Los polímeros, o macromoléculas, son moléculas muy grandes formadas por los enlaces de muchas moléculas pequeñas llamadas bloques de construcción o monómeros. Las moléculas son tan grandes que sus propiedades no se alteran significativamente por la adición o eliminación de varias de estas unidades constituyentes. El término "materiales poliméricos" es genérico. Reúne tres amplios grupos de plásticos sintéticos, a saber: polímeros; plásticos y su variedad morfológica: materiales compuestos poliméricos (PCM) o, como también se les llama, plásticos reforzados. Lo común para los grupos enumerados es que su parte obligatoria es el componente polímero, que determina la principal deformación térmica y las propiedades tecnológicas del material. El componente polimérico es una sustancia orgánica de alto peso molecular obtenida como resultado de una reacción química entre las moléculas de las sustancias iniciales de bajo peso molecular: los monómeros.
Es habitual llamar a los polímeros sustancias de alto peso molecular (homopolímeros) con aditivos introducidos en ellos, a saber, estabilizantes, inhibidores, plastificantes, lubricantes, antirradicales, etc. Físicamente, los polímeros son materiales homofásicos, conservan todas las características fisicoquímicas inherentes a los homopolímeros.
Los plásticos son materiales compuestos basados en polímeros que contienen cargas dispersas o de fibra corta, pigmentos y otros componentes que fluyen libremente. Los rellenos no forman una fase continua. Ellos (medio disperso) están ubicados en una matriz de polímero (medio de dispersión). Físicamente, los plásticos son materiales heterofásicos con macropropiedades físicas isotrópicas (idénticas en todas las direcciones).
Los plásticos se pueden clasificar en dos grupos principales: termoplásticos y termoendurecibles. Los termoplásticos son aquellos que, una vez formados, se pueden fundir y reformar; termoendurecible, moldeado una vez, ya no se derrite y no puede tomar otra forma bajo la influencia de la temperatura y la presión. Casi todos los plásticos utilizados en los envases son termoplásticos, como el polietileno y polipropileno (miembros de la familia de las poliolefinas), poliestireno, cloruro de polivinilo, tereftalato de polietileno, nailon (nailon), policarbonato, acetato de polivinilo, alcohol polivinílico y otros.
Los plásticos también se pueden clasificar según el método utilizado para polimerizarlos, sobre polímeros obtenidos por adición a la policondensación. Los polímeros de adición se producen mediante un mecanismo que involucra radicales libres o iones, a través de los cuales pequeñas moléculas se adhieren rápidamente a una cadena en crecimiento sin formar moléculas acompañantes. Los polímeros de policondensación se producen mediante la reacción de grupos funcionales en moléculas entre sí, de modo que se forma una cadena de polímero larga por etapas, y normalmente se forma un coproducto de bajo peso molecular, como agua, durante cada etapa de reacción. La mayoría de los polímeros de envasado, incluidas las poliolefinas, el PVC y el poliestireno, son polímeros de adición.
Las propiedades químicas y físicas de los plásticos están influenciadas por su composición química, peso molecular promedio y distribución del peso molecular, historial de procesamiento (y uso) y la presencia de aditivos.
Los materiales reforzados con polímeros son un tipo de plástico. Se diferencian en que utilizan cargas no dispersas, sino reforzantes, es decir, reforzantes (fibras, tejidos, cintas, fieltro, monocristales), que forman una fase continua independiente en el PCM. Ciertos tipos de PCM se denominan plásticos laminados. Esta morfología permite obtener plásticos con muy alta resistencia a la deformación, fatiga, electrofísica, acústica y otras características objetivo que cumplen con los más altos requisitos modernos.
La reacción de polimerización es la adición secuencial de moléculas de compuestos insaturados entre sí para formar un producto de alto peso molecular: un polímero. Las moléculas de alqueno que experimentan una reacción de polimerización se denominan monómeros. El número de unidades elementales que se repiten en una macromolécula se denomina grado de polimerización (indicado por n). Dependiendo del grado de polimerización, se pueden obtener sustancias con diferentes propiedades a partir de los mismos monómeros. Así, el polietileno de cadena corta (n = 20) es un líquido con propiedades lubricantes. El polietileno con una longitud de cadena de 1500-2000 eslabones es un material plástico duro pero flexible con el que se pueden hacer películas, botellas y otros utensilios, tubos elásticos, etc. Finalmente, el polietileno con una longitud objetivo de 5-6 mil eslabones es un sustancia sólida, a partir de la cual es posible preparar productos fundidos, tuberías rígidas, roscas fuertes.
Si un pequeño número de moléculas participa en la reacción de polimerización, entonces se forman sustancias de bajo peso molecular, por ejemplo, dímeros, trímeros, etc. Las condiciones para las reacciones de polimerización son muy diferentes. En algunos casos, se requieren catalizadores y altas presiones. Pero el factor principal es la estructura de la molécula de monómero. Los compuestos insaturados (insaturados) entran en la reacción de polimerización debido a la rotura de múltiples enlaces. Las fórmulas estructurales de los polímeros se escriben brevemente de la siguiente manera: la fórmula de la unidad elemental se incluye entre corchetes y la letra n se coloca en la parte inferior derecha, por ejemplo, la fórmula estructural del polietileno (-CH2-CH2-) n. Es fácil concluir que el nombre del polímero está compuesto por el nombre del monómero y el prefijo poli, por ejemplo, polietileno, cloruro de polivinilo, poliestireno, etc.
La polimerización es una reacción en cadena y para que comience es necesario activar las moléculas de monómero con la ayuda de los denominados iniciadores. Dichos iniciadores de la reacción pueden ser radicales libres o iones (cationes, aniones). Dependiendo de la naturaleza del iniciador, se distinguen los mecanismos de polimerización por radicales, catiónicos o aniónicos.
Los polímeros de hidrocarburos más comunes son el polietileno y el polipropileno.
El polietileno se obtiene por polimerización de etileno: El polipropileno se obtiene por polimerización estereoespecífica de propileno (propeno). La polimerización estereoespecífica es el proceso de obtención de un polímero con una estructura espacial estrictamente ordenada. Muchos otros compuestos son capaces de polimerización: derivados de etileno que tienen la fórmula general CH2 = CH-X, donde X son diferentes átomos o grupos de átomos.
Tipos de polímeros:
Las poliolefinas son una clase de polímeros de la misma naturaleza química (fórmula química - (CH2) -n) con una estructura espacial variada de cadenas moleculares, que incluyen polietileno y polipropileno. Por cierto, todos los carbohidratos, por ejemplo, el gas natural, el azúcar, la parafina y la madera, tienen una estructura química similar. En total, se producen anualmente 150 millones de toneladas de polímeros en el mundo, y las poliolefinas representan aproximadamente el 60% de esta cantidad. En el futuro, las poliolefinas nos rodearán mucho más que hoy, por lo que es útil examinarlas más de cerca.
El complejo de propiedades de las poliolefinas, que incluyen resistencia a la radiación ultravioleta, oxidantes, desgarro, punción, encogimiento por calor y desgarro, varía en un rango muy amplio dependiendo del grado de estiramiento orientativo de las moléculas en el proceso de obtención de materiales y productos poliméricos. .
Se debe enfatizar especialmente que las poliolefinas son ecológicamente más limpias que la mayoría de los materiales utilizados por los humanos. La producción, transporte y procesamiento de vidrio, madera y papel, hormigón y metal consume mucha energía, cuya generación contamina inevitablemente el medio ambiente. La eliminación de materiales tradicionales también genera sustancias peligrosas y desperdicia energía. Las poliolefinas se producen y eliminan sin la liberación de sustancias nocivas y con un consumo mínimo de energía, y cuando se queman las poliolefinas, se libera una gran cantidad de calor limpio con subproductos en forma de vapor de agua y dióxido de carbono. Polietileno
Aproximadamente el 60% de todos los plásticos utilizados para envases es polietileno, principalmente debido a su bajo costo, pero también debido a sus excelentes propiedades para muchas aplicaciones. El polietileno de alta densidad (HDPE - baja presión) tiene la estructura más simple de todos los plásticos, consiste en unidades repetidas de etileno. - (CH2CH2) n-polietileno de alta densidad. El polietileno de baja densidad (LDPE - alta presión) tiene la misma fórmula química, pero se diferencia en que su estructura es ramificada. - (CH2CHR) n-polietileno de baja densidad donde R puede ser -H, - (CH2) nCH3, o una estructura más compleja con ramificación secundaria.
El polietileno, debido a su estructura química simple, se pliega fácilmente en una red cristalina y, por lo tanto, tiende a tener un alto grado de cristalinidad. La ramificación de la cadena interfiere con esta capacidad de cristalización, lo que da como resultado menos moléculas por unidad de volumen y, por lo tanto, menor densidad.
