חומרים פולימרים: טכנולוגיה, סוגים, ייצור ויישום

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

חומרים פולימריים הם תרכובות כימיות מולקולריות גבוהות המורכבות ממספר רב של מונומרים קטנים-מולקולריים (יחידות) מאותו מבנה. לעתים קרובות, הרכיבים המונומריים הבאים משמשים לייצור פולימרים: אתילן, ויניל כלוריד, ויניל דכלוריד, ויניל אצטט, פרופילן, מתיל מתאקרילט, טטראפלואורואתילן, סטירן, אוריאה, מלמין, פורמלדהיד, פנול. במאמר זה נשקול בפירוט מהם חומרים פולימריים, מהן התכונות הכימיות והפיזיקליות שלהם, סיווג וסוגים.

סוגי פולימרים

תכונה של המולקולות של חומר זה היא משקל מולקולרי גדול, המתאים לערך הבא: М>5103. תרכובות עם רמה נמוכה יותר של פרמטר זה (M=500-5000) נקראות אוליגומרים. בתרכובות במשקל מולקולרי נמוך, המסה היא פחות מ-500. נבדלים הסוגים הבאים של חומרים פולימריים: סינתטיים וטבעיים. האחרונים כוללים גומי טבעי, נציץ, צמר, אסבסט, תאית וכו '. עם זאת, המקום העיקרי הוא תפוס על ידי פולימרים סינתטיים, אשר מתקבלים כתוצאה מתהליך סינתזה כימי מתרכובות במשקל מולקולרי נמוך. תלוימשיטת ייצור חומרים בעלי מולקולריים גבוהים, מבדילים פולימרים, שנוצרים על ידי עיבוי רב או על ידי תגובת הוספה.

פולימריזציה

תהליך זה הוא שילוב של רכיבים במשקל מולקולרי נמוך למשקל מולקולרי גבוה כדי להשיג שרשראות ארוכות. רמת הפילמור היא מספר ה"מרים" במולקולות של הרכב נתון. לרוב, חומרים פולימריים מכילים מאלף עד עשרת אלפים מהיחידות שלהם. התרכובות הנפוצות הבאות מתקבלות על ידי פילמור: פוליאתילן, פוליפרופילן, פוליוויניל כלוריד, פוליטטראפלואורואתילן, פוליסטירן, פוליבוטדיאן וכו'.

Polycondensation

תהליך זה הוא תגובה שלבית, המורכבת משילוב של מספר רב של מונומרים מאותו סוג, או זוג קבוצות שונות (A ו-B) לפוליקבלים (מקרומולקולות) עם היווצרות בו-זמנית של המרכיבים הבאים. תוצרי לוואי: מתיל אלכוהול, פחמן דו חמצני, מימן כלורי, אמוניה, מים וכו'. פוליקונדנסציה מייצרת סיליקונים, פוליסולפונים, פוליקרבונטים, פלסטיק אמינו, פלסטיק פנולי, פוליאסטרים, פוליאמידים וחומרים פולימריים אחרים.

Polyaddition

תהליך זה מובן כיצירת פולימרים כתוצאה מתגובות של הוספה מרובה של רכיבים מונומריים המכילים שילובי תגובה מגבילים למונומרים של קבוצות בלתי רוויות (מחזורים פעילים או קשרים כפולים). שלא כמו polycondensation, תגובת polyaddition ממשיכה ללא כל תוצרי לוואי.התהליך החשוב ביותר של טכנולוגיה זו הוא ריפוי שרפי אפוקסי וייצור פוליאוריטן.

סיווג של פולימרים

ההרכב של כל החומרים הפולימריים מתחלק לא-אורגני, אורגני ו-organoelement. הראשון שבהם (זכוכית סיליקט, נציץ, אסבסט, קרמיקה וכו') אינו מכיל פחמן אטומי. הם מבוססים על תחמוצות של אלומיניום, מגנזיום, סיליקון וכו'. פולימרים אורגניים מהווים את המחלקה הנרחבת ביותר, הם מכילים אטומי פחמן, מימן, חנקן, גופרית, הלוגן וחמצן. חומרים פולימריים אורגנו-אלמנטים הם תרכובות שבשרשרות הראשיות יש, בנוסף לאלו המפורטות, אטומים של סיליקון, אלומיניום, טיטניום ואלמנטים נוספים שיכולים לשלב עם רדיקלים אורגניים. שילובים כאלה אינם מתרחשים בטבע. אלו הם פולימרים סינתטיים בלבד. נציגים אופייניים לקבוצה זו הם תרכובות המבוססות על סיליקון אורגנו-סיליקון, שהשרשרת העיקרית שלהן בנויה מאטומי חמצן וסיליקון.

כדי להשיג פולימרים בעלי התכונות הנדרשות, הטכנולוגיה משתמשת לרוב לא בחומרים "טהורים", אלא בשילובים שלהם עם רכיבים אורגניים או אנאורגניים. דוגמה טובה היא חומרי בניין פולימריים: מתכת-פלסטיק, פלסטיק, פיברגלס, בטון פולימרי.

