Синтетические полимеры

Синтетические полимеры в зависимости от метода получения делятся на поликонденсационные и полимеризационные. Сегодня, в рамках данной статьи,  мы с вами познакомимся более основательно с каждой из этих подгрупп.

В технологии производства строительных пластмасс полимеры, получаемые из простейших веществ( мономеров) методом синтеза подразделяются по способу производства на два класса:

класс А-полимеры, получаемые цепной полимеризацией.

класс Б-полимеры, получаемые поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией.

Таким образом, в основу классификации полимеров положены состав и методы получения полимеров а также их внутреннее строение. Синтетические полимеры в зависимости от метода получения делятся на поликонденсационные и полимеризационные.

Поликонденсационные полимеры

♦ Феноло-альдегидные полимеры получают в результате реакции поликонденсации фенолов (крезола, фенола, резорцина и других) с альдегидами ( фурфуролом, формальдегидом, лигнитоном и др.) Феноло-формальдегидный полимер получил широкое применение в технике.Полимер изготовляют из фенола и формальдегида. Фенол (С6Н5ОН) получают синтетическим путем  из каменеугольного дегтя. Формальдегид( СН2О)-путем окисления метана или метилового спирта.

Формальдегид это газ которого используют в виде водного раствора под названием формалин. Фенол вступает в реакцию с формальдегидом при нагревании в водных растворах кислот или щелочей в присутствии катализаторов.

Новолачные ( новолаки) полимеры с линейным строением молекул и термопластичными свойствами получают при избытке фенола и конденсации в кислой среде.

Резольные термореактивные полимеры с трехмерным строением молекул образуются при избытке формальдегида и конденсации в щелочной среде.

Феноло-формальдегидные полимеры при нормальной температуре представляют собой твердые и хрупкие вещества темно-коричневого или светлого цвета, с плотностью 1,2…1,27 г/см³. Эти полимеры с наполнителями из древесной стружки, стекляным волокном, тканью и бумагой хорошо совмещаются. При этом получаются более прочные и менее хрупкие пластики, чем сами полимеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поэтому феноло-формальдегидные полимеры довольно широко применяют в качестве связующего при изготовлении древесно-стружечных плит (ДСтП), стеклопластиков, бумажно-слоистых пластиков и разнообразных изделий из минеральной ваты. Для получения бакелитовых лаков, клеев и водостойкой фанеры используют эти же самые полимеры ( феноло-формальдегидные полимеры). Из твердых резольных полимеров, обладающие высокие диэлектрические свойства, приготовляют пресс-порошки и фаолит, которых применяют в производстве труб, электротехнических изделий, листов и плиток. Широкому распространению в технике феноло-формальдегидных полимеров способствует их относительная низкая стоимость.

♦ Кабамидные ( мочевино-формальдегидные или амино-формальдегидные) полимеры изготовляют из мочевины и формальдегида. Мочевина ( карбамид) СО(NH2)2  представляет собой в чистом виде крупные призматические  бесцветные кристаллы, которые хорошо растворяются в хлороформе и воде. Мочевину получают из углекислого газа и аммиака. Карбамидные полимеры являются бесцветными, и хорошо окрашиваются в различные цвета. Полимеры являются сравнительно дешевыми в изготовлении. Их применяют для изготовления теплоизоляционных материалов ( ячеистых пластмасс и сотопластов), клеев, волокнистых и слоистых пластиков.

♦ Кремнийорганические полимеры представляют собой особую группу полимеров. Методы получения кремнийорганических полимеров были разработаны академиком К.А. Андриановым еще в 1935-1937 гг. Особенностью строения макромолекулы полимера является наличие кремнийкислородной ( силоксановой) связи. В строительстве наиболее широко применяются кремнийорганические полимеры типа (R-радикал, например С2Н5).