LDPE - polietileno de alta presión. Flexible, ligeramente opaco, ceroso al tacto, se puede extruir en película soplada o película plana a través de una matriz plana y un rodillo enfriado. La película de LDPE es fuerte en tensión y compresión, resistente al impacto y al desgarro, fuerte a bajas temperaturas. Tiene una peculiaridad: un punto de ablandamiento bastante bajo (aproximadamente 100 grados Celsius).
HDPE - polietileno de baja presión. Las películas de HDPE son resistentes, duraderas y menos cerosas al tacto que las películas de LDPE. Se produce mediante extrusión de manguera soplada o extrusión de manguera plana. El punto de ablandamiento es de 121 ° C, lo que permite la esterilización con vapor. La resistencia a las heladas de estas películas es la misma que la de las películas de LDPE. La resistencia a la tracción y a la compresión es alta, y la resistencia al impacto y al desgarro es menor que la de las películas de LDPE. Las películas de HDPE son una excelente barrera contra la humedad. Resistente a grasas y aceites. La bolsa de camiseta "susurrante" ("susurro") en la que empaca sus compras está hecha de HDPE.
Hay dos tipos principales de HDPE. El tipo "más antiguo", producido por primera vez en la década de 1930, polimeriza a altas temperaturas y presiones, condiciones que son lo suficientemente enérgicas como para permitir reacciones en cadena apreciables que conducen a ramificaciones, tanto largas como cortas. Este tipo de HDPE a veces se denomina polietileno de alta presión (LDPE, HP-HDPE, debido a la alta presión), si es necesario distinguirlo del polietileno lineal de baja presión, el tipo "más joven" de LDPE. A temperatura ambiente, el polietileno es un material bastante blando y flexible. Conserva bien esta flexibilidad en condiciones de frío, por lo que se puede utilizar en el envasado de alimentos congelados. Sin embargo, a temperaturas elevadas, como 100 ° C, se vuelve demasiado blando para varias aplicaciones. El HDPE tiene un punto de fragilidad y ablandamiento más alto que el LDPE, pero aún no es adecuado para envases llenos en caliente.
Aproximadamente el 30% de todos los plásticos utilizados para envases son HDPE. Es el plástico más utilizado para botellas debido a su bajo costo, facilidad de moldeado y excelente desempeño para muchas aplicaciones. En su forma natural, el HDPE tiene un aspecto translúcido de color blanco lechoso y, por lo tanto, no es adecuado para aplicaciones donde se requiere una transparencia excepcional. Un inconveniente del uso de HDPE en algunas de sus aplicaciones es su tendencia al agrietamiento por tensión debido a la interacción ambiental, definida como la destrucción de un recipiente de plástico en condiciones de tensión y contacto simultáneas con el producto, que por sí sola no conduce a la falla. El agrietamiento por tensión debido a la interacción de medios externos en el polietileno está relacionado con la cristalinidad del polímero.
El LDPE es el polímero de embalaje más utilizado y representa aproximadamente un tercio de todos los plásticos de embalaje. Debido a su baja cristalinidad, es un material más suave y flexible que el HDPE. Es el material preferido para películas y bolsas debido a su bajo costo. El LDPE tiene mejor claridad que el HDPE, pero aún carece de la claridad cristalina que es deseable para algunas aplicaciones de empaque.
PP - polipropileno. Excelente transparencia (con enfriamiento rápido durante el modelado), alto punto de fusión, resistencia química y al agua. El PP es permeable al vapor de agua, lo que lo hace indispensable para el envasado de alimentos "anti-empañamiento" (pan, hierbas, comestibles), así como en la construcción para aislamiento hidro-viento. El PP es sensible al oxígeno y a los oxidantes. Se procesa mediante moldeo por extrusión-soplado o mediante matriz plana con rociado en tambor o enfriamiento en baño de agua. Tiene buena transparencia y brillo, alta resistencia química, especialmente a aceites y grasas, no se agrieta bajo la influencia del medio ambiente.
PVC - cloruro de polivinilo. En su forma pura, rara vez se usa debido a su fragilidad e inapropiación. Barato. Se puede procesar en película mediante extrusión de película soplada o hendidura plana. La masa fundida es muy viscosa. El PVC es térmicamente inestable y corrosivo. Cuando se sobrecalienta y se quema, libera un compuesto de cloro altamente tóxico: la dioxina. Ampliamente difundido en los años 60-70. Es reemplazado por polipropileno más ecológico.
Identificación de polímeros
Los consumidores de películas poliméricas se enfrentan muy a menudo a la tarea práctica de reconocer la naturaleza de los materiales poliméricos de los que están hechas. Las principales propiedades de los materiales poliméricos, como es bien sabido, están determinadas por la composición y estructura de sus cadenas macromoleculares. Por tanto, está claro que para la identificación de películas poliméricas en primera aproximación, puede ser suficiente una estimación de los grupos funcionales que componen las macromoléculas. Algunos polímeros, debido a la presencia de grupos hidroxilo (-OH), gravitan hacia moléculas de agua. Esto explica la alta higroscopicidad, por ejemplo, de las películas de celulosa y un cambio notable en su rendimiento cuando se humedecen. En otros polímeros (tereftalato de polietileno, polietileno, polipropileno, etc.), estos grupos están completamente ausentes, lo que explica su resistencia al agua bastante buena.
La presencia de ciertos grupos funcionales en el polímero se puede determinar sobre la base de métodos de investigación instrumental existentes y científicamente fundamentados. Sin embargo, la implementación práctica de estos métodos siempre está asociada con una cantidad de tiempo relativamente grande y se debe a la disponibilidad de tipos apropiados de equipos de prueba bastante costosos que requieren calificaciones apropiadas para su uso. Al mismo tiempo, existen métodos prácticos bastante simples y “rápidos” para reconocer la naturaleza de las películas de polímero. Estos métodos se basan en el hecho de que las películas poliméricas hechas de varios materiales poliméricos difieren entre sí en sus características externas, propiedades físicas y mecánicas, así como en relación con el calentamiento, la naturaleza de su combustión y solubilidad en disolventes orgánicos e inorgánicos.
En muchos casos, la naturaleza de los materiales poliméricos a partir de los cuales se fabrican las películas poliméricas puede determinarse mediante signos externos, en cuyo estudio se debe prestar especial atención a las siguientes características: estado de la superficie, color, brillo, transparencia, rigidez y elasticidad, resistencia al desgarro, etc. Por ejemplo, las películas no orientadas de polietileno, polipropileno y cloruro de polivinilo se estiran fácilmente. Las películas de poliamida, acetato de celulosa, poliestireno, polietileno orientado, polipropileno, cloruro de polivinilo no se estiran bien. Las películas hechas de acetato de celulosa no son resistentes al desgarro, se parten fácilmente en la dirección perpendicular a su orientación y crujen cuando se arrugan. Películas de poliamida y tereftalato de polietileno más resistentes al desgarro, que también crujen cuando se arrugan. Al mismo tiempo, las películas hechas de polietileno de baja densidad, cloruro de polivinilo plastificado no crujen al arrugarse y tienen una alta resistencia al desgarro. Los resultados del estudio de las características externas de la película de polímero investigada deben compararse con las características que se dan en la tabla. 1, tras lo cual ya es posible sacar algunas conclusiones preliminares.
Tabla 1. Signos externos
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Tipo de polímero |
Señales mecánicas |
Estado de la superficie al tacto |
Color |
Transparencia |
Brillar |
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Suave, elástica, resistente al desgarro. |
Suave, liso |
Incoloro |
Transparente |
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Ligeramente aceitoso, suave, dulce susurro |
Incoloro |
Translúcido |
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Duro, ligeramente elástico, resistente al desgarro |
Seco, liso |
Incoloro |
Translúcido o transparente |
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Duro, resistente al desgarro |
Seco, liso |
Incoloro |
Transparente |
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Suave, resistente al desgarro |
Seco, liso |
Incoloro |
Transparente |
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Duro, resistente al desgarro |
Incoloro |
Transparente |
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Seco, liso |
Incoloro o amarillo claro |
Translúcido |
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Rígido, débilmente resistente al desgarro |
Seco, suave, crujiendo mucho |
Incoloro o azulado |
Transparente |
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Rígido, débilmente resistente al desgarro |
Seco, suave, crujiendo mucho |
Incoloro, con un tinte amarillento o azulado |
Muy transparente |
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Duro, no resistente al desgarro |
Seco, liso |
Incoloro |
Muy transparente |
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Celofán |
Duro, no resistente al desgarro |
Seco, liso |
Incoloro |
Muy transparente |
Sin embargo, como es fácil de entender a partir del análisis de los datos que se dan en la tabla. 2, no siempre es posible establecer de forma inequívoca la naturaleza del polímero del que está hecha la película mediante signos externos. En este caso, es necesario intentar cuantificar algunas de las características físicas y mecánicas de la muestra disponible de la película de polímero. Como puede verse, por ejemplo, en los datos que se dan en la tabla. 2, la densidad de algunos materiales poliméricos (LDPE, HDPE, PP) es menor que la unidad y, por lo tanto, las muestras de estas películas deben "flotar" en agua. Para aclarar el tipo de material polimérico del que está hecha la película, la densidad de la muestra disponible debe determinarse midiendo su peso y calculando o midiendo su volumen. La especificación de la naturaleza de los materiales poliméricos también se ve facilitada por datos experimentales sobre características físicas y mecánicas como la resistencia última y el alargamiento bajo tensión uniaxial, así como el punto de fusión (Tabla 2). Además, como puede verse en el análisis de los datos que se dan en la tabla. 2, la permeabilidad de las películas de polímero con respecto a varios medios también depende significativamente del tipo de material del que están hechas.
