Природные и синтетические высокомолекулярные соединения (полимеры)

Высокомолекулярными соединениями, или полимерами, называют сложные вещества с большими молекулярными массами (порядка сотен, тысяч и миллионов), молекулы которых построены из множества повторяющихся элементарных звеньев, образующихся в результате взаимодействия и соединения друг с другом одинаковых или разных простых молекул - мономеров.

Следующие два процесса приводят к образованию высокомолекулярных соединений: а) реакция полимеризации - процесс, в результате которого молекулы низкомолекулярного соединения (мономера) соединяются друг с другом при помощи ковалентных связей, образуя новое вещество (полимер), молекулярная масса которого в целое число раз больше, чем у мономера; полимеризация характерна, главным образом, для соединений с кратными (двойными или тройными) связями; б) реакция поликонденсации - процесс образования полимера из низкомолекулярных соединений, содержащих две или несколько функциональных групп, сопровождающийся выделением за счет этих групп таких веществ, как вода, аммиак, галогеноводород и т.п.; состав элементарного звена полимера в этом случае отличается от состава исходного мономера.

Примерами природных высокомолекулярных соединений могут служить крахмал и целлюлоза, построенные из элементарных звеньев, являющихся остатками моносахарида (глюкозы), а также белки, элементарные звенья которых представляют собой остатки аминокислот; сюда же относятся природные каучуки (см. ниже).

Все большее значение приобретают синтетические высокомолекулярные соединения или, как их иначе называют, синтетические полимеры. Это разнообразные материалы, обычно синтезируемые из доступного и дешевого сырья; на их основе получают пластические массы (пластмассы) - сложные композиции, в которые вводят различные наполнители и добавки, придающие полимерам необходимый комплекс технических свойств, а также синтетические волокна (см. § 177).

Полимеры являются ценными заменителями многих природных материалов (металлов, дерева, кожи, клеев и т.п.). Синтетические волокна успешно заменяют натуральные - шелковые, шерстяные, хлопчатобумажные. При этом важно подчеркнуть, что по ряду свойств материалы на основе синтетических полимеров часто превосходят природные. Можно получать пластические массы, волокна и другие соединения с комплексом заданных технических свойств. Это позволяет решать многие задачи современной техники, которые не могли быть решены при использовании только природных материалов.

Полимеризационные смолы. К полимеризационным смолам относятся полимеры, получаемые реакцией полимеризации преимущественно этиленовых углеводородов или их производных.

Полиэтилен - представляет собой полимер, образующийся при полимеризации этилена, например при сжатии его до 150-250 МПа при 150-250 °С (полиэтилен высокого давления)

или сокращенно:

Реакция полимеризации представляет собой результат раскрытия двойных связей во множестве молекул непредельного соединения (в данном случае этилена) и последующего соединения этих молекул друг с другом в одну гигантскую макромолекулу. Величина п выражает степень полимеризации - указывает число мономерных звеньев, образующих макромолекулу. Начало полимеризации этилена вызывается введением небольшого количества (0,05-0,1%) кислорода.

Найдены катализаторы, благодаря которым этилен полимеризует- ся при низких давлениях. Например, в присутствии триэтил-алюми- ния (C 2 H 5) 3 Al с добавкой хлорида титана (IV) TiCl 4 (катализатор Циглера) полимеризация протекает при атмосферном давлении (получается полиэтилен низкого давления)", на оксидах хрома (катализатор Филипса) полимер образуется при давлении до 10 МПа (полиэтилен среднего давления).

Полиэтилен - предельный углеводород с молекулярной массой от 10 000 до 400 000. Он представляет собой бесцветный полупрозрачный в тонких и белый в толстых слоях, воскообразный, но твердый материал с температурой плавления 110-125 0 C. Обладает высокой химической стойкостью и водонепроницаемостью, малой газопроницаемостью. Его применяют в качестве электроизоляционного материала, а также для изготовления пленок, используемых в качестве упаковочного материала, для изготовления легкой небьющейся посуды, шлангов и трубопроводов для химической промышленности. Свойства полиэтилена зависят от способа его получения; например, полиэтилен высокого давления обладает меньшей плотностью и меньшей молекулярной массой (10 000-45 000), чем полиэтилен низкого давления (молекулярная масса 70 000-400 000), что сказывается на технических свойствах. Для контакта с пищевыми продуктами допускается только полиэтилен высокого давления, так как полиэтилен низкого давления может содержать остатки катализаторов - вредные для здоровья человека соединения тяжелых металлов.

Полипропилен - образуется из пропилена, следующего за этиленом гомолога непредельных этиленовых углеводородов:

Полимеризация протекает в присутствии катализаторов. В зависимости от условий полимеризации получают полипропилен, различающийся по структуре макромолекул, а следовательно, и по свойствам. По внешнему виду это каучукоподобная масса, более или менее твердая и упругая. Отличается от полиэтилена более высокой температурой плавления. Например, полипропилен с молекулярной массой выше 80 000 плавится при 174-175 0 C.

Используют полипропилен для электроизоляции, изготовления защитных пленок, труб, шлангов, шестерен, деталей приборов, а также высокопрочного и химически стойкого волокна. Последнее применяют в производстве канатов, рыболовных сетей и др. Пленки из полипропилена значительно прозрачнее и прочнее полиэтиленовых, пищевые продукты в упаковке из полипропилена можно подвергать стерилизации, варке и разогреванию.

