Полимеры – что это такое простыми словами, виды полимерных материалов

Полимер – это вещество, которое может иметь как органическую, так и синтетическую природу. Его ключевая особенности с точки зрения химии – высокая молекулярная масса при уникальном строении. С каждым годом данные материалы становятся все более популярными. Согласно экспертным оценкам, мировой производственный объем сегмента сегодня оценивается в 460 млн тонн. В денежном выражении – в $260 млрд. Аналитики не сомневаются, что отрасль будет продолжать расти и развиваться, причем с высокими темпами. Распространению материалов способствуют их свойства: эластичность и минимальная хрупкость при кристаллизации. Поэтому поговорим о том, что называется полимером и является таковым, опишем свойства основные виды структур веществ.

Обратите внимание: их не стоит путать с синтетическими пластмассами. Во-первых, потому что материал может иметь органическое происхождение. Во-вторых, потому что большинство соединений, относящихся к этому классу на молекулярном уровне часто обладают не только длинными, но и короткими цепями. В-третьих, пластмассы по большей части универсальны, чего нельзя сказать о базовых веществах из мономерных звеньев. Поэтому важно разграничивать термины и не допускать путаницы. Материалы имеют много сходств и общих черт. Однако различия между ними не мене очевидны, особенно если обратить внимание на происхождение.

Что такое полимеры

Органические или неорганические вещества. Представляют собой макромолекулы, которые соединяются в цепи, имеют химические или организационные связи. Как ни странно, примером природного материала данного типа может послужить обычный белок. Но гораздо чаще они синтезируются и производятся в промышленных масштабах.

Ключевая технология – полимеризация. Также при изготовлении используют методы конденсации и воздействия на сырье специальными химикатами. Цель – получение высокомолекулярного соединения, элементы структуры которого многократно повторяются. Яркие примеры синтезируемых веществ – полиэтилен и ПВХ.

Состав полимеров

Их составляют мономерные звенья. При определенных воздействиях они образуют длинные макромолекулы. Чтобы разобраться детально, необходимо уточнить терминологию. Поэтому обратимся к основам химии и постараемся все объяснить максимально просто. Итак, мономер – низкомолекулярное вещество. Его звено – структурный компонент макромолекулы. Фактически один из множества составляющих химической связи, образованной в результате полимеризации.

Ее можно инициировать искусственно. Также процесс может происходить в природной среде. В последнем случае появляется органический высокомолекулярный материал – например, полисахарид.

Классификация полимеров

Вещества разделяют сразу по нескольким критериям и признакам. Большинство из них прямо влияют свойства сырья и производимых из него изделий. Представим наиболее полную классификацию по всем основным параметрам.

По происхождению

В соответствии с данным критерием они могут быть:

· природными;

· синтезированными;

· искусственными.

Материал первого типа широко распространен в природе, является ее неотъемлемой части. Например, к нему относятся нуклеиновые кислоты, составляющие ДНК человека. Синтезированные вещества получают в ходе полимеризации. Это этилен и производимая из него продукция. Напомним, что в процессе реакции происходит образование прочных связей и газ меняет свое состояние, постепенно затвердевая. Что же касается искусственных, то это всевозможные пластмассы. В частности, производимые из целлюлозного сырья.

По химическому составу

Мы разобрались в том, что относится к полимерам, почему их так называют и из чего сделан материал в плане его структуры. Переходим к следующему критерию базовой классификации. Рассмотрим химический состав вещества. В соответствии с этим параметром оно может быть гомо- или гетероцепным.

Соединения первого типа имеют макромолекулярные цепи, образованные одновидовыми атомами углерода, кремния и так далее. Такой состав имеют, например, полиэтилен и карбин. Явление распространено среди всех типов веществ по происхождению. Что же касается гетероцепных соединений, то они имеют атомы разных видов. Характерный пример – полиамид.

По структуре

Если обратить внимание на то, что значит простой полимер, то это молекула, которая представлена мономером. В зависимости от соединения она может образовывать вариативные цепи. Последние определяют структуру вещества – например:

· линейную – обеспечивает эластичность материалов;

· разветвленную – повышает прочность;

· сетчатую – при поперечных связях достигается максимальная твердость.

Также вещества подразделяются на гомо- и гетерополимеры в зависимости от того из каких макромолекул они состоят – из одинаковых или различных соответственно. Соединения последнего типа также принято обозначать в качестве сополимеров – они обладают сразу несколькими структурными звеньями.

По пространственному строению

Еще один распространенный критерий классификации. В соответствии с ним выделяют следующие подвиды синтезируемой продукции:

1. Изотактические – предельно прочные.

2. Синдиотактические – умеренно гибкие.

3. Атактические – самые мягкие.

Обратите внимание: говоря о том, что такое полимер и давая определение материалу, мы отмечаем, что понятие означает объемную группу веществ – в их число входит широкий перечень соединений с разным пространственным строением.