Рисунок-1.Строение макромолекулы кремнийорганического полимера

 

 

 

 

 

В кремнийорганическом полимере молекулы построены из кремнеземистого скелета с органическими ответвлениями( радикалами). Поэтому такой полимер выгодно сочетает лучшие свойства силикатных материалов ( высокую теплостойкость) и обычных синтетических полимеров(эластичность). Кремнийорганические полимеры получают из низкомолекулярных кремнийорганических соединений-алкил( арил) хлорсиланов и др.

Низкомолекулярные кремнийорганические полимеры  в виде жидкостей (ГКЖ-10; ГКЖ-11; ГКЖ-94) используют в производстве лакокрасочных материалов в качестве водооталкивающих фасадных красок. также эти жидкости добавляют в бетон для придания бетонной смеси гидрофобных свойств.

Высокомолекулярные полимеры сшитой структурой обладают теплостойкостью и жесткостью. Обычные органические полимеры неустойчивы уже при температуре 100-140 °С, а кремнийорганические выдерживают без разрушения температуру 300-500°С. Поэтому на основе этих полимеров изготовляют жароупорные лаки и эмали. Их же используют в производстве пенопластов и клеев. При изготовлении волокнистых и слоистых пластиков, кремнийорганические полимеры  используют в виде связующих и пропиточных составов.

♦ Эпоксидные полимеры получили свое название в виду наличия в их молекул эпоксигруппы (смотри рис-2). Промышленное производство полиэпоксидов было начато сравнительно недавно в 1948 г. Основным сырьем для эпоксидных полимеров является эпихлоргидрин , получаемый из глицерина и пропилена. В большинстве случаев эти полимеры представляют собой жидкости различной вязкости.

Рисунок-2. Эпоксигруппа эпоксидных полимеров

 

 

 

 

Эпоксидные смолы характеризуются высокой химической стойкостью, за исключением сильных окислителей и влажного хлора. Материалы на их основе, такие как краски, мастики, клеи,растворы и бетоны отличаются высокой прочностью и универсальной клеящей способностью к бетону, керамике, металлу, стеклу и другие. Эти замечательные свойства сочетаются у них с относительно высокой теплостойкостью ( 100-150°С).

В качестве отвердителей эпоксидных смол применяют:

◊ При холодном отверждении -полиэтиленполиамин, гексаметилендиамин (ГМД).

◊ При горячемотверждении-фталевый ангидрид, меламин, карбамидные смолы и другие.

♦ Полиэфиры-это группа полимеров получаемые в результате поликонденсации многоосновных кислот со спиртами. Глифталевый полимер из этой группы получил широкое применение. Его готовят из глицерина и фталевого ангидрида. Глицерин представляет собой простейший трехатомный спирт C3H5(OH)3. Получают его синтезом из продуктов нефтепереработки. Фталевый ангидрид С6Н4(СО)2О является продуктом окисления  нафталина который выделяется из каменноугольного дегтя.Относительная дешевизна и распространенность исходного сырья позволяют применить полиэфирные полимеры для изготовления стеклопластиков, санитарно-технических изделий, цветных и светопрозрачных покрытий,фасадных красок, клеев, лаков и других изделий.

Полиэфирные полимеры стойки к концентрированному раствору окисляющих кислот, к  влажному хлору, разрушающим фурановые и эпоксидные полимеры.Но при  длительном воздействии воды понижается прочность полиэфирного полимера до 40%, при этом уменьшается и его адгезионная способность.

♦ Полиамидные полимеры получают в результате реакции поликонденсации двухосновных кислот и диаминов, сходны с полиэфирами. Их применяют например в виде влагоизолирующих пленок.

♦ Полиуретаны готовят из изоцианатов и многоатомных спиртов, содержащих две и более гидроксильные группы.Линейные полиуретаны применяют для изготовления пленок, волокон, листовых материалов , которые выдерживают высокую влажность и температуру до 110°С.