Полистирол - образуется при полимеризации стирола:

Он может быть получен в виде прозрачной стеклообразной массы. Применяется как органическое стекло, для изготовления промышленных товаров (пуговиц, гребней и т.п.), в качестве электроизолятора.

Поливинилхлорид (полихлорвинил) - получается полимеризацией винилхлорида:

Это - эластичная масса, очень стойкая к действию кислот и щелочей. Широко используется для футеровки труб и сосудов в химической промышленности. Применяется для изоляции электрических проводов, изготовления искусственной кожи, линолеума, непромокаемых плащей. Хлорированием поливинилхлорида получают перхлор- виниловую смолу.

Политетрафторэтилен - полимер тетрафторэтилена:

Политетрафторэтилен выпускается в виде пластмассы, называемой тефлоном или фторопластом. Весьма стоек по отношению к щелочам, концентрированным кислотам и другим реагентам. По химической стойкости превосходит золото и платину. Негорюч, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Применяется в химическом машиностроении, электротехнике.

Полиакрилаты и полиакрилонитрил. Важное значение имеют полимеры непредельных акриловой CH 2 =CH-COOH и метакриловой CH 2 =C(CH 3)-COOH кислот, особенно их метиловых эфиров - метилакрилата и метилметакрилата, а также нитрила акриловой кислоты (или акрилонитрила ) CH 2 =CH-C=N, - производного этой кислоты, в котором карбоксильная группа -COOH заменена группой -C=N. Строение важнейших из этих полимеров выражается формулами:

Полиметилакрилат и полиметилметакрилат - твердые, бесцветные, прозрачные, стойкие к нагреванию и действию света, пропускающие ультрафиолетовые лучи полимеры. Из них изготовляют листы прочного и легкого органического стекла, широко применяемого для различных изделий. Из полиакрилонитрила получают нитрон (или орлон) - синтетическое волокно, идущее на производство трикотажа, тканей (костюмных и технических).

Каучуки - эластичные материалы, из которых путем специальной обработки получают резину. В технике из каучуков изготовляют шины для автотранспорта, самолетов, велосипедов; каучуки применяют для электроизоляции, а также для производства промышленных товаров и медицинских приборов.

Натуральный (природный) каучук (HK) представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород, молекулы которого содержат большое число двойных связей; состав его может быть выражен формулой (C 5 H 8) w (где значение п составляет от 1000 до 3000); он является полимером изопрена:

Как видно из этой схемы, при полимеризации изопрена раскрываются обе его двойные связи, а в элементарном звене полимера двойная связь возникает на новом месте - между атомами углерода 2 и 3.

Природный каучук содержится в млечном соке каучуконосных растений, главным образом, тропических (например, бразильского дерева гевея). Другой природный продукт - гуттаперча - также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул.

Сырой каучук липок, непрочен, а при небольшом, понижении температуры становится хрупким. Чтобы придать изготовленным из каучука изделиям необходимую прочность и эластичность, каучук подвергают вулканизации - вводят в него серу и затем нагревают. Вулканизованный каучук называется резиной.

При вулканизации сера присоединяется к двойным связям макромолекул каучука и «сшивает» их, образуя дисульфидные «мостики».

В результате вулканизации каучук теряет пластичность, становится упругим.

По способу, предложенному С.В. Лебедевым (1874-1934), исходным материалом для производства синтетического каучука (CK) служит непредельный углеводород бутадиен, или дивинил, который по- лимеризуется подобно изопрену:

По Лебедеву, исходный бутадиен получают из этилового спирта. Теперь разработано получение его из бутана попутного нефтяного газа.

В настоящее время химическая промышленность производит много различных видов синтетических каучуков, превосходящих по некоторым свойствам натуральный каучук. Кроме полибутадиенового каучука (СКВ), широко применяются сополимерные каучуки - продукты совместной полимеризации (сополимеризации ) бутадиена с другими непредельными соединениями, например со стиролом (CKC) или с акрилонитрилом (СКН):

В молекулах этих каучуков звенья бутадиена чередуются со звеньями соответственно стирола и акрилонитрила.

Конденсационные смолы - к ним относят полимеры, получаемые реакцией поликонденсации.

Фенолоформальдегидные смолы. Эти высокомолекулярные соединения образуются в результате взаимодействия фенола (C 6 H 5 OH) с формальдегидом (CH 2 =O) в присутствии кислот (НС1 и др.) или щелочей (NaOH, NH 4 OH) в качестве катализаторов. Образование фенолоформальдегидных смол происходит согласно схеме:

Процесс сопровождается выделением воды. Фенолоформальдегид- ные смолы обладают замечательным свойством: при нагревании они вначале размягчаются, а при дальнейшем нагревании (особенно в присутствии соответствующих катализаторов) затвердевают. Из этих смол готовят ценные пластические массы - фенопласты: смолы смешивают с различными наполнителями (древесной мукой, измельченной бумагой, асбестом, графитом и т.п.), с пластификаторами, красителями, и из полученной массы изготовляют методом горячего прессования различные изделия. В последние годы фенолоформаль- дегидные смолы нашли новые области применения, например производство строительных деталей из отходов древесины, изготовление оболочковых форм в литейном деле.

Полиэфирные смолы. Примером таких смол может служить продукт поликонденсации двухосновной ароматической терефталевой кислоты с двухатомным спиртом этиленгликолем:

Полиэтилентерефталат - полимер, в молекулах которого многократно повторяется группировка сложного эфира. В России эту смолу выпускают под названием лавсан (за рубежом - терилен , дакрон). Из нее готовят волокно, напоминающее шерсть, но значительно более прочное, дающее несминаемые ткани. Лавсан обладает высокой термо-, влаго- и светостойкостью, устойчив к действию щелочей, кислот и окислителей.

