Виды полимеров

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.