Полимерные материалы

Введение
Исследования в области химии и технологии полимеров привели к созданию ряда новых синтетических конструкционных материалов, обладающих ценными эксплуатационными свойствами. В настоящее время полимеры используются практически во всех областях производства. [1, с.56]
На их основе получают конструкционные материалы, материалы для электротехнической и радиотехнической индустрии, корпуса приборов, оптические стекла, пленки различного назначения, ткани и волокна, пластмассы со специальными свойствами (термостойкие и морозоустойчивые, повышенной прочности, огнестойкие, электропроводящие и др). Некоторые из полимерных конструкционных материалов (ПКМ) успешно конкурируют с металлами. Например, ПКМ предложено использовать при создании сосудов высокого давления.
Наполненные полимерные материалы могут работать в парах трения при создании различных машин и механизмов.
В последние годы активно развиваются аддитивные технологии, которые можно использовать для получения изделий сложной конфигурации как из полимерных, так и других материалов.
Целью написания данного реферата является рассмотрение теоретических аспектов полимерных материалов.
Из выше указанной цели можно выделить следующие задачи:
классификация и состав полимерных материалов;
области применения полимерных материалов в современном дизайне.
Классификация и состав полимерных материаловКлассификация полимерных материалов
Высокомолекулярные вещества – это соединения, состоящие из молекул больших размеров, большой молекулярной массы. Подавляющую часть их составляют полимеры, макромолекулы которых состоят из большого числа одинаковых повторяющихся группировок. [4, с.15]
Сложившаяся классификация полимеров основана на следующих признаках:
природа атомов основной цепи и полимера в целом;
количество и распределение повторяющихся составных звеньев;
строение основной цепи и конфигурации повторяющегося участка цепи.
По химическому составу полимеры делятся на органические, неорганические и элементоорганические.
С точки зрения природы атомов основной цепи полимеры делятся на гомоцепные и гетероцепные, а с точки зрения строения основной цепи макромолекулы подразделяются на линейные, разветвленные и сшитые (сетчатые). По происхождению все известные полимеры делятся на три группы:
природные;
искусственные;
синтетические.
По современным научным воззрениям, сам человек, как все животные и растительные организмы, построен из макромолекул, таких как белки, ДНК и другие биополимеры. Они были синтезированы в природной лаборатории. В то же время существовали и другие природные формы полимеров, такие как древесина, целлюлоза, крахмал, натуральный каучук и другие, которые впоследствии использовались людьми для удовлетворения своих нужд. Так, им нужны были кров и одежда, и они должны были защищать себя.
Из популярных книг по археологии мы знаем, что первобытный человек широко использовал камень, дерево и кость для изготовления орудий труда и оружия. Дерево и кость – органические полимеры. Добавим сюда волокна растительного происхождения, из которых получались нити и веревки, необходимые для соединения частей орудия, смолы растительного и минерального происхождения. Все это тоже природные полимеры.
Вначале человечество вполне обходилось природными полимерами, но затем положение начало изменяться. Во-первых, развитие техники выявило потребности в материалах с новыми свойствами, т. е. таких, которых в природе не существовало. Их нужно было получать. Из природных полимеров техническую значимость имеют главным образом натуральный каучук, полиамид – белок и полиэфир – целлюлоза.
Теперь возвратимся к искусственным полимерам. Так их называют потому, что их получают путем незначительной химической модификации, которая не затрагивает главную цепь.
Синтетические полимеры – это вещества, которые получены на химических заводах из мономеров по реакциям полимеризации или поликонденсации. Это полиэтилен, полипропилен, полистиролы, полиуретаны и др. [4, с.16]
Теперь взглянем на все те же полимеры с точки зрения их свойств, прежде всего – изменения этих свойств при нагревании. По этому признаку все полимеры делятся на два типа: термопластичные и термореактивные.
Деление синтетических полимеров на термопласты и реактопласты обусловлено особенностями формования изделий из этих полимеров. Так, термопласты можно расплавить при нагревании, а из жидкого расплава формовать изделия: банки, бутыли, коробки или пленки и т.д.
Реактопласты при давлении и при нагревании расплавляются, а затем вследствие химической реакции отверждаются путем сшивания макро-молекул.
В зависимости от областей применения полимеры подразделяются на следующие группы:
пластические массы (ПМ);
эластомеры (каучуки);
волокна, лакокрасочные материалы, клеи.
Пластмассами принято называть полимерные материалы, содержащие непрозрачные компоненты (наполнители, пигменты и другие). К
этим компонентам мы вернемся чуть позже.
