Что такое полимеры

Полимерами называют сложные вещества, которые состоят из множества одинаковых или разных по строению звеньев, соединенных в длинные макромолекулы координационными или химическими связями.

Структура материала и способ производства определяет его физико-механические свойства. В нашей статье мы подробно рассмотрим, что такое полимер, какие бывают виды и их особенности.

Из чего состоят полимеры?

Некоторые ошибочно предполагают, что полимерный материал — это пластик. Такое заблуждение можно часто услышать. Это два разных термина:

• Полимеры — это любые вещества, состоящее из длинных цепочек повторяющихся молекул (мономеров). Они могут быть естественными (целлюлоза, натуральный каучук, белки) и синтетическими (полиэтилен, полиамид, ПВХ);
• Пластик — это конкретный вид синтетического полимера, обычно термопластичного, который можно формовать при нагревании. Пластики создаются для удобства переработки и массового производства изделий.

То есть все пластики — полимеры, но не все полимеры — пластики (полимеры примеры: резина, гели, клей, лакокрасочные материалы, но их не называют пластиком).

Рассмотрим состав полимерных материалов. Каждая молекула, которая повторяется много раз, обычно состоит из 4 элементов:

• Водорода;
• Азота;
• Кислорода;
• Углерода.

Эти компоненты могут варьироваться в различных сочетаниях, из которых можно сделать полимерный материал с уникальными свойствами. Например, ПЭТ и кевлар относятся к полимерам. Оба материала эластичные и имеют легкий вес. Но ПЭТ используют в производстве бутылок, а из кевлара делают каски и бронежилеты. Последний имеет в составе перечисленные 4 элемента, но отличается атомной решеткой. Поэтому материал превосходит сталь в 5 раз.

Свойства полимерных материалов

Рассмотрев, что такое полимеры простыми словами, необходимо ознакомиться с их эксплуатационными свойствами. Характеристики материала и конечной продукции зависят от того, из чего делают полимеры и каким методом. Но в целом можно выделить свойства, которыми обладают многие разновидности в той или иной степени:

• Хорошая эластичность;
• Низкая теплопроводность;
• Высокая прочность на разрыв;
• Не вступают в реакции с химическими веществами;
• Отсутствие токопроводимости;
• Большинство видов полимеров не растворимы в воде;
• Низкий коэффициент температурного нагрева, хотя некоторые варианты выдерживают температуры до +160 °C;
• Способность к восстановлению первоначальной формы;
• Износостойкость, устойчивость к истиранию;
• Прозрачный цвет или возможность окрашивания в любой оттенок из таблицы RAL.

Производство полимеров

Для производства полимеров используются два метода: полимеризация и поликонденсация. В последнем случае мономеры соединяются в длинные цепи без образования побочных продуктов, например, этилен превращается в полиэтилен. При поликонденсации формируются полимеры с одновременным выделением низкомолекулярных соединений, обычно воды или спиртов, как в синтезе полиэфиров и полиамидов.

Качество конечного материала определяется чистотой исходных компонентов, температурой и давлением реакции, выбором катализатора, а также режимами охлаждения и сушки гранул. После синтеза полимеры проходят стадии стабилизации, модификации функциональными добавками и окрашивания. После этого процесса составы перерабатываются методами экструзии, литья под давлением, прессования или формования. Такой комплексный подход обеспечивает стабильные физико-механические свойства и позволяет адаптировать материалы под конкретные инженерные задачи.

Классификация и виды полимеров

Существует множество параметров, по которым классифицируют полимерные материалы. Рассмотрим вкратце каждый из них.

Химический состав

• Органические — созданы из органических звеньев главной цепи;
• Неорганические — полимеры, у которых молекулы состоят из неорганических боковых цепей;
• Элементоорганические — сочетают в себе неорганические звенья и углеводородные группы.

Происхождение полимеров

• Природные — материалы естественного происхождения. Эти полимеры созданы природой без участия человека. Примеры: кожа, древесина, белки, натуральный каучук;
• Искусственные — вещества на основе природных соединений, которые синтезируют для получения материала с определенными свойствами. Искусственные полимеры список: пластмассы, вискоза, целлулоид;
• Синтетические — высокомолекулярные соединения, образующиеся в результате полимеризации мономеров или поликонденсации. Это продукт человеческого вмешательства, который не встречается в природе. Многие синтетические полимеры окружают нас в повседневной жизни: полиэтилен, полиуретан, капрон, полипропилен.

Структура

По строению макромолекул, выделяют 3 вида полимеров:

• Линейные — материалы с соединением мономеров в одной цепи, что придает готовой продукции высокую эластичность. Примером служат термопластичные эластомеры и натуральный каучук;
• Разветвленные — полимеры с боковыми ответвлениями цепи;
• Сетчатые — разветвленные цепи с поперечными связями, бывают пространственными и плоскими.

Существуют еще такие понятия, как гомополимеры и гетерополимеры. Первые состоят из однотипных мономерных звеньев. Гетерополимеры называют также сополимеры. Их отличие состоит в том, что в состав включены звенья с разным строением. Например, в промышленности часто используются сополимеры стирола с бутадиеном, из которых делают термоэластопласты (ТЭП).

Агрегатное состояние

Полимеры в твердом виде используются в производстве тактильных изделий, которые постоянно нас окружают в быту. Материалы придают готовым товарам жесткость и относительно высокую прочность. Наиболее распространенными являются эластичные полимеры.

Существуют также жидкие полимеры. Что относится к полимерам данного типа? Это лакокрасочные материалы, клей, строительные растворы и др.

