Полимеры

Что такое полимеры: виды, свойства и характеристики

Полимеры — это высокомолекулярные вещества, которые состоят из множества звеньев (мономеров), объединенных в длинные макромолекулы. По принципу соединения атомов в цепи полимеры бывают линейными, сетчатыми или разветвленными. Физико-химические свойства полимерных материалов зависят от их структуры и способа производства.

Что относится к полимерам

Полимерные соединения окружают нас повсюду и делятся на три группы:

• Органическая основа жизни (природные): ДНК, РНК, белки, натуральный каучук, а также крахмал и целлюлоза.

• Модифицированные материалы (искусственные): вискоза, ацетатное волокно и целлулоид, созданные на базе природного сырья.

• Промышленные гиганты (синтетические): полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полистирол (ПС), ПВХ, нейлон и синтетические каучуки.

Чем полимер отличается от пластмассы (пластика)

В быту эти слова используют как синонимы, но с точки зрения химии и производства это разные вещи:

• Полимер — это чистое химическое вещество. Он может быть не только синтетическим, но и природным, например, древесина или шерсть.
• Пластмасса (пластик) — это готовый композитный материал, созданный на основе синтетического полимера. Чтобы полимер превратился в пластиковое изделие, в него добавляют красители, пластификаторы для гибкости, антипирены для огнестойкости и УФ-стабилизаторы против выгорания.

Как и из чего делают полимеры

Технология производства зависит от происхождения и назначения будущего материала.

Синтетические полимеры

Базовым сырьем служат продукты переработки нефти и природного газа, включая компоненты попутного нефтяного газа (ПНГ). С помощью пиролиза (высокотемпературного расщепления сырья) получают мономеры — основные строительные блоки.

Искусственные и природные полимеры

Часть полимеров создают на основе возобновляемого природного сырья растительного или животного происхождения: целлюлозы, крахмала, белков. Их либо выделяют в чистом виде, либо подвергают химической модификации для получения новых полезных свойств.

От молекулы к готовому материалу

Независимо от источника, превращение исходных веществ в готовый продукт проходит три ключевых этапа:

1. Очистка сырья. Мономеры очищают от посторонних примесей, так как любая посторонняя молекула прервет рост полимерной цепи.
2. Синтез цепей. Очищенные мономеры помещают в реакторы, где под воздействием температуры, давления и специальных катализаторов они соединяются в длинные макромолекулы.
3. Товарная форма. Полученную полимерную массу охлаждают и перерабатывают в удобный для транспортировки и дальнейшего использования формат: обычно в гранулы, порошки или готовые композиции со специальными добавками. Это сырье заводы-переработчики затем превращают в пленки, трубы, детали автомобилей или медицинские изделия.

Виды полимеризации

Основные методы получения полимеров включают полимеризацию — цепной метод и поликонденсацию — ступенчатый метод. Полимеризация подразумевает последовательное присоединение мономеров без побочных продуктов, в то время как поликонденсация проходит с выделением низкомолекулярных веществ.

Способы получения полимеров

• Полимеризация (цепной метод). Мономеры соединяются за счет раскрытия кратных связей, образуя полимеры: полиэтилен, полистирол. В зависимости от инициатора реакция бывает радикальной, ионной или координационно-ионной.

• Поликонденсация (ступенчатый метод). Взаимодействие функциональных групп мономеров, сопровождающееся образованием коротких цепей и выделением побочных продуктов: воды, спиртов. Материалы включают полиамиды (капрон) и полиэфиры.

Свойства полимеров

Полимеры обладают уникальным сочетанием характеристик, определяющих их широкое применение в промышленности. Финальные свойства материалов зависят от конкретного типа полимера, структуры его макромолекул, введенных добавок и способа переработки.

• Легкость. Низкая плотность для снижения веса конструкций.

• Прочность. Устойчивость к высоким механическим нагрузкам.

• Эластичность. Обратимая деформация при растяжении.

• Влагостойкость. Устойчивость к воде и защитные функции.

• Химическая стойкость. Инертность к агрессивным средам.

• Низкая теплопроводность. Эффективная теплоизоляция.

• Электроизоляция. Диэлектрические свойства для безопасности.

• Износостойкость. Устойчивость к истиранию.

Полимерные материалы и изделия: примеры

Полимеры делятся на марки, каждая из которых обладает уникальным набором свойств и применяется в строго определенных сферах: от привычной бытовой упаковки до высокотехнологичных инженерных решений.

Базовые (крупнотоннажные) полимеры

Самый массовый сегмент полимеров, который составляет основу современной упаковки и товаров народного потребления

• Полиэтилен высокой плотности (ПНД, HDPE). Обладает высокой жесткостью и прочностью. Из него производят прочные флаконы для бытовой химии, канистры, крышки для бутылок, а также надежные водопроводные и газовые трубы.

