Полимеры - энциклопедия: структура, классификация, применение

Полимеры – это высокомолекулярные химические соединения (ВМС), макромолекулы которых образованы из множества мономерных звеньев. Молекулы полимеров характеризуются огромной молекулярной массой, от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомных единиц массы. Существует несколько вариантов классификации полимеров.

По химическому составу полимеры подразделяют на органические (полиэтилен), неорганические (силикаты) и элементоорганические (фторопласт-4).
В зависимости от происхождения полимеры бывают природными, искусственными (модифицированными) и синтетическими.
Классификация полимеров по составу их мономерных звеньев подразделяет полимеры на гомополимеры и гетерополимеры (или сополимеры).
В зависимости от строения главной цепи, выделяют: гомоцепные и гетероцепные полимеры.
По пространственному строению мономерных звеньев, полимеры подразделяются на стереорегулярные и нестереорегулярные (или атактические).
По строению макромолекул полимеры бывают: линейные, разветвленные, лестничные и трехмерные сшитые (сетчатые, пространственные).
В зависимости от реакции получения полимеры подразделяются также на полимеризационные и поликонденсационные.
Важное практическое значение имеет классификация полимеров по отношению к температурному воздействию. По отношению к нагреванию выделяют термопластичные (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол) и термореактивные полимеры (эпоксидные смолы).

Термопласты и их сокращенные обозначения

АБС – привитой сополимер акрилонитрила, стирола с бутадиеновым или бутадиен-стирольным каучуком.
АЦ – ацетат целлюлозы.
ЛПЭНП – линейный полиэтилен низкой плотности.
МС – сополимер стирола с метилметакрилатом.
МСН – сополимер стирола с метилметакрилатом и акрилонитрилом.
ПАН – полиакрилонитрил.
ПА – полиамиды.
ПАК – полиамидокислота.
ПАР – полиарилаты.
ПАС – полиалкилсульфон.
ПБТ – полибутилентерефталат.
ПВА – поливинилацетат.
ПВС – поливиниловый спирт.
ПВФ, фторопласт-1 – поливинилфторид.
ПВХ – поливинилхлорид.
ПВДФ, фторопласт-2 – поливинилиденфторид.
ПВДХ – поливинилиденхлорид.
ПИ – полиимиды.
ПК – поликарбонаты.
ПММА – полиметилметакрилат.
ПО – полиолефины.
ПП – полипропилен.
ПС – полистирол.
ППС – пенополистирол.
ПСФ – полисульфон.
ПТП – пентапласт.
ПТФЭ, фторопласт-4, фторлон-4, тефлон – политетрафторэтилен
ПТФХЭ, фторопласт-3. фторлон-3– политрифторхлорэтилен.
ПУ – полиуретаны.
ПФ – полиформальдегид.
ПФО – полифениленоксид.
ПЭ – полиэтилен.
ПЭИ – полиэфиримид.
ПЭВП, ПЭНД, ПНД – полиэтилен высокой плотности (низкого давления).
ПЭНП, ПЭВД, ПВД – полиэтилен низкой плотности (высокого давления).
ПЭО – полиэтиленоксид.
ПЭСД – полиэтилен среднего давления.
ПЭТФ – полиэтилентерефталат.
САМ – сополимер стирола с α-метилстиролом.
САН – сополимер стирола с акрилонитрилом.
СТД – сополимер триоксана с диоксоланом.
СФД – сополимер формальдегида с диоксаланом.
ТАЦ – триацетат целлюлозы.
ФН – фенилон.
ХПЭ – хлорированный полиэтилен.
ХСПЭ – хлорсульфированный полиэтилен.

Янтарь

Является природным полимером, поскольку по своей структуре представляет смолу, ископаемую ее форму. Пространственная структура – каркасный аморфный полимер. Очень горюч, зажечь его можно пламенем спички. Обладает свойствами люминесценции. Это очень важное и ценное качество, которое используется в ювелирном деле. Украшения на основе янтаря очень красивы и востребованы.

Кроме того, этот биополимер используют и в медицинских целях. Из него же изготовляют наждачную бумагу, лаковые покрытия для различных поверхностей.

Реактопласты и их сокращенные обозначения

БФ – фенолоформальдегидный олигомер, совмещенный с поливинилбутиралем.
КС – кремнийогранические смолы.
МАС – меламиноальдегидные смолы.
НПС – ненасыщенные полиэфирные смолы.
ПИ – полиимиды.
ПЭЭК – полиэфирэфиркетон.
ПУ – полиуретаны.
ППУ – пенополиуретаны.
ФС – фурановые смолы.
ФФС – фенолформальдегидные смолы.
ЭС – эпоксидные смолы.

