Применение полимеров

9.4. Применение полимеров

Материалы, получаемые на основе полимеров. На основе по­лимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты).

Волокна получают путем продавливания растворов или рас­плавов полимеров через тонкие отверстия (фильеры) в пластине с последующим затвердеванием. К волокнообразующим полимерам относятся полиамиды, полиакрилонитрилы и др.

Полимерные пленки получают из расплавов полимеров методом продавливания через фильеры с щелевидными отверстиями или методом нанесения растворов полимеров на движущуюся ленту или методом каландрования' полимеров. Пленки используют в каче­стве электроизоляционного и упаковочного материала, основы маг­нитных лент и т.д.

Лаки - растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях. Кроме полимеров лаки содержат вещества, повы­шающие пластичность (пластификаторы), растворимые краси­тели, отвердители и др. Применяются для электроизоляционных по­крытий, а также в качестве основы грунтовочного материала и лако­красочных эмалей.

Клеи - композиции, способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями и клеевой прослойкой. Синтетические органические клеи составляются на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей. В состав композиции входят отвердители, наполнители, пластификаторы и др.

Клеи подразделяются на термопластические, термореактивные и резиновые. Термопластические клеи образуют связь с поверх­ностью в результате затвердевания при охлаждении от температуры текучести до комнатной температуры или испарения растворителя. Термореактивные клеи образуют связь с поверхностью в ре­зультате отвердевания (образования поперечных сшивок), резино­вые клеи - в результате вулканизации.

В качестве полимерной основы термореактивных клеев служат фенол- и мочевино-формальдегидные и эпоксидные смолы, полиуре­таны, полиэфиры и другие полимеры, термопластичных клеев - полиакрилы, полиамиды, поливинилацетали, поливинилхлорид и дру­гие полимеры. Прочность клеевого слоя например, фенолоформальдегидных клеев (БФ, ВК) при 20 °С при сдвиге лежит в пределах 15 до 20 МПа, эпоксидных — до 36 МПа.

Пластмассы - это материалы, содержащие полимер, который при формировании изделия находится в вязкотекучем состоянии, а при его эксплуатации - в стеклообразном. Все пластмассы подразде­ляются на реактопласты и термопласты. При формовании реактопластов происходит необратимая реакция отвердевания, заклю­чающаяся в образовании сетчатой структуры. К реактопластам отно­сятся материалы на основе фенолоформальдегидных, мочевиноформальдегидных, эпоксидных и других смол. Термопласты способны мно­гократно переходить в вязкотекучее состояние при нагревании и стекло­образное - при охлаждении. К термопластам относятся материалы на основе полиэтилена, политетрафторэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, полиамидов и других полимеров.

Рекомендуемые материалы

Кроме полимеров в состав пластмасс входят пластификаторы, красители и наполнители. Пластификаторы, например, диоктилфталат, дибутилсебацинат, хлорированный парафин, снижают темпера­туру стеклования и повышают текучесть полимера. Антиоксиданты замедляют деструкцию полимеров. Наполнители улучшают физико-механические свойства полимеров. В качестве наполнителей приме­няют порошки (графит, сажа, мел, металл и т.д.), бумагу, ткань. Осо­бую группу пластмасс составляют композиты.

Композиционные материалы (композиты) - сос­тоят из основы (органической, полимерной, углеродной, метал­лической, керамической), армированной наполнителем, в виде высо­копрочных волокон или нитевидных кристаллов. В качестве основы используются синтетические смолы (алкидные, фенолоформальде-гидные, эпоксидные и др.) и полимеры (полиамиды, фторопласты, силиконы и др.).

Армирующие волокна и кристаллы могут быть металлическими, полимерными, неорганическими (например, стеклянными, карбид­ными, нитридными, борными). Армирующие наполнители в значи­тельной степени определяют механические, теплофизические и элек­трические свойства полимеров. Многие композиционные полимер­ные материалы по прочности не уступают металлам. Композиты на основе полимеров, армированных стекловолокном (стеклопластики), обладают высокой механической прочностью (прочностью при раз­рыве 1300—2500 МПа) и хорошими электроизоляционными свойства­ми. Композиты на основе полимеров, армированных углеродными во­локнами (углепластики), сочетают высокую прочность и вибропроч­ность с повышенной теплопроводностью и химической стойкостью. Боропластики (наполнители - борные волокна) имеют высокую прочность, твердость и низкую ползучесть.