Полиамидные смолы. Полимеры этого типа являются синтетическими аналогами белков. В их цепях имеются такие же, как в белках, многократно повторяющиеся амидные -СО-NH- группы. В цепях молекул белков они разделены звеном из одного С-атома, в синтетических полиамидах - цепочкой из четырех и более С-атомов. Волокна, полученные из синтетических смол, - капрон, энант и анид - по некоторым свойствам значительно превосходят натуральный шелк. В текстильной промышленности из них вырабатывают красивые прочные ткани и трикотаж. В технике используют изготовленные из капрона или анида веревки, канаты, отличающиеся высокой прочностью; эти полимеры применяют также в качестве основы автомобильных шин, для изготовления сетей, различных технических тканей.

Капрон является продуктом поликонденсации аминокапроновой кислоты:

Энант - поликонденсат аминоэнантовой кислоты, содержащей цепь из семи атомов углерода.

Анид (найлон или перлон ) получается поликонденсацией двухосновной адипиновой кислоты HOOC-(CH 2) 4 -COOH и гексамети- лендиамина NH 2 -(CH 2) 6 -NH 2 . Строение цепи анида можно выразить формулой:

Натуральные и химические волокна. Все текстильные волокна, применяемые для производства различных видов пряжи, подразделяют на натуральные и химические.

Натуральными - называют волокна, образующиеся в растениях (хлопковое, льняное и другие волокна, состоящие из целлюлозы) или из выделений живых организмов (шерсть, шелковые нити, выделяемые тутовым шелкопрядом, состоящие из белков),

Химическими - называют все волокна, которые производятся искусственным путем. Их, в свою очередь, подразделяют на искусственные , получаемые при химической переработке природных веществ (главным образом, целлюлозы), и синтетические , изготовляемые из специально синтезируемых химических материалов (главным образом, синтетических высокополимеров).

К искусственным относятся волокна вискозного, ацетатного и медноаммиачного шелка, получаемого переработкой целлюлозы. Примерами синтетических волокон служат рассмотренные выше волокна из полимеров, полученных полимеризацией (нитрон) или поликонденсацией (лавсан, капрон, энант, анид) смол.

Полимеры представляют собой обширный класс высокомолекулярных соединений, имеющих как органическое, так и искусственное происхождение. Отличительной чертой полимеров является значительная молекулярная масса и особая структура, объединяющая множество повторяющихся элементов путем особой химической связи. Таким образом, полимерный материал состоит из цепочек мономерных звеньев, при этом, структура связей может быть как линейной, так и пространственной. По типу основы (мономера) полимерные материалы классифицируют на органические (на основе атомов углерода) и неорганические (не содержащие углеродных элементов в основной структуре). Неорганические полимеры в природе, чаще всего, представлены в виде минералов (кварц) и не обладают эластичностью — одним из основных свойств органических полимеров, являющихся главным строительным материалом всего живого мира. Говоря о полимерах, практически всегда, подразумевают, именно, органические соединения, поскольку все уникальные свойства данного материала (упругость, легкость переработки, малый вес и эластичность) характерны только для них.

структура органического полимера структура неорганического полимера

Возникновение и развитие рынка промышленных полимеров

Особые свойства, определившие невероятно широкое распространение органических полимеров в животном и растительном биологических царствах, не могли остаться незамеченными человеком. На протяжении веков, многие пытались получить подобные материалы искусственным путем. Но, совершить подобное открытие стало возможным лишь с развитием новой науки — химии. Первые, созданные человеком, полимеры были получены на основе натуральных компонентов (целлюлоза, латекс), и получили название искусственных. Резина, полученная в середине 19 века методом вулканизации природного каучука (латекса), содержащегося в соке деревьев рода гевеи, стала самым ранним представителем искусственных полимеров.

Вторым этапом, стало использование в качестве сырья модифицированных натуральных компонентов. Так, в конце 19 века, был открыт и запатентован целлулоид, произведенный на основе нитроцеллюлозы и камфоры. В начале 20 века, с развитием автомобильной и военной промышленности спрос на новые материалы, обладающие легкостью, эластичностью и высокой прочностью, существенно вырос. Рынок природного каучука расширялся и не мог обеспечить столь значительные промышленные потребности. Эффективным решением становятся синтетические полимеры, получаемые полностью из искусственного сырья. Полученная в начале 20 века, на основе фенола и формальдегида, бекелитовая смола, становится первым синтетическим полимером. Обладая всеми конструкционными характеристиками искусственных полимеров, синтетические материалы имеют перед ними значительное преимущество — низкую себестоимость, что делает их производство крайне выгодным в экономическом плане. Назревающая угроза Второй мировой войны спровоцировала новый виток развития полимерной промышленности. Изобретение, столь популярных в наше время синтетических полимеров — полиметилметакрилата (оргстекла), поливинилхлорида и полистирола, относится, именно, к этому историческому периоду.

