مواد پلیمری: فناوری، انواع، تولید و کاربرد

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

مواد پلیمری ترکیبات شیمیایی با مولکولی بالا هستند که از تعداد زیادی مونومر (واحد) مولکولی کوچک با ساختار یکسان تشکیل شده اند. اغلب از اجزای مونومر زیر برای ساخت پلیمرها استفاده می شود: اتیلن، وینیل کلرید، وینیل دکلراید، وینیل استات، پروپیلن، متیل متاکریلات، تترافلوراتیلن، استایرن، اوره، ملامین، فرمالدئید، فنل. در این مقاله به طور مفصل بررسی خواهیم کرد که مواد پلیمری چیست، خواص شیمیایی و فیزیکی، طبقه بندی و انواع آنها چیست.

انواع پلیمر

یکی از ویژگی های مولکول های این ماده وزن مولکولی بزرگ است که با مقدار زیر مطابقت دارد: М>5103. ترکیباتی که سطح کمتری از این پارامتر (M=500-5000) دارند، الیگومر نامیده می شوند. در ترکیبات با وزن مولکولی کم، جرم کمتر از 500 است. انواع مواد پلیمری زیر متمایز می شوند: مصنوعی و طبیعی. موارد اخیر شامل لاستیک طبیعی، میکا، پشم، آزبست، سلولز و غیره است. اما جایگاه اصلی را پلیمرهای مصنوعی اشغال می کنند که در نتیجه فرآیند سنتز شیمیایی از ترکیبات با وزن مولکولی کم به دست می آیند. بسته بهاز روش ساخت مواد با مولکولی بالا، پلیمرها متمایز می شوند که یا با چند تراکم یا واکنش افزودن ایجاد می شوند.

پلیمریزاسیون

این فرآیند ترکیبی از اجزای با وزن مولکولی کم به وزن مولکولی بالا برای به دست آوردن زنجیره های بلند است. سطح پلیمریزاسیون تعداد "مرها" در مولکول های یک ترکیب معین است. اغلب مواد پلیمری از هزار تا ده هزار واحد خود را شامل می شود. ترکیبات متداول زیر از طریق پلیمریزاسیون به دست می آیند: پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی وینیل کلراید، پلی تترا فلوئورواتیلن، پلی استایرن، پلی بوتادین و غیره.

Polycondensation

این فرآیند یک واکنش گام به گام است که شامل ترکیب تعداد زیادی مونومر از همان نوع یا یک جفت گروه مختلف (A و B) در چند خازن (ماکرومولکول) با تشکیل همزمان موارد زیر است. محصولات جانبی: متیل الکل، دی اکسید کربن، کلرید هیدروژن، آمونیاک، آب، و غیره. پلی تراکم باعث تولید سیلیکون ها، پلی سولفون ها، پلی کربنات ها، آمینو پلاستیک ها، پلاستیک های فنولیک، پلی استرها، پلی آمیدها و سایر مواد پلیمری می شود.

Polyaddition

این فرآیند به عنوان تشکیل پلیمرها در نتیجه واکنش‌های افزودن چندگانه اجزای مونومری که حاوی ترکیبات واکنش محدودکننده به مونومرهای گروه‌های غیراشباع (چرخه‌های فعال یا پیوندهای دوگانه) است، درک می‌شود. برخلاف پلی تراکم، واکنش چندافزودنی بدون هیچ گونه محصول جانبی انجام می شود.مهمترین فرآیند این فناوری پخت رزین های اپوکسی و تولید پلی یورتان ها می باشد.