По агрегатному состоянию

Так как основной промышленной продукцией остается номенклатура пластмасс, на первый план выходят параметры прочности. Она достигается только при достаточной твердости. Соответственно данное агрегатное состояние соединения наиболее распространено и востребовано.

Применяются и эластичные материалы. В их числе популярная резина, разнообразные вариации силикона и многое другое. Жидкие состояние веществ преимущественно актуальны при производстве ЛКМ, строительных смесей и составов.

По полярности

Мы уже упоминали, что такое полимер и пластик простыми словами – другим языком это цепочки мономеров, которые могут повторяться. При этом количество звеньев существенного влияния на характеристики соединения не оказывает. В отличие, например, от полярности.

В зависимости от нее материал может быть:

· полярным;

· неполярным;

· смешанным.

На этапе промышленного производства чаще употребляют другие термины – гидрофильные, гидрофобные и амфифильные вещества соответственно. Напомним, что полярность определяется как соотношение положительных и отрицательных зарядов друг с другом.

По отношению к температурному воздействию

Теперь стоит подробнее поговорить о том, что такое термопластичные искусственные полимеры и чем они отличаются от термореактивных. Соединения первой группы – высокомолекулярные. Их естественное состояние – твердое. Вещества отличает большой срок хранения, возможность плавления и формовки. Однако они быстро стареют при агрессии окружающей среды – особенно когда речь идет об ультрафиолете. Распространенные примеры термопластов – алифатические полиамиды.

Производство полимерных материалов

В промышленных масштабах чаще используются именно синтезируемые вещества. Их получают из специального сырья на соответствующем оборудовании. Несмотря на стремительное развитие технологий, производство сводится к применению двух методов:

1. Полимеризации.

2. Поликонденсации.

Они имеют несколько принципиальных различий. Рассмотрим ключевые особенности, преимущества и недостатки каждого способа изготовления веществ.

Полимеризация

Под ней понимают процесс, в ходе которого высокомолекулярные цепи создаются путем присоединения образованных звеньев к одной цепи. Основой выступают мономеры, обладающие парными связями. Они обрываются в результате реакции и заменяются новыми. Полимеризация может протекать как ионная или свободно радикальная. Последняя проходит в 3 основных этапа:

1. Инициирование – разрыв связей и высвобождение радикалов.

2. Наращивание цепи – соединение звеньев.

3. Их обрыв – процесс, сопутствующий завершению реакции.

Данная технология применяется при выпуске множества популярных материалов. В частности, полиэтилена и полистирола. Что же касается ионной полимеризации, то здесь в качестве активных групп выступают анионы и катионы. Метод подходит при производстве искусственного каучука. Оптимальные технологии важно выбрать еще до запуска предприятия.

Пример: при выборе механизма производства учитывается, какие синтетические полимерные материалы и на основе чего будут изготавливаться – это необходимо для корректного прогнозирования оснащения.

Поликонденсация

Обычно предполагает создание полифункциональных мономеров. Реакция провоцирует отщепление простых молекул. Ее результатом становится связывание функциональных групп в единую цепь. Процесс проходит в несколько стадий. Может предполагать получение промежуточных материалов. Часто требует участия катализаторов.

Если полимеризация предполагает использование монофункциональных соединений, то при поликонденсации применяются и синтезируются мономеры с различными функциональными группами. Наиболее распространенные примеры веществ, произведенных по данной технологии – поликарбонат, полиамид, полиуретан и фенол-альдегидная смола.

Физические свойства

Они зависят от множества факторов: из чего состоит сырье, из которого изготавливают полимеры, для каких целей их используют, что делают в процессе дополнительной обработки и защиты. Поэтому стоит привести общие характеристики, свойственные большинству соединений.

К таковым относят:

1. Минимальную теплопроводность, что делает некоторые вещества пригодными для изготовления термоизоляции.

2. Высокий коэффициент теплового расширения.

3. Полная зависимость удельной массы от состава и структуры, вариативность данного параметра.

4. Отличная прочность – по этому показателю соединения уступают только металлам.

5. Горючесть – характерна для некоторых веществ, однако встречаются и их огнеупорные разновидности, особенно при прохождении ими дополнительной обработки.

6. Хорошие диэлектрические свойства – в качестве примера отметим, что некоторые изделия из полимеров и полученные на их основе материалы находят применение при изготовлении изоляции для электроприборов.

7. Способность принимать исходную форму даже после продолжительных механических нагрузок – свойственна не всем, но многим соединениям.

8. Возможность наполнения различными добавками.

В последнем случае речь идет о создании, так называемых, композитов. Они представляют собой комбинированные материалы, которые значительно превосходят по физическим характеристикам и эксплуатационным параметрам «чистые» вещества. Это позволяет использовать их в условиях, которые не выдерживают обычные соединения. Например, под постоянным воздействием ультрафиолета или экстремально высоких температур.