Tabla 2. Características físicas y mecánicas a 20 ° C
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Tipo de polímero |
Densidad kg / m 3 |
Resistencia a la rotura, MPa |
Alargamiento a la rotura,% |
Permeabilidad al vapor de agua, g / m 2 en 24 horas |
Permeabilidad al oxígeno, cm 3 / (m 2 khatm) durante 24 horas |
Permeabilidad al CO 2, cm 3 / (m 2 hatm) durante 24 horas |
Punto de fusión, 0 С |
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Celofán |
Además de los rasgos distintivos en las características físicas y mecánicas, cabe señalar que existen diferencias en los rasgos característicos de varios polímeros durante su combustión. Este hecho permite utilizar en la práctica el llamado método térmico para identificar películas poliméricas. Consiste en el hecho de que una muestra de la película se prende fuego y se mantiene en una llama abierta durante 5-10 segundos, mientras se fijan las siguientes propiedades: la capacidad de arder y su naturaleza, el color y la naturaleza de la llama, el olor. de los productos de combustión, etc. Los signos característicos de la combustión son más distintos y se observan en el momento de la ignición de las muestras. Para establecer el tipo de material polimérico del que está hecha la película, es necesario comparar los resultados de la prueba con los datos sobre los rasgos característicos del comportamiento de los polímeros durante la combustión, que se dan en la tabla. 3.
Tabla 3. Características de combustión. Resistencia química
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Tipo de polímero |
Inflamabilidad |
Colorante de llama |
El olor a productos de combustión. |
Chem. resistencia a los ácidos |
Chem. resistencia a los álcalis |
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Por dentro azulado, sin hollín |
Quema de parafina |
Excelente |
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Arde en llamas y cuando se quita |
Por dentro azulado, sin hollín |
Quema de parafina |
Excelente |
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Arde en llamas y cuando se quita |
Por dentro azulado, sin hollín |
Quema de parafina |
Excelente |
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Verdoso con hollín |
Cloruro de hidrogeno |
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Difícil de encender y apagar |
Verdoso con hollín |
Cloruro de hidrogeno |
Excelente |
Excelente |
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Se enciende y arde fuera de la llama |
Amarillento con hollín fuerte |
Dulce, desagradable |
Excelente |
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Quema y se autoextingue |
Azul, amarillento en los bordes |
Cuerno o pluma quemados |
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Difícil de encender y apagar |
Brillante |
Algo dulce |
Excelente |
Excelente |
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Difícil de encender y apagar |
Amarillento con hollín |
Papel quemado |
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Quema en llamas |
Espumoso |
Ácido acético |
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Celofán |
Quema en llamas |
Papel quemado |
Como puede verse en los datos proporcionados en la tabla. 3, por la naturaleza de la combustión y el olor de los productos de combustión, las poliolefinas (polietileno y polipropileno) se parecen a la parafina. Esto es bastante comprensible, ya que la composición química elemental de estas sustancias es la misma. Por tanto, resulta difícil distinguir entre polietileno y polipropileno. Sin embargo, con cierta habilidad, puede distinguir el polipropileno por los olores penetrantes de los productos de combustión con tonos de caucho quemado o cera de sellado ardiente.
Por tanto, los resultados de una evaluación exhaustiva de las propiedades individuales de las películas poliméricas de acuerdo con los métodos anteriores permiten, en la mayoría de los casos, establecer de forma fiable el tipo de material polimérico del que se fabrican las muestras estudiadas. Cuando surgen dificultades para determinar la naturaleza de los materiales poliméricos a partir de los cuales se fabrican las películas, es necesario realizar estudios adicionales de sus propiedades mediante métodos químicos. Para ello, las muestras pueden someterse a descomposición térmica (pirólisis), mientras que la presencia de átomos característicos (nitrógeno, cloro, silicio, etc.) o grupos de átomos (fenol, grupos nitro, etc.), propensos a reacciones específicas que dar como resultado un efecto indicador bien definido. Los métodos prácticos anteriores para determinar el tipo de materiales poliméricos a partir de los cuales se fabrican las películas poliméricas son hasta cierto punto subjetivos y, por lo tanto, no pueden garantizar su identificación al cien por cien. No obstante, si surge tal necesidad, debe utilizar los servicios de laboratorios de pruebas especiales, cuya competencia está confirmada por los documentos de certificación pertinentes.
Índice de fluidez
El índice de fluidez de un material polimérico es el peso del polímero en gramos extruido a través de un capilar a una cierta temperatura y una cierta caída de presión en 10 minutos. La determinación del valor del índice de fluidez se lleva a cabo en dispositivos especiales llamados viscosímetros capilares. En este caso, las dimensiones del capilar están estandarizadas: longitud 8.000 ± 0,025 mm; diámetro 2.095 ± 0.005 mm; el diámetro interior del cilindro del viscosímetro es de 9,54 ± 0,016 mm. Los valores no enteros de los tamaños de los capilares están asociados con el hecho de que el primer método para determinar el índice de fluidez apareció en países con el sistema de medidas inglés. Las condiciones recomendadas para la determinación del índice de fluidez están reguladas por las normas pertinentes. GOST 11645-65 recomienda cargas de 2,16 kg, 5 kg y 10 kg y temperaturas en múltiplos de 10 ° C. ASTM 1238-62T (EE. UU.) Recomienda temperaturas de 125 ° C a 275 ° C y cargas de 0,325 kg a 21,6 kg. Muy a menudo, el índice de fluidez se determina a una temperatura de 190 ° C y una carga de 2,16 kg.
El valor del índice de flujo para diferentes materiales poliméricos se determina a diferentes cargas y temperaturas. Por lo tanto, debe tenerse en cuenta que los valores absolutos del índice de rendimiento son comparables solo para el mismo material. Entonces, por ejemplo, puede comparar el valor del índice de fluidez del polietileno de baja densidad de diferentes grados. La comparación de los valores de las características de flujo del polietileno de alta y baja densidad no permite comparar directamente las propiedades de flujo de ambos materiales. Dado que el primero se determina con una carga de 5 kg y el segundo con una carga de 2,16 kg.
Cabe señalar que la viscosidad de los polímeros fundidos depende significativamente de la carga aplicada. Dado que el índice de rendimiento de un material polimérico particular se mide con un solo valor de carga, este indicador caracteriza solo un punto en la curva de flujo completa en la región de esfuerzos cortantes relativamente bajos. Por lo tanto, los polímeros que difieren ligeramente en la ramificación de las macromoléculas o en el peso molecular, pero con el mismo índice de fluidez, pueden comportarse de manera diferente dependiendo de las condiciones de procesamiento. Sin embargo, a pesar de esto, en términos de la velocidad de flujo de fusión para muchos polímeros, se establecen los límites de los parámetros tecnológicos recomendados del proceso de procesamiento. La gran difusión de este método se debe a su rapidez y disponibilidad. Los procesos de extrusión para la producción de películas requieren altas viscosidades de fusión, por lo tanto, se utilizan materias primas con un bajo índice de fluidez.
Basado en materiales de NPL Plastic
El autor de este artículo, el académico Viktor Aleksandrovich Kabanov, es un destacado científico en el campo de la química de los compuestos macromoleculares, estudiante y sucesor del académico V.A. Kargin, uno de los líderes mundiales en la ciencia de los polímeros, fundador de una gran escuela científica, autor de una gran cantidad de obras, libros y material didáctico.
Los polímeros (del griego polímeros, que constan de muchas partes, diversos) son compuestos químicos con un alto peso molecular (de varios miles a muchos millones), cuyas moléculas (macromoléculas) consisten en una gran cantidad de grupos repetidos (unidades monoméricas). . Los átomos que forman las macromoléculas están conectados entre sí por las fuerzas de las valencias principales y (o) de coordinación.
Clasificación de polímeros
Por origen, los polímeros se dividen en naturales (biopolímeros), como proteínas, ácidos nucleicos, resinas naturales, y sintéticos, como resinas de polietileno, polipropileno, fenol-formaldehído.
