Polymeermaterialen: technologie, typen, productie en toepassing

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Polymere materialen zijn chemische hoogmoleculaire verbindingen die bestaan uit talrijke kleinmoleculaire monomeren (eenheden) met dezelfde structuur. Vaak worden de volgende monomere componenten gebruikt voor de vervaardiging van polymeren: ethyleen, vinylchloride, vinyldechloride, vinylacetaat, propyleen, methylmethacrylaat, tetrafluorethyleen, styreen, ureum, melamine, formaldehyde, fenol. In dit artikel zullen we in detail bekijken wat polymere materialen zijn, wat hun chemische en fysische eigenschappen, classificatie en typen zijn.

Soorten polymeren

Een kenmerk van de moleculen van dit materiaal is een hoog molecuulgewicht, dat overeenkomt met de volgende waarde: М>5103. Verbindingen met een lager niveau van deze parameter (M=500-5000) worden oligomeren genoemd. In verbindingen met een laag molecuulgewicht is de massa minder dan 500. De volgende soorten polymere materialen worden onderscheiden: synthetisch en natuurlijk. Deze laatste omvatten natuurlijk rubber, mica, wol, asbest, cellulose, enz. De belangrijkste plaats wordt echter ingenomen door synthetische polymeren, die worden verkregen als resultaat van een chemisch syntheseproces uit verbindingen met een laag molecuulgewicht. afhankelijkvan de methode voor het vervaardigen van hoogmoleculaire materialen worden polymeren onderscheiden, die worden gemaakt door polycondensatie of door een additiereactie.

Polymerisatie

Dit proces is een combinatie van componenten met een laag molecuulgewicht tot een hoog molecuulgewicht om lange ketens te verkrijgen. Het polymerisatieniveau is het aantal "meren" in de moleculen van een bepaalde samenstelling. Meestal bevatten polymere materialen duizend tot tienduizend van hun eenheden. De volgende veelgebruikte verbindingen worden verkregen door polymerisatie: polyethyleen, polypropyleen, polyvinylchloride, polytetrafluorethyleen, polystyreen, polybutadieen, enz.

Polycondensatie

Dit proces is een stapsgewijze reactie, die bestaat uit het combineren van een groot aantal monomeren van hetzelfde type, of een paar verschillende groepen (A en B) in polycondensatoren (macromoleculen) met de gelijktijdige vorming van de volgende bijproducten: methylalcohol, kooldioxide, waterstofchloride, ammoniak, water, enz. Polycondensatie produceert siliconen, polysulfonen, polycarbonaten, aminoplastics, fenolische kunststoffen, polyesters, polyamiden en andere polymere materialen.

Polyadditie

Dit proces wordt begrepen als de vorming van polymeren als resultaat van reacties van meervoudige toevoeging van monomere componenten die beperkende reactiecombinaties bevatten tot monomeren van onverzadigde groepen (actieve cycli of dubbele bindingen). In tegenstelling tot polycondensatie verloopt de polyadditiereactie zonder enige bijproducten. Het belangrijkste proces van deze technologie is het uitharden van epoxyharsen en de productie van polyurethanen.

Classificatie van polymeren

De samenstelling van alle polymere materialen is onderverdeeld in anorganisch, organisch en organo-element. De eerste (silicaatglas, mica, asbest, keramiek, enz.) bevatten geen atomaire koolstof. Ze zijn gebaseerd op oxiden van aluminium, magnesium, silicium, enz. Organische polymeren vormen de meest uitgebreide klasse, ze bevatten koolstof-, waterstof-, stikstof-, zwavel-, halogeen- en zuurstofatomen. Organo-element polymere materialen zijn verbindingen die in de hoofdketens, naast de genoemde, atomen van silicium, aluminium, titanium en andere elementen bevatten die zich kunnen combineren met organische radicalen. Dergelijke combinaties komen in de natuur niet voor. Dit zijn uitsluitend synthetische polymeren. Kenmerkende vertegenwoordigers van deze groep zijn op organosilicium gebaseerde verbindingen, waarvan de hoofdketen is opgebouwd uit zuurstof- en siliciumatomen.

Om polymeren met de vereiste eigenschappen te verkrijgen, gebruikt de technologie vaak geen "pure" stoffen, maar hun combinaties met organische of anorganische componenten. Een goed voorbeeld zijn polymere bouwmaterialen: metaal-kunststoffen, kunststoffen, glasvezel, polymeerbeton.

Structuur van polymeren

De eigenaardigheid van de eigenschappen van deze materialen is te wijten aan hun structuur, die op zijn beurt is onderverdeeld in de volgende typen: lineair vertakt, lineair, ruimtelijkmet grote moleculaire groepen en zeer specifieke geometrische structuren, evenals trappen. Laten we ze allemaal kort bekijken.

