Введение в технологию переработки полимеров 2

Введение в технологию переработки полимеров

 

 

1. Введение.

1.1. Статистические данные.

1.2. Виды полимеров и пластмасс.

1.3. Сокращенные названия полимеров,

2. Материаловедение полимеров.

2.1. Структура полимеров.

2.1.1. Химия.

 

 

1. Введение.

 

Слово пластмасса настолько глубоко проникло в наше общество и культуру, что многие считают, что наступила эра пластмассы. Сам термин относится к материалам которым можно придать форму, однако сейчас этим словом описывают пластмассы, содержащие добавки такие как: пигменты, наполнители, антиоксиданты, УФ-стабилизаторы и другие. Полимеры - это материалы состоящие из молекул с высокой молекулярной массой. Уникальные свойства полимерных материалов и многообразие методов их переработки объясняются их молекулярной структурой. Легкость с которой пластмассы перерабатываются и с которой отдельные части становятся единым целым, а также большая прочность при малом весе, делает этот материал наиболее привлекательным в настоящее время.

 

1.1. Статистические данные.

В прошлом столетии пластмассы заняли существенное место в технологии а также и в экономике. На рис. 1.1 приведено сравнение количества произведенных пластмассы, алюминия и стали за прошлые 55 лет. На рисунке до 1990 года показано производство на Западе, а поле падения железного занавеса (1990 год) - мировое производство. Табл.1.1 показывает использование полимеров на душу населения в регионе на 1980 и 2002 годы, а также спроектированное производство на 2010 год.

В целом, промышленность пластмасс может быть разделена на 3 области:

  • Производство и экспорт полимеров
  • Производство изделий из пластмасс ( оригинальные производители оборудования (OEM))
  • Производственное оборудование для пластмасс (поставка оборудования)

 

 

Рис.1.1 Мировой рынок производства сырья.

Более 18000 различных видов полимеров, доступных сейчас на рынке США, могут быть разделены на 2 группы : термореактивные и термопластичные полимеры. Из более чем 31 миллиона тонн полимеров, произведенных в США в 1993 году 90% составили термопласты. Рисунки 1.2 и 1.3 показано процентное распределение производимых в США термопластов и термореактопластов соответственно. Каждый вид разделен на наиболее общие типы. Среди термопластов полиэтилен является наиболее широко используемым полимерным материалом, его производство в Америке составляет 41% от всех термоплатичных полимеров.

 

Табл.1.1 Мировое потребление пластмасс на душу населения, кг.

Область

1980

2002

2010

Ежегодное изменение % (2002-2010)

Во всем мире

10

26

37

4.5

США

45

105

146

4.2

Латинская Америка

7.5

20.5

30.5

5.1

Европа

40

97

136

4.3

Восточная Европа

8.5

12.5

24

8.5

Япония

50

85

108

3.0

Юго-Восточная Азия

2

14.5

24

6.5

Африка Ближний Восток

3

8

10

2.8

 

Сегодня промышленность пластмасс обеспечивает широкое применение полимеров в различных областях как показано на Рис 1.4 и 1.5 для термопластов и термореактопластов соответственно. Как показано на рисунках, более одной трети всех используемых термопластов идет на упаковку, в то время как на строительные материалы идет примерно в 2 раза меньше, а на транспортное оборудование идет лишь 4% от всех используемых термопластов. С другой стороны на первом место по использованию термореактивных материалов инженерные конструкции - 69%, а затем транспортное оборудование - 8%.

 

 

Рис. 1.2 Соотношение производимых Соединенными Штатами термопластов.

 

 

 

Рис. 1.3 Соотношение производимых Соединенными Штатами термореактопластов

 

 

 

Рис. 1.4 Применение термопластов

 

 

Рис. 1.5 Применение термореактопластов

 

Табл. 1.2 Потребление пластмасс на душу населения в США.

Рейтинг

Штат

Число рабочих, занятых в отрасли

1

Калифорния

137,800

2

Огайо

112,100

3

Мичиган

95,300

4

Техас

94,900

5

Иллинойс

89,100

6

Пенсильвания

74,400

7

Индиана

70,000

8

Нью-Йорк

52,800

9

Северная Королина

51,700

10

Висконсин

50,900

 

Транспортный сектор является наиболее активно развивающейся областью применения как термопластичных, так и термореактивных материалов. В одних только Соединенных Штатах Америки на долю пластмасс в промышленности приходится 310 миллиардов долларов. Пластмассы обеспечивают работой 1,4 миллиона человек. В таблице 1.2 приведены 10 штатов США  с наибольшим количеством персонала. На эту десятку лучших работает почти 60% всех занятых в пластмассовом производстве рабочих Америки.

