Материалы на основе полимеров

Группа 3ПК 1-й курс

Г

Предмет ХИМИЯ

Тема 5: Биологически активные органические соединения. Высокомолекулярные органические соединения.

Урок № 20 ОДП.02 Химия

Тема урока «Полимеры. Пластмассы: термопласты и реактопласты, их представители и применение».

.

Тип урока: изучение нового материала.

Цели.

- Ознакомить студентов с высокомолекулярными соединениями на примере пластмасс. Иметь представление о пластмассах, их составе и свойствах, особенностях термореактивных и термопластичных полимеров, способах их получения и областях применения.

- Способствовать дальнейшему развитию интеллектуальных умений и навыков.

- Пропагандировать здоровый образ жизни, убеждать в необходимости охраны окружающей среды.

- Развивать логическое мышление студентов, умение анализировать, сравнивать, делать выводы.

Полимеры и пластические массы.

Содержание темы по рабочей программе. Физико-химические основы материаловедения: строение и свойства материалов, методы измерения параметров и свойств полимеров. Способы получения полимеров. Материалы на основе полимеров. Область применения неметаллических материалов полимерных материалов на транспорте

 

Полимеры и пластические массы

Полимеры - высокомолекулярные вещества с очень большой молекулярной массой, которые построены из многократно повторяющихся звеньев – мономеров, связанных сильной ковалентной связью.

В зависимости от состава различают группы полимерных соединений:

• гомополимеры - полимеры, состоящие из одинаковых звеньев мономеров;
• сополимгеры - полимеры, состоящие из разных исходных звеньев мономеров;
• элементоорганические - соединения с введенными в главную или боковые цепи атомами кремния, кремнийорганическго соединения, бора, алюминия и др. Эти соединения обладают повышенной теплостойкостью.

Макромолекулы полимеров по форме делят на: линейные неразветвленные, допускающая плотную упаковку; разветвленные, труднее упаковываемая и дающая рыхлую структуру; сшитые – лестничная; сетчатые; паркетные; сшитые трехмерно-объемные, с густой сеткой поперечных химических связей.

Полимеры с линейной структурой эластичны, при нагревании размягчаются, растворимы в органических растворителях. Полимеры с сетчатой структурой обладают наибольшей прочностью и теплостойкостью.

 

Способы получения полимеров

Полимеры получают способами:

• полимеризация – химический процесс, при котором из мономера под воздействием температуры, давления и гамма излучений образуется высокомолекулярное соединение без выделения побочных продуктов (воды, газов);
• поликонденсация – химический процесс, при котором в реакцию вступают низкомолекулярные вещества и за счет необратимого превращения под действием температуры, давления и др. образуют полимерные соединения с выделением побочных продуктов (воды, газов и др.).

По реакции связующего полимера к повторным нагревам:

• термопластичные пластмассы - это материалы, которые неоднократно перерабатываются литьем под давлением (полиэтилен, полистирол, капрон и др.), так как получены процессом полимеризации. Им характерны свойства: малая хрупкость и большая упругость. Термопласты при повышении температуры размягчаются, становятся пластичными. В таком состоянии им под давлением придается необходимая форма, сохраняемая после охлаждения;
• термореактивные полимеры (реактопласты) - это материалы, которые при производстве переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, так как получены процессом поликонденсации (аминопласты, фторопласты, фенопласты). Им характерны хрупкость, они дают большую усадку. Формообразующие операции (прессование) термореактивных пластмасс, выполняется до отверждения, т.е. на первой стадии их образования. Отверждение выполняется после получения необходимой формы. При нагреве реактопласты практически не меняют своих свойств до температуры, вызывающей деструкцию.

 

Материалы на основе полимеров

Пластические массы (пластмассы, пластики) – материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться в изделия сложной конфигурации и при охлаждении устойчиво сохранять приданную форму. Простые пластмассы состоят из одних химических полимеров. Сложные пластмассы включают добавки: наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, катализаторы.

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения. Большинство пластмасс имеют малую плотность, низкую теплопроводность, высокие диэлектрические фрикционные и антифрикционные свойства. Пластмассы не подвержены электрохимической коррозии и стойки к агрессивным средам, включая щелочи и концентрированные кислоты и применяются для изготовления защитных покрытий.

Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость (максимальная температура эксплуатации термопластов до +250 ºС, термореактивных пластмасс до +400 ºС). Большинство пластмасс разрушаются при нагреве и разлагается при температурах +150…+300°С, а полистирол, органическое стекло, пористые пластмассы огнеопасны. Пластмассы имеют низкие модуль упругости и ударную вязкость по сравнению с металлами и металлическими сплавами. Упругость и ударная вязкость у пластмасс зависят от температуры. При увеличении скорости деформирования жесткость пластмасс повышается, так как не успевает развиваться высокоэластичная деформация, и возрастает склонность к хрупкому разрушению. При длительном действии нагрузки уменьшается прочность и появляется ползучесть. Пористые пластмассы имеют наименьшую прочность и жесткость, хуже сопротивляются растяжению, чем сжатию. Пластмассы сильно расширяются при нагреве, коэффициент теплового расширения в 10-30 раз больше, чем у металлов.

При длительном хранении, эксплуатации и переработке надмолекулярные структуры могут претерпевать изменения свойств, то есть имеют склонность к старению. При старании происходит разрыв макромолекул на куски и их хаотическое соединение. Причины старения нагрев, окисление, ионизации, механических напряжений, облучения (свет, γ-излучение, потоки электронов и нейтронов).

 

По составу пластмассы разделяют на две группы — ненаполненные и наполненные (композиционные). Ненаполненные пластмассы — это полимеры в чистом виде, например полиэтилен, полиамид, органическое стекло и др.

Наполненные пластмассы — это сложные композиции, содержащие кроме полимера различные добавки. Добавки позволяют изменять свойства полимера в нужном направлении. К добавкам относят:

компонент пластмасс	назначение компонента	материал компонента
наполнители до 40–70 %	· повышают механические свойства: твердость, прочность, жесткость, · снижают усадку при прессовании, · придают материалу специальные свойства	порошковые (древесная мука, сажа, слюда, SiO2, тальк, TiO2, графит); волокнистые (хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые, полимерные); слоистые (бумага, ткани из различных волокон, древесный шпон); газонаполненные (воздух, нейтральные газы).
пластификаторы 10-20%	· уменьшение хрупкости, · повышение эластичности, пластичности, морозо- и огнестойкости, · облегчение прессования	стеарин, олеиновая кислота, эфиры, полимеры с гибкими молекулами (дибутилфталат, трикрезилфосфат и др)
отвердители	· способствуют отверждению термореактивных пластмасс	уротропин, сера, амины органические перекиси и оксиды некоторых металлов,
красители и пигменты	· придают окраску	минеральные красители (мумия, охра, умбра, литопон, крон и т. д.), так и органические (нигрозин, родамин).
стабилизаторы	· для замедления старения, · удлинения срока эксплуатации	ароматические амины, фенолы, сернистые соединения, газовую сажу.
смазочные вещества	· снижают вязкость · предотвращают прилипание к стенкам пресс-формы.	стеарин, олеиновая кислота, трансформаторное масло

 

По назначению пластмассы подразделяются на группы:

• конструкционные – для силовых деталей и конструкций, для несиловых деталей;
• прокладочные, уплотнительные; фрикционные и антифрикционные;
• электроизоляционные, радиопрозрачные теплоизоляционные;
• стойкие к воздействию огня, масел, кислот; облицовочно-декоративные.

Изделия из пластмасс выполняют методами прессования, литья под давлением, формования, экструзии и другими методами. Формование изделий из полимеров осуществляют в процессе их вязкого течения, сопровождающегося пластической деформацией. Первоначально пластмассы получали из целлюлозы — основного материала всей растительной жизни. Сейчас сырье для пластмасс представляет собой в основном нефтепродукты: нефтяные газы, нефть, уголь, отходы лесотехнической промышленности, сельского хозяйства и др.). Сырьевые пластмассы выпускают в виде пресс-порошков, крошки, гранул различной формы и размеров. Поделочные пластмассы в виде листов, блоков, пленок.