Галерея целлулоида

Две катушки целлулоида, изготовленные Луи Лепренсом, 1888-1889 гг.

Гребень для волос с эффектом черепашьего панциря, изготовленный из нитрата целлюлозы, 1900-е

Жёлтая рыболовная катушка, изготовленная Александром Парксом примерно в 1860 году

Игровые кости, изготовленные из целлулоида с имитацией слоновой кости, начало 20-го века

Целлулоидная ваза янтарного цвета в стиле ар-деко, 1930 год

Круглая пудреница, изготовленная из нитрата целлюлозы с перламутровым покрытием (кселонита), 1920-е

Образец паркезина, изготовленный Александром Парксом примерно в 1862 году

Эластомеры и их сокращенные обозначения

БК – статический сополимер изобутилена и 0,6 -3,0 % изопрена.
ДСТ-30 – термоэластопласт с 30% блоков стирола.
СКД – цис-полибутадиеновый.
СКДЛ – цис-полиизобутиленовый (литиевый катализатор).
СКИ – цис-полиизопреновый.
СКМС-30 – бутадиен-метилстирольный.
СКН-18, СКН-26 – бутадиен-нитрильные с указанным содержанием нитрила акриловой кислоты в макромолекуле (в %) и т.д.
СКС-30, СКМС-30 – бутадиен-стирольный, бутадиен-метилстирольный с 30% стирола в молекуле.
СКС-30А – бутадиен-стирольный низкотемпературной полимеризации.
СКТВ – метилвинилсилоксановый [до 1% (мол.) винилового мономера]
СКЭП – сополимер этилена (40-70%) и пропилена.
СКЭПТ – сополимер этилена, пропилена и 1-2% несопряженного диена.
СКУ – полиуретановый.
ТЭП – термоэластопласт, блок-сополимер бутадиена и стирола.

Целлюлоза

С точки зрения химии, данное вещество – это полимер, состав которого выражается формулой (С6Н5О5)n. Мономерным звеном цепи является бета-глюкоза. Основные места содержания целлюлозы – это клеточные стенки растений. Именно поэтому древесина – ценный источник этого соединения.

Целлюлоза – природный полимер, который имеет линейное пространственное строение. Она используется для производства следующих видов изделий:

целлюлозно-бумажной продукции;
искусственного меха;
разных видов искусственных волокон;
хлопка;
пластмассы;
бездымного пороха;
кинопленок и так далее.

Очевидно, что промышленное значение ее велико. Чтобы данное соединение возможно было использовать в производстве, его следует для начала извлечь из растений. Это делают путем длительной варки древесины в специальных устройствах. Дальнейшая обработка, а также реагенты, используемые для вываривания, различаются. Есть несколько способов:

сульфитный;
азотнокислый;
натронный;
сульфатный.

После подобной обработки продукт все еще содержит примеси. В основе это лигнин и гемицеллюлоза. Чтобы избавиться от них, массу обрабатывают хлором или щелочью.

В организме человека не существует таких биологических катализаторов, которые сумели бы расщепить этот сложный биополимер. Однако некоторые животные (травоядные) приспособились к этому. В их желудке поселяются определенные бактерии, которые делают это за них. Взамен микроорганизмы получают энергию для жизни и среду обитания. Такая форма симбиоза является крайне выгодной для обеих сторон.

Применение полимеров

Сложно переоценить значение полимеров с точки зрения их практического применения. В современном мире практически не найдется ни одной сферы жизни человека и общества, науки и бизнеса где не применялся бы хотя бы один вид полимеров.

Наиболее активное применение полимерные материалы получили в производстве автомобилей, машин и оборудования; в авиационной и аэрокосмической индустриях; в индустрии разработки и создания медицинских аппаратов и инвентаря. Остановимся на некоторых из направлений практического использования полимерных материалов более подробно.

Применение полимеров в автомобильной индустрии

Основная статья: Полимеры в автомобилестроении

Надежность работы современного автомобиля, долговечность и комфорт его эксплуатации, а также (что важно) безопасность передвижения могут быть обеспечены только при условии применения полимерных материалов — пластмасс, резин, лаков и красок и прочее.

Из пластмасс изготовляют кузова и кабины автомобилей и их отдельные крупногабаритные детали, разнообразные малогабаритные детали конструкционного и декоративного назначения, теплоизоляционные и звукоизоляционные детали и др.

