойства полимеров получаются с помощью повторения высокомолекулярных типов групп атомов.

Классификация

Полимеры разделяются на два типа, в зависимости от их происхождения: природные и синтетические. Изделия из природных полимеров пользуются большой популярностью. Материалы из синтетических элементов, выполненные на низкомолекулярной основе, не уступают по популярности.

Полимерные материалы классифицируют по таким признакам, как состав, форма молекул, фазовое состояние, полярность и отношение к нагреву. Существуют термопластичные и термореактивные полимеры:

• Термопласты. Этот вид становятся мягче во время нагрева, при понижении температуры он твердеет. Термопластичные полимеры пластичны, растворимы в растворителях и обладают низкой стойкостью к теплу.
• Реактопласты. Термореактивные полимеры во время нагрева твердеют, прекращают растворяться в растворителях и не изменяют своей формы. Разрушение возможно только при критически высоких температурах.

Также к классификациям относятся следующие признаки:

• происхождение;
• геометрия основной цепи;
• тип атомов в молекуле;
• тип мономерных звеньев;
• функциональные группы в макромолекуле;
• Кроме классов, полимеры делятся по типу происхождения.

Происхождение

Состав различается по двум типам: природные и синтетические. В состав природного входят следующие элементы:

• смолы природные;
• белки;
• нуклеиновые кислоты и т.д.

В составе синтетических материалов встречаются такие элементы, как:

• полиэтилен;
• полипропилен;
• феноло-формальдегидные смолы.

Образование природных полимеров происходят в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. Синтетические варианты производят с помощью таких процессов, как полимеризация и поликонденсация.

Химический состав

Полимерные материалы разделяют на две большие группы:

• Гомоцепные. Основные цепи в соединениях макромолекулы составляют атомы одного вида. В качестве примера можно отметить карбоцепные, сульфидоцепные, селикоцепные, в состав которых входят атомы углерода, серы, кремния.
• Гетероцепные. В структуре таких полимеров содержатся замещающие атомы различных химических элементов.

Структура

На физические характеристики влияет тип связей мономеров в макромолекуле. Имеется множество различных видов структурных соединений, к основным относятся:

• Линейная. Мономеры связываются в одной цепи. Эти полимеры высокоэластичные, к таким видам относятся натуральный каучук, эластомеры.
• Разветвленная. Высокопрочные материалы, в которых цепи имеют боковые ответвления. В качестве примера можно отметить амилопектин, полиэтилен высокого давления.
• Сетчатая. В данном виде цепи имеют поперечные связи. Такие полимерные материалы не обладают эластичностью, не растворяются. Например, эпоксидные смолы, фенолформальдегидные полимеры.

Полимеры, в составе которых одинаковые мономеры, называются гомополимерами. Гетерополимерными называют те, в которых макромолекулы включают разные структурные звенья.

Пространственное строение

Материалы из полимера делятся на несколько типов по пространственному строению:

• Изотактические. Высокопрочные материалы, в которых заместители располагаются по одну сторону основной цепи.
• Синдиотактические. В данном строении заместители располагаются по обеим сторонам цепи с установленной периодичностью.
• Атактические. Эти вещества наиболее мягкие, их заместители с беспорядочной периодичностью располагаются по обеим сторонам цепи.

Агрегатное состояние

Твердые полимеры используются в производстве промышленных изделий, техники для быта, интерьерных изделий, труб и прочих товаров. Преимущество таких изделий в их прочности и жесткости. Эластичные полимеры также пользуются большой популярностью, в основном это каучук, резина, силикон. Полимеры в жидкой форме используются в строительных и отделочных работах, такие как герметики, лакокрасочные изделия и др.

Полярность

Растворимость веществ в различных сферах определяет отношение положительных и отрицательных зарядов. По полярности полимеры делятся на:

• полярные;
• неполярные;
• смешанные.

Отношение к температурному воздействию

Отношение к температурному воздействию полимеров классифицируется по двум типам:

• Термореактивные ПКМ (реактопласты). При нормальной температуре, эти вещества хранятся в жидком состоянии. Готовые изделия из реактопластов отличаются хорошей прочностью, термостойкостью, адгезией и низкой вязкостью.
• Из недостатков можно отметить хрупкость, лимит на срок годности, токсичность, необходимость термической обработки в процессе формирования. Изделия не подлежат вторичной переработке, так как образуется не плавкая структура.
• Термопластичные ПКМ (термопласты). В естественных условиях заготовки имеют твердое состояние. Срок годности такого материала не имеет лимита. Для изготовления изделий заготовки необходимо разогревать до жидкого состояния.
• Плавить и сформировать конечное изделие можно многократно. В качестве недостатков можно отметить быстрое старение материала за счет воздействия окружающей среды. Компенсировать этот недостаток можно возможностью вторичной переработки.

Композитные полимерные материалы

Промышленность по производству материалов из полимера постоянно развивается и изобретает новые материалы. А качество уже имеющихся разработок улучшаются. На основе полимеров разработано огромное количество композитов, которые по своим физическим характеристикам превосходят металлы, при этом их вес значительно меньше. Это позволяет использовать полимеры в машиностроении, самолетостроении и космической отрасли и во многих других сферах.