מבנה של פולימרים

המוזרות של תכונות החומרים הללו נובעת מהמבנה שלהם, אשר, בתורו, מחולק לסוגים הבאים: ליניארי-מסועף, ליניארי, מרחביעם קבוצות מולקולריות גדולות ומבנים גיאומטריים מאוד ספציפיים, כמו גם מדרגות. בואו נשקול בקצרה כל אחד מהם.

חומרים פולימריים בעלי מבנה מסועף ליניארי, בנוסף לשרשרת הראשית של מולקולות, יש ענפים צדדיים. פולימרים אלה כוללים פוליפרופילן ופוליאיזובוטילן.

לחומרים בעלי מבנה ליניארי יש שרשראות זיגזגים או ספירליות ארוכות. המקרומולקולות שלהם מתאפיינות בעיקר בחזרות על אתרים בקבוצה מבנית אחת של חוליה או יחידה כימית של השרשרת. פולימרים בעלי מבנה ליניארי נבדלים בנוכחות של מקרומולקולות ארוכות מאוד עם הבדל משמעותי באופי הקשרים לאורך השרשרת וביניהם. זה מתייחס לקשרים בין מולקולריים וכימיים. המקרומולקולות של חומרים כאלה גמישות מאוד. ותכונה זו היא הבסיס לשרשראות פולימריות, מה שמוביל למאפיינים חדשים מבחינה איכותית: גמישות גבוהה, כמו גם היעדר שבירות במצב המרפא.

ועכשיו בואו נגלה מהם חומרים פולימריים בעלי מבנה מרחבי. חומרים אלה יוצרים, כאשר מקרומולקולות משולבות זו בזו, קשרים כימיים חזקים בכיוון הרוחבי. כתוצאה מכך מתקבל מבנה רשת, בעל בסיס לא אחיד או מרחבי של הרשת. לפולימרים מסוג זה יש עמידות חום וקשיחות רבה יותר מאשר ליניאריים. חומרים אלה הם הבסיס של חומרים מבניים רבים שאינם מתכתיים.

מולקולות של חומרים פולימריים עם מבנה סולם מורכבות מזוג שרשראות המחוברות בקשר כימי. אלו כולליםפולימרים אורגנוסיליקון, המתאפיינים בקשיחות מוגברת, עמידות בחום, בנוסף, אין להם אינטראקציה עם ממיסים אורגניים.

הרכב שלב של פולימרים

חומרים אלו הם מערכות המורכבות מאזורים אמורפיים וגבישים. הראשון שבהם עוזר להפחית את הנוקשות, הופך את הפולימר לאלסטי, כלומר, מסוגל לעיוותים הפיכים גדולים. הפאזה הגבישית עוזרת להגביר את חוזקם, קשיותם, מודול האלסטי ופרמטרים נוספים, תוך הפחתת הגמישות המולקולרית של החומר. היחס בין נפח כל האזורים הללו לנפח הכולל נקרא דרגת התגבשות, כאשר הרמה המקסימלית (עד 80%) מכילה פוליפרופילנים, פלואורפלסטים, פוליאתילן בצפיפות גבוהה. פוליוויניל כלורידים, לפוליאתילן בצפיפות נמוכה יש דרגת התגבשות נמוכה יותר.

בהתאם לאופן שבו חומרים פולימריים מתנהגים כשהם מחוממים, הם בדרך כלל מחולקים לתרמו-צביטה ותרמופלסטית.

פולימרים תרמוסיים

לחומרים אלה יש בעיקר מבנה ליניארי. בחימום הם מתרככים, אך כתוצאה מתגובות כימיות המתרחשות בהם, המבנה משתנה למרחבי, והחומר הופך למוצק. בעתיד איכות זו נשמרת. חומרים מרוכבים פולימריים בנויים על עיקרון זה. החימום הבא שלהם אינו מרכך את החומר, אלא רק מוביל לפירוקו. לכן התערובת התרמוסטית המוגמרת אינה מתמוססת או נמסהאסור למחזר אותו. סוג זה של חומר כולל סיליקון אפוקסי, פנול-פורמלדהיד ושרף אחרים.

פולימרים תרמופלסטיים

חומרים אלה, כאשר הם מחוממים, מתרככים תחילה ולאחר מכן נמסים, ולאחר מכן מתקשים כאשר מתקררים. פולימרים תרמופלסטיים אינם עוברים שינויים כימיים במהלך טיפול זה. זה עושה את התהליך הפיך לחלוטין. לחומרים מסוג זה יש מבנה מסועף ליניארי או ליניארי של מקרומולקולות, שביניהם פועלים כוחות קטנים ואין שום קשרים כימיים. אלה כוללים פוליאתילן, פוליאמידים, פוליסטירן וכו'. הטכנולוגיה של חומרים פולימריים מסוג תרמופלסטי מספקת את ייצורם על ידי הזרקה בתבניות מקוררות מים, כבישה, שחול, ניפוח ושיטות אחרות.

