Термопластичность, термореактивность, три состояния полимеров. Урок «Термопластичные полимеры

КЛАССИФИКАЦИЯ ВМС

1. Органические и неорганические

Органические ВМС являются основой живой природы входящие в состав растений, - полисахариды, белки, пектиновые вещества, крахмал. Торф, бурый уголь, каменные угли представляют собой продукты геологического превращения растительных тканей, главным образом целлюлозы и лигнина также должны быть отнесены к высокомолекулярным соединениям.
В основе живого мира также лежат ВМС - белки, являющиеся главной составной частью почти всех веществ животного происхождения.
Неорганические высокомолекулярные соединения играют большую роль в минеральном мире. Основная часть земной коры состоит из окислов кремния, алюминия и других многовалентных элементов, соединенных, по-видимому, в макромолекулы. Наиболее распространен среди этих окислов кремниевый ангидрид n , являющийся высокомолекулярным соединением. Более 50% всей массы земного шара состоит из кремниевого ангидрида, а в наружной части земной коры содержание его достигает 60%. Наиболее распространенной модификацией кремниевого ангидрида является кварц - важнейшая составная часть большинства горных пород и песка.

2. По происхождению высокомолекулярные соединения делят на природные , или биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), искусственные и синтетические (полиэтилен , полистирол , фенолформальдегидные смолы ).

3. В зависимости от расположения в макромолекуле атомов и атомных групп (по структуре) различают:

Макромолекулы высокомолекулярных соединений имеют линейное или разветвленное строение; при соединении их поперечными связями возникают трехмерные пространственные полимеры.

1) линейные высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых представляют собой открытую, линейную, цепь (каучук натуральный) или вытянутую в линию последовательность циклов (целлюлоза);

2) разветвленные высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых имеют форму линейной цепи с ответвлениями (амилопектин);

3) пространственные или сетчатые высокомолекулярные соединения - трехмерные сетки, образованные отрезками высокомолекулярных соединений цепного строения (пластмассы, дубленый коллаген, вулканизованный каучук).

Структура	Линейная	Разветвлённая	Пространственная
Примеры	натуральный каучук, целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон	крахмал, полипропилен, полиэтилен высокого давления	фенолформальдегидные полимеры, шерсть, резина
Свойства	Обладают гибкостью. Чем длиннее цепь полимера, тем больше гибкость. В результате гибкости макромолекулы полимеров постоянно меняют свою форму. Линейные полимеры имеют наибольшую плотность, их макромолекулы способны к ориентации вдоль оси направленного механического поля (это используется, например, при формовании волокон и пленок). Линейные полимеры термопластичны, растворимы	Гибкость разветвлённых макромолекул зависит от степени разветвления. Чем больше разветвлённость, тем меньше гибкость. Разветвленные полимеры термопластичны, растворимы	Полимеры сетчатого (пространственного) строения, не плавятся, не растворяются, а только набухают в растворителях; определение молекулярной массы для таких полимеров утрачивает смысл (нет отдельных макромолекул, все цепи сшиты в единую сетку). Сетчатые структуры могут быть получены из термореактивных полимеров.

Гибкость макромолекул - это их способность обратимо (без разрыва химических связей) изменять свою форму. Степень гибкости макромолекул полимеров определяет область их применения.

4. По строению

Химическое строение макромолекул - это порядок соединения структурных звеньев в цепи.

Структурные звeнья несимметричного строения, например,

могут соединяться между собой двумя способами:

Полимеры, макромолекулы которых построены одним из этих способов, называют регулярными .

Полимеры нерегулярного строения образованы произвольным сочетанием обоих способов соединения звeньев.

Полимер называется стереорегулярным , если заместители R в основной цепи макромолекул расположены упорядоченно:

или все они находятся по одну сторону от плоскости цепи (такие полимеры называют изотактическими )

или строго очередно по одну и другую стороны от этой плоскости (синдиотактические полимеры )

Стереорегулярные полимеры способны кристаллизоваться, они обладают большей прочностью и теплостойкостью.

Если боковые заместители в макромолекулах располагаются в беспорядке относительно плоскости основной цепи, то такой полимер является стереонерегулярным или атактическим .

Атактические полимеры не способны кристаллизоваться и уступают по большинству эксплуатационных свойств стереорегулярным полимерам такого же химического состава.

5. По отношению к нагреванию различают:

Термопластичность – свойство тел изменять форму в нагретом состоянии и сохранять её после охлаждения.

ТЕРМОПЛАСТЫ – п ластмассы, которые после формования изделия сохраняют способность к повторной переработке. Наиболее распространены термопласты на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола.

РЕАКТОПЛАСТЫ – т ермореактивные пластмассы, пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала (происходит отверждение). Наиболее распространены реактопласты на основе феноло-формальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол. Содержат обычно большие количества наполнителя - стекловолокна, сажи, мела и др.

6. По способам образования полимеры делятся на получаемые в результате реакции полимеризации или реакции поликонденсации.

1). Пoлимеризация – реакция образования высокомолекулярных соединений путем последовательного присоединения молекул мономера к растущей цепи.

Например, полимеризация этилена записывается следующим образом:

n CH 2 =CH 2 → (–CH 2 –CH 2 –) n

или С H 2 =CH 2 + CH 2 =CH 2 + CH 2 =CH 2 + ... →

→ -CH 2 –CH 2 - + -CH 2 –CH 2 - + -CH 2 –CH 2 - + ... → (– СН 2 – С H 2 –) n

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией .

Пример. Схема сополимеризации этилена с пропиленом:

2). Пoликонденсация – процесс образования высокомолекулярных соединений, протекающий по механизму замещения и сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов.