Polymere materialen met een lineair vertakte structuur hebben, naast de hoofdketen van moleculen, zijtakken. Deze polymeren omvatten polypropyleen en polyisobutyleen.

Materialen met een lineaire structuur hebben lange zigzag- of spiraalkettingen. Hun macromoleculen worden voornamelijk gekenmerkt door herhalingen van plaatsen in één structurele groep van een schakel of chemische eenheid van de keten. Polymeren met een lineaire structuur onderscheiden zich door de aanwezigheid van zeer lange macromoleculen met een significant verschil in de aard van bindingen langs de keten en daartussen. Dit verwijst naar intermoleculaire en chemische bindingen. De macromoleculen van dergelijke materialen zijn zeer flexibel. En deze eigenschap is de basis van polymeerketens, wat leidt tot kwalitatief nieuwe kenmerken: hoge elasticiteit, evenals de afwezigheid van broosheid in de uitgeharde toestand.

En laten we nu eens kijken wat polymere materialen zijn met een ruimtelijke structuur. Deze stoffen vormen, wanneer macromoleculen met elkaar worden gecombineerd, sterke chemische bindingen in de dwarsrichting. Hierdoor wordt een maasstructuur verkregen, die een niet-uniforme of ruimtelijke basis van de maas heeft. Polymeren van dit type hebben een grotere hittebestendigheid en stijfheid dan lineaire. Deze materialen vormen de basis van veel structurele niet-metalen stoffen.

Moleculen van polymeermaterialen met een ladderstructuur bestaan uit een paar kettingen die verbonden zijn door een chemische binding. Waaronderorganosiliciumpolymeren, die worden gekenmerkt door verhoogde stijfheid en hittebestendigheid, bovendien hebben ze geen interactie met organische oplosmiddelen.

Fase samenstelling van polymeren

Deze materialen zijn systemen die bestaan uit amorfe en kristallijne gebieden. De eerste helpt de stijfheid te verminderen, maakt het polymeer elastisch, dat wil zeggen in staat tot grote omkeerbare vervormingen. De kristallijne fase helpt hun sterkte, hardheid, elasticiteitsmodulus en andere parameters te vergroten, terwijl de moleculaire flexibiliteit van de stof wordt verminderd. De verhouding van het volume van al dergelijke gebieden tot het totale volume wordt de kristallisatiegraad genoemd, waarbij het maximale niveau (tot 80%) polypropylenen, fluoroplasten, polyethyleen met hoge dichtheid heeft. Polyvinylchloriden, polyethyleen met lage dichtheid hebben een lagere kristallisatiegraad.

Afhankelijk van hoe polymeermaterialen zich gedragen bij verhitting, worden ze meestal onderverdeeld in thermohardend en thermoplastisch.

Thermohardende polymeren

Deze materialen hebben voornamelijk een lineaire structuur. Bij verhitting worden ze zacht, maar als gevolg van chemische reacties die erin plaatsvinden, verandert de structuur in een ruimtelijke en verandert de substantie in een vaste stof. In de toekomst blijft deze kwaliteit behouden. Polymeer composietmaterialen zijn gebouwd op dit principe. Hun daaropvolgende verwarming verzacht de stof niet, maar leidt alleen tot ontbinding. Het afgewerkte thermohardende mengsel lost of smelt daarom niet ophet is niet toegestaan om het te recyclen. Dit type materiaal omvat epoxy-siliconen, fenol-formaldehyde en andere harsen.

Thermoplastische polymeren

Deze materialen worden bij verhitting eerst zacht en smelten vervolgens, en harden vervolgens uit wanneer ze worden afgekoeld. Thermoplastische polymeren ondergaan tijdens deze behandeling geen chemische veranderingen. Dit maakt het proces volledig omkeerbaar. Dergelijke stoffen hebben een lineair vertakte of lineaire structuur van macromoleculen, waartussen kleine krachten werken en er zijn absoluut geen chemische bindingen. Deze omvatten polyethyleen, polyamiden, polystyrenen, enz. De technologie van polymere materialen van het thermoplastische type zorgt voor hun productie door spuitgieten in watergekoelde mallen, persen, extrusie, blazen en andere methoden.

