Polymermaterialien: Technologie, Typen, Herstellung und Anwendung

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Polymere Materialien sind chemische hochmolekulare Verbindungen, die aus zahlreichen kleinmolekularen Monomeren (Bausteinen) gleicher Struktur bestehen. Häufig werden zur Herstellung von Polymeren folgende monomere Komponenten verwendet: Ethylen, Vinylchlorid, Vinyldechlorid, Vinylacetat, Propylen, Methylmethacrylat, Tetrafluorethylen, Styrol, Harnstoff, Melamin, Formaldehyd, Phenol. In diesem Artikel werden wir im Detail betrachten, was polymere Materialien sind, was ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften, Klassifizierungen und Typen sind.

Arten von Polymeren

Ein Merkmal der Moleküle dieses Materials ist ein großes Molekulargewicht, das dem folgenden Wert entspricht: М>5103. Verbindungen mit einem niedrigeren Niveau dieses Parameters (M=500-5000) werden als Oligomere bezeichnet. Bei Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht beträgt die Masse weniger als 500. Folgende Arten von Polymermaterialien werden unterschieden: synthetisch und natürlich. Zu letzteren gehören Naturkautschuk, Glimmer, Wolle, Asbest, Zellulose usw. Den Hauptplatz nehmen jedoch synthetische Polymere ein, die durch einen chemischen Syntheseprozess aus niedermolekularen Verbindungen gewonnen werden. Abhängig vonVon der Methode zur Herstellung hochmolekularer Materialien unterscheidet man Polymere, die entweder durch Polykondensation oder durch Additionsreaktion entstehen.

Polymerisation

Dieser Prozess ist eine Kombination von Komponenten mit niedrigem Molekulargewicht zu Komponenten mit hohem Molekulargewicht, um lange Ketten zu erh alten. Der Polymerisationsgrad ist die Anzahl der "mere" in den Molekülen einer gegebenen Zusammensetzung. Am häufigsten enth alten polymere Materialien tausend bis zehntausend ihrer Einheiten. Die folgenden gebräuchlichen Verbindungen werden durch Polymerisation erh alten: Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polytetrafluorethylen, Polystyrol, Polybutadien usw.

Polykondensation

Dieser Prozess ist eine schrittweise Reaktion, die darin besteht, entweder eine große Anzahl von Monomeren des gleichen Typs oder ein Paar verschiedener Gruppen (A und B) zu Polykondensatoren (Makromolekülen) zu kombinieren, wobei gleichzeitig Folgendes gebildet wird Nebenprodukte: Methylalkohol, Kohlendioxid, Chlorwasserstoff, Ammoniak, Wasser usw. Polykondensation erzeugt Silikone, Polysulfone, Polycarbonate, Aminoplaste, Phenolharze, Polyester, Polyamide und andere polymere Materialien.

Polyaddition

Unter diesem Vorgang versteht man die Bildung von Polymeren als Ergebnis von Reaktionen der Mehrfachaddition von monomeren Komponenten, die einschränkende Reaktionskombinationen zu Monomeren mit ungesättigten Gruppen (aktive Kreisläufe oder Doppelbindungen) enth alten. Im Gegensatz zur Polykondensation verläuft die Polyadditionsreaktion ohne Nebenprodukte. Der wichtigste Prozess dieser Technologie ist die Aushärtung von Epoxidharzen und die Herstellung von Polyurethanen.

Klassifizierung von Polymeren

Die Zusammensetzung aller Polymermaterialien ist in anorganische, organische und Organoelemente unterteilt. Die ersten (Silikatglas, Glimmer, Asbest, Keramik usw.) enth alten keinen atomaren Kohlenstoff. Sie basieren auf Oxiden von Aluminium, Magnesium, Silizium usw. Organische Polymere stellen die umfangreichste Klasse dar, sie enth alten Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff-, Schwefel-, Halogen- und Sauerstoffatome. Elementorganische Polymermaterialien sind Verbindungen, die in den Hauptketten zusätzlich zu den aufgeführten Atomen von Silizium, Aluminium, Titan und anderen Elementen aufweisen, die sich mit organischen Radikalen verbinden können. Solche Kombinationen kommen in der Natur nicht vor. Dabei handelt es sich ausschließlich um synthetische Polymere. Charakteristische Vertreter dieser Gruppe sind siliziumorganische Verbindungen, deren Hauptkette aus Sauerstoff- und Siliziumatomen aufgebaut ist.

Um Polymere mit den geforderten Eigenschaften zu erh alten, werden in der Technik oft nicht „reine“Stoffe verwendet, sondern deren Kombinationen mit organischen oder anorganischen Bestandteilen. Ein gutes Beispiel sind polymere Baumaterialien: Metall-Kunststoffe, Kunststoffe, Glasfaser, Polymerbeton.

Struktur von Polymeren

Die Besonderheit der Eigenschaften dieser Materialien beruht auf ihrer Struktur, die wiederum in folgende Typen unterteilt ist: linear-verzweigt, linear, räumlichmit großen Molekülgruppen und sehr spezifischen geometrischen Strukturen sowie Treppen. Betrachten wir sie kurz.

