Polymerní materiály: technologie, druhy, výroba a použití

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Polymerní materiály jsou chemické vysokomolekulární sloučeniny, které se skládají z mnoha malomolekulárních monomerů (jednotek) stejné struktury. Často se pro výrobu polymerů používají následující monomerní složky: ethylen, vinylchlorid, vinyldechlorid, vinylacetát, propylen, methylmethakrylát, tetrafluorethylen, styren, močovina, melamin, formaldehyd, fenol. V tomto článku podrobně zvážíme, co jsou polymerní materiály, jaké jsou jejich chemické a fyzikální vlastnosti, klasifikace a typy.

Druhy polymerů

Vlastností molekul tohoto materiálu je velká molekulová hmotnost, která odpovídá následující hodnotě: М>5103. Sloučeniny s nižší hladinou tohoto parametru (M=500-5000) se nazývají oligomery. V nízkomolekulárních sloučeninách je hmotnost menší než 500. Rozlišují se následující typy polymerních materiálů: syntetické a přírodní. Mezi posledně jmenované patří přírodní kaučuk, slída, vlna, azbest, celulóza atd. Hlavní místo však zaujímají syntetické polymery, které se získávají jako výsledek procesu chemické syntézy z nízkomolekulárních sloučenin. v závislostiod způsobu výroby vysokomolekulárních materiálů se rozlišují polymery, které vznikají buď polykondenzací nebo adiční reakcí.

Polymerizace

Tento proces je kombinací nízkomolekulárních složek na vysokomolekulární za účelem získání dlouhých řetězců. Úroveň polymerace je počet "merů" v molekulách daného složení. Nejčastěji obsahují polymerní materiály tisíc až deset tisíc svých jednotek. Následující běžně používané sloučeniny se získávají polymerací: polyethylen, polypropylen, polyvinylchlorid, polytetrafluorethylen, polystyren, polybutadien atd.

Polykondenzace

Tento proces je postupná reakce, která spočívá ve spojení buď velkého počtu monomerů stejného typu, nebo páru různých skupin (A a B) do polykondenzátorů (makromolekul) se současným vytvořením následujících vedlejší produkty: metylalkohol, oxid uhličitý, chlorovodík, čpavek, voda atd. Polykondenzací vznikají silikony, polysulfony, polykarbonáty, aminoplasty, fenolické plasty, polyestery, polyamidy a další polymerní materiály.

Polyaddition

Tento proces je chápán jako tvorba polymerů jako výsledek reakcí mnohonásobné adice monomerních složek, které obsahují limitující reakční kombinace na monomery nenasycených skupin (aktivní cykly nebo dvojné vazby). Na rozdíl od polykondenzace probíhá polyadiční reakce bez jakýchkoliv vedlejších produktů. Nejdůležitějším procesem této technologie je vytvrzování epoxidových pryskyřic a výroba polyuretanů.

Klasifikace polymerů

Složení všech polymerních materiálů se dělí na anorganické, organické a organoprvkové. První z nich (křemičité sklo, slída, azbest, keramika atd.) neobsahují atomární uhlík. Jsou založeny na oxidech hliníku, hořčíku, křemíku atd. Organické polymery tvoří nejrozsáhlejší třídu, obsahují atomy uhlíku, vodíku, dusíku, síry, halogenu a kyslíku. Organoprvkové polymerní materiály jsou sloučeniny, které mají v hlavních řetězcích kromě uvedených atomů křemíku, hliníku, titanu a dalších prvků, které se mohou slučovat s organickými radikály. Takové kombinace se v přírodě nevyskytují. Jedná se výhradně o syntetické polymery. Charakteristickými představiteli této skupiny jsou organokřemičité sloučeniny, jejichž hlavní řetězec je postaven z atomů kyslíku a křemíku.

Pro získání polymerů s požadovanými vlastnostmi technologie často nepoužívá „čisté“látky, ale jejich kombinace s organickými nebo anorganickými složkami. Dobrým příkladem jsou polymerní stavební materiály: kov-plasty, plasty, sklolaminát, polymerbeton.

