Полимеры используемые в быту

03.06.2019

Полимерные материалы, что это такое точно определяют химики. Сам термин «полимер» обозначает пластик и используется для изготовления пластмассовой продукции ежедневного применения.

Мы пользуемся изделиями из такого сырья дома, на работе. Они окружают нас в общественном транспорте (автомобили, самолеты, вагоны железнодорожного состава).

Современная промышленность изобрела новое сырье, в структуру которого входят натуральные и синтетические составляющие.

Основные физические свойства

Отличительной чертой этого материала является то, что в его химический состав входит вещество, обладающее высокомолекулярными цепочками, повторяющиеся с данной периодичностью.

Благодаря этому самым распространенным стал каучук (резина), отличающийся своей эластичностью и повышенной стойкостью к истиранию.

Он и другие виды не только обладают свойствами упругости, но и имеют иные важные качества:

• • Низкая теплопроводимость. Как пример: если поставить на открытый огонь кастрюлю, то сплав из железа нагреется, а ручки, выполненные из пластмассы, останутся холодными.
• • Высокий показатель температурного коэффициента линейного расширения, который составляет от 70 до 200 10-6 на один градус. Молекулярная структура обладает свойствами увеличивать линейные размеры в несколько раз больше, чем металл при одинаковой t.
• • Благодаря своей гибкости, в последнее время технологи разработали методику нанесения тонким слоем полимер на металлические части изделий для защиты их от коррозии.
• • Предел прочности уступает показателям железа. Для повышения добавляют специальные компоненты, за счет которых получаются новые разновидности материала.
• • При разработке и производстве товара учитывается низкий коэффициент температурного нагрева. Рекомендуемым порогом является менее 80 градуса. Иначе изменятся физические свойства, которые приведут к снижению прочности.
• • Быстро воспламеняется при пожаре, при этом выделяют токсичные вещества.
• • Из-за сниженного показателя коэффициента трения на поверхности не остаются дефекты (царапины, сколы).
• • Обладает электроизоляционными свойствами. Так как он не проводит ток, то все ручки инструментов покрываются пластмассой.
• • Не поддается деформации при длительной нагрузке, способен восстанавливать свою первоначальную форму.

Какие бывают полимеры – классификация

В современной промышленности насчитывается несколько десятков разновидностей. Разделение происходит по химическому составу, агрегатному состоянию и эксплуатационным качествам.

По происхождению

К ним относятся:

• • Синтетические. Являются самыми востребованными в производстве. Обладают исключительными особенностями из-за добавления и смешивания различных веществ.
• • Искусственные. Изделия из такого вида окружают нас в быту.
• • Природные (биополимеры).

По молекулярным соединениям

Различные химические свойства позволяют разделять на:

• • Органические, которые используют для основания пластмассовой продукции.
• • Комплексные, где одновременно применяются натуральные и синтетические вещества.
• • Неорганические.

Виды полимерных материалов по агрегатному состоянию

Характеристики вещества, подверженного различными температурами и давлением:

• • Эластичный. Гибкость позволяет использование при производстве строительного товара (поролон, силикон). Также большое применение находит для изготовления автомобильных покрышек.
• • Твердый. В этой форме пластмасса обладает повышенной прочностью и пластичностью. Область применения широка: оргтехника, пылесосы, холодильники, садовая мебель и другие предметы домашней утвари.
• • Жидкий. На такой основе изготавливаются лакокрасочные материалы, герметики, монтажная пена.

По структуре, на которую влияет макромолекула

Бывает: разветвленный, линейный, сетчатый, плоский, ленточный, гребнеобразный.

Типы полимеров по полярности

В этом случае на конструкцию влияют положительные и отрицательные заряды, которые определяют характер растворимости в различных средах:

• • полярный (гидрофильный);
• • неполярный (гидрофобный);
• • смешанный (амфильный).

Что такое полимеризация

Это процесс образования полимеров путем синтеза низкомолекулярных веществ и присоединения молекул к активному центру, который находится в конечной точке цепи.

Поликонденсация

В отличие от предыдущей обработки, здесь происходит слияние частиц ступенчатым методом. При этом образуется высокомолекулярное соединение, где уничтожаются некоторые элементы, при этом выделяется (вода, хлор, водород).

Полиприсоединение

Это изготовление синтетического сырья путем многократного соединения мономерных звеньев в одну огромную молекулу без отделения других веществ. Производство происходит при помощи растворителей: «Пиридин», «Диметилсульфоксид», « Диметилформамид», в азотной среде при температуре от -20 до 110 градуса.