 

1.2. Виды полимеров и пластмасс.

Пластмассы - это органические и полуорганические материалы, главным признаком которых является большая молекулярная масса. Эти большие молекулы, или макромолекулы, придают им отличные от других используемых в промышленности или найденных в природе материалов свойства и особенности поведение.

На рис.1.6 представлена классификация, разделение пластмасс и их происхождение. Кака видно из рисунка, пластмассы могут быть отнесены либо к термореактопластам, термопластам, либо к эластомерам. Термопласты в свою очередь включают особенную группу, относительно новую - термопластичные эластомеры. Одно все эти материалы похожи тем, что сделаны из огромных молекул. Некоторые из этих молекул поперечно сшитые, это значит что существуют «мостики» или физические силы, которые связывают соседние молекулы. Другие молекулы не имеют поперечной сшивки и могут свободно перемещаться относительно соседних молекул.

Термопласты - это те полимеры которые становятся твердыми при охлаждении, что не позволяет молекулам свободно двигаться. При нагревании эти материалы снова приобретают способность «течь», так как молекулы вновь с легкостью могут скользить друг относительно друга. Кроме того, термопластичные полимеры подразделяются на 2 класса: аморфные полимеры и полукристаллические. Аморфные полимеры - это те, чьи молекулы при охлаждении остаются в беспорядке, что дает материал с хаотичной молекулярной структурой. Аморфные полимеры становятся твердыми или стеклообразными при охлаждении их ниже температуры стеклования. Полукристаллические полимеры с другой стороны в твердом состоянии обладают определенной упорядоченной молекулярной структурой. Они твердеют когда молекулы начинают принимать определенную регулярную структуру при охлаждении ниже температуры текучести.

 

 

 

Рис.1.6 Классификация, подразделение и происхождение пластмасс

 

Та часть молекул полукристаллического полимера, которая не перешла в упорядоченное состояние образует небольшие аморфные участки. Эти участи теряют свою текучесть при температуре ниже температуры стеклования. Температура стеклования большинства полукристаллических полимеров меньше нуля, поэтому при комнатной температуре они ведут себя как резина или кожа. С другой стороны термореактопрасты могут затвердевать при химическом воздействии. При этом макромолекулы сшиваются, образуя сетку из молекул, которые не могут перемещаться относительно друг друга. Образование сеток приводит к потере материалом текучести даже при повторном нагревании. Высокая плотность сшивки молекул делает термореактивный материал жестким и ломким. Они также имеют температуру стеклования. В сравнении с треморективными материалами эластомеры лишь слегка сшиты, так что молекулы могут вытягиваться практически во всю длину. В то же время, связи молекул препятствуют их взаимному скольжению, делая даже большие деформации обратимыми. Общей характеристикой всех эластомеров является то, что их температура стеклования намного ниже комнатной температуры. И их способность течь теряется при вулканизации или сшивке.

При комнатной температуре, которая значительно выше температуры стеклования эластомеров, эти полимеры очень мягки и представляют собой очень податливый эластичный материал.

Приведем следующие обобщения по пластмассам:

  • В отличие от других материалов, таких как металлы, у пластмасс есть многочисленные сорта и вариации каждого типа полимера. Эти вариации включают различные добавки, наполнители и волокна и др. С самого начала пластмассы преподносились как материалы, на которые надо ровняться, на сегодняшний день это стало реальностью, которая воспринимается как само собой разумеющееся.
  • Необычное молекулярное строение полимеров приводит к специфическому поведению, которое не наблюдается у других материалов. К особенностям относят вязкоупругие свойства и другие неньютоновские эффекты, наблюдаемые при деформации, например разжижение при сдвиге. Данные характеристики влияют не только на то как будет вести себя конечный продукт, но и на сам производственный процесс: заполнение формы, экструзия потока через фильеру и т.д. Это всегда приводит к остаточным напряжениям, а также к ориентации молекул и наполнителя, что вызывает анизотропию свойств в конечном продукте.
  • Во время проектирования и производства продукта, стоимость сырья является главным параметром выбором материала. Сейчас правда мы также должны учитывать экологический фактор. В том числе и влияние добавок, таких как растворители или определенные антипирены, на здоровье рабочих и на окружающую среду. К тому же следует иметь в виду, что производимые товары должны иметь возможность последующей переработки.
  • Одним из наибольших преимуществ полимеров являются низкие энергозатраты при переработке: плавление материала, придание ему формы и затвердевание
  • Дизайн, рабочие характеристики и способность к вторичной переработке продукта прямым образом влияют на выбор материала и добавок к нему, а также и на метод технологию производства и соответствующего режима обработки.