Эластомеры – это каучуки, резины. Для них характерна высоко-эластичность к большим обратимым деформациям. [4, с.17]
Волокна и нити. Разумеется это и ткани, изготовленные из этих волокон, и так называемые нетканые ткани. Это полиакрилонитрил, полиэтилентерефталат, поликапролактам, целлюлоза.
Хотя в промышленности до сих пор все полимеры делят на три группы – эластомеры, пластики и волокна – тем не менее, все они высокомолекулярные соединения и один и тот же полимер может образовывать все три типа материалов.
Клеями называют растворы, дисперсии или расплавы полимерных материалов, обладающих адгезионными свойствами. Из клеев растительного происхождения наиболее распространенными являются крахмал и продукты его переработки. Наибольшее значение из эфиров целлюлозных клеев для бытовых целей имеют клеи на основе нитроцеллюлозы.
В производстве лаков применяют алкидные ненасыщенные полиэфиры, фенолоформальдегидные смолы, полиуретановые продукты и другие. Это далеко не полный перечень систем, разбивающих полимеры на группы, классы, типы и т. д.
Полимерные материалы обладают уникальными механическими, электроизоляционными свойствами, многие из них — высокой эластичностью. Они способны принимать любую форму в процессе переработки и нашли широкое применение в большинстве областей строительства: полиэтилен (пленки, трубы), полистирол (плиты), полихлорвинил (линолеум), полиметилметакрилат (органическое стекло).
Пластмассы — это искусственные материалы, получаемые на основе природных или синтетических полимеров, способные при определенных условиях формоваться и переходить в твердое состояние, сохраняя заданную форму. [3, с.94]
Основные компоненты пластмасс: связующее вещество — полимер.
Основные недостатки пластмасс — низкая теплостойкость, высокий коэффициент термического расширения, повышенная ползучесть, старение и токсичность некоторых полимеров. [3, с.95]
Состав полимерных материаловВ чистом виде полимеры не используются для изготовления из них изделий. Как правило, в них добавляют различные ингредиенты. В табл. 1 приведены виды ингредиентов в смесях полимеров. [4, с.17]
Таблица 1
Виды ингредиентов в смесях полимеров
Вид ингредиента Содержание, %
Наполнитель 0…95,0
Пластификатор 0…45,0
Смазка до 2,0
Реологические добавки до 3,0
Красители и пигменты до 2,0
Стабилизаторы и ингибиторы 0,1…5,0
Отвердители до 10
Антистатики до 3,0
Антимикробные добавки до 2,0
Получающиеся при этом композиции принято называть полимерными материалами. В качестве связующего могут использоваться олигомеры, полимеры, сополимеры.
Универсальным средством изменения свойств полимеров в требуемом направлении является введение наполнителей. Свойства изделий из наполненных композиций в значительной степени зависят от свойств и характера распределения наполнителя в полимере.
Наполнители вводятся в полимерные композиции с целью улучшения многих их показателей: для увеличения механической прочности, придания специальных свойств (диэлектрических, антифрикционных и других), окрашивания, а также для снижения стоимости готовых изделий.
В качестве наполнителей используются органические и неорганические вещества природного и искусственного происхождения в виде порошков, волокон, гранул и др. Это, например, древесина хвойных пород, целлюлоза, молотая кора, сажа, графит, слюда, каолин, кварц, оксиды металлов, стекловолокно.
Наполнители должны обладать способностью к диспергированию в полимере с образованием однородных композиций, хорошо смачиваться раствором или расплавом полимера, сохранять свойства при хранении сырья, его переработке и при эксплуатации изделий.
Из свойств наполнителей, оказывающих наибольшее влияние на изделия из полимеров, следует выделить содержание влаги и летучих веществ, гранулометрический состав, форму и размер частиц, насыпную плотность, содержание примесей. Так, содержание влаги и летучих веществ в наполнителях изменяет технологические свойства композиций, ухудшает его сыпучесть, вызывает слеживаемость и комкование. При наличии влаги в наполнителе текучесть композиции повышается. Однако избыток влаги приводит к появлению на поверхности изделий газовых пузырей, вздутий, неровностей, к потере глянца. Для получения однородных по окраске изделий из полимерных композиций необходимо контролировать наличие посторонних включений и примесей в наполнителях. [Сутягин, с.18]
С целью повышения пластичности и эластичности в условиях эксплуатации и переработки, а также морозостойкости изделий в композиции вводят пластификаторы. Эти вещества проникают в межмолекулярные промежутки и нарушают связи между макромолекулами и тем самым повышают гибкость цепей. Пластификатор должен прочно удерживаться в полимере. Если он плохо совмещается с полимером, то пластификатор постепенно «выпотевает» и его действие со временем снижается. В качестве пластификаторов используются жирные кислоты и их соли, сложные эфиры (лауриновая кислота, стеарат цинка, дибутилфталат, дибутилсебацинат) и синтетические полимеры (полиизобутилен, бутилкаучук, полиакрилаты и другие).