Композиты на основе полимеров используются как конструкци­онные, электро- и теплоизоляционные, коррозионностойкие, анти­фрикционные материалы в автомобильной, станкостроительной, электротехнической, авиационной, радиотехнической, горнорудной промышленности, космической технике, химическом машинострое­нии и строительстве.

Редокситы. Широкое применение получили полимеры с окис­лительно-восстановительными свойствами — редокситы (с редокс-группами или редоксиониты).

Применение полимеров. В настоящее время широко применяет­ся большое число различных полимеров. Физические и химические свойства некоторых термопластов приведены в табл. 14.2 и 14.3.

Полиэтилен [-СН₂-СН₂-]_n - термопласт, получаемый мето­дом радикальной полимеризации при температуре до 320 °С и давле­нии 120—320 МПа (полиэтилен высокого давления) или при давле­нии до 5 МПа с использованием комплексных катализаторов (полиэтилен низкого давления). Полиэтилен низкого давления имеет более высокие прочность, плотность, эластичность и температуру размягчения, чем полиэтилен высокого давления. Полиэтилен хими­чески стоек во многих средах, но под действием окислителей стареет (табл. 14.3). Хороший диэлектрик (см. табл. 14.2), может эксплуати­роваться в пределах температур от —20 до +100 °С. Облучение может повысить теплостойкость полимера. Из полиэтилена изготавливают тру­бы, электротехнические изделия, детали радиоаппаратуры, изо­ляционные пленки и оболочки кабелей (высокочастотных, телефонных, силовых), пленки, упаковочный материал, заменители стеклотары.

Полипропилен [-СН(СН₃)-СН₂-]_n - кристаллический термо­пласт, получаемый методом стереоспецифической полимеризации. Обладает более высокой термостойкостью (до 120—140 °С), чем по­лиэтилен. Имеет высокую механическую прочность (см. табл. 14.2), стойкость к многократным изгибам и истиранию, эластичен. Приме­няется для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков и др.

— термопласт, получаемый радикальной полимеризацией стирола.

Полимер стоек к действию окислителей, но неустойчив к воздей­ствию сильных кислот, он растворяется в ароматических растворите­лях (см. табл. 14.3).

Таблица 14.2. Физические свойства некоторых полимеров

* Температура плавления.

Таблица 14.3 Химические свойства некоторых полимеров

Полистирол обладает высокой механической прочностью и ди­электрическими свойствами (см. табл. 14.2) и используется как высо­кокачественный электроизоляционный, а также конструкционный и декоративно-отделочный материал в приборостроении, электротех­нике, радиотехнике, бытовой технике. Гибкий эластичный полисти­рол, получаемый вытяжкой в горячем состоянии, применяется для оболочек кабелей и проводов. На основе полистирола также выпус­кают пенопласты.

Поливинилхлорид [-CH₂-CHCl-]_n - термопласт, изго­товляемый полимеризацией винилхлорида, стоек к воздействию ки­слот, щелочей и окислителей (см. табл. 14.3). Растворим в циклогексаноне, тетрагидрофуране, ограничено — в бензоле и ацетоне. Труд­ногорюч, механически прочен (см. табл. 14.2). Диэлектрические свойства хуже, чем у полиэтилена. Применяется как изоляционный материал, который можно соединять сваркой. Из него изготовляют грампластинки, плащи, трубы и др. предметы.

Политетрафторэтилен (фторопласт)[-CF₂-CF₂-]_n - термопласт, получаемый методом радикальной полимеризации тетрафторэ-тилена. Обладает исключительной химической стойкостью к кисло­там, щелочам и окислителям. Прекрасный диэлектрик. Имеет очень широкие температурные пределы эксплуатации (от —270 до +260 °С). При 400 °С разлагается с выделением фтора, не смачивается водой. Фторопласт используется как химически стойкий конструкционный материал в химической промышленности. Как лучший диэлектрик применяется в условиях, когда требуется сочетание электроизоляци­онных свойств с химической стойкостью. Кроме того, его использу­ют для нанесения антифрикционных, гидрофобных и защитных по­крытий, покрытий сковородок.