Los átomos o grupos atómicos se pueden ubicar en una macromolécula en la forma:
- cadena abierta o extendida en una secuencia de ciclos en línea (polímeros lineales, como caucho natural);
- cadenas ramificadas (polímeros ramificados como amilopectina);
- Mallas 3D (polímeros reticulados como epoxis curados).
Los polímeros cuyas moléculas constan de las mismas unidades monoméricas se denominan homopolímeros, por ejemplo, cloruro de polivinilo, policaproamida, celulosa.
Se pueden construir macromoléculas de la misma composición química a partir de unidades de diferente configuración espacial. Si las macromoléculas constan de los mismos estereoisómeros o de diferentes estereoisómeros que se alternan en cadenas con una cierta periodicidad, los polímeros se denominan estereorregulares (ver Polímeros estereorregulares).
Que son los copolímeros
Los polímeros cuyas macromoléculas contienen varios tipos de unidades monoméricas se denominan copolímeros. Los copolímeros en los que las unidades de cada tipo forman secuencias continuas bastante largas, reemplazándose entre sí dentro de la macromolécula, se denominan copolímeros de bloque. Se pueden unir una o más cadenas de otra estructura a los enlaces internos (no terminales) de una macromolécula de una estructura química. Dichos copolímeros se denominan copolímeros de injerto (ver también Copolímeros).
Los polímeros en los que cada uno o algunos de los estereoisómeros de una unidad forman secuencias continuas suficientemente largas, reemplazándose entre sí dentro de una macromolécula, se denominan copolímeros de estereobloque.
Polímeros heterocatenarios y homocatenarios
Dependiendo de la composición de la cadena principal (principal), los polímeros se dividen en: heterocadena, cuya cadena principal contiene átomos de varios elementos, con mayor frecuencia carbono, nitrógeno, silicio, fósforo y homocadena, cuyas cadenas principales están construidas de los mismos átomos. De los polímeros de homocadena, los más comunes son los polímeros de cadena de carbohidratos, cuyas cadenas principales constan solo de átomos de carbono, por ejemplo, polietileno, polimetilmetacrilato y politetrafluoroetileno. Ejemplos de polímeros de heterocadenas. - poliésteres (polietilen tereftalato, policarbonatos, etc.), poliamidas, resinas de urea-formaldehído, proteínas, algunos polímeros de organosilicio. Los polímeros cuyas macromoléculas, junto con los grupos hidrocarbonados, contienen átomos de elementos inorgánicos, se denominan organoelementos (ver Polímeros organoelementos). Un grupo separado de polímeros. formar polímeros inorgánicos, como azufre plástico, cloruro de polifosfonitrilo (ver. Polímeros inorgánicos).
Propiedades y características más importantes de los polímeros
Los polímeros lineales tienen un complejo específico y. La más importante de estas propiedades: la capacidad de formar fibras y películas anisotrópicas de alta resistencia y altamente orientadas; la capacidad de deformaciones grandes y reversibles a largo plazo; la capacidad de hincharse en un estado muy elástico antes de disolverse; alta viscosidad de las soluciones (ver. Soluciones poliméricas, Hinchamiento). Este complejo de propiedades se debe al alto peso molecular, la estructura de la cadena y la flexibilidad de las macromoléculas. Con la transición de cadenas lineales a rejillas tridimensionales ramificadas y dispersas y, finalmente, a estructuras reticuladas densas, este complejo de propiedades se vuelve cada vez menos pronunciado. Los polímeros fuertemente reticulados son insolubles, infusibles e incapaces de deformaciones altamente elásticas.
Los polímeros pueden existir en estado cristalino y amorfo. Una condición necesaria para la cristalización es la regularidad de secciones suficientemente largas de la macromolécula. En polímeros cristalinos. Es posible la aparición de diversas estructuras supramoleculares (fibrillas, esferulitas, monocristales, etc.), cuyo tipo determina en gran medida las propiedades del material polimérico. Las estructuras supramoleculares en los polímeros no cristalizados (amorfos) son menos pronunciadas que en los cristalinos.
Los polímeros no cristalizados pueden estar en tres estados físicos: vidrioso, muy elástico y viscoso. Los polímeros con una temperatura baja (por debajo de la ambiente) de transición de un estado vítreo a uno altamente elástico se denominan elastómeros, con una temperatura alta: plásticos. Las propiedades de los polímeros dependen de la composición química, la estructura y la disposición mutua de las macromoléculas. puede variar en un rango muy amplio. Entonces, el 1,4-cis-polibutadieno, construido a partir de cadenas de hidrocarburos flexibles, a una temperatura de aproximadamente 20 grados C es un material elástico, que a una temperatura de 60 grados C se convierte en un estado vítreo; El polimetilmetacrilato, construido a partir de cadenas más rígidas, a una temperatura de aproximadamente 20 ° C es un producto sólido vítreo, que se convierte en un estado altamente elástico solo a 100 ° C.
La celulosa, un polímero con cadenas muy rígidas unidas por enlaces de hidrógeno intermoleculares, no puede existir en absoluto en un estado altamente elástico hasta la temperatura de su descomposición. Se pueden observar grandes diferencias en las propiedades de P. incluso si las diferencias en la estructura de las macromoléculas, a primera vista, son pequeñas. Así, el poliestireno estereorregular es una sustancia cristalina con un punto de fusión de aproximadamente 235 ° C, y el poliestireno no estereorregular (atáctico) es generalmente incapaz de cristalizar y se ablanda a una temperatura de aproximadamente 80 ° C.
Los polímeros pueden entrar en los siguientes tipos principales de reacciones: la formación de enlaces químicos entre macromoléculas (la llamada reticulación), por ejemplo, durante la vulcanización de cauchos, curtido de cuero; desintegración de macromoléculas en fragmentos separados y más cortos (ver. Destrucción de polímeros); reacciones de grupos funcionales secundarios de polímeros. con sustancias de bajo peso molecular que no afectan a la cadena principal (las denominadas transformaciones análogas a polímeros); reacciones intramoleculares que ocurren entre grupos funcionales de una macromolécula, por ejemplo, ciclación intramolecular. La reticulación a menudo ocurre simultáneamente con la destrucción. Un ejemplo de transformaciones análogas a polímeros es la saponificación de acetato de polivinilo, que conduce a la formación de alcohol polivinílico.
Velocidad de reacción del polímero. con sustancias de bajo peso molecular a menudo está limitado por la velocidad de difusión de estas últimas en la fase polimérica. Esto es más evidente en el caso de polímeros reticulados. La velocidad de interacción de las macromoléculas con sustancias de bajo peso molecular a menudo depende significativamente de la naturaleza y ubicación de las unidades vecinas en relación con la unidad de reacción. Lo mismo se aplica a las reacciones intramoleculares entre grupos funcionales pertenecientes a la misma cadena.
Algunas propiedades de los polímeros, por ejemplo, solubilidad, flujo viscoso, estabilidad, son muy sensibles a la acción de pequeñas cantidades de impurezas o aditivos que reaccionan con macromoléculas. Entonces, para convertir polímeros lineales de solubles a completamente insolubles, es suficiente formar 1-2 enlaces cruzados por macromolécula.
Las características más importantes de los polímeros son la composición química, el peso molecular y la distribución del peso molecular, el grado de ramificación y flexibilidad de las macromoléculas, estereorregularidad, etc. Propiedades de los polímeros. dependen significativamente de estas características.
Conseguir polímeros
Los polímeros naturales se forman durante la biosíntesis en las células de los organismos vivos. Mediante extracción, precipitación fraccionada y otros métodos, se pueden aislar de materias primas vegetales y animales. Los polímeros sintéticos se producen por polimerización y policondensación. Los polímeros de cadena de carbohidratos se sintetizan habitualmente polimerizando monómeros con uno o más enlaces carbono-carbono múltiples o monómeros que contienen grupos carbocíclicos inestables (por ejemplo, de ciclopropano y sus derivados). Los polímeros de heterocadena se obtienen por policondensación, así como por polimerización de monómeros que contienen múltiples enlaces carbono-elemento (por ejemplo, C = O, C º N, N = C = O) o grupos heterocíclicos frágiles (por ejemplo, en óxidos de olefina, lactamas).
Aplicación de polímeros
Debido a su resistencia mecánica, elasticidad, aislamiento eléctrico y otras propiedades valiosas, los productos poliméricos se utilizan en diversas industrias y en la vida cotidiana. Los principales tipos de materiales poliméricos son plásticos, cauchos, fibras (ver Fibras textiles, Fibras químicas), barnices, pinturas, adhesivos, resinas de intercambio iónico. El valor de los biopolímeros está determinado por el hecho de que forman la base de todos los organismos vivos y participan en casi todos los procesos vitales.