מאפיינים כימיים

פולימרים יכולים להיות במצבים הבאים: מוצק, נוזלי, אמורפי, פאזה גבישית, כמו גם עיוות אלסטי מאוד, צמיג וזגוגי. השימוש הנרחב בחומרים פולימריים נובע מהעמידות הגבוהה שלהם בפני אמצעים אגרסיביים שונים, כגון חומצות מרוכזות ואלקליות. הם אינם נתונים לקורוזיה אלקטרוכימית. בנוסף, עם עלייה במשקל המולקולרי שלהם, מסיסות החומר בממיסים אורגניים יורדת. ופולימרים, בעלי מבנה תלת מימדי, בדרך כלל אינם מושפעים מהנוזלים שהוזכרו.

נכסים פיזיים

רוב הפולימרים הם מבודדים, בנוסף, הם חומרים לא מגנטיים. מבין כל החומרים המבניים שבהם נעשה שימוש, רק להם יש את המוליכות התרמית הנמוכה ביותר ואת קיבולת החום הגבוהה ביותר, כמו גם הצטמקות תרמית (כפי עשרים יותר מזו של מתכת). הסיבה לאובדן האטימות של מכלולי איטום שונים בתנאי טמפרטורה נמוכים היא מה שנקרא מעבר זכוכית של גומי, כמו גם ההבדל החד בין מקדמי ההתפשטות של מתכות וגומיות במצב מזוגג.

נכסים מכניים

לחומרים פולימריים מגוון רחב של מאפיינים מכניים, התלויים מאוד במבנה שלהם. בנוסף לפרמטר זה, לגורמים חיצוניים שונים יכולים להיות השפעה רבה על התכונות המכניות של חומר. אלה כוללים: טמפרטורה, תדירות, משך או קצב העמסה, סוג מצב הלחץ, לחץ, אופי הסביבה, טיפול בחום וכו'. מאפיין של התכונות המכניות של חומרים פולימריים הוא החוזק הגבוה יחסית שלהם בקשיחות נמוכה מאוד (לעומת למתכות).

פולימרים מחולקים בדרך כלל למוצקים, שמודול האלסטי שלהם מתאים ל-E=1–10 GPa (סיבים, סרטים, פלסטיק), ולחומרים רכים מאוד אלסטיים, שמודול האלסטי שלהם הוא E=1– 10 MPa (גומי). הדפוסים ומנגנון ההרס של שניהם שונים.

חומרים פולימריים מאופיינים באניזוטרופיה בולטת של תכונות, כמו גם בירידה בחוזק, בהתפתחות של זחילה בעומס ארוך טווח. יחד עם זה הםבעלי עמידות גבוהה יחסית לעייפות. בהשוואה למתכות, הם נבדלים בתלות חדה יותר של תכונות מכניות בטמפרטורה. אחד המאפיינים העיקריים של חומרים פולימריים הוא עיוות (גמישות). לפי פרמטר זה, בטווח טמפרטורות רחב, נהוג להעריך את המאפיינים התפעוליים והטכנולוגיים העיקריים שלהם.

חומרי ריצוף פולימרים

עכשיו בואו נבחן את אחת האפשרויות ליישום מעשי של פולימרים, ונגלה את כל מגוון החומרים הללו. חומרים אלו נמצאים בשימוש נרחב בעבודות בנייה ותיקון וגימור, בפרט בריצוף. הפופולריות העצומה מוסברת במאפיינים של החומרים המדוברים: הם עמידים בפני שחיקה, בעלי מוליכות תרמית נמוכה, בעלי ספיגת מים מועטה, חזקים וקשים למדי ובעלי איכויות צבע ולכה גבוהות. ייצור חומרים פולימריים ניתן לחלק מותנה לשלוש קבוצות: לינוליאום (מגולגל), מוצרי אריחים ותערובות להתקנת רצפות חלקות. בואו נסתכל על כל אחד עכשיו.

לינולאומים מיוצרים על בסיס סוגים שונים של חומרי מילוי ופולימרים. הם עשויים לכלול גם חומרים פלסטיים, עזרי עיבוד ופיגמנטים. בהתאם לסוג החומר הפולימרי, נבדלים פוליאסטר (גליפתלי), פוליוויניל כלוריד, גומי, קולוקסילין וציפויים אחרים. בנוסף, לפי המבנה, הם מחולקים לחסרי בסיס ועם בסיס בידוד קול וחום, חד שכבתי ורב שכבתי, בעלי צמר חלק וחלק.ומשטח גלי, כמו גם יחיד ורב-צבע.

לחומרי אריחים המיוצרים על בסיס רכיבים פולימריים יש שחיקה נמוכה מאוד, עמידות כימית ועמידות. בהתאם לסוג חומר הגלם, סוג זה של מוצרים פולימריים מתחלק לקומארון-פוליויניל כלוריד, קומרון, פוליוויניל כלוריד, גומי, פנוליט, אריחים ביטומניים וכן סיבית וסיבים.

חומרים לרצפות ללא תפרים הם הנוחים וההיגייניים ביותר לשימוש, הם בעלי חוזק גבוה. תערובות אלו מחולקות בדרך כלל לצמנט פולימרי, בטון פולימרי ופוליוויניל אצטט.