Производство

При производстве полимеров применяют две технологии:

• полимеризация;
• поликонденсация.

Полимеризация

Процесс полимеризации представляет собой присоединение молекул мономера к активным центрам в растущей молекуле полимера. Этот многократный процесс и образовывает полимер. Существуют ионный и свободнорадикальный механизм. Свободнорадикальный процесс включает в себя:

• Инициирование. Для образования радикалов, необходимо провести химическое, световое либо тепловое воздействие.
• Наращивание цепи. Этот момент включает в себя процесс последовательного присоединения к макромолекуле звеньев с образованием новых радикалов.
• Обрыв цепи. Окончание реакции, связанное с образованием неактивных макромолекул.

Ионная полимеризация используется для изготовления синтетического каучука. Свободнорадикальная полимеризация применяется при производстве полистирола, полиэтилена и других материалов.

Поликонденсация

Процесс поликонденсации – это соединение полифункциональных мономеров или олигомеров, в результате которых образовываются макромолекулы, и отделяются вода и спирт из исходного вещества. Эта реакция позволяет отщепляться простым молекулам и создать связь для связывания функциональных групп в цепь. Мономеры, которые используются в процессе, включают в свой состав две и более группы (карбоксильные, гидроксильные, аминных, изоцианатных и др.). Поликонденсация позволяет соединять мономеры с различными функциональными группами. В качестве примера, можно отметить линейные полимеры, полученные в процессе поликонденсации: полиамиды, полиуретан, поликарбонат.

Физические свойства

Ассортимент, производимых полимеров очень широкий. Их физические и механические свойства отличны друг от друга. Основные различия:

• Низкая теплопроводимость. Благодаря этому качеству, многие материалы используются для теплоизоляции.
• Высокий коэффициент теплового расширения, который вызван мобильными связями и нестабильным коэффициентом деформации. Однако многие виды отлично показали себя в качестве защитного напыления на металлические поверхности. Это позволяет сохранить стальные конструкции от коррозий.
• Удельный вес полимерных материалов зависит от структуры и состава.
• Прочность полимеров ниже, чем у металла и сплавов. Но из-за пластичности, прочность достаточно высока.
• Небольшая рабочая температура.
• Токсичность. Многие виды горючи, а при горении выделяются токсичные вещества.
• Высокие диэлектрические показатели. Благодаря этой характеристике, их можно использовать в качестве изоляции в электрике, производстве рукояток для электроинструментов.

Чтобы улучшить характеристики полимеров, при производстве в состав добавляют различные добавки. Эти смешанные составы называют наполненными. При эксплуатации композитные полимеры значительно превосходят чистый состав.

Применение

Уникальные качества и небольшая цена полимеров объясняют широкую сферу использования: от бытовых предметов до косметической отрасли.

В быту

Ежедневно люди используют товары, которые изготавливаются из полимеров:

• посуда пластиковая;
• шариковые ручки;
• полиэтиленовые пакеты;
• игрушки;
• канистры тазы, ведра;
• детали сантехнического оборудования;
• корпусы бытовой техники;
• расчески, зубные щетки, тюбики от косметических средств;
• одежда из синтетической ткани (капроновые колготки, охотничьи костюмы);
• обувь и ее подошва.

В строительстве

Полимеры постепенно вытесняют традиционные строительные материалы, такие как сталь, дерево, бетон. Современные разработки используются в различных сферах строительства:

• панели для стен, потолков и облицовки;
• ограждения территорий;
• фурнитура и корпуса окон и дверей;
• монтажная пена и герметики;
• трубы для сантехники, соединительные элементы, емкости;
• вентиляционные и вытяжные элементы;
• материалы, используемые для тепло- и гидроизоляции;
• наливные полы;
• лакокрасочные материалы.

Также в строительной сфере полимерные материалы используются обойного клея, плиточного клея, сыпучих смесей (штукатурка, грунтовка и т.д.).

В медицине

В медицинской сфере полимеры используются очень активно. Из них изготавливают:

• пластиковые шприцы для одноразового применения;
• контейнеры для анализов;
• медикаменты для обработки послеоперационных шрамов;
• искусственные органы;
• протезы;
• материалы для стоматологических манипуляций;
• линзы и оправы для очков;
• хирургические инструменты;
• мебель для лабораторий;
• бахилы, перчатки.

Также медицинская мебель имеет элементы полимерного материала.

В сельском хозяйстве

В сельском хозяйстве материалы из полимера используют для увеличения срока плодоношения культур:

• поликарбонат для теплиц;
• каркасы для теплиц из полипропилена;
• укрывной материал для парников;
• сетки для вьющихся растений;
• лейки, системы полива.

В пищевой отрасли

Требования санитарно-гигиенических норм в пищевом производстве подразумевает соблюдение правил гигиены при изготовлении продуктов питания. Мебель и оборудование должны быть устойчивы к коррозиям, биологическим поражениям, химическому воздействию. Современные пищевые комбинаты используют полимеры в своем оснащении:

• упаковки для готовых пищевых продуктов, во избежание попадания бактерий (одноразовые контейнеры, пленки, вакуумные пакеты);
• элементы оснащения цехов по приготовлению продуктов питания;
• антиадгезионные покрытия емкостей.