Полиуретановые каучуки синтезируют из диизоцианатов и полиэфиров. В зависимости от вида полиэфира получают жесткие и мягкие эластичные материалы, а из них прекрасные теплоизоляционные и звукоизоляционные пластмассы. Полимеры получаемые путем модификации природных высокомолекулярных веществ ( белков, целлюлозы) имеют определенное значение для строительства. Из ацетилцеллюлозы вырабатывают прочные и водостойкие лаки для окрашивания древесины и металла.

Полимеризационные  полимеры

♦ Полиэтилен (—СН2—СН2—)n получают путем полимеризации этилена следующим образом:

〈 При высоком давлении 120-250 МПа;

〉 При среднем давлении3-7МПа в углеводородных растворителях с окиснометаллическими катализаторами;

〈 При атмосферном или небольшом избыточном давлении ( 00,5-0,6 МПа) с участием металлоорганических катализаторов.

Полиэтилен представляет собой твердый белый роговидный продукт. Его выпускают в виде гранул размером 3-5 мм или в виде белого порошка. Технические свойства полиэтилена зависят от молекулярной массы, разветленности цепи и степени кристалличности. Поэтому на свойства полиэтилена влияет метод его производства.Полиэтилен низкого давления имеет в основном кристаллическую структуру, ему свойственны твердость и жесткость.

Полиэтилен высокого давления обладает большой гибкостью в тонких пленках, так как состоит на 40-45 % из аморфной фазы, представляющей недостаточно упорядоченные участки молекул. Полиэтилен является одним из самых легких полимеров с плотностью 0,92-0,97 (меньше плотности воды).При растяжении (12-32МПа) в сочетании с высоким пределом прочности это дает высокий коэффициент конструктивного качества.

Высокие прочностные свойства полиэтилена сочетаются благоприятно с незначительным водопоглощением (0,03-0,04%) высокими показателями по морозостойкости и высокой химической стойкостью. Хорошая морозостойкость полиэтилена обусловлена низкой температурой стеклования аморфной фазы (-80°С по В. А. Кирееву). Свойственные всем линейным полимерам особенности учитывают  и для полиэтилена, такие как малая твердость, большой коэффициент теплового расширения, ограниченная теплостойкость(108-130°С), сравнительно низкий модуль упругости (150-800 МПа) и другие.

При введении в полиэтилен  2% сажи, получаются хорошие результаты( по В. А. Воробьеву). Применяют полиэтилен для изготовления гидроизоляционных материалов , санитарно-технического оборудования, труб и других изделий.

♦ Поливинилхлорид ПВХ является продуктом полимеризации винилхлорида. В нормальных условиях мономер (СН2=СНСl) представляет собой безцветный газ обладающий эфирным запахом. Винилхлорид он же хлорвинил получают из дихлорэтана и из ацетилена. Применяют при этом эмульсионный, блочный( полимеризация в массе) и суспензионный методы полимеризации винилхлорида. Поливинилхлорид выделюят сушкой или коагуляцией из эмульсий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поливинилхлорид представляет собой белый ( иногда желтоватый) порошок аморфного строения лишенный  вкуса и запаха.  Температурный предел эксплуатации полимера 60°С. Плотность поливинилхлорида составляет 1,38-1,4 ( примерно в 1,4 раза больше, чем полиэтилена). Это говорит о высокой плотности упаковки цепей поливинилхлорида, которая обуславливает высокую прочность полимера при растяжении( 50-60МПа) и изгибе (80-120МПа), а также сравнительно большую твердость(по Бринеллю 15-16).

Высокие механические свойства поливинилхлорида определили главные области его применения в строительной отрасли. Полимер используется главным образом для производства разнообразных материалов для чистых полов: однослойного безосновного линолеума, линолеумов на тканевой и теплой основах, многослойных линолеумов, плиток для полов.

Из поливинилхлорида изготовляют отделочные декоративные материалы и гидроизоляционные материалы. Стойкость к действию кислот, бензина, спирта, щелочей, смазочных масел является ценным свойством полимера. Его используют довольно широко при производстве труб для системы канализации, водоснабжения и технологических трубопроводах. Из  поливинилхлорида изготовляют поручни, плинтусы, ячеистые теплоизоляционные материалы.