 

1.3. Сокращенные названия полимеров.

 

В промышленности полимеры разделяют по химической природе и присваивают аббревиатуры, основанные на химическом строении. Однако часто специалисты используют для описания не стандартные сокращения, а названия торговых марок данных производителем, см табл.1.3

Таблица 1.3. Сокращенные названия полимеров.

   Сокращения могут дополняться символами, например, PE-LD это полиэтилен низкой плотности или PVC-P - пластифицированный поливинилхлорид. Символы для основных характеристик представлены в Табл.1.4.

 

Таблица 1.4. Основные характеристики полимера и их обозначение.

Символ

Характеристика материала

A

Аморфный

В

Блоксополимер

BO

Двухосно ориентированнный

С

Хлорированный

CO

Сополимер

E

Вспененный

G

Привитой сополимиризацией

H

Гомополимер

HC

Высококристаллический

HD

Высокой плотности

HI

High impact

HMW

Высокомолекулярный

I

Impact

LD

Низкой плотности

LLD

Линейный низкой плотности

(M)

Metallocene catalyzed

MD

Средней плотности

О

Ориентированный

P

Пластифицированный

R

Randomly polymerized

U

Непластифицированный

UHMW

Ультра высокомолекулярный

ULD

Крайне низкой плотности

VLD

Очень низкой плотности

X

Сшитый

XA

Сшитый пероксидными мостиками

XC

Electrically cross-linked

 

В Табл.1.5 представлены основные пластификаторы и их обозначение.

 

Таблица 1.5.основные пластификаторы и их обозначение

Сокращение

Химическое название англ

Химическое название русское

DODP

Dioctyldecylphthalate

Диоктилдецилфталат

ASE

Alkylsulfone acid ester

Сложный эфир алкилсульфоновой кислоты

BBP

Benzylbutylphthalate

Бензилбутилфталат

DBA

Dibutyladipate

Дибутиловый эфир адипиновой кислоты

DBP

Dibutylphthalate

Дибутилфталат

DBS

Dibutylsebacate

Дибутилсебацинат

DCHP

Dicyclohexylphthalate

Дициклогаксилфталат

DEP

Diethylphthalate

Диэтилфталат

DHXP

Dihexylphthalate

Дигексилфталат

DD3P

Diisobutylphthalate

Диизобутилфталат

DIDP

Diisodecylphthalate

Диизодецилфталат

DINA

Diisononyladipate

Диизонаниладипат

DMP

Dimethylphthalate

Диметилфталат

DMS

Dimethylsebazate

Диэтилсебацилат

DNA

Dinonyladipate

Динониладипат

DNODP

Di-n-octyl-n-decylphthalate

Ди-н-октил-н-децилфталат

 

 

2. Материаловедение полимеров.

 

Эта глава предназначена для знакомства читателя с основами науки о полимерах. Тут представлены общая химия, структура и морфология полимеров, а также основные модификации полимеров, предназначенные для усиления их свойств.

 

2.1. Структура полимеров.

 

Поведение материала полностью определяется его молекулярным строением. Фактически это верно для всех полимеров: как искусственно синтезированных полимеров, так и для природных (биополимеров), таких как натуральный каучук, янтарь, полимеры на основе протеина или целлюлозы. Чтобы понять поведение полимера и его связь со структурой, в этой главе мы постарались представить основные понятия в доступной форме, не вдаваясь в особенности каждого полимера, так как это не требуется для понимания основ технологии пластмасс.

 

2.1.1. Химия.

 

Как и подразумевает само название, полимеры - это высокомолекулярные соединения. Эти большие молекулы называют макромолекулами. Полимеры - это структуры из макромолекул, образованные синтетически или в результате естественных природных процессов. Синтетические полимеры образуются в результате полиприсоединения или цепной полимеризации, поликонденсации или радикальной полимеризации. При цепной полимеризации конечная молекула представляет собой последовательность блоков с химической формулой мономера. При конденсационной полимеризации процесс протекает с уменьшением количества атомов исходного мономера.

