Полимер — Что это такое, его свойства, харктеристики

Полимер: определение, свойства, типы и применение

Полимеры представляют собой широкую группу созданных природой и синтетических веществ, построенных из больших макромолекул. Эти макромолекулы обычно представляют собой повторяющиеся цепочки меньших молекул или мономеров.

Эти химические вещества с длинной цепью получают естественным и синтетическим путем.

Они демонстрируют широкий спектр свойств, фундаментальных химических процессов и приложений, которые являются ключевыми для всей жизни и большинства видов человеческой деятельности, древних и современных. В этой статье будут обсуждаться полимеры, их свойства, типы и области применения.

Что такое полимер?

Полимер — это класс природных и синтетических веществ, состоящих из очень больших молекул. Природные полимеры являются основными строительными блоками живых организмов, в том числе: белки/полиамиды, полинуклеотиды (РНК, ДНК) и лигнины (соединения кониферилового спирта).

Различные природные и искусственные минералы также относятся к полимерам. К ним относятся: алмаз, кварц, бетон и силиконовые каучуки.

Искусственные полимеры представляют собой широкий набор разнообразных химических соединений/мономеров, которые различными способами вызывают катализ.

В результате получаются такие разнообразные полимеры, как LSR (жидкий силиконовый каучук) и LCP (жидкокристаллический полимер).

Каковы другие термины для полимеров?

Полимеры также называют пластиками. Этот термин происходит от высокой пластичности некоторых из самых ранних материалов, таких как полиэтилен, который может подвергаться очень большим пластическим деформациям под нагрузкой до того, как произойдет разрушение.

Полимеры также часто называют смолами (или синтетическими смолами) из-за происхождения некоторых (примитивных) природных полимерных материалов из натуральной древесной смолы, которые использовались в течение тысяч лет.

Из чего состоят полимеры?

Полимеры состоят из повторяющихся стадий более простых соединений, называемых мономерами. Многие химические вещества потенциально могут быть полимеризованы в цепи, образующие материал, свойства которого сильно отличаются от свойств мономера — это полимеры.

Мономеры могут быть органическими химическими газами, маслянистыми жидкостями, аминокислотами, сахарами, спиртами и многими другими типами химических веществ.

Свойства полимеров

Свойства полимеров относятся к группе категорий. Хотя некоторые полимеры нелегко классифицировать, и в пределах класса свойств могут существовать полярно противоположные свойства из разных материалов. Ниже обсуждаются механические, химические, оптические и электрические свойства полимеров:

Механические свойства полимеров

1. Полимеры обладают способностью растягиваться и деформироваться под нагрузкой и восстанавливаться без изменений при снятии нагрузки. Большинство полимеров демонстрируют некоторое эластичное поведение; некоторые из них чрезвычайно эластичны.
2. Полимеры обладают способностью постоянно или вязко растягиваться и деформироваться под нагрузкой. Однако некоторые полимеры являются кристаллическими и хрупкими.
3. Полимеры охватывают спектр прочности от почти жидкой до прочности легкого металла. Природные полимеры обычно имеют низкую прочность по сравнению с синтетическими смолами.

Химические свойства полимеров

1. Многие полимеры представляют собой очень прочные молекулы, устойчивые ко многим или всем формам естественного, экологического и химического разложения. Другие, особенно природные полимеры, чрезвычайно деликатны и хрупки. Многие полимеры чувствительны к органическим кислотам, вызывая деполимеризацию и разрушение. Другие полимеры хорошо растворяются в органических растворителях, таких как хлороформ, ацетон, спирты и др.
2. Большинство синтетических полимеров в некоторой степени гидрофобны, хотя некоторые из них растворимы в воде, что может быть полезным свойством. Многие природные полимеры гидрофильны и подвержены влиянию воды, хотя и редко растворяются полностью.

Оптические свойства полимеров

1. Полимеры варьируются от высокоаморфных до высококристаллических.
2. Кристаллические полимеры обычно непрозрачны на оптических частотах.
3. Аморфные полимеры часто прозрачны на частотах видимого света. Прозрачность аморфных полимеров варьируется от мутной/окрашенной прозрачности до прозрачности стекла.
4. Биаксиальное растяжение может вызывать прозрачность различных полимеров, которые не являются прозрачными в природе.

Электрические свойства полимеров?

Практически ни один полимер не обладает естественной проводимостью. Многие из них представляют собой высокоэффективные диэлектрики, которые широко используются в секторах электричества и электроники для изоляторов и изоляторов.