В послевоенное время развитие рынка полимеров продолжилось с новой силой, поскольку для восстановления колоссальных разрушений требовались недорогие, быстропроизводимые и легкотранспортируемые материалы. Создаются важные для промышленности синтетические полимеры: полиэтилен, полипропилен, полиамиды, поликарбонаты, полиакрилы, полиэфиры и полиуретаны. Постепенно, синтетические полимеры вытесняют дорогие натуральные и сложные в получении искусственные аналоги и, в итоге — практически полностью завоевывают рынок. В наше время, изделия на основе синтетических полимеров востребованы как никогда ранее. Они используются практически во всех отраслях народного хозяйства РФ. Современные исследования сделали возможным освоение производства новейших типов и модификаций синтетических полимеров (кремнийорганические и металлорганические полимеры, фторопласты), а также — множества композиционных материалов на полимерной основе.

Уникальные свойства синтетических полимеров

Себестоимость синтетических полимеров крайне низка, поскольку сырье для их производства, чаще всего, является побочным продуктом перегонки нефти. Способность полимеров при нагревании переходить в высокоэластичное (иногда — вязкотекучее) состояние позволяет материалу принимать любую форму и равномерно окрашиваться. А относительно малый вес готовых изделий позволяет существенно удешевить их транспортировку, монтаж и эксплуатацию. Новейшие технологии переработки позволяют производить качественные полимерные имитации практически всех натуральных фактур (древесина, камень, холст, минеральные штукатурки и т.д.), а также – создавать новые современные, с оригинальной графикой и орнаментом.

Экологичность промышленных полимеров

Промышленные полимеры, как, впрочем, и любые материалы, не лишены недостатков, и эти недостатки, к сожалению, касаются одного из основных свойств любого строительно-отделочного материала – экологичности. Характерным свойством синтетических полимеров являются их исключительные возможности в части модификации. Путем ввода в материал определенного набора целевых добавок (красителей, стабилизаторов, отвердителей, пластификаторов, антипиренов, антистатиков, антифрикционных и упрочняющих компонентов и т.д.)., можно точно варьировать такие свойства готового изделия, как: вес, прочность, эластичность, теплопроводность, электризуемость и т.д. Именно это, столь ценное в технологическом ракурсе, свойство, является одним из основных факторов токсичности синтетических полимеров, поскольку многие подобные добавки являются веществами повышенной опасности, и, даже, экологически безвредный полимер может содержать значительную долю дополнительных веществ, представляющих угрозу для здоровья человека. В полимер могут вводиться, также, и вполне экологичные добавки, произведенные на основе натуральных компонентов, однако — доля их незначительна, в сравнении с веществами, полученными искусственным путем, к тому же — полимерный материал, содержащий натуральный элемент, чаще всего, также, содержит и значительное количество далеко не экологичных синтетических веществ. Стоит заметить, что, практически, любая синтетическая добавка, по прошествии определенного количества времени, либо же — сразу, начинает испаряться из полимерного изделия в окружающую среду, поэтому, чем более агрессивные компоненты применялись при производстве полимера – тем он более опасен для человека. Ситуация усугубляется тем, что многие отечественные производители, ввиду отсутствия экологического надзора, умышленно, либо, халатно, допускают серьезные технологические нарушения в процессе производства изделий, а также — недостоверно отражают их полный химический состав на упаковке.

В противовес данному суждению существует официально утвержденная во многих странах система допустимых концентраций опасных веществ в изделиях широкого потребления, согласно которой определенные количества токсичных добавок в готовом продукте можно признать безопасными. Однако, практика применения как самих синтетических полимеров, так и целевых добавок, не столь продолжительна, чтобы предоставить в достаточной мере достоверную информацию об их опасности для человека, либо об отсутствии таковой. Вполне очевидно, что относительно новые для организма человека химические компоненты, синтезированные за период, продолжительностью менее ста лет, могут влиять на него только, в той или иной степени, отрицательно. О степени же такого влияния остается судить нам самим, поскольку, учитывая индивидуальные различия организмов людей, а также — малый срок лабораторных наблюдений (если таковой существует), вывод о безопасности синтетических полимеров будет, по-меньшей мере, наивным.

Кроме того, нельзя забывать и о, не менее значительных, глобальных экологических последствиях использования синтетических полимеров — загрязнении окружающей среды. Промышленные полимеры практически не разлагаются, а их сжигание приводит к выбросу в атмосферу высокотоксичных канцерогенов (диоксины, хлор, фосген, винилхлорид). Таким образом, естественная утилизация материалов становится невозможной. При этом, стоит отметить и довольно низкую долговечность большинства бытовых изделий, произведенных из полимеров, что, в конце концов, приводит к повышенному объему мусора, нуждающегося в утилизации. Данный фактор компенсирует еще одно характерное свойство полимеров, часто приводимое производителями в качестве неоспоримого аргумента в пользу их применения – способность к многократной переработке. То есть, изделие, изготовленное из полимерного материала, может проходить несколько циклов перерождения, что должно представляться как большое преимущество. Однако, с другой стороны — более качественное и долговечное изделие из натурального материала, Вам не придется приобретать и выбрасывать так часто. Массовая пропаганда недорогих синтетических изделий усугубляет ситуацию, заставляя нас приобретать откровенно ненужные вещи. При этом, отечественная практика переработки полимеров развита крайне плохо и не способна качественно и безопасно утилизировать огромные количества полимерных отходов. Само понятие экологичности синтетических полимеров довольно долгое время являлась наименее интересной темой для исследований, часто, уступая место более коммерциализированным аспектам их применения. Только в относительно недавнее время, и, к сожалению, пока что, лишь за рубежом — производители всерьез заинтересовались аспектами утилизации полимерных изделий. Были разработаны и внедрены в производство, так называемые, биоразлагаемые модификации полимеров, оказывающие минимальное загрязняющее воздействие на окружающую среду. Однако, их доля в общем количестве материалов, пока еще, остается незначительной.

