Свойства полимеров и их применение.

Полимеры и пластмассы, обла­дая целым рядом ценных свойств (достаточная прочность, антикоррозионность, стойкость против хими­чески агрессивных сред, теплостой­кость и др.), получают большое при­менение в самых различных отраслях народного хозяйства не только как за­менители дефицитных металлов, но и как основные конструкционные материалы.

1. Полимер - высокомолекулярное органическое соединение, характери­зующееся многократным повторением одного или более составных звеньев (составное звено - группа атомов, с помощью которой описывают строение цепи макромолекулы ). В зависи­мости от структуры и формы макромолекул различают термопластичные и термореактивные полимеры. Термопластичные полимеры плавятся до вязкотекучего состояния без измене­ния структуры; они поддаются повторному нагреву и технологической об­работке. Термореактивные полимеры при нагреве изменяют свою струк­туру, в результате исключается их повторное размягчение.

Полиэтилен - полимер этилена, термопластичен; изделия из него могут быть изготовлены литьем под давлени­ем или центробежным, штампов­кой при температуре 120..135 °С и прессованием. Он обладает высокой химической стойкостью к агрессивным средам и является хорошим ди­электриком. Применяется при изготовлении изоляции подводных, сило­вых и радиочастотных кабелей, а так­же оборудования химических произ­водств: труб, емкостей, плит, фитин­гов, тонкостенных деталей и др.

Полистирол - полимер стирола, термопластичен, отличается очень хо­рошими диэлектрическими свойства­ми, прозрачен, водостоек, морозо­стоек. Недостатками полистирола яв­ляются низкая теплостойкость, горючесть и хрупкость. Полистирол слу­жит материалом для изготовления ра­дио- и электроаппаратуры, высокоча­стотных приборов и химической аппа­ратуры. Его применяют также для изготовления электроизоляционных пленок, нитей и упаковочной пленки.

Полиакрилат - полимер сложного эфира акриловой кислоты. Наиболь­шее применение получили листовые акриловые материалы (органическое стекло различных марок). Кроме того, выпускают заготовки в виде стержней, труб, листов и материалов для изго­товления деталей прессованием или литьем под давлением.

Полиметилметакрилат (органиче­ское стекло ) - отличается высокой светопроницаемостью, удовлетвори­тельными прочностью и твердостью. Важным свойством органического стекла является его способность про­пускать ультрафиолетовые лучи. Сле­дует также отметить хорошую обра­батываемость резанием, давлением, сваркой. Применяют органическое стекло для остекления, изготовления различных изделий технического на­значения.

1. Пластмасса представляет собой композицию полимера с различными ингредиентами: наполнителями, пла­стификаторами, стабилизаторами, красителями, отвердителями и др.

Фенопласты - пластмассы на ос­нове фенольных смол. В зависимости от технологии изготовления могут быть термопластичными и термореак­тивными. В сочетании с различными наполнителями получают фенопласты общетехнического назначения, элек­троизоляционные, жаростойкие, воло­книстые, фрикционные и др. В ка­честве наполнителей применяют по­рошкообразные, волокнистые и слои­стые материалы. Детали из фенопла­стов изготовляются методом горячего прессования при температуре 150… 200 °С и давлении 15…120 МПа . При этом получают готовые изделия, не требующие механической обработки.

Из термореактивных фенопластов с порошкообразным наполнителем изготовляют различные детали радио- и электротехнических изделий, электронной аппаратуры. Из ораолита (наполнитель - асбест , кварце­вый песок или графит ) изготовляют кислотостойкие трубы, ванны, детали коммуникаций. Для получения изде­лий общетехнического назначения в качестве наполнителя применяют дре­весную муку .

Из фенопластов с волокнистым на­полнителем большое применение полу­чили волокниты , текстолит-крошка и стекловолокнит . Они применяются для изготовления деталей, работа­ющих на изгиб и кручение и требу­ющих хороших механических и анти­фрикционных свойств (шестерни, втулки, ролики, кулачки, вкладыши подшипников и др. ).

Из слоистых фенопластов в про­мышленности большое распростране­ние получили текстолит (наполнитель - хлопчатобумажная ткань ), ДСП - (наполнитель - древесный шпон ) и гетинакс (наполнитель - сульфатная бумага ). Эти пласт­массы обладают большей проч­ностью, чем волокнистые. Особенно высокой прочностью обладает тексто­лит. Его применяют для изготовле­ния шестерен, подшипников, вклады­шей и других нагруженных деталей. ДСП используют как конструкцион­ный и антифрикционный материал. Гетинакс используют в качестве электроизоляционного материала.

Аминопласты — термореактивные пластмассы на основе аминосмол. Они бесцветны, прозрачны и могут быть окрашены в любые (особенно светлые) тона с помощью кра­сителей. В качестве наполнителей применяют сульфидную целлюлозу , хлопковую целлюлозу , асбест , тальк и др. Изделия из аминопластов получают методами горячего и холод­ного прессования при различных режимах. Температура горячего прес­сования 135… 145°С , давление 10,5…42 МПа , время выдержки 1мин на 1 мм толщины изделия.

Аминопласты применяют главным образом для изготовления электроарматуры, радиодеталей, предметов широкого потребления (посуда, кан­целярские и галантерейные товары и др. ), а также для отделки магазинов, ателье, кают пароходов, железнодо­рожных вагонов.

Пластмассы на основе поливинил­хлорида получают добавлением на­полнителей, пластификаторов и кра­сителей. Наполнители повышают механичешую прочность пластиката и снижают его стоимость. Для повышения гибкости и пластичности, а также хорошего смешения составля­ющих, в смесь вводят 30…60% пла­стификатора (дибутилфталата). Об­работкой такой смеси на вальцах получают мягкий листовой материал толщиной от 0,1 до нескольких миллиметров. Пластикат используют как футеровочный и электроизоляционный материал, а так же для изготовления труб с толщиной стенки 0,3… 10 мм . В строительстве поли­винилхлорид идет для производства полихлорвинилового линолиума, полихлорвиниловой плёнки и др.

Винипласт - жесткий материал, получаемый путем обработки непластифицированного поливинилхлорида со стабилизаторами и смазывающими веществами при температуре 160… 180 °С ; обладает большой прочностью, твердостью, хорошими диэлектриче­скими свойствами и высокой химической стойкостью. Винипласт легко поддается обработке резанием, свар­ке, склеиванию; получил большое применение в различных отраслях на­родного хозяйства, особенно в химиче­ской промышленности. Из винипласта изготовляют трубы, вентили, краны, фитинги. Винипластовые пленки при­меняют для футеровки химической ап­паратуры, электролизных ванн и др.

Введение
1. Особенности полимеров
2. Классификация
3. Типы полимеров
4. Применение
5. Наука о полимерах
Заключение
Список использованных источников

Введение

Цепочки молекул полипропилена.

Полимеры (греч. πολύ- - много; μέρος - часть) - неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, получаемые путём многократного повторения различных групп атомов, называемых «мономерными звеньями», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер - это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико. Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются. Как правило, полимеры - вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей - реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвленным, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трёхмерными структурами.

В строении полимера можно выделить мономерное звено - повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (-СН2-CHCl-)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

1. Особенности полимеров

Особые механические свойства:

эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);

малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;

растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

2. Классификация

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 форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные (частный случай - звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.

Полимеры подразделяют по полярности (влияющей на растворимость в различных жидкостях). Полярность звеньев полимера определяется наличием в их составе диполей - молекул с разобщенным распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных звеньях дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются. Полимеры, звенья которых обладают значительной полярностью, называют гидрофильными или полярными. Полимеры с неполярными звеньями - неполярными, гидрофобными. Полимеры, содержащие как полярные, так и неполярные звенья, называются амфифильными. Гомополимеры, каждое звено которых содержит как полярные, так и неполярные крупные группы, предложено называть амфифильными гомополимерами.