Выбор пластмассы для изготовления конкретного изделия определяется его эксплуатационными условиями (огнестойкость, звукопоглощение, оптические особенности, химическая стойкость), назначением изделия и экономическими условиями (стоимость полимерного материала, тираж изделия, условия производства).

 

Таблица 21 Термопластичные пластмассы

Значок	Название	Примечание для производства
	PET или PETE/ ПЭТ, ПЭТФ Полиэтилентерефталат (лавсан)	тары для минеральной воды, безалкогольных напитков и фруктовых соков, упаковки, блистеров, обивки, ковров.
	PEHD или HDPE/ ПЭНД Полиэтилен высокой плотности (низкого давления)	бутылок, фляг, полужёсткой упаковки, трубопроводов, топливных баков автомобилей, игрушек.
	PVC /ПВХ Поливинилхлорид	труб, трубок, садовой мебели, напольных покрытий, оконных профилей, жалюзи, изоленты, тары для моющих средств и клеёнки, пленки для упаковки, кабельной изоляции, кредитных карт и изделий медицинского назначения. Не применяется для пищевого использования.
	LDPE или PELD / ПЭВД Полиэтилен низкой плотности (высокого давления)	брезентов, мусорных мешков, пакетов, плёнки и гибких ёмкостей. Применяется для пищевого использования.
	PP / ПП Полипропилен	оборудования, бамперов, аккумуляторов в автомобильной промышленности, игрушек, в пищевой промышленности (упаковка), трубы для водопроводов, ящики
	PS/ ПС Полистирол	плит теплоизоляции зданий, пищевых упаковок(и пеноматериалов), игрушек, посуды, ручек и так далее. Материал является потенциально опасным, особенно в случае горения, поскольку содержит стирол.
	OTHER или О Прочие	Полиуретан, поликарбонат, полиамиды, полиакрилонитрил и др., биопластики
	АБС-пластик	Корпуса аудио-, телетехники, бытовых приборов, сотовые телефоны, компьютерный пластик,

 

Полиамиды (РА) - термостойкие полимеры, в состав которых входят высокомолекулярные синтетические соединения амидной группы (CO-NH или CO-NH2). Все полиамиды являются жесткими материалами, имеют повышенную прочность. Их плотность от 1,01 до 1,235 г/см³. Поверхность полиамидных материалов — гладкая, устойчивая к выцветанию и изменению формы, хорошо окрашиваются любыми красителями, устойчивы к воздействию многих химических реагентов. Полимер не меняет своих характеристик и внешнего вида с течением времени. Основные сферы использования полиамидов:

 

промышленность	изделия
легкая и текстильная	капроновые и нейлоновые волокна и ткани, ковролин, паласы, синтетические меха и пряжа, чулки, гольфы, носки, колготки; прорезиненные кордовые ткани, канаты, наполнители для фильтров, ленты для конвейеров, сети для ловли рыбы.
строительство.	запорно-регулирующая арматура и трубы; антисептических покрытий для бетонных, керамических и деревянных поверхностей; для защиты изделий из металла от ржавчины.
машиностроение	для производства различных втулок, роликов, амортизаторов, сайлентблоков, вставок, антивибрационных подкладок и тому подобных изделий.
пищевая	контейнеры, емкости для питьевых жидкостей и прочей тары, рассчитанной на хранение и транспортировку продуктов питания.
медицина	искусственные сосуды и вены, имплантаты, протезы и другие заменители органов человека; для накладывания швов после хирургических операций.

 

Органическое стекло (PMMA) (плексиглас, полиметилметакрилат) - синтетический, прозрачный термопласт, на основе акриловых смол. Технические характеристики органического стекла, большой ассортимент, длительный период эксплуатации и доступная цена обеспечили высокую популярность:

• легкость – авиапромышленность (остекление вертолетов, самолетов);
• влагостойкость – окна водоплавающего транспорта, аквариумы;
• прозрачность – табло, рекламные вывески, перегородки, светопроницаемые конструкции, защитные очки, теплицы;
• внешний вид – элементы декора, мебели, перегородки, витражи (цветное);
• атмосферостойкость – конструкции, эксплуатирующиеся на открытом воздухе.
• прочность – приборостроение.