Что такое синтетические полимеры: примеры, что относится к этим веществам

Определение синтетических полимеров — что это такое

Так называют особый класс материалов, которые разрабатываются и создаются в научных лабораториях и на предприятиях в промышленных масштабах. Они состоят из неметаллических элементов, проходят испытания на текучесть расплава, эластичность, хрупкость, гибкость и деструкцию.

Объединяют три большие отрасли производств: пластикового, волокнистого и резинового сырья. Ему можно придавать практически бесконечное многообразие форм через экструзионные фильеры и литьевые оснастки при невысокой себестоимости и эффективной производительности.

История открытия синтетических полимеров

Пластик в том виде, в каком мы его знаем, появился в Викторианскую эпоху благодаря экспериментам со взрывчатым материалом англичанина Александра Паркса. Легенда гласит, что он смешал нитроцеллюлозу (воспламеняющийся азотнокислый эфир хлопкового волокна или древесной целлюлозы) с азотной кислотой и добавил растворитель. Когда он испарялся, оставался твердый гибкий продукт. Паркс быстро понял, что обнаружил нечто особенное.

В 1856 г. изобретатель запатентовал паркезин — первый термопласт, химически модифицированный и пригодный к формованию в горячем состоянии. Спустя шесть лет о своем труде он сообщил миру на Лондонской международной выставке. Хотя это был полусинтетик, именно с него началась история пластмасс, инициировались исследования по усовершенствованию и изобретению абсолютно новых соединений.

Настоящий переворот произошел в начале 1900-х годов, когда в Бельгии Лео Хендрик Бакеланд вывел на основе реакции фенола и формальдегида бакелит — первый по-настоящему лабораторно разработанный продукт, который оказался термореактопластом.

Чем отличаются искусственные и синтетические полимеры

Научные изыскания иллюстрируют пример того, как природные и ненатуральные компоненты в связке друг с другом работают над одной и той же проблемой и позволяют создавать что-то новое.

Искусственно созданные пластмассы — это модификации природных полимеров, прошедших обработку реагентами. В нашей среде естественным образом встречаются натуральные целлюлоза, хлопок, каучук, шеллак, слюда, асбест. Под действием реактивов из них можно получать другие субстанции. Например, искусственные волокна: ацетатный шелк и вискозу из целлюлозы; белковые и растительные клеи из молочного и яичного белков, органического крахмала.

Казалось бы, синтетические высокомолекулярные соединения — это тоже искусственные макромолекулы, но исходниками для них служат мономеры химической природы. Их первоисточники: сырая нефть, природный газ, в меньшей степени уголь. Да, производство синтетических полимеров вдохновлено разнообразием природы, их получают из ископаемого топлива, но они заменили и улучшили материалы из естественных источников. И присутствуют во многих отраслях, даже в самых технологически развитых.

В чем состоят особенности строения синтетических полимеров

Если вы когда-либо соединяли канцелярские скрепки в цепочку, у вас уже есть визуальное представление полимерной организации. Это высокомолекулярное соединение, образованное связыванием множества низкомолекулярных структур (иначе мономеров или звеньев цепи) посредством внутренних связей. Таких повторяющихся элементов может быть невероятно много, «поли-» – значит множество.

Процесс их связывания называется полимеризацией. Мономерные компоненты как строительные блоки складываются в одну макромолекулу. Это может быть союз одинаковых или разных структур, добавленных в равных и неравных пропорциях.

Виды и классификация синтетических полимеров: список названий, формулы, фото

Каждый технолог на производстве ищет связи между свойствами сырьевых расходников и их архитектурами. Информация используется, например, для выбора отраслевого метода и вида будущего изделия либо при смешивании для улучшения привлекательности, обеспечения долговечности, прочности, технологичности и других качественных характеристик, либо создания нового сырья.

Классифицируют их с разных точек зрения, таких как поведение при нагревании, степень кристаллизации, а также в зависимости от того, какими специфическими свойствами обладают и где применяются разные по структуре синтетические полимеры.