Из недостатков выделяют: резкое снижение прочности при повышении температуры, и ползучесть при длительном действии нагрузки.

♦ Перхлорвинил получают хлорированием поливинилхлорида в хлорбензоле до содержания 60-80% хлора. Хорошо зарекомендовали себя  перхлорвиниловые составы в качестве фасадных красок. Устойчивость перхлорвинила к агрессивным средам ( щелочам, кислотам) благоприятствует их долговечности. Температура размягчения перхлорвинила 85-100 °С.

♦ Полистирол является одним из наиболее применяемых полимеров. Его получают путем полимеризации мономера -стирола (С6Н5СН=СН2). Стирол( винилбензол) получают из бензола и этилена. В противоположность мономеру полистирол лишен запаха и вкуса, физиологически безвреден. При обычной температуре полистирол представляет собой твердый прозрачный материал, на стекло похожий и пропускающий до 90% видимой части спектра.

 

 

 

 

 

 

Полистирол выпускают в виде гранул (6-10 мм), крупного или мелкозернистого порошка, а также в виде бисера ( при суспензионном методе производства) с влажностью до 0,2%. Применяемый в строительстве полистирол имеет аморфное строение, хотя при определенных условиях производства получают полимер с большим содержанием кристаллической фазы ( до 50%). Степень полимеризации колеблется от 500 до 2000, что соответствует молекулярной массе полимера от 50000 до 200000.

Полистирол легок( его плотность 1,04-1,06) и малотеплопроводен( теплопроводность 0,09-0,15 Вт/(м·°С). Поэтому он в больших количествах идет для производства пенополистирола. Обладая высокими механическими свойствами (Rp=35-60МПа, Rож=80-110 МПа)полистирол водостоек сопротивляется хорошо действию концентрированных кислот( кроме ледяной уксусной кислоты и азотной кислоты). Полистирол противостоит растворам щелочей ( с концентрацией до 40%).

Благодаря этим свойствам полистирольные облицовочные плитки являются долговечными и их можно применить в замен керамических  в качестве облицовки стен ванных комнат, кухонь, санузлов, лабораторных помещений и так далее. Плитки изготовляют методом литья под давлением с применением литьевых машин. Из полистирола также делают трубки для электропроводки, однако полистирольные пленки уступают полиэтиленовым и поливинилхлоридным пленкам, они более хрупки.

К недостаткам полистирола относят : хрупкость при ударных  нагрузках и невысокая теплостойкость. Для повышения вязкости и теплотстойкости полистирола применяют различные способы модификации полимера: совмещение с каучуками, сополимеризацию с другими мономерами и другие. Сополимеры стирола с дивинилбензолом, вследствие сшивки последним полистирольных цепей имеют трехмерную структуру и повышенную теплостойкость ( не ниже 110°С).

♦ Полиметилметакрилат, называемый также органическим стеклом является продуктом полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты. Метилметакрилат синтезируют в виде бесцветной прозрачной жидкости, подвергая сложной химической переработке исходные сырьевые продукты ( нефтяные углеводороды, природный газ и другие).

Полимеризация мономера ведется блочным( в массе) эмульсионным и суспензионными методами.При блочном методе сперва очень тщательно перемешивают смесь метилметакрилата, инициатора ( бензоила) и пластификатора ( дибутилфталата), затем  ее заливают в форму  из силикатного полированного стекла. По окончании полимеризации ( процесс длится от 18 до 40 часов при температуре от 40 до 130°С) вынимают из форм готовые листы полиметилметакрилата( органического стекла).

Эмульсионную полимеризацию применяют для получения литьевых и перссовочных порошков. Суспензионная полимеризация дает гранулированный полимер-бисер, более упругий и жесткий материал, перерабатывающийся в иделиях в виде блоков, трубок и в виде прозрачных или окрашенных листов. Полиметилметакрилат имеет аморфное строение, при этом его плотность составляет 1,18 г/см³.

