Термореактивные полимеры

Синтетические полимерные материалы и их применение

По способу производства синтетические полимерные материалы подразделяются на два класса: класс А — полимеры, получаемые цепной полимеризацией; класс Б — полимеры, получаемые поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией.

Процесс полимеризации представляет собой соединение одинаковых и разных молекул. Побочных продуктов при полимеризации не образуется.

Процесс поликонденсации представляет собой соединение большого количества одинаковых и различных полиреактивных молекул низкомолекулярных веществ, в результате чего образуется высокомолекулярное вещество. При процессе поликонденсации выделяются вода, хлористый водород, аммиак и другие вещества.

Кремнийорганические смолы — это особая группа высокомолекулярных соединений. Особенность этих полимерных строительных материалов состоит в том, что они обладают свойствами как органических, так и неорганических веществ.

Физические и механические характеристики этих полимерных материалов практически не зависят от колебаний температуры по сравнению с обычными смолами, к тому же они обладают высокой гидрофобностью и теплостойкостью. Кремнийорганические смолы служат для получения различных изделий, стойких к действию повышенных температур (400-500°С).

Основная область применения этих синтетических полимерных материалов – изготовление бетонов и растворов для повышения их долговечности. Также их применяют в виде защитных покрытий на природных и искусственных каменных материалах (бетоне, известняке, травертине, мраморе и т. д.). Пропитка оказывает защитное действие в течение 6-10 лет, после чего ее следует возобновить.

Для поверхностей пропитки изделий из природного камня и других строительных конструкций применяют гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости (ГКЖ), которые перед употреблением растворяют органическими растворителями, а также водную 50%-ную эмульсию (молочно-белого цвета), которую перед употреблением смешивают с водой в соотношении 1:10.

Поливинилацетатная дисперсия (ПВА) — это продукт полимеризации винилацетата в водной среде в присутствии инициатора и защитного коллоида. Это вязкая жидкость белого цвета, однородная, без криков и посторонних включений.

ПВА в зависимости от вязкости изготавливается трех марок: Н — низковязкая, С — средневязкая, В — высоковязкая. Она применяется при изготовлении полимерцементных растворов, мастик, паст, которые используются при облицовочных работах.

Латекс синтетический СКС-65ГП — продукт совместной полимеризации бутадиена со стиролом в соотношении 35:65 (по массе) в водной эмульсии с применением в качестве эмульгатора некаля и натриевого мыла синтетических жирных кислот. Латекс СКС-65ГП используется при изготовлении полимербетонов, эмульсионных красок, мастик и паст, применяемых при облицовочных работах. Также латекс используется при нанесении различных покрытий.

Физико-химические свойства этого полимерного строительного материала латекс СКС-65ГП:

• содержание сухого вещества, %, не менее 47;
• содержание незаполимеризованного стирола, %, не более 0,08;
• концентрация водородных ионов (pH), не менее 11;
• поверхностное натяжение, дин/см2, не более 40;
• вязкость, с — 11-15;
• содержание золы, %, не более 1,5.

Латекс синтетический СКС-ЗОШР — продукт совместной полимеризации бутадиена со стиролом в водной эмульсии, применяется в качестве связующего или клеящего материала при облицовочных работах.

Физико-химические свойства латекса СКС-ЗОШР:

• содержание сухого вещества, %, не менее 33;
• температура желатинизации, °С, не выше 14;
• содержание свободной щелочи, %, не более 0,15.

Полипропилен

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

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

Полипропилен

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

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

Формулы термопластичных полимеров

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

Свойства реактопластов

Термореактопласты довольно сильно отличаются по характеристикам друг от друга. Несмотря на некоторые общие особенности, это всё-таки разные по своей химической природе полимеры. Свойства самих термореактивных полимеров и изделий из них зависит от химического состава и структуры полимерных цепей, количеством связей между молекулами и их видом, соотношения полимер-отвердитель и типом последнего. Характеристики каждого реактопласта могут регулироваться в широких пределах. Для этого применяют помимо отвердителя такие аддитивы, как загустители, разбавители, лубриканты, эластификаторы и пластификаторы.