Сущность

Состав и основа полимерных материалов – это однотипные группы атомов, из которых синтезируется высокомолекулярное вещество. Обычно производство происходит из продуктов переработки нефти, угля и газа. Второй способ – из вторичного сырья (целлюлоза, лигнин).

Материалы

Как мы писали выше, синтетика плохо переносит высокие температуры, воспламеняется и выделяет при тлении токсичные вещества.

Во избежание этого химики экспериментальным способом добавляют различные примеси. При синтезе они используют бром или хлор.

После обработки получается галогенизированное сырье, способное при сгорании выделять газ, который повышает коррозийность металлических изделий.

Мы рассмотрим примеры и определим, что относится к полимерным материалам:

• • Самый знакомый всем – это полиэтилен. Из него изготавливают упаковку для различных целей, используется во всех отраслях народного хозяйства. Он различается по типам (низкого и высокого давления). Эти виды обладают одинаковым химическим составом, но отличаются молекулярной структурой.
• • Пропилен. Благодаря своим характеристикам (легкость, высокие эксплуатационные качества, гибкость, эластичность, прочность, водонепроницаемость) широко применяется при строительстве жилых комплексов и промышленных объектов. Из него изготавливаются трубы для горячего и холодного водоснабжения, для отопительной системы. Они не подвержены коррозии, не деформируются при динамической и статистической нагрузках, не производят шум и не вибрируют. Единственный минус – вступают в реакцию с кислородом и не выносят ультрафиолет. Поэтому при монтаже необходимо устанавливать защитную систему.
• • Поливинилхлорид. Что это за полимерные материалы и какие примеры можно привести, ведь все уже забыли об этом термине и области применения. Популярным они были в середине прошлого столетия. Они обладают хрупкостью и невысокой экологичностью, потому что при тлении выделяют ядовитый диоксин. Поэтому современные вещества вытеснили с рынка потребления старый образец.
• • Полиолефин создан на основе составляющих полиэтилена и полипропилена. Более половины продукции во всем мире изготовлена из этого сырья. Так как он имеет огромное преимущество перед другими пластмассами. Он не разрывается, не дает усадку, не нагревается, а при утилизации и производстве не выделяет вредные для организма вещества.

Классификация по температурному режиму

Высокомолекулярные соединения различаются по степени влияния тепла:

• • Термопластичные при повышенном градусе размягчаются, а при пониженном – твердеют.
• • Если разрушаются связующие звенья в цепи, то их называют термореактивными.

Примеры изделий из полимерных материалов

Благодаря своим уникальным качествам и доступной цене область применения товаров из этого сырья разнообразна. Изделия из пластмассы применяются в медицинском оборудовании; в строительной отрасли; в железнодорожном, автомобильном и авиационном транспорте; в бытовой технике; в сельском хозяйстве; в легкой и тяжелой промышленности.

При возведении жилых объектов используется обшивка стен для утепления и облицовки. Большую популярность приобрели пластиковые окна и двери, напольные покрытия (ламинат, линолеум). Все строительные инструменты сделаны с элементами из полимера.

Декоративные изделия (сетка для цветов, поливалки, ведра, плошки) и мебель для садоводческих хозяйств из этого сырья получили широкую популярность у населения из-за небольшого веса, устойчивости к коррозии, эластичности, долговечности и недорогой стоимости.

Детские и взрослые переносные бассейны, лодки и искусственные водоемы, круги для плавания изготавливаются из геотекстиля и мембраны, обладающие водонепроницаемостью.

Несущие конструкции мотоциклов и некоторых легковых автомобилей производятся из пластмассы для облегчения веса и избежания воздействия ржавчины.

Структура

Свойства и технические характеристики полимерного материала зависят от молекулярных соединений в цепи. По строению идет разделение на:

• • Линейное. Это соединения, где макромолекулы составляют длинные цепочки и имеют спиральную или зубчатую комбинацию. При этом они чрезвычайно гибкие. Такое качество дает высокую эластичность, и товар не крошится при застывшем состоянии.
• • Лестничное. Здесь макромолекулы создают пару длинных цепей, которые являются основой для создания изделий с высокой жесткостью и стойкостью к большим температурам. Помимо этих положительных качеств, есть главное достоинство – не вступают в химическую реакцию с растворителями из органики.
• • Пространственное. Мономолекулы связаны между собой поперечными мостиками и синтезируются при помощи мочевины и формальдегида. Итогом такой операции становится пространственная или неоднородная структура основы сетки. Из такого сырья создаются жесткие конструкционные продукты.
• • Линейно-разветвленное. Это когда от основной цепи идут ответвления, численность и размер которых различны. Такая структура наиболее прочная. Это свойство нашло применение в изготовлении полиэтилена, полистирола, поливинилхлорида.