Особенностью органического стекла является его исключительная прозрачность, способность пропускать ультрафиолетовые лучи, бесцветность, светостойкость и атмосферостойкость. Органическое стекло пропускает до 73,5% ультрафиолетовых лучей, обычное силикатное пропускает только 0,6%, зеркальное силикатное -3%, а кварцевое стекло -100%. Поэтому органическое стекло применяют для остекления больниц, теплиц, парников, витрин и тому подобное.

 

 

 

 

 

 

 

 

При температуре выше 90°С полимер приобретает  эластичные качества и при этом хорошо формуется.Полиметилметакрилат легко обрабатывается резанием и подается шлифовке. Техническое органическое стекло имеет высокую прочность: при сжатии 120-160 МПа, при растяжении 60-80 МПа, при изгибе 80-140 МПа. Ударная вязкость органического стекла почти не снижается в интервале температур от 60 до 183°С.

Однако недостаточная абразивная стойкость и теплостойкость (80°С) ограничивают применение этого полимера. Полимер не является стойким в растворах щелочей и кислот, легко растворяется в органических растворителях( ацетон и другие) и горит при соприкосновении с огнем ярким пламенем.

♦ Политетрафторэтилен (—CF2—CF2—)n -является продуктом полимеризации тетрафторэтилена, осуществляемой методами суспензионным и блочным в растворителях. Плотность полимера 2,14-2,35 г/см³, полимер обладает высокой химической стойкостью, способен выдержать воздействие высокой температуры ( до 200°С), является одним из лучших диэлектриков. Применяют в строительстве уплотняющие прокладки из политетрафторэтилена  в особо коррозионных средах.

♦ Поливинилацетат получают в результате полимеризации винилацетата ( сложного эфира уксусной кислоты и винилового спирта). Поливинилацетатные смолы бесцветны, эластичны, светостойки, хорошо прилипают к поверхности различных материалов. Поэтому их используют для изготовления клеев, эмульсионных красок и мастик. Водные дисперсии полимера применяют для устройства бесшовных полов а также вводят в цементные бетоны и растворы с целью увеличения их водонепроницаемости и химической стойкости.

♦ Полиизобутилен (—СН2—С(СН3) 2—)n— продукт полимеризации изобутилена СН2 = С( СН3 ) 2, получаемого из продуктов переработки нефти. Полимер представляет собой эластичный каучукоподобный материал с молекулярной массой 300000-500000. В отличие от каучуков полиизобутилен не способен к реакции вулканизации ( сшивке молекул). Полимер  практически является бесцветным, физиологически безвреден и не имеет запаха. Обладает ценными свойствами. Он легок, как и полиэтилен, плотность составляет 0,91-0,93 г/см³, но эластичнее значительно.

♦ Полиизобутилен способен выдержать относительное удлинение 1000-2000%. Он водостоек на него не действуют кислоты соли галоидов, щелочи и полярные растворители. Но полимер способен раствориться в ароматических углеводородах( толуоле, бензоле и др.) и минеральных маслах, в жирах и растительных маслах набухает. Полимер имеет низкую температуру стеклования (-75°С) и поэтому обладает высокой морозоустойчивостью. Полиизобутилен в сочетании с наполнителями( сажей, тальком, графитом) применяют в разнообразных герметизирующих материалах, служащих для уплотнения горизонтальных и вертикальных швов в панельных зданиях.

Из него изготовляют липкие ленты, линолеумные клеи, гидроизоляционные материалы. Полиизобутилен хорошо совмещается с битумом, повышая его эластичность на холоде.

♦ Индено-кумароновый полимер получают в результате полимеризации ароматических соединений : кумарона, индена, стирола и гомологов, находящихся в сыром бензоле и фенольной фракции каменноугольного дегтя. Полимер применяют для лаков из него изготовляют плитки для пола.