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 (см. Химическая эволюция).

3. Типы полимеров

Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы

Человек 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.

Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях - путём переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путём получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе. Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы - целлулоид - был получен ещё в начале XX в. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят плёнки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной плёнки из нитроцеллюлозы.

Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу - продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трёхмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т. п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.

Благодаря усилиям Генри Форда, перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем также и синтетического каучука. Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Советском Союзе, Англии, Германии и США. В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата - без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолётостроение в годы войны.

После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое ещё до войны. В 50-х гг. XX в. было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон - искусственная шерсть из полиакрилонитрила, - замыкают список синтетических волокон, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности. В первом случае эти волокна очень часто сочетаются с натуральными волокнами из целлюлозы или из белка (хлопок, шерсть, шёлк). Эпохальным событием в мире полимеров явилось открытие в середине 50-х годов XX столетия и быстрое промышленное освоение катализаторов Циглера-Натта, что привело к появлению полимерных материалов на основе полиолефинов и, прежде всего, полипропилена и полиэтилена низкого давления (до этого было освоено производство полиэтилена при давлении порядка 1000 атм.), а также стереорегулярных полимеров, способных к кристаллизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны - наиболее распространенные герметики, адгезивные и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны - элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью.

Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в 60-70 гг. XX в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфир-кетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.

Огнеупорные полимеры

Многие 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.

Действие гидроксида алюминия основано на том, что под высокотемпературным воздействием выделяется вода, препятствующая горению. Для достижения эффекта требуется добавлять большие количества гидроксида алюминия: по массе 4 части к одной части ненасыщенных полиэфирных смол.

Пирофосфат аммония действует по другому принципу: он вызывает обугливание, что вместе со стеклообразным слоем пирофосфатов даёт изоляцию пластика от кислорода, ингибируя распространение огня.

Новым перспективным наполнителем являются слоистые алюмосиликаты, производство которых создаётся в России.

4. Применение

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.

5. Наука о полимерах

Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.

Список использованных источников

1. Энциклопедии полимеров, т. 1 - 3, гл. ред. В. А. Каргин, М., 1972 - 77;
2. Махлис Ф. А., Федюкин Д. Л., Терминологический справочник по резине, М., 1989;
3. Кривошей В. Н., Тара из полимерных материалов, М.,1990;
4. Шефтель В. О., Вредные вещества в пластмассах, М.,1991;

Реферат на тему “Полимеры” обновлено: Январь 18, 2018 автором: Научные Статьи.Ру

Полимерные материалы. Использование полимерных материалов в быту

Содержание

Введение.

Классификация полимерных материалов. Использование полимеров.

Строение и химические свойства полимеров.

Типы деструкции полимеров.

Выделение токсичных продуктов полимерами под различными воздействиями и с течением времени.

Введение

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ - материалы на основе высокомолекулярных соединений; обычно многокомпонентные и многофазные. Полимерные материалы - важнейший класс современных материалов, широко используемых во всех отраслях техники и технологии, в сельском хозяйстве и в быту. Отличаются широкими возможностями регулирования состава, структуры и свойств. Основные достоинства полимерных материалов: низкая стоимость, сравнительная простота, высокая производительность, малая энергоемкость и малоотходность методов получения и переработки, невысокая плотность, высокая стойкость к агрессивным средам, атомным и радиационным воздействиям и ударным нагрузкам, низкая теплопроводность, высокие оптические, радио- и электротехнические. свойства, хорошие адгезионные свойства. Недостатки полимерных материалов: низкая тепло- и термостойкость, большое тепловое расширение, склонность к ползучести и релаксации напряжений; для многих полимерных материалов - горючесть.

Основные типы полимерных материалов:

Пластические массы и композиционные материалы (композиты), резины, лакокрасочные материалы и лакокрасочные покрытия, клеи, компаунды полимерные, герметики, полимербетон, волокнистые пленочные и листовые материалы (волокниты, ткани, нетканые материалы, пленки полимерные, кожа искусственная, бумага и т.п.).

По назначению полимерные материалы подразделяются на: 1.конструкционные общего назначения и функциональные - напр. фрикционные и антифрикционные,

2.тепло- и электроизоляционные,

3.электропроводящие,

4.термоиндикаторные,

5.пьезоэлектрические,

6.оптически активные,

7.магнитные,

8.фоторезисторные,

9.антикоррозионные.

По природе основной (полимерной) фазы (полимера связующего или пленкообразующего) полимерные материалы могут быть природными (натуральными) и химическими (искусственными, или синтетическими).

По характеру физических и химических превращений, протекающих в полимерной фазе на стадиях получения и переработки, полимерные материалы, как и пластические массы, подразделяются на термопластичные и термореактивные.

В производстве термореактивных полимерных материалов из природных полимеров наиболее широко используются производные целлюлозы, из синтетических - широкий класс карбо- и гетероцепных гомополимеров, статистических, чередующихся, блок- и привитых сополимеров, их смесей и сплавов.

В производстве термореактивных полимерных материалов наиболее широко используют мономеры, олигомеры, форполимеры, масла и смолы, содержащие ненасыщенные и циклические. группы, реагирующие без выделения низкомолекулярных веществ и со сравнительно небольшими объемными усадками, ненасыщенные поли- и олигоэфиры, эпоксидные олигомеры и смолы, олигоизоцианаты, бисмалеинимиды, спироциклич. мономеры и олигомеры и т.п. Их состав и структура, тип и количество отвердителя, сшивающего агента, инициатора и катализатора, ускорителя или ингибитора определяются типом полимерного материала (пластическая масса, армированный пластик, лакокрасочный материал, клей и т.п.) и требованиями, предъявляемыми к его технологии и эксплуатации свойствам.

В качестве полимерной фазы или самостоятельного полимерного материала широко используют макро- или микрогетерог. полимер-полимерные композиции (смеси и сплавы полимеров; блок-и привитые сополимеры, в т.ч. сетчатые, взаимопроникающие сетки; вспененные или пористые полимеры, напр. пенопласты. Среди них наиболее распространены дисперсно-эластифицированные системы, состоящие из непрерывной стеклообразной и дисперсной эластичной фаз, напр. полистирол ударопрочный, АБС-пластик, модифицированные каучуками отверждающиеся композиции, а также термоэластопласты, эластичные взаимопроникающие сетки и иономеры.

Для регулирования технологических и(или) эксплуатационных свойств полимерной фазы полимерных материалов в нее вводят на стадии синтеза полимера или создания материала химически инертные или активные модификаторы-растворители, пластификаторы, или мягчители, разбавители, загустители или смазки, структурообразователи, красители, антипирены, антиоксиданты, антиозонанты, противостарители, термо- и светостабилизаторы, антирады, наполнители и ПАВ; для получения пористых полимерных материалов вводят, кроме того, и порообразователи.

Структуру и свойства полимерных материалов регулируют не только изменением их состава и характера распределения компонентов и фаз, но и условиями термического и механического воздействия при формировании.

Способы и условия переработки полимерных материалов определяются типом материала (термопластичный или термореактивный) и его исходным состоянием, т.е. типом полуфабриката (плавкий порошок, гранулы, растворы или расплавы, дисперсии), а также видом наполнителей-нитей, жгутов, лент, тканей, бумаги, пленок и их сочетаний с полимерной фазой.

Строение и химические свойства полимеров

Особенности строения.

Слово "полимер" дословно означает - много сегментов (от греческого polusмного и terosчасти, сегменты).