طبقه بندی پلیمرها

ترکیبات همه مواد پلیمری به غیر آلی، آلی و آلی المان تقسیم می شوند. اولین آنها (شیشه سیلیکات، میکا، آزبست، سرامیک و غیره) حاوی کربن اتمی نیستند. آنها بر پایه اکسیدهای آلومینیوم، منیزیم، سیلیکون و غیره هستند. پلیمرهای آلی گسترده ترین کلاس را تشکیل می دهند، آنها حاوی اتم های کربن، هیدروژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن و اکسیژن هستند. مواد پلیمری ارگانو المان ترکیباتی هستند که در زنجیره اصلی آنها علاوه بر موارد ذکر شده دارای اتم های سیلیکون، آلومینیوم، تیتانیوم و سایر عناصری هستند که می توانند با رادیکال های آلی ترکیب شوند. چنین ترکیباتی در طبیعت وجود ندارد. اینها منحصراً پلیمرهای مصنوعی هستند. نمایندگان مشخصه این گروه ترکیبات مبتنی بر سیلیکون ارگانوسیلی هستند که زنجیره اصلی آن از اتم های اکسیژن و سیلیکون ساخته شده است.

برای به دست آوردن پلیمرهایی با خواص مورد نیاز، فناوری اغلب از مواد "خالص" استفاده نمی کند، بلکه از ترکیب آنها با اجزای آلی یا معدنی استفاده می کند. یک مثال خوب مصالح ساختمانی پلیمری است: فلز-پلاستیک، پلاستیک، فایبرگلاس، بتن پلیمری.

ساختار پلیمرها

ویژگی خواص این مواد به دلیل ساختار آنها است که به نوبه خود به انواع زیر تقسیم می شود: خطی شاخه ای، خطی، فضایی.با گروه های مولکولی بزرگ و ساختارهای هندسی بسیار خاص و همچنین پلکان. بیایید به طور خلاصه به هر یک از آنها توجه کنیم.

مواد پلیمری با ساختار منشعب خطی، علاوه بر زنجیره اصلی مولکول ها، دارای شاخه های جانبی نیز هستند. این پلیمرها شامل پلی پروپیلن و پلی ایزوبوتیلن هستند.

مواد با ساختار خطی دارای زنجیره های بلند زیگزاگی یا مارپیچی هستند. ماکرومولکول های آنها در درجه اول با تکرار مکان ها در یک گروه ساختاری یک پیوند یا واحد شیمیایی زنجیره مشخص می شوند. پلیمرهای با ساختار خطی با وجود ماکرومولکول های بسیار طولانی با تفاوت قابل توجهی در ماهیت پیوندها در طول زنجیره و بین آنها متمایز می شوند. این به پیوندهای بین مولکولی و شیمیایی اشاره دارد. ماکرومولکول های چنین موادی بسیار انعطاف پذیر هستند. و این ویژگی اساس زنجیره های پلیمری است که منجر به ویژگی های کیفی جدیدی می شود: خاصیت ارتجاعی بالا و همچنین عدم شکنندگی در حالت پخت.

و اکنون بیایید دریابیم که مواد پلیمری با ساختار فضایی چیست. این مواد هنگامی که ماکرومولکول ها با یکدیگر ترکیب می شوند، پیوندهای شیمیایی قوی در جهت عرضی ایجاد می کنند. در نتیجه ساختار مشبکی به دست می آید که دارای پایه غیر یکنواخت یا فضایی مش است. پلیمرهای این نوع نسبت به پلیمرهای خطی مقاومت حرارتی و سفتی بیشتری دارند. این مواد اساس بسیاری از مواد غیر فلزی ساختاری هستند.

مولکول های مواد پلیمری با ساختار نردبانی از یک جفت زنجیره تشکیل شده اند که توسط یک پیوند شیمیایی به هم متصل شده اند. این شاملپلیمرهای ارگانوسیلیکون که با افزایش استحکام، مقاومت در برابر حرارت مشخص می شوند، علاوه بر این، با حلال های آلی برهمکنش ندارند.