Referencia histórica. El término "polímero" fue introducido en la ciencia por I. Berzelius en 1833 para denotar un tipo especial de isomería, en el que las sustancias (polímeros) que tienen la misma composición tienen diferentes pesos moleculares, por ejemplo, etileno y butileno, oxígeno y ozono. Por tanto, el contenido del término no se correspondía con los conceptos modernos de polímeros. Los polímeros sintéticos "verdaderos" aún no se conocían en ese momento.
Aparentemente, se obtuvieron varios polímeros ya en la primera mitad del siglo XIX. Sin embargo, los químicos generalmente intentaron suprimir la polimerización y la policondensación, lo que condujo a la "resinificación" de los productos de la reacción química principal, es decir, de hecho, a la formación de un polímero. (Hasta ahora, los polímeros a menudo se llamaban "resinas"). Las primeras menciones a los polímeros sintéticos se remontan a 1838 (cloruro de polivinilideno) y 1839 (poliestireno).
La química de los polímeros surgió solo en relación con la creación de la teoría de la estructura química por A.M. Butlerov (principios de la década de 1860). AM Butlerov estudió la relación entre la estructura y la estabilidad relativa de las moléculas, que se manifiesta en reacciones de polimerización. Un mayor desarrollo (hasta finales de la década de 1920) la ciencia de los polímeros recibió principalmente debido a la búsqueda intensiva de métodos de síntesis de caucho, en la que los principales científicos de muchos países (G. Bouchard, W. Tilden, el científico alemán K. Harries , IL Kondakov, SV Lebedev y otros). En los años 30. Se demostró la existencia de mecanismos de polimerización por radicales libres (G. Staudinger y otros) e iónicos (el científico estadounidense F. Whitmore y otros). Los trabajos de W. Carothers jugaron un papel importante en el desarrollo del concepto de policondensación.
Desde principios de los años 20. siglo 20 También se están desarrollando conceptos teóricos de la estructura de los polímeros. Inicialmente, se asumió que los biopolímeros como celulosa, almidón, caucho, proteínas, así como algunos polímeros sintéticos con propiedades similares (por ejemplo, poliisopreno), consisten en pequeñas moléculas que tienen una capacidad inusual para asociarse en solución en complejos coloidales debido a a conexiones no covalentes (teoría de los "bloques pequeños"). G. Staudinger fue el autor de un concepto fundamentalmente nuevo de polímeros como sustancias que consisten en macromoléculas, partículas de un peso molecular inusualmente grande. El triunfo de las ideas de este científico (a principios de la década del 40 del siglo XX) obligó a considerar a los polímeros como un objeto de investigación cualitativamente nuevo en química y física.
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V.A.Kabanov. Fuente www.rubricon.ru
Prefacio
Todos los tipos de materiales poliméricos son sustancias en las que cada molécula es una cadena de decenas o cientos de miles de grupos idénticos de átomos conectados secuencialmente, y el mismo grupo de átomos se repite rítmicamente muchas veces.
Contenido
Los principales materiales poliméricos son resinas y plásticos. Dependiendo de si es un polímero termoplástico o un material termoendurecible, el material puede ablandarse y endurecerse repetidamente o, al calentarse una vez, convertirse en un estado sólido y perder permanentemente su capacidad de fundirse. Los materiales poliméricos modernos más utilizados como dispersiones, látex y adhesivos.
¿Qué son los materiales poliméricos de construcción?
¿Qué son los materiales poliméricos y cómo se utilizan en la construcción? Todos los tipos de materiales poliméricos son sustancias en las que cada molécula es una cadena de decenas o cientos de miles de grupos idénticos de átomos conectados secuencialmente, y el mismo grupo de átomos se repite rítmicamente muchas veces.
Los principales tipos de materiales poliméricos se dividen en termoplásticos y termoendurecibles. Los polímeros termoplásticos son capaces de ablandarse y endurecerse muchas veces con los cambios de temperatura, además de hincharse y disolverse fácilmente en disolventes orgánicos. Estos incluyen resinas y plásticos de poliestireno, polietileno y cloruro de polivinilo (PVC).
La principal propiedad de los materiales poliméricos termoendurecibles es la transición tras el calentamiento a un estado sólido insoluble y la pérdida irreversible de la capacidad de fundirse. Dichos polímeros incluyen resinas de fenol-formaldehído y urea-formaldehído, poliéster y epoxi.
Ciertos tipos de materiales poliméricos en construcción, bajo la influencia del calor, la luz y el oxígeno del aire, cambian sus propiedades con el tiempo: pierden flexibilidad, elasticidad, es decir, envejecen.
Para prevenir el envejecimiento de los materiales poliméricos de construcción modernos, se utilizan estabilizadores especiales (agentes anti-envejecimiento), que son varios compuestos organometálicos de plomo, bario, cadmio, etc. Por ejemplo, tinuvin P. se usa como estabilizador.
Cuáles son los materiales poliméricos y cuáles son sus principales características, lo encontrará en esta página.
Materiales poliméricos de plásticos y sus propiedades.
Uno de los principales tipos de materiales poliméricos son los plásticos. Son un grupo de materiales orgánicos, que se basan en sustancias resinosas sintéticas o naturales de alto peso molecular que pueden moldearse bajo calentamiento y presión, conservando de manera estable la forma que se les da.
Los materiales plásticos poliméricos tienen buenas propiedades de aislamiento térmico y eléctrico, resistencia a la corrosión y durabilidad. La densidad media de los plásticos es de 15-2200 kg / m3; resistencia a la compresión - 120-160 MPa. Los plásticos están dotados de buenas propiedades de aislamiento térmico y eléctrico, resistencia a la corrosión y durabilidad. Algunos de ellos son transparentes y muy adhesivos, y también tienden a formar películas delgadas y recubrimientos protectores. Por sus propiedades, estos materiales poliméricos se utilizan ampliamente en la construcción, principalmente en combinación con aglutinantes, metales y materiales pétreos.
Los plásticos consisten en un aglutinante: un polímero, un relleno, un plastificante y un acelerador de curado. Los tintes minerales también se utilizan en la fabricación de plásticos coloreados.
Polvos orgánicos y minerales, amianto, madera y fibras de vidrio, papel, telas de vidrio y algodón, chapas de madera, cartón de amianto, etc. se utilizan como rellenos en la fabricación de este tipo de materiales poliméricos. Los rellenos no solo reducen el costo del material , pero también mejoran ciertas propiedades de los plásticos: Aumenta la dureza, la fuerza, la resistencia a los ácidos y la resistencia al calor. Deben ser químicamente inertes, no volátiles y no tóxicos. Los plastificantes en la fabricación de plásticos son el ácido de zinc, estearato de aluminio y otros, que le dan al material una mayor plasticidad. Los catalizadores (aceleradores) se utilizan en plásticos para acelerar el curado. Un ejemplo de catalizador es la cal o la urotropina, que se utilizan para curar un polímero de fenol-formaldehído.
Materiales poliméricos sintéticos y sus aplicaciones.
Según el método de producción, los materiales poliméricos sintéticos se dividen en dos clases: clase A: polímeros obtenidos por polimerización en cadena; clase B - polímeros obtenidos por policondensación y polimerización escalonada.
El proceso de polimerización es una combinación de moléculas iguales y diferentes. No se forman subproductos durante la polimerización.
El proceso de policondensación es una combinación de un gran número de moléculas polirreactivas idénticas y diferentes de sustancias de bajo peso molecular, como resultado de lo cual se forma una sustancia de alto peso molecular. Durante el proceso de policondensación, se liberan agua, cloruro de hidrógeno, amoníaco y otras sustancias.
Resinas de organosilicio es un grupo especial de compuestos de alto peso molecular. La peculiaridad de estos materiales de construcción poliméricos es que tienen las propiedades de sustancias tanto orgánicas como inorgánicas.
Las características físicas y mecánicas de estos materiales poliméricos son prácticamente independientes de las fluctuaciones de temperatura en comparación con las resinas convencionales, además, son altamente hidrofóbicas y resistentes al calor. Las resinas de organosilicio se utilizan para obtener diversos productos resistentes a altas temperaturas (400-500 ° C).
El principal ámbito de aplicación de estos materiales poliméricos sintéticos es la fabricación de hormigones y morteros para incrementar su durabilidad. También se utilizan como revestimientos protectores sobre materiales pétreos naturales y artificiales (hormigón, piedra caliza, travertino, mármol, etc.). La impregnación tiene un efecto protector durante 6-10 años, después de lo cual debe renovarse.
Para la impregnación de superficies de productos hechos de piedra natural y otras estructuras de construcción, se utilizan líquidos hidrófobos de organosilicio (GKZh), que se disuelven antes de su uso con disolventes orgánicos, así como una emulsión acuosa al 50% (blanco lechoso), que se mezcla con agua. en una proporción de 1: diez.
Dispersión de acetato de polivinilo (PVA) es un producto de polimerización de acetato de vinilo en medio acuoso en presencia de un iniciador y un coloide protector. Es un líquido blanco viscoso, homogéneo, sin gritos ni impurezas.