Применение полимеров

Производство таких материалов началось в начале прошлого столетия, где при обработке целлюлозы и отходов нефтепереработки стали получать краску и пленку.

Это позволило активному развитию кинематографа. Сейчас пластик вошел в нашу повседневную жизнь.

Из него изготавливаются детские игрушки, всевозможные синтетические ткани, прорезиненную подошву для обуви, спортивный инвентарь, компьютерную технику.

Инженеры космической отрасли создали летательные ракеты и спутники на основе полипропилена. При лабораторных испытаниях оказалось, что низкая масса этого сырья без особых усилий помогает преодолеть притяжение Земли, и при больших температурных перепадах в агрессивной среде пластмасса не деформируется.

В быту

Изделия из высокомолекулярных соединений встречаются намного чаще, чем их натуральных компонентов. Этому способствуют высокие характеристики (прочность, гигиеничность, универсальность, эластичность) и низкая стоимость на продукцию.

Приведем несколько примеров тех вещей, которыми мы пользуемся каждый день:

• • Предметы личной гигиены (расческа, зубная щетка и т.д.).
• • Принадлежности для кухни.
• • Одноразовая посуда.
• • Пакеты для мусора и покупок.
• • Пленка для запекания еды.
• • Сантехнические составляющие.
• • Бытовая химия.
• • Части техники (телевизора, холодильника, пылесоса, микроволновки, миксера, утюга).
• • Настольная лампа.
• • Одежда (капроновые колготки, костюмы для рыбной ловли, спортивные куртки и комбинезоны) и обувь (резиновые сапоги, сланцы и калоши).  

В строительной отрасли

Последние пятьдесят лет пластмасса вытеснила натуральные материалы (дерево, металл и бетон). Она стала использоваться при производстве:

• • Отделочных материалов, предназначенных для обустройства потолка, стен и пола.
• • Ограждающих конструкций и строительных сооружений. К ним относятся составная арматура, балки, поликарбонат, полибетон, основа оконных рам и межкомнатных дверей, стеклопластик.
• • Пен для герметизации проемов и щелей, клея.
• • Изделий водо и теплоснабжения, оборудований сантехнического профиля, вентиляционной системы и отопления.
• • Тканей, предназначенных для теплоизоляции. Они могут продаваться в рулонах, в виде порошка или жидкими смесями.
• • Наливных полов. При использовании такого материала поверхность становится гладкой и ровной. На ней исключено появление воздушных пузырьков, трещин и вмятин.
• • Роликов и колес для складской гидравлической тележки. Большой ассортимент этих изделий можно найти на сайте торгово-производственной компании «МПласт». Кроме этого, у них имеется продукция для мебели: заглушки и фурнитура. А для строителей – пластиковые отбойники.

В медицине

Более трех тысяч разновидностей изделий изготовляется для этой отрасли.

Приведем несколько примеров:

• • Одноразовые шприцы.
• • Хирургические инструменты.
• • Материалы для стоматологии.
• • Пакеты для хранения крови и плазмы.
• • Лекарства, клеи для обработки швов, искусственные протезы и органы.
• • Оборудование для хозяйственной деятельности (посуда для лабораторий, различный инвентарь, клеенка, хирургические бахилы).
• Предметы оптики (оправа, линзы).

Виды изделий из полимеров и их применение в сельском хозяйстве

Тепличный бизнес невозможно представить без помещения, сделанного из полипропиленовой арматуры и покрытого поликарбонатом со стенкой толщиной в 1 см. Также для повышения урожайности всегда требуются различные ткани и пленки, предотвращающие появление сорняков.

Для полива используются трубы и шланги, которые намного превосходят по своим техническим характеристикам металлическую мелиоративную систему. Они удобны в монтаже, легкий вес помогает перевозить трубы без применения тяжелой техники, срок эксплуатации составляет около пятидесяти лет.

В пищевой промышленности

Главным условием создания станков для выпечки хлебной продукции, производства мясных, рыбных и овощных полуфабрикатов является соблюдение требований и правил санэпидемстанции. Антиадгезионное покрытие необходимо для бочек и контейнеров для хранения и перевозки зерновых и сыпучих продуктов.

На полках магазина вы встречаете продовольствие, запечатанное в пакеты и пленки, которые защищают от внешних загрязнителей и предохраняют от порчи.

Раньше изделия изготавливались из пластмассы с низкомолекулярными веществами, которые имели множество недостатков. Основным из которых является выделение вредных частиц в окружающую среду.

На сегодняшний день эта отрасль постоянно развивается, что привело к усовершенствованию химических, механических и физических качеств.