Этот термин охватывает все вещества, молекулы которых построены из множества элементов, или звеньев. Эти элементы включают в себя как отдельные атомы так и (что чаще) небольшие группы атомов, соединенных химическими связями. Примера полимера с элементами, состоящими из элементарных атомов, служит так называемая "пластическая сера". Она получается при выливании расплава серы (при соответствующей температуре) в холодную воду. Структура полимерной серы можно представить в виде цепи атомов, связанных друг с другом химическими связями

В этом состоянии физические свойства серы иные, чем у обычной кристаллической или каменной серы, - они более типичны для каучукоподобных полимеров. Мягкая, очень эластичная и полупрозрачная, она не имеет в отличие от кристаллических веществ определенной точки плавления. При повышении температуры сера сначала размягчается, а затем течет как высоковязкая жидкость. Однако полимерная сера не стабильна и при комнатной температуре через несколько дней снова переходит в обычную порошкообразную или кристаллическую форму.

Для большинства полимеров повторяющимся элементом структуры являются небольшие группы атомов, соединенных определенным образом. Один из наиболее простых с точки зрения химического строения полимеров - полиэтилен имеет в качестве повторяющегося элемента группу CH2.

Исходная молекула, из которой образуется полимер, носит название мономерного звена (от греческого monos - единичный). Как показывает этот пример, мономерное звено не всегда является повторяющимся элементом цепи.

Однако не всегда звенья цепи идентичны. Многие полимеры образуются при взаимодействии двух различных видов мономерных звеньев или химических соединений. Это приводит к структуре типа

в которой звенья [A] и [B] регулярно чередуются по всей длине цепи.

У полимеров другого типа (называемых сополимерами) соотношение двух различных звеньев [A] и [B] не постоянно, а расположение их в цепи обычно имеет случайный характер, например

Такое построение характерно для многих синтетических каучуков.

Одно из звеньев, скажем В, может соединится с А не только по концам, но и в третьей точке. Это дает возможность цепям разветвляться:

Такой полимер может "расти" из каждой точки разветвления, образуя сложную высоко разветвленную трехмерную структуру.

До сих пор мы не уделяли внимания вопросу о числе элементарных звеньев в молекуле, необходимом для того, чтобы вещество можно было классифицировать как полимер. Что это за число, которое составляет понятие много?

Точного ответа на этот вопрос нет. Вообще говоря, любое число от двух и более соответствует полимеру. Однако полимеры, содержащие несколько звеньев, обычно называются димерами, тримерами, тетрамерами и т.д., по числу входящих в них исходных молекул, или мономерных звеньев, а термин полимер (точнее, высокополимер) относится к случаю, когда число входящих в цепь звеньев достаточно велико. Минимальное число мономерных звеньев высокополимера около 100. Максимальное число звеньев теоретически не ограничено.

Химические свойства полимеров.

Химическая стойкость полимеров определяется разными способами, но чаще всего по изменению массы при выдержке образца в соответствующей среде или реагенте. Этот критерий, однако, не является универсальным и не отражает природу химических изменений (деструкции). Даже в стандартах (ГОСТ 1202066) предусмотрены лишь качественные ее оценки по балльной системе. Так, полимеры, изменяющие за 42 суток массу на 3 ... 5%, считаются устойчивыми, на 5 ... 8% относительно устойчивыми, более 8 ... 10%нестойкими. Конечно, эти пределы зависят от вида изделия и его назначения.
Для полимеров характерна высокая стойкость по отношению к неорганическим реактивам и меньшая к органическим. В принципе все полимеры неустойчивы в средах, обладающих резко выраженными окислительными свойствами, но среди них есть и такие, химическая стойкость которых выше, чем золота и платины. Поэтому полимеры широко используются в качестве контейнеров для особо чистых реактивов и воды, защиты и герметизации радиокомпонентов, и особенно полупроводниковых приборов и ИС.
Особенность полимеров состоит еще и в том, что они по своей природе не являются вакуумплотными. Молекулы газообразных и жидких веществ, особенно воды, могут проникать в микропустоты, образующиеся при движении отдельных сегментов полимера, даже если его структура бездефектна.
Для качественной оценки сорбционно-диффузионных процессов в полимерах используются три параметра: коэффициент диффузии D , м2/с; коэффициент растворимости 5, кг/(м3*Па); коэффициент проницаемости р, кг/(м*Па*с), причем p=DS. Так, для воды в полиэтилене D=0,8-10-12 м2/c, S=10-3 кг(м3 Па) и р=8*10-16 кг/(м*Па*с).
Полимеры выполняют роль защиты металлических поверхностей от коррозии в случаях, когда:

толщина слоя велика

полимер оказывает пассивирующее действие на активные (дефектные) центры металла, тем самым подавляя коррозионное действие влаги, проникающей к поверхности металла.

Как видно, герметизирующие возможности полимеров ограничены, а пассивирующее их действие неуниверсально. Поэтому полимерная герметизация применяется в неответственных изделиях, эксплуатирующихся в благоприятных условиях.
Для большинства полимеров характерно старение необратимое изменение структуры и свойств, приводящее к снижению их прочности. Совокупность химических процессов, приводящих под действием агрессивных сред (кислород, озон, растворы кислот и щелочей) к изменению строения и молекулярной массы, называется химической деструкцией. Наиболее распространенный ее вид термоокислительная деструкция, происходит под действием окислителей при повышенной температуре. При деструкции не все свойства деградируют в равной мере: например, при окислении кремнийорганических полимеров их диэлектрические параметры ухудшаются несущественно, так как Si окисляется до оксида, который является хорошим диэлектриком.

Токсичность и другие негативные свойства полимерных материалов

При оценке экологической чистоты полимерных строительных материалов руководствуются следующими основными требованиями к ним:
полимерные материалы не должны создавать в помещении стойкого специфического запаха;
выделять в воздух летучие вещества в опасных для человека концентрациях;
стимулировать развитие патогенной микрофлоры на своей поверхности;
ухудшать микроклимат помещений;
должны быть доступными влажной дезинфекции;
напряженность поля статического электричества на поверхности полимерных материалов не должна быть больше 150 В/см (при относительной влажности воздуха в помещении 60-70%)
Многочисленные исследования показали, что практически все полимерные строительные и отделочные материалы, созданные на основе низкомолекулярных соединений, в процессе использования могут выделять (мигрировать) токсичные летучие компоненты, которые при длительном воздействии могут неблагоприятно влиять на живые организмы, в том числе и на здоровье человека
Международное агентство по изучению рака (МАИР) обращает внимание на канцерогенную опасность полимеров, полученных из нефти и каменного угля, а Агентство по регистрации токсичных веществ и заболеваний (ATSDR) констатирует, что при производстве пластмасс используются вещества, входящие в перечень двадцати наиболее опасных токсичных веществ.
Приводим характеристику некоторых полимерных строительных и отделочных материалов, способных выделять токсичные субстанции.

Материалы на основе карбамидных смол
Древесностружечные плиты (ДСП) выделяют формальдегида в 2, 5-3 раза и больше допустимого уровня. В свободном состоянии формальдегид представляет собой раздражающий газ, обладающий общей токсичностью. Он подавляет действие ряда жизненно важных ферментов в организме, приводит к заболеваниям дыхательной системы и центральной нервной системы.

Материалы на основе фенолформальдегидных смол (ФФС)
Древесноволокнистые (ДВП), древесностружечные (ДСП) и древеснослоистые (ДСП). Выделяют в воздушную среду помещений фенол и формальдегид. Концентрация формальдегида в жилых помещениях, оборудованных мебелью и строительными конструкциями, содержащими ДСП, может превышать ПДК в 5-10 раз. Особенно высокое превышение допустимого уровня отмечается в сборно-щитовых домах. Токсичность выделяющихся веществ во многом зависит от марки смолы.