El PVA, dependiendo de la viscosidad, se produce en tres grados: H - viscosidad baja, C - viscosidad media, B - viscosidad alta. Se utiliza en la fabricación de morteros poliméricos, masillas, pastas, que se utilizan en trabajos de revestimiento.
Látex sintético SKS-65GP- un producto de polimerización conjunta de butadieno con estireno en una proporción de 35:65 (en peso) en una emulsión acuosa utilizando jabón de sodio y nekal de ácidos grasos sintéticos como emulsionante. El látex SKS-65GP se utiliza en la fabricación de hormigones poliméricos, pinturas en emulsión, masillas y pastas para trabajos de revestimiento. Además, el látex se utiliza en la aplicación de varios recubrimientos.
Propiedades fisicoquímicas de este material de construcción de polímero de látex SKS-65GP:
- contenido de materia seca,%, no menos de 47;
- el contenido de estireno sin polimerizar,%, no más de 0.08;
- concentración de iones de hidrógeno (pH), no menos de 11;
- tensión superficial, dinas / cm2, no más de 40;
- viscosidad, s - 11-15;
- contenido de cenizas,%, no más de 1,5.
El látex sintético SKS-ZOSHR es un producto de la polimerización conjunta de butadieno con estireno en emulsión acuosa, se utiliza como aglutinante o adhesivo para trabajos de revestimiento.
Propiedades fisicoquímicas del látex SKS-ZOSHR:
- contenido de materia seca,%, no menos de 33;
- temperatura de gelatinización, ° С, no superior a 14;
- contenido de álcali libre,%, no más de 0,15.
Características de los adhesivos poliméricos
Los adhesivos poliméricos están disponibles en forma de polvos líquidos y películas.
Hay dos tipos de adhesivos líquidos. El primer tipo de adhesivos son cauchos, resinas o derivados de celulosa disueltos en un solvente orgánico volátil (alcohol o acetona). Después de la evaporación del disolvente, se forma una unión adhesiva sólida. El segundo tipo de adhesivos son las soluciones acuosas de resinas especialmente preparadas para adhesivos. Tales soluciones, si se almacenan correctamente, no se espesan durante varios meses. Los adhesivos líquidos contienen 40-70% de adhesivo sólido.
Los adhesivos líquidos más comunes son melamina-formaldehído, fenol-formaldehído, urea-formaldehído, caucho, epoxi, acetato de polivinilo, así como adhesivos con la adición de siliconas.
El pegamento CMC (sal sódica de carboximetilcelulosa) se utiliza en la fabricación de masillas y soluciones utilizadas para.
Pegamento de carbinol (vinil acetileno carboleno) es un líquido transparente viscoso de color naranja claro con alto poder adhesivo. Por lo tanto, se llama universal. Es capaz de pegar diversos materiales, incluso como hormigón, piedra, metal, madera. El adhesivo carbinol curado es resistente a aceites, ácidos, álcalis, gasolina, acetona y agua.
El ácido nítrico concentrado o el peróxido de benzoilo se utilizan como catalizadores para acelerar el endurecimiento de la cola carbinol. Este último es un polvo explosivo, por lo que debe almacenarse lejos del fuego.
La cola de carbinol se produce a base de jarabe de carbinol (100 partes en peso) de dos composiciones: en la primera se agrega como endurecedor peróxido de benzoilo (1-3 partes en peso), en la segunda - ácido nítrico concentrado (1- 2 partes en peso). H.).
La cola de carbinol se almacena a una temperatura de 20 ° C y en la oscuridad, ya que pierde su capacidad adhesiva bajo la influencia de la luz.
Adhesivo epoxídico Es un líquido viscoso transparente de color marrón claro con alta capacidad adhesiva. Se utiliza para pegar piedra, hormigón, baldosas cerámicas. La junta endurecida del adhesivo epoxi es resistente a ácidos, álcalis, solventes, agua, así como a altos esfuerzos mecánicos. Los endurecedores de la resina epoxi son polietilen poliamina o hexametilendiamina, plastificante - ftolato de dibutilo.
Introducción
1. Características de los polímeros
2. Clasificación
3. Tipos de polímeros
4. Aplicación
5. Ciencia de los polímeros
Conclusión
Lista de fuentes utilizadas
Introducción
Cadenas de moléculas de polipropileno.
Polímeros(Griego πολύ- - mucho; μέρος - parte) - Sustancias inorgánicas y orgánicas, amorfas y cristalinas obtenidas por repetición repetida de varios grupos de átomos, llamados "unidades monoméricas", conectadas en largas macromoléculas por enlaces químicos o de coordinación. Un polímero es un compuesto de alto peso molecular: el número de unidades de monómero en el polímero (grado de polimerización) debe ser lo suficientemente grande. En muchos casos, el número de unidades puede considerarse suficiente para clasificar la molécula como polímeros, si las propiedades moleculares no cambian con la adición de la siguiente unidad de monómero. Por regla general, los polímeros son sustancias con pesos moleculares de varios miles a varios millones.
Si la conexión entre macromoléculas se lleva a cabo utilizando fuerzas débiles de Van der Waals, se llaman termoplásticos, si con la ayuda de enlaces químicos, termoestables. Los polímeros lineales incluyen, por ejemplo, celulosa; polímeros ramificados, por ejemplo, amilopectina; hay polímeros con estructuras tridimensionales complejas.
En la estructura del polímero, se puede distinguir una unidad de monómero: un fragmento estructural repetido que contiene varios átomos. Los polímeros constan de una gran cantidad de grupos repetidos (unidades) de la misma estructura, por ejemplo, cloruro de polivinilo (-CH2-CHCl-) n, caucho natural, etc. Compuestos de alto peso molecular, cuyas moléculas contienen varios tipos de repeticiones grupos, se denominan copolímeros o heteropolímeros.
El polímero se forma a partir de monómeros como resultado de reacciones de polimerización o policondensación. Los polímeros incluyen numerosos compuestos naturales: proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos, caucho y otras sustancias orgánicas. En la mayoría de los casos, el concepto se refiere a compuestos orgánicos, pero existen muchos polímeros inorgánicos. Una gran cantidad de polímeros se obtienen sintéticamente a partir de los compuestos más simples de elementos de origen natural mediante reacciones de polimerización, policondensación y transformaciones químicas. Los nombres de los polímeros se derivan del nombre del monómero con el prefijo poli: polietileno, polipropileno, acetato de polivinilo, etc.
1. Características de los polímeros
Propiedades mecánicas especiales:
elasticidad- la capacidad de altas deformaciones reversibles con una carga relativamente baja (cauchos);
baja fragilidad de polímeros vítreos y cristalinos (plásticos, vidrio orgánico);
la capacidad de las macromoléculas para orientarse bajo la acción de un campo mecánico dirigido (utilizado en la fabricación de fibras y películas).
Características de las soluciones de polímeros:
alta viscosidad de la solución a baja concentración de polímero;
la disolución del polímero ocurre a través de la etapa de hinchamiento.
Propiedades químicas especiales:
la capacidad de cambiar drásticamente sus propiedades físicas y mecánicas bajo la influencia de pequeñas cantidades de un reactivo (vulcanización del caucho, curtido del cuero, etc.).
Las propiedades especiales de los polímeros se explican no solo por su alto peso molecular, sino también por el hecho de que las macromoléculas tienen una estructura de cadena y son flexibles.
2. Clasificación
Según su composición química, todos los polímeros se subdividen en orgánicos, organoelementos e inorgánicos.
Polímeros orgánicos.
Polímeros organoelementales. Contienen átomos inorgánicos (Si, Ti, Al) en la cadena principal de radicales orgánicos, combinados con radicales orgánicos. No existen en la naturaleza. Representante obtenido artificialmente - compuestos organosilícicos.
Cabe señalar que las combinaciones de diferentes grupos de polímeros se utilizan a menudo en materiales técnicos. Estos son materiales compuestos (por ejemplo, fibra de vidrio).
De acuerdo con la forma de las macromoléculas, los polímeros se dividen en redes lineales, ramificadas (un caso especial: en forma de estrella), de cinta, planas, en forma de peine, de polímeros, etc.
Los polímeros se clasifican según la polaridad (que afecta la solubilidad en varios líquidos). La polaridad de las unidades de polímero está determinada por la presencia de dipolos en su composición: moléculas con una distribución desacoplada de cargas positivas y negativas. En los enlaces no polares, los momentos dipolares de los enlaces de los átomos se compensan mutuamente. Los polímeros cuyas unidades tienen una polaridad significativa se denominan hidrófilos o polares. Polímeros con unidades no polares: no polares, hidrófobos. Los polímeros que contienen unidades polares y no polares se denominan anfifílicos. Se propone que los homopolímeros, cada unidad de los cuales contiene grandes grupos polares y apolares, se denominen homopolímeros anfifílicos.