Видео-опыт «Получение пластмасс на примере резорцинформальдегидной смолы»

Видео-опыт «Получение пенопласта»

Например, получение капрона из ε-аминокапроновой кислоты:

n H 2 N-(CH 2) 5 -COOH → H-[-NH-(CH 2) 5 -CO-] n -OH + (n-1) H 2 O

или лавсана из терефталевой кислоты и этиленгликоля:

n HOOC-C 6 H 4 -COOH + n HO-CH 2 CH 2 -OH →

→ HO-(-CO-C 6 H 4 -CO-O-CH 2 CH 2 -O-) n -H + (n-1) H 2 O

Поликонденсация является основным способом образования природных полимеров в естественных условиях.

Пластмассы – материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные органические вещества – полимеры.

В зависимости от условий полимеризации различают три вида полиэтилена.

1. Полиэтилен высокого давления (ВД) или низкой плотности (НП), получаемый при давлении 1000-3000 атм и температуре около 180°С; инициатором служит кислород (радикальная полимеризация). Макромолекулы полиэтилена, полученного этим способом имеют разветвленное строение, этим объясняется его невысокая плотность (менее плотная упаковка макромолекул).

2. Полиэтилен среднего давления (полиэтилен СД) получают в среде разбавителя при 35-40 атм и 125-150°С на металлоксидных катализаторах.

3. Полиэтилен низкого давления (НД) или высокой плотности (ВП). Полимеризацию проводят в среде органического растворителя при давлении около 5 атм и температуре ниже 80°С. Катализаторами являются металлорганические комплексы (катализаторы Циглера-Натта). Процесс идет по ионному механизму.

Несмотря на то, что различные виды полиэтилена получают из одного и того же мономера, они представляют собой совершенно различные материалы, отличаясь друг от друга не меньше, чем от других полимеров. Это объясняется различными геометрическими формами макромолекул и разной способностью к кристаллизации.

Полиэтилен высокого давления состоит из разветвленных макромолекул и представляет собой мягкий и эластичный материал. Полиэтилены среднего и низкого давления, имеющие линейное строение и довольно высокую степень кристалличности (85-90%), – жесткие продукты. Все полиэтилены обладают высокой морозостойкостью (низкой температурой хрупкости) и могут эксплуатироваться при температурах до -70°С, некоторые марки сохраняют свои ценные свойства при температурах ниже -120°С. Полиэтилены, являясь предельными углеводородами, стойки по отношению ко многим агрессивным средам (кислотам, щелочам и т.д.) и органическим жидкостям.

В промышленности полиэтилен разных марок выпускается в виде блоков, листов и гранул. Перерабатываются они в изделия главным образом методом литья под давлением, экструзии (выдавливание размягченного полимера через сопло шприц-машины) и выдувания. Из полиэтилена производят бесшовные коррозионно-стойкие трубки, изоляционные оболочки электропроводов и пленки, широко применяемые в качестве упаковочного материала, для изготовления покрытий, перегородок, в сельском хозяйстве и т.д. При помощи литья под давлением или выдувания получают различную тару (бутылки, ведра и т.п.). Благодаря прекрасным диэлектрическим свойствам полиэтилен применяется для изоляции электрических кабелей в телевидении, радиолокации и многопроводной телефонной связи.

Полиэтилен хорошо сваривается. Пропуская струю сжатого воздуха со взвешенными в ней частицами полимера через воздушно-ацетиленовое пламя и направляя эту струю на металлические изделия, можно покрыть их сплошным защитным слоем (метод газопламенного напыления).

Существенным недостатком полиэтилена является его быстрое старение, которое, однако, можно резко замедлить при введении в полимер противостарителей (фенолы, амины, газовая сажа).

Изделия из полиэтилена

Полипропилен

Полимеризация пропилена осуществляется в условиях, близких к тем, которые применяются при получении полиэтилена низкого давления. При этом образуется стереорегулярный (изотактический) полипропилен. Этот полимер легко кристаллизуется и обладает высокой температурой плавления (175° С). Кристаллический полипропилен – наиболее легкий из всех известных жестких полимеров (относительная плотность 0,9); он отличается высокой прочностью на разрыв и твердостью. Благодаря кристаллической структуре стереорегулярный полипропилен сохраняет форму и хорошие механические свойства вплоть до температуры плавления и может поэтому подвергаться обычной стерилизации. По прочности полипропилен превосходит полиэтилен, но уступает ему по морозостойкости (температура хрупкости от -5 до-15° С). Однако этот недостаток устраняется путем введения в макромолекулу изотактического полипропилена звеньев этилена (например, при сополимеризации пропилена с этиленом).

Стереорегулярный полипропилен обладает такими же диэлектическими свойствами, как и полиэтилен, но более химически устойчив при повышенных температурах. При помощи тех же методов, которые используются при переработке полиэтилена, из полипропилена изготовляют трубы для горячих жидкостей, прозрачные пленки с низкой проницаемостью для жидкостей и газов, бутылки и различные сосуды для химической промышленности.

Полипропилен является экологически чистым материалом. За столь ценные свойства он получил титул "короля пластмасс".

При сополимеризации пропилена с этиленом получают некристаллизующиеся сополимеры, которые проявляют свойства каучука, отличающегося повышенной химической стойкостью и сопротивлением старению.

Политетрафторэтилен (тефлон)

Полимеризация тетрафторэтилена проводится обычно водно-эмульсионным способом при 70-80° С и давлении 40-100 атм в присутствии инициаторов.

Вследствие симметричного линейного строения политетрафторэтилен

CF 2 -CF 2 -CF 2 -CF 2 -CF 2 -CF 2 -..., или (-CF 2 -CF 2 -) n , или (-CF 2 -) 2n

имеет кристаллическую структуру и высокую температуру плавления (320-327°С). Суммарный дипольный момент полимера равен 0, поэтому тефлон является прекрасным диэлектриком. Температурный интервал эксплуатации очень велик: от -190° С до +300° С. При этом полимер отличается высокой химической стойкостью.

