Полимеры. Классификация полимеров

хлопок, каучук);

- искусственные – полученные обработкой природных полимеров (вискоза, целлулоид, нитрат целлюлозы);

- синтетические – полученные из синтетических мономеров (синтетические каучуки, полипропилен, полистирол, лавсан)

разветвленные: амилопектин, полигликаны;

- сетчатые (пространственные): отвержденные фенолоформальдегидные смолы, эбонит.

напр. ,бутадиен-стирольный каучук

По хим. составу макромолекулы:

 - гомополимеры - полимер образован из одного мономера, напр. полиэтилен

[─ СН2─СН2─]n

всего из С - карбоцепные полимеры, (напр. полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен)

- гетероцепные, основные цепи из атомов разных элементов, чаще всего C, N, Si, P, О (полиэтиленоксид, поликарбонаты, полиамиды, кремнийорганические полимеры, мочевино-формалъдегидные смолы, белки, целлюлоза. .

- элементоорганические – в макромолекулах содержатся атомы металлов (Zn, Mg, Сu).

термопластичен;
если с помощью химических связей — полимер термореактивен.

Термореактивные полимеры - при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путем сшивки линейных макромолекул.

По отношению к нагреву:

Термопластичные полимеры - при нагреве размягчаются, плавятся, а при охлаждении затвердевают; процесс обратим (полиэтилен, полипропилен, полистирол) 

практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения.

установление общих связей в макромолекуле:

- Радикальная полимеризация – начинается со стадии образования радикалов

CH2=CH2 → •CH2─ CH2•

требуется значительная энергия активации:

- нагревание, - радиационное возбуждение (рентгеновское или УФ излучение), - введение инициаторов

Перекись ацетила

ионов карбония

анионная полимеризация

катионная полимеризация

стирол

Ион карбония

образуются побочные продукты!

поликарбонат

обратимым (высокоэластическим) деформациям;

3) способность набухать перед растворением и образовывать высоковязкие р-ры.

способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особые механические свойства:

эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);

малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

и, наконец, к частым сетчатым структурам комплекс характерных свойств высокомолекулярных соединений становится все менее выраженным. Трехмерные высокомолекулярные соединения с очень большой частотой сетки нерастворимы, не плавятся и неспособны к высокоэластическим деформациям.

Причины свойств:

высокая молекулярная масса,
цепное строением молекул, их гибкость
взаимное расположение макромолекул.

собой эластичный материал, при Т< — 90 °С переходит в стеклообразное состояние;

Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения.

полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при Т~ 20°С - твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластичное состояние лишь выше 100°С. 

меняются растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, физико-механические свойства.

Поликарбоновые кислоты

соединениями, при к-рых изменяется природа боковых функц. групп, но сохраняются длина и строение скелета осн. цепи (омыление поливинилацетата с образованием поливинилового спирта)

Этерификация поливинилового спирта

Уменьшается химическая активность

меняющимся направлением оси

Строение цепи:

стереорегулярное

Наиболее устойчивые и хорошие свойства

и перепендикулярно ей:

малая энергия активации; упругие деформации в полимере;

вращение заместителей:

энергия активации больше; упругие деформации;

Гибкая цепь

активации более значительная; упругоэластические деформации до 200% и более (резина);

смещение макромолекул друг относительно друга:

очень высокая энергия активации, развивается только при ↑Т; вязкотекучее состояние и пластические деформации (пластилин).

Т

Стеклови-дное состояние

Тстекл

упругоэластическое (высокоэластическое)

Тдеструкции

(термореактивные)

Ттекучести

вязкотекучее

Тдеструкции

(термопластичные)

полное ограничение подвижности всех структурных элементов аморфного полимера;

Высокоэластическое: ограничена подвижность макромолекул, но возможна подвижность их частей (вращение в углеродной цепи);

Вязкотекучее состояние: подвижны все структурные элементы полимера.

Большие значения модулей упругости и прочности

Большие обратимые деформации растяжения, низкий модуль упругости

устойчивое состояние после снятия возмущающего действия или в новое устойчивое состояние после наложения возмущающего действия.

Время релаксации:

τ = τ0е

τ0 – константа; А – энергия активации; Т – температура.

Перегруппировки молекул и их частей.

τ = 10 ─3 с ÷ несколько лет

воздействия;

2) Т ↑ → τ ↓ (очень мало!)

Релаксация проходит мгновенно

Релаксация наиболее всего проявляется в полимерах при Т, близких к Т текучести и Т стеклования.