Выбор марки пластификатора и расчет необходимого количества его в композиции проводят в зависимости от требований, предъявляемых к пластифицированному материалу. Так, для повышения морозостойкости ПВХ следует применять пластификатор с низкой температурой замерзания и хорошей совместимостью с полимером. С увеличением количества пластификатора эластические свойства улучшаются и снижаются температурные характеристики материалов.
Для замедления процессов старения в полимеры вводят стабилизаторы. Они повышают стойкость полимера к воздействию света, тепла, кислорода воздуха и т. д. В качестве стабилизаторов полимеров получили распространение соли различных металлов (кадмия, олова, бария, кальция) и кислот (стеариновой, щавелевой и других).
Готовые изделия из полимеров часто должны быть окрашены в определенный цвет. В качестве красителей в композиции вводят неорганические нерастворимые в полимере или пластификаторе пигменты и растворимые органические красители. Нерастворимость пигментов в полимерах обусловливает их высокую миграционную устойчивость.
Степень растворения органического красителя зависит от его химической природы, количества, температуры приготовления композиций и их переработки. Качество окраски композиции и изделия зависит также от дисперсности красителя. Для получения однородного окрашивания композиции необходимо использовать чистые тонкодисперсные красители (с размерами частиц до 1 мкм).
Отвердители вводят в композиции на основе реактопластов с целью создания на определенной стадии переработки поперечных связей между макромолекулами. Химическая природа отвердителя, его количество, дисперсность, растворимость в связующем влияет на время и скорость отверждения и важные характеристики реактопластов. Для повышения эффективности действия отвердителей в композиции добавляют иногда ускорители процесса отверждения.
Смазочные вещества вводят в композиции для снижения температуры переработки их. Одновременно предотвращается прилипание композиции к металлическим поверхностям оборудования. В качестве смазок находят применение жирные кислоты, сложные эфиры и другие (стеараты кальция или цинка, парафины, силиконы). [4, с.20]
Для повышения сопротивления полимера ионизирующему, а также космическому излучению используют антирады, в качестве которых рекомендуются ароматические углеводороды, фенолы, амины и другие вещества. Такие соединения диссипируют эти виды излучений, трансформируя их в тепло или энергию флуоресценции.
Для предотвращения электризации изделий из полимерных материалов в них вводят различные антистатические поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное электрическое сопротивление. К этим веществам относятся четвертичные аммониевые основания, амины и другие.
Антимикробные добавки вводят в полимер с целью предотвращения развития в них различных микроорганизмов. Это особенно актуально для изделий медико-биологического, пищевого назначения. В качестве таких добавок рекомендуют соединения олова, меркаптаны и другие вещества, содержание которых в полимерном материале измеряется долями процентов.
И, наконец, в полимер добавляют антипирены, препятствующие их горению. Для этих целей применяют производные фосфора, соединения сурьмы, галогенсодержащие вещества.
Области применения полимерных материалов в современном дизайнеСпецифику дизайнерской деятельности, его специализацию всегда определял материал, из которого производится продукция. Современные рыночные отношения и совершенствование технологий индустриального производства открывают более широкие перспективы для творчества дизайнера. Одним из основных современных материалов в данной деятельности являются полимеры, успешно применяемые во всех направлениях дизайна. [2, с.146]
Современные рыночные отношения требуют постоянного совершенствования производственного процесса, изучения новых эффективных технологий, внедрения в производство научных разработок и технических новшеств, использования новых материалов.
Таким образом, с одной стороны, расширяются творческие границы дизайнера, но с другой, он вынужден работать над совершенствованием своих профессиональных знаний и умений. XX век определяют веком новых технологий, который принес с собой и новые материалы. Сегодня нас повсюду окружают изделия из металло сплавов, полиэтилена, полиуретана, полистирола и других различных соединений органической химии, композитов, делающих керамику прочнее металла, стекло – легким и небьющимся, а металл по теплопроводности таким же, как стекло и керамика.