• Полиэтилен низкой плотности (ПВД, LDPE). Гибкий и эластичный материал. Главный компонент для производства упаковочных пленок, пакетов, теплиц и гибких емкостей.

• Полипропилен (ПП, PP). Термостойкий и прочный пластик, выдерживающий кипячение. Применяется для производства многоразовых пищевых контейнеров, стаканчиков для йогурта, медицинских шприцев, деталей бытовой техники и ковровых покрытий.

• Полистирол (ПС, PS). Жесткий материал, который легко формуется. Из него делают одноразовую посуду, внутреннюю обшивку холодильников, а во вспененном виде (пенопласт) — теплоизоляционные плиты для строительства.

• Поливинилхлорид (ПВХ, PVC). Долговечный полимер, устойчивый к щелочам и кислотам. Из него изготавливают пластиковые оконные профили, напольные покрытия, шланги, искусственную кожу и изоляцию для электрических кабелей.

• Полиэтилентерефталат (ПЭТ, PET). Прозрачный легкий пластик с высокими барьерными свойствами. Используется для производства бутылок для газированных напитков и воды, контейнеров для ягод, а также в текстильной промышленности.

Инженерные (конструкционные) пластики

Материалы с повышенной прочностью, термостойкостью и износостойкостью, способные заменять металлы в узлах машин и механизмов.

• Полиамиды (ПА, PA). Обладают сверхвысокой прочностью на разрыв и низким трением. Из них делают бесшумные шестерни, подшипники, детали двигателей, а также прочные нити для спортивной одежды и канатов.

• Поликарбонат (ПК, PC). Сверхпрочный и оптически прозрачный материал. Применяется для остекления теплиц, защитных шлемов, фар автомобилей и антивандальных перегородок.

Чем полимеры отличаются от пластмасс

Полимеры — это вещества, которые встречаются в природе и могут быть созданы синтетическим путем. Пластмассы же являются готовыми материалами и создаются на основе полимеров. Фактически пластмассы являются производным продуктом полимеров с высоким содержанием синтетических добавок.

Пластик (пластмасса) отличается от полимеров тем, что ее производят из разных химических соединений, нагревая под давлением. Различные химические соединения в составе — это и есть полимеры. Полимеры, в свою очередь, состоят из макромолекул (молекул-мономеров), которые могут иметь как синтетическое, так и естественное происхождение.

Виды полимеров

По происхождению

Природные полимеры

К природным относят соединения, которые встречаются в природе и образуются в результате биологических процессов из элементов растительного, животного или микробиологического происхождения.

Примеры:

• целлюлоза, крахмал;

• белки, ДНК и РНК;

• гликоген.

Искусственные полимеры

Искусственные полимеры — это высокомолекулярные соединения, полученные из природных полимеров путем их химической модификации. В результате такого синтезирования производят продукцию с определенными свойствами.

Примеры:

• вискоза;

• ацетатное волокно;

• целлулоид.

Синтетические

К синтетическим полимерам относят высокомолекулярные соединения, которые не встречаются в природе, а получены в результате химических реакций. Примером таких полимеров является полипропилен, полиэтилен, полиуретан, полистирол и другие.

Примеры:

• полиэтилен ,

• полиуретан,

• поливинилхлорид,

• нейлон,

• синтетические каучуки,

• лавсан,

• нейлон,

• капрон,

• полистирол,

• полипропилен.

По строению

По строению макромолекул полимеры делятся на три типа:

1. Линейные — состоят из длинных цепочек мономеров, соединенных ковалентными связями. Обладают высокой прочностью и эластичностью. Примеры: полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полипропилен (ПП), полистирол (ПС).

2. Разветвленные — имеют основную цепь с присоединенными боковыми цепочками (разветвлениями), которые варьируются по длине и количеству. Примеры: полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), некоторые виды термопластичных эластомеров.

3. Сетчатые — трехмерные структуры, в которых цепочки мономеров соединены в сложную сеть. Обладают высокой прочностью и жесткостью, а также устойчивостью к высоким температурам и химическим воздействиям. Примеры: эпоксидные и фенолоформальдегидные смолы, некоторые формы полиуретанов.

По типу молекул в составе соединения делят на гомополимеры и сополимеры. Первые состоят из одинаковых молекул, которые повторяются в общей цепочке, а вторые — из молекул двух типов или более.

По свойствам при нагревании

Термопластичные

Термопластичные соединения размягчаются при нагревании и меняют форму. Принимают заданную форму после остывания.

К термопластичным полимерам относится ПВХ, капрон, полиэтилен, полистирол.