В таблице 2.1 представлена классификация полимеризации и конкретные примеры.

 

Таблица 2.1 Классификация полимеризации

Классификация

Полимеризация

Примеры

Линейная пошаговая

Поликонденсация

Полиамиды

Поликарбонаты

Полиэфиры

Полиимиды

Силоксаны

Полиприсоединение

Полиуретаны

Пошаговая нелинейная

Сетчатые полимеры

Эпоксиды

Меламин

Фенольные полимеры

Полиуретаны

Мочевина

Цепная

Свободно-радикальная

Полибутадиен

Полиэтилен (разветвленный)

Полиизопрен

Полиметитметакрилат

Поливинилацетатe

Полистирол

Катионная

Полиэтилен

Полиизобутелен

Полистирол

Сложные эфиры винилового спирта

Анионная

Полибутадиен

Полиизопрен

Полиметилметакрилат

Полистирол

Размыкание кольца

Полиамид-6

Поликапролактан

Полиэтилен оксид

Полипропилен оксид

На катализаторе Циглера-Натта

Полиэтилен

Полипропилен

Поливинилхлорид

На металлоценовом катализаторе

Полиэтилен

Полипропилен

Поливинилхлорид

 

Линейная и нелинейная шаговая полимеризация - это процесс, который протекает с участием более чем одного вида молекул. С другой стороны цепная полимеризация протекает с мономерами, у которых есть активная концевая группа. К цепной полимеризации относится свободно-радикальная, ионная, катионная полимеризация, полимеризация с раскрытием кольца, полимеризация Циглера-Натта и полимеризация на металлоценовых катализаторах. Свободно-радикальная полимеризация наиболее распространена, она служит для полимеризации мономеров с общей структурной формулой CH2=CR1R2. В этом случае полимерные молекулы растут за счет присоединения мономера с свободно-радикальным активным участком - активным центром. Если активный центр имеет положительный заряд, то такую полимеризацию называют катионной, если отрицательный - ионной. И наконец, циклические полимеры или кольцевые структуры могут быть полимеризованы с раскрытием кольца. Например, капролактам полимеризуется в поликапролактам или полиамид 6.

В состав композиции полимера входят, прежде всего, неметаллические элементы: углерод (С), водород (Н) и кислород (О) - основные элементы. Дополнительными элементами могут быть азот (N), хлор (Cl), фтор (F) и сера (S). Так называемые полуорганические полимеры содержат другие неметаллические элементы, такие как кремний (Si) в кремнийорганических материалах или полисилаксане, а так же бор (B). Хотя и другие элементы иногда входят в состав полимеров, но в связи с их очень специфичной природой, мы не будем их тут упоминать. Свойства вышеупомянутых элементов приводят к особым свойствам, характерным для всех полимеров:

  • Низкая электропроводность полимеров (электроизоляторы);
  • Низкая теплопроводность (теплоизоляторы);
  • Очень низкая плотность (от 0.8 до 2.2 г/см3);
  • Низкая теплостойкость (легко и безвозвратно термически разлагаются).

 

PE-HD

Линейные молекулы

PE-LD

Длинные ответвления от цепи

PE-LLD

Линейные молекулы

 

Рис.2.1 Молекулярная структура различных полиэтиленов.

 

Во время полимеризации возможно множество вариантов расположения молекул мономера, но все же мы можем разделить полимеры на 2 общих группы: сшитые и несшитые. Несшитые полимеры можно разделить на линейные и разветвленные. Примером несшитых полимеров, представляющих различную степень разветвленности, является полиэтилен, как схематично изображено на Рис.2.1. Другим крупным семейством несшитых полимеров являются сополимеры. Сополимеры - это полимерные материалы с двумя и более видами мономерных звеньев в цепи. Сополимер состоящий из двух видов мономеров называется двойным сополимером, а состоящий из трех - тройным. В зависимости от взаимного расположения различных мономеров в цепи различают 4 типо сополимеров: рандомные, чередующиеся, блок-сополимеры и привитые сополимеры. Это схематично отображено на рисунке 2.2.

 

 

 

Рис.2.2 Возможные структуры сополимеров.