По молекулярным звеньям

1. Линейные: связанные друг с другом мономерные частицы образуют длинную прямую цепь, как если бы они были непрерывной веревкой. Для них характерны более высокие температуры плавления и плотности. Ярким примером служит поливинилхлорид (ПВХ), используемый в основном в производстве труб, профильных конструкций и электрических кабелей.
2. Разветвленные: имеют небольшие отводы — боковые цепи, которые присоединены к основной прямой. Такие полимеры не плотные, имеют минимальные температуры плавления. Типичный представитель — полиэтилен высокого давления (ПЭВД), используемый в мусорных пакетах, игрушках, технической пленке.
3. Сшитые: структурно самый сложный вариант, представьте, что вы берете нитки и связываете их между собой в сетное полотно. Точно так же сшитые смолы имеют связи между основными молекулами и образуют своеобразную матрицу. Они твердые, неэластичные, ломаются, служат недолго. Сюда относят фенолформальдегиды, эбониты.

Эти примеры легко видеть на простых и сложных фрагментах молекул, которые расположены рядом друг с другом и скреплены межмолекулярными связями, подобно металлическим звеньям цепочки.

По механическому поведению

Силы притяжения молекул друг к другу неодинаковы. От того, насколько они сильны, зависят свойства и выделяют четыре семейства соединений.

1. Термопласты: без поперечных связей, поэтому при нагревании внутри молекулы изменений не происходит, они легкоплавки и формуются, сохраняя очертания при охлаждении. И явно преобладающими синтетическими полимерами в отрасли являются материалы-термопласты. Полипропилен, полиэтилен, ПВХ и полистирол составляют большую часть объема, потребляемого в производстве товаров из пластмасс.
2. Реактопласты: при нагревании химический состав существенно меняется, между цепями появляются поперечные связи, приобретая твердость и характер термической необратимости.
3. Эластомеры: резиноподобные структуры, которые легко растянуть из-за слабых межмолекулярных связей, но после деформации они могут быть восстановлены в исходное состояние. Это каучуковые пластиковые массы.
4. Волокна: отличаются большим отношением длины к диаметру, часто с наличием продольно ориентированных линейных макромолекул, низкой эластичности и растяжимости. Полиамидное, полиуретановое, полиэфирное волокна — тип текстильного сырья.

По технологии синтеза

Химическая реакция превращения большого количества низкомолекулярных мономеров в длинные цепи высокомолекулярных макромолекул описывает процесс, известный как полимеризация, если кратко, то это примеры того, как получаются и из чего делают синтетические полимеры.

В основе образования любого из них лежит один и тот же сценарий, но чтобы заставить низкомолекулярные вещества реагировать друг с другом, разработчики предложили два принципиально разных высокотехнологичных способа. Первый из них — полиприсоединения, второй — поликонденсационный. Тот или иной метод может быть выбран в соответствии с требованиями к характеристикам полимера. Поскольку существует великое множество соединений с малой молекулярной массой, которые можно комбинировать по-разному, промышленность может производить все новые и новые базовые и специальные сырьевые единицы.

Способы получения синтетических полимеров

Нижеизложенное должно дать представление о том, как работают реакции синтеза, какие целенаправленные действия и некоторые научные принципы в них заложены. Продукты, полученные в ходе процесса, имеют большой вес в промышленной сфере, поэтому характеристики, по которым классифицируют полимеризацию, особенно актуальны. Основные отличия основаны на типах мономеров, схожести химсостава пластика с исходным сырьем, количестве выделенных продуктов, степени применения методов в производстве.

Рассмотрим особенности реакций, которые используются для получения синтетических полимеров.

Свойства синтетических полимеров

Часто лаборанты и инженеры ломают головы над синтезом под определенные цели. Основное внимание уделяют улучшению характеристик и разработке нестандартных веществ. Они обладают безграничным набором мономеров и компонентов, могут определять необходимые количественные соотношения их. Некоторыми полезными признаками становятся увеличенная жесткость и механическое сопротивление, более легкий вес, большая плотность, новый цвет и степень прозрачности. Возможность разрабатывать полимерные массы под конкретные задачи, делает их уникальными. Хотя для большинства характерны общие черты.