Chemische eigenschappen

Polymeren kunnen in de volgende toestanden zijn: vaste, vloeibare, amorfe, kristallijne fase, evenals zeer elastische, viskeuze en glasachtige vervorming. Het wijdverbreide gebruik van polymere materialen is te danken aan hun hoge weerstand tegen verschillende agressieve media, zoals geconcentreerde zuren en logen. Ze zijn niet onderhevig aan elektrochemische corrosie. Bovendien neemt met een toename van hun molecuulgewicht de oplosbaarheid van het materiaal in organische oplosmiddelen af. En polymeren, die een driedimensionale structuur hebben, worden over het algemeen niet aangetast door de genoemde vloeistoffen.

Fysieke eigenschappen

De meeste polymeren zijn isolatoren, bovendien zijn het niet-magnetische materialen. Van alle gebruikte constructiematerialen hebben alleen zij de laagste thermische geleidbaarheid en de hoogste warmtecapaciteit, evenals thermische krimp (ongeveer twintig keer meer dan die van metaal). De reden voor het verlies van dichtheid van verschillende afdichtingen onder lage temperatuuromstandigheden is de zogenaamde glasovergang van rubber, evenals het scherpe verschil tussen de uitzettingscoëfficiënten van metalen en rubbers in de verglaasde toestand.

Mechanische eigenschappen

Polymere materialen hebben een breed scala aan mechanische eigenschappen, die sterk afhankelijk zijn van hun structuur. Naast deze parameter kunnen verschillende externe factoren een grote invloed hebben op de mechanische eigenschappen van een stof. Deze omvatten: temperatuur, frequentie, duur of snelheid van belasting, type stresstoestand, druk, aard van de omgeving, warmtebehandeling, enz. Een kenmerk van de mechanische eigenschappen van polymere materialen is hun relatief hoge sterkte bij een zeer lage stijfheid (vergeleken met naar metalen).

Polymeren worden meestal onderverdeeld in vaste stoffen, waarvan de elasticiteitsmodulus overeenkomt met E=1–10 GPa (vezels, films, kunststoffen), en zachte zeer elastische stoffen, waarvan de elasticiteitsmodulus E=1– is 10 MPa (rubber). De patronen en het vernietigingsmechanisme van beide zijn verschillend.

Polymere materialen worden gekenmerkt door een uitgesproken anisotropie van eigenschappen, evenals een afname in sterkte, de ontwikkeling van kruip onder langdurige belasting. Samen met deze hebben zehebben een relatief hoge weerstand tegen vermoeiing. In vergelijking met metalen verschillen ze in een scherpere afhankelijkheid van mechanische eigenschappen van temperatuur. Een van de belangrijkste kenmerken van polymere materialen is vervormbaarheid (plooibaarheid). Volgens deze parameter is het in een breed temperatuurbereik gebruikelijk om hun belangrijkste operationele en technologische eigenschappen te evalueren.

Polymeer vloermaterialen

Laten we nu eens kijken naar een van de opties voor de praktische toepassing van polymeren, waarbij we het volledige scala van deze materialen onthullen. Deze stoffen worden veel gebruikt bij constructie- en reparatie- en afwerkingswerkzaamheden, met name in vloeren. De enorme populariteit wordt verklaard door de eigenschappen van de stoffen in kwestie: ze zijn slijtvast, hebben een lage thermische geleidbaarheid, hebben weinig wateropname, zijn vrij sterk en hard en hebben hoge verf- en lakkwaliteiten. De productie van polymere materialen kan voorwaardelijk worden onderverdeeld in drie groepen: linoleum (gerold), tegelproducten en mengsels voor de installatie van naadloze vloeren. Laten we ze nu eens snel bekijken.

Linoleums worden gemaakt op basis van verschillende soorten vulstoffen en polymeren. Ze kunnen ook weekmakers, verwerkingshulpmiddelen en pigmenten bevatten. Afhankelijk van het type polymeermateriaal worden polyester (glyphthalic), polyvinylchloride, rubber, colloxyline en andere coatings onderscheiden. Bovendien zijn ze volgens de structuur onderverdeeld in ongegrond en met een geluids- en warmte-isolerende basis, enkellaags en meerlaags, met een gladde, wolligeen gegolfd oppervlak, evenals enkel- en meerkleurig.

Betegelde materialen gemaakt op basis van polymeercomponenten hebben een zeer lage slijtvastheid, chemische weerstand en duurzaamheid. Afhankelijk van het type grondstof wordt dit type polymeerproducten onderverdeeld in coumaron-polyvinylchloride, coumaron, polyvinylchloride, rubber, fenoliet, bitumineuze tegels, evenals spaanplaat en vezelplaat.

Materialen voor naadloze vloeren zijn het handigst en hygiënischst in gebruik, ze hebben een hoge sterkte. Deze mengsels worden gewoonlijk onderverdeeld in polymeercement, polymeerbeton en polyvinylacetaat.