 В полимерах преобладают высокие напряжения пробоя. Несколько полимеров показали необычные электрические свойства, включая: поли(винилиденфторид-гексафторпропилен) (P(VDF-HFP)), полиацетилен (PA), полианилин (PANI) и полипиррол (PPy).

Какие существуют типы полимеров?

Полимеры обычно делятся на большие семейства, за некоторыми исключениями, которые изолированы химически и не связаны ни с одним из семейств. Общие типы полимеров — это природные полимеры и синтетические полимеры.

Природные полимеры

Природные полимеры значительно различаются в зависимости от источника. В своем естественном состоянии в номенклатуре может быть много вариантов, которые тесно связаны, но могут различаться небольшими свойствами и химическими идентификаторами. Некоторые из природных полимеров перечислены ниже:

1. Целлюлоза в бумаге и деревьях

Целлюлоза в клеточных стенках волокнистого роста является укрепляющим/жестким агентом, который придает клеткам объем и позволяет им способствовать созданию высоких и прочных структур растений.

Различные типы целлюлозы различаются по растительному источнику. После извлечения и очистки сырье теряет большую часть своего разнообразия и может рассматриваться как однородный материал.

2. Крахмалы в таких растениях, как картофель и кукуруза

Крахмалы являются распространенными биополимерными материалами. Они используются в растениях для хранения энергии в водоустойчивой форме, состоящей из полимеров α-глюкозы.

Натуральные крахмалы обладают плохой прочностью и термической стабильностью. После извлечения и очистки крахмалы можно использовать в качестве органического сырья для производства полимеров биологического происхождения, таких как полимолочная кислота (PLA).

Их также можно использовать в качестве сырья для производства технического спирта, который затем можно использовать в производстве полимеров на основе спирта, таких как поливиниловый спирт и ПВС.

3. Белки, такие как волосы, ногти, панцирь черепахи.

Белок волос/скорлупы и т. д. обычно представляет собой кератин. Его можно растворить различными способами, чтобы получить сырье для полимеров биологического происхождения, часто включая целлюлозу в качестве модификатора.

Кератиновые материалы из крупных источников уже давно используются как жизнеспособные материалы для изготовления продуктов: панцири черепах и рога для гребней, оправы для очков (роговые оправы) и декоративные предметы.

Коровьи рога традиционно использовались для водонепроницаемого хранения (пороха) и в качестве сосудов для питья.

4. Шерсть животных

Шерсть является отличным источником высококачественного кератина. Они используются в качестве исходного сырья для нескольких полимеров биоисточников, таких как кератиновый диализат и фотоактивные кератиновые пленки (в сочетании с метиленовым синим), и используются в медицинских целях.

5. Шелк от насекомых

Шелк тутового шелкопряда давно известен как прочный материал. В настоящее время известно, что он состоит из двух белков: серицина и фиброина. Шелк паука похож, состоит из аланина и глицина.

Невозможно собрать полезные количества, но синтез подобных материалов из растительного сырья предполагает разработку объемных полимеров, которые могут быть применимы для одноразовых пластиковых изделий.

6. ДНК

ДНК (и РНК) по своей природе являются длинноцепочечными полимерами, состоящими из коротких белков (аминокислот).

7. Смола или смола

Смола/деготь/асфальт/битум – это семейство вязкоупругих материалов. Они бывают как природными, так и синтетическими, представляют собой термопластичные полимеры и имеют широкое применение.

8. Натуральный каучук и лак

Натуральные каучуки получают из сока ряда растений и существуют как средство переноса питательных веществ и жидкостей в растения. У них есть еще одно ценное свойство — затвердевание на воздухе.

Они образуют естественный и водонепроницаемый/защитный от инфекций барьер, когда растение повреждено. Именно в этом состоянии природный мономер образует природный полимер: латекс.

Латекс используется в различных формах для изготовления резиновых смесей, способствующих агрессивному сшиванию и большей химической стабильности. Лаки, такие как шеллак, получают из выделений жуков. Их можно растворять в различных растворителях, чтобы использовать в качестве покрытий. По мере испарения растворителя лак затвердевает.

Синтетические полимеры

Синтетические полимеры — это материалы, которые разрабатываются с учетом определенных свойств и полимеризуются в промышленных масштабах из синтезированных и природных мономеров.

Полимеризация может потребовать высоких давлений и температур, катализаторов, энергетических реакций и во многих случаях крупных промышленных предприятий. Ниже перечислены некоторые примеры синтетических полимеров:

1. Нейлон

Нейлоны различаются по способу производства, молекулярной массе и точному классу мономера, но все они представляют собой полимерные цепи, построенные из полиамидов.