Мы подробно рассказали, что это такое, полимерная продукция, какие имеет свойства и характеристики, виды и область применения.

Применение полимеров в быту — ТехПорт

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

Органические полимеры

Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель — кремнийорганические соединения.

Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания разных групп полимеров. Это композиционные материалы (например, стеклопластики).

По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим.

Термореактивные полимеры при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления.Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путём сшивки (например, вулканизация) цепных полимерных молекул.

Упругие свойства термореактивных полимеров выше, чем у термопластов, однако, термореактивные полимеры практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения.

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле.

Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных — высокомолекулярных.

Типы полимеров

Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалыЧеловек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа, меха, шерсть, шёлк, хлопок и т. п.

, используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент, известь, глина), образующие при соответствующей обработке трёхмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы.

Однако промышленное производство цепных полимеров началось в начале XX в., хотя предпосылки для этого появились ранее.

Огнеупорные полимерыМногие полимеры, такие как полиуретаны, полиэфирные и эпоксидные смолы, склонны к воспламенению, что зачастую недопустимо при практическом применении. Для предотвращения этого применяются различные добавки или используются галогенированные полимеры.

Галогенированные ненасыщенные полимеры синтезируют путем включения в конденсацию хлорированных или бромированных мономеров, например, гексахлорэндометилентетрагидрофталевой кислоты (ГХЭМТФК), дибромнеопентилгликоля или тетрабромфталевой кислоты.

Главным недостатком таких полимеров является то, что при горении они способны выделять газы, вызывающие коррозию, что может губительно сказаться на располагающейся рядом электронике.

Учитывая высокие требования экологической безопасности, особое внимание уделяется галоген-несодержащим компонентам: соединениям фосфора и гидроксидам металлов.

Применение полимеров

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Полимеры относятся к классу химических соединений, у которых короткие структурные единицы, состоящие из нескольких атомов (мономеров), соединенных в длинные цепочки при помощи различного рода связей. Характерная особенность полимеров – большая молекулярная масса – от нескольких тысяч, до миллионов. Натуральные и созданные позже синтетические полимеры характеризуются следующими свойствами:

• эластичность – способность выдерживать сильные деформирующие усилия без разрушения;
• прочность;
• способность макромолекул (молекулярных цепочек) к определенной ориентации по отношению друг к другу.

Точная классификация подразделяет многочисленное семейство полимеров на органические и неорганические. Наиболее востребованы, имеют большой ассортимент разновидностей с различными свойствами органические соединения, которые основаны на углеродных цепочках.

Одним из первых полимеров, созданным человеком на основе природных материалов, стала резина, производимая путем вулканизации каучука, и целлулоид, имеющий в основе целлюлозу.

Дальнейшее создание и производство полимерных материалов базировалось на достижениях органической химии.

Особенности

Синтетические полимеры имеют в своей основе низкомолекулярные органические соединения (мономеры), которые в результате реакций полимеризации или поликонденсации образуют длинные цепочки. Расположение и конфигурация молекулярный цепей, тип их связи во многом определяют механические характеристики полимеров.

Искусственные и синтетические полимеры обладают радом специфических особенностей. На первом месте следует отметить их высокую эластичность и упругость – способность противостоять деформациям и восстанавливать первоначальную форму. Пример – полиамид, резина.

Полиуретановая нить – эластан, способна без разрыва изменять свою длину на 800 % и затем восстанавливать первоначальный размер. Наличие длинных молекулярных цепочек в структуре синтетических материалов обусловило низкую хрупкость пластиковых изделий.

В большинстве случаев увеличение хрупкости у некоторых типов пластмасс происходит при понижении температуры. Органические материалы практически полностью лишены этого недостатка.

Отдельные типы пластиков, наоборот, имеют высокую жесткость и твердость. Стеклотекстолит по прочности мало уступает стали, а такой полимер, как кевлар, даже превосходит ее.

Указанные свойства дополняются высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью. Большинство известных полимеров имеют высокое электрическое сопротивление, низкую теплопроводность.

  Печь из пропанового баллона своими руками

Отмечая высокие эксплуатационные и технологические качества, нельзя забывать и про отрицательные стороны:

• Сложность утилизации. Вторичное использование допускает только термопластичный материал и только в случае правильной сортировки. Смесь полимеров с различным химическим составом вторичной переработке не подлежит. В природе пластики разлагаются чрезвычайно медленно – вплоть до десятков и сотен лет. При сжигании некоторых типов пластмасс в атмосферу выделяется большое количество высокотоксичных веществ и соединений. Особенно это касается пластиков, содержащих галогены. Наиболее известный материал такого типа – поливинилхлорид (ПВХ).
• Слабая устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Под действием ультрафиолетовых лучей длинные полимерные цепочки разрушаются, увеличивается хрупкость изделий, снижается прочность, холодостойкость.
• Трудность или невозможность соединения отдельных типов синтетических материалов.

