Полимеры: определение, виды, свойства и применение

Полимеры повсюду вокруг нас, хотя существуют многочисленные виды и классификации. Ранее мы рассматривали типы пластиков как товарные и специальные, их применение и преимущества. Рекомендую ознакомиться!

Читайте: Всё, что нужно знать о пластике

Сегодня подробно разберем определение, физическое состояние, свойства и добавки полимеров. Также четко разделим термопласты и термореактивные пластики (реактопласты).

Что такое полимеры?

Полимеры — химические соединения с чрезвычайно большими молекулами, похожими на длинные цепи из бесконечного числа взаимосвязанных звеньев. Размер молекул необычен: тысячи и даже миллионы атомных единиц массы. Размер молекулы, физическое состояние и структура — уникальные свойства пластика, дающие ему способность к формовке и формообразованию.

Термопласты и термореактивные пластики

Полимеры, классифицируемые как пластики, делятся на две большие категории: термопласты и реактопласты.

Термопласты (полиэтилен, полистирол) — пластики, способные многократно формоваться и переформовываться. Пенополистироловый стаканчик можно нагреть и переформировать в тарелку или блюдце.

Структура термопласта — отдельные молекулы, разделяемые друг от друга и скользящие друг относительно друга. Молекулярный вес может быть очень высоким или низким. Структура ветвистая или линейная, но сохраняется разделяемость и подвижность. Такие полимеры называют товарными пластиками.

Реактопласты (термореактивные) — полимеры, которые нельзя переработать повторным нагревом. При первичной обработке термореактивные смолы проходят химическую реакцию, становясь нерастворимыми и неплавимыми. При повторном нагревании такой полимер разрушается.

Физическое состояние и молекулярная морфология полимеров

Пластическое поведение полимеров также влияет их морфология — расположение молекул в крупномасштабном порядке. Полимерные морфологии бывают аморфными или кристаллическими. Аморфные молекулы расположены хаотично и переплетены. Кристаллические — упорядоченно и плотно.

Реактопласты аморфны, термопласты — аморфны или полукристалличны. Полукристалличные материалы показывают кристаллические области (кристаллиты) в аморфной матрице.

Термопласты сохраняют форму до определенной температуры, заданной температурой стеклования (T_g) или плавления (T_m) конкретного полимера. Ниже T_g молекулы «заморожены» — стеклообразное состояние; мало или нет движения молекул друг относительно друга. Материал жесткий и ломкий.

Выше T_g аморфные участки полимера входят в каучукообразное состояние. Молекулы подвижны, материал становится пластичным и эластичным — способным к растяжению.

Для некристаллических полимеров (полистирол) дальнейшее нагревание ведет сразу к жидкому состоянию. Для полукристаллических (полиэтилен низкой плотности, ПЭТ) жидкое состояние достигается только после перехода температуры плавления (T_m).

После этой точки кристаллические области становятся неустойчивыми, и каучукообразные или жидкие полимеры можно формовать или экструдировать. Реактопласты не плавится при предварительном нагреве, поэтому размерно-стабильны до температуры начала химического разрушения.

Свойства полимеров

Физическое состояние и морфология полимера решающе влияют на механические свойства. Различия в механическом поведении — удлинение под нагрузкой (напряжением) на растяжение.

Например, стеклообразный полимер (полистирол) довольно жесток, показывает высокое отношение начального напряжения к начальному удлинению. Полиэтилен и полипропилен — два высококристалличных пластика для пленок и формовок. Их аморфные области при комнатной температуре значительно выше T_g.

Кожеподобная вязкость этих полимеров выше T_g обусловлена кристаллическими областями в аморфной каучукообразной матрице. Эти пластики способны к удлинению 100–1000%.

Так как T_g ПЭТ (другой полукристалличный пластик) выше комнатной температуры, кристаллические части существуют в стеклообразной матрице. Это дает жесткость и высокую размерную стабильность под нагрузкой — критично для бутылок для напитков и магнитных лент.

Почти все пластики демонстрируют определенное остаточное удлинение при нагрузке, не восстанавливающееся после снятия напряжения. Это «ползучесть» (creep) — ничтожно мала для пластика далеко ниже T_g, но значительна для полукристалличного пластика выше T_g.

Смотрите видео о свойствах полимеров:

Наиболее часто регламентируемые механические свойства: предел прочности на разрыв, жесткость, предел прочности на растяжение, квантифицируемые в таблице свойств и применений как изгибный модуль. Вязкость — еще важное свойство: энергия, поглощенная полимером до разрушения, часто при внезапном ударе. Повторное приложение напряжения ниже предела прочности на растяжение может привести к усталостному разрушению.

Почти все пластики — плохие теплопроводники; проводимость еще снижается при внедрении газа (обычно воздуха). Пенополистирол в стаканчиках для горячих напитков имеет теплопроводность ~1/4 непенного полимера. Пластики — диэлектрики, если не спроектированы для проводимости. Важны диэлектрическая прочность (сопротивление пробою при высоком напряжении) и диэлектрические потери (мера рассеянной тепловой энергии при переменном токе).

Добавки к полимерам

Добавка — ингредиент, комбинируемый с полимером для получения набора свойств, подходящих изделию. Во многих пластиковых изделиях полимер — лишь один компонент. Другие добавки вносят при обработке и фabricации.

Основные добавки:

Пластификаторы:

Пластификаторы меняют температуру стеклования T_g полимера. Например, ПВХ часто смешивают с нелетучими жидкостями для изменения T_g. Виниловый сайдинг для домов требует непластифицированного жесткого ПВХ с T_g 85–90 °C (185–195 °F). Садовый шланг из ПВХ должен оставаться гибким даже при 0 °C (32 °F).

Многие полимеры можно пластифицировать, но ПВХ уникален — принимает и удерживает пластификаторы широкого диапазона молекулярных размеров и химического состава. Пластификатор также влияет на горючесть, запах, биоразлагаемость и стоимость изделия.

Красители (Colorants):

Так как внешний вид изделий должен быть привлекательным, красители необходимы при обработке. Популярные пигменты: диоксид титана и оксид цинка (белый), углерод (черный), неорганические оксиды железа, хрома и др. Органические соединения дают цвет как пигменты (нерастворимые) или красители (растворимые).

Армирующие наполнители (Reinforcements):

Армирующие наполнители улучшают механические свойства пластиков. Различные материалы: силица, технический углерод, тальк, слюда, карбонат кальция, короткие волокна — вводят как дисперсные наполнители. Длинные или непрерывные волокна как арматура, особенно с реактопластами, описаны в волокнистом армировании.

Введение больших количеств дисперсных наполнителей при фabricации полипропилена и полиэтилена повышает их жесткость. Эффект менее драматичен при температуре ниже T_g полимера.

Стабилизаторы:

Стабилизаторы повышают долговечность и срок службы в любом применении. Свойства пластика меняются минимально со временем. Стабилизаторы добавляют в малых дозах для противодействия старению. Все углеродосодержащие полимеры подвержены окислению, поэтому частые стабилизаторы — антиоксиданты. Задержанные фенолы и третичные амины используют в концентрациях в единицы частей на миллион.

Заключение

Полимеры — общее название пластиков, они бывают в разных формах и обрабатываются для получения разных свойств. В статье рассмотрены определение, физическая и молекулярная морфология, добавки полимеров, а также разница между термопластами и реактопластами.

Надеюсь, чтение понравилось. Комментируйте любимый раздел и делитесь со студентами-техниками. Спасибо!