Для переработки тефлона в изделия применяется метод холодного прессования порошкообразного полимера в цилиндрические заготовки, которые затем подвергаются механической обработке на токарных станках.

Тефлон используется в химическом машиностроении для изготовления пластин, кранов, вентилей, клапанов и т.д., применяемых при высокой температуре в среде концентрированных минеральных кислот. Высокое сопротивление износу и низкий коэффициент трения сделали тефлон незаменимым материалом для производства подшипников, работающих в агрессивных средах или в контакте со сжиженными газами (кислород, водород и т.п.) и не требующих смазки.

Фенопласты – пластмассы полученные из (текстолит, волокнит, гетинакс, стеклопласт, карболит) .

Термопластичными называют полимеры, способные многократно размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Эти и многие другие свойства термопластичных полимеров объясняются линейным строением их макромолекул. При нагревании взаимодействие между молекулами ослабевает и они могут сдвигаться одна относительно другой (как это происходит с частицами влажной глины), полимер размягчается, превращаясь при дальнейшем нагревании в вязкую жидкость.

Линейным строением молекул объясняется также способность термопластов не только набухать, но и хорошо растворяться в правильно подобранных растворителях. Тип растворителя зависит от химической природы полимера. Растворы полимеров, даже очень небольшой концентрации (2…5%), отличаются довольно высокой вязкостью, причиной этого являются большие размеры полимерных молекул по сравнению с молекулами обычных низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя полимер вновь переходит в твердое состояние. На этом основано использование растворов термопластов в качестве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и полимеррастворах.

К недостаткам термопластов относятся низкая теплостойкость (обычно не выше 80… 120 °С), низкая поверхностная твердость, хрупкость при пониженных температурах и текучесть при высоких, склонность к старению под действием солнечных лучей и кислорода воздуха.

В строительстве используется около 20…25 % производимых полимеров. Главнейшие термопластичные полимеры, применяемые в строительстве - поливинилхлорид, полистирол, полиэтилен и полипропилен, а также поливинилацетат, полиакрилаты, полиизобутилен и др.

Полиэтилен - продукт полимеризации этилена - самый распространенный в наше время полимер. Полиэтилен роговидный, жирный на ощупь, просвечивающийся материал, легко режется ножом; при поджигании горит и одновременно плавится с характерным запахом горящего парафина. При комнатной температуре полиэтилен практически не растворяется ни в одном из растворителей, но набухает в бензоле и хлорированных углеводородах; при температуре выше 70. ..80 °С он растворяется в указанных растворителях.

Полиэтилен обладает высокой химической стойкостью, биологически инертен. Под влиянием солнечного излучения (УФ его составляющей) полиэтилен стареет, теряя эксплуатационные свойства.

При нагреве до 50…60 °С полиэтилен снижает свои прочностные показатели, но при этом сохраняет эластичность до минус 60…70 °С. Полиэтилен хорошо сваривается и легко перерабатывается в изделия. Из него изготавливают пленки (прозрачные и непрозрачные), трубы, электроизоляцию. Вспененный полиэтилен в виде листов и труб используется для целей теплоизоляции и герметизирующих прокладок.

Недостатки полиэтилена - низкая теплостойкость и твердость, горючесть, быстрое старение под действием солнечного света. Защищают полиэтилен от старения, вводя в него наполнители (сажу, алюминиевую пудру) и/или специальные стабилизаторы.

Полипропилен - полимер, по составу близкий к полиэтилену. При синтезе полипропилена образуется несколько различных по строению полимеров: изотактический, атактический и синдиотактический.

Максимальная температура эксплуатации для изделий из полипропилена 120…140 °С, но изделия, находящиеся в нагруженном состоянии, например трубы горячего водоснабжения, не рекомендуется использовать при температуре выше 75 °С.

Применяют полипропилен практически для тех же целей, что и полиэтилен, но изделия из него более жесткие и формоустойчивые.

Атактический полипропилен (АПП) получается при синтезе полипропилена как неизбежная примесь, но легко отделяется от изотактического полипропилена экстракцией (растворением в углеводородных растворителях).

Полиизобутилен - каучукоподобный термопластичный полимер.

Полистирол (поливинилбензол) - прозрачный полимер плотностью 1050…1080 кг/м; при комнатной температуре жесткий и хрупкий, а при нагревании до 80… 100 °С размягчающийся. Прочность при растяжении (при 20 °С) 35…50 МПа. Полистирол хорошо растворяется в ароматических углеводородах (влияние бензольного кольца, входящего в состав молекул полистирола), сложных эфирах и хлорированных углеводородах. Полистирол горюч и хрупок.

В строительстве полистирол применяют для изготовления теплоизоляционного материала - пенополистирола (плотностью 15…50 кг/м), облицовочных плиток и мелкой фурнитуры. Раствор полистирола в органических растворителях - хороший клей.

Поливинилацетат - прозрачный бесцветный жесткий при комнатной температуре полимер плотностью 1190 кг/м. Поливинилацетат растворим в кетонах (ацетоне), сложных эфирах, хлорированных и ароматических углеводородах, набухает в воде; в алифатических и терпеновых углеводородах не растворяется. Поливинилацетат не стоек к действию кислот и щелочей; при нагреве выше 130… 150 °С он разлагается с выделением уксусной кислоты. Положительное свойство поливинилацетата - высокая адгезия к каменным материалам, стеклу, древесине.