Химические свойства полимеров показывают их высокую стойкость к агрессивным веществам, но в ряде случаев затрудняет использование клеевых составов. Поэтому для термопластичных полимеров используют метод сварки – соединение разогретых элементов. Некоторые вещества, например, фторопласты, вообще не подлежат соединениям, кроме механических.

Применение

Без преувеличения можно сказать, что полимеры нашли применение абсолютно во всех областях деятельности и жизни человека. Синтетические полимеры используются в быту и промышленности как самостоятельные изделия, так и в качестве замены традиционных материалов или в комплексе с ними для получения уникальных характеристик.

Первое применение нашли искусственные полимеры. Самый яркий пример – резина. В настоящее время основная часть резиновых изделий выполняется из синтетического каучука, но имеется несколько областей применения, где до сих пор используется резина из натурального каучука.

Полимеры обладают целым комплексом уникальных качеств, которых нет у традиционных материалов, или использование последних технологически и экономически нецелесообразно.

Устойчивость к химическим реакциям в большом диапазоне температур и по отношению к большой группе активных химических соединений способствует большому распространению полимерных материалов в химии и химической промышленности.

Низкая токсичность, химическая устойчивость, отсутствие аллергических реакций позволило синтетическим полимерам найти широкое применение в медицине. Это искусственные органы, производство лекарств – от упаковок, до оболочек медицинских препаратов (таблеток, капсул), шовные материалы, клеи.

Пищевая упаковка из полимерных материалов

Те же самые качества используются и в пищевой промышленности для изготовления посуды, упаковочной тары для готовых продуктов и в процессе их производства. Себестоимость упаковки синтетической тары в несколько раз меньше, чем у картонной, бумажной или из иных натуральных материалов.

В промышленности высокомолекулярные полимерные соединения используются для производства конструкционных материалов, узлов трения, несущих конструкций, лаков и красок.

Благодаря превосходным электроизолирующим свойствам пластики практически полностью вытеснили натуральные материалы в электротехнической промышленности. Изоляция проводов, корпуса приборов, печатные платы изготавливаются на основе полимерных материалов.

Жесткие обмоточные провода покрываются слоем синтетических лаков, при малой толщине обладающих высоким сопротивлением и прочностью, а гибкие монтажные проводники имеют оболочку из поливинилхлорида или полиэтилена, окрашенную в различные цвета для удобства обслуживании и ремонта.

На основе синтетических полимеров изготавливаются текстильные материалы большинства известных наименований. Ткани и одежда имеют в своем составе пряжу на основе полиамида, полиэстера, полипропилена. Как альтернатива натуральной шерсти выступает акрил, изделия из которого трудно отличить от натуральных.

Тот же самый полиамид, который служит заменой шелку, в монолитном состоянии имеет прочность, сравнимую со многими металлами. Если учесть, что полиамид, иначе называемый капрон или нейлон, химически инертен, а значит, не подвержен коррозии и имеет низкий коэффициент трения, то замена металлов синтетическими веществами вполне очевидна.

Еще более высокие качества имеют такие промышленные полимеры, как фторопласты – фторорганические соединения. Данные синтетические полимерные материалы имеют один из самых низких коэффициентов трения и самую высокую химическую устойчивость. Эти качества используются при производстве узлов трения, особенно в устройствах, работающих в агрессивной среде.

Когда нельзя произвести полноценную замену металлических конструкций искусственными материалами, выполняют покрытие металлической основы слоем пластика. Технологический процесс покрытия металла слоем пластика осуществляется таким образом, чтобы происходила связь основы и покрытия на молекулярном уровне. Этим достигается высокая прочность соединения.

Промышленные полимеры могут иметь самые различные виды. Используются как термопластичные материалы, так и термореактивные пластики.

В первом случае для изготовления деталей и конструкций используется метод литья или прессовки при температуре размягчения полимера, а во втором пластмасса формируется непосредственно в виде готового изделия или полуфабриката с минимальной последующей обработкой.

Среди промышленных синтетических полимеров можно выделить композиционные материалы, в которых наполнителем или армирующей составляющей могут служить самые различные материалы, а связующим веществом выступает полимер.

