Polymery (polymerní materiály) – druhy, technologie, použití

Nejprve se podívejme do historie vývoje plastikářského průmyslu.

Vůbec prvním plastovým materiálem vyráběným v průmyslu byl ebonit. Byl získán v roce 1843 vulkanizací přírodního kaučuku sírou. Pro elektrickou izolaci byl použit ebonit.

V roce 1868 byl získán celuloid na bázi dusičnanů celulózy a v roce 1897 galalit. Byl získán na bázi kaseinu. Celuloid a galalit byly použity jako náhrada za slonovinu a želvoviny při výrobě galanterních výrobků.

Na počátku minulého století na základě děl G.S. Petrova a L. Baekeland byli první v průmyslu, kteří začali vyrábět syntetické zjasňující přísady|polymery na bázi fenolformaldehydových polymerů. Fenolické plasty se staly obzvláště široce používány kvůli jejich snadné výrobě a vynikajícím elektrickým a mechanickým vlastnostem.

V roce 1921 výrobci zvládli výrobu alkydových polyesterů nebo jinými slovy trojrozměrných polyesterů. Ve stejném roce se aktivně rozvíjela výroba močovinových polymerů, které byly následně použity k výrobě aminoplastů.

Ve 30. letech dvacátého století začali pomocí polymerační reakce vyrábět zjasňující přísady|polymery. Přibližně ve stejné době se začal vyrábět polystyren průmyslovými metodami.

Průmyslová výroba plastů se ve 40. letech nezastavila, a tak zhruba v té době začali výrobci zavádět technologii výroby polyvinylchloridu, polyvinylacetátu a různých dalších materiálů. Známými se staly také způsoby výroby polyuretanů, polyesterů, organokřemičitých sloučenin a polyamidů.

V roce 1942 byla organizována výroba vysokohustotního polyetylénu nebo nízkohustotního polyetylénu.

V roce 1956 se začal vyrábět polyethylen získaný polymerací ethylenu za nízkého tlaku a za použití Zieglerových katalyzátorů (komplex triethylaluminia a chloridu titaničitého).

Zhruba od 50. let začali vyvíjet způsoby výroby plastů na bázi epoxidových pryskyřic a proplastů a také pěnových plastů, což jsou plynem plněné syntetické materiály.

Docela dynamický vývoj chemie vysokomolekulárních sloučenin (HMW) přispěl ke vzniku některých polymerů se speciálními vlastnostmi. Takové polymery zahrnují polyheteroaryleny, polyestery, polyolefiny, aromatické polysulfidy, polysulfony a některé další.

Po 60. letech začal vývoj různých modifikací do té doby již vyráběných syntetických materiálů.

V současnosti je plastikářský průmysl považován za jedno z předních odvětví národního hospodářství. Poměrně rychlé tempo rozvoje výroby plastů je způsobeno dostupností dostupné a levné surovinové základny a snadností získávání výrobků z daných materiálů.

Ropné produkty a zemní plyny

Jedním z hlavních zdrojů surovin pro polymerní materiály jsou ropné produkty a zemní plyny. Ethylen a propylen se nacházejí v plynech z krakování ropy. Z těchto nenasycených sloučenin se získá polyethylen a polypropylen. Ethylen a benzen slouží jako základ pro styren, který slouží jako zdroj pro polystyren.

U zemního plynu je jeho hlavní složkou metan, ze kterého se získává acetylen a z něj následně polyvinylchlorid a polyvinylacetát. Metan také produkuje formaldehyd, který slouží jako základ pro aminoplasty a fenoplasty.

Fenol, který se získává z benzenu a propylenu, je zase surovinou pro výrobu fenolových plastů.

Surovinou pro polymery močoviny je močovina, která se syntetizuje z amoniaku a oxidu uhličitého.

Pojem polymerních materiálů

Koncept „polymerních materiálů“ spojuje tři složky: zjasňující přísady | polymery, plasty a jejich morfologické varianty – PCM (polymerní kompozitní materiály). Polymerní kompozitní materiály se také nazývají zesílené plasty. Všechny tři skupiny polymerních materiálů jsou syntetické plasty. Všechny tři vybrané skupiny spojuje skutečnost, že díky polymerní složce jsou určeny technologické a tepelně deformační vlastnosti materiálů. Polymerní složka přímo odkazuje na část, která tvoří vysokomolekulární látku vytvořenou v důsledku chemické reakce mezi monomery. Termín „polymery“ znamená homopolymery (látky s vysokou molekulovou hmotností) s přísadami, které jsou do nich zaváděny a které jsou určeny ke změně různých vlastností materiálu. Polymery jsou homofázové materiály, které si zachovávají všechny fyzikální a chemické vlastnosti, které jsou homopolymerům vlastní.