В строительстве поливинилацетат применяют в виде поливинилацетатной дисперсии (ПВАД) - сметанообразной массы белого или светло-кремового цвета, хорошо смешивающейся с водой. Поливинилацетатную дисперсию получают полимеризацией жидкого винилацетата, эмульсированного в виде мельчайших частиц (до 5 мкм) в воде.

Поливинилацетат широко применяют в строительстве. На его основе делают клеи, вододисперсионные краски, моющиеся обои. ПВАД применяют для устройства наливных мастичных полов и для модификации цементных растворов. Дисперсией, разбавленной до 5…10 -ной концентрации, грунтуют бетонные поверхности перед приклеиванием облицовки на полимерных мастиках и перед нанесением полимерцементных растворов.

Недостаток материалов на основе дисперсий поливинилацетата - чувствительность к воде: материалы набухают, и на них могут появиться высолы.

Поливинилхлорид - самый распространенный в строительстве полимер - представляет собой твердый материал без запаха и вкуса, бесцветный или желтоватый (при переработке в результате термодеструкции может приобрести светло-коричневый цвет).Температура текучести поливинилхлорида 180…200 °С, но уже при нагревании выше 160 °С.

Поливинилхлорид хорошо совмещается с пластификаторами. Это облегчает переработку и позволяет получать пластмассы с самыми разнообразными свойствами: жесткие листы и трубы, эластичные погонажные изделия, мягкие пленки.

Поливинилхлорид хорошо сваривается; склеивается он только некоторыми видами клеев, например перхлорвиниловым. Положительное качество поливинилхлорида - высокие химическая стойкость, диэлектрические показатели и низкая горючесть.

В строительстве поливинилхлорид применяют для изготовления материалов для полов (различные виды линолеума, плитки), труб, погонажных изделий (поручни, плинтусы сайдинг и т. п.) и отделочных декоративных пленок и пенопластов.

Перхлорвинил - продукт хлорирования поливинилхлорида, содержащий 60…70 (по массе) хлора, вместо 56 % в поливинилхлориде. Плотность перхлорвинила около 1500 кг/м. Он характеризуется очень высокой химической стойкостью (к кислотам, щелочам, окислителям); трудносгораем. В отличие от поливинилхлорида перхлорвинил легко растворяется в хлорированных углеводородах, ацетоне, этилацетате, толуоле, ксилоле и других растворителях.

Положительное качество перхлорвинила - высокая адгезия к металлу, бетону, древесине, коже и поливинилхлориду. Сочетание высокой адгезии и хорошей растворимости позволяет использовать перхлорвинил в клеях и окрасочных составах. Перхлорвиниловые краски благодаря высокой стойкости этого полимера используют для отделки фасадов зданий.

Поликарбонаты - сравнительно новая для строительства группа полимеров - сложных эфиров угольной кислоты. Они отличаются высокими физико-механическими показателями, мало изменяющимися в интервале температур от - 100 до + 150 ºС. Плотность поликарбонатов 1200 кг/м 3 ; прочность при растяжении 65 ± 10 МПа при относительном удлинении 50…100 %; у них высокая ударопрочность и твердость (НВ 15…16 МПа).

Перерабатывают поликарбонат в изделия экструзией, литьем под давлением горячим прессованием и др. Он легко обрабатывается механическими методами, сваривается горячим воздухом и склеивается с помощью растворителей. Поликарбонаты оптически прозрачны, устойчивы к атмосферным воздействиям, в том числе и к УФ-облучению. Их широко применяют для электротехнических изделий (розеток, вилок, телефонных аппаратов и т.п.). В строительстве листовой поликарбонат и пустотелые (сотовые) панели используют для светопрозрачных ограждений.

Кумароноинденовые полимеры - полимеры, получаемые полимеризацией смеси кумарона и индена, содержащихся в каменноугольной смоле и продуктах пиролиза нефти.

Кумароноинденовый полимер имеет небольшую молекулярную массу (менее 3000) и в зависимости от ее значения может быть каучукоподобным или твердым хрупким материалом. Снизить хрупкость кумароноинденовых полимеров можно совмещая их с каучуками, фенолформальдегидными смолами и другими полимерами. Эти полимеры хорошо растворяются в бензоле, скипидаре, ацетоне, растительных и минеральных маслах.

Кумароноинденовые полимеры в расплавленном или растворенном виде хорошо смачивают другие материалы, а после затвердевания сохраняют адгезию к материалу, на который были нанесены. Из них изготовляют плитки для полов, лакокрасочные материалы и приклеивающие мастики.

Однако на практике не все термопласты так просто можно перевести в вязкотекучее состояние, так как температура начала термического разложения некоторых полимеров ниже температуры их перехода в вязкотекучее состояние (это характерно, в частности, для поливинилхлорида, фторпластов и др.). В таком случае используют различные технологические приемы, снижающие температуру текучести (например, вводят пластификаторы) или задерживающие термодеструкцию (введением стабилизаторов, переработкой в среде инертного газа).

Но положительные свойства пластмасс на основе термопластичных полимеров (см. п. 15.1) с лихвой компенсируют недостатки последних. Среди термопластов выделяют группу важнейших, называемых многотоннажными, годовое производство которых в мире достигает более 5 млн т в год (табл. 9.2). С учетом низкой плотности полимеров (почти в 8 раз ниже, чем у стали) объемы их производства сравнимы с объемами производства металлов.

В строительстве используется около 20…25 % производимых полимеров. Главнейшие термопластичные полимеры, применяемые в строительстве,- поливинилхлорид, полистирол, полиэтилен и полипропилен, а также поливинилацетат, полиакрилаты, полиизобути-лен и др.