Отличие термореактивных полимеров от термопластичных заключается в возможности первых успешно применяться при высоких для пластмасс значениях температуры, вплоть до 130 градусов С. Также они имеют высокую химическую стойкость. Они устойчивы к действию органических растворителей, растворам кислот и оснований и многих других химикатов.

Фенопласты

Термореактивные полимеры на основе фенолоформальдегидных смол называются фенопласты. Несколько десятилетий назад это был один из самых популярных типов полимеров из всех. Сегодня фенопласты используются в узких отраслях, там, где не нашлось еще термопласта-заменителя, либо подходящий термопласт очень дорог.

Фенопласты классифицируют по виду смолы на резольные и новолачные, а по свойствам наполнителей на армированные (природными волокнами, стеклотканью, синтетическими волокнами, углеволокном, ткаными материалами, бумагой и т.п.) и дисперсно-наполненные (древесной или минеральной мукой, асбестом, коксом, углеродным порошком, каолином, стеклянным волокном, металлической пудрой и т.д.).

Фенопласты являются типичными термореактивными пластмассами, они имеют высокие физико-механические свойства устойчивость, прочность, коррозионностойкость, отличную электроизоляционность. Электротехника остается главной отраслью применения фенопластов, кроме того, они используются в качестве конструкционных, антифрикционных материалов и в других сферах.

Рис.2. Типичное применение фенопластов в электротехнике

Если дисперсно-наполненные фенопласты перерабатывают в изделия традиционными методами, такими как прессование, то армированные материалы имеют свои особенности. Их изготавливают главным образом по технологии пропитки волокнистых наполнителей полимерным связующим. Непосредственно изделия из армированных реактопластов получают при помощи намотки, выкладки и протяжки с последующей фиксацией формы изделия при помощи отверждения смолы. Очень часто фенопласты выпускают в виде полуфабрикатов – листов, прутков, пластин и т.п. для последующей механической обработки в конечные изделия.

Армированные фенолформальдегидные пластмассы производятся под известными всем именами текстолит, волокнит, стеклотекстолит и другими. Изделия из них используют в ответственных высоконагруженных узлах, работающих, например, в условиях сильных вибраций, ударных нагрузок, нагрузках на разрыв и изгиб и т.д. Они имеют широкое применение как заместители высоковольтных стеклянных и керамических изоляторов, в изготовлении корпусов приборов и другой техники, в передаточных механизмах, например редукторах и т.д.

Бутадиен – стирольный каучук

Также следует рассматривать каучук СКС, который получается при сочетании бутадиена и стирола. Стоит учитывать, что этот вид синтетического каучука сегодня получил самое широкое применение. Больше всего можно встретить СКС-30. Среди их особенностей отметим нижеприведенные моменты:

1. Вещество хорошо растворимо в бензине или бензолах.
2. Клеящие способности вещества достаточно низкие. Для повышения данного свойства проводится добавление канифоли и многих других веществ.
3. Высокая морозостойкость также является исключительным эксплуатационным качеством.

В строительстве большое распространение получили бутадиен — стирольный латекс. В их составе около 47% каучука. Из этого термореактивного полимера проводится изготовление стабилизационных латексов.

На основе материалов данной группы изготавливают клеящие мастики, некоторые цементные краски и составы для наливных полов.

Свойства и применение

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

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

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

Из термопластичных полимеров выделяют:

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

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

1. пластмассы;
2. волокниты;
3. пленки;
4. покрытия;
5. слоистые пластики;
6. клеи.

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

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

Классификации полимерных материалов

Зависимо от происхождения полимеры разделяют на синтетические и природные. Несмотря на востребованность природных составляющих, материалы искусственного происхождения, которые производят на низкомолекулярной основе, благодаря синтезу, пользуются большим спросом.

Различия по химическому составу позволяет делить полимерные материалы на:

• неорганические, у которых нет однотипных соединений, при этом есть органические радикалы, в качестве дополнительных составляющих;
• элементоорганические полимеры, отличаются способностью удерживать в органическом радикальном соединении, атомы неорганики, хорошо сочетающихся с органикой;
• органические, которые используют, как основу для пластмассовых изделий.

Характерным отличием структуры, влияющим на свойства материала оказывает макромолекула. Ее вид позволяет разделить полимеры на:

• плоские;
• ленточного типа;
• разветвленной структуры;
• линейного характера;
• сетчатого типа;
• гребнеобразные полимеры;
• прочие виды.

