Vật liệu polyme: công nghệ, chủng loại, sản xuất và ứng dụng

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Vật liệu cao phân tử là các hợp chất cao phân tử bao gồm nhiều monome phân tử nhỏ (đơn vị) có cùng cấu trúc. Thông thường, các thành phần đơn chất sau được sử dụng để sản xuất polyme: etylen, vinyl clorua, vinyl declorua, vinyl axetat, propylen, metyl metacrylat, tetrafluoroethylen, styren, urê, melamine, fomanđehit, phenol. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét chi tiết vật liệu polyme là gì, các tính chất hóa học và vật lý, phân loại và các loại của chúng.

Các loại polyme

Một đặc điểm của các phân tử của vật liệu này là trọng lượng phân tử lớn, tương ứng với giá trị sau: М>5103. Các hợp chất có mức thấp hơn của tham số này (M=500-5000) được gọi là oligome. Trong các hợp chất có khối lượng phân tử thấp, khối lượng nhỏ hơn 500. Người ta phân biệt các loại vật liệu cao phân tử sau: tổng hợp và tự nhiên. Loại thứ hai bao gồm cao su tự nhiên, mica, len, amiăng, xenlulo, … Tuy nhiên, vị trí chủ yếu được chiếm bởi các polyme tổng hợp, chúng thu được từ quá trình tổng hợp hóa học từ các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp. tùyTừ phương pháp sản xuất vật liệu phân tử cao, người ta phân biệt các polyme, được tạo ra bằng phản ứng trùng ngưng hoặc phản ứng cộng.

Trùng hợp

Quá trình này là sự kết hợp của các thành phần có trọng lượng phân tử thấp thành trọng lượng phân tử cao để thu được các chuỗi dài. Mức độ trùng hợp là số "mers" trong phân tử của một chế phẩm nhất định. Thông thường, các vật liệu cao phân tử chứa từ một nghìn đến mười nghìn đơn vị của chúng. Các hợp chất thường được sử dụng sau đây thu được bằng cách trùng hợp: polyetylen, polypropylen, polyvinyl clorua, polytetrafluoroethylen, polystyren, polybutadien, v.v.

Polycondensation

Quá trình này là một phản ứng theo từng bước, bao gồm việc kết hợp một số lượng lớn các monome cùng loại hoặc một cặp của các nhóm khác nhau (A và B) thành các đa tụ điện (đại phân tử) với sự hình thành đồng thời của các chất sau các sản phẩm phụ: rượu metylic, carbon dioxide, hydro clorua, amoniac, nước, v.v. Quá trình trùng ngưng tạo ra silicon, polysulfones, polycarbonat, nhựa amin, nhựa phenolic, polyeste, polyamit và các vật liệu polyme khác.

Polyaddition

Quá trình này được hiểu là sự hình thành các polyme là kết quả của phản ứng cộng nhiều thành phần đơn chất có chứa phản ứng kết hợp giới hạn thành các monome thuộc nhóm không no (chu kỳ hoạt động hoặc liên kết đôi). Không giống như phản ứng polycondensation, phản ứng polyaddition diễn ra mà không có bất kỳ sản phẩm phụ nào. Quy trình quan trọng nhất của công nghệ này là đóng rắn nhựa epoxy và sản xuất polyuretan.

Phân loại polyme

Thành phần của tất cả các vật liệu cao phân tử được chia thành vô cơ, hữu cơ và cơ quan. Loại đầu tiên trong số chúng (thủy tinh silicat, mica, amiăng, gốm sứ, v.v.) không chứa cacbon nguyên tử. Chúng dựa trên các ôxít của nhôm, magiê, silicon, v.v … Các polyme hữu cơ tạo thành lớp rộng rãi nhất, chúng chứa các nguyên tử cacbon, hydro, nitơ, lưu huỳnh, halogen và oxy. Vật liệu cao phân tử cơ quan là các hợp chất mà trong các chuỗi chính, ngoài những nguyên tử đã liệt kê, còn có các nguyên tử silic, nhôm, titan và các nguyên tố khác có thể kết hợp với các gốc hữu cơ. Sự kết hợp như vậy không xảy ra trong tự nhiên. Đây là những polyme tổng hợp độc quyền. Các đại diện đặc trưng của nhóm này là các hợp chất dựa trên organosilicon, chuỗi chính của chúng được tạo ra từ các nguyên tử oxy và silicon.

Để thu được polyme với các đặc tính cần thiết, công nghệ thường không sử dụng các chất “tinh khiết” mà là sự kết hợp của chúng với các thành phần hữu cơ hoặc vô cơ. Một ví dụ điển hình là vật liệu xây dựng polyme: nhựa kim loại, nhựa dẻo, sợi thủy tinh, bê tông polyme.

Cấu trúc của polyme

Tính chất đặc biệt của các vật liệu này là do cấu trúc của chúng, do đó, được chia thành các loại sau: tuyến tính phân nhánh, tuyến tính, không gianvới các nhóm phân tử lớn và cấu trúc hình học rất cụ thể, cũng như cầu thang. Hãy xem xét ngắn gọn từng người trong số họ.