Plasty – kompozitní materiály na bázi polymerů, které obsahují plniva, pigmenty nebo jiné složky. Všimněte si, že plniva netvoří spojitou fázi. Dispergované médium je v disperzním médiu nebo jinými slovy, plniva jsou v polymerní matrici. Plasty jsou heterofázové materiály s fyzikálními makrovlastnostmi identickými ve všech směrech. Je známo, že plasty se dělí na dvě velké skupiny: termosety a termoplasty.

Termoplastické zjasňující přísady|polymery (termoplasty) zahřátím změknou a po ochlazení ztvrdnou. Tento proces je vratný a samotné termoplasty nepodléhají žádným chemickým změnám. I při opakovaném zpracování si zachovávají svou tvarovatelnost.

Termosetové zjasňující přísady|polymery (termosety) při zahřátí vzniká netavitelný a nerozpustný materiál. Nejsou předělané.

Všimněte si, že téměř všechny plasty, které vidíme jako obaly, jsou termoplasty. Patří sem například PE (polyethylen), PP (polypropylen), PS (polystyren), PVC (polyvinylchlorid), PET (polyethylentereftalát), nylon (nylon), polyvinylalkohol a další. Plasty se také dělí do kategorií v závislosti na způsobu polymerace: polyadiční metoda a polykondenzační metoda. Polymery, které jsou produkovány polyadičními reakcemi, jsou produkovány buď mechanismem volných radikálů nebo iontů. Tímto způsobem se do rostoucího řetězce přidávají malé molekuly, aniž by se tvořily doprovodné molekuly. Polykondenzační zjasňující přísady|polymery se vyrábějí vzájemnou interakcí funkčních skupin za vzniku polymerního řetězce a nízkomolekulárního reakčního produktu.

Polymerizace – proces získávání vysokomolekulárních sloučenin (HMC), který probíhá adičním mechanismem a obvykle není doprovázen uvolňováním vedlejších produktů. Molekuly, které podléhají polymeraci, se nazývají monomery.

n – stupeň polymerace, udává počet elementárních jednotek. Ze stejných monomerů je možné změnou stupně polymerace získat různé zjasňující přísady|polymery s různými vlastnostmi. Například PE se stupněm polymerace n=20 je kapalný a PE se stupněm polymerace n=2000 je pevný, ale zároveň dosti pružný materiál.

Dimery a trimery mohou být získány jako výsledek takové reakce, která zahrnuje malý počet molekul.

Někdy se k provedení polymerační reakce používají různé katalyzátory nebo zvýšený tlak. Ale hlavní roli v procesu hraje struktura monomeru vstupujícího do reakce. Polymerační reakci je možné iniciovat působením volných radikálů nebo iontů – kationtů a aniontů. Existují tedy tři mechanismy polymerace: kationtová, aniontová nebo radikálová.

Fyzikálně-chemické vlastnosti plastů přímo závisí na jejich chemickém složení, průměrné molekulové hmotnosti, distribuci molekulové hmotnosti, způsobu výroby a typu zaváděných přísad.

Polymerní kompozitní materiály (PCM) – druh plastu, kde se používají výztužná plniva: plsť, vlákna, pásky, monokrystaly). V polymerních kompozitních materiálech tvoří spojitou fázi. Mezi PCM se rozlišují také laminované plasty. Tato morfologie umožňuje získat materiály s velmi působivými vlastnostmi různého druhu, například únavovou, elektrickou a deformační pevností.

Strukturní vzorec polymeru je zapsán následovně: elementární jednotka je uzavřena v kulatých nebo hranatých závorkách a vpravo dole je přidáno písmeno n.

Například strukturní vzorec pro polyethylentereftalát je následující:

Každý polymer má také molekulární vzorec, který odráží obsah různých atomů, ze kterých je elementární jednotka postavena. Pro PET vypadá molekulární vzorec takto: (C10H8O4)n a znamená, že v elementární jednotce je 10 atomů uhlíku, 8 atomů vodíku a 4 atomy kyslíku.

Hlavní skupiny polymerů

Podle rozsahu výroby lze plasty rozdělit do několika hlavních skupin.