ترکیب فازی پلیمرها

این مواد سیستم هایی هستند که از نواحی آمورف و کریستالی تشکیل شده اند. اولین آنها به کاهش سفتی کمک می کند، پلیمر را الاستیک می کند، یعنی قادر به تغییر شکل های برگشت پذیر بزرگ است. فاز کریستالی به افزایش استحکام، سختی، مدول الاستیک و سایر پارامترها کمک می کند و در عین حال انعطاف مولکولی ماده را کاهش می دهد. نسبت حجم همه چنین مناطقی به حجم کل را درجه تبلور می گویند که در آن حداکثر سطح (تا 80٪) دارای پلی پروپیلن ها، فلوروپلاست ها، پلی اتیلن های با چگالی بالا است. پلی وینیل کلریدها، پلی اتیلن های با چگالی کم درجه تبلور کمتری دارند.

بسته به نحوه رفتار مواد پلیمری هنگام گرم شدن، معمولاً به دو دسته ترموپلاستیک و ترموست تقسیم می شوند.

پلیمرهای ترموست

این مواد در درجه اول ساختاری خطی دارند. هنگامی که گرم می شوند، نرم می شوند، اما در نتیجه واکنش های شیمیایی در آنها، ساختار به فضایی تغییر می کند و ماده به جامد تبدیل می شود. در آینده نیز این کیفیت حفظ می شود. مواد کامپوزیت پلیمری بر اساس این اصل ساخته می شوند. گرمایش بعدی آنها ماده را نرم نمی کند، بلکه فقط منجر به تجزیه آن می شود. بنابراین مخلوط ترموست تمام شده حل یا ذوب نمی شودبازیافت آن ممنوع است. این نوع مواد شامل اپوکسی سیلیکون، فنل فرمالدئید و رزین های دیگر است.

پلیمرهای ترموپلاستیک

این مواد وقتی حرارت می بینند ابتدا نرم می شوند و سپس ذوب می شوند و بعد از سرد شدن سفت می شوند. پلیمرهای ترموپلاستیک در طی این عملیات تحت تغییرات شیمیایی قرار نمی گیرند. این باعث می شود روند کاملاً برگشت پذیر باشد. موادی از این نوع دارای ساختار خطی شاخه یا خطی درشت مولکول ها هستند که بین آنها نیروهای کوچکی عمل می کنند و مطلقاً هیچ پیوند شیمیایی وجود ندارد. اینها شامل پلی اتیلن ها، پلی آمیدها، پلی استایرن ها و غیره است. فناوری مواد پلیمری از نوع ترموپلاستیک تولید آنها را با قالب گیری تزریقی در قالب های آب خنک، پرس، اکستروژن، دمیدن و روش های دیگر فراهم می کند.

خواص شیمیایی

پلیمرها می توانند در حالت های زیر باشند: جامد، مایع، آمورف، فاز کریستالی و همچنین تغییر شکل بسیار الاستیک، چسبناک و شیشه ای. استفاده گسترده از مواد پلیمری به دلیل مقاومت بالای آنها در برابر مواد تهاجمی مختلف مانند اسیدهای غلیظ و قلیایی است. آنها در معرض خوردگی الکتروشیمیایی نیستند. علاوه بر این، با افزایش وزن مولکولی آنها، حلالیت مواد در حلال های آلی کاهش می یابد. و پلیمرهایی که ساختار سه بعدی دارند معمولاً تحت تأثیر مایعات ذکر شده قرار نمی گیرند.

خواص فیزیکی

بیشتر پلیمرها عایق هستند، علاوه بر این، آنها مواد غیر مغناطیسی هستند. در بین تمام مصالح ساختاری مورد استفاده، تنها آنها کمترین رسانایی حرارتی و بالاترین ظرفیت گرمایی و همچنین انقباض حرارتی (حدود بیست برابر بیشتر از فلز) را دارند. دلیل از بین رفتن سفتی مجموعه های مختلف آب بندی در شرایط دمای پایین، به اصطلاح انتقال شیشه ای لاستیک و همچنین تفاوت شدید بین ضرایب انبساط فلزات و لاستیک ها در حالت شیشه ای است.

