Полимерный материал: свойства и применение¶
Полимерный материал — это материал, основу которого составляют полимеры: высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов, состоящие из повторяющихся структурных звеньев. К полимерным материалам относят пластмассы, резины, волокна, плёнки, клеи и многие композиции на основе синтетических и природных полимеров. Они занимают одно из ведущих мест в современном материальном хозяйстве наряду с металлами и керамикой.
¶Классификация
Полимерные материалы классифицируют по нескольким признакам.
По происхождению различают:
- природные полимеры — целлюлоза, лигнин, хитин, белки, каучук, природные смолы;
- синтетические полимеры — полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, фенолформальдегидные смолы;
- химически модифицированные природные полимеры — нитроцеллюлоза, ацетилцеллюлоза, вулканизированный каучук.
По строению главной цепи молекулы:
- линейные (полиэтилен, ПВХ, нейлон) — обладают наибольшей прочностью и способны к кристаллизации;
- разветвлённые (полиизобутилен, полистирол с низкой степенью разветвления) — имеют пониженную плотность упаковки молекул;
- пространственно-сетчатые (фенолформальдегидные смолы, эпоксидные, сшитый полиэтилен) — образуют трёхмерную сеть, нерастворимы и неплавки после отверждения.
По термическому поведению:
- термопласты — многократно размягчаются при нагреве и твердеют при охлаждении (полиэтилен, полипропилен, полиамиды);
- термореактопласты (термореактивные полимеры) — после отверждения необратимо переходят в нерастворимое состояние (эпоксидные, полиэфирные, меламиновые смолы);
- эластомеры — способны к большим обратимым деформациям (каучуки, силиконовые каучуки, полиуретаны).
¶Свойства
Полимерные материалы обладают набором свойств, определяемых химическим строением, молекулярной массой, степенью кристалличности и морфологией.
Плотность полимеров невысока — обычно 0,9–2,2 г/см³, что в 4–15 раз меньше плотности металлов. Это обеспечивает высокую удельную прочность при малой массе конструкции.
Механические свойства существенно разнятся: от мягких плёнок и эластичных резин до жёстких конструкционных пластмасс с прочностью при растяжении до 100–150 МПа (армированные волокном композиты — до 1000 МПа и выше). Полимеры обладают заметной вязкостью, ползучестью и релаксацией напряжений — свойствами, нехарактерными для металлов.
Термические свойства характеризуются невысокой температурой размягчения: большинство термопластов работают в диапазоне до 80–150 °C, специальные (фторопласты, полиимиды, полисульфоны) — до 250–400 °C.
Химическая стойкость у большинства полимеров высока: они инертны к кислотам, щелочам, солевым растворам, что определяет их применение в трубопроводах и ёмкостях.
Диэлектрические свойства — полимеры являются отличными изоляторами (удельное электрическое сопротивление 10¹²–10¹⁸ Ом·м), что делает их незаменимыми в электротехнике.
К недостаткам относят горючесть, старение под действием ультрафиолета, кислорода и влаги, а также низкую жаропрочность большинства видов.
¶Производство
Основной способ получения синтетических полимеров — полимеризация (соединение мономеров) и поликонденсация (с выделением побочного продукта). Крупнейшие российские предприятия отрасли — «Сибур», «Нижнекамскнефтехим», «Казаньоргсинтетик» — производят полиэтилен, полипропилен, ПВХ и сополимеры в объёме миллионов тонн в год.
Из полимерных гранул формуют изделия различными методами:
- литьё под давлением — для объёмных деталей сложной формы;
- экструзия — для труб, плёнок, профилей;
- выдувное формование — для бутылок и ёмкостей;
- термоформование — для упаковки и лотков;
- штамповка — для листовых изделий.
¶Применение
Полимерные материалы применяются практически во всех отраслях:
- упаковка — занимает около трети мирового потребления пластмасс (плёнки, пакеты, бутылки, контейнеры);
- машиностроение — детали подшипников, шестерён, корпусов, работающих без смазки;
- строительство — трубы, оконные профили, утеплители, кровельные мембраны;
- электротехника и электроника — изоляция кабелей, корпуса приборов, печатные платы;
- медицина — одноразовые инструменты, имплантаты, шовные материалы;
- текстиль — синтетические волокна (лавсан, нейлон, капрон, акрил);
- авиация и космос — композиты на основе эпоксидных и полиэфирных смол с углеродным и стеклянным наполнителем.
¶Экологические вопросы
Проблема утилизации полимерных материалов приобрела глобальный масштаб: срок разложения природных полимеров (целлюлоза, бумага) составляет месяцы, тогда как синтетические пластмассы в окружающей среде сохраняются десятилетиями. В России действуют программы раздельного сбора и переработки, развивается производство биоразлагаемых полимеров на основе крахмала и полилактида. Тем не менее значительная часть полимеров по-прежнему захоранивается на полигонах или сжигается.
Источники:
- «Полимерные материалы: учебное пособие» — под ред. В.П. Шеверня
- Величко М.Е., Панин В.Е. «Полимерные композиционные материалы»
- «Химическая энциклопедия», т. 3
- ГОСТ 263-75 «Полимерные материалы. Термины и определения»
- Статистика Госкомстата РФ по производству пластмасс