По свойствам соединений звеньев, полимерные материалы делят по полярности, влияющую на растворимость материалов в разных средах. Ее определяют по разобщению положительных и отрицательных зарядов. Характера этих связей позволяет разделить полимеры на:

• гидрофильные;
• гидрофобные;
• амфильные.

Иначе говоря, можно отнести перечисленные категории к полярным, неполярным или смешанным. Кроме этого, полимеры имеют разные свойства при изменении температуры. Они бывают:

• термопластичные, имеющие свойство размягчения, при увеличении градуса, а при понижении – твердеют;
• термореактивные, подвержены разрушению структурных связей между звеньями.

Явным примером, подчеркивающим различие структуры, будет письмо, отправленное по почте, предварительно заклеенное в конверт. В процессе транспортировки, тщательно склеенные поверхности остаются невредимыми. Но стоит нагреть обработанное место на огне или с помощью раскаленного металлического предмета, как клей утратит свои свойства и конверт откроется.

Полимерные материалы делят на два типа: синтетический (искусственный) и огнеупорный. Синтетика встречается в различных сферах жизнедеятельности человека: в строительстве, промышленности, быту и даже – в одежде. Производство искусственного сырья началось в первые годы ХХ века. Первым запатентованным материалом была бакелитовая смола, которая при нагревании меняла форму.

Современные синтетические материалы подвержены влиянию огня и высоких температур, а некоторые из них могут воспламеняться. Чтобы избежать подобное используют добавки, а также синтезируют сырье с помощью хлора или брома. Галогенированный полимерный материал, который получается после обработки, при сжигании образует газ, способствующий повышению коррозии других материалов. Разнообразие структур полимеров по химическому составу позволяет разделить материалы на несколько видов, которые находят все большее применение в народном хозяйстве.

1. Полиэтилен Известен по широко применяемой упаковке различного назначения. Свойства и низкая себестоимость сделала такие материалы популярными в разных отраслях. Различают полиэтилен низкого давления, который обладает прочной структурой молекул и высокого давления, с противоположными свойствами. Эти материалы имеют одинаковы по химическому составу, но различаются по структуре решетки.
2. Полипропилен Прозрачный полимер изготовленный методикой экструзии с охлаждением методом полива или другим способом с раздувом. Не контактирует с маслами и жирами, не деформируется при температурных изменениях, пропускает водяные пары. Эти свойства материала применяются в пищевой и строительной отрасли.
3. Поливинилхлорид Такие материалы с полимерной основой встречается реже других из-за способности быть хрупким и не эластичным. Был популярен в 60-е годы прошлого столетия, при сжигании образует диоксин. Современные материалы вытесняют эти полимеры за счет более высокой экологичности и улучшения структуры сырья.
4. Полиолефин Благодаря разнообразному строению макромолекул, эти полимеры включает в себя составляющие элементы пропилена и полиэтилена. Более половины производимой полимерной продукции относят к полиофелинам. Стойкость к разрыву, нагреву и усадке, позволит в ближайшем будущем увеличить объемы изготовления этого сырья. Тем более, что экологичность, которой обладают такие материалы выше других полимеров, а при производстве и утилизации – не выделяет вредных веществ.

Полимеры и их характеристики

При нагреве различные вещества ведут себя не одинаково. В некоторых зафиксирована термореактивная реакция. Первоначальная линейная структура под влиянием высокой температуры видоизменяет структуру на пространственную, становясь твердым веществом, сохраняя высокую твердость в дальнейшем. Получившееся соединение нельзя расплавить и растворить. Повторному нагреву получившиеся соединения не подлежат. Их примером служат различные смолы, эпоксидные, фенолоформальдегидные и пр.

В отличие от термореактивных соединений термопластичные можно нагревать много раз. Каждый раз после плавления при охлаждении они вновь затвердевают. Причиной тому служит их первоначальная структура. Линейное соединение не отягощено крепкими химическими связями. Нагревом рушатся имеющиеся слабые связи и при охлаждении они восстанавливаются в прежнем или измененном виде.

