Materiali polimerici: tecnologia, tipologie, produzione e applicazione

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

I materiali polimerici sono composti chimici altamente molecolari costituiti da numerosi monomeri (unità) di piccole molecole della stessa struttura. Spesso per la produzione di polimeri vengono utilizzati i seguenti componenti monomerici: etilene, cloruro di vinile, decloruro di vinile, acetato di vinile, propilene, metacrilato di metile, tetrafluoroetilene, stirene, urea, melamina, formaldeide, fenolo. In questo articolo considereremo in dettaglio cosa sono i materiali polimerici, quali sono le loro proprietà chimiche e fisiche, la classificazione e i tipi.

Tipi di polimeri

Una caratteristica delle molecole di questo materiale è un grande peso molecolare, che corrisponde al seguente valore: М>5103. I composti con un livello inferiore di questo parametro (M=500-5000) sono chiamati oligomeri. Nei composti a basso peso molecolare, la massa è inferiore a 500. Si distinguono i seguenti tipi di materiali polimerici: sintetici e naturali. Questi ultimi includono gomma naturale, mica, lana, amianto, cellulosa, ecc. Tuttavia, il posto principale è occupato dai polimeri sintetici, ottenuti a seguito di un processo di sintesi chimica da composti a basso peso molecolare. dipendentedal metodo di produzione di materiali ad alto peso molecolare si distinguono i polimeri, che vengono creati per policondensazione o per reazione di addizione.

Polimerizzazione

Questo processo è una combinazione di componenti a basso peso molecolare in componenti ad alto peso molecolare per ottenere lunghe catene. Il livello di polimerizzazione è il numero di "mers" nelle molecole di una data composizione. Molto spesso, i materiali polimerici contengono da mille a diecimila delle loro unità. Per polimerizzazione si ottengono i seguenti composti comunemente usati: polietilene, polipropilene, polivinilcloruro, politetrafluoroetilene, polistirene, polibutadiene, ecc.

Policondensazione

Questo processo è una reazione graduale, che consiste nel combinare o un gran numero di monomeri dello stesso tipo, o una coppia di gruppi diversi (A e B) in policondensatori (macromolecole) con la formazione simultanea delle seguenti sottoprodotti: alcol metilico, anidride carbonica, acido cloridrico, ammoniaca, acqua, ecc. La policondensazione produce siliconi, polisulfoni, policarbonati, plastica amminica, plastica fenolica, poliesteri, poliammidi e altri materiali polimerici.

Poliaddizione

Questo processo è inteso come la formazione di polimeri a seguito di reazioni di addizione multipla di componenti monomerici che contengono combinazioni di reazioni limitanti a monomeri di gruppi insaturi (cicli attivi o doppi legami). A differenza della policondensazione, la reazione di poliaddizione procede senza sottoprodotti. Il processo più importante di questa tecnologia è l'indurimento delle resine epossidiche e la produzione di poliuretani.

Classificazione dei polimeri

La composizione di tutti i materiali polimerici è suddivisa in inorganico, organico e organoelemento. I primi (vetro silicato, mica, amianto, ceramica, ecc.) Non contengono carbonio atomico. Sono a base di ossidi di alluminio, magnesio, silicio, ecc. I polimeri organici costituiscono la classe più ampia, contengono atomi di carbonio, idrogeno, azoto, zolfo, alogeno e ossigeno. I materiali polimerici organoelementi sono composti che nelle catene principali presentano, oltre a quelle elencate, atomi di silicio, alluminio, titanio e altri elementi che possono combinarsi con i radicali organici. Tali combinazioni non si verificano in natura. Questi sono esclusivamente polimeri sintetici. Rappresentanti caratteristici di questo gruppo sono composti a base di organosilicio, la cui catena principale è costituita da atomi di ossigeno e silicio.

Per ottenere polimeri con le proprietà richieste, la tecnologia spesso non utilizza sostanze “pure”, ma loro combinazioni con componenti organici o inorganici. Un buon esempio sono i materiali da costruzione polimerici: metallo-plastica, plastica, fibra di vetro, cemento polimerico.

Struttura dei polimeri

La particolarità delle proprietà di questi materiali è dovuta alla loro struttura, che, a sua volta, è suddivisa nelle seguenti tipologie: lineare-ramificata, lineare, spazialecon grandi gruppi molecolari e strutture geometriche molto specifiche, nonché scale. Consideriamo brevemente ciascuno di essi.

