Materials polimèrics: tecnologia, tipus, producció i aplicació

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 10:21

Els materials polimèrics són compostos químics de molècula alta que consisteixen en nombrosos monòmers (unitats) de molècules petites de la mateixa estructura. Sovint, per a la fabricació de polímers s'utilitzen els següents components monomèrics: etilè, clorur de vinil, declorur de vinil, acetat de vinil, propilè, metacrilat de metil, tetrafluoroetilè, estirè, urea, melamina, formaldehid, fenol. En aquest article, analitzarem amb detall què són els materials polimèrics, quines són les seves propietats físiques i químiques, classificació i tipus.

Tipus de polímers

Una característica de les molècules d'aquest material és un gran pes molecular, que correspon al valor següent: М>5103. Els compostos amb un nivell inferior d'aquest paràmetre (M=500-5000) s'anomenen oligòmers. En els compostos de baix pes molecular, la massa és inferior a 500. Es distingeixen els següents tipus de materials polimèrics: sintètics i naturals. Aquests últims inclouen cautxú natural, mica, llana, amiant, cel·lulosa, etc. No obstant això, el lloc principal l'ocupen els polímers sintètics, que s'obtenen com a resultat d'un procés de síntesi química a partir de compostos de baix pes molecular. depenentdel mètode de fabricació de materials de gran molècula, es distingeixen els polímers, que es creen per policondensació o per una reacció d'addició.

polimerització

Aquest procés és una combinació de components de baix pes molecular en alt pes molecular per obtenir cadenes llargues. El nivell de polimerització és el nombre de "mers" en les molècules d'una composició determinada. Molt sovint, els materials polimèrics contenen de mil a deu mil de les seves unitats. Per polimerització s'obtenen els següents compostos d'ús habitual: polietilè, polipropilè, clorur de polivinil, politetrafluoroetilè, poliestirè, polibutadiè, etc.

Policondensació

Aquest procés és una reacció pas a pas, que consisteix a combinar un gran nombre de monòmers del mateix tipus, o un parell de grups diferents (A i B) en policapacitors (macromolècules) amb la formació simultània dels següents subproductes: alcohol metílic, diòxid de carboni, clorur d'hidrogen, amoníac, aigua, etc. La policondensació produeix silicones, polisulfones, policarbonats, plàstics amino, plàstics fenòlics, polièsters, poliamides i altres materials polimèrics.

Polyaddition

Aquest procés s'entén com la formació de polímers com a resultat de reaccions d'addició múltiple de components monomèrics que contenen combinacions de reaccions limitants a monòmers de grups insaturats (cicles actius o dobles enllaços). A diferència de la policondensació, la reacció de poliaddició transcorre sense cap subproducte. El procés més important d'aquesta tecnologia és el curat de resines epoxi i la producció de poliuretans.

Classificació dels polímers

La composició de tots els materials polimèrics es divideix en inorgànics, orgànics i organoelements. El primer d'ells (vidre silicat, mica, amiant, ceràmica, etc.) no contenen carboni atòmic. Es basen en òxids d'alumini, magnesi, silici, etc. Els polímers orgànics constitueixen la classe més extensa, contenen àtoms de carboni, hidrogen, nitrogen, sofre, halogen i oxigen. Els materials polimèrics organoelements són compostos que a les cadenes principals tenen, a més de les enumerades, àtoms de silici, alumini, titani i altres elements que es poden combinar amb radicals orgànics. Aquestes combinacions no es donen a la natura. Aquests són exclusivament polímers sintètics. Els representants característics d'aquest grup són els compostos basats en organosilici, la cadena principal dels quals està construïda a partir d'àtoms d'oxigen i silici.

Per obtenir polímers amb les propietats requerides, la tecnologia sovint no utilitza substàncies “pures”, sinó les seves combinacions amb components orgànics o inorgànics. Un bon exemple són els materials de construcció de polímers: metall-plàstics, plàstics, fibra de vidre, formigó de polímer.

Estructura dels polímers

La peculiaritat de les propietats d'aquests materials es deu a la seva estructura, que, al seu torn, es divideix en els següents tipus: lineal-ramificat, lineal, espacial.amb grans grups moleculars i estructures geomètriques molt específiques, així com escala. Considerem breument cadascun d'ells.