Классификация синтетических полимеров и изделий на их основе

Типы материалов на полимерной основе

Синтетические полимеры служат основой для производства строительных и отделочных материалов различного типа. Изделия, имеющие в своем составе синтезированные полимерные компоненты можно условно разделить на несколько типов:

1. Жи дкие (текучие) материалы — лаки, краски, герметики, грунтовочные, клеевые и защитные составы. Материалы в жидкой фазе, в которых полимер используется в качестве пленкообразующего, либо — растворителя;

2. Тв ердые материалы — материалы с определенной формой — жесткие (пластики), либо эластичные (резины). В свою очередь, делятся на:

• Однородные . Материалы, состоящие из полимера одного типа. Изделия из однородных полимеров имеют низкую стоимость, они просты в изготовлении и, чаще всего, применяются в хозяйственно-бытовой сфере (тара, мелкие аксессуары и упаковка);
• Композиционные . Прочные и долговечные композиционные материалы обладают широчайшими возможностями как в конструкционном, так и в эстетическом отношениях. Современные полимерные композиты занимают лидирующие позиции в сферах строительства и отделки. Их применяют для изготовления деталей и корпусов техники, конструкционно-отделочных материалов, мебели и интерьерных аксессуаров. В композитах полимер выступает в качестве связующего (полимерной матрицы), наполнителем (армирующим компонентом) может служить как натуральный, так и синтетический материал (полимер другого типа). Использование наполнителей обеспечивает дополнительную прочность, жесткость и упругость готового изделия, либо удешевляет его себестоимость. По типу наполнителя, полимерные композиты классифицируются на:

Стеклопластики – полимерные материалы, при изготовлении которых в качестве наполнителя используется стекловолокно. Высокопрочные, устойчивые к внешним воздействиям долговечные стеклопластики широко применяются в строительстве в качестве армирующего компонента. Их часто используют для изготовления конструкционно-отделочных материалов (опор, облицовочных панелей, рамных конструкций), а также элементов мебели и корпусов бытовой техники;

Углепластики – композиционные материалы, армированные углеродными волокнами. Прочность и упругость углепластиков не уступает характеристикам конструкционных сплавов, при этом, полимерный композит существенно легче металла. Однако, ввиду высокой технологичности производства — изделия на основе углепластиков имеют достаточно высокую стоимость. Материал, чаще всего, применяется в качестве армирующего компонента при выполнении строительных и восстановительных работ. Из углепластиков производят детали и корпуса бытовых приборов, а также — конструкционно-отделочные элементы повышенной ответственности (декоративные опоры и объемные инсталляции).

Боропластики – композиты, изготавливаемые путем армирования полимерной матрицы волокнами бора (нитями, жгутами или лентами). Из-за высокой стоимости сырья, боропластики являются весьма дорогостоящим материалом и применяются в ответственном строительстве и машиностроении.

Текстолиты – пластики, армированные тканевым материалом, произведенным из натурального или синтетического волокна (шифон, бязь, миткаль, бельтинг, асбестовая ткань, стеклоткань). В качестве строительно-отделочного материала наиболее часто применяются материалы на основе стеклоткани — стеклотекстолиты (стеновые панели, элементы кровли).

Древесно-полимерные композиты – производятся с использованием в качестве наполнителя древесного материала различного типа: шпона (фанера, древесно-слоистые пластики), массива (столярные щиты, брус), волокон, муки, щепы (ДСП, МДФ). Обладая достаточной прочностью и низкой себестоимостью, древесно-полимерные композиты имеют широчайшую сферу использования. Их применяют для производства конструктивов (опор и облицовок), мебели, отделочных материалов (ламината, паркетной доски, декоративных панелей и плиток), интерьерных элементов (окна, двери, столешницы, подоконники, ступени и перила), а также предметов быта и аксессуаров (посуда, вазы, скульптуры и инсталляции).

Бумажно-слоистые пластики – композиты, армированные плотной крафт бумагой. Чаще всего, применяются для производства верхнего (декоративного) слоя отделочных элементов (дверей, окон, столешниц, лестниц), мебели и бытовых аксессуаров.

Порошковые композиты – полимерные материалы, в составе которых присутствуют наполнители в виде порошков органического, реже — искусственного происхождения. Подобные наполнители, очень часто, применяются для существенного снижения себестоимости готового изделия, а также, в некоторых случаях, играют роль красителя. Эффективными порошковыми добавками являются: древесная и кварцевая мука, тальк, карбонат кальция, сажа, каолин, асбест, целлюлоза, скорлупа ореха, пищевые отходы (жмых и шелуха), крахмал. Порошковые композиты применяются для производства корпусов и деталей бытовой техники, предметов быта (хозяйственные изделия, посуда), а также — интерьерных аксессуаров.

3. Газонаполненные материалы — также известные как пенопласты. Легкие пористые изделия, состоящие из полимерной основы и газообразного наполнителя. Применяются, чаще всего, в качестве утеплителя, а также для производства упаковочной продукции.