Polymermaterialien mit einer linear verzweigten Struktur haben neben der Hauptkette der Moleküle Seitenzweige. Zu diesen Polymeren gehören Polypropylen und Polyisobutylen.

Materialien mit einer linearen Struktur haben lange Zickzack- oder Spiralketten. Ihre Makromoleküle sind hauptsächlich durch Wiederholungen von Stellen in einer Strukturgruppe eines Glieds oder einer chemischen Einheit der Kette gekennzeichnet. Polymere mit einer linearen Struktur zeichnen sich durch das Vorhandensein sehr langer Makromoleküle mit einem signifikanten Unterschied in der Art der Bindungen entlang der Kette und zwischen ihnen aus. Dies bezieht sich auf zwischenmolekulare und chemische Bindungen. Die Makromoleküle solcher Materialien sind sehr flexibel. Und diese Eigenschaft ist die Grundlage von Polymerketten, was zu qualitativ neuen Eigenschaften führt: hohe Elastizität, sowie das Fehlen von Sprödigkeit im ausgehärteten Zustand.

Und jetzt wollen wir herausfinden, was polymere Materialien mit einer räumlichen Struktur sind. Diese Substanzen bilden, wenn Makromoleküle miteinander verbunden werden, starke chemische Bindungen in Querrichtung. Als Ergebnis wird eine Maschenstruktur erh alten, die eine ungleichmäßige oder räumliche Maschenbasis hat. Polymere dieses Typs haben eine größere Wärmebeständigkeit und Steifheit als lineare. Diese Materialien sind die Basis vieler struktureller nichtmetallischer Substanzen.

Moleküle von Polymermaterialien mit Leiterstruktur bestehen aus einem Kettenpaar, das durch eine chemische Bindung verbunden ist. Diese beinh altenOrganosiliciumpolymere, die sich durch erhöhte Steifigkeit und Hitzebeständigkeit auszeichnen, außerdem interagieren sie nicht mit organischen Lösungsmitteln.

Phasenzusammensetzung von Polymeren

Diese Materialien sind Systeme, die aus amorphen und kristallinen Bereichen bestehen. Der erste von ihnen hilft, die Steifigkeit zu verringern, macht das Polymer elastisch, dh zu großen reversiblen Verformungen fähig. Die kristalline Phase trägt dazu bei, ihre Festigkeit, Härte, ihren Elastizitätsmodul und andere Parameter zu erhöhen, während sie die molekulare Flexibilität der Substanz verringert. Das Verhältnis des Volumens aller dieser Bereiche zum Gesamtvolumen wird als Kristallisationsgrad bezeichnet, wobei der maximale Anteil (bis zu 80%) Polypropylene, Fluoroplaste, Polyethylene hoher Dichte aufweist. Polyvinylchloride, Polyethylene niedriger Dichte haben einen geringeren Kristallisationsgrad.

Je nachdem, wie sich polymere Materialien beim Erhitzen verh alten, werden sie üblicherweise in Duroplaste und Thermoplaste unterteilt.

Duroplaste

Diese Materialien haben hauptsächlich eine lineare Struktur. Beim Erhitzen erweichen sie, aber durch die in ihnen ablaufenden chemischen Reaktionen ändert sich die Struktur in eine räumliche und die Substanz wird zu einem Feststoff. Auch in Zukunft wird diese Qualität beibeh alten. Polymerverbundwerkstoffe sind nach diesem Prinzip aufgebaut. Ihre anschließende Erwärmung erweicht die Substanz nicht, sondern führt nur zu ihrer Zersetzung. Die fertige duroplastische Mischung löst oder schmilzt daher nichtes ist nicht erlaubt, es zu recyceln. Diese Art von Material umfasst Epoxid-Silikon, Phenol-Formaldehyd und andere Harze.

Thermoplastische Polymere

Diese Materialien erweichen beim Erhitzen zuerst und schmelzen dann und härten dann beim Abkühlen aus. Thermoplastische Polymere erfahren bei dieser Behandlung keine chemischen Veränderungen. Dadurch wird der Prozess vollständig reversibel. Substanzen dieser Art haben eine linear-verzweigte oder lineare Struktur von Makromolekülen, zwischen denen kleine Kräfte wirken und keinerlei chemische Bindungen bestehen. Dazu gehören Polyethylene, Polyamide, Polystyrole usw. Die Technologie thermoplastischer Polymermaterialien sieht ihre Herstellung durch Spritzgießen in wassergekühlten Formen, Pressen, Extrudieren, Blasen und andere Verfahren vor.