Вещество, обладающее термопластичной характеристикой (например, полиэтилен, полиамид, полистирол и пр.) при нагреве становится аморфным, если повышать температуру – даже жидким. Это свойство зачастую используется для литья под давлением, прессования, экструзии, выдувания, чтобы срастить несколько деталей сваркой.

Термопластичные полимеры

В практике свойство становиться жидкими или мягкими не время применяется весьма эффективно. Но для того, чтоб процесс прошел без затруднений, необходимо разобраться температурой термического разложения вещества. У различных полимеров она отличается, это напрямую зависит от строения молекулы вещества.

Для эффективности процесса размягчения используются технологии, снижающие низкий предел вязкости вещества или повышающие температуру восстановления, проводя процесс в помещениях с инертным газом.

Термопласт способен раздуваться и измельчаться в растворяющем веществе. Причина та же – линейная структура его молекулы и ее крупный размер. При испарении растворителя молекулярное строение термопласта принимает первоначальный вид. Это свойство применяется в создании клея, вяжущего компонента мастики, красящих веществ на полимерной основе.

Отрицательные особенности полимеров, имеющих термопластичную характеристику:

• низкая теплостойкость;
• повышенная хрупкость при отрицательных температурах;
• повышенная текучесть, при высоких температурах;
• утрата свойств при попадании ультрафиолетовых лучей;
• окисление на воздухе;
• пониженная твердость поверхности.

Примеры применения свойств термопласта

Наиболее популярными термопластами на стройках и в бытовом применении стали: полиэтилены, полипропилены и полистиролы.

Создание полиэтилена возможно при полимеризации этилена. Поддерживая давление на высоком уровне обрабатывается очень высокой температурой нефтяной газ или добытый нефтепродукт подвергается гидролизу

Для процесса важно соблюдать оптимальный градус по Цельсию, добавлять способствующее процессу вещество и вводить кислород

Отрицательные характеристики полиэтилена:

1. Низкие теплостойкость и твердость.
2. Высокие горючесть.
3. Старение под ультрафиолетом.

Продукты, используемые в быту – трубы, пленки, электро-, звуко-, теплоизоляция и пр., иные полимеры и пластмассы.

Полипропилен получается полимеризацией газа с использованием растворителя. Тверже и прочнее полиэтилена, но становится хрупким уже при – 20. Используется в виде битума, резины. А полистирол получается из стирола и используется для теплоизоляционного слоя, для создания облицовочной плитки и мелкой фурнитуры. В вариациях с растворителями же можно получать клеи.

Органические полимеры

Полимеры бывают:

• синтетическими,
• искусственными,
• органическими. 

Природные органические полимеры

Органические полимеры в природе образуются в животных и растительных организмах. Самые важные из них – это белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, каучук и другие природные соединения.

Человек давно и широко применяет органические полимеры в своей повседневной жизни. Кожа, шерсть, хлопок, шелк, меха – все это  используется для производства одежды. Известь, цемент, глина, органическое стекло (плексиглас) – в строительстве.

Органические полимеры присутствуют и в самом человеке. Например, нуклеиновые кислоты (их называют еще ДНК), а также рибонуклеиновые кислоты (РНК).

Свойства органических полимеров

У всех органических полимеров есть особые механические свойства:

•  малая хрупкость кристаллических и стеклообразных полимеров  (органическое стекло, пластмассы);
•  эластичность, то есть высокая обратимая деформация при небольших нагрузках (каучук);
•  ориентирование макромолекул под действием механического направленного поля (производство пленок и волокон);
•  при малой концентрации большая вязкость растворов  (полимеры вначале набухают, а потом растворяются);
•  под действием небольшого количества реагента способны быстро изменить свои физико-механические характеристики (например, дубление кожи, вулканизация каучука).

Таблица 1. Характеристики горения некоторых полимеров

Таблица 2. Растворимость полимерных материалов

Таблица 3. Окраска полимеров по реакции Либермана – Шторха – Моравского

Виды неорганических полимеров

На сегодняшний день существуют определенные критерии, по которым классифицируются неорганические полимеры. Основные из которых:

• природа происхождения;
• виды химических элементов и их разнообразие;
• количество мономерных звеньев;
• строение полимерной цепи;
• физические и химические свойства.