Кроме полимеров, получаемых из одного мономера, синтезируют сополимеры - продукты, получаемые совместной полимеризацией (сополимеризацией) двух и более мономеров. В таком случае образуются материалы с новым комплексом свойств. Так, винилацетат по-лимеризуют совместно с этиленом для получения сополимера более прочного и водостойкого, чем поливинилацетат, но сохраняющего его высокие адгезионные свойства. Широкий спектр сополимеров выпускают на базе акриловых мономеров.

Полиэтилен (-СН2 - СН2 -)„ - продукт полимеризации этилена - самый распространенный в наше время полимер. Полиэтилен роговидный, жирный на ощупь, просвечивающийся материал, легко режется ножом; при поджигании горит и одновременно плавится с характерным запахом горящего парафина. При комнатной температуре полиэтилен практически не растворяется ни в одном из растворителей, но набухает в бензоле и хлорированных углеводородах; при температуре выше 70. ..80 °С он растворяется в указанных растворителях.

Впервые полиэтилен был синтезирован в 1932 г. методом высокого давления. Более эффективный метод низкого давления появился в 1953 г. В настоящее время полиэтилен синтезируют несколькими методами. При этом получают полиэтилен двух типов: высокой плотности (на изделиях из него стоит аббревиатура PEHD - Polyethilen High Dencity) и низкой плотности (PELD - Polyethilen Low Dencity), различающиеся строением молекул и физико-механическими свойствами. Полиэтилен высокой плотности с меньшей разветвленностью молекул имеет большую степень кристалличности, чем полиэтилен низкой плотности.

Для повышения теплостойкости полиэтилена производят его молекулярную сшивку. Изделия из сшитого полиэтилена (РЕХ) могут работать при температуре до 95 °С и выдерживать кратковременный нагрев до 125… 130 °С. При этом полиэтилен теряет способность свариваться. Сшитый полиэтилен используют при производстве труб и электрических кабелей.

Полипропилен [-СН2 - СН(СН2)-]„ - полимер, по составу близкий к полиэтилену. При синтезе полипропилена образуется несколько различных по строению полимеров: изотактический, атактический и синдиотактический.

В основном применяется изотактический полипропилен. Он отличается от полиэтилена большей твердостью, прочностью и теплостойкостью (температура размягчения около 170 °С), но переход в хрупкое состояние происходит уже при минус 10…20 “С. Плотность полипропилена 920…930 кг/м; прочность при растяжении 25…30 МПа; относительное удлинение при разрыве 200…800%. Полипропилен плохо проводит тепло - А. = 0,15 Вт/(м * К).

Максимальная температура эксплуатации для изделий из полипропилена 120… 140 °С, но изделия, находящиеся в нагруженном состоянии, например трубы горячего водоснабжения, не рекомендуется использовать при температуре выше 75 °С.

Атактический полипропилен (АПП) получается при синтезе полипропилена как неизбежная примесь, но легко отделяется от изотакти-ческого полипропилена экстракцией (растворением в углеводородных растворителях). АПП - мягкий эластичный продукт плотностью 840…845 кг/м с температурой размягчения 30…80 “С. Применяют АПП как модификатор битумных композиций в кровельных материалах (см. п. 16.2).

Полиизобутилен [- СН2 – С(СН3)2 – СН2 -] - каучукоподоб-ный термопластичный полимер, подробно описанный в п. 9.5.

Полистирол (поливинилбензол) [- СН2 - СН(С6Н5) -] - прозрачный полимер плотностью 1050… 1080 кг/м; при комнатной температуре жесткий и хрупкий, а при нагревании до 80… 100 °С размягчающийся. Прочность при растяжении (при 20 °С) 35…50 МПа. Полистирол хорошо растворяется в ароматических углеводородах (влияние бензольного кольца, входящего в состав молекул полистирола), сложных эфирах и хлорированных углеводородах. Полистирол горюч и хрупок. Для снижения хрупкости полистирол синтезируют с Другими мономерами или совмещают с каучуками (ударопрочный полистирол).

Поливинилацетат [- СН2 – СН(СН2СОО) -] - прозрачный бесцветный жесткий при комнатной температуре полимер плотностью 1190 кг/м. Поливинилацетат растворим в кетонах (ацетоне), сложных эфирах, хлорированных и ароматических углеводородах, набухает в воде; в алифатических и терпеновых углеводородах не растворяется. Поливинилацетат не стоек к действию кислот и щелочей; при нагреве выше 130… 150 °С он разлагается с выделением уксусной кислоты. Положительное свойство поливинилацетата - высокая адгезия к каменным материалам, стеклу, древесине.

В строительстве поливинилацетат применяют в виде поливинила-цетатной дисперсии (ПВАД) - сметанообразной массы белого или светло-кремового цвета, хорошо смешивающейся с водой. Поливинилацетатную дисперсию получают полимеризацией жидкого винилацетата, эмульсированного в виде мельчайших частиц (до 5 мкм) в воде. Для стабилизации эмульсии винилацетата используют поливиниловый спирт [- СН2 - СН(ОН) -]. При полимеризации капельки винилацетата превращаются в твердые частицы поливинилацетата, таким образом получается поливинилацетатная дисперсия, стабилизатором которой служит тот же поливиниловый спирт. Содержание полимера в дисперсии около 50%.

Поливинилацетатная дисперсия выпускается средней (С), низкой (Н) и высокой (В) вязкости в пластифицированном и непласти-фицированном виде. Пластификатором служит дибутилфталат, содержание которого указывается в марке индексом. В грубодисперс-ной ПВАД, обычно применяемой в строительстве, содержание пластификатора следующее (% от массы полимера): 5… 10 (индекс 4), 10… 15 (индекс 7) и 30…35 (индекс 20).