Chemische Eigenschaften

Polymere können in folgenden Zuständen vorliegen: fest, flüssig, amorph, kristalline Phase, sowie hochelastische, zähflüssige und glasartige Verformung. Die weite Verbreitung polymerer Werkstoffe beruht auf ihrer hohen Beständigkeit gegenüber verschiedenen aggressiven Medien, wie konzentrierten Säuren und Laugen. Sie unterliegen keiner elektrochemischen Korrosion. Außerdem nimmt mit zunehmendem Molekulargewicht die Löslichkeit des Materials in organischen Lösungsmitteln ab. Und Polymere, die eine dreidimensionale Struktur haben, werden von den genannten Flüssigkeiten in der Regel nicht angegriffen.

Physikalische Eigenschaften

Die meisten Polymere sind Isolatoren, außerdem sind sie nichtmagnetische Materialien. Von allen verwendeten Strukturmaterialien haben nur sie die niedrigste Wärmeleitfähigkeit und die höchste Wärmekapazität sowie eine thermische Schrumpfung (etwa zwanzigmal mehr als die von Metall). Der Grund für den Dichtheitsverlust verschiedener Dichtungsanordnungen unter Tieftemperaturbedingungen ist der sogenannte Glasübergang von Gummi, sowie der starke Unterschied zwischen den Ausdehnungskoeffizienten von Metallen und Gummis im verglasten Zustand.

Mechanische Eigenschaften

Polymerwerkstoffe haben ein breites Spektrum an mechanischen Eigenschaften, die stark von ihrer Struktur abhängen. Neben diesem Parameter können verschiedene äußere Faktoren einen großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften eines Stoffes haben. Dazu gehören: Temperatur, Häufigkeit, Dauer oder Geschwindigkeit der Belastung, Art des Spannungszustands, Druck, Art der Umgebung, Wärmebehandlung usw. Die mechanischen Eigenschaften von Polymerwerkstoffen zeichnen sich durch ihre relativ hohe Festigkeit bei sehr geringer Steifigkeit (im Vergleich zu zu Metallen).

Polymere werden üblicherweise in feste, deren Elastizitätsmodul E=1–10 GPa entspricht (Fasern, Folien, Kunststoffe), und weiche hochelastische Stoffe, deren Elastizitätsmodul E=1– 10 MPa (Gummi). Die Muster und Mechanismen der Zerstörung sind bei beiden unterschiedlich.

Polymerwerkstoffe zeichnen sich durch eine ausgeprägte Anisotropie der Eigenschaften sowie eine Abnahme der Festigkeit und die Entwicklung des Kriechens bei Langzeitbelastung aus. Zusammen damit siehaben eine relativ hohe Ermüdungsfestigkeit. Im Vergleich zu Metallen unterscheiden sie sich durch eine stärkere Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Temperatur. Eine der Haupteigenschaften von Polymermaterialien ist die Verformbarkeit (Nachgiebigkeit). Gemäß diesem Parameter ist es in einem weiten Temperaturbereich üblich, ihre wichtigsten betrieblichen und technologischen Eigenschaften zu bewerten.

Polymerbodenbeläge

Lassen Sie uns nun eine der Optionen für die praktische Anwendung von Polymeren betrachten und die gesamte Bandbreite dieser Materialien aufzeigen. Diese Substanzen werden in großem Umfang bei Bau-, Reparatur- und Veredelungsarbeiten, insbesondere bei Bodenbelägen, verwendet. Die große Beliebtheit erklärt sich aus den Eigenschaften der betreffenden Stoffe: Sie sind abriebfest, haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit, haben eine geringe Wasseraufnahme, sind ziemlich fest und hart und haben hohe Farb- und Lackqualitäten. Die Herstellung von Polymermaterialien kann bedingt in drei Gruppen eingeteilt werden: Linoleum (gerollt), Fliesenprodukte und Mischungen für die Verlegung von fugenlosen Böden. Werfen wir jetzt einen kurzen Blick auf jeden einzelnen.

Linoleum wird auf Basis verschiedener Arten von Füllstoffen und Polymeren hergestellt. Sie können auch Weichmacher, Verarbeitungshilfsmittel und Pigmente enth alten. Je nach Art des Polymermaterials werden Polyester (Glyphen), Polyvinylchlorid, Gummi, Kolloxylin und andere Beschichtungen unterschieden. Darüber hinaus sind sie je nach Struktur in grundlos und mit schall- und wärmedämmender Basis, einschichtig und mehrschichtig, mit glatter, flauschiger Unterlage unterteiltund gewellter Oberfläche, sowie ein- und mehrfarbig.

Fliesenmaterialien auf Basis von Polymerkomponenten haben eine sehr geringe Abriebfestigkeit, chemische Beständigkeit und Langlebigkeit. Je nach Art des Rohstoffs wird diese Art von Polymerprodukten in Cumaron-Polyvinylchlorid, Cumaron, Polyvinylchlorid, Gummi, Phenolit, Bitumenfliesen sowie Span- und Faserplatten unterteilt.

Materialien für nahtlose Böden sind am bequemsten und hygienischsten zu verwenden, sie haben eine hohe Festigkeit. Diese Mischungen werden üblicherweise in Polymerzement, Polymerbeton und Polyvinylacetat unterteilt.