Vật liệu cao phân tử có cấu trúc phân nhánh tuyến tính, ngoài chuỗi phân tử chính còn có các nhánh phụ. Các polyme này bao gồm polypropylene và polyisobutylen.

Vật liệu có cấu trúc tuyến tính có chuỗi dài ngoằn ngoèo hoặc xoắn ốc. Các đại phân tử của chúng chủ yếu được đặc trưng bởi sự lặp lại các vị trí trong một nhóm cấu trúc của một liên kết hoặc đơn vị hóa học của chuỗi. Các polyme có cấu trúc tuyến tính được phân biệt bởi sự hiện diện của các đại phân tử rất dài với sự khác biệt đáng kể về bản chất của các liên kết dọc theo chuỗi và giữa chúng. Điều này đề cập đến liên kết giữa các phân tử và liên kết hóa học. Các đại phân tử của những vật liệu này rất linh hoạt. Và đặc tính này là cơ sở của chuỗi polyme, dẫn đến các đặc tính mới về chất lượng: độ đàn hồi cao, cũng như không có tính giòn ở trạng thái đóng rắn.

Và bây giờ chúng ta cùng tìm hiểu vật liệu cao phân tử có cấu trúc không gian là gì nhé. Các chất này hình thành, khi các đại phân tử kết hợp với nhau tạo nên các liên kết hóa học bền chặt theo chiều ngang. Kết quả là, một cấu trúc lưới thu được, có cấu trúc không đồng nhất hoặc cơ sở không gian của lưới. Polyme loại này có khả năng chịu nhiệt và độ cứng cao hơn so với loại thẳng. Những vật liệu này là cơ sở của nhiều chất phi kim loại có cấu trúc.

Phân tử vật liệu polyme có cấu trúc bậc thang bao gồm một cặp chuỗi được nối với nhau bằng liên kết hóa học. Bao gồm cácpolyme organosilicon, được đặc trưng bởi tăng độ cứng, khả năng chịu nhiệt, ngoài ra, chúng không tương tác với dung môi hữu cơ.

Thành phần pha của polyme

Những vật liệu này là hệ thống bao gồm các vùng vô định hình và kết tinh. Đầu tiên trong số chúng giúp giảm độ cứng, làm cho polyme đàn hồi, tức là có khả năng biến dạng thuận nghịch lớn. Pha tinh thể giúp tăng cường độ, độ cứng, mô đun đàn hồi và các thông số khác, đồng thời làm giảm độ mềm dẻo phân tử của chất. Tỷ lệ giữa thể tích của tất cả các khu vực như vậy với tổng thể tích được gọi là mức độ kết tinh, trong đó mức tối đa (lên đến 80%) có các polypropylene, fluoroplasts, polyethylene mật độ cao. Polyvinyl clorua, polyetylen mật độ thấp có mức độ kết tinh thấp hơn.

Tùy thuộc vào cách vật liệu polyme hoạt động khi bị nung nóng, chúng thường được chia thành nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo.

Polyme Thermoset

Những vật liệu này chủ yếu có cấu trúc tuyến tính. Khi đun nóng, chúng mềm đi, nhưng do kết quả của các phản ứng hóa học xảy ra trong chúng, cấu trúc chuyển sang dạng không gian và chất này chuyển thành chất rắn. Trong tương lai, chất lượng này được duy trì. Vật liệu composite polyme được xây dựng trên nguyên tắc này. Sự gia nhiệt sau đó của chúng không làm mềm chất mà chỉ dẫn đến sự phân hủy của nó. Hỗn hợp nhiệt rắn thành phẩm không bị hòa tan hoặc tan chảy, do đónó không được phép tái chế nó. Loại vật liệu này bao gồm silicone epoxy, phenol-formaldehyde và các loại nhựa khác.

Polyme nhựa nhiệt dẻo

Những vật liệu này khi đun nóng, đầu tiên sẽ mềm và sau đó tan chảy, sau đó cứng lại khi nguội. Polyme nhiệt dẻo không trải qua các biến đổi hóa học trong quá trình xử lý này. Điều này làm cho quá trình hoàn toàn có thể đảo ngược. Các chất thuộc loại này có cấu trúc phân tử mạch thẳng phân nhánh hoặc mạch thẳng, giữa các chất này có tác dụng lực nhỏ và hoàn toàn không có liên kết hóa học. Chúng bao gồm polyetylen, polyamit, polystyren, v.v. Công nghệ vật liệu cao phân tử loại nhựa nhiệt dẻo cung cấp cho việc sản xuất chúng bằng cách ép phun trong khuôn làm mát bằng nước, ép, đùn, thổi và các phương pháp khác.