Els materials polimèrics amb una estructura ramificada linealment, a més de la cadena principal de molècules, tenen ramificacions laterals. Aquests polímers inclouen el polipropilè i el poliisobutilè.

Els materials amb una estructura lineal tenen cadenes llargues en ziga-zaga o en espiral. Les seves macromolècules es caracteritzen principalment per repeticions de llocs en un grup estructural d'un enllaç o unitat química de la cadena. Els polímers amb una estructura lineal es distingeixen per la presència de macromolècules molt llargues amb una diferència significativa en la naturalesa dels enllaços al llarg de la cadena i entre elles. Això fa referència als enllaços intermoleculars i químics. Les macromolècules d'aquests materials són molt flexibles. I aquesta propietat és la base de les cadenes de polímers, que condueixen a característiques qualitativament noves: alta elasticitat, així com l'absència de fragilitat en estat curat.

I ara anem a descobrir què són els materials polimèrics amb estructura espacial. Aquestes substàncies formen, quan es combinen macromolècules entre si, forts enllaços químics en direcció transversal. Com a resultat, s'obté una estructura de malla, que té una base no uniforme o espacial de la malla. Els polímers d'aquest tipus tenen una major resistència a la calor i rigidesa que els lineals. Aquests materials són la base de moltes substàncies estructurals no metàl·liques.

Les molècules de materials polimèrics amb una estructura d'escala consisteixen en un parell de cadenes connectades per un enllaç químic. Això incloupolímers organosilici, que es caracteritzen per una major rigidesa, resistència a la calor, a més, no interaccionen amb dissolvents orgànics.

Composició de fase dels polímers

Aquests materials són sistemes que consisteixen en regions amorfes i cristal·lines. El primer d'ells ajuda a reduir la rigidesa, fa que el polímer sigui elàstic, és a dir, capaç de grans deformacions reversibles. La fase cristal·lina ajuda a augmentar la seva resistència, duresa, mòdul elàstic i altres paràmetres, alhora que redueix la flexibilitat molecular de la substància. La relació entre el volum de totes aquestes àrees i el volum total s'anomena grau de cristal·lització, on el nivell màxim (fins al 80%) té polipropilès, fluoroplasts, polietilès d' alta densitat. Els clorurs de polivinil, els polietilès de baixa densitat tenen un grau de cristal·lització més baix.

Depenent de com es comporten els materials polímers quan s'escalfen, normalment es divideixen en termoestables i termoplàstics.

Polímers termoestables

Aquests materials tenen principalment una estructura lineal. Quan s'escalfen, s'estoveixen, però com a resultat de les reaccions químiques que hi tenen lloc, l'estructura canvia a una espacial i la substància es converteix en un sòlid. En el futur, aquesta qualitat es manté. Els materials compostos de polímer es construeixen sobre aquest principi. El seu escalfament posterior no suavitza la substància, sinó que només condueix a la seva descomposició. Per tant, la barreja termoestables acabada no es dissol ni es fonno està permès reciclar-lo. Aquest tipus de material inclou silicona epoxi, fenol-formaldehid i altres resines.

Polímers termoplàstics

Aquests materials, quan s'escalfen, primer s'estoven i després es fonen, i després s'endureixen quan es refreden. Els polímers termoplàstics no pateixen canvis químics durant aquest tractament. Això fa que el procés sigui totalment reversible. Les substàncies d'aquest tipus tenen una estructura lineal-ramificada o lineal de macromolècules, entre les quals actuen petites forces i no hi ha absolutament cap enllaç químic. Aquests inclouen polietilès, poliamides, poliestirens, etc. La tecnologia dels materials polimèrics de tipus termoplàstic permet la seva producció per emmotllament per injecció en motlles refrigerats per aigua, premsat, extrusió, bufat i altres mètodes.

Propietats químiques

Els polímers poden estar en els següents estats: sòlid, líquid, amorfa, fase cristal·lina, així com deformació altament elàstica, viscosa i vidriada. L'ús generalitzat de materials polimèrics es deu a la seva alta resistència a diversos medis agressius, com àcids concentrats i àlcalis. No estan subjectes a corrosió electroquímica. A més, amb l'augment del seu pes molecular, la solubilitat del material en dissolvents orgànics disminueix. I els polímers, que tenen una estructura tridimensional, generalment no es veuen afectats pels líquids esmentats.