Нарушаются законы Гука для упругих полимерных тел и закон вязкости Ньютона для текучих полимеров.

Cl ─ SiR2 ─ OH

циклы

При большом количестве воды для гидролиза

2HCl

В машиностроении как смазочные масла – более устойчивы к окислению и термостойки, вязкость мало зависит от температуры;

рабочее тело в гидроприводах;

гидрофобизирующая пропитка различных материалов;

в клеях для склеивания металлов и приклеивания к ним изолирующих полимеров;

для получения стеклопластиков.

→

→

полиорганотитанаты

полиорганоалюминаты

Термостойкие защитные покрытия: до 400оС, а с пудрой Al – до 600оС;

структура;

2) Высокая степень ионности химической связи.

1. Углеродные полимеры: древесный и каменный уголь, кокс, графит, алмаз:

Структура алмаза

его очень хорошим материалом для изготовления тиглей. Он устойчив на воздухе до температуры 500–600°C, а в вакууме – до 2500°C. Не реагирует с большинством минеральных кислот, расплавами многих полупроводниковых соединений, а также таких металлов, как Au, Ag, Cu. Обладает низкой газопроницаемостью и высокой устойчивостью к перепадам температуры.

Cтруктура сложна и сходна с фуллеренами. Благодаря этому он химически нейтрален и устойчив к коррозии при воздействии кислот, щелочей и растворителей.

плавится, при дальнейшем нагревании жидкость загустевает, так как в ней образуются длинные полимерные цепочки. Если вылить расплавленную серу в холодную воду, получится пластическая сера – резиноподобная структура, состоящая из полимерных цепочек. Пластическая и моноклинная сера неустойчивы и самопроизвольно превращаются в ромбическую.

Нагрев →

Пластическая сера

структура -

цепочечный силикат

[Si4O10]4─;

сравнению со стальными волокнами оно легче распределяется и смешивается в цементных замесах, не принося ущерба смешивающему и подающему бетоны оборудованию. Обладает повышенной прочностью на разрыв, разработан для тяжёлых бетонов и стяжек, эксплуатируемых в жёстких условиях.

полипропилен

[-CH-CH2-CH-CH2-]n

CH3

CH3

Полиолефины:

виде, так и в композициях с наполнителями. Полиолефины в чистом виде обладают хорошими эксплуатационными свойствами в пределах температурных нагрузок до +60°С. Свыше этой температуры из-за невысокой теплопроводности они в нагруженном режиме работать не могут. Это ограничивает область их применения в качестве антифрикционных материалов. Для повышения работоспособности будущих изделий в полимер вводят армирующие наполнители, повышающие его прочность, а также добавки, снижающие коэффициент трения, износ и температуру в зоне трения. При этом коэффициент трения у модифицированных полиолефинов может быть ниже 0,1. Применяют в слабонагруженных узлах, работающих в относительно мягких условиях эксплуатации.

трения полиамидов по стали без смазки 0,1–0,2, со смазкой маслом — в пределах 0,05–0,10. Способны работать в при Т= –40 ÷ +80°С. Недостатки: невысокая теплопроводность, низкая несущую способность. Полиамиды не обладают стойкостью по отношению к маслу и влаге.  Для улучшения физико-механических характеристик полиамиды армируют волокнистыми материалами (например, стекловолокном, углеродным волокном и т. д.), для улучшения антифрикционных свойств в полимер вводят твердые смазки (графит, дисульфид молибдена, и т. д.). Они могут применяться как в чистом виде, так и модифицированные добавками и наполнителями.

Полиамиды:

[- NH- R – NHCO-R’ – CO -]n

[ -CH2 – CH - ]n

O=C – NH2

полиакриламид

трения, как в чистом виде, так и с наполнителями: фторопластом, дисульфидом молибдена, графитом и другими смазками. Благодаря высокой механической прочности армировать ароматические полиамиды не нужно, поэтому в них вводят лишь добавки, снижающие коэффициент трения и износ. Детали из этих материалов не только прочные, но и термостойкие. Типичным представителем ароматических полиамидов является фенилон. Детали из фенилона эксплуатируются при температурах от –50 до +200°С. Этот материал химически стоек, может работать в агрессивных средах.

волокно

получил в мелкосерийных производствах изделий конструкционного и антифрикционного назначения.

КАПРОЛОН (Полиамид 6 блочный)

Высокая механическая прочность, жёсткость, твёрдость и вязкость; хорошая усталостная прочность;
Высокая механическая демпфирующая способность;
Очень высокая стойкость к износу
Хорошие изоляционные свойства
Хорошая обрабатываемость
Высокая устойчивость к радиационной энергии (γ - и рентгеновские лучи).

