Свойства и применение полимеров. Где применяются пластмассы?

Что такое полимеры?

Полимеры — это особый вид химических веществ, характеризующихся высокой молекулярной массой. Кроме того, они обладают особым строением — состоят из многократно повторяющихся участков, называемых мерами. Благодаря высокой молекулярной массе отщепление или присоединение одного мера не приводит к существенному изменению химических и физических свойств соединения. Это важное отличие от олигомеров (веществ, состоящих из небольшого числа меров) — в их случае такое изменение может привести, например, к иной температуре плавления, чем раньше.

Полимеры в первую очередь ассоциируются с пластмассами. Однако в действительности эта группа соединений гораздо шире. Помимо синтетических полимеров, из которых строятся пластмассы, существуют также природные полимеры, распространенные в природе. Они являются одним из основных строительных блоков живых организмов.

Химические свойства полимеров

Каждое вещество может иметь свои индивидуальные характеристики. Однако можно выделить несколько химических свойств полимеров, которые являются общими для всех соединений этого вида. Вот они.

• Устойчивость к воздействию химических веществ. Примером могут служить пластмассы, применяемые для изготовления упаковок, химические вещества внутри которых не вступают в реакцию с ними.
• Электрическая и тепловая изоляция. Полимеры являются хорошими изоляторами. Именно из них создаются материалы, применяемые для изготовления защитных слоев на проводах или электрических розеток. Свойства, связанные с термостойкостью, позволяют применять эти материалы в быту, например, в держателях для посуды.
• Высокая прочность при малой массе. Некоторые пластмассы способны даже плавать.
• Простота обработки. Полимеры можно перерабатывать различными способами — из них формируются тонкие пленки (например, текстильные волокна) и твердые каркасные конструкции. Они легко принимают определенную форму.

Как образуются полимеры?

Образование полимеров может происходить двумя способами: путем полимеризации и путем поликонденсации.

В первом процессе происходит цепная реакция, в ходе которой мономеры соединяются друг с другом. Это не сопровождается образованием каких-либо побочных продуктов. Чтобы дело дошло до полимеризации, необходимо применить инициатор — вещество, вызывающее начало реакции, после чего оно само безвозвратно расходуется. Соединяющиеся друг с другом мономеры могут первоначально находиться в твердой, жидкой или газовой фазе. К пластмассам, образующимся в результате полимеризации, относятся в т. ч.:

• полиэтилен ПЭВД и ПЭНД;
• поливинилхлорид (ПВХ);
• полипропилен (ПП);
• полистирол (ПС).

В результате поликонденсации образуется макромолекула, т. е. полимер, а в качестве побочного продукта — другое вещество, например, вода, аммиак или хлористый водород. При такой реакции полимерная цепь формируется постепенно. К наиболее популярным пластмассам, получаемым методом поликонденсации, относятся:

• полиамиды;
• фенол-альдегидные смолы;
• эпоксидные смолы;
• некоторые полиэфиры.

На последующих стадиях производства пластмасс часто возникает необходимость в различных добавках, таких как стабилизаторы или модификаторы. Они позволяют получать материалы с конкретными свойствами. Весь спектр добавок для пластмасс представлен в предложении Группы PCC, с которым можно ознакомиться на Портале продукции.

Какие существуют виды полимеров?

Все полимеры можно разделить по нескольким критериям — по происхождению, форме и расположению молекул, однородности химической структуры, а также по строению.

Полимеры могут быть различного происхождения:

• синтетического — они образуются путем 100 % химического синтеза одиночных меров;
• природного — производятся живыми организмами; к ним относятся, например, целлюлоза, белки или нуклеиновые кислоты;
• природного, но после модификации в результате химических реакций, например, ацетат целлюлозы или модифицированный крахмал — это модифицированные полимеры.

Различные виды полимеров отличаются друг от друга также структурой цепи. В связи с этим различают, в частности, линейные, разветвленные, лестничные или сшитые полимеры. Молекулы полимеров могут иметь и необычную форму — в виде звеньев цепи или дерева.

При другом делении во внимание принимается, сколько меров в одной цепи. Если цепь образована из одного блока меров, то мы имеем дело с гомополимерами. Если их два и более, то такие соединения называются сополимерами.

Большинство полимеров являются органическими соединениями. Однако существует достаточно большая группа неорганических полимеров, т. е. полимеров, не содержащих углеродных соединений. К ним относятся полисульфиды, полисилоксаны или полифосфазены. Что касается других форм строения, то среди органических полимеров различают:

• полиолефины, состоящие только из углерода и водорода и содержащие длинные углеродные цепи — к этой группе относятся, в частности, полиэтилен, полистирол, полипропилен;
• виниловые полимеры — здесь также присутствуют длинные углеродные цепи, но эти вещества образуются путем разрыва связей между атомами углерода, примером может служить поливинилхлорид;
• полиэфиры — полимеры, в которых присутствуют эфирные связи;
• полиамиды — полимеры с амидными связями (-NH-C(O)-);
• полиуретаны — содержащие уретановые связи (-NH-C(O)-O-);
• полиэфиры — с эфирными связями (-C(O)-O-);
• поликарбонаты — с карбонатными связями (-O-C(O)-O-).

Важной характеристикой, влияющей на применение полимеров, является их молекулярная система. Вещества могут находиться в аморфной форме, лишенной какой-либо структуры или порядка. В этом случае они обычно прозрачны, что позволяет применять их, например, для изготовления упаковок или контактных линз. В других видах полимеров атомы располагаются в виде узоров, образуя кристаллические структуры. Такой материал является непрозрачным. Степенью кристаллизации в случае некоторых полимеров можно в определенной степени управлять, изменяя их свойства — повышая прочность, жесткость и химическую стойкость.

Полимеры — примеры применения пластмасс в промышленности и строительстве

Названия наиболее распространенных полимеров (полиэфир, полиамид или полиэтилен) уже приводились выше. Теперь пришло время систематизировать информацию и показать, для чего применяются различные типы материалов.

Сегодня практически нет такой области, в которой бы не применялись полимеры. Они появляются в медицине, электронике, косметике и, вероятно, в вашем доме. Однако наиболее часто они применяются в промышленности и строительстве. Приведем отдельные примеры применения полимеров в этих отраслях:

• фенопласты — пластмассы, получаемые на основе смол, образующихся при полимеризации фенола и формальдегида, применяемые в производстве рукояток инструментов, тормозных накладок и муфт, в качестве добавки к лакам, клеям, связующим веществам;
• эпоксидные смолы — термореактивные пластмассы, применяемые, например, при производстве ламинатов, клеев для металлов, антикоррозионных и изоляционных лаков;
• полиэтилен — ингредиент многих упаковочных материалов: пленок, пакетов для молока, одноразовых пакетов;
• полипропилен — популярный ингредиент при производстве кабелей, медицинского оборудования, технических тканей, ковров, труб, игрушек;
• поливинилхлорид, который применяется, в частности, при производстве труб, шлангов, панелей перекрытий, а также в качестве компонента клеев и лаков;
• полиамид — применяется в производстве нейлоновых волокон, а также зубчатых колес, напорных труб и других деталей машин, упаковочных пленок, покрытий;
• поликарбонат — благодаря своей высокой прочности подходит для производства прозрачного остекления: в особо охраняемых зданиях, самолетах, шлемах космонавтов или автомобилях «Формулы-1»;
• полиуретан — изготовляются из него пены, применяемые в мебельной, автомобильной и текстильной промышленности, а также в строительстве — для герметизации.