Сегодня самым предпочитаемым материалом в дизайнерской деятельности является полимер. Благодаря таким ценным свойствам, как небольшая плотность, значительная устойчивость к поломкам, светоизоляционные свойства и многим другим чертам, пластик все больше применяют практически во всех областях дизайна.
Полимерная промышленность создало поколение небьющейся посуды, плафонов светильников и даже новый вид мебели: столы, стулья, полки, гнутые и формованные из цельного листа стекла. Большинство окружающих нас сегодня предметов быта представляют собой рациональное сочетание материалов с различными прочностными свойствами.
В результате этого достигаются высокие эргономические показатели, безопасность в эксплуатации и экономичное производство: штампованный пластмассовый остов значительно проще в изготовлении металлической конструкции.
Одним из первых полимерных материалов, используемых в дизайне, стала бакелитовая мастика, изобретенная бельгийским химиком Лео Хендриком Бакеландом и запатентованная им в1907 году. Полученный прочный материал, который не плавился, не горел, был устойчив к воздействию кислот и щелочей, использовался в практических и декоративных целях и был очень популярен среди дизайнеров. [2, с.147]
Бакелит стал основой для появления современной полимерной глины, являющейся одним из самых популярных материалов для творчества во всем мире. На сегодняшний день дизайнеры разрабатывают из полимерной глины скульптурные композиции, украшения, бытовые предметы, а также используют ее в имитации различных фактур и природных материалов (дерево, камень, металл).
XX век, как век развития науки и техники, стал мощнейшим двигателем и в индустрии моды: появилось множество технологий в области изготовления одежды, обработки ткани, кроя. Начали развиваться авангардные направления в проектировании моделей одежды как радикальное новшество в формах и конструкциях изделий с использованием новых, ранее не применявшихся материалов и технологий. Новые материалы могли неузнаваемо изменять вид привычного предмета одежды, сохраняя при этом его идею.
Начало промышленного производства синтетических волокон в 1932 году явилось существенным этапом в истории дизайна. Однако масштабное использование данных полимеров в дизайне началось лишь во второй половине XX века.
Текстильные изделия нового поколения более адаптированы к потребностям человека, обладают многофункциональными и комфортными свойствами, поддерживают здоровье человека, позволяют существенно повысить безопасность среды его обитания. Использование одежды на основе нового поколения «синтетики» позволяет повысить работоспособность организма в экстремальных условиях. В связи с этим синтетические волокна существенно потеснили натуральные и искусственные волокна в производстве некоторых видов изделий.
Материалы из синтетических волокон очень активно используются для производства современной модной одежды, спецодежды, одежды для экстремальных условий и спорта. [2, с.148]
Наряду с тканями в дизайне одежды часто используется искусственная кожа, типичный продукт из полимерных материалов. Она, будучи на 50 – 75% дешевле, чем натуральная, обладает сравнимыми функциональными характеристиками и идентичным внешним видом.
Разработка новых полимерных материалов позволила создать искусственные кожи различного целевого назначения, отвечающие разнообразным требованиям эксплуатации изделий. При разработке одежды из искусственной кожи дизайнер предъявляет к материалу ряд требований.
Кожа, предназначенная для одежды, должна быть мягкой, легкой, окрашенной в модные цветовые тона, быть устойчивой к чистке, обладать необходимыми пошивочными свойствами. Срок эксплуатации верхней одежды составляет обычно несколько лет, поэтому для обеспечения такого длительного срока службы искусственные кожи для одежды должны быть устойчивыми к старению и с течением времени не изменять своих свойств. Наряду с хорошими эксплуатационными характеристиками искусственные кожи должны обладать также необходимой паро- и водонепроницаемостью, минимальной теплопроводностью, высокой гигроскопичностью и требуемыми ветрозащитными свойствами. [2, с.148]
В современном мире нет ни одной отрасли дизайна, которую не привлекали бы изделия из полимерных материалов. Среди них особое место занимает графический дизайн и реклама.
В 1935 г. основателем компании «Эвери Денниссон» Стэнтоном Эвери была изобретена самоклеющаяся этикетка. С тех пор технология аппликаций из самоклеящихся материалов (ламинатов) прочно вошла в нашу жизнь, а их производство выросло в отдельную индустрию. Полимерные пленки используются дизайнерами любых видов аппликационных работ в области графического оформления рекламы. Наиболее предпочтительными видами рекламных пленок являются транслюцентные (светорассеивающие), свето-возвращающие (светоотражающие), люминесцентные (светонакопительные), флуоресцентные, баннерные, декоративные, витражные и «пескоструйная»
В оформлении среды широко применяются не только пленочные, но и другие современные материалы покрытий. Палитру дизайнера дополнили разнообразные пластмассы для покрытия металлоконструкций, например, уличной мебели, синтетические покрытия типа «газон», полимерные смолы для покрытия древесных плит (ламинирование), используемых в современной мебельной промышленности, напыление светоотражающих металлизированных покрытий на стекло, анодирование поверхностей металлических конструкций. Они выполняют одновременно несколько функций: защита конструкций от негативного воздействий окружающей среды, организация комфортного и безопасного тактильного контакта с человеком, придание изделию высоких эстетических качеств.
