Полимерные материалы — класс материалов¶
Полимерные материалы — это класс материалов, основу которых составляют полимеры — вещества с молекулами высокой молекулярной массы, состоящими из повторяющихся структурных звеньев. К полимерным материалам относят как природные полимеры (целлюлоза, белки, природный каучук), так и синтетические (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат) и искусственные (вискоза, ацетатные волокна). Ключевые характеристики — низкая плотность, коррозионная стойкость, низкая теплопроводность, диэлектрические свойства, широкий диапазон механических свойств и технологичность обработки.
¶Классификация
Полимерные материалы классифицируют по нескольким признакам.
По происхождению:
- Природные — целлюлоза, лигнин, хитин, белки, натуральный каучук;
- Искусственные — полученные химической переработкой природных полимеров (вискозное волокно, целлулоид, ацетатные плёнки);
- Синтетические — созданные из мономеров методами полимеризации или поликонденсации (полиэтилен, полистирол, эпоксидные смолы).
По строению молекулы:
- Линейные — цепь мономеров без разветвлений (полиэтилен, ПВХ, нейлон);
- Разветвлённые — с боковыми цепями (полипропилен, полиизобутилен);
- Сетчатые (трёхмерные) — с поперечными связями между цепями (фенолформальдегидные смолы, эпоксидные, вулканизированный каучук).
По термическому поведению:
- Термопласты — многократно размягчаются при нагреве и твердеют при охлаждении (полиэтилен, полипропилен, полиамид);
- Термореактопласты (термореактивные полимеры) — при нагреве образуют необратимую сетчатую структуру и повторно не плавятся (эпоксидные, фенольные, полиэфирные смолы);
- Эластомеры — способны к большим обратимым деформациям (каучуки, силиконовые эластомеры).
По агрегатному состоянию и форме выпуска:
- пластмассы (термопластичные и реактопластичные);
- резиновые изделия;
- волокна и нити;
- плёнки и ленты;
- пенопласты и пористые материалы;
- лаки, клеи, герметики на полимерной основе.
¶Свойства
Полимерные материалы обладают набором свойств, отличающих их от металлов и керамики:
- Низкая плотность — обычно 0,9–2,0 г/см³, что в 4–8 раз меньше стали. Исключение — фторопласты и полимерные композиты с наполнителями.
- Низкая теплопроводность — 0,1–0,3 Вт/(м·К), что делает их хорошими теплоизоляторами.
- Диэлектрические свойства — удельное электрическое сопротивление 10¹⁰–10¹⁸ Ом·м, что обеспечивает применение в электротехнике.
- Химическая стойкость — инертны к большинству кислот, щелочей, растворителей (за исключением фторопластов, стойких практически ко всем средам).
- Коррозионная стойкость — не подвержены электрохимической коррозии.
- Технологичность — легко формуются литьём, экструзией, прессованием при относительно низких температурах (150–300 °C).
- Временное сопротивление — варьируется от 10 МПа (полиэтилен) до 300 МПа и выше (армированные пластмассы).
К недостаткам относят низкую жаропрочность большинства термопластов, старение под действием УФ-излучения и кислорода, горючесть, относительно низкий модуль упругости.
¶Производство
Основные методы получения полимерных материалов:
- Полимеризация — соединение мономеров в цепь (полиэтилен, полистирол, ПВХ).
- Поликонденсация — с выделением побочного продукта (полиэтилентерефталат, полиамиды).
- Крекинг и пиролиз — переработка нефтяного сырья в мономеры.
Крупнейшие производители полимеров в мире — Китай, США, Германия, Южная Корея, Россия. В России основные предприятия: «СИБУР», «Нижнекамскнефтехим», «Казаньоргсинтет», «Полиэфир», «Северсталь». Объём производства пластмасс в России превышает 7 млн тонн в год.
¶Применение
Полимерные материалы применяются практически во всех отраслях:
- Упаковка — около 40% мирового потребления пластмасс (ПЭТ-бутылки, плёнки, контейнеры);
- Строительство — трубы ПП, оконные профили ПВХ, утеплители (пенополистирол, минеральная вата на полимерном связующем), кровельные мембраны;
- Машиностроение — шестерни, подшипники, уплотнения, детали из полиамидов, полиоксиметилена, фторопласта;
- Электротехника и электроника — изоляция кабелей, печатные платы, корпуса приборов;
- Медицина — протезы, шовный материал, одноразовые инструменты, импланты из полиэтилена высокой молекулярной массы;
- Текстиль — синтетические волокна (лавсан, нейлон, акрил, полиэстер);
- Авиация и космос — полимерные композиты (углепластики, стеклопластики), составляющие до 50% массы современных самолётов (например, МС-21).
¶Полимерные композиционные материалы
Отдельную группу составляют полимерные композиты — материалы, в которых полимер сочетается с наполнителем (стекловолокно, углеволокно, минеральные частицы). Композиты сочетают лёгкость полимера с высокой прочностью наполнителя. К ним относят стеклопластики, углепластики, оргстекло, сандвич-панели. В России производство композитов развивается в рамках национальных проектов, крупнейшие центры — в Москве, Санкт-Петербурге, Казани, Твери.
¶Экологические вопросы
Проблема утилизации полимерных материалов — одна из ключевых экологических проблем. Период разложения синтетических полимеров в природе составляет от 100 до 1000 лет. Основные направления решения:
- Переработка — механическая (измельчение и повторное использование), химическая (пиролиз, деполимеризация), энергетическая (сжигание с утилизацией тепла);
- Биоразлагаемые полимеры — полилактат (PLA), полигидроксибутират, создаваемые на основе возобновляемого сырья;
- Монолитарные программы — в России с 2019 года развивается система раздельного сбора отходов, включая вторичную переработку ПЭТ-бутылок и прочих полимеров.
История развития полимерных материалов началась в XIX веке с создания целлулоида (1869) и бакелита (1907) — первого полностью синтетического пластика. Массовое производство синтетических полимеров развернулось после Второй мировой войны, что привело к формированию мировой индустрии пластмасс с годовым оборотом, превышающим 500 млрд долларов.
Источники:
- «Полимерные материалы: учебное пособие» / под ред. В.П. Соколова
- «Химия высокомолекулярных соединений» / Б.А. Долгоплоск, Т.С. Катц
- ГОСТ 28247-89 «Материалы полимерные. Термины и определения»
- «Пластмассы в машиностроении» / Н.И. Бейлин
- Статистика «ПластикЭко», «Росхим»