خواص مکانیکی

مواد پلیمری دارای طیف وسیعی از خصوصیات مکانیکی هستند که به شدت به ساختار آنها وابسته است. علاوه بر این پارامتر، عوامل خارجی مختلف می توانند تأثیر زیادی بر خواص مکانیکی یک ماده داشته باشند. اینها عبارتند از: دما، فرکانس، مدت یا سرعت بارگذاری، نوع حالت تنش، فشار، ماهیت محیط، عملیات حرارتی و غیره. ویژگی خواص مکانیکی مواد پلیمری مقاومت نسبتاً بالای آنها در صلبیت بسیار کم است (مقایسه به فلزات).

پلیمرها معمولاً به مواد جامد تقسیم می شوند که مدول الاستیک آن برابر با E=1-10 GPa (الیاف، فیلم ها، پلاستیک) و مواد نرم بسیار الاستیک است که مدول الاستیک آن E=1- است. 10 مگاپاسکال (لاستیک). الگوها و مکانیسم تخریب هر دو متفاوت است.

مواد پلیمری با ناهمسانگردی بارز خواص، و همچنین کاهش استحکام، توسعه خزش تحت بارگذاری طولانی مدت مشخص می شوند. همراه با این آنهامقاومت خستگی نسبتا بالایی دارند. در مقایسه با فلزات، آنها در وابستگی شدیدتر خواص مکانیکی به دما متفاوت هستند. یکی از ویژگی های اصلی مواد پلیمری تغییر شکل پذیری (انعطاف پذیری) است. با توجه به این پارامتر، در یک محدوده دمایی گسترده، مرسوم است که ویژگی های اصلی عملیاتی و تکنولوژیکی آنها ارزیابی شود.

مواد کفپوش پلیمری

حالا بیایید یکی از گزینه های کاربرد عملی پلیمرها را در نظر بگیریم و طیف کاملی از این مواد را آشکار کنیم. این مواد به طور گسترده در کارهای ساختمانی و تعمیر و تکمیل، به ویژه در کف سازی استفاده می شود. محبوبیت زیاد با ویژگی های مواد مورد بحث توضیح داده می شود: آنها در برابر سایش مقاوم هستند، رسانایی حرارتی پایینی دارند، جذب آب کمی دارند، کاملاً قوی و سخت هستند و کیفیت رنگ و لاک بالایی دارند. تولید مواد پلیمری را می توان به طور مشروط به سه گروه تقسیم کرد: مشمع کف اتاق (نورد)، محصولات کاشی و مخلوط برای نصب کف بدون درز. بیایید اکنون به هر یک نگاهی گذرا بیندازیم.

مشمع کف اتاق بر اساس انواع مختلف پرکننده ها و پلیمرها ساخته می شوند. آنها همچنین ممکن است شامل نرم کننده ها، کمک های پردازش و رنگدانه ها باشند. بسته به نوع ماده پلیمری، پلی استر (گلیفتالیک)، پلی وینیل کلراید، لاستیک، کلوکسیلین و سایر پوشش ها متمایز می شوند. علاوه بر این، با توجه به ساختار، آنها را به بی پایه و با پایه عایق صدا و حرارت، تک لایه و چند لایه، با صاف، پشمکی تقسیم می کنند.و سطح راه راه، و همچنین تک و چند رنگ.

مواد کاشی ساخته شده بر اساس اجزای پلیمری، سایشی، مقاومت شیمیایی و دوام بسیار کمی دارند. این نوع محصولات پلیمری بسته به نوع ماده اولیه به کومارون-پلی وینیل کلراید، کومارون، پلی وینیل کلراید، لاستیک، فنولیت، کاشی های قیری و همچنین تخته نئوپان و تخته فیبر تقسیم می شوند.

مواد برای کف بدون درز راحت ترین و بهداشتی ترین برای استفاده هستند، آنها از استحکام بالایی برخوردار هستند. این مخلوط ها معمولا به سیمان پلیمری، بتن پلیمری و پلی وینیل استات تقسیم می شوند.