Материалы на основе эпоксидных смол.
Как и другие виды смол: карбамидные, фенольные, фурановые и полиуретановые, эпоксидные смолы содержат летучие токсичные вещества: формальдегид, дибутилфтолат, эрихлоргидин и др. Например, полимербетон (ПБ) на основе эпоксидной смолы Эд-6 с введением в его состав пластификатора МГФ-9 снижает выделение ЭХГ и может быть рекомендован только для промышленных и общественных зданий.

Поливинилхлоридные материалы (ПВХ)
ПВХ - линолеумы обладают общей токсичностью, в процессе эксплуатации могут создавать на своей поверхности статическое электрическое поле напряженностью до 2000-3000 В/см. При использовании поливинилхлоридных плиток в воздушной среде помещений обнаруживают фталаты и бромирующие вещества. Весьма, отрицательное свойство плиток - низкие теплозащитные свойства, что приводит к простудным заболеваниям. Рекомендуются только во вспомогательных помещениях и коридорах.

Резиновый линолеум (релин)
Независимо от длительности нахождения в помещении выделяет неприятный специфический запах. Стиролосодержащие резиновые линолеумы выделяют стирол. На своей поверхности релин, как и все пластмассы, накапливает значительные заряды статического электричества. В жилых комнатах покрывать пол релином не рекомендуется.

Нитролинолеум.
Выделяет дибутилфталат и фенол в количествах, превышающих допустимый уровень.

Поливинилацетатные покрытия (ПВА)
При недостаточном проветривании выделяют в воздушную среду помещений формальдегид и метанол в количестве, превышающем ПДК в 2 раза и более.

Лакокрасочные материалы.
Наиболее опасны растворители и пигменты (свинцовые, медные и др.). Кроме того, лакокрасочные покрытия загрязняют воздушную среду жилых помещений толуолом, ксилолом, бутилметакрилатом и др. Токсичные битумные мастики, изготовленныё на основе синтетических веществ, содержат низкомолекулярные и другие летучие токсичные соединения.
Ученые Института строительной экологии в Швеции к числу наиболее опасных химических соединений, выделяющихся в атмосферу жилища из полимерных строительных материалов, относят изоцианты, кадмий и антипирены.
Изоцианты - опасные токсичные соединения, проникающие в жилые помещения из полиуретановых материалов (уплотнителей, соединений и др.). Как отмечают шведские специалисты, полиуретановая пена очень удобна в работе, но может оказаться небезопасной для будущего жилища. Вредное воздействие изоциантов, приводящих к астме, аллергии и к другим заболеваниям, усиливается при нагревании полиуретановых материалов солнечными лучами или теплом от отопительных батарей. Возможный выброс изоциантов в атмосферу требует постоянного контроля, однако, как считают шведские специалисты из Института строительной экологии, существующие методы недостаточны, а новые пока еще в стадии разработки.
Весьма опасен кадмий - тяжелый металл, содержащийся в лакокрасочных материалах, пластиковых трубах, напольных покрытиях и т. д. Попадая в организм человека, он вызывает необратимые изменения скелета, приводит к заболеваниям почек и малокровию.
Еще одна экологическая угроза, исходящая из полимерных строительных материалов - противопожарные вещества - антипирены, содержащиеся в негорючих пластиках. Установлена связь вредных веществ, выделяющихся из них, и с заболеванием населения аллергией, бронхиальной астмой и др
Проведенные в последние годы детальные исследования показали, что полимерные строительные материалы могут оказаться источником выделения и таких вредных веществ, как бензол, толуол, ксилол, амины, акрилаты и др.
Миграция этих и других токсичных веществ из полимерных материалов происходит вследствие их химической деструкции, т. е. старения как под действием химических и физических факторов (окисления, перепадов температуры, инсоляции и др.), так и в связи с недостаточной экологической чистотой исходного сырья, нарушением технологии их производства или использованием не по назначению. Уровень выделения газообразных токсичных веществ заметно увеличивается при повышении температуры на поверхности полимерных материалов и относительной влажности воздуха в помещении.
Один из возможных источников ухудшения экологического состояния жилых помещений - расселение по поверхности полимерных материалов микрофлоры (грибков, мха, бактерий и др.). Некоторые из пластмасс действуют на микроорганизмы губительно, другие же, наоборот, оказывают на них стимулирующее воздействие, способствуя интенсивному размножению. Насколько опасно это их свойство, можно судить по времени сохранности на поверхности полов из полимерных материалов возбудителей:
дифтерии - 150 дней, брюшного тифа и дизентерии - более 120 дней
В связи с этим в лечебных учреждениях и общественных зданиях используются только такие полимерные материалы, которые обладают бактерицидными свойствами, например, полы на основе поливинилацетатной эмульсии.
Не менее опасна и способность полимерных строительных материалов накапливать на своей поверхности заряды статического электричества. Данная проблема является чрезвычайно актуальной, учитывая вероятность сочетанного воздействия на организм электризуемости полимеров и других негативных факторов.
В частности, установлено, что электризуемость полимеров оказывает стимулирующее воздействие на развитие патогенной микрофлоры, а также способствует более легкому проникновению летучих токсичных веществ, получивших электрический заряд, в организм.
Особенно высокой степенью электризации (более 65 В/кв. см.) отличаются поверхности линолеумов на полихлорвиниловой основе и другие полы на пластмассовой основе.
Антистатический агент, т. е. химическое соединение, нейтрализующее заряды статического электричества, образует на поверхности полимерного материала резиноподобную пленку. Для этих целей используют различные нитро соединения (амины, амиды и др.), полигликоли и их производные, сульфокислоты, фосфорсодержащие кислоты и др. Выбор антистатического агента определяется назначением и видом полимерного материала. В последнее время при подготовке и укладке полимерных облицовочных материалов снятие электростатических зарядов с их поверхности осуществляют и с помощью нейтрализаторов статического электричества - НЭС/А и др.
Выделение газообразных токсичных веществ в результате горения полимерных строительных материалов еще одна весьма серьезная опасность, связанная с их использованием. Газообразные продукты (NH3, HCI, CI2, SO2, HCN), растворимые в воде, поглощаются носовой полостью.

Нерастворимые в воде (СО) продукты проникают в лёгкие, где происходит интенсивный газообмен с кровью.

Гопкалит - смесь 60 % MnO2 и 40 % СuО (наполнитель патронов в противогазе для доокисления СО).

(CO + MnO2 CO2 + MnO)

(2MnO + O2 ( в - х ) 2MnO2)]

Твёрдые продукты горения проникают также в дыхательные пути (бронхи, лёгкие).

Токсичные продукты горения: СО, СО2, NH3, Br2, CI2, COCI2, HCN, H2S, SO2, HCI, HBr, HF, COF2, CH3CI, C2H5Br, CH2=CHCI, HCOH, CH3COH и т.д. Их токсичное действие увеличивается при понижении концентрации О2 в атмосфере.

Кислород- в воздухе 21 %, Ткип. = --185 оС; при 14 % - головокружение, головная боль, утомляемость; при 6 % - смерть в течении 6-8 минут. СО2 (в воздухе 0,05-0,04 %).

Наркотическое действие. При 9 % - через 4 часа падение давления и смерть.

СО - мало растворим в воде. Получается при неполном сгорании органики. СО легко проникает через пористые материалы. Связь гемоглобина с СО прочнее, чем с О2. Вдыхание 5 % СО в составе воздушной смеси в течении 5-10 минут - смертельно.

HCl - резкий запах, хорошо растворим в воде. Вызывает раздражение слизистых оболочек глаз, носа. Образуется при сгорании Cl - содержащих полимеров. Вызывает коррозию металлов, разрушение бетона, цемента.

ПВХ горит. При этом выделяется углекислый газ, водяные пары, твёрдые частицы в виде дыма и частично пары HCI.