Наиболее известны такие композиционные материалы:

• Стеклопластик – стекловолокно или ткань на его основе, пропитанные эпоксидной полимерной смолой. Данный композит имеет высокую прочность, отличные электроизоляционные свойства, устойчивость к неблагоприятным факторам, высокую огнестойкость.
• Углепластик – армирующим элементом здесь выступает углеродное волокно. Прочность и упругость конструкций из углепластиков, наряду с их легкостью (значительно легче металлов) послужили поводом для использования в аэрокосмическом направлении промышленности. Комплекс полезных качеств в этой области имеет более высокий приоритет, чем высокая стоимость, связанная с трудоемкостью получения углеродных волокон.
• Текстолит – тканевый слоистый материал, в котором слои ткани пропитаны полимерным материалом. Ткань используется натуральная или искусственная. Самый прочный и надежный вариант – стеклотекстолит, использующий ткань из стеклянного волокна;
• Порошковые композиты, имеющие наполнитель из порошкообразных материалов натурального или искусственного происхождения;
• Газонаполненные материалы – вспененные полимеры. Это всем известный поролон, пенопласт, пенополиуретан. Газонаполненные материалы обладают чрезвычайно низкой теплопроводностью и используются в качестве теплоизоляционных материалов. Мягкость, пластичность наряду с прочностью послужили широкому распространению пенопластовых упаковочных материалов для нетяжелой, но требующей бережного обращения техники.

  Ремонт крыльчатки насосной станции своими руками

Классификация синтетических полимеров

Существует несколько классификационных групп полимеров, в зависимости от определяющего признака. В первую очередь, это:

• Искусственные полимеры, созданные на основе природных органических полимеров (целлюлоза – целлулоид, каучук – резина);
• Синтетические полимеры, в основе которых синтез из низкомолекулярных соединений (стирол – полистирол, этилен – полиэтилен).

По химическому составу деление таково:

• Органические, имеющие в составе преимущественно углеводородные цепочки;
• Элементоорганические, включающие в органические цепочки неорганические атомы (кремний, алюминий). Наиболее яркий пример – кремнийорганические композиции.

В зависимости от типов цепочек молекулярного состава, можно указать следующие виды структуры полимеров:

• Линейные, у которых мономеры соединены в длинные прямые цепочки;
• Разветвленные;
• С сеточной структурой.

Варианты структуры полимеров

Все полимерные соединения по-разному характеризуются по отношению к температуре. Таким образом, их делят на две группы:

• Термопластичные, для которых воздействие температуры оказывает обратимые изменения – нагрев, плавление;
• Термореактивные, необратимо изменяющие свою структуру при нагреве. В большинстве случаев этот процесс происходит без стадии плавления.

Существует еще несколько типов классификации полимеров, к примеру, по полярности молекулярных цепочек. Но данная квалификация необходима только узким специалистам.

Многие типы полимеров используются в самостоятельном виде (полиэтилен, полиамид), но значительное количество применяется в качестве композиционных материалов, где выполняет роль связующего элемента между органической и неорганической основой – пластики на основе стеклянных или углеродных волокон. Часто можно встретить комбинацию полимер – полимер (текстолит, у которого полимерная ткань пропитана полимерным связующим).

Полимеры: что это, применение, свойства, перспективы | РБК Тренды

Shutterstock

Жизнь сейчас трудно представить без полимеров. Из них созданы гаджеты, одежда, запчасти и даже контактные линзы. Да и сама молекула ДНК — тоже полимер. РБК Тренды выяснили, какими бывают полимеры и как их получают

У слова «полимер» греческое происхождение: pollá (многие) и méros (часть). Полимеры — это вещества, которые состоят из множества мономеров (структурные звенья). По строению полимеры бывают линейными, разветвленными или сетевыми. Количество мономерных звеньев и молекулярная масса каждого из них влияют на свойства будущего материала.

Название синтетических полимеров, используемых в статье:

• Полиэтилен — термопластичный полимер этилена.
• Полиуретан — сырьем для этого полимера служит полиол. Его получают из сырой нефти.
• Полиамид — получается в результате химической переработки угля, газа и нефти.
• Поливинилхлорид (ПВХ) — синтетический термопластик, который состоит из хлора и этилена.
• Бакелит — продукт реакции фенола и формальдегида под давлением при высоких температурах.
• Полистирол — материал, который получают в результате полимеризации стирола.
• Полиметилметакрилат (оргстекло) — полимер, который пропускает свет, и внешне похож на стекло.
• Полиэфирное волокно — используется в качестве наполнителя в игрушках, одеялах, подушках, мебели.
• Полипропилен — твердое вещество, которое получается в результате полимеризации пропилена (бесцветный газ).
• Полиамиды — в эту группу пластмасс входят найлон, капрон, анид.
• Тефлон — полимер, который содержит углерод и фтор (политетрафторэтилен).
• Полимерные композиты — изготавливаются из двух и более компонентов. В качестве основного (матрицы) выступает полимер.
• Полиакриламид (ПАА) — полимер белого цвета без запаха. Растворяется в воде, в ледяной уксусной и молочной кислотах и глицерине, но не растворяется в этаноле, метаноле и ацетоне.