 

 

 

Рис.2.3 Схема конденсационной полимеризации фенолформальдегидных смол.

 

В то время как термопласты могут сшиваться только в очень жестких условия, например, гелеобразование полиэтилена при воздействии на него высокой температуры в длительный период времени, термореактивные материалы и некоторые эластомеры считаются материалами, которые могут сшиваться. Сшивка материала приводит к его теплостойкости после отверждения. Поперечная сшивка обычна является результатом наличия в молекулах двойных связей, которые могут разрываться и соединяться с соседними молекулами. Одним из самых старых термореактивных материалов является фенолформальдегид. На рисунке 2.3 показана реакция взаимодействия молекул формальдегида с молекулами фенола с образованием пространственной сетки, которая является очень прочной и жесткой. При этом остается вода - побочный продукт. Такой тип полимеризации называется конденсационной полимеризацией.

Молекулярный вес. Размер полученных при полимеризации молекул имеет первостепенное значение. После реакции полимер состоит из цепей различной длинны. Поэтому молекулярную массу определяют по средней величине или средней молекулярной массе, которая рассчитывается как M = W / N. Где W - вес образца, N - количество молей в образце. На рисунке 2.4 показано распределение молекулярной массы и обозначены три типа молекулярных масс:

 

- среднечисловая Mn,рассчитываемая как:

 

                 (2.1)

- среднемассовая Mw:

 

                 (2.2)

- средневязкостная Mv, зависящая от вязкости полимера:

 

                  (2.3)

где, a - это параметр зависящий от типа полимера и может иметь значения от a=1 для коротких молекул до a=3.4 для длинных молекул. Прямолинейная зависимость для коротких молекул напрямую связана с внутримолекулярным трением, тогда как сильное взаимодействие длинных молекул связано с их запутанностью.

 

 

 

Рис.2.4 Распределение молекулярной массы.

 

На рисунке 2.5 показана зависимость вязкости полимеров от молекулярной массы. Видно как вязкость всех полимеров линейно возрастает с ростом молекулярной массы и доходит до критической точки, где угол наклона прямой увеличивается. Линейная зависимость иногда называют правилом Штаудингера и применяется к монодисперсным полимерам. В монодисперсном полимере большинство молекул имеют одинаковую молекулярную массу. Мерой распределения молекулярной массы полимера служит индекс полидисперсности, определяемый как:

             (2.4)

 

 

 

Рис.2.5. Зависимость сдвиговой вязкости от молекулярной массы.

 

 

 

Рис.2.6. Влияние молекулярной массы на силу взаимодействия (индекс текучести) на примере полистирола с различной дисперсностью.

 

На рисунке 2.6 показан график зависимости прочности на изгиб от индекса текучести для плистирола с тремя разными индексами полидисперсности. Из рисунка видно, что при малом значении индекса полидисперсности материалы проявляют более высокую прочность на изгиб и текучесть, то есть легкость переработки, чем высокодисперсные материалы.
Таблица 2.2 приводит различные техники измерения молекулярной массы полимеров и диапазон применимости метода.

 

Таблица 2.2 Методы измерения молекулярной массы полимеров и олигомеров

Метод

Измерение

Диапазон

Седиментация и диффузия с центрифугой (a)

Mw

до 10s

Светорассеяние (a)

Mw

до 107

Электронная микроскопия (a)

Mi, M_n

*

Гель-хромотография(о)

Mw, M„, Mv

*

Вискозиметрия растора (о)

Mv

*

Вискозиметрия расплава(о)

Mw

+

Осмометрия через мембрану (a)

Mn

2*104 до 106

Осмометрия давления пара (a)

Mn

До 105

Реакция по концевой группе (э)

Mn

До 5*104

Криоскопия (a)

Mn

До 5*104

Эбулиоскопия(a)

Mn

До 104

(а) - абсолютный метод; (о) - относительный метод; (э) - эквивалентный метод.

* зависит от растворимости.

+ зависит от точки плавления.

 

Физически молекулы могут быть и значительно длиннее. Например, структурное звено полиэтилена имеет длину в 0.252 нм. Если выпрямить молекулу полиэтилена высокой молекулярной массой с например 10000 звеньями, то ее длинна составит более 2 мм.
Рисунок 2.7 отражает диапазон измерений присущий полимерам, а также оборудование для этих измерений. Размеры измеряемых структур лежат в пределах от 0.1нм до 1мм, то есть охватывают 8 порядков.

