Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Полимеры и их свойства. Основы

Пластик состоит в основном из полимера, но также содержит такие вещества, как красители и многие другие добавки, то есть пластики, которые также можно назвать полимерные компаунды, по сути представляют собой обработанные определенным образом полимеры, то есть то, что уже можно назвать материалами — полимеры же являются веществами. О различии этих терминов мы еще будем говорить подробно в отдельной статье, здесь же заметим, что полимеры могут быть классифицированы как термопластичные или термореактивные вещества. Термопластичные полимеры состоят из отдельных полимерных цепей. Термореактивные полимеры сшиваются и создают химическую связь между двумя отдельными полимерными цепями. Эти полимеры, как правило, прочнее термопластичных полимеров после обработки, но не могут быть повторно обработаны и возвращены в процесс. В настоящее время термопласты более широко используются в промышленности пластмасс благодаря их более низкой стоимости и относительно простым возможностям обработки. Однако термореактивные материалы в основном используются, когда желаемое применение требует очень высокой прочности и / или высокой термостойкости.

Полимеры также классифицируются по их полукристаллическому или аморфному состоянию. Внутри полукристаллического полимера существуют упорядоченные области, известные как кристаллы. Полимерные цепи выстраиваются в слои на некоторых участках и остаются аморфными (неупорядоченными) в других местах. Все полимеры полностью аморфны в расплавленном состоянии. Кристаллы образуются при охлаждении полимера. В настоящее время нет полимеров, которые полностью состоят из кристаллов. Аморфные полимеры не содержат кристаллических областей. Полимерные цепи остаются в случайном порядке, который создается во время обработки. Около половины основных полимеров, используемых сегодня, являются аморфными, а остальные – полукристаллическими. На многочисленных схемах в интернете можно видеть, как выглядят кристаллические области по сравнению с аморфными областями. Также заметим, что существуют две ключевые температуры перехода для полимеров. Аморфные области полимера замораживаются ниже температуры стеклования (Tg). Это критическая температура, необходимая для того, чтобы хрупкие аморфные участки полимера могли стать текучими. Вторая важная температура – это температура плавления (Tm). Это точка, выше которой кристаллические области полимера могут становиться текучими.

Далее заметим, что длинноцепочечные молекулы перепутываются друг с другом. Это обеспечивает необходимую прочность для продуктов, а также свойство эластичности, чтобы вернуться к своей первоначальной форме. Запутывания также способствуют появлению полимера с высокой вязкостью расплава. Вязкость – это сопротивление потоку. Цепи могут быть выровнены по направлению или ориентированы (молекулярно ориентированы) для установления желаемых характеристик. Равная двухосная ориентация обеспечивает превосходную прочность пленок, создаваемых промышленным способом. Анизотропная или несбалансированная ориентация важна при создании волокон. Подавляющее большинство молекул в волокнах ориентированы в одном направлении и создают сильный предел прочности на разрыв в этом же направлении. Длинные цепи также способствуют кристаллизации в полукристаллических полимерах. Кристаллические области обеспечивают дополнительную жесткость и повышенную прочность конечному продукту. Однако повышенная кристаллизация также снижает прозрачность полимера.

Теперь немного о химических особенностях полимеров. Любое вещество имеет особенную молекулярную структуру. В случае полимеров эта структура состоит из серии повторяющихся звеньев. До того, как стать повторяющимся звеном в полимерной цепи, эти маленькие молекулы были известны как «мономеры». Многие из этих мономеров включают двойную связь между двумя атомами углерода и четырьмя боковыми группами, присоединенными к этим двум атомам углерода. Термин «полимеризация» относится к процессу объединения этих мономеров в очень длинные цепи, которые мы знаем как «полимеры». В большинстве случаев это достигается с помощью тепла и давления. На сегодняшний день доступны два основных процесса: аддитивная полимеризация и конденсационная полимеризация. Полимеризация присоединения происходит путем простого зацепления мономеров друг с другом без образования побочных продуктов. Точно так же мономеры присоединяются друг к другу в процессе конденсационной полимеризации, но выделяется побочный продукт, такой, например, как H2O или HCl.