I materiali polimerici con una struttura ramificata linearmente, oltre alla catena principale di molecole, hanno ramificazioni laterali. Questi polimeri includono polipropilene e poliisobutilene.

I materiali con una struttura lineare hanno lunghe catene a zigzag oa spirale. Le loro macromolecole sono principalmente caratterizzate da ripetizioni di siti in un gruppo strutturale di un anello o unità chimica della catena. I polimeri con una struttura lineare si distinguono per la presenza di macromolecole molto lunghe con una differenza significativa nella natura dei legami lungo la catena e tra di loro. Questo si riferisce ai legami intermolecolari e chimici. Le macromolecole di tali materiali sono molto flessibili. E questa proprietà è alla base delle catene polimeriche, che porta a caratteristiche qualitativamente nuove: elevata elasticità, nonché assenza di fragilità allo stato indurito.

E ora scopriamo cosa sono i materiali polimerici con una struttura spaziale. Queste sostanze formano, quando le macromolecole si combinano tra loro, forti legami chimici nella direzione trasversale. Di conseguenza, si ottiene una struttura a maglia, che ha una base non uniforme o spaziale della maglia. I polimeri di questo tipo hanno una maggiore resistenza al calore e rigidità rispetto a quelli lineari. Questi materiali sono alla base di molte sostanze strutturali non metalliche.

Le molecole di materiali polimerici con una struttura a scala sono costituite da una coppia di catene collegate da un legame chimico. Questi includonopolimeri organosilicio, che sono caratterizzati da maggiore rigidità, resistenza al calore, inoltre non interagiscono con i solventi organici.

Composizione in fase dei polimeri

Questi materiali sono sistemi costituiti da regioni amorfe e cristalline. Il primo aiuta a ridurre la rigidità, rende il polimero elastico, cioè capace di grandi deformazioni reversibili. La fase cristallina aiuta ad aumentare la loro forza, durezza, modulo elastico e altri parametri, riducendo la flessibilità molecolare della sostanza. Il rapporto tra il volume di tutte queste aree e il volume totale è chiamato grado di cristallizzazione, dove il livello massimo (fino all'80%) ha polipropileni, fluoroplasti, polietilene ad alta densità. I polivinilcloruri, i polietileni a bassa densità hanno un grado di cristallizzazione inferiore.

A seconda di come si comportano i materiali polimerici quando riscaldati, di solito si dividono in termoindurenti e termoplastici.

Polimeri termoindurenti

Questi materiali hanno principalmente una struttura lineare. Quando riscaldati, si ammorbidiscono, ma a causa delle reazioni chimiche che si verificano in essi, la struttura cambia in spaziale e la sostanza si trasforma in un solido. In futuro, questa qualità viene mantenuta. I materiali compositi polimerici sono costruiti su questo principio. Il loro successivo riscaldamento non ammorbidisce la sostanza, ma porta solo alla sua decomposizione. Pertanto, la miscela termoindurente finita non si dissolve o si scioglienon è consentito riciclarlo. Questo tipo di materiale include silicone epossidico, fenolo-formaldeide e altre resine.

Polimeri termoplastici

Questi materiali, una volta riscaldati, prima si ammorbidiscono e poi si sciolgono, quindi si induriscono una volta raffreddati. I polimeri termoplastici non subiscono alterazioni chimiche durante questo trattamento. Questo rende il processo completamente reversibile. Sostanze di questo tipo hanno una struttura lineare-ramificata o lineare di macromolecole, tra le quali agiscono piccole forze e non ci sono assolutamente legami chimici. Questi includono polietileni, poliammidi, polistireni, ecc. La tecnologia dei materiali polimerici di tipo termoplastico prevede la loro produzione mediante stampaggio ad iniezione in stampi raffreddati ad acqua, pressatura, estrusione, soffiatura e altri metodi.

Proprietà chimiche

I polimeri possono trovarsi nei seguenti stati: fase solida, liquida, amorfa, cristallina, nonché deformazione altamente elastica, viscosa e vetrosa. L'uso diffuso di materiali polimerici è dovuto alla loro elevata resistenza a vari mezzi aggressivi, come acidi concentrati e alcali. Non sono soggetti a corrosione elettrochimica. Inoltre, all'aumentare del loro peso molecolare, diminuisce la solubilità del materiale nei solventi organici. E i polimeri, che hanno una struttura tridimensionale, non sono generalmente interessati dai liquidi citati.