Struktura polymerů

Zvláštnost vlastností těchto materiálů je dána jejich strukturou, která se zase dělí na následující typy: lineárně rozvětvené, lineární, prostorovés velkými molekulárními skupinami a velmi specifickými geometrickými strukturami, stejně jako schodiště. Pojďme se krátce zamyslet nad každým z nich.

Polymerní materiály s lineárně rozvětvenou strukturou mají kromě hlavního řetězce molekul postranní větve. Tyto polymery zahrnují polypropylen a polyisobutylen.

Materiály s lineární strukturou mají dlouhé klikaté nebo spirálové řetězce. Jejich makromolekuly jsou primárně charakterizovány opakováním míst v jedné strukturní skupině článku nebo chemické jednotky řetězce. Polymery s lineární strukturou se vyznačují přítomností velmi dlouhých makromolekul s výrazným rozdílem v povaze vazeb podél řetězce a mezi nimi. To se týká mezimolekulárních a chemických vazeb. Makromolekuly takových materiálů jsou velmi flexibilní. A tato vlastnost je základem polymerních řetězců, což vede ke kvalitativně novým vlastnostem: vysoké elasticitě a také absenci křehkosti ve vytvrzeném stavu.

A nyní pojďme zjistit, co jsou polymerní materiály s prostorovou strukturou. Tyto látky tvoří při vzájemném spojení makromolekul silné chemické vazby v příčném směru. V důsledku toho se získá síťová struktura, která má nestejnoměrný nebo prostorový základ sítě. Polymery tohoto typu mají větší tepelnou odolnost a tuhost než lineární. Tyto materiály jsou základem mnoha strukturálních nekovových látek.

Molekuly polymerních materiálů s žebříčkovou strukturou se skládají z páru řetězců, které jsou spojeny chemickou vazbou. Tyto zahrnujíorganosilikonové polymery, které se vyznačují zvýšenou tuhostí, tepelnou odolností, navíc nereagují s organickými rozpouštědly.

Fázové složení polymerů

Tyto materiály jsou systémy, které se skládají z amorfních a krystalických oblastí. První z nich pomáhá snižovat tuhost, činí polymer elastickým, to znamená, že je schopen velkých vratných deformací. Krystalická fáze pomáhá zvyšovat jejich pevnost, tvrdost, modul pružnosti a další parametry a zároveň snižuje molekulární pružnost látky. Poměr objemu všech takových ploch k celkovému objemu se nazývá stupeň krystalizace, kde maximální úroveň (až 80 %) mají polypropyleny, fluoroplasty, vysokohustotní polyethyleny. Polyvinylchloridy, nízkohustotní polyethyleny mají nižší stupeň krystalizace.

Podle toho, jak se polymerní materiály chovají při zahřívání, se obvykle dělí na termosetové a termoplastické.

Termosetové polymery

Tyto materiály mají primárně lineární strukturu. Při zahřívání měknou, ale v důsledku chemických reakcí v nich probíhajících se struktura mění na prostorovou a látka se mění v pevnou látku. Do budoucna je tato kvalita zachována. Na tomto principu jsou postaveny polymerní kompozitní materiály. Jejich následné zahřátí látku nezměkne, ale pouze vede k jejímu rozkladu. Hotová termosetová směs se proto nerozpouští ani netavínení dovoleno jej recyklovat. Tento typ materiálu zahrnuje epoxidový silikon, fenolformaldehyd a další pryskyřice.

Termoplastické polymery

Tyto materiály při zahřívání nejprve změknou a poté se roztaví a po ochlazení ztvrdnou. Termoplastické polymery během této úpravy nepodléhají chemickým změnám. Díky tomu je proces zcela reverzibilní. Látky tohoto typu mají lineárně rozvětvenou nebo lineární strukturu makromolekul, mezi kterými působí malé síly a neexistují absolutně žádné chemické vazby. Patří sem polyethyleny, polyamidy, polystyreny atd. Technologie polymerních materiálů termoplastického typu umožňuje jejich výrobu vstřikováním do vodou chlazených forem, lisováním, vytlačováním, vyfukováním a dalšími metodami.