Это прочные и химически устойчивые инженерные полимеры с относительно плохой косметикой и скользкой поверхностью с низким энергопотреблением. Большая часть нейлона производится в виде волокон для одежды, веревок и лямок.

2. Полиэтилен

Полиэтилены, как и нейлоны, различаются по молекулярной массе. Различия, как правило, связаны со степенью и сложностью бокового разветвления цепей. Мономер представляет собой исключительно газообразный этилен.

Полиэтилены варьируются от мягких материалов низкой плотности (пластиковые пакеты) до технических марок UHMW (сверхвысокой молекулярной массы). Полиэтилен используется для пищевых контейнеров, труб и деталей машиностроения. Для получения дополнительной информации см. наше руководство по полиэтилену .

3. Полиэстер

Полиэфиры, как правило, представляют собой аморфные материалы, используемые в виде волокон и пленок. Это одни из наиболее широко используемых синтетических полимеров. Для получения дополнительной информации см. наше руководство по полиэстеру .

4. Тефлон™

ПТФЭ, политетрафторэтилен, представляет собой передовой синтетический полимер на основе фтора и является представителем более широкого семейства родственных полимеров.

Эти материалы имеют очень низкую поверхностную энергию, что делает их идеальными для применений, где критически важны химическая стойкость и стойкость к истиранию.

5. Эпоксидная смола

Эпоксидные смолы обычно представляют собой двухкомпонентные материалы, которые либо сополимеризуются при смешивании, либо претерпевают каталитическую реакцию, запускаемую одной частью по отношению к другой.

Эпоксидные смолы представляют собой термореактивные полимеры, которые являются самокатализирующими и формируются/наносятся в виде жидкостей, которые затвердевают и сохраняют свою форму в виде твердых (обычно твердых) твердых веществ.

6. Силикон

Силиконовые каучуки в основном изготавливаются в виде двухкомпонентных термореактивных полимеров, которые при смешивании вступают в каталитическую реакцию.

Получаемые в результате материалы обычно представляют собой эластомеры с сопротивлением разрыву от низкой до умеренной, но с высокой прочностью на сжатие.

Они способны выдерживать высокие температуры — в некоторых случаях до 300 °C. Для получения дополнительной информации см. наше руководство по силикону .

7. Биопленка

Биопленка — это необычный материал, в котором в качестве сшивающего агента используется бура. Он превращает ПВА (поливинилацетат) в стабильный и сверхэластичный материал, который ведет себя как в жидком, так и в твердом состоянии.

При смешивании с клеем ионы бората-активатора перекрестно связываются с белковыми молекулами клея, превращая их в более крупные молекулы, которым труднее скользить друг мимо друга.

8. Полистирол

Полистирол (ПС) — очень широко используемый полимер с очень полезными свойствами. Его можно вспенить (с помощью газообразного хладагента), чтобы получить мягкий, хрупкий, но очень ударопрочный и изолирующий материал (вспененный полистирол).

Его можно использовать без сополимеризации в виде недорогого, несколько хрупкого прозрачного твердого вещества. Кроме того, его можно смешивать с синтетическими каучуками (акрилонитрилом и бутадиеном) для получения непрозрачного, жесткого и прочного полимера ABS с почти универсальным применением.

Для получения дополнительной информации см. наше руководство по полистиролу .

Применение полимеров

Области применения полимеров перечислены ниже:

1. Одежда

Полимеры широко используются в производстве синтетических волокон для текстиля для различных целей. Примеры полимеров, используемых в одежде: нейлон, арамид, полиэстер (ПЭТ) и ПВА.

2. Деньги

Различные страны отказались от бумажных денег и теперь производят деньги из полимерных пленок, как правило, из полипропилена. Это растущая тенденция, поскольку она делает валюту, которая служит дольше, остается чистой и не загрязняет и не отравляет.

3. Средства индивидуальной защиты

Одноразовые халаты, бахилы и комбинезоны обычно изготавливаются из нетканых полипропиленовых материалов. Одноразовые перчатки изготавливаются из латекса или нитрилового каучука.

Фильтровальные маски изготавливаются из широкого спектра полимерных волокон и нетканых полимерных тканей. Лицевые щитки обычно изготавливаются из различных полимеров, а прозрачная часть — из ПЭТ.

4. Медицинские изделия

Медицинские применения полимеров очень разнообразны. Примеры: природные полимеры для систем доставки лекарств, биоинертные синтетические полимеры для стентов и одноразовые устройства для сбора/диагностики крови.