По внешнему виду пластифицированная и непластифицирован-ная дисперсии почти не отличаются одна от другой. Поэтому, чтобы определить вид дисперсии, небольшое ее количество наносят на чистое стекло и выдерживают при комнатной температуре до высыхания. У пластифицированной дисперсии образуется прозрачная эластичная пленка, у непластифицированной - пленка ломкая, снимается со стекла с трудом, крошится.

Необходимо помнить, что пластифицированная дисперсия неморозостойка и при замораживании необратимо разрушается с осаждением полимера. Поэтому в зимнее время пластификатор поставляют в отдельной упаковке. Для пластификации пластификатор перемешивают с дисперсией и выдерживают 3…4 ч для его проникновения в частицы полимера. Непластифицированная дисперсия выдерживает не менее четырех циклов замораживания - оттаивания при температуре до -40 С. Срокхранения ПВАД при температуре 5…20 С - 6 мес.

Недостаток материалов на основе дисперсий поливинилацета-та - чувствительность к воде: материалы набухают, и на них могут появиться высолы. Это объясняется наличием в дисперсиях заметного количества водорастворимого стабилизатора и способностью самого полимера набухать в воде. Так как дисперсия имеет слабокислую реакцию (рН 4,5…6), при нанесении на металлические изделия возможна коррозия металла.

Поливинилхлорид (-СН2 - СНС1-) - самый распространенный в строительстве полимер - представляет собой твердый материал без запаха и вкуса, бесцветный или желтоватый (при переработке в результате термодеструкции может приобрести светло-коричневый цвет). Плотность поливинилхлорида 1400 кг/м; предел прочности при растяжении 40…60 МПа.

Температура текучести поливинилхлорида 180…200 °С, но уже при нагревании выше 160 °С он начинает разлагаться с выделением НС1. Это обстоятельство затрудняет переработку поливинилхлорида в изделия.

Перхлорвинил - продукт хлорирования поливинилхлорида, содержащий 60…70 (по массе) хлора, вместо 56% в поливинилхлори-де. Плотность перхлорвинила около 1500 кг/м. Он характеризуется очень высокой химической стойкостью (к кислотам, щелочам, окислителям); трудносгораем. В отличие от поливинилхлорида перхлорвинил легко растворяется в хлорированных углеводородах, ацетоне, этилацетате, толуоле, ксилоле и других растворителях.

После работы с составами, содержащими перхлорвиниловый полимер, необходимо тщательно вымыть руки горячей водой с мылом и смазать их жирным кремом (вазелином, ланолином и т. п.). При сильном загрязнении рук их предварительно вытирают ветошью, смоченной в уайт-спирите (применять для этой цели бензол, толуол, этилированный бензин запрещается).

Поликарбонаты - сравнительно новая для строительства группа полимеров - сложных эфиров угольной кислоты. Наибольший интерес представляют линейные ароматические поликарбонаты с молекулярной массой (30…35) * 10 , отличающиеся высокой температурой плавления (250 ± 20) °С и относящиеся к самозатухающим веществам. Они отличаются высокими физико-механическими показателями, мало изменяющимися в интервале температур от - 100 до + 150 “С. Плотность поликарбонатов 1200 кг/м3; прочность при растяжении 65 ± 10 МПапри относительном удлинении 50…100 %;уних высокая ударопрочность и твердость (НВ 15…16 МПа).

Перерабатывают поликарбонат в изделия экструзией, литьем под давлением горячим прессованием и др. Он легко обрабатывается механическими методами, сваривается горячим воздухом и склеивается с помощью растворителей. Поликарбонаты оптически прозрачны, устойчивы к атмосферным воздействиям, в том числе и к УФ-облуче-нию. Их широко применяют для электротехнических изделий (розеток, вилок, телефонных аппаратов и т.п.). В строительстве листовой поликарбонат и пустотелые (сотовые) панели используют для свето-прозрачных ограждений.

Кумароноинденовые полимеры - полимеры, получаемые полимеризацией смеси кумарона и индена, содержащихся в каменноугольной смоле и продуктах пиролиза нефти.

Наука различает два вида полимеров – натуральные и синтетические. Синтетические полимеры получаются путем очистки, модификации, температурной обработки и разбавления натурального полимера. По отношению к нагреву полимеры могут быть термопластичными и термореактивными. Термопластичные полимеры становятся мягкими при нагревании, и вновь затвердевают при снижении температуры.

Полимер – длинная цепочка макромолекул, которые выстроены в одинаковые множественно повторяющиеся звенья. Эти звенья называют мономерами, они соединены в цепочку ковалентными химическими связями.

Полимеры отличаются большим количеством звеньев – от сотен до десятков тысяч. По своей молекулярной структуре полимеры делятся на:

линейные;
сетчатые;
разветвленные;
пространственные.

Линейные полимеры могут быть также и термопластичными. Это обусловлено их физическими свойствами по изменению структуры, пластичности при воздействии на них повышенных температур. Линейный полимер считаются более мягким и менее прочным чем разветвленный вид.

Термопластичные полимеры способны при нагревании становиться мягкими, а при охлаждении возвращаться в исходное состояние. Химические связи между молекулами не разрушаются, поэтому при многочисленном нагреве продукт не теряет своих свойств.

Свойства и применение

Термопластичными называют полимеры, которые при нагревании переходят из твердого состояния в мягкое, тягучее, а при охлаждении снова принимают твердую форму. Данные элементы получают реакцией полимеризации. Эта реакция проходит под большим давлением и без применения примесей. Реакция полимеризации стала возможна только благодаря современной химии и специализированной аппаратуре. Получить данный процесс в естественных условиях невозможно.

Свойства термопластичных полимеров вызваны способом соединения мономеров – соединение осуществляется в одном месте, в одном направлении. Другими словами, молекулы соединены между собой в линию при линейном виде, и в виде нескольких линий, сплетенных в паутину, при разветвленной структуре.