Конформация и конфигурация. Конформация и конфигурация молекул полимера существенно влияют на свойства полимера. Конформация -  это преимущественное пространственное расположение атомов в молекуле, которое описывается полярной гибкостью и регулярностью макромолекулы. Обычно атомы углерода четырехвалентны, это значит что они симметрично окружены с четырех сторон заместителями, образуя тетраэдр. Конфигурация описывает распределение и пространственную организацию молекул. На структуру полимера и симметричность сильно влияет процесс получения. Это показано на рисунке 2.8. В связи с затрачиваемой энергией линейные полимеры, такие как полиэтилен, полипропилен, полистирол и поливинилхлорид полимеризуются по механизму 1,2-присоединения. Для технических полидиенов таких как натуральный каучук (полиизопрен), полибутадиен и полихлоропрен преимущественным направлением полимеризации является 1,4-присоединение. В действительности, можно управлять способом полимеризации при помощи стереокатализатора а также металлоценовых катализаторов.

 

а = 0.736

 

b = 0.192

 

с = 0.251

Атомный микроскоп

Ламелла

20-60 нм

Сканирующий электронный микроскоп

Кристаллическая ламелла

Оптический микроскоп

Сферолит

50 - 500

Полимерный материал

 

Рис.2.7. Схематичное изображение молекулярной структуры полукристаллических полимеров, их размеры и приборы для измерения.

 

Во время полимеризации присоединение Х-групп возможно в различных направлениях относительно основной углерод-углеродной цепи. Порядок их присоединения называется тактичностью. При случайном расположении боковых групп, полимер называют атактичным. Если же боковые группы располагаются с одной стороны от основной цепи, полимер считают изотактичным, если же группы регулярно располагаются по разные стороны основной цепи, полимеры называют синдиотактичными. На рис.2.9 показаны три вида тактичности на примере макромолекулы полипропилена. От тактичности напрямую зависит степень кристалличности. Например, полипропилен с высокой изотактичностью будет иметь высокую степень кристалличности и соответственно будет твердым, прочным и жестким.

Другой вид взаимного расположения появляется в полимерах с двойными связями между атомами углерода. Двойные связи препятствуют свободному вращению молекулы вокруг оси. Такие полимеры иногда упоминаются как геометрические изомеры. Х-группы могут располагаться по одну сторону от цепи (цис-) или по разные стороны (транс-), как показано на примере полибутадиена на рисунке 2.10. Цис-1,4-полибутадиен является очень эластичным материалом, в то время как транс-1,4-полибутадиен представляет собой жесткий прочный материал. Цис-1,4-полибутадиен может использоваться для получения внешней поверхности мяча для гольфа. Аналогичное пространственное расположение обнаруживается в натуральном каучуке - полиизопрене. Цис-1,4-полиизопрен это эластичный натуральный каучук, который используется для производства шин, резиновых перчаток и презервативов. Транс-1,4-полиизопрен (гуттаперча или эбонит) использовался для изготовления зубных протезов, статуй и других декоративных мелочей в 1800-ых.

 

Структурная изомерия

а)

1,2-присоединение

б)

1,4-присоединение

в)

комбинация а) и б)

 

 

Структурная изомерия и изомерия связей

а)

1,4-присоединение

б)

1,2-присоединение

в)

3,4-присоединение

г)

комбинация а) и б)

 

 

Рис.2.8. Структурная изомерия

Атактичный полипропилен

Изотактичный полипропилен

Синдиотактичный полипропилен

 

Рис.2.9. Различные структуры полипропилена.

 

 

 

Рис. 2.10. Цис- и транс-изомеры 1,4-полибутадиена.

Внутримолекулярные силы. Различные межмолекулярные силы, называемые Ван-дер-Ваальсовыми силами, имеют большое значение. Эти силы являются причиной необычного поведения полимеров. Так называемые дисперсионные силы, самые слабые среди межмолекулярных сил, вызваны мгновенными диполями - зарядом образующимся в связи с колебанием молекул. Очень большие молекулы, такие как ультра высокомолекулярный полиэтилен обладают значительными дисперсионными силами. Диполь-дипольные силы возникают за счет притяжения полярных групп. Степень полярности определяет насколько сильно притягиваются между собой молекулы. Если полимер состоит из атомов с различными электроотрицательностями, то у него высокая степень полярности , а молекулы называют полярными. Неполярные молекулы состоят из атомов с одинаковой или близкой электроотрицательностью. Например, полиэтилен содержащий атомы углерода и водорода является неполярным материалом. Увеличение полярности наблюдается, когда в макромолекуле появляются такие элементы как хлор, кислород, азот, фтор.