Примеры применения полимеров

Они востребованы в десятках отраслей и сфер. Рынок веществ этой категории постоянно растет. Увеличивающийся спрос связан с относительно невысокой себестоимостью материалов, высокими производственными мощностями, долговечностью и оптимальными физическими характеристиками. Поговорим о том, где соединения используют чаще всего.

В быту

Посмотрите вокруг и вы заметите десятки предметов «полимерного» происхождения. В их числе:

· различные варианты упаковок;

· одноразовая посуда;

· элементы бытовой техники и электроники;

· детские игрушки;

· детали сантехники и предметов интерьера.

Также востребованы всевозможные варианты фурнитуры, пластмассовые изделия вроде ведер и горшков. Из соединений производится подошва для обуви, расчески, зубные щетки и даже некоторые разновидности бытовой химии.

В строительстве

Продолжая говорить о том, для чего нужны полимеры и где они используются, не можем не затронуть эту отрасль. Из веществ изготавливают широкую номенклатуру материалов и смесей. Они используются при возведении различных зданий и сооружений.

Наиболее популярная продукция:

· облицовочные панели;

· различные ограждения;

· части оконных рам и дверей;

· детали вентиляции;

· всевозможные герметики.

Соединения также востребованы при производстве труб разных диаметров и других элементов систем водо- и теплоснабжения, канализации. Их используют при создании наливных полов. Из них производят изоляционные материалы.

В медицине

Полимерную природу имеет множество аксессуаров, деталей оборудования и инструментов. Среди популярной продукции:

· шприцы;

· контейнеры;

· протезы;

· бахилы;

· лабораторный инвентарь.

Некоторые соединения подходят даже для изготовления искусственных органов и их фрагментов. Прежде всего, ввиду прочности, практически неограниченного срока хранения, эластичности и стойкости к механическим повреждениям.

В сельском хозяйстве

Здесь вещества применяются ничуть не реже, чем в других отраслях. Органические, искусственные и синтетические полимеры – что это за материалы для аграрной сферы и животноводства:

· укрывные пленки для парников;

· специальные ткани, препятствующие прорастанию сорной травы;

· фрагменты систем полива;

· каркасы сооружений;

· всевозможные сетки.

Отдельный крупный сегмент занимают теплицы – их часто производят из поликарбоната. Каркас сооружений при этом может изготавливаться из полипропилена.

В пищевой отрасли

Так как вещества отличает стойкость к химическому и биологическому воздействию, они часто подходят для контакта с продуктами питания. Поэтому из них создают части и детали оборудования, различные емкости.

Большой сегмент занимает полимерная упаковка. Это всевозможные контейнеры, боксы, пленки, пакеты. Материал помогает защитить продукты от пыли и грязи, препятствует их порче. При этом он легкий, часто прозрачный. Соответственно, удобный в использовании и идеально подходящий для торговли.

Композитные полимерные материалы

Под ними понимают многокомпонентные вещества, созданные на основе макромолекулярных соединений. Последние армируются всевозможными наполнителями. Ключевая цель – улучшение физических показателей базового материала.

По конечным свойствам композиты не только не уступают «естественным» аналогам, но и зачастую превосходят их. В частности, они могут иметь меньший вес и быть более стойкими к воздействию ультрафиолета. Итоговые характеристики зависят от армирующих наполнителей, используемых в производственном процессе. Новые технологии позволяют создавать уникальные соединения.

Чем полимеры отличаются от других веществ

Прежде всего, своей структурой. Они состоят из макромолекул. В последней число повторяющихся звеньев составляет степень полимеризации. Мономером для реакции может выступать ненасыщенное соединение с двойными и тройными связями.

Также очевидны отличия в физических параметрах. Например, материалы более прочные, чем стекло. Они легче металла. Не так подвержены механическим повреждениям, как более хрупкий акрил. Отличаются водонепроницаемостью, могут выступать изоляторами.

Как добавить полимерам новые свойства

Самый простой способ – произвести композит. Технология предполагает добавление в базовый материал специальных армирующих веществ. Они влияют на определенные физические параметры. Например, повышают прочность, снижают вес, увеличивают стойкость к разрушительному воздействию ультрафиолета.

Вторичная переработка

При анализе экологического потенциала важно учитывать, что входит в состав полимеров, чем они отличаются от других веществ и из чего получают сырье. Многое зависит от структуры соединений и их класса. Так полистирол и поливинилхлорид практически никогда не используются для вторичной переработки.

Тем не менее, многие другие полимеры подходят для нее. В дальнейшем их продукции изготавливают тару, различные щетки, волокна, смазочные материалы и даже отдельные виды топлива.

Подведем итоги

Вещество может быть не только синтетическим, но и органическим. Яркий пример – белок или рибонуклеиновая кислота в нашем ДНК. Однако наиболее распространение в промышленности получают именно синтезируемые материалы.

Если кратко описать, что такое полимеры, то это вещества из мономерных звеньев, соединенных в макромолекулы – характерные примеры наблюдаются в производстве, где продукция может иметь сотни различных вариаций структур.