При нагревании эти связи слабеют, и полимер размягчается. Такая простота обработки обуславливает широкое применение материалу при производстве формовочных деталей и других сложных изделий.

Термопластичные полимеры хорошо плавятся, а также растворяются в реагентах и растворителях. При испарении растворителя материал твердеет и приобретает прежние свойства. Это качество применяется при производстве различных клеев, лаков, красок, герметиков, замазок и других строительных растворов, имеющих в своем составе полимеры.

Из термопластичных полимеров выделяют:

полиолефины;
полиамиды;
поливинилхлориды;
фторопласты;
полиуретаны;
поликарбонаты;
полиметилметакрилаты;
полистирол.

Полиоэфин

На основании полимеров, исходных веществ и способов обработки выделяют следующие окончательные продуты:

пластмассы;
волокниты;
пленки;
покрытия;
слоистые пластики;
клеи.

Самое широкое применение термопластичные полимеры получили в строительстве при изготовлении материалов для изоляции, органических стекол, пленок и покрытий различной плотности и толщины, тонких волокон, а также в качестве связующих основ для клеев, штукатурок и теплоизоляционных материалов.

Из полимеров изготавливают бутылки и различные по форме сосуды, тару, трубы, детали машин оргтехники, компьютеров и электронного оборудования. А также используют при производстве напольного покрытия — линолеума, плитки, плинтусов, отделочных декоративных пленок, настенных панелей и пластика.

Полиэтилен представляет собой прозрачный материал и считается самым распространенным полимером. Этот материал отличает высокая влагостойкость и газонепроницаемость. Он не пропускает воду, устойчив к кислотам, щелочам, солям и другим агрессивным элементам, хороший диэлектрик. Эластичность полиэтилена сохраняется даже при отрицательной температуре окружающей среды до отметки -70С градусов. Считается очень прочным и стойким материалом. Полиэтилен легко режется ножом, а при взаимодействии с огнем горит и одновременно плавится. К недостаткам также можно отнести слабую адгезию с минеральными соединениями и клеями, подверженность старению при попадании солнечного света и агрессивным факторам окружающей среды. При данных отрицательных фактах полиэтилен не теряет своих основных эксплуатационных свойств.

При изготовлении полиэтилена применяются термопластичные полимеры одного вида, а в результате различных обработок, получают совершенно различные по характеристикам типы полиэтилена. В зависимости от видов полимеризации различают три вида полиэтилена:

Полистирол

Полистирол – пример самого распространенного термопластичного полимера. На вид он бесцветный, прозрачный и твердый. Полистирол является более прочным и жестким материалом, имеет большую рабочую температуру использования и меньшую склонность к старению по сравнению с полиэтиленом. Считается хорошим электрическим изолятором и обладает высокой водоотталкивающей способностью. Очень стоек к щелочным и кислотным средам, не подвержен плесени и грибкам.

Структура пенополистирола
Пенополистирол

Полистирол хорошо растворяется в углеводородах, сложных эфирах. Он очень хрупкий и хорошо горит.

Для увеличения прочности полистирол соединяют с другими полимерами или каучуком. Готовые изделия и заготовки из полистирола легко поддаются обработке. Детали изготавливаются при помощи литья жидкого компонента либо способом выдавливания под давлением.

Из полистирола изготавливают лабораторную химическую посуду, трубки, нити, пленки и ленты. Широко используется материал в электротехнике при производстве изоляторов и, в первую очередь, защитной оболочки на электрические провода. Для промышленной дальнейшей обработки материал первоначально выпускается в листах и в виде крошки, которые в дальнейшем могут служить сырьем для конечных деталей и механизмов.

Полистирол популярен в процессе сополимеризации, когда смешивают два и более полимера. Получаются материалы, которым придаются дополнительные полезные свойства своих компонентов. Как правило, это прочность, огнестойкость, стойкость к растрескиванию. Жидкий полистирол с растворителем применяется при производстве клеев и клеевых основ. Широко используется в строительстве при производстве пенополистирола. Из данного материала выпускаются теплоизоляционные блоки.

Пенополистирол производят из эмульсионного полистирола методом прессовки.

Пенополистирол используется для теплоизоляции холодильных установок, продуктовых витрин и другого торгового оборудования. Данный материал внешне напоминает застывшую пену. Хорошо выдерживает повышенную влажность, не подвержен гниению, стоек к образованию бактерий и грибков. Может использоваться при температуре до + 70С градусов. Главный недостаток пенополистирола – повышенная горючесть.

Применяется как термо- и звукоизоляционный материал при производстве бытовок, а также различной бытовой и промышленной техники, в пищевой промышленности – для изоляции камер хранилищ, трюмов плавучих средств и помещений для хранения продуктов питания при отрицательных температурах до -35С градусов. Используется также в производстве упаковочного материала.

Еще один распространенный термопластичный полимер – полипропилен. В качестве исходного вещества для производства полимера используют – пропилен.

Имеет твердую, прочную структуру, устойчив к механическим воздействиям и к коррозийным процессам. Непрозрачный, как правило, белого цвета, не растворим в органических растворителях. Температура плавления +175С, а при 140 градусов продукт становится мягким на ощупь.

Полипропилен хорошо выдерживает механические нагрузки, не теряя при этом своих свойств. Необходимо отметить чувствительность материала к воздействию света — под действием солнечных лучей и воздуха полипропилен разлагается, теряет блеск, что приводит к ухудшению его механических и физических свойств.

Существует много сортов полипропилена, которые получаются при добавлении специальных присадок, добавок и каучуков. Он легко поддается механической обработке, удобен в уходе, этим обусловлено широкое использование пропилена в любой отрасли промышленного производства. Один из главных недостатков –слабая устойчивость к низким температурам. При температуре ниже -5С элемент становится хрупким. Таким образом, пригоден для использования внутри отапливаемых и закрытых помещений.