доступом для смазки, или при наличие в ней абразивных примесей); зубчатые колеса; опорные и направляющие ролики, ролики конвейеров, ролики натяжные; опорные втулки, втулки для колёс и роликов; шкивы и покрытие шкивов;  кулачки; головки молотов; очищающие скребки; распределительные звёздочки; ходовые винты, шнеки;  направляющие; изоляторы; элементы уплотнения (поршневые кольца, сальники, уплотнения, прокладки); элементы конструкции или рабочие органы насосов, смесителей, сепараторов, центрифуг.

стойкость к текучести (ползучести);
Высокая ударопрочность, даже при низких температурах;
Хорошая стабильность размеров, в том числе при высокой влажности.
Хорошие свойства скольжения и износостойкость;
Стабильность свойств в широком диапазоне температур (от -50 до 100оС);
Великолепная обрабатываемость
Незначительное влагопоглощение
Хорошие электрические изоляционные и диэлектрические свойства
Физиологическая инертность (допущен для контакта с пищевыми продуктами)
Не стойкий к сильным кислотам и окислителям, стоек к органическим растворителям, топливам всех типов. щелочам 

ПОЛИОКСИМЕТИЛЕН  (ПОМ С) (полиформальдегид)

[- OCH2 -]n

зубчатые колеса; шестерни с маленьким модулем; кулачки;  седла клапанов; пружины, пружинные элементы  и защёлкивающие механизмы; изолирующие детали в электротехнике: электрические разъемы, изоляторы; валы; уплотнительные прокладки.  

Примеры изделий из полиоксиметилена:

стойкость к агрессивным средам;
низкая воспламеняемость, самозатухание после изъятия из пламени,
низкое водопоглощение, физиологически безопасный,
легко лакируется, склеивается, сваривается;
превосходное сопротивление к трению, стойкость к образованию царапин;
хорошо обрабатывается различными способами механической обработки;
температурный диапазон эксплуатации от -15 °C до +60 °C.

Поливинилхлорид (ПВХ):

[ -CH2 – CHCl - ]n

звездочки и направляющие для конвееров , электроизоляционные детали, линолеум;

шаровые и мембранные вентили, дисковые затворы с возможностью как ручного управления, так и при помощи электро- и пневмоприводов, обратные клапаны, ротаметры и сетчатые фильтры. Рабочая температура - до 60оС.

содержащие в качестве радикала (-СН3), (-С2Н5), н-бутил (-С4Н9) и циклогексил (-С6Н11). Они прозрачные, термопластичные, физиоло- гически безвредны; хорошо растворяются в органических растворителях; характе-ризуются низкой масло- и бензостойкостью. 

Полиакрилаты

тыс. 

стоек к действию концентрированных минеральных кислот при нагревании до 100 °С, разрушается лишь сильными окисляющими агентами, например HNO3 или олеум.

Хорошо формуется, стоек к истиранию, водостоек, имеет удовлетворительные электроизоляционные свойства. Из пентапласта изготавливают трубы, клапаны, детали насосов, емкости, пленки и защитные покрытия на металлах. [1]

Пентапласт содержит 45,5 % хлора, что придает ему способность к самозатуханию. Связь хлорметильных групп с атомом углерода, не имеющим атомов водорода, обеспечивает сравнительную высокую термостабильность полимера. Хлористый водород не отщепляется вплоть до 280 С.

Пентапласт:

значение имеют ароматические поликарбонаты, в первую очередь, поликарбонат на основе бисфенола А.

в качестве материала при изготовлении линз, компактдисков и светотехнических изделий; листовой ячеистый пластик применяется в качестве светопрозрачного материала в строительстве. Также, материал используется, там где требуется повышенная теплоустойчивость. Это могут быть компьютеры, очки, светильники, фонари и т.д.

памперсы, в которых главный элемент — порошок полимерного геля. Он способен всасывать много жидкости: некоторые полимерные звенья цепочек обладают электрическим зарядом. Соответственно вокруг цепочек плавают противоионы (поскольку гель в целом должен быть электронейтральным) и создают громадное избыточное «раздувающее» давление. В хороших гелях объем накопленной жидкости в сотни раз может превышать исходный объем полимера.

Полимер показан красным цветом, а синим — заполненные водой проводящие каналы в его объеме

Функциональные материалы – материалы с заданными функциями.