Применение полимеров

Полимеры в нефтегазовой промышленности

Нефть и газ — это не просто источник топлива для большинства видов транспорта, но и сырье для химического производства. Именно из нефтепродуктов создают большинство видов полимеров.

Также полученные полимеры используются и в самом процессе добычи. Так, для увеличения производительности и очистки трубопроводов используют полиакриламид (ПАА) и его производные. Этот технический водорастворимый полимер помогает увеличивать максимальную пропускную способность нефтепровода и улучшает качество перекачиваемой нефти. Его же используют при ремонтных работах в скважинах.

В медицине

Медицинская сфера уже давно и активно использует изделия из полимеров. Среди них: штифты, одноразовые шприцы, инструменты для хирургии, контейнеры для плазмы и крови, контактные линзы, лабораторная посуда, хирургические нити, бахилы, протезы, искусственные органы и даже полимерные наногели для доставки лекарств.

Изучение возможностей полимеров на этом не останавливается. Так, студенты и профессоры Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» в 2017 году решили усовершенствовать полиэтилен, чтобы использовать его в качестве замены костей, суставов и мышц. По мнению ученых, если доработать идею, то срок годности импланта из этого материала составит не менее 15 лет.

В автомобилестроении

Предприятия автомобильной промышленности используют не менее 100 видов полимерных материалов при производстве транспортных средств. Так, колпаки колес, приборные панели и некоторые части двигателя сделаны из полипропилена.

Сиденья выполнены из полиуретана, коврики — из полиэтилена. В рычагах включения привода, шестернях, бензобаке, аккумуляторе, корпусах предохранителей есть полиамид. Проводку делают из поливинилхлорида (ПВХ). Этот термопластичный полимер винилхлорида знаком жителям всего мира.

Из него обычно изготавливаются линолеум и натяжные потолки.

В строительстве

Не отстает от других и строительная сфера. Из полимеров создают электротехнические конструкции, кабели, провода, трубы, изоляционные эмали, лаки, пленки, сетки, ограждения и защитные покрытия. Более того, полимеры добавляются в состав железобетона и бетона. Это позволяет улучшить качество строительных материалов.

В пищевой промышленности

Полимеры в пищевой промышленности обязаны соответствовать определенным санитарно-гигиеническим требованиям. Они не должны влиять на органолептические свойства продуктов (вкус, цвет, запах), а также содержать токсичные компоненты. Полимеры используются не только в производстве оборудования для пищевой промышленности, но и в упаковочных материалах.

• Оборудование. К примеру, в консервной и молочной промышленности звенья транспортерных лент изготовлены из полиамидов или полиэтилена высокой плотности. А для того, чтобы сырье и полуфабрикаты не прилипали к поверхности оборудования, на металлические конструкции наносят специальные полимерные покрытия.
• Полимерная упаковка. Она позволяет сохранять миллионы тонн сельскохозяйственной продукции и продовольствия в магазинах. Так, одноразовые многослойные пленки сохраняют продукты на 20% дольше без добавления консервантов.

Свойства полимеров

1. Ударопрочность. По способности выдерживать механическую нагрузку полимеры ничем не уступают некоторым металлам. Поэтому полимеры используют при создании автомобильных бамперов, защитных чехлов и не только.
2. Пластичность и эластичность. Таким свойством обладают, например, природные и синтетические каучуки.

   Именно поэтому их используют при создании автомобильных шин, шланги, оболочки проводов и кабелей, подошвы для обуви, воздушные шарики и не только.

3. Отражательная способность. Благодаря этому свойству из полимеров создают специальные светоотражающие пленки. Обычно их используют для индикации предметов в темное время суток.

   К примеру, светоотражающие материалы применяют при организации дорожного движения, создании билбордов и баннеров.

4. Электроизоляция. Полимеры — диэлектрики (не пропускают через себя электрический ток).

   Их можно использовать не только в качестве изоляционных материалов в электрооборудовании, но и при изготовлении рукояток инструмента для работы с токопроводящими деталями.

Природные и синтетические полимеры

Природные

Природные полимеры встречаются повсюду. Они представляют собой макромолекулы, созданные самой природой без участия человека. Приведем ряд примеров.