5. Предметы домашнего обихода

Полимеры различных типов широко используются в типичных домах развитых стран. Примеры: полиэтиленовые контейнеры для пищевых продуктов, ручки для ножей из АБС-пластика, пленки для покрытия пищевых продуктов и термостойкие уплотнители для дверей духовых шкафов.

6. Автозапчасти

Автомобильный сектор использует полимеры в большинстве областей. Некоторые примеры: тормозные бачки, подвесные камеры, дверные ручки и бамперы.

7. Краски

Многие краски основаны на полимерах. Широко используются акрилы, алкидные смолы, а также натуральные и синтетические смолы в лаках.

8. Клеи

Клеи — одно из самых первых применений природных полимеров. Они сделаны из копыт (кератин), рыбных отходов (белки) и древесного сока (смола). Синтетические заменители варьируются от поливинилацетата до полиэфирных смол и от цианоакрилатов до полиуретана.

9. Смазочные материалы

Некоторые синтетические полимеры имеют очень низкую поверхностную энергию в сочетании с ударной вязкостью. Это делает их скользкими и прочными (самосмазывающимися). ПЭ, нейлон и полиоксиметилен широко используются в качестве подшипниковых материалов.

10. Конструкции

Полимеры широко используются в строительстве в качестве клеев, модификаторов бетона, кровельных материалов (битумов), оконных рам и уплотнителей.

11. Упаковка и тара

Различные синтетические полимеры широко используются в упаковке в качестве жестких и пленочных материалов. Примеры: ПЭТ, ПП, ПС и бумага (целлюлоза).

12. Электроника

Большое количество полимеров служит целому ряду целей в электронике. К ним относятся: диэлектрики, корпуса компонентов, покрытия, печатные платы, изоляторы проводов и конструкционные детали.

Преимущества полимеров?

1. Простые и понятные методы обработки.
2. Как правило, низкая стоимость материалов.
3. Возможность высокой прочности.
4. Высокая эластичность.
5. Химическая стабильность.
6. Термическая стабильность.
7. Отличное косметическое качество.

Недостатки полимеров?

1. Низкая прочность на растяжение.
2. Пластичность и пластичность под нагрузкой.
3. Термическая чувствительность.
4. Химическая чувствительность.
5. Плохая устойчивость к истиранию.
6. Экологическая нагрузка.

Часто задаваемые вопросы о полимерах

Полимеры биоразлагаемы?

Природные полимеры почти все биоразлагаемы, хотя некоторые из них, такие как янтарь, долговечны. Немногие синтетические полимеры обладают высокой биоразлагаемостью, хотя многие недавно разработанные материалы нацелены на биоразлагаемость или компостируемость.

Период полураспада синтетических полимеров зависит от типа атаки, но в некоторых случаях на свалке он может составлять десятилетия или столетия.

Растворимы ли полимеры в воде?

Да, полимеры растворимы в воде. Большинство природных и некоторые синтетические полимеры растворимы в воде. Другие природные полимеры гигроскопичны или смягчаются за счет поглощения воды. Некоторые синтетические полимеры поглощают влагу, а для нейлона требуется до 8% воды, чтобы уменьшить хрупкость.

Эластичны ли полимеры?

Да, полимеры эластичны. Наиболее эластичными полимерами являются натуральные и синтетические каучуки, которые в некоторых случаях обеспечивают огромное эластичное удлинение, составляющее несколько сотен процентов.

Многие полимеры обладают очень высокой структурной целостностью и малой деформацией под нагрузкой, что делает их одновременно эластичными и жесткими.

В чем разница между полимером и пластиком?

Все пластмассы являются полимерами, но не все полимеры являются пластмассами. Пластмассы относятся к синтетическим полимерам, которые являются жесткими, полужесткими, эластичными и состоят из полимерных молекул с длинной цепью. Полимеры представляют собой гораздо более широкое семейство, включающее материалы, которые, кажется, не имеют никакого отношения к пластмассам.

В чем разница между полимерами и металлами?

Полимеры являются сложными химическими веществами. В основном они состоят из органических химикатов, хотя некоторые синтетические и природные полимеры имеют в основном минеральное происхождение.

Металлы, как правило, атомарны по своей природе, образуя кристаллические микроструктуры, из-за которых их свойства варьируются в зависимости от методов обработки.

Полимеры, как правило, намного слабее металлов, хотя слабые металлы (свинец, сурьма и т. д.) могут быть значительно слабее, чем более прочные полимеры (полиоксиметилен, нейлон и т. д.).

В этой статье представлены полимеры, объяснено, что это такое, и обсуждены различные области их применения.