В последнее время появились новые листовые полимерные материалы, имеющие сугубо декоративное назначение: зеркальные пластики, декоративное цветное, люминесцентное и эмбоссированное оргстекло с различной текстурой поверхности, оргстекло (литьевой акрил) с включением различных декоративных элементов, многослойные листы с внутренним декоративным слоем из натуральных и синтетических материалов, декорированные плиты из ацетат-целлюлозы.
Современный дизайн среды и ландшафта все чаще использует заменители природных материалов при сооружении таких элементов, как тротуарная плитка, газон, ограды под дерево или металл и др. Например, полимерные панели визуально и на ощупь не отличаются от натурального камня, кирпича, бетона, дерева, и других природных материалов, но лишены недостатков, присущих натуральным материалам и обладают всеми преимуществами современных материалов. Они просты в установке, монтируются на любую поверхность, долговечны, гигиеничны, не осыпаются и не рассыхаются, изолируют от жары и холода, не требуют ухода. [2, с.149]
Спектр применения синтетических материалов в дизайне, очень широк. Но крупнейшей областью использования полимеров являются упаковочные материалы. Они опережают строительство, автомобильную промышленность, а также электрическую и электронную промышленность.
Пластмасса дает значительно большую свободу дизайна, чем керамика, стекло, дерево, металл и прочие традиционные материалы.
Сохранение культурных ценностей, накопленных человечеством, использование и переосмысление форм прошлого и настоящего становится актуальной задачей нынешнего дизайна. Современному дизайну должны соответствовать и современные технологии – таково мнение многих ведущих специалистов в области теории и практики проектирования.
Новые технологии допускают возможность производства художественно неповторимых единичных изделий, соединяющих в себе преимущества и промышленного и ремесленного производства.
ЗаключениеПри написании данного реферата мы выяснили, что полимерные материалы обладают уникальными механическими, электроизоляционными свойствами, многие из них — высокой эластичностью. Они способны принимать любую форму в процессе переработки и нашли широкое применение в большинстве областей строительства: полиэтилен (пленки, трубы), полистирол (плиты), полихлорвинил (линолеум), полиметилметакрилат (органическое стекло).
В чистом виде полимеры не используются для изготовления из них изделий. Как правило, в них добавляют различные ингредиенты.
Универсальным средством изменения свойств полимеров в требуемом направлении является введение наполнителей. Изделий из наполненных композиций в значительной степени зависят от свойств и характера распределения наполнителя в полимере.
Таким образом, полимерные материалы являются сложными по составу и каждый компонент в них формирует то или иное требуемое качество материала и изделия, а следовательно и свойства. При создании таких композиционных материалов необходимо учитывать комплексный вклад каждого компонента, его свойства и свойства получаемого композита.
Сохранение культурных ценностей, накопленных человечеством, использование и переосмысление форм прошлого и настоящего становится актуальной задачей нынешнего дизайна. Современному дизайну должны соответствовать и современные технологии – таково мнение многих ведущих специалистов в области теории и практики проектирования. Новые технологии допускают возможность производства художественно неповторимых единичных изделий, соединяющих в себе преимущества и промышленного и ремесленного производства.
Список литературыБеседина К. С., Лавров Н. А., Барсков В. В. Применение аддитивных технологий при получении изделий из полимерных материалов (обзор) / химия и химическая технология // химия и технология высокомолекулярных соединений, Известия. СПбГТИ (ТУ). – 2018. - № 44. – СС.56-63
Муртазина С. А. Области применения полимерных материалов в современном дизайне / Вестник казанского технологического университета. – 2010. - № 10. – СС. 146-150
Руднов В. С. Строительные материалы и изделия : учеб. пособие / В. С. Руднов [и др.] ; под общ. ред. доц., канд. техн. наук И. К. Доманской. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. — 203 с.
Сутягин В. М. Общая химическая технология полимеров: учебное пособие / В. М. Сутягин, А. А. Ляпков – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 195 с.