Применяется для производства пленок, упаковок, контейнеров для сыпучих продуктов и круп, одноразовой посуды. Из этого материала изготавливают трубы и фитинги, игрушки и канцелярию. При изготовлении изделий из полипропилена используются все известные способы обработки полимеров.

Другие распространенные термопластичные полимеры

Также можно выделить еще целый ряд полимеров, которые хорошо зарекомендовали себя в строительстве, робототехнике и производстве бытовых приборов, деталей и компонентов для них.

Поливинилхлорид широко применяется при производстве пластмасс, используемых в конечных изделиях в строительстве: линолеум и декоративная плитка, водопроводные трубы, плинтуса, запасные части, шестеренки, и других подвижные детали бытовых приборов и техники.

Поликарбонат – новый вид полимера, который нашел широкое применение при производстве электрических розеток и вилок напряжением 220 и 380 Вольт, а также корпусов бытовой техники.

Поливинилацетат – очень часто применяется в строительстве в виде связующих компонентов для лаков, красок, как пластификатор для цементных растворов.

Фторопласт – считается фторсодержащим полимером. Материал широко применяются в электро- и радиотехнике, при производстве водопроводных труб, вентилей и кранов, бытовых и промышленных насосов, медицинских инструментов и техники, в криогенных емкостях для нанесения на поверхность.

Фторопласт

Из всего сказанного можно сделать вывод, что повседневно нас окружают изделия, техника, посуда и приборы, которые изготовлены или содержат в своей основе термопластичные полимеры. Такую популярность им придают эксплуатационные свойства, такие как твердость, стойкость к кислотам и щелочам, долговечность, универсальность и легкость в обработке, малый вес и большой диапазон рабочих температур.

Нейтральный цвет всех полимеров позволяет с легкостью окрашивать заготовки и конечный продукт в любую желаемую палитру. Это дает возможность подбирать готовые изделия из пластмасс под цвет комнаты и интерьера любой формы и сложности исполнения.

Термореактивные полимеры - полимеры с пространственной структурой, которые при нагревании разлагаются, не переходя в вязкотекучее состояние.
Термопластичные полимеры - это полимеры, которые могут подвергаться вторичной термической обработке. пластмасса например
Стеклонаполненные термопластичные и термореактивные полимеры успешно применяют для изготовления деталей машин оргтехники, компьютеров и электронного оборудования, таких, как корпуса, кожухи, основания, и других деталей, где необходимы точные допуска на размеры.

Степенью полимеризации называется:

среднее число структурных звеньев в макромолекуле

число химических связей в структурном звене

средняя относительная молекулярная масса полимера

число атомов в структурном звене полимера

Фенолформальдегидные смолы - продукты поликонденсации фенола с формальдегидом. Реакция проводится в присутствии кислых (соляная, серная, щавелевая и другие кислоты) или щелочных катализаторов (аммиак, гидроксид натрия, гидроксид бария) . При избытке фенола и кислом катализаторе образуется линейный полимер - новолак, цепь которого содержит приблизительно 10 фенольных остатков, соединенных между собой метиленовыми мостиками:

Новолаки - термопластичные полимеры, которые сами по себе не способны переходить в неплавкое и нерастворимое состояние. Но они могут превращаться в трехмерный полимер при нагревании их с дополнительной порцией формальдегида в щелочной среде.
При использовании щелочных катализаторов и избытка альдегида в начальной стадии поликонденсации получаются линейные цепи резола, которые при дополнительном нагревании "сшиваются" между собой за счет групп CH2OH, находящихся в пара-положении фенольного кольца, с образованием трехмерного полимера - резита:

Таким образом, резолы являются термореактивными полимерами.

Фенолоформальдегидные полимеры применяются в виде прессовочных композиций с различными наполнителями, а также в производстве лаков и клея.

Свойства

Отвержденные смолы характеризуются высокими тепло-, водо- и кислостойкостью, а в сочетании с наполнителями и высокой механической прочностью.

Применение

Из фенолформальдегидного полимера, добавляя различные наполнители, получают фенолформальдегидные пластмассы, т. н. фенопласты. Их применение очень широко. Это: шарикоподшипники, шестерни и тормозные накладки для машин; хороший электроизоляционный материал в радио- и электротехнике. Изготовляют детали больших размеров, телефонные аппараты, электрические контактные платы. Для склеивания пенополистирольных плит, применяемых для изготовления моделей в литейном производстве.

Получение фенолформальдегидной смолы

1. В пробирку помещают 10 капель жидкого фенола и 8 капель 40% формальдегида. Смесь нагревают на водяной бане до растворения фенола. Через 3 минуты в пробирку добавляют 5 капель концентрированной соляной кислоты и помещают ее в стакан с холодной водой. После образования в сосуде двух четких фаз следует слить воду и вылить полимер из пробирки. В течение нескольких минут образовавшаяся новолачная смола затвердевает.

2. В небольшую колбочку помещают 15 г фенола и 25 мл концентрированного раствора формалина и нагревают (под тягой) на горелке, периодически встряхивая содержимое колбы. Добавляют 1-2 мл соляной кислоты и продолжают нагревание. Вначале реакция идет бурно и смесь в колбе становится однородной. Через некоторое время (около 10 минут) на дне колбы образуется смолистый осадок. Верхний слой жидкости сливают и быстро извлекают смолу, которая на воздухе густеет и постепенно затвердевает.

Фенолформальдегидные смолы [-C6H3(OH)-CH2-]n - продукты поликонденсации фенола C6H5OH с формальдегидом CH2=O.