Классификация полимеров

В процессе производства твердых полимерных материалов используется их способность переходить в высокопластичное и вязкотекучее состояния при нагреве до определенных температур, а также — способность к многократной переработке. Однако, при нагреве, полимеры проявляют различные свойства, и, именно, температурные эффекты лежат в основе принципиального разделения полимеров на два типа:

1. Термопластичные полимеры (термопласты) – полимеры, способные к многократному переходу в высокопластичное состояние. Таким образом, при повторном нагревании готового изделия, материал вновь размягчается, а затем, остывая, затвердевает в новой форме. Термопласты отличаются мягкостью и гибкостью, они универсальны в использовании. Многие термопластичные полимеры относительно хорошо перерабатываются в России и наносят гораздо меньший ущерб окружающей среде. Отсутствие у термопластов склонности к сшиванию (образованию устойчивых сетчатых молекулярных связей) позволяет использовать для их переработки любой из трех основных технологических методов — формование, литье и экструзию;
2. Термореактивные полимеры (реактопласты) – полимеры, которые могут быть переработаны в изделие лишь однократно. При повторном нагревании материала происходит деструкция (разрушение) его молекулярной структуры, часто сопровождаемая выделением токсичных веществ. Имея малый вес, реактопласты обладают высокой прочностью, упругостью и термостойкостью, что позволяет весьма эффективно использовать их для производства конструкционных и конструкционно-отделочных материалов. Сшитая структура реактопластов позволяет производить из них не только высокопрочные изделия, но и материалы с повышенной гибкостью и способностью к восстановлению первоначальной формы (резины). В то же время – сетчатая структура полимеров не позволяет использовать в производственном цикле высокие температуры, вследствие чего, большая часть термореактивных пластиков перерабатывается в готовые изделия методом компрессионного формования, либо — литья с подпрессовкой. Экологичная утилизация термореактивных полимеров крайне затруднительна, и на территории России их практически не перерабатывают.

Термопластичные полимеры

Полиэтилен высокого давления (низкой плотности) (ПВД)

Используется для производства порошковых композитов (изоляционные покрытия), а также для изготовления гидроизоляционных пленок, вспененных термоизоляционных материалов, покрытий (линолеум), а также канализационных труб.

Полиэтилен низкого давления (высокой плотности) (ПНД)

Более жесткий тип полиэтилена. В качестве связующего, применяется для производства наиболее экологичных конструкционных композитов. Является основой для изготовления напорных труб водоснабжения (металлопластиковые трубы), корпусов техники и бытовых принадлежностей.

Чистый полиэтилен, при соблюдении технологических норм производства и правильных условий эксплуатации не токсичен, однако – некоторые типы целевых добавок (сложные эфиры), способны значительно повысить опасность его применения, особенно в условиях воздействия прямых солнечных лучей и высоких температур, некоторые изделия при нагреве выделяют токсичный формальдегид. Изделия на основе полиэтилена успешно перерабатываются, в том числе — на территории РФ.

Полипропилен (ПП)

Используется для изготовления полимерных труб, декоративных молдингов, ковролина и интерьерных аксессуаров, а также – в качестве связующего при производстве композитов. Является безопасным для здоровья человека полимером. По аналогии с полиэтиленом, экологичность готовых изделий в значительной степени зависит от технологии производства и химического состава. Некоторые типы материала могут стать источником опасного для здоровья формальдегида. Изделия из полипропилена эффективно перерабатываются в России.

Поливинилхлорид (ПВХ)

Служит основой для изготовления множества изделий. В своей универсальности, ПВХ не имеет равных — его используют для производства одежды, обуви, технических деталей, конструкционно-отделочных материалов (кабельная изоляция, линолеум, натяжные пленочные потолки, оконные и дверные профили, искусственная кожа, виниловые обои, декоративные самоклеящиеся пленки, отделочные панели, молдинги, ступени и перила, элементы мебели и т.д.). К сожалению, ПВХ является довольно неэкологичным полимером. Основную угрозу представляют диоксины и фосген, выделяющиеся при сжигании изделий на основе поливинилхлорида. Кроме того, изделия из ПВХ могут стать источником выделения токсичного винилхлорида, а также, ряда опасных веществ применяемых в качестве добавок — фталатов, бисфенола А (БФА), соединений ртути, кадмия и свинца. Изделия из ПВХ успешно перерабатываются за рубежом.

Полистирол (ПС)

Используется в качестве связующего при производстве стеклопластиков, углепластиков и порошковых композитов. В отделке интерьера применяются потолочные плитки и профили из полистирола. Изделия могут выделять ядовитые пары стирола. Особенно опасным материал становится в процессе горения. Изделия на основе полистирола перерабатываются на территории РФ.

Полиэтилентерефталат (ПЭТ)

Чаще всего, применяется для производства пищевой тары, а также — деталей бытовых приборов. Может оказывать токсическое воздействие при нарушении технологии производства, вследствие избыточного содержания фталатов. Повторное использование полиэтилентерефталата в пищевой индустрии запрещено, из-за значительного возрастания токсичности вторичного сырья. Полиэтилентерефталат успешно перерабатывается на территории РФ.

Акрилонитрилбутадиенстирол (АБС)

Ударопрочные и легкие АБС пластики применяются для производства корпусов бытовых приборов, мебели и санитарной техники. Изделия могут выделять пары стирола. Особо токсичные свойства материал приобретает при нагревании. АБС склонен к деструкции при длительном воздействии прямых солнечных лучей, из-за чего применение материала вне помещений ограничено.

Полиакрилаты

Полимеры на основе акриловой кислоты широко применяются для производства наиболее экологичных синтетических отделочных покрытий (акриловых красок, шпаклевок, лаков и фактур), а также — относительно безопасных герметиков. Полиметилметакрилат используется для производства прозрачных конструкционно-отделочных материалов (оргстекло или плексиглас), а также — сантехнических приборов (акриловые раковины, мойки и ванны). Изделия на основе акрилатов могут приобретать токсичные свойства, вследствие избыточного содержания целевых добавок (фталатов).