Физические свойства синтетических полимеров

• Отверждение. Сырье, имеющее функциональные группы, проявляет заметную тенденцию к кристаллизации. Вещества относительно прочные и неэластичные, таковым является полиамид (нейлон).
• Целостность при ударе. Чем длиннее молекулярная цепь, тем меньше вероятность разрыва. Сшивание ограничивает ее движение и повышает твердость, упругость. В кристаллическом соединении межмолекулярные связи более значительны, поэтому механические свойства также лучше.
• Реакция на тепло. Доведенные до достаточной температуры, пластики приобретают вязкотекучее формируемое состояние. При этом термореактивные смолы необратимо отверждаются при первом нагреве.

Химические свойства синтетических полимеров

Хорошо известно, что пластиковые предметы служат много лет, потому что большинство пластиков химически неактивны и устойчивы к взаимодействиям с агрессивными средами. Они не разрушаются и не окисляются под влиянием реагентов. Благодаря этому, например, пластиковая тара не растворяется под действием бензина, спирта или мыльных жидкостей. Однако ввиду несхожести сил внутримолекулярных связей, у каждого вещества своя стойкость к деструкции, она может быть минимизирована в большей или меньшей степени.

Что можно отнести к синтетическим полимерам: примеры

Несмотря на многообразность, все пластики составляют две большие группы в зависимости от того, как изготовлены. И с каждым годом их создание интенсифицируется все больше. Одни наиболее потребляемы, другие идут в переработку и повторное использование, третьи накапливаются в экосистемах.

Использование важнейших синтетических полимеров и области их применения

Оборот полимерных масс намного превышает диапазон обращений любого другого класса доступного техсырья. Наибольшее потребление приходится на рынки строительства, упаковки и электроники.

• Поливинилхлорид. Можно найти жесткий и гибкий ПВХ в трубах для коммунального и промышленного использования, в изоляционной оболочке кабелепроводов.
• Поликарбонат. Ударопрочность и хорошие оптические показатели по пропусканию лучей сделали его незаменимым в антивандальном остеклении, лампах и световых конструкциях.
• Смолы. Практически ни одна стоматологическая процедура не обходится без них. Брекеты, зубные протезы, индивидуальнее ложки, штифты, миски для смешивания и шпатели, капы и защитные очки — все это стоматологические пластики.
• Полиэтилентерефталат. Его многочисленные применения включают упаковку для пищевых продуктов, пленку для диапроекторов, метеорологические зонды, а также в качестве отражающего компонента в космических кораблях и других приложениях.
• Полиэтилены. Варьируются от мягких низкой плотности (результат экструзии — полиэтиленовые пакеты) до технических марок UHMW с высокими эксплуатационными показателями для эндопротезов, бронежилетов, облицовочных панелей.

Преимущества и значение синтетических полимеров

Невзирая на непростую структуру, их можно модифицировать в лабораторных контролируемых условиях, с ними легче обращаться. Если вы в поиске дешевой альтернативы дорогостоящим и сложным в обработке дереву и металлу, либо новой идеи для развития бизнеса, пластики — хороший выбор, потому что их легко обрабатывать и можно получить высокоточную продукцию с превосходным качеством. Они универсальны и доказали свою эффективность во многих отраслях: от 3D-печати и создания тканей до выпуска клеев, оконных рам, автозапчастей и одноразовых систем для взятия образцов крови.

Для изменения характеристик в состав синтетических полимеров включают наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители и прочие компоненты. Добавки снижают показатели стоимости производства, температуру обработки и время цикла, улучшают эластичность и жесткость, способствуют химической стойкости, дают возможность рециклинга.

Подведем итоги

Наука невероятна, она создала прочное промышленное сырье, которое податливо при экструзии, литье под давлением и выдувном формовании. Полимеризация заменила дорогое и дефицитное природное сырье дешевым и общедоступным. Это привело к созданию отраслей, производящих многочисленные типы полимерных соединений и их разновидностей, композиционных структур. Совершенно очевидно, что они дают бизнесу значительно больше свободы в выборе сырьевых заготовок, экструдеров и термопластавтоматов для их переработки, свойств и моделей будущих изделий, нежели дерево и металл, и к ним все больше тяготеют конечные потребители.