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.

Как и из чего делают полимеры

Базовым сырьем для получения полимеров является попутный нефтяной газ (ПНГ). На заводах ПНГ его разделяют на фракции, а затем направляют отдельные компоненты в пиролизные печи. В результате пиролиза появляются мономеры — основные строительные блоки полимеров. Из этих молекул методом цепной и ступенчатой полимеризации в дальнейшем и получают различные полимеры.

Виды полимеризации

Цепная

При цепной полимеризации мономеры объединяются в цепочки, присоединяя молекулы друг за другом. Процесс соединения мономеров инициируют теплом, светом или добавлением химических веществ.

Цепная полимеризация бывает радикальной, когда к активному центру присоединяются свободные радикалы и частицы с непарными электронами

Катионными реакциями полимеризации называют растущие цепи, в которых концевой атом имеет положительный заряд.

Если же концевой атом растущей цепи заряжен отрицательно, цепная реакция считается анионной.

Координационно-ионная цепная реакция возникает, если противоион из активного центра участвует в росте и объединяется с молекулой мономера в координационный комплекс.

Методом радикальной полимеризации получают тефлон, полиэтилен (из этилена в присутствии пероксида), полистирол.

Ступенчатая

К ступенчатому методу относят поликонденсацию — синтезирование высокомолекулярных соединений, при котором полимерные цепи растут с образованием низкомолекулярного продукта, например, спирта, водорода, аммиака.

При ступенчатой полимеризации цепь растет не в результате последовательного присоединения мономера. Процесс происходит несколько иначе. Сначала мономерные звенья объединяют, в результате чего образуются димеры, тримеры и так далее. Объединение звеньев происходит до тех пор, пока не сформируется макромолекула.

Поликонденсационным методом получают фенолформальдегидные смолы, полипептиды, волокна нейлона и лавсана.

При подготовке к синтезу мономеры очищают от примесей и помещают в реакционные емкости вместе с катализаторами. Температуру, давление и время проведения процесса регулируют в зависимости от того, какой полимер изготавливают.

Свойства полимеров

Физико-химические свойства определяются условиями полимеризации, а также составом. Так, пластификаторы делают полимеры более гибкими, а УФ-добавки повышают устойчивость к воздействию солнечного света.

Полимеры имеют множество общих свойств:

•Высокая эластичность и прочность на разрыв. В зависимости от структуры и длины молекулярных цепей полимеры отличаются по степени гибкости и эластичности. Некоторые полимеры легко восстанавливают форму после деформации. Эластичные и прочные полимеры применяют в строительной сфере, автомобильной и текстильной промышленности, используют для изготовления упаковки. Из них делают амортизаторы, уплотнительные резинки, спортивную одежду, силиконовые герметики, пластиковые контейнеры, пищевую и непищевую упаковочную пленку.

•Низкая теплопроводность. Упорядоченная молекулярная структура придает полимерам изоляционные свойства, делает их подходящими для изготовления электротехнической продукции, электроники, теплоизоляционных материалов. Из них изготавливают изоляцию для проводов, изоляционные мембраны и покрытия, пенополиуретан, пенополистирол.

•Влагостойкость. Устойчивость полимеров к воздействию влаги позволяет создавать гидроизоляционные покрытия, влагостойкие утеплители и другие материалы со специфическими характеристиками. Полимеры применяют для производства экструдированного полистирола, гидроизоляционных пленок, полиуретановых влаго- и ветрозащитных мембран.

•Химическая стойкость. Большая часть полимеров не вступает в реакции с кислотами, растворителями, щелочами и другими химическими веществами. Поэтому их используют для производства труб, промышленной упаковки, медицинских изделий. Из полимеров делают защитные покрытия для посуды, элементы трубопроводной сети, химостойкие пленки и пакеты.

•Износостойкость, морозостойкость. Полимеры устойчивы к механическим повреждениям, истиранию и выцветанию. Выдерживают воздействие низких температур, не утрачивая своих свойств. Такие свойства позволяют задействовать полимеры при изготовлении спортивного инвентаря, промышленного оборудования, напольных покрытий, пищевых и непищевых упаковочных материалов. На основе полимеров делают эпоксидные смолы, клеевые составы, облицовочные материалы, трубы, подошву для обуви и многое другое.

•Биосовместимость. Некоторые полимерные соединения, например, полиуретаны, совместимы с человеческим организмом. Благодаря этому их нередко используют в медицинских целях. Полимеры становятся основой для производства имплантов, протезов, шовного материала, катетеров.

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

Научные центры «СИБУР ПолиЛаб» создают новую полимерную продукцию и изучают возможности ее применения в разных отраслях промышленности. В составе экосистемы — семь современных лабораторий для комплексного исследования полимеров. Здесь проводят базовые и сертификационные испытания, анализируют материалы, разрабатывают новые процессы и технологии, проводят аттестацию готовой продукции.

Среди проектов «ПолиЛаб» — актуальные разработки в области полимеров:

• Полностью перерабатываемая надувная полиэтиленовая пленка AirShape на основе полиолефинов компании СИБУР.

• Полиэтилен высокой прочности марки PE HD60472LB для производства топливных баков. Устойчивый к химическому воздействию топлива.

• Поликарбонаты с улучшенными оптическими свойствами для изготовления светотехники.

• Полимерные гранулы Vivilen rPET из переработанного пластика для производства экологичной упаковки.

• Комплексные стабилизаторы для эффективной переработки ПВХ.

Научные центры «СИБУР ПолиЛаб» создают новую полимерную продукцию и изучают возможности ее применения в разных отраслях. В составе экосистемы — восемь современных лабораторий для комплексного исследования полимеров. Здесь проводят базовые и сертификационные испытания, анализируют материалы, разрабатывают новые процессы и технологии, проводят аттестацию готовой продукции.