HF - резкий запах, хорошо растворим в воде (плавиковая кислота). Образуется при сгорании фторсодержащих полимеров. Сильно раздражает верхние дыхательные пути человека. Вызывает коррозию металлов.

Н2S - запах тухлых яиц. Скапливается на дне ям колодцев и т.д. Горюч. Образуется при горении шерсти, резины и т. д. В небольших количествах вызывает жжение, слезотечение, светобоязнь. В больших концентрациях - судороги и смерть от остановки дыхания. Углеводороды усиливают его действия.

SO2 - характерный острый запах. Раздражает слизистые, травмирует лёгкие. Сухой кашель, жжение и боль в горле, слезотечение, кровотечение.

HCN - бесцветная очень неподвижная жидкость. Ткип. =25,7 оС. Легче воздуха. Хорошо растворим в воде. В присутствии влаги и щелочей гидролизуется до NH3 и НСООН, частично полимеризуется. Горюч. Хорошо проникает, действует на нервную систему. Текстильные волокна и пористые материалы легко сорбируют пары (100г влажной соломы - до 126,3мг HCN).

Синильная кислота может образовываться при горении целлулоида. Следы этой кислоты содержатся в табачном дыме.

NO - при сгорании азотсодержащих полимеров образуются. Действует на кровь. NO2 - бурый газ. Раздражение слизистых. Оттёк лёгких.

NH3 - при сгорании азотсодержащих полимеров образуется аммиак. Обладает резким запахом. Хорошо растворим в воде. Горюч. Раздражающее действие.

COCI2 - запах прелых фруктов или сена. Тяжелее воздуха. Хорошо растворяется в органике, плохо в холодной воде. При нагревании может разлагаться:

COCI2=CO+CI2.

В воде быстро гидролизуется:

COCI2+H2O = HCI+CO2.

Хлор - поражает лёгкие.

Обычно действует смесь продуктов горения на человека. Повышение температуры и влажности, понижение парциального давления О2 усиливают токсичное действие ядов.

Пламя, высокая температура, токсичные продукты горения, дым, снижение содержания кислорода, лучистый тепловой поток, потеря видимости являются опасными факторами пожара, поскольку при определённых уровнях становятся поражающими для его организма или делают невозможным организацию процесса эвакуации. Их нормированные значения приведены в табл. 1.

Таблица 1. Концентрации летучих токсичных веществ, выделяющихся при пожаре и их воздействие

12 % об.

20 % об.

Потеря сознания, смерть в течении нескольких минут.

Немедленная потеря сознания и смерть.

Хлороводород, хлористый водород, HCl

Снижает возможность ориентации человека: соприкасаясь с влажным глазным яблоком, превращается в соляную кислоту.

Вызывает спазмы дыхания, воспалительные отеки и, как следствие, нарушение функции дыхания. Образуется при горении хлорсодержащих полимеров, особенно ПВХ.

2000-3000 мг/м 3

Летальная концентрация при действии в течении нескольких минут.

Циановодород, (цианистый водород, синильная кислота), HCN

Вызывает нарушение тканевого дыхания вследствие подавления деятельности железосодержащих ферментов, ответственных за использование кислорода в окислительных процессах. Вызывает паралич нервных центров. Выделяется при горении азотсодержащих материалов (шерсть, полиакрилонитрил, пенополиуретан, бумажно-слоистые пластики, полиамиды и пр.)

240-360 мг/м 3

420-500 мг/м 3

Смерть в течении 5-10 мин

Быстрая смерть

Фтороводород, (фтористый водород, HF)

Вызывает образование язв на слизистых оболочках глаз и дыхательных путей, носовые кровотечения, спазм гортани и бронхов, поражение ЦНС, печени. Наблюдается сердечно-сосудистая недостаточность. Выделяется при горении фторсодержащих полимерных материалов.

45-135 мг/м 3

Опасен для жизни после несколько минут воздействия

Диоксид азота, NO 2

При попадании в кровь, образуются нитриты и нитраты, которые переводят оксигемоглобин в метгемоглобин, что вызывает кислородную недостаточность организма, обусловленную поражением дыхательных путей. Предполагается, что при пожарах в жилых домах отсутствуют условия, необходимые для интенсивного горения. Однако известен случай массовой гибели людей в клинической больнице из-за горения рентгеновской пленки .

510-760 мг/м 3

950 мг/м 3

При вдыхании в течении 5 мин развивается бронхопневмония

Отек легких

Аммиак, NH 3

Оказывает сильное раздражающее и прижигающее действие на слизистые оболочки. Вызывает обильное слезотечение и боль в глазах, удушье, сильные приступы кашля, головокружение, рвоту, отеки голосовых связок и легких. Образуется при горении шерсти, шелка, полиакрилонитрила, полиамида и полиуретана.

375 мг/м 3

1400 мг/м 3

Допустимая в течении 10 мин

Летальная концентрация

Акролеин (акриловый альдегид, СН 2 =СН-СНО)

Легкое головокружение, приливы крови к голове, тошнота, рвота, замедление пульса, потеря сознания, отек легких. Иногда отмечается сильное головокружение и дезориентация. Источники выделения паров - полиэтилен, полипропилен, древесина, бумага, нефтепродукты.

13 мг/м 3

75-350 мг/м 3

Переносимая не более 1 мин

Летальная концентрация

Сернистый ангидрид (диоксид серы, сернистый газ, SO 2 )

На влажной поверхности слизистых оболочек последовательно превращаются в сернистую и серную кислоту. Вызывает кашель, носовые кровотечения, спазм бронхов, нарушает обменные процессы, способствует образованию метгемоглобина в крови, действует на кроветворные органы. Выделяется при горении шерсти, войлока, резины и др.

250-500 мг/м 3

1500-2000 мг/м 3

Опасная концентрация

Смертельная концентрация при воздействии в течение нескольких минут.

Сероводород. Н 2 S

Раздражение глаз и дыхательных путей. Появление судорог, потеря сознания. Образуется при горении серосодержащих материалов.

700 мг/м 3

1000 мг/м 3

Тяжелое отравление

Смерть в течении нескольких минут

Дым, парогазоаэрозольный комплекс

В его составе находятся твердые частицы сажи, жидкие частицы смолы, влаги, аэрозолей конденсации выполняющих транспортную функцию для токсичных веществ при дыхании. Кроме того, частицы дыма сорбируют на своей поверхности кислород, уменьшая его содержание в газовой фазе. Крупные частицы (> 2,5 мкм) оседают в верхних дыхательных путях, вызывая механическое и химическое раздражение слизистой оболочки. Мелкие частицы проникают в бронхиолы и альвеолы. При поступлении в большом количестве возможна закупорка дыхательных путей.

В настоящее время, нормируется предельные значения опасных факторов пожара, рассмотренные независимо друг от друга. Современные данные показывают, что при одновременном поступлении продуктов горения в организм человека, наблюдается сложный эффект совместного воздействия. Выделяется три типа воздействия: суммирование/аддитивность (конечный результат одновременного действия нескольких ядов равен сумме эффектов каждого из них), потенцирование/синергизм (конечный результат больше арифметической суммы отдельных эффектов) и антагонизм (снижение эффекта совместного действия ядов по сравнению с предполагаемой суммой отдельных эффектов), табл. 2.

Таблица 2. Примеры различных типов влияния опасных факторов пожара, выделяющихся при горении

Изделия на основе поливинилхлорида (ПВХ), например, обрезки линолеума, некоторые виды упаковки 3 , игрушки, предметы из кожзаменителя, ткани, покрытые полимерной пленкой, остатки изолированного электрического кабеля и др. при горении образуют целый ряд токсикантов.