К важнейшим и наиболее материалоемким резиновым изделиям для автомобилестроения относятся шины. Большое значение в этой отрасли промышленности имеют также многочисленные резино-технические изделия, от качества которых во многом зависит надежность работы автомобиля.

Лакокрасочные материалы применяемые для грунтования и окончательной отделки металлических поверхностей, должны образовывать покрытия, которые надежно защищают металл от коррозии (см. Защитные лакокрасочные покрытия), обладают высокой твердостью, эластичностью, ударопрочностью, термо- и износостойкостью.

Применение полимеров в авиастроении

Основная статья: Полимеры в авиастроении

Еще одним масштабным направлением практического применения широкой гаммы полимерных материалов является индустрия разработки, производства и эксплуатации летательных аппаратов.

Целесообразность применения полимеров в указанном направлении обусловлено их легкостью, вариабельностью состава и строения и следовательно, широким диапазоном технических свойств. Тенденция к расширению границ применения полимерных материалов характерна также и для производства ракет и космических аппаратов.

Основные полимеры и сегменты использования:

Реактопласты;
Термопласты;
Пенопласты и сотопласты;
Резина;
Герметики и клеи;
Лакокрасочные материалы.

Развернутую информацию на предмет использования полимеров по указанным сегментам в авиастроении вы найдете в основной статье, ссылка на которую указана в начале абзаца.

Применение полимеров в машиностроении

Основная статья: Применение полимеров в машиностроении

Пожалуй одним из ключевых направлений использования полимеров и материалов на их основе является машиностроение. Так например потребление пластических масс в этой отрасли уже становится соизмеримым (в единицах объема) с потреблением стали. Непрерывно, отмечают аналитики, возрастает также применение лакокрасочных материалов, синтетических волокон, клеев, резины и прощих веществ ии материалов на полимерной основе.

Целесообразность применения полимеров в машиностроении определяется, прежде всего, возможностью удешевления продукции. При этом улучшаются также важнейшие технико-экономические параметры машин: уменьшается масса, повышаются долговечность, надежность и прочие существенные свойства.

Применение полимеров в медицине

Основная статья: Полимеры в медицине

Благодаря широкой гамме свойств и физико-химических характеристик получаемых изделий полимеры и материалы на их основе получили огромное применение в медицине.

Применение полимерных материалов с целью изготовления изделий и техники медицинского назначения позволяет осуществлять серийный выпуск инструментов, предметов ухода за больными, специальной посуды и различных видов упаковок для лекарств, обладающих рядом преимуществ перед аналогичными изделиями из металлов и стекла: экономичностью, в ряде случаев — повышенной стойкостью к воздействию различных сред, возможностью выпуска изделий разового использования и прочее.

Особое внимание следует уделить вопросу применения полимерных материалов в фармакологии. Роль данной категории материаловв фармакологическом аспекте, пока относительно невелика. В лечебной практике их используют мало. К веществам, вводимым в организм, тем более к таким, которые должны в растворенном виде попасть в кровь, лимфу, межклеточные и клеточные полости и могут достигнуть любой части тела, любого его рецептора, предъявляются, естественно, очень жесткие требования.

Также отдельно следует остановиться и на вопросе практического использования полимерных материалов в таком медицинском сегменте, как – хирургия. Учитывая свойства получаемых изделий полимерные материалы получили активное применение сразу в нескольких сегментах современной хирургии:

Восстановительная хирургия;
Сердечно-сосудистая хирургия;
Хирургия внутренних органов и тканей;
Травматология и ортопедия;
Применение полимеров в функциональных узлах хирургических аппаратов.

В заключении отметим, что полимеры в медицинском аспекте применяются также в вопросе создания кровезаменителей и плазмозаменителей.

Применение полимеров в пищевой промышленности

Основная статья: Полимеры в пищевой промышленности

Пожалуй самым известным для массового потребителя является вопрос использования полимеров для нужд пищевой промышленности.

Следует отметить, что полимеры в пищевой промышленности должны соответствовать комплексу определенных санитарно-гигиенических требований, обусловленных контактом этих материалов с продуктами питания. Обязательное условие применения полимерных материалов в пищевой промышленности — разрешение органов санитарного надзора, которое выдается на основании комплекса испытаний, включающих оценку органолептических свойств, а также санитарно-химическиеи токсикологические исследования полимеров и отдельных ингредиентов, входящих в состав композиционных материалов и изделий.