Con respecto al calentamiento, los polímeros se clasifican en termoplásticos y termoendurecibles. Los polímeros termoplásticos (polietileno, polipropileno, poliestireno) se ablandan cuando se calientan, incluso se funden y se endurecen cuando se enfrían. Este proceso es reversible. Cuando se calientan, los polímeros termoendurecibles sufren una destrucción química irreversible sin fundirse. Las moléculas de polímeros termoendurecibles tienen una estructura no lineal obtenida por reticulación (por ejemplo, vulcanización) de moléculas de polímero de cadena. Las propiedades elásticas de los polímeros termoendurecibles son más altas que las de los termoplásticos, sin embargo, los polímeros termoendurecibles prácticamente no tienen fluidez, por lo que tienen una menor tensión de rotura.
Los polímeros orgánicos naturales se forman en organismos vegetales y animales. Los más importantes son los polisacáridos, las proteínas y los ácidos nucleicos, de los que se componen en gran parte los cuerpos de las plantas y los animales y que proporcionan el funcionamiento mismo de la vida en la Tierra. Se cree que la etapa decisiva en el surgimiento de la vida en la Tierra fue la formación de moléculas orgánicas más simples y de alto peso molecular (ver Evolución química).
3. Tipos de polímeros
Polímeros sintéticos. Materiales poliméricos artificiales
Una persona ha estado usando durante mucho tiempo materiales poliméricos naturales en su vida. Se trata de cueros, pieles, lana, seda, algodón, etc., utilizados para la confección de prendas de vestir, diversos aglutinantes (cemento, cal, arcilla), que, con un procesamiento adecuado, forman cuerpos poliméricos tridimensionales, los cuales son ampliamente utilizados como materiales de construcción. Sin embargo, la producción industrial de polímeros en cadena comenzó a principios del siglo XX, aunque los requisitos previos para esto aparecieron antes.
Casi de inmediato, la producción industrial de polímeros se desarrolló en dos direcciones: mediante el procesamiento de polímeros orgánicos naturales en materiales poliméricos artificiales y mediante la producción de polímeros sintéticos a partir de compuestos orgánicos de bajo peso molecular.
En el primer caso, la producción a gran escala se basa en celulosa. El primer material polimérico a partir de celulosa físicamente modificada, el celuloide, se obtuvo a principios del siglo XX. La producción a gran escala de éteres y ésteres de celulosa se estableció antes y después de la Segunda Guerra Mundial y continúa hasta el día de hoy. Sobre su base se producen películas, fibras, pinturas y barnices y espesantes. Cabe señalar que el desarrollo del cine y la fotografía solo fue posible gracias a la aparición de una película transparente de nitrocelulosa.
La producción de polímeros sintéticos comenzó en 1906, cuando L. Bakeland patentó la llamada resina de baquelita, un producto de condensación de fenol y formaldehído que, al calentarse, se convierte en un polímero tridimensional. Durante décadas, se ha utilizado para la fabricación de estuches para dispositivos eléctricos, baterías, televisores, enchufes, etc., y ahora se usa con mayor frecuencia como aglutinante y adhesivo.
Gracias a los esfuerzos de Henry Ford, antes de la Primera Guerra Mundial, comenzó el rápido desarrollo de la industria automotriz, primero sobre la base del caucho natural y luego también sintético. La producción de este último se dominó en vísperas de la Segunda Guerra Mundial en la Unión Soviética, Inglaterra, Alemania y Estados Unidos. En los mismos años, se dominó la producción industrial de poliestireno y cloruro de polivinilo, que son excelentes materiales aislantes eléctricos, así como el metacrilato de polimetilo, sin el vidrio orgánico llamado "plexiglás", la construcción masiva de aviones durante los años de guerra hubiera sido imposible.
Después de la guerra, se reanudó la producción de fibras y tejidos de poliamida (nailon, nailon), que había comenzado antes de la guerra. En los 50. Siglo XX. se desarrolló una fibra de poliéster y se dominó la producción de tejidos a base de ella bajo el nombre de lavsan o tereftalato de polietileno. El polipropileno y la nitrona, una lana artificial hecha de poliacrilonitrilo, completan la lista de fibras sintéticas que el hombre moderno usa para la confección y la producción. En el primer caso, estas fibras se combinan muy a menudo con fibras naturales de celulosa o proteínas (algodón, lana, seda). Un hecho trascendental en el mundo de los polímeros fue el descubrimiento a mediados de los años 50 del siglo XX y el rápido desarrollo industrial de los catalizadores Ziegler-Natta, que propició la aparición de materiales poliméricos basados en poliolefinas y, sobre todo, polipropileno y bajo -polietileno a presión (antes de eso, la producción de polietileno a una presión de aproximadamente 1000 atm.), así como polímeros estereorregulares capaces de cristalización. Luego, se introdujeron los poliuretanos en la producción en masa, los selladores, adhesivos y materiales blandos porosos más comunes (goma espuma), así como polisiloxanos, polímeros orgánicos de elementos con mayor resistencia térmica y elasticidad en comparación con los polímeros orgánicos.
La lista la cierran los llamados polímeros únicos sintetizados en los años 60-70. Siglo XX. Estos incluyen poliamidas aromáticas, poliimidas, poliésteres, poliéster cetonas, etc.; un atributo indispensable de estos polímeros es la presencia de anillos aromáticos y (o) estructuras aromáticas condensadas. Se caracterizan por una combinación de valores sobresalientes de resistencia y resistencia al calor.
Polímeros refractarios
Muchos polímeros tales como poliuretanos, poliéster y resinas epoxi son propensos a la inflamabilidad, lo que a menudo es inaceptable en el uso práctico. Para evitar esto, se utilizan diversos aditivos o polímeros halogenados. Los polímeros insaturados halogenados se sintetizan incorporando monómeros clorados o bromados en la condensación, por ejemplo, ácidoálico (HCEMTPA), dibromneopentilglicol o ácido tetrabromoftálico. La principal desventaja de tales polímeros es que, cuando se queman, pueden liberar gases que causan corrosión, lo que puede tener un efecto perjudicial en la electrónica cercana. Teniendo en cuenta los altos requisitos de seguridad ambiental, se presta especial atención a los componentes libres de halógenos: compuestos de fósforo e hidróxidos metálicos.
La acción del hidróxido de aluminio se basa en el hecho de que, bajo exposición a altas temperaturas, se libera agua, lo que evita la combustión. Para lograr el efecto, es necesario agregar grandes cantidades de hidróxido de aluminio: 4 partes en peso por una parte de resinas de poliéster insaturadas.
El pirofosfato de amonio funciona según un principio diferente: provoca la carbonización que, junto con una capa vítrea de pirofosfatos, aísla el plástico del oxígeno, inhibiendo la propagación del fuego.
Un nuevo material de relleno prometedor son los aluminosilicatos en capas, cuya producción se está instalando en Rusia.
4. Aplicación
Debido a sus valiosas propiedades, los polímeros se utilizan en la ingeniería mecánica, la industria textil, la agricultura y la medicina, la construcción de automóviles y barcos, la construcción de aeronaves, en la vida cotidiana (textiles y artículos de cuero, platos, pegamentos y barnices, joyería y otros artículos). Sobre la base de compuestos de alto peso molecular, se fabrican cauchos, fibras, plásticos, películas y recubrimientos de pintura. Todos los tejidos de los organismos vivos son compuestos de alto peso molecular.
5. Ciencia de los polímeros
La ciencia de los polímeros comenzó a desarrollarse como un campo de conocimiento independiente a principios de la Segunda Guerra Mundial y se formó como un todo en los años 50. Siglo XX, cuando se realizó el papel de los polímeros en el desarrollo del progreso técnico y la actividad vital de los objetos biológicos. Está estrechamente relacionado con la física, la química física, coloidal y orgánica y puede considerarse como uno de los fundamentos básicos de la biología molecular moderna, cuyos objetos de estudio son los biopolímeros.
Lista de fuentes utilizadas
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Resumen sobre el tema "Polímeros" actualizado: 18 de enero de 2018 por el autor: Artículos científicos.Ru
El siguiente artículo intentará responder a la pregunta de qué es un polímero. Aquí consideraremos la definición de dicho término, las características de las relaciones que surgen en las moléculas, la educación, los datos históricos y mucho más.
Introducción
¿Qué es un polímero? Es una sustancia que tiene una naturaleza inorgánica u orgánica y se forma a través de enlaces químicos que los provocan y les dan una forma amorfa o cristalina. El polímero se forma conectando una gran cantidad de unidades monoméricas simples, y la estructura resultante se denomina macromolécula. El tipo de enlace puede ser: de coordinación o de tipo químico. El polímero está estrechamente relacionado con los plásticos.