Tính chất hóa học

Polyme có thể ở các trạng thái sau: rắn, lỏng, vô định hình, pha tinh thể, cũng như biến dạng thủy tinh, nhớt và đàn hồi cao. Việc sử dụng rộng rãi các vật liệu cao phân tử là do chúng có khả năng chống chịu cao với các môi trường xâm thực khác nhau, chẳng hạn như axit và kiềm đậm đặc. Chúng không bị ăn mòn điện hóa. Ngoài ra, với sự gia tăng trọng lượng phân tử của chúng, khả năng hòa tan của vật liệu trong dung môi hữu cơ giảm. Và các polyme, có cấu trúc ba chiều, thường không bị ảnh hưởng bởi các chất lỏng được đề cập.

Tính chất vật lý

Hầu hết các polyme đều là chất cách điện, ngoài ra, chúng là vật liệu phi từ tính. Trong tất cả các vật liệu kết cấu được sử dụng, chỉ có chúng có độ dẫn nhiệt thấp nhất và khả năng chịu nhiệt cao nhất, cũng như co ngót nhiệt (gấp khoảng hai mươi lần so với kim loại). Lý do làm mất độ kín của các cụm làm kín khác nhau trong điều kiện nhiệt độ thấp là do cái gọi là quá trình chuyển đổi thủy tinh của cao su, cũng như sự khác biệt rõ rệt giữa hệ số giãn nở của kim loại và cao su ở trạng thái thủy tinh hóa.

Cơ tính

Vật liệu polyme có nhiều đặc tính cơ học khác nhau, phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của chúng. Ngoài thông số này, các yếu tố bên ngoài khác nhau có thể có ảnh hưởng lớn đến các đặc tính cơ học của một chất. Chúng bao gồm: nhiệt độ, tần số, thời gian hoặc tốc độ tải, loại trạng thái ứng suất, áp suất, bản chất của môi trường, xử lý nhiệt, v.v. kim loại).

Polyme thường được chia thành các chất rắn, mô đun đàn hồi tương ứng với E=1–10 GPa (sợi, màng, chất dẻo) và các chất mềm có tính đàn hồi cao, mô đun đàn hồi của nó là E=1– 10 MPa (cao su). Mô hình và cơ chế phá hủy của cả hai đều khác nhau.

Vật liệu polyme được đặc trưng bởi tính chất dị hướng rõ rệt, cũng như giảm độ bền, sự phát triển của dão khi tải trong thời gian dài. Cùng với điều này, họcó khả năng chống mỏi tương đối cao. So với kim loại, chúng khác nhau ở điểm phụ thuộc rõ ràng hơn của các đặc tính cơ học vào nhiệt độ. Một trong những đặc điểm chính của vật liệu polyme là tính dễ biến dạng (tính dẻo). Theo thông số này, trong một phạm vi nhiệt độ rộng, thông thường sẽ đánh giá các đặc tính công nghệ và hoạt động chính của chúng.

Vật liệu lót sàn polyme

Bây giờ chúng ta hãy xem xét một trong những lựa chọn cho ứng dụng thực tế của polyme, tiết lộ đầy đủ các loại vật liệu này. Những chất này được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và sửa chữa, hoàn thiện các công trình, cụ thể là trong ván sàn. Sự phổ biến rộng rãi được giải thích bởi các đặc tính của các chất được đề cập: chúng có khả năng chống mài mòn, dẫn nhiệt thấp, ít hút nước, khá bền và cứng, và có chất lượng sơn và vecni cao. Việc sản xuất vật liệu cao phân tử có thể được chia thành ba nhóm theo điều kiện: linoleums (cuộn), sản phẩm ngói và hỗn hợp để lắp đặt sàn liền mạch. Bây giờ chúng ta hãy xem nhanh từng cái nhé.

Linoleums được tạo ra trên cơ sở các loại chất độn và polyme khác nhau. Chúng cũng có thể bao gồm chất hóa dẻo, chất hỗ trợ chế biến và chất màu. Tùy thuộc vào loại vật liệu polyme, polyester (glyphthalic), polyvinyl clorua, cao su, colloxylin và các chất phủ khác được phân biệt. Ngoài ra, theo cấu trúc, chúng được chia thành vô căn và có đế cách âm và cách nhiệt, một lớp và nhiều lớp, với một lớp mịn, không có lớp phủ.và bề mặt gợn sóng, cũng như một màu và nhiều màu.

Vật liệu ốp lát được làm trên cơ sở các thành phần polyme có độ mài mòn, kháng hóa chất và độ bền rất thấp. Tùy thuộc vào loại nguyên liệu thô, loại sản phẩm polyme này được chia thành coumarone-polyvinyl clorua, coumarone, polyvinyl clorua, cao su, phenolite, gạch bitum, cũng như ván dăm và ván sợi.

Vật liệu làm sàn liền khối sử dụng thuận tiện và vệ sinh nhất, có độ bền cao. Các hỗn hợp này thường được chia thành xi măng polyme, bê tông polyme và polyvinyl axetat.