Полиамиды

Применяется для изготовления лаков, клеев, синтетического волокна, а также — в качестве связующего при производстве конструкционно-отделочных композитов — стеклопластиков и углепластиков. В интерьере, широко применяются напольные покрытия изготовленные из полиамидного волокна (ковролин). Также, прочные полиамиды используют для производства корпусов и деталей бытовой техники. При соблюдении технологических норм — полиамиды экологически безопасны. Экологичность изделий определяется наличием в составе избыточной концентрации токсичных целевых добавок.

Полиэстер

Служит основой для производства искусственной шерсти, используемой для изготовления покрытий (ковролин) и изоляционных материалов. Мажет вызывать раздражение слизистых оболочек и аллергические реакции.

Поликарбонат

Используется для производства прозрачных конструкционно-отделочных материалов (сотовый поликарбонат). Может представлять опасность для здоровья, вследствие содержания в готовых изделиях токсичного БФА.

Кремнийорганические полимеры (силиконы)

Служат основой для производства смазочных, защитных и герметизирующих веществ. Изделия низкого качества могут выделять вещества, вызывающие аллергические реакции.

Термореактивные полимеры

Фенолформальдегидные смолы

Служат основой для производства практически всех типов полимерных композиционных материалов (древесно-полимерные композиты, стеклопластики, углепластики и порошковые композиты), а также — лаков, красок, герметизирующих и клеевых составов. Пластики, изготовленные на основе фенолформальдегидных смол называют фенопластами. Различные типы фенопластов используют для производства корпусов электрооборудования (розеток, вилок, выключателей и т.д.), деталей бытовой техники, интерьерных аксессуаров, кухонных принадлежностей (ручек и держателей). Изделия на основе фенолформальдегидных смол могут представлять серьезную опасность, вследствие выделения токсичных компонентов (фенола, формальдегида).

Амино-альдегидные смолы

Используются для производства пластиков (аминопластов), а также — эмалей, клеевых составов и лаков. Материалы на основе амино-альдегидных смол широко применяются в качестве строительных и отделочных материалов (слоистые пластики, вспененные пластики, искусственный камень, детали электрооборудования, мебели и бытовых приборов, декоративные отделочные элементы и аксессуары. Могут проявлять токсичность, из-за выделения паров формальдегида.

Эпоксидные смолы

На основе эпоксидных смол производят прочнейшие клеи, лаки, ламинирующие покрытия, затирки для швов, а также, полимерные композиты (слоистые пластики, стеклопластики, стеклотекстолиты, боропластики и углепластики). Эпоксидные соединения могут вызывать аллергические реакции со стороны кожных покровов и органов дыхания.

Полиэфирные смолы

В качестве связующего, применяются для производства стеклопластиков, стеклотекстолитов и углепластиков. На основе полиэфирных смол изготавливают лакокрасочные материалы отделочные панели, искусственный камень (столешницы, подоконники) и санитарную технику (раковины, мойки). Токсичность материалов обусловлена выделением паров стирола, толуола, метилметакрилата.

Полиуретаны

Применяются для производства лаков, клеевых составов,герметизирующих и изоляционных материалов. Широкое распространение в сферах строительства и отделки получил вспененный полиуретан (монтажная пена). Легкий полиуретан, также, применяется для производства декоративных интерьерных элементов (молдинги, цоколи, плинтусы), особой популярностью пользуются изделия, имитирующие массивные античные декоры (колонны, арки, капители, фризы и т.д.). После окончательного затвердевания считается не токсичным, однако, при нарушении технологии производства, может оказывать значительное раздражающее воздействие на кожу и органы дыхания.

Нитроцеллюлоза

Используется для производства лакокрасочных материалов — нитроэмалей и нитролаков, обладающих высокими эстетическими качествами и низкой стоимостью, но, при этом, крайне токсичных, вследствие присутствия в составе растворителей (ацетон, бутилацетат, амилацетат). По причине высокой токсичности, в некоторых странах нитролаки и нитроэмали запрещены к применению.

Полиакрилонитрил

Является основой для производства уплотнителей (резин), а также искусственного (нитронового) волокна, которое широко применяется для изготовления ковровых покрытий и изоляционных материалов. Поскольку акрилонитрил является высокотоксичным веществом — изделия на основе нитронового волокна могут вызывать раздражение слизистых оболочек и аллергические реакции.

Синтетические каучуки

Используются в качестве сырья для получения резин путем вулканизации. Резиновые изделия имеют широкое применение практически во всех сферах народного хозяйства. На их основе производят клевые и герметизирующие составы, изоляционные материалы, защитные покрытия, а также детали отделочного инструмента и бытовой техники. Токсичность промышленных резин обусловлена содержанием в них опасных для здоровья человека целевых добавок, наиболее агрессивными среди которых являются соединения серы и производные фталевой кислоты.