Enlace de la molécula
Al responder a la pregunta de qué es un polímero, es importante saber cómo se interconectan las moléculas de dicha sustancia. En el caso de que las macromoléculas se combinen mediante una fuerza de Van der Waals débil, se denominan termoplásticos. Si la unión por la que se conectan es de naturaleza química, entonces se trata de un plástico termoendurecible.
Existen formas lineales de polímeros (celulosa) y ramificadas (amilopectinas). Este último tiene una estructura tridimensional compleja. La estructura del polímero predetermina la presencia de una unidad de monómero. Es un fragmento de una cadena que se repite regularmente y consta de varios átomos.
Educación
Un polímero es una sustancia que se forma en una serie de fenómenos diferentes durante la reacción de polimerización, así como la policondensación. Este grupo de compuestos incluye muchos componentes naturales de los alimentos, entre los que se pueden distinguir: proteínas (proteína), carbohidratos polisacáridos, enseñan, una serie de ácidos nucleicos, etc. A pesar de que se trata principalmente de sustancias de naturaleza orgánica, los compuestos inorgánicos también tienen una gran cantidad de formaciones químicas similares. Muchos de ellos se obtienen mediante síntesis artificial.
Especificidad
Las sustancias discutidas en este artículo tienen muchas características que conducen a una gran necesidad de su uso por parte del ser humano.
Las peculiaridades de las propiedades mecánicas incluyen su elasticidad, baja fragilidad de la serie vítrea y cristalina de polímeros, así como la capacidad por la cual las macromoléculas se orientan en un compuesto a través de la actividad de campos mecánicos dirigidos.
Las soluciones de polímeros tienen alta viscosidad a bajas concentraciones. Pueden disolverse después de pasar por la etapa de hinchazón.
La principal propiedad del tipo químico es su capacidad para cambiar rápidamente el conjunto de sus propiedades físicas y mecánicas bajo la influencia de una pequeña cantidad de reactivos. Las moléculas son muy flexibles.
Puntos de vista
La clasificación de los polímeros se determina de acuerdo con varios parámetros.
La consideración de ellos desde el punto de vista de la química permite distinguir elementos no orgánicos y orgánicos, así como organoelementos. Estos últimos incluyen sustancias que contienen conjuntos de radicales inorgánicos en la base de la cadena. Aquí se rastrea la capacidad de los polímeros para formar relaciones entre sustancias de diferente naturaleza. Un ejemplo es un compuesto de organosilicio obtenido por medios artificiales. Los tipos inorgánicos de polímeros prescinden de carbono en las unidades repetidas, pero pueden incluirlo en los sustituyentes laterales.
De acuerdo con la forma, se distinguen varios tipos principales de conexiones: lineales, reticuladas, en forma de peine, planas, ramificadas, a veces en forma de estrella (incluidas en un grupo ramificado) y otras.
Se pueden distinguir otros tipos de polímeros determinando su polaridad, cuyo valor se puede encontrar calculando el número de dipolos. ¿Qué es?
Un dipolo es una molécula con una forma desacoplada de distribución de carga "+" y "-". El enlace no polar compensa mutuamente el momento dipolar del enlace entre los átomos. Los polímeros que se caracterizan por un grado significativo de polaridad se denominan grupos hidrófilos. Una sustancia anfifílica es un compuesto monomérico que tiene unidades polares y no polares.
Las reacciones de los polímeros al calentamiento permiten distinguir entre ellos los termoendurecibles y los termoplásticos. Los primeros incluyen sustancias que se ablandan durante el calentamiento y se endurecen cuando se exponen a bajas temperaturas. El proceso es reversible. Los polímeros termoendurecibles no se reducen bajo la influencia de altas temperaturas y la reacción se considera irreversible.
Proceso de desarrollo
¿Qué es un polímero? Esta pregunta proviene de la antigüedad. Sin embargo, de esta forma se formuló hace relativamente poco tiempo. El hombre ha utilizado sustancias similares desde la antigüedad. Nuestros antepasados utilizaron seda, materiales de algodón, cuero, lana y mucho más para crear elementos de ropa, como aglutinantes, en el transcurso de diversos tratamientos, etc. La redacción de la pregunta cambió a lo largo de la evolución humana, pero siempre fue general.
En las plantas industriales, los polímeros en cadena comenzaron a producirse a principios del siglo XX. Desde el inicio de la industria para su producción, las vías de formación de compuestos se han dividido en dos ramas. El primero se dedicó al procesamiento de polímeros, formas orgánicas y naturales. Con su ayuda, se crearon especies artificiales. El proceso de síntesis, por regla general, se lleva a cabo con la participación de una serie de compuestos de bajo peso molecular.
Actualmente, una de las industrias más grandes y de mayor escala utiliza la celulosa como base. El proceso no se ajustó de inmediato. El primer material que se obtiene modificando físicamente la celulosa es un polímero de celuloide. Sin embargo, su primer descubrimiento se realizó antes del siglo XX, a mediados del XIX. La posesión de la patente de resina de baquelita, que fue creada por Leo Bakeland, impulsó el rápido desarrollo de las industrias industriales en las que se fabricaban polímeros. Esto sucedió en 1906. Dicha resina es producto del proceso de condensación de formaldehído acoplado con fenol. La transformación se pudo observar durante el calentamiento y como resultado de este fenómeno se formaron compuestos tridimensionales. Durante décadas, esta resina se ha utilizado en la fabricación de estuches para diversos mecanismos, por ejemplo, para una batería, un televisor, un enchufe, etc.
La contribución de Henry Ford
La producción de polímeros se debe en gran parte a los esfuerzos realizados por G. Ford. Antes del estallido de la Primera Guerra Mundial, desarrolló activamente la industria automotriz. Inicialmente, utilizó cauchos naturales y luego comenzó a sintetizarlos artificialmente. La fabricación de este último se estudió y se dominó activamente en 1937-1939. Los principales países que han invertido mucho tiempo, dinero y otros recursos en esto son la URSS, Inglaterra, Estados Unidos de América y Alemania. En el mismo período, se dominaron el poliestireno y el cloruro de polivinilo, que aislaron perfectamente el cableado eléctrico. El descubrimiento del polimetilmetacrilato hizo posible establecer una producción a gran escala de aviones durante los años de guerra.
Después de que terminó la guerra, la síntesis de tejidos y fibras de poliamida comenzó a reanudarse. Su producción comenzó a desarrollarse incluso antes del segundo conflicto entre los países. En los años cincuenta del siglo XX se desarrollaron métodos para la obtención de fibras de poliéster y también se dominó la fabricación de materiales como lavsan y polietileno tereflatato. Las sustancias de polipropileno (lana obtenida artificialmente) son otro ejemplo llamativo de la explotación de fibras obtenidas durante la reacción de policondensación y polimerización.
Estructura refractaria
Polímero: ¿qué es? Al considerar este tema, mencionamos su capacidad para responder al tratamiento térmico.
A medida que profundiza en esto, es importante saber que muchos polímeros son inflamables. Estas sustancias se encienden fácilmente. Sin embargo, esto es inaceptable en la mayoría de los casos durante su fabricación y operación. Para evitar la probabilidad de tal incidente, se agrega una serie especial de aditivos a la composición del polímero.
Existe un concepto de polímeros halogenados, que se crean mediante la inclusión en reacciones de condensación de un conjunto diferente de monómeros del tipo clorado o bromado. Dichos compuestos tienen una alta refractariedad, pero su desventaja es que cuando se exponen a altas temperaturas, comienzan a formar gases, dando lugar a procesos de corrosión. Esto afecta negativamente a la ingeniería eléctrica cercana.
Métodos de operación
Repasando polímeros y plásticos, podemos decir que tienen una presencia generalizada de características de calidad. Ambos compuestos se utilizan en diversas ramas de la actividad humana, por ejemplo, en la fabricación de máquinas, con fines agrícolas, en medicina, en la fabricación de aviones, en la construcción naval, etc. El entorno humano cotidiano no puede prescindir de estas sustancias. Gracias a los compuestos de alto peso molecular, es posible producir varias fibras, caucho y, de hecho, plásticos. No olvidemos que nuestro cuerpo funciona debido a la presencia en él de una gran cantidad de polímeros, que no solo construyen órganos y tejidos, sino que también sirven como medio para obtener recursos energéticos, por ejemplo, ATP o NADP, formados durante la oxidación biológica. y digestión.
Estudio de polímeros
La definición de polímeros se formuló hace más de 150 años. Sin embargo, la ciencia que los estudia se independizó solo antes del estallido de la Segunda Guerra Mundial, que comenzó en 1939. Recibió un desarrollo más fuerte ya en los años cincuenta del siglo XX y luego se estudió en detalle. En este momento se determinó el papel de los polímeros, su relación con el desarrollo del progreso de carácter técnico, el efecto sobre los objetos biológicos, etc. La rama de la ciencia que estudia dichos compuestos está estrechamente relacionada con diversas ramas de la química, física y biología.