Термореактивные

Термореактивные полимеры становятся более жесткими при нагревании. Воздействие высоких температур меняет пространственную структуру полимерного соединения, и при повторном нагревании оно не плавится и не размягчается.

К термореактивным полимерам относятся эпоксидные смолы, полиуретаны, бакелит.

Для чего нужны полимеры: сфера применения и роль

Полимеры применяют в самых разных отраслях.

Гибкая упаковка

Полиэтилен, полипропилен, ПЭТФ и множество других полимеров используют для изготовления упаковки пищевого и непищевого назначения:

• пакеты и сумки;

• гассет-пакеты, пакеты-подушки;

• дой-паки, флоу-паки, пакеты-саше;

• пищевые пленки и пленки для транспортной и промышленной упаковки

• мягкие тубы

Готовые изделия получаются прочными и легкими.

Жесткая упаковка

Полимеры применяют для изготовления различной упаковочной продукции:

• контейнеров пищевого и непищевого назначения;

• канистры;

• бутылки;

• флаконы для косметики и бытовой химии;

• ящики и поддоны.

Автомобильное производство

Полимеры незаменимы в производстве различных автомобильных деталей:

• топливные баки, бампера;

• приборных панелей и шин;

• обивка сидений и элементов интерьера.

Полимерные элементы снижают общий вес транспортных средств и положительно влияют на топливную эффективность.

Сельское хозяйство

Полимеры активно используют в сфере сельского хозяйства, из них делают продукцию, которая обеспечивает защиту растений и грунта, увеличивает урожайность и повышает рентабельность агрохозяйств и животноводческих комплексов.

Что делают из полимеров:

• тепличные и мульчирующие пленки, рукава для зерна;

• теплицы;

• агростреч;

• кормушки и поилки для скота;

• элементы мелиоративных систем, шланги;

• напольные покрытия для животноводческих комплексов;

Медицина

Из полимеров изготавливают различную медицинскую продукцию:

• ампулы и флаконы;

• перчатки;

• диализаторы;

• катетеры и инфузионные системы;

• шприцы;

• банки и пробирки.

Полиуретан (ПУ), силикон, полиамид и другие полимеры биосовместимы с человеческим организмом, поэтому их активно используют при изготовлении элементов медицинского назначения. Из них делают имплантаты, саморассасывающиеся шовные материалы, протезы, дренажные трубки и многое другое.

Строительство

На основе полимеров делают теплоизоляционные материалы, гидроизоляция и кровля, кабели, внутренняя отделка (линолеумы, обои, ЛКМ), напольные покрытия, а также фибриллированное волокно для искусственных газонов. Полимерные соединения улучшают энергоэффективность зданий, защищают конструкции от воздействия влаги и коррозии.

Инженерная и дорожная инфраструктура

Полимеры применяются практически во всех сегментах применения инженерной и дорожной инфраструктуры:

• магистральные и внутридомовые трубы;

• антикоррозионные покрытия металлических трубопроводов;

• теплоизоляция для трубопроводов;

• геотекстиль и георешетки для дорожного строительства.

Инновационный подход к производству полимеров

Экосистема «СИБУР ПолиЛаб» объединяет восемь современных исследовательских центров в России, которые занимаются R&D (Research and Development) — научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами (НИОКР).

Здесь разрабатывают новые марки пластиков и кастомизирующие материалы для медицины, автопрома и ЖКХ. R&D-инфраструктура позволяет моделировать процессы переработки и выпускать опытные партии продукции. Фокус деятельности направлен на экономику замкнутого цикла, включая создание решений для вторичной переработки и выпуск инновационных материалов Vivilen с содержанием переработанных компонентов.

Переработка и экологичность полимеров

Современная полимерная индустрия активно трансформируется в сторону устойчивого развития. Главная задача сегодня: снизить нагрузку на окружающую среду и вернуть использованный пластик в производственный цикл.

Основные направления

• Рециклинг (повторная переработка). Большинство синтетических полимеров, в том числе ПЭТ, ПНД и ПП, подлежат многократной переработке. Их собирают, измельчают, очищают и переплавляют в новую гранулу, из которой снова делают упаковку, строительные материалы или одежду.

• Снижение углеродного следа. Производство и применение пластиков зачастую экологичнее альтернативных материалов. Например, полимерные трубы служат более 50 лет без коррозии и утечек, а пластиковая упаковка значительно легче стеклянной, что снижает расход топлива и выбросы CO₂ при транспортировке.

• Биоразлагаемые полимеры. Для зон, где сбор и сортировка отходов затруднены, ученые создают биопластики. Они разлагаются в условиях промышленного компостирования на воду, углекислый газ и биомассу.