Chemické vlastnosti

Polymery mohou být v následujících stavech: pevná, kapalná, amorfní, krystalická fáze, stejně jako vysoce elastická, viskózní a skelná deformace. Široké použití polymerních materiálů je způsobeno jejich vysokou odolností vůči různým agresivním médiím, jako jsou koncentrované kyseliny a zásady. Nepodléhají elektrochemické korozi. Navíc s nárůstem jejich molekulové hmotnosti klesá rozpustnost materiálu v organických rozpouštědlech. A polymery, které mají trojrozměrnou strukturu, nejsou obecně zmíněnými kapalinami ovlivněny.

Fyzikální vlastnosti

Většina polymerů jsou izolanty, navíc jsou to nemagnetické materiály. Ze všech použitých konstrukčních materiálů mají pouze ty nejnižší tepelnou vodivost a nejvyšší tepelnou kapacitu a také tepelné smrštění (asi dvacetkrát větší než u kovu). Příčinou ztráty těsnosti různých těsnících sestav za nízkých teplot je tzv. skelný přechod pryže a také prudký rozdíl mezi koeficienty roztažnosti kovů a pryží ve vitrifikovaném stavu.

Mechanické vlastnosti

Polymerní materiály mají širokou škálu mechanických charakteristik, které jsou vysoce závislé na jejich struktuře. Kromě tohoto parametru mohou mít na mechanické vlastnosti látky velký vliv různé vnější faktory. Patří sem: teplota, frekvence, doba nebo rychlost zatěžování, druh napěťového stavu, tlak, povaha prostředí, tepelné zpracování atd. Znakem mechanických vlastností polymerních materiálů je jejich relativně vysoká pevnost při velmi nízké tuhosti (srov. na kovy).

Polymery se obvykle dělí na pevné, jejichž modul pružnosti odpovídá E=1–10 GPa (vlákna, fólie, plasty), a měkké vysoce elastické látky, jejichž modul pružnosti je E=1– 10 MPa (guma). Vzorce a mechanismus ničení obou se liší.

Polymerní materiály se vyznačují výraznou anizotropií vlastností, stejně jako poklesem pevnosti, rozvojem tečení při dlouhodobém zatížení. Společně s tímto onimají relativně vysokou odolnost proti únavě. Oproti kovům se liší výraznější závislostí mechanických vlastností na teplotě. Jednou z hlavních charakteristik polymerních materiálů je deformovatelnost (poddajnost). Podle tohoto parametru je v širokém teplotním rozsahu zvykem hodnotit jejich hlavní provozní a technologické vlastnosti.

Polymerové podlahové materiály

Nyní se podíváme na jednu z možností praktické aplikace polymerů a ukážeme si celou škálu těchto materiálů. Tyto látky jsou široce používány ve stavebnictví, opravách a dokončovacích pracích, zejména v podlahách. Obrovská popularita je vysvětlena vlastnostmi příslušných látek: jsou odolné proti oděru, mají nízkou tepelnou vodivost, mají malou nasákavost, jsou poměrně pevné a tvrdé a mají vysoké kvality barev a laků. Výrobu polymerních materiálů lze podmíněně rozdělit do tří skupin: linolea (válcovaná), dlaždicové výrobky a směsi pro instalaci bezešvých podlah. Pojďme se nyní rychle podívat na každou z nich.

Linolea jsou vyráběna na bázi různých typů plniv a polymerů. Mohou také zahrnovat plastifikátory, pomocné zpracovatelské prostředky a pigmenty. V závislosti na typu polymerního materiálu se rozlišují polyesterové (glyftalové), polyvinylchloridové, pryžové, coloxylinové a další povlaky. Navíc se podle struktury dělí na bezpodkladové a se zvukově a tepelně izolačním podkladem, jednovrstvé a vícevrstvé, s hladkým, vlněnýma vlnitý povrch, stejně jako jedno a vícebarevné.

Obkladové materiály vyrobené na bázi polymerových komponentů mají velmi nízkou otěru, chemickou odolnost a životnost. V závislosti na typu suroviny se tento typ polymerních produktů dělí na kumaron-polyvinylchlorid, kumaron, polyvinylchlorid, pryž, fenol, bitumenové dlaždice a také dřevotřískové a dřevovláknité desky.

Materiály pro bezešvé podlahy jsou nejpohodlnější a nejhygieničtější k použití, mají vysokou pevnost. Tyto směsi se obvykle dělí na polymercement, polymerbeton a polyvinylacetát.