Proprietà fisiche

La maggior parte dei polimeri sono isolanti, inoltre sono materiali non magnetici. Di tutti i materiali strutturali utilizzati, solo loro hanno la più bassa conducibilità termica e la più alta capacità termica, oltre che il ritiro termico (circa venti volte superiore a quello del metallo). Il motivo della perdita di tenuta di vari gruppi di tenuta in condizioni di bassa temperatura è la cosiddetta transizione vetrosa della gomma, nonché la netta differenza tra i coefficienti di espansione dei metalli e delle gomme allo stato vetrificato.

Proprietà meccaniche

I materiali polimerici hanno un'ampia gamma di caratteristiche meccaniche, che dipendono fortemente dalla loro struttura. Oltre a questo parametro, vari fattori esterni possono avere una grande influenza sulle proprietà meccaniche di una sostanza. Questi includono: temperatura, frequenza, durata o velocità di carico, tipo di stato di sollecitazione, pressione, natura dell'ambiente, trattamento termico, ecc. Una caratteristica delle proprietà meccaniche dei materiali polimerici è la loro resistenza relativamente elevata a rigidità molto bassa (rispetto ai metalli).

I polimeri si dividono solitamente in solidi, il cui modulo elastico corrisponde a E=1–10 GPa (fibre, film, materie plastiche), e sostanze morbide altamente elastiche, il cui modulo elastico è E=1– 10 MPa (gomma). I modelli e il meccanismo di distruzione di entrambi sono diversi.

I materiali polimerici sono caratterizzati da una pronunciata anisotropia delle proprietà, nonché da una diminuzione della resistenza, dallo sviluppo dello scorrimento sotto carico a lungo termine. Insieme a questo lorohanno una resistenza alla fatica relativamente alta. Rispetto ai metalli, differiscono per una dipendenza più netta delle proprietà meccaniche dalla temperatura. Una delle caratteristiche principali dei materiali polimerici è la deformabilità (flessibilità). In base a questo parametro, in un ampio intervallo di temperature, è consuetudine valutarne le principali proprietà operative e tecnologiche.

Materiali per pavimenti in polimero

Ora consideriamo una delle opzioni per l'applicazione pratica dei polimeri, rivelando l'intera gamma di questi materiali. Queste sostanze trovano largo impiego nei lavori di costruzione e riparazione e finitura, in particolare nelle pavimentazioni. L'enorme popolarità è spiegata dalle caratteristiche delle sostanze in questione: sono resistenti all'abrasione, hanno una bassa conduttività termica, hanno uno scarso assorbimento d'acqua, sono abbastanza resistenti e dure e hanno elevate qualità di vernice e vernice. La produzione di materiali polimerici può essere condizionatamente suddivisa in tre gruppi: linoleum (laminati), prodotti per piastrelle e miscele per la posa di pavimenti senza saldatura. Diamo una rapida occhiata a ciascuno ora.

I linoleum sono realizzati sulla base di diversi tipi di riempitivi e polimeri. Possono anche includere plastificanti, coadiuvanti tecnologici e pigmenti. A seconda del tipo di materiale polimerico, si distinguono poliestere (gliftalico), polivinilcloruro, gomma, colloxilina e altri rivestimenti. Inoltre, a seconda della struttura, si dividono in baseless e con fondo fonoisolante e termoisolante, monostrato e multistrato, con superficie liscia e sofficee superficie ondulata, così come mono e multicolore.

I materiali piastrellati realizzati sulla base di componenti polimerici hanno un'abrasione, una resistenza chimica e una durata molto basse. A seconda del tipo di materia prima, questo tipo di prodotti polimerici è suddiviso in cumarone-polivinilcloruro, cumarone, polivinilcloruro, gomma, fenolite, piastrelle bituminose, nonché truciolare e cartone di fibra.

I materiali per pavimenti senza saldatura sono i più convenienti e igienici da usare, hanno un'elevata resistenza. Queste miscele sono generalmente suddivise in cemento polimerico, calcestruzzo polimerico e acetato di polivinile.