• Полисахариды. В эту большую группу природных полимеров относят крахмал и целлюлозу. Они отличаются друг от друга своими свойствами. Так, крахмал легко растворяется в воде и его можно употреблять в пищу. Целлюлоза не растворяется в воде. Ее обычно используют при производстве бумаги и волокон для ткани.
• Белки (протеины) — природный полимер, который состоит из аминокислот. Именно белок отвечает за рост, строение и развитие живого организма.
• Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК) содержат всю информацию о человека: от болезней до талантов.
• Природный каучук. Это пластичный и вязкий полимер, который содержится в соке каучуконосных растений.

Синтетические

До XIX века промышленности хватало природных полимеров. Но со временем из-за нехватки ресурсов появилась потребность и в других материалах. Так, в 1909 году американский химик Лео Бакеланд пытался найти замену природному шеллаку (смола).

Но в итоге опыты помогли ему создать материал под названием бакелит. Он получился в результате реакции фенола и формальдегида под давлением при высоких температурах. Именно с этого открытия началась эра синтетических материалов.

В химических лабораториях началась разработка новых видов полимеров.

Обложка TIME за 22 сентября 1924 года с фотографией Бакеланда ( wikipedia.org)

• Перед Второй мировой войной в нескольких странах (Англия, Германия и США) стартовало производство синтетического каучука. В тоже время началась разработка полистирола, поливинилхлорида, полиметилметакрилата.
• В 1950-е годы ученые создали полиэфирное волокно и началось производство тканей на его основе. Тогда же появились полипропилен и полиэтилен низкого давления. Затем в массовое производство запустили полиуретаны.
• В 1960–1970-х годах удалось синтезировать полиамиды.

Как получают полимеры

Полимеры получают двумя способами: полимеризация и поликонденсация. У каждого свои особенности. Полимеризация — это процесс, при котором мономеры объединяются в цепи и удерживаются химическими связями. Полимеризацией получают полистирол, хлоропреновый и бутадиеновый каучуки, тефлон, полипропилен, полиэтилен.

«Полимеры получают реакцией соединения мономеров. Если говорить простым языком, то это бусы, где бусины — это мономеры. При получении полимеров не меняется состав. То есть какие атомы были в веществе, такие и остаются.

Меняется только их количество. И в зависимости от количества мономеров меняются их свойства», — объяснила РБК Трендам начальник лаборатории наливной станции «Нагорная» АО «Транснефть — Верхняя Волга» Алина Мусина.

При поликонденсации помимо полимера образуется еще и низкомолекулярное вещество (вода, спирт, хлороводород). В процессе поликонденсации образуются лавсан, полипептиды, фенолформальдегидные смолы. А вот капрон, например, можно получить сразу двумя способами.

Полимеры и пластмассы: в чем разница

Зачастую слово «полимер» используют как синоним понятию «пластмасса». Но это не так. Пластмасса — это лишь один из видов полимеров. Многие виды пластмасс синтезируют из нефти или углеводородного масла. В мире ежегодно производится более 380 млн т пластика. А в Мировой океан каждый год попадает около 8 млн т предметов из этого материала: бутылки, пакеты, рыболовные сети.

По мнению экологов, именно процесс производства пластмасс создал глобальный кризис отходов. Опасения защитников окружающей среды вызывает не только объем выбросов, но и сам процесс создания таких материалов.

По данным Greenpeace, при добыче нефти и газа в воздух и воду попадает масса токсичных веществ. Более 170 химикатов, которые используют при добыче сырья для пластмасс, вызывают множество болезней: от онкологии до ослабления иммунной системы.

Будущее полимеров

В будущем мир не сможет уйти от полимеров, уверены эксперты. С каждым годом они будут приобретать новые формы. На первый план уже сейчас начинают выходить «зеленые» полимеры. Речь идет о композитах, которые объединяют в себе сильные стороны природных и синтетических полимеров.

«Нужно понимать, что полимеры — это не только что-то твердое. Они могут быть жидкими, прозрачными, цветными, более гибкими, менее гибкими, пластичными. Это и объясняет их широкое применение во всех сферах нашей жизни», — добавила Алина Мусина.

Тем временем ученые и производители продолжают искать способы снизить экологический след от некоторых видов полимеров. Одни компании уменьшают количество первичного пластика и делают ставку на вторичную переработку, а другие разрабатывают альтернативные варианты.

Так, английская компания Polythene UK представила несколько видов упаковок на растительной основе. Сейчас предприятие производит компостируемый полиэтилен на основе крахмала.

Упаковку из такого материала не нужно перерабатывать — процесс разложения займет не более трех лет. Со временем они распадаются на природные элементы: биомассу, воду, углекислый газ, метан.

Еще одна альтернатива — полиэтилен из отходов сахарного тростника. Его можно использовать для крышек поддонов.