Если горение происходит при температуре ниже 1100 °C, хлорсодержащие полимеры преобразуются в хлорированные полиароматические углеводороды (ПАУ), которые включают такие высокотоксичные и канцерогенные вещества, как диоксины 4 и дибензофураны. Сжигание поливинилхлоридного пластика при 6000 С в условиях дефицита кислорода создает практически идеальные условия для образования этого и других диоксинов. При этих же условиях может образовываться небольшое количество карбонилхлорида (COCl 2 ), более известного как фосген. Это только некоторые из газов, образующихся в результате горения ПВХ - всего же образуется не менее 75 потенциально токсичных веществ.

При очень низких температурах горения, ниже 600 °C, полиуретановые пены не выделяют цианидов, но взамен дают плотный, удушающий дым желтого цвета, который содержит изоцианаты, включая толуол диизоцианат - очень сильный аллерген и раздражитель. Если развести костер из обломков мебели с полиуретановой набивкой, особенно в холодную сырую погоду, то получится большое облако желтого густого дыма, которое широко расползается и очень долго висит в воздухе.

Синтетические материалы, которые являются чистыми углеводородами, такие как полиэтилен, полипропилен и полистирол, не причиняют большого вреда, если горят при высокой температуре - они просто превращаются в углекислый газ и водяной пар. Но температуры костра для этого не достаточно - эти материалы чаще всего медленно тлеют, образуя плотный черный дым, содержащий канцерогенные ароматические углеводороды и раздражающие вещества, например, акролеин.

В последнее время в огонь все чаще попадают ДСП, ДВП и фанера. Они содержат большие количества формальдегидных смол, которые при горении выделяют цианиды и формальдегиды

Альтернативным вариантом простого сжигания считается термическая переработка полимерных материалов в специальных камерах для получения из них вторичных материалов.
В заключение следует подчеркнуть, что в строительстве по соображениям экологической безопасности могут применяться только те полимерные материалы и изделия (облицовочные покрытия, погонажные изделия, клеи, мастика и т. п.), которые отвечают требованиям действующих ГОСТов, ТУ и обладают удовлетворительными санитарно-гигиеническими показатёлями.
Например, для покрытия полов рекомендованы следующие виды поливинилхлоридных покрытий: на теплоизолирующей подоснове (ГОСТ 18108-80), на тканевой подоснове (ГОСТ 7251-77), бесподосновные (ГОСТ 14632-79) и плитки ПВХ для пола (ГОСТ 16475-81), а также вспененный линолеум (ТУ 21- 29-102-84), деколин (ТУ 21-29-103-84), ковроплен (ТУ 400-1-184-79).
Для устройства перегородок и покрытия полов были разрешены плиты ДСП на органо-минеральном связующем (ТУ 110- 028-90), а также ДСП - на фенольно-формальдегидном связующем (ТУ 0 и ТУ 674045-90) выпуска Красноярского комбината. Остальные плиты из-за их токсичности в жилых помещениях применять не разрешалось.
В настоящее время выпуск «Перечня полимерных материалов и изделий, допущенных к применению в строительстве» прекращен. На каждый вид новых полимерных строительных материалов и изделий теперь требуется ГОСТ и отдельный гигиенический сертификат. Не регламентируется и не ограничивается использование полимерных материалов, находящихся в толще конструкций и сообщающихся с воздухом помещений лишь через стыки и трещины, а также клеевых и других малотоксичных материалов, используемых в небольших количествах. Это положение не распространяется на сильно токсичные вещества, например, на такие, как изоцианты, выделяющиеся из полиуретановых уплотнителей, которые даже в весьма малых дозах способны приводить к заболеваниям дыхательных путей и аллергии.
Наряду с гигиенической регламентацией и сертификацией важнейшее значение для повышения уровня экологической безопасности используемых материалов имеет разработка новых видов нетоксичных полимерных строительных материалов и изделий. Немаловажна и экологизация технологического процесса их изготовления, строгий контроль за качеством исходных компонентов сырья.
С экологической точки зрения общая тенденция при использовании полимерных материалов в строительстве должна быть следующей: необходимо как можно шире применять нетоксичные, ограничивать использование малотоксичных и избегать токсичных материалов.

Список литературы

1. Врублевский А.В., Бутылина И.Б. Полимеры и материалы на их основе.

2. Писаренко А.П., Хавин З.Я. Курс органической химии.

3. Нечаев А.П. Органическая химия.

4. Артеменко А.И. Органическая химия.

5. Березин Б.Д. Курс современной органической химии.

6. Ким А.М. Органическая химия.

7. Кнунянц И.Л. Химическая энциклопедия, т.2.

8. Каргин В. А., Слонимский Г. Л., Краткие очерки по физико-химии полимеров.

9. Химические волокна, под ред. М.М. Ламаш.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта

Представьте следующую ситуацию. Вы выходите из магазина и торопитесь поскорее закинуть пакет в машину. Дело сделано. Вы быстро проверяете телефон и садитесь за руль. Заходя в свою квартиру, вы вытираете ноги о резиновый коврик, вынимаете все из пакетов: сковородку с антипригарным покрытием, игрушки для ребенка, пену для бритья, пару рубашек, обои. Вроде ничего не забыли. Вы прихватываете с собой бутылку воды и идете к компьютеру - пора бы и поработать. Все, о чем шла речь выше, содержит полимеры. Вплоть до магазина.

Полимеры - что это такое?

Полимеры - это материалы, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул. Они обладают уникальными свойствами в зависимости от типа соединяемых молекул и от того, как они соединены. Некоторые из них гнутся и тянутся, например резина и полиэстер. Другие твердые и жесткие, как эпоксиды и органическое стекло.

Термин «полимер» обычно используется для описания пластиков, которые являются синтетическими полимерами. Как бы то ни было, естественные полимеры также существуют: к примеру, резина и дерево - это естественные полимеры, состоящие из простого углеводорода, изопрена. Белки - тоже естественные полимеры, они состоят из аминокислот. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) - полимеры нуклеотидов - сложных молекул, состоящих из азотсодержащей основы, сахара и фосфорной кислоты.

Кто до этого додумался?

Отцом полимеров считается преподаватель органической химии из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Герман Штаудингер.

Герман Штаудингер. Источник: Wikimedia

Его исследования 1920-х гг. проложили путь для последующей работы, как с естественными, так и с синтетическими полимерами. Он ввел два термина, являющихся ключевыми для понимания полимеров: полимеризация и макромолекула. В 1953 г. Штаудингер получил заслуженную Нобелевскую премию «за его открытия в поле макромолекулярной химии».

Полимеризация - метод создания синтетических полимеров путем комбинирования более маленьких молекул, мономеров, в цепочку, скрепляемую ковалентными связями. Различные химические реакции, например те, что вызваны теплом и давлением, изменяют химические связи, которые скрепляют мономеры. Процесс заставляет молекулы связываться в линейной, разветвленной или пространственной структуре, превращая их в полимеры. Эти цепочки мономеров также называют макромолекулами. Одна макромолекула может состоять из сотен тысяч мономеров.

Виды полимеров

Вид полимера зависит от его структуры. Из вышенаписанного мы понимаем, что таких видов должно быть три.

Линейные полимеры. Это соединения, в которых мономеры химически инертны по отношению друг к другу и связаны лишь силами Ван-дер-Ваальса (силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10–20 кДж/моль. - Прим. ред .). Термин «линейные» вовсе не обозначает прямолинейное расположение молекул относительно друг друга. Наоборот, для них более характерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность.

Разветвленные полимеры. Они образованы цепями с боковыми ответвлениями (число ответвлений и их длина различны). Разветвленные полимеры более прочны, чем линейные.