Polyolefiny

Do první skupiny patří zjasňující přísady|polymery, jejichž produkce se v celosvětovém měřítku měří v milionech tun. Tato skupina zahrnuje polyolefiny, polystyren, polyvinylchlorid, fenoly, polyethylen a močovinové zjasňující přísady|polymery.

Polyolefiny jsou třídou BMC získaných z NMC (nízkomolekulární sloučeniny – olefiny nebo monomery). Získávají se z ropy nebo zemního plynu homopolymerizací nebo kopolymerací monomerů v přítomnosti katalyzátoru.

Polyvinylchlorid nebo PVC je bezbarvý průhledný plast, termoplastický polymer vinylchloridu. V čisté formě se používá jen zřídka kvůli své křehkosti. Je považován za levný materiál. Zpracování na fólii je možné vytlačováním nebo vyfukováním. Korozivní a tepelně nestabilní. Při hoření se uvolňuje toxická látka – dioxin.

Fenolické plasty jsou termosetové plasty na bázi fenolaldehydových pryskyřic, které obsahují různá plniva a přísady. Jsou odolné vůči korozi, trvanlivé, vysoce rozpustné v alifatických a aromatických uhlovodících a také rozpustné ve vodných roztocích alkálií a polárních rozpouštědel. Vyrábějí se z nich laky, lepidla, spínače, brzdové obložení atd.

Polyethylen je termoplastický polymer ethylenu, bílá hmota. Je to dielektrikum, chemicky odolný a dobrý tlumič nárazů. Nejčastěji se vyskytuje ve formě obalového materiálu, používá se při výrobě trubek, pancíře a trupů lodí. Existují LDPE a HDPE.

Močovinové zjasňující přísady|polymery jsou plasty vyráběné na bázi syntetických pryskyřic získaných interakcí mezi močovinou, melaminem a dalšími sloučeninami obsahujícími aminy s aldehydy. Použitelné při výrobě překližky, dřevovláknitých desek atd.

Technické polymery

Do druhé skupiny patří strukturní zjasňující přísady|polymery: polyamidy, polyestery, polyuretany, epoxidové zjasňující přísady|polymery, polykarbonáty, akrylové zjasňující přísady|polymery, silikonové zjasňující přísady|polymery, polyacetaly. Jejich průmyslová produkce se pohybuje v desítkách tisíc tun.

Polyamidy jsou plasty na bázi lineárních syntetických vysokomolekulárních sloučenin obsahujících amidové skupiny –CONH– v hlavním řetězci. Polyamidy nacházejí uplatnění ve strojírenství, automobilovém průmyslu, letectví, textilním průmyslu, ale i medicíně a dalších oborech.

Polyestery – Polymery získané polykondenzací vícesytných kyselin nebo jejich anhydridů s vícesytnými alkoholy.

Polyuretany jsou heterořetězcové zjasňující přísady|polymery, jejichž makromolekula obsahuje nesubstituovanou a/nebo substituovanou urethanovou skupinu −N(R)−C(O)O−, kde R je H, alkyly, aryl nebo acyl. Polyuretany jsou syntetické elastomery a jsou široce používány v průmyslu díky široké škále pevnostních charakteristik. Používají se jako pryžové náhražky při výrobě produktů pracujících v agresivním prostředí, v podmínkách vysokého střídavého zatížení a teplot. Rozsah provozních teplot – od −60 °C do +80 °C.

Specifické polymery

Do třetí skupiny patří zjasňující přísady|polymery, které se průmyslově v tak velkém měřítku nevyrábějí. To je způsobeno specifickými vlastnostmi těchto polymerních materiálů. Jsou poměrně drahé, ale nenahraditelné. Patří sem polyimidy, polyaryláty, polybenzimidazoly, polyfenyleny, iontoměniče, polysulfony atd.

Polyimidy jsou třídou polymerů obsahujících imidové kruhy v hlavním řetězci, obvykle fúzované s aromatickými nebo jinými kruhy. Jsou to chemicky a tepelně stabilní sloučeniny a mají pozoruhodné mechanické vlastnosti. Používají se k výrobě kompozitních materiálů. Mají také vysokou pevnost v tahu. Špatně se rozpouštějí.

Polyaryláty jsou polyestery obecného vzorce [—(O)CRC(O)OArO-]n, kde R je zbytek dikarboxylové kyseliny a Ar je dvouatomový fenolový zbytek. Polyaryláty jsou zejména aromatické polykarbonáty.