Propietats físiques

La majoria dels polímers són aïllants, a més, són materials no magnètics. De tots els materials estructurals utilitzats, només aquests tenen la conductivitat tèrmica més baixa i la capacitat calorífica més alta, així com la contracció tèrmica (unes vint vegades més que la del metall). El motiu de la pèrdua d'estanquitat de diversos conjunts de segellat en condicions de baixa temperatura és l'anomenada transició vítrea del cautxú, així com la forta diferència entre els coeficients d'expansió dels metalls i els cautxús en estat vitrificat.

Propietats mecàniques

Els materials polimèrics tenen una àmplia gamma de característiques mecàniques, que depenen molt de la seva estructura. A més d'aquest paràmetre, diversos factors externs poden tenir una gran influència en les propietats mecàniques d'una substància. Aquests inclouen: temperatura, freqüència, durada o velocitat de càrrega, tipus d'estat de tensió, pressió, naturalesa de l'entorn, tractament tèrmic, etc. Una característica de les propietats mecàniques dels materials polimèrics és la seva resistència relativament alta amb una rigidesa molt baixa (en comparació amb als metalls).

Els polímers solen dividir-se en sòlids, el mòdul elàstic dels quals correspon a E=1–10 GPa (fibres, pel·lícules, plàstics) i substàncies suaus altament elàstiques, el mòdul elàstic de les quals és E=1– 10 MPa (goma). Els patrons i el mecanisme de destrucció d'ambdós són diferents.

Els materials polimèrics es caracteritzen per una pronunciada anisotropia de propietats, així com per una disminució de la resistència, el desenvolupament de fluïdesa sota càrrega a llarg termini. Juntament amb això ellstenen una resistència a la fatiga relativament alta. En comparació amb els metalls, es diferencien en una dependència més acusada de les propietats mecàniques de la temperatura. Una de les característiques principals dels materials polimèrics és la deformabilitat (pliabilitat). Segons aquest paràmetre, en un ampli rang de temperatures, s'acostuma a avaluar les seves principals propietats operatives i tecnològiques.

Materials per a sòls de polímer

Ara considerem una de les opcions per a l'aplicació pràctica dels polímers, revelant tota la gamma d'aquests materials. Aquestes substàncies s'utilitzen àmpliament en obres de construcció i reparació i acabats, en particular en paviments. L'enorme popularitat s'explica per les característiques de les substàncies en qüestió: són resistents a l'abrasió, tenen una conductivitat tèrmica baixa, tenen poca absorció d'aigua, són força fortes i dures i tenen qualitats de pintura i vernís elevades. La producció de materials polimèrics es pot dividir condicionalment en tres grups: linòleums (enrotllats), productes de rajoles i mescles per a la instal·lació de sòls sense costures. Fem una ullada ràpida a cadascuna ara.

Els linòleums es fabriquen a partir de diferents tipus de farciments i polímers. També poden incloure plastificants, coadjuvants de processament i pigments. Segons el tipus de material polimèric, es distingeixen polièster (gliftàlic), clorur de polivinil, cautxú, col·loxilina i altres recobriments. A més, segons l'estructura, es divideixen en sense base i amb una base aïllant acústica i tèrmica, monocapa i multicapa, amb una capa llisa i lanuda.i superfície ondulada, així com d'un sol i multicolor.

Els materials enrajolats fets a base de components de polímer tenen una abrasió, resistència química i durabilitat molt baixes. Segons el tipus de matèria primera, aquest tipus de productes polimèrics es divideixen en cumarona-clorur de polivinil, cumarona, clorur de polivinil, cautxú, fenolita, rajoles bituminoses, així com taulers d'aglomerat i taulers de fibra.

Els materials per a sòls sense costures són els més còmodes i higiènics d'utilitzar, tenen una gran resistència. Aquestes mescles solen dividir-se en ciment polimèric, formigó polimèric i acetat de polivinil.