Линейные и разветвленные полимеры размягчаются при нагревании и вновь затвердевают при охлаждении. Такое их свойство называется термопластичностью, а сами полимеры - термопластичными, или термопластами. Связи между молекулами в таких полимерах могут быть разорваны и соединены по новой. Это значит, что пластмассовые бутылки можно использовать для производства других полимерсодержащих вещей, от коврика до флисовых курток. Конечно, можно наделать еще бутылок. Все, что понадобится для переработки, - высокая температура. Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так как связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под действием реагентов. К термопластам относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол и др.

Если же макромолекулы содержат реакционно-способные мономеры, то при нагревании они соединяются множеством поперечных связей, и полимер приобретает пространственную структуру. Такие полимеры называют термоактивными, или реактопластами.

С одной стороны, реактопласты обладают положительными качествами: они более твердые и теплостойкие. С другой стороны, после разрушения связей между молекулами термоактивных полимеров ее не получится установить второй раз. Переработка в таком случае отпадает, а это очень нехорошо. Самые распространенные полимеры этой группы - полиэстер, винилэстер и эпоксиды.

Достоинства полимерных материалов - достаточно высокие прочность и износостойкость, хорошие антифрикционные свойства и химическая стойкость. Ремонт деталей с применением полимерных материалов не требует сложного оборудования, малотрудоемок, сопровождается невысоким нагревом детали (250-320 °С), допускает большие износы (1-1,2 мм), в ряде случаев не требует последующей механической обработки. Применяется для заделки трещин, вмятин, пробоин, раковин, отколов, для восстановления размеров изношенных деталей, для изготовления быстроизнашивающихся деталей или их отдельных частей, для противокоррозионной защиты. 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.

Традиционно изделия из полимеров отличаются надежностью и высоким качеством.

Применение полимерных материалов в домашнем хозяйстве с самого начала было одной из первых задач промышленности, производящей полимеры. Для этого было много предпосылок. Их легко окрашивать в любые цвета, и благодаря этому они могут украсить наши будни.

Полиэтиленовые ведра, тазы много легче металлических - вот и желанное облегчение труда. На предприятиях общественного питания мы встречаем небьющуюся легкую пластмассовую посуду. При этом тарелки, чашки и другая утварь, получаемые на основе меламиновой смолы, блестяще проявили себя в эксплуатации.

Из ПВХ и полиэтилена высокопроизводительными способами изготавливаются бутылки для уксуса и масла.

Полимерные материалы находят все большее применение в производстве мебели. Декоративные прессованные пленки придают столам, шкафам и другим предметам праздничный вид и делают их стойкими по отношению к таким воздействиям, которых не выносит покрытие из дерева. При этом за ними чрезвычайно легко ухаживать.

Моющиеся обои из пенистого материала обеспечивают одновременно уют и праздничную обстановку в помещении.

Современные надежные в эксплуатации покрытия для пола, изготавливаемые из полимерных материалов, также облегчают уборку помещений. Особо следует отметить, что для их изготовления можно применять отходы переработки полимеров.

Сегодня никого уже не удивляет водопроводная арматура из полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена или аминопластов. Привычным стал телефонный аппарат из полимерных материалов.

Приблизительно 25% производимых пластмасс в самых разнообразных формах находят применение в строительстве. О традиционном применении в качестве покрытия полов, обшивки внутренних водостоков, санитарных объектов и т.п. мы уже не будем говорить.

В последние годы во все большем объеме применяются элементы конструкций заводского изготовления, в которых преобладают полимерные материалы. Их незначительная масса приносит выгоды при транспортировке и монтаже. Высокая светопроницаемость, способность материала окрашиваться в любой цвет, незначительные расходы при эксплуатации-вот определяющие свойства этих новых материалов.

Отличные теплоизоляционные свойства, особенно пенопластов, также будоражат мысли архитекторов и строителей. Светопрозрачные купола делают возможным бестеневое освещение. Неразрушающиеся прозрачные элементы, как правило из стеклопластиков, заменяют традиционные конструкции из армированного бьющегося стекла. Такими сводами при толщине составляющих их элементов не более 2 мм можно перекрывать пролеты шириной до 12 м. Такие конструкции применяют, например, в строительстве теплиц, так как они не корродируют во влажной атмосфере и, кроме того, проницаемы для света. Можно было бы назвать еще много других примеров применения полимеров для покрытия помещений. Для перекрытия стадионов уже применяют панели с элементами большой площади.

Известны пластмассовые конструкции диаметром до 43 м и высотой до 36 м, которые служат для защиты радарных установок от атмосферного влияния. (Высокочастотное излучение проходит через стеклопластик, почти не теряя своей мощности.) Внушительные размеры сооружения подчеркивают возможность полимерных материалов. Стоит посмотреть и на смонтированные на головокружительной высоте цилиндры, защищающие антенну телевизионной башни от обледенения (63).

В последние годы в строительстве внедряются многослойные легкие строительные элементы для перекрытий (64). Так называемые сандвич-конструкции состоят из покрывающих слоев на основе алюминия, асбоцементного или жестковолокнистого полотна, которые соединены с жестким пенополиуретаном или пенополистиролом. При толщине элементов от 50 до 80 мм в зависимости от системы покрывающих слоев масса поверхности составляет от 6 до 25 кг/м2. Температурная область эксплуатации простирается до 100 °С.

Свыше 30% производимых пластмасс используется в машино- и аппаратостроении в качестве конструкционных материалов. В машиностроении в центре внимания находится, конечно, экономичность изготовления элементов конструкций. Уплотнения всех видов, зубчатые колеса с осями и втулками, дисковые кулачки, осевые и радиальные колеса, элементы сцепления, подшипники скольжения, катушки зубчатых передач и многие другие профильные детали оказались весьма эффективными в эксплуатации. Большая жесткость, способность точно сохранять заданные размеры, хорошее скольжение и износостойкость -достоинства, которые обеспечивают многофункциональность внедряемых полимерных материалов.

Наряду с большинством применяемых до сих пор в машиностроении пластмасс (твердые полиамиды, пресс-массы на основе фенольной смолы), сегодня могли бы найти новые области применения прежде всего стеклопластики на основе термопластичного связующего. Если массовое содержание стекловолокна достигает 30%, предел прочности на растяжение в 2-3 раза превышает этот показатель для неусиленного полимера, а модуль упругости даже в 3-4 раза. Напротив, тепловое линейное расширение составляет от 1/4 до х/з исходной величины, относительное удлинение при разрыве-только около 1/20. Сверх того уменьшается склонность к раздиру, что также указывает на увеличение работоспособности полимера.

Полиуретановые эластомеры также открывают новые технические возможности для машиностроения. Поскольку этот материал обладает и коррозионной стойкостью, отпадает необходимость поверхностной обработки и прежде всего нанесения металлических и неметаллических защитных слоев. Это существенно снижает затраты на изготовление и поддержание изделий в исправном состоянии.

В аппаратостроении, особенно для химической промышленности, значение полимеров определяется их высокой коррозионной стойкостью. При температуре до 100 °С и умеренных механических нагрузках имеются благоприятные предпосылки для замены высоколегированных сталей полимерными материалами. Поливинилхлорид, полиэтилен высокого давления, полипропилен, полибутен, политетрафторэтилен и стеклопластики-наиболее интересные в этом отношении материалы. Для конструкций, на которые вместе с механическими нагрузками действует агрессивная среда, особенно важную роль играют стеклопластики на основе термопластичных смол.

Трубы из термопластов можно производить экструзией при внешнем диаметре до 1200 мм, а методом обмотки изготавливают трубы диаметром до 3000 мм.

Складские и транспортные резервуары (65) можно изготавливать вместимостью до 85 м3 (железнодорожные цистерны) или до 22 м3 (автотрейлеры для уличного движения). Предпочтительный материал - стеклопластики. Существуют хранилища для соляной кислоты диаметром до 9 м и высотой до 7 м.