Полиметилметакрилат (плексиглаз)

- термопласт, получаемый методом полимеризации метилметакрилата. Механически прочен (см. табл. 14.2), стоек к действию ки­слот, атмосферостоек. Растворяется в дихлорэтане, ароматических углеводородах, кетонах, сложных эфирах. Бесцветен и оптически прозрачен. Применяется в электротехнике, как конструкционный материал, а также как основа клеев.

Полиамиды - термопласты, содержащие в основной цепи амидогруппу -NHCO-, например поли-e-капрон [-NH-(CH₂)₅-CO-]_n, полигексаметиленадипинамид (найлон) [-NH-(CH₂)₅-NH-CO-(CH₂)₄-CO-]_n, полидодеканамид [-NH-(CH₂)₁₁-CO-]_n и др. Их получают как поли­конденсацией, так и полимеризацией. Плотность полимеров 1,0¸1,3 г/см³. Характеризуются высокой прочностью, износостойко­стью, диэлектрическими свойствами. Устойчивы в маслах, бензине, разбавленных кислотах и концентрированных щелочах. Применяются для получения волокон, изоляционных пленок, конструкционных, антифрикционных и электроизоляционных изделий.

Полиуретаны - термопласты, содержащие в основной цепи группы -NH(CO)O-, а также эфирные, карбаматные и др. Получают взаимодействием изоциантов (соединений, содержащих одну или несколько NCO-гpyпп) с полиспиртами, например с гликолями и гли­церином. Устойчивы к действию разбавленных минеральных кислот и щелочей, масел и алифатических углеводородов.

Выпускаются в виде пенополиуретанов (поролонов), эластомеров, входят в составы лаков, клеев, герметиков. Используются для тепло- и электроизоляции, в качестве фильтров и упаковочного материала, для изготовления обуви, искусственной кожи, резинотехнических изделий. Полиэфиры -полимеры с общей формулой HO[-R-O-]_nH или [-OC-R-COO-R'-O-]_n. Получают либо полимеризацией циклических оксидов, например этиленоксида, лактонов (сложных эфиров окси-кислот), либо поликонденсацией гликолей, диэфиров и других соеди­нений. Алифатические полиэфиры устойчивы к действию растворов щелочей, ароматические - также к действию растворов минеральных кислот и солей.

Применяются в производстве волокон, лаков и эмалей, пленок, коагулянтов и флотореагентов, компонентов гидравлических жидко­стей и др.

Синтетические каучуки (эластомеры) получают эмульсионной или стереоспецифической полимеризацией. При вул­канизации превращаются в резину, для которой характерна высокая эластичность. Промышленность выпускает большое число различных синтетических каучуков (СК), свойства которых зависят от типа мо­номеров. Многие каучуки получают совместной полимеризацией двух и более мономеров. Различают СК общего и специального на­значения. К СК общего назначения относят бутадиеновый [-СН₂-СН=СН-СН₂-]_n и бутадиенстирольный [-СН₂-СН=СН-СН2-]_n-[-СН₂-СН(С₆Н₅)-]_n. Резины на их основе используются в изделиях массового назначения (шины, защитные оболочки кабелей и прово­дов, ленты и т.д.). Из этих каучуков также получают эбонит, широко используемый в электротехнике. Резины, получаемые из СК специ­ального назначения, кроме эластичности характеризуются некоторы­ми специальными свойствами, например бензо- и маслостойкостью (бутадиеннитрильный СК [-CH₂-CH=CH-CH₂-]_n-[-CH₂-CH(CN)-]_n), бензо-, масло- и теплостойкостью, негорючестью (хлоропреновый СК [-СН₂-С(Сl)=СН-СН₂-]_n), износостойкостью (полиуретановый и    др.),    тепло-,    свето-,    озоностойкостью    (бутилкаучук) [-C(СН₃)₂-CH₂-]_n –[-CH₂C(CH₃)=СН-СН₂-]_m.