 

Таблица 2.3 Электроотрицательность основных элементов.

 

Элемент

Электроотрицательность

Фтор (F)

4.0

Кислород (O)

3.5

Хлор (CI)

3.0

Азот (N)

3.0

Углерод (C)

2.5

Сера (S)

2.5

Водород (H)

2.1

Кремний (Si)

1.8

Цинк (Zn)

1.6

Натрий (Na)

0.9

 

В таблице 2.3 приведены электроотрицательности основных элементов, входящих в состав полимеров. Внутримолекулярные силы затрагивают почти все свойства полимеров, включая эффекты, оказываемые на полимер низкомолекулярными наполнителями: растворителями, пластификаторами и т.п. аналогично внутримолекулярные силы влияют на смешиваемость полимеров при приготовлении смесей.

 

Полимерные группы. Для лучшего понимания полимерных групп, приведены таблица с классификацией полимеров по семьям и группам.

На рисунке 2.11 представлены гомополимеры, образованные как в результате полимеризации ненасыщенных мономеров, так и в результате трансформаций аналогичных полимеров. Эта группа полимеров включает четыре основных товарных термопласта: полиэтилен, полипропилен, полистирол и поливинилхлорид, а так же многие другие.

 

 

 

Рис.2.11 Химические формулы полиметиленов.

На рис.2.12 показана еще одна группа полимеров с двойными связями, которая относится к эластомерам. Наличие двойных связей позволяет этим полимерам подвергаться вулканизации или сшивке. Также на рисунке показана особая группа полициклоолефинов, которые привлекают внимание как высокотемпературостойкие термопласты. Полиацетаты и полиэфиры - это полимеры с гетероатомом (кислород) в основной цепи молекулы. Теплостойкость этих полимеров значительно выше за счет наличия в цепи больших ароматических структур, что значительно уменьшает внутримолекулярную подвижность. Термопласт, известный уже очень давно и все еще имеющий применение, целлюлоза показана на рисунке 2.14. твердые молекулы целлюлозы делают процесс переработки практически невозможным без применения пластификаторов или других полимеров. Высокая полярность молекул целлюлозы делает полимер гидрофильным, а иногда и растворимым в воде.

 

Рис.2.12. Химические формулы полимеров с двойными связями

 

 

 

Рис.2.13. Химические формулы полимеров с кислородом в основной цепи.

 

 

 

Рис.2.14. Химические формулы полимеров на основе целлюлозы.

 

Полиамиды - линейные поликонденсационные полимеры - одни из наиболее важных конструкционных пластмасс. Широко применяются в инженерных целях, так же как волокна и пленки. Их структура показана на рис.2.15. Благодаря наличию водородных связей и ароматических структур, некоторые полиамиды обладают высокой термостабильностью. В то же время это гидрофильные полимеры, известные своим хорошим водопоглащением.

 

 

 

Рис.2.15. Химические формулы основных полиамидов.

 

Линейные полиэфиры, как показано на рис.2.16, тоже поликонденсационные полимеры. Получили применение в виде полиарелатов. У некоторых сополиэфиров такие жесткие сегменты молекул, что они проявляют анизотропию свойств даже в расплаве. Такие полимеры называют жидкокристаллическими (LCP). Наибольшая жесткость у молекул полиимидов, что соответствует их структуре, отображенной на рис.2.17. некоторые из них уже не перерабатывают. Полиимиды являются проводниками или полупроводниками с высокой термостойкостью.

 

 

Рис.2.16 Химические формулы основных полиэфиров. 

 

 

 

Рис.2.17 Химические формулы основных полиимидов  

 

На рис.2.18 показаны полиарилэфирсульфоны и полиарилсульфиды, группа важных технических полимеров. Их уникальная структура с ароматическими звеньями и серой делает их высокопрочными пластмассами.

 

 

Рис.2.18 Химические формулы основных полиарилэфирсульфонов и полиарилсульфидов.

Поиск

Поиск

хостинг:      Профессиональный хостинг - Active Technologies