Внедрение пластмасс в область технологических аппаратов и соответствующих систем трубопроводов также весьма значительно. Очень эффективно использование полимерных материалов в вентиляционных установках для вытяжки агрессивных газов. Очистные башни для корро-зионноактивных отходящих газов, дымовые трубы, вентиляционные элементы для колпачковых тарелок, гальванотехническая аппаратура, установки для получения хлора и щелочей электролитическим методом, реакционные колонны, насосы и многие другие подобные области применения-вот примеры использования полимеров в качестве конструкционных материалов. Благодаря стойкости к истиранию, химической инертности и легкости обработки в каждом конкретном случае может быть достигнута экономия, которая складывается из уменьшения затрат на поддержание установок в исправности и увеличения длительности и безопасности их эксплуатации по сравнению с аналогичными из металлических или других материалов.

Упаковочная техника потребляет 20-25% всех производимых пластмасс, то есть столько же, сколько строительство. Традиционные упаковочные материалы, такие как бумага, дерево, веревки и ткани из растительных волокон, гораздо быстрее приходят в негодность. Полимерные пленки и пенопласты не только заменяют эти «старомодные» материалы, но и вызвали к жизни принципиально новую технологию упаковки.

Упаковочные пленки удовлетворяют более широким требованиям, чем традиционные материалы. Они прозрачны и на них можно печатать это обеспечивает упаковке привлекательный вид. Физиологическая инертность, так же как непроницаемость для газов и водяных паров, особенно ценятся при упаковке пищевых продуктов. Пленки бывают полиэтиленовые, полипропиленовые, поливинилхлоридные, полиамидные, из поливинилового спирта и целлофана толщиной от 20 до 200 мкм. Конечно, у них разные значения прочностных характеристик и проницаемости для газов и водяного пара. Для некоторых из этих материалов прочность при растяжении может быть достаточна высока, и тогда они могут удовлетворять требованиям, которые предъявляются, например, к мешкам (в них загружают до 50 кг материала и складывают в штабели до 30 слоев).

В тех случаях, когда требуется непроницаемый для газов материал, применяют так называемые комбинированные пленки. Наиболее известны дублированные пленочные материалы: полиэтилен-целлофан, полиэтилен-полиамид, поливинил-хлорид-целлофан, поливинилиденхлорид - целлофан. Для специальной упаковки высокочувствительных технических приборов, особенно для морских перевозок нужны трехслойные пленки. Комбинации полиэтилен - полиамид - полиэтилен, полиэтилен-полипропилен - полиэтилен, полиэтилен - поликарбонат - полиэтилен отвечают самым суровым требованиям.

Полимерные пленки открыли новые возможности для упаковочной техники. Особыми технологическими свойствами обладают так называемые термоусадочные пленки. При их получении фиксируются внутренние напряжения, которые позднее при воздействии тепла «снимаются» и таким образом возникает усадка.

Пленка охватывает предназначенное для упаковки изделие, и после завершения усадки оно готово к транспортированию, защищено от пыли и влаги. Отпадает необходимость в дополнительной перевязке. Благодаря компактности упаковки появляется возможность оптимально использовать загружаемое пространство, что равносильно увеличению полезного объема транспорта на 20%. Легко представить себе, какое народнохозяйственное значение имеет связанное с этим повышение степени загрузки транспорта.

Другие новые возможности в упаковочной технике появились благодаря пенопла-стам, прежде всего пенополистиролу с плотностью 25-30 кг/м3. В 1 м3 этого материала содержится около 350 000 сферических ячеек, разделенных стенками толщиной 1-2 мкм. Материал содержит до 97% воздуха. Воздух, заключенный в ячейках, гасит толчки и вибрацию, случающиеся при транспортировке. Прочность пенопла-стов должна быть достаточна для того, чтобы выдержать изделие. Внутри блока легко сделать выемку, точно соответствующую внешней форме изделия.

Новая упаковочная техника особенно ценна для транспортировки хрупких дорогих высококачественных приборов, например электронных ламп, пишущих машин, телевизионных аппаратов, так как позволяет существенно ограничить повреждения. Теплозащитная упаковка на определенное время без дополнительных мероприятий гарантирует, что температура транспортируемых товаров, чувствительных к воздействию тепла или холода, будет поддерживаться на определенном уровне. Так, для сохранения рыбы, транспортируемой в ящиках из пенополистирола, требуется только около половины обычно необходимого льда.

Зато мусор, возникающий после использования полимерных упаковочных материалов, также породил новые проблемы. Часть его не горит, а при горении некоторых видов полимеров отщепляются ядовитые продукты. Гнить пластмассовый мусор не может.

Для полного изменения упаковочной техники требуется дальнейшее развитие этих материалов и разработа способов безопасного уничтожения образующегося пластмассового мусора.

Пластмассы с их прекрасными диэлектрическими свойствами, можно сказать, подтолкнули развитие электротехники и электроники. Корпуса катушек и контактов, штепсельные соединения, монтажные платы, цоколи реле, программные переключатели, а также печатные платы - вот только некоторые примеры применения полимеров в этих важных отраслях промышленности.

Высокочастотный кабель с семью коаксиальными системами своей конструкцией и мощностью также обязан названному выше специфическому свойству пластмасс.

Раньше задачу электроизоляции возлагали на керамику, фарфор и резину. Сегодня возросшие требования к электроизоляционным свойствам и необходимость снижения электрических потерь удовлетворяется почти исключительно полимерами. Так, в высокочастотной технике требуется независимость эксплуатационных свойств материала от частоты и температуры. Кроме того, эти свойства не должны изменяться под влиянием старения, например во влажном теплом климате. Отщепление коррозионноактивных веществ под влиянием повышенной температуры и высокой влажности в процессе эксплуатации часто ограничивает работоспособность металлических контактов.

В последнее время в качестве изоляционных материалов нашли применение жесткие формовочные массы на основе термореактивных смол: фенольной, мелами-новой, мочевинной, полиэфирной и эпоклщной. Эти материалы, свойства которых варьируют, подбирая смолу, наполнитель и другие компоненты, отличаются теплостойкостью, незначительным тепловым расширением и формоустойчивостью при повышенных температурах. Особо ценятся их устойчивость к действию органических растворителей, незначительные воспламеняемость и горючесть и ряд других отличительных черт.

Внедрение термопластов в электротехнику было поначалу существеннее всего з области кабельной изоляции. Высокая инертность и хорошие технологические свойства позволили все больше заменять резину, в частности для изоляции проводов.

В электронике высокоэкономичное массовое производство сложных деталей, особенно с учетом возрастающей их миниатюризации, создало хорошие предпосылки J.TJI внедрения термопластов. Стеклопластики на основе термопластов по прочностным и деформационным свойствам сопоставимы уже с материалами на термореактивной основе. Там, где до сих пор повышенным требованиям к стабильности форм при тепловом воздействии могли удовлетворить только термореактивные полимеры, теперь имеется широкий спектр материалов.

Хотя электрическим свойствам материалов мы придаем первостепенное значение, всегда надо сравнивать и их стоимости. Именно поэтому мы находим в управляющей и регулирующей, передающей технике и других смежных областях различные виды пластмасс, соответствующие этим конкретным областям.

Заключение.

В настоящее время полимеры вошли в каждый дом, а применение полимерных материалов охватило множество самых различных сфер, которые, казалось бы, не имеют ничего общего между собой. Каждый год растет уровень потребления полимерных материалов и спрос на них, расширяется сфера применения и рынок полимерной продукции. Современные технологии позволяют создать более качественные и совершенные изделия из полимерных материалов, сделать их экологичнее и безопаснее. Большим преимуществом применяемой полимерной продукции является то, что она подлежит вторичной переработке, и этому вопросу уделяется все больше внимания. Таким образом, полимеры без преувеличения можно назвать материалами будущего.