К наиболее применяемым относятся бутадиенстирольный (более 40%), бутадиеновый (13%), изопреновый (7%), хлоропреновый (5%) каучуки и бутилкаучук (5%). Основная доля каучуков (60-70%) идет на производство шин, около 4% - на изготовление обуви.

Кремнийорганические полимеры (силиконы) -содержат атомы кремния в элементарных звеньях макромолекул, например:

Большой вклад в разработку кремнийорганических полимеров внес российский ученый К.А.Андрианов. Характерной особенностью этих полимеров является высокая тепло- и морозостойкость, эластич­ность. Силиконы не стойки к воздействию щелочей и растворяются во многих ароматических и алифатических растворителях (см. табл. 14.3). Кремнийорганические полимеры используются для получения лаков, клеев, пластмасс и резины. Кремнийорганические каучуки [-Si(R₂)-O-]_n, например диметилсилоксановый и метил винил сил оксановый имеют плотность 0,96—0,98 г/см³, температуру стеклования 130°С. Раство­римы в углеводородах, галогеноуглеводородах, эфирах. Вулкани­зируются с помощью органических пероксидов. Резины могут эксплуатироваться при температуре от —90 до +300°С, обладают атмосферостойкостью, высокими электроизоляционными свойст­вами (r = 10¹⁵—10¹⁶ Ом×см). Применяются для изделий, работающих в условиях большого перепада температур, например для защитных покрытий космических аппаратов и т.д.

Феноло- и аминоформальдегидные смолы полу­чают поликонденсацией формальдегида с фенолом или аминами (см. §14.2). Это термореактивные полимеры, у которых в результате образования поперечных связей образуется сетчатая пространствен­ная структура, которую невозможно превратить в линейную структу­ру, т.е. процесс идет необратимо. Их используют как основу клеев, лаков, ионитов, пластмасс.

Пластмассы на основе фенолоформальдегидных смол получили название фенопластов, на основе мочевино-формальдегидных смол -аминопластов. Наполнителями фенопластов и аминопластов служит бумага или картон (гетинакс), ткань (текстолит), древесина, кварце­вая и слюдяная мука и др. Фенопласты стойки к действию воды, рас­творов кислот, солей и оснований, органических растворителей, труд­ногорючи, атмосферостойки и являются хорошими диэлектриками. Используются в производстве печатных плат, корпусов электро- и ра­диотехнических изделий, фольгированных диэлектриков. Аминопласты характеризуются высокими диэлектрическими и физико-механическими свойствами, устойчивы к действию света и УФ-лучей, трудногорючи, стойки к действию слабых кислот и оснований и многих растворителей. Они могут быть окрашены в любые цвета. Применяются для изготовления электротехнических изделий (корпусов приборов и аппаратов, выключателей, плафонов, тепло- и звукоизоляционных материалов и др.).

Информация в лекции "6 Градиент" поможет Вам.

В настоящее время около ¹/₃ всех пластмасс применяется в элек­тротехнике, электронике и машиностроении, ¹/₄ — в строительстве и примерно ¹/₅ - для упаковки. Растущий интерес к полимерам можно показать на примере автомобилестроения. Многие специалисты оце­нивают уровень совершенства автомобиля по доле использования в нем полимеров. Например, масса полимерных материалов возросла от 32 кг у ВАЗ-2101 до 76 кг у ВАЗ-2108. За рубежом средняя масса пластмасс составляет 75-120 кг на автомашину. Таким образом, по­лимеры находят чрезвычайно широкое применение в виде пластмасс и композитов, волокон, клеев и лаков, причем масштабы и области их использования постоянно возрастают.

Вопросы для самоконтроля

Какие полимерные материалы используются для производства подземных
трубопроводов, оболочек кабелей и различных пленок?

Какие полимеры используются в качестве диэлектриков а электротехнике?

Какие полимеры входят в состав антифрикционных материалов?

Какие виды полимеров используются при изготовлении автомобилей?