Состояние при нагреве и охлаждении

Это первый критерий, который учитывают производители при выборе сырьевого материала.

• Термопластичные — полимерные материалы, которые при воздействии высоких температур размягчаются и начинают плавиться, а при низких температурах становятся твердыми. Этот процесс является обратимым и может происходить многократно. Данное свойство термопластов обусловлено сохранением ковалентных связей, несмотря на разрушение слабых межмолекулярных.
• Реактопласты или термореактивные полимеры — это соединения, у которых разрушаются связывающие цепи при нагреве. После термообработки, материалы становятся твердыми и не могут менять свою форму. Попытки размягчить полимер под высокими температурами заканчиваются его разрушением. Еще реактопласты являются нерастворимыми, поэтому набухают исключительно в растворителях.

Дополнительные параметры

Полимеры также классифицируют по следующим параметрам:

Композитные полимерные материалы

Композитные полимеры — материалы, в которых матрица усилена наполнителями или волокнами для повышения механических, термических и химических свойств. Классические полимеры примеры — стеклопластики, углепластики и армированные термопласты.

Основные преимущества и характеристики композитных материалов:

• Высокая прочность на разрыв и изгиб при относительно низкой массе;
• Повышенная жесткость за счет армирующих волокон;
• Устойчивость к ударным нагрузкам и деформациям;
• Снижение коэффициента термического расширения, что важно для изделий, работающих при высоких температурах;
• Возможность регулировки свойств путем выбора типа полимера, наполнителя и способа производства.

Технологии производства композитов включают:

• Литье под давлением;
• Автоклавное формование;
• Прессование и экструзию с наполнителями;
• Методы послойного наращивания (например, при производстве углепластиков).

Композитные полимеры преимущественно используются в авиационной, автомобильной, строительной, спортивной и медицинской индустрии.

Где используются полимеры?

Благодаря дешевизне производства и доступности сырьевых материалов, полимеры нашли широкое применение во многих сферах и отраслях промышленности.

Повседневная продукция

• Упаковки и пакеты;
• Канцелярские предметы;
• Детские игрушки;
• Ручки для кастрюль и сковородок;
• Защитные оболочки кабельной продукции;
• Элементы электроники и электротехники: защитные кожухи, детали корпусов, рукояти, противоскользящие накладки;
• Пластиковые емкости: от горшков до бочек;
• Зубные щетки, расчески, а также другие средства личной гигиены, ухода за кожей и волосами;
• Подошвы для обуви и многое другое.

Строительные работы

В строительстве широко применяются термопластичные эластомеры на основе SEBS и SBS, которые стремительно замещают привычные нам силиконы и пластмассы. Из них изготавливают:

• Элементы сетей инженерно-технического обеспечения: трубы, кабели, фитинги и др.;
• Уплотнители в оконных и дверных конструкциях;
• Материалы для обустройства облицовочных панелей;
• Герметики, которыми заполняют щели;
• Изделия для вентиляционных систем и вытяжек;
• Заборы, сетки или другие ограждения.

Медицинская промышленность

80% медицинской продукции, о которой все мы слышали, сделана из полимеров. Например:

• Груши;
• Шприцы;
• Растворимые капсулы для лекарственных препаратов;
• Системы для переливания крови;
• Некоторые хирургические инструменты;
• Расходные материалы для стоматологии;
• Протезы, имплантаты;
• Бахилы;
• Оправы очков;
• Посуда для лабораторных условий.

В группу полимеров входит поликарбонат, который активно применяют для изготовления искусственного сердца. Знакомая многим девушкам гиалуроновая кислота тоже сделана из полимеров.

Пищевая промышленность

Многие виды полимеров, особенно группы термопластов, отвечают санитарно-гигиеническим требованиям и допускаются к контакту с продуктами питания. Это обуславливает их широкое применение в производстве:

• Пластиковой и одноразовой посуды;
• Бутылки;
• Упаковок для пищевых продуктов в виде пленок и герметичных контейнеров, предупреждающих попадание влаги и грязи;
• Устройств для пищевых цехов;
• Уплотнительных элементов;
• Пробок для бутылок.

Сельское хозяйство

Появление полимеров стало настоящим открытием для садоводов, фермеров и промышленных предприятий, поскольку привело к удешевлению производства следующих изделий:

• Сеток для флористики;
• Тепличных конструкций;
• Тканей для грядок, защищающих культуры от воздействия сорняков;
• Защитных пленок;
• Оросительных систем.

Автомобильная промышленность

Сложно найти компонент автомобиля, в котором не было бы полимера:

• Покрытия педалей;
• Коврики;
• Отделка элементов салона и кузова;
• Уплотнения;
• Обивка кресел;
• Шины и многое другое.

Материалы также широко используют в нефтегазовой, машиностроительной, коммунальной сфере. Теперь Вы знаете, что такое полимеры и насколько важное значение они имеют в нашей жизни.

Выбор ТЭП для вашего производства

Материалы для обуви, уплотнителей, посуды, техники и других отраслей

Выбрать ТЭП

Заключение

Полимеры играют важную роль в современной промышленности и повседневной жизни. Их эксплуатационные свойства — прочность, легкость, химическая устойчивость и возможность точной настройки характеристик — делают их незаменимыми в строительстве, медицине, пищевой промышленности, автомобилестроении и других сферах.

Развитие технологий синтеза и переработки открывает возможности для создания специализированных материалов: термопластов, реактопластов и композитных полимеров с уникальными свойствами.