К числу наиболее крупных потребителей полимерных материалов в пищевой промышленности выступают “пищевое машиностроение” и производство тары и упаковки для хранения и транспортировки продуктов питания. При этом, в последнем случае, полимеры могут выступать и как основной материал (например, пластиковые бутылки), так и в качестве вспомогательных элементов и добавок, призванных (например) уберечь металлический контейнер от коррозии.

Вторичное полимерное сырье

На многих предприятиях с целью экономии бракованная продукция из полимерных пластиков поступает на вторичную переработку, обеспечивая безотходное производство. Наряду с этим существует целое направление бизнеса по переработке отходов во вторичные гранулы полимера для продажи. Процесс многоступенчатый, весь цикл от сбора и закупки бытовых пластиковых отходов, сортировке, промывке, дробления и переработки в гранулы довольно трудоемкий. Однако готовая продукция по своим свойствам практически не отличается от первичного сырья и успешно используется во многих производствах. Выпуск вторичного полимерного сырья – важная и нужная отрасль народного хозяйства, позволяющая сэкономить огромные средства на отсутствии необходимости утилизации отработанных пластиков.

Применение полимеров в судостроении

Основная статья: Полимеры в судостроении

Благодаря использованию полимерных материалов значительно улучшаются технические и эксплуатационные характеристики судов, повышаются их надежность и долговечность, сокращается продолжительность и снижается трудоемкость постройки.

Современная судостроительная промышленность — один из крупнейших потребителей синтетических полимерных материалов, причем области их применения очень разнообразны, а перспективы использования практически неограниченны. Полимеры применяют для изготовления корпусов судов и корпусных конструкций, в производстве деталей судовых механизмов, приборов и аппаратуры, для окраски судов, отделки помещений и их тепло-, звуко- и виброизоляции, а также прочие полезные свойства.

Узнать больше о полимерах и полимерных материалах, прочитав свежие новости, изучив прочие материалы энциклопедии и библиотеки на портале MPlast.by вы можете на персональной странице темы – полимеры.

Примеры природных макромолекул

Природные и искусственные полимеры очень близки друг другу. Ведь первые становятся основой для создания вторых. Примеров подобных превращений много. Приведем некоторые из них.

Обычная пластмасса молочно-белого цвета – это продукт, получаемый при обработке азотной кислотой целлюлозы с добавлением природной камфоры. Реакция полимеризации приводит к затвердеванию полученного полимера и превращению в нужный продукт. А пластификатор – камфора, делает его способным размягчаться при нагревании и менять свою форму.
Ацетатный шелк, медно-аммиачное волокно, вискоза – все это примеры тех нитей, волокон, которые получают на основе целлюлозы. Ткани из натурального хлопка и льна не так прочны, не блестящи, легко сминаемы. А вот искусственные аналоги их этих недостатков лишены, что и делает их использование весьма привлекательным.
Искусственные камни, строительные материалы, смеси, кожзаменители – это также примеры полимеров, полученных на основе натурального сырья.

Вещество, являющееся природным полимером, может использоваться и в истинном виде. Таких примеров тоже немало:

канифоль;
янтарь;
крахмал;
амилопектин;
целлюлоза;
мех;
шерсть;
хлопок;
шелк;
цемент;
глина;
известь;
белки;
нуклеиновые кислоты и так далее.

Очевидно, что рассматриваемый нами класс соединений очень многочисленный, практически важный и значимый для людей. Теперь рассмотрим более подробно несколько представителей природных полимеров, которые являются очень востребованными в настоящее время.

Могут ли химики решить проблему пластика?

Поскольку современная индустрия пластиков использует в качестве сырья ископаемые виды топлива, производство пластика оказывает влияние на изменение климата, внося свой вклад в общемировое производство CO2. К слову, углеродный след при производстве пластика сильно ниже, чем при создании других материалов, к тому же переработка попутного нефтяного газа (побочного продукта нефтедобычи) для производства полимеров предотвращает выбросы СО2 от его сжигания.
[прим. перев.: статистика, цифры и то, как устроена переработка у нас — в этом посте ]

В течение нескольких десятилетий химики исследовали и разрабатывали «зелёные» пластики, которые подобно первым полусинтетическим пластикам можно было бы получать из природных, биологических материалов, например, из кукурузного крахмала.

В 1990 году изобретшая полиэтилен британская компания ICI разработала первый практичный биоразлагаемый пластик биопол, который впервые использовали для производства бутылок шампуня Wella.