В зависимости от природы происхождения классифицируют синтетические и натуральные полимеры. Натуральные формируются в природных условиях без участия человека, а синтетические производятся и модифицируются в промышленных условиях для достижения необходимых свойств.

На сегодняшний день существует множество видов неорганических полимеров, среди которых выделяются наиболее широко используемые. К таким относится асбест.

Асбест – тонковолокнистый минерал, который относится к группе силикатов. Химический состав асбеста представлен силикатами магния, железы, натрия и кальция. Асбест обладает канцерогенными свойствами, поэтому очень опасен для здоровья человека. Он очень опасен для работников, занятых на его добычи. Но в виде готовых изделий он достаточно безопасен, так как не растворяется в различных жидкостях и не вступает с ними в реакцию.

Силикон – один из наиболее распространенных синтетических неорганических полимеров. Его легко встретить в повседневной жизни. Научное название силикона – полисилоксан. Его химический состав представляет собой связь кислорода и кремния, которая придает силикону свойства высокой прочности и гибкости. Благодаря этому, силикон способен выдержать высокие температуры и физические нагрузки не теряя прочности, сохраняя форму и структуру.

Силиконовый герметик

Полимеры углерода очень распространены в природе. Существует также множество видов, синтезирующихся человеком в промышленных условиях. Среди природных полимеров выделяется алмаз. Этот материал невероятно прочный и обладает кристально чистой структурой.

Карбин – это синтетический углеродный полимер, который обладает повышенными свойствами прочности, не уступающими алмазу и графену. Производится в виде черного морошка мелкокристаллической структуры. Обладает свойствами электропроводимости, которая увеличивается под воздействием света. Способен выдержать температуру в 5000 градусов не теряя свойств.

Графит – углеродный полимер, структура которого отличается плоскостной ориентацией. Из-за этого структура графита слоистая. Этот материал проводит электричество, тепло, но не пропускает свет. Его разновидностью является графен, который состоит из одного слоя молекул углерода.

Графит

Полимеры бора отличаются высокой твердостью, не сильно уступая алмазам. Способны выдержать температуру более 2000 градусов, что намного больше пограничной температуры алмаза.

Полимеры селена – довольно широкий ряд неорганических материалов. Наиболее известный из них – карбид селена. Карбид селена – прочный материал, имеющий вид прозрачных кристаллов.

Полисиланы обладают особыми свойствами, которые отличают их от других материалов. Этот вид проводит электричество и выдерживает температуру до 300 градусов.

Термопластичные полимеры

Полимеры этого класса имеют линейную структуру длинных цепей, которые могут иметь перекрестные соединения за счет химически активных добавок. Материалы полимеризуются при снижении температуры ниже температуры плавления.

Основные типы термопластов:

• Полиэтилен низкого и высокого давления — органическое соединение на основе соединений углерода в циклической молекуле. Температура пластификации 100° С для ПЭНД и 260° С для ПЭВД. При этом давление прессования ПЭВД составляет 150…300 МПа. Линейная структура полиэтиленов, при создании специальных условий или добавлении силанов, создает условия для получения «сшитого» полиэтилена. Ветви полимера типа РЕх-b образуют большое количество «боковые» ответвления, которые повышают плотность и механическую прочность, но не меняют химических свойств. Применяются для производства «бесконечных» изделий методом экструзии (трубы, слабонагруженные несущие элементы конструкций и т.п.) и производства большой номенклатуры изделий методом прессования в замкнутой форме.
• Полиуретаны типа «Витур» — сложные химические соединения, которые для полимеризации требуют присутствия отвердителя органического типа. Полимерные цепочки имеют сложную форму, т.к. в ее структуру входят замещенные и незамещенные химические элементы. Область применения зависит от структуры полимера в твердом виде — линейной или сетчатой. Все технические типы (НИЦ ПУ-5; СКУ-ПФЛ-100;ТСКУ-ФЭ-4 и др.) имеют высокую износостойкость при твердости по Шору не ниже 75 ед. Продукция изготавливается методом прессования, литья, заливки в формы и методом экструзии.

Полиэтилены относятся к классическому типу термопластов, т.к. они допускают повторный нагрев и обработку давлением. Полиуретаны повторно используются после измельчения и добавления в состав первичного сырья.