Промышленные полимеры — безусловная реальность

Несмотря на столь противоречивые аспекты интерьерного применения синтетических полимеров, довольно сложно представить себе современный интерьер совершенно без их участия. Даже если Вы сможете полностью избавиться от присутствия синтетических компонентов в элементах интерьерной отделки, бытовых принадлежностях и аксессуарах — то вряд ли Вам удастся найти качественную и функциональную технику, не имеющую деталей и элементов, произведенных на основе синтезированных материалов. Таким образом, использование промышленных полимеров в нашем жилом пространстве — это реальность, оспаривать которую невозможно, но тем не менее очень многое зависит от того — насколько грамотно подойти к выбору изделий для оформления своего интерьера. Сегодня, в зарубежной практике, сформировалась устойчивая тенденция к повышению как общего качества, так и экологичности химического состава и технологического процесса производства и утилизации промышленных полимеров. Важнейшей предпосылкой к этому явилось нежелание потребителей приобретать товары непродолжительного срока службы, которые к тому же крайне небезопасны для использования. Именно это в конечном счете привело к созданию экологических организаций и эколейблов, осуществляющих контроль и сертификацию производства промышленных полимеров. К сожалению, в России, ввиду пока еще малой заинтересованности потребителей в экологичности своего жилища — подход к данным проблемам по-прежнему остается чисто коммерческим. Обращая внимание на качество и долговечность изделия, его химический состав, технологию производства и методы утилизации, каждый из нас помогает изменить сложившуюся ситуацию в лучшую сторону.

Синтетические полимеры

В полиграфии применяются разнообразные синтетические полимерные материалы: пластомеры (синтетические смолы и пластические массы); эластомеры (синтетический каучук и резина); краски и клеи; синтетические волокна и ткани; «свободные» пленки; фотополимеры.

Синтетические полимеры получают методами полимеризации, сополимеризации и поликонденсации. Эти процессы рассматриваются в курсе органической химии. Свойства синтетических полимеров зависят от их строения и молекулярной массы. Полимерные материалы с большей молекулярной массой характеризуются более высокой механической прочностью (на разрыв, изгиб, скручивание и пр.) и худшей растворимостью.

Характерной особенностью синтетических полимеров является полидисперсность - молекулы одного и того же полимера могут иметь разную величину, включая разное число структурных звеньев. Поэтому молекулярная масса полимера обозначает не истинную массу каждой молекулы, а лишь некоторое среднее ее значение.

При нагревании синтетические полимеры плавятся, а при охлаждении обычно приобретают аморфную структуру из­за очень большой вязкости расплава перед его затвердеванием. Однако синтетические полимеры могут приобретать и кристаллическую структуру. В этом состоянии у них более высокая температура плавления и они становятся значительно более прочными.

Синтетические полимеры делятся на термопластические, способные многократно переплавляться без заметного изменения свойств, и термореактивные, необратимо затвердевающие при более или менее продолжительном нагревании в результате протекания термохимических реакций.

Синтетические полимерные материалы по многим свойствам существенно превосходят черные и цветные металлы, древесину, стекло, требуют меньших капитальных затрат на организацию их производства и обходятся значительно дешевле.

Полиэтилен

Полиэтилен - полупрозрачный бесцветный очень прочный термопластичный полимер с хорошими диэлектрическими и антикоррозионными свойствами. Высокая прочность полиэтилена обусловлена его кристаллическим строением.

Полиэтилен изготавливается полимеризацией этилена при высоком или низком давлении. В первом случае полимеризация этилена происходит при давлении 2000 атмосфер и температуре 500 °C, во втором - при давлении и температуре, близким к нормальным (за счет применения специального катализатора).

Строение и свойства полиэтиленов высокого и низкого давления различны. Полиэтилен низкого давления имеет линейное строение и более высокую температуру плавления. Он прочнее полиэтилена высокого давления, для которого характерно разветвленное строение молекулы.

Полиэтиленовые пленки применяются как упаковочный материал. Низкомолекулярный полиэтилен представляет собой воскообразное вещество и используется как добавка к краскам. Сополимер этилена с винилацетатом - прекрасный материал для изготовления термопластичных переплетных клеев.

Полипропилен

Полипропилен - пластичный бесцветный прозрачный полимер, нерастворимый при комнатной температуре в органических растворителях, устойчивый к кислотам и щелочам, а также морозостойкий. Температура плавления - 160­170 °C. По прочности и стойкости к истиранию полипропилен превосходит полиэтилен.

Поливинилхлорид (винипласт)

Поливинилхлорид (-СН 2 -СНСl-) n - термопластичный твердый полимер, который начинает размягчаться при температуре 92­94 °С и плавиться при 170 °С. При введении пластификаторов, например 30­35% дибутилфталата, поливинилхлорид становится упругоэластичным и гибким. Такой материал называется пластикатом. Поливинилхлорид выпускается в виде пластин и пленок и применяется для изготовления плоских и ротационных стереотипов, дубликатов клише, книжных переплетов, а также текстовинитовых декельных покрышек.

Текстовинит полиграфический представляет собой хлопчатобумажную ткань с нанесенным на нее упругоэластичным слоем из поливинилхлорида, пигментов, наполнителей и пластификатора - дибутил­фталата. Текстовинит полиграфический вырабатывается толщиной 0,65 мм (при допуске ± 0,05 мм). Покрытие должно быть гладким, ровным, упругоэластичным, нелипким и немарким, устойчивым к действию воды, керосина, бензина, машинного масла и не должно иметь неприятного запаха.

Полистирол

Полистирол - твердый прозрачный бесцветный термопластический полимер, размягчающийся при 80 °С и плавящийся при 170 °С. В виде сополимера с акрилонитрилом применялся для отливки типографских шрифтов и пробельного материала. Сополимер, выпускаемый под маркой СНАК­15, содержит 85% стирола и 15% акрилонитрила, отличается высокой прочностью и устойчивостью к действию органических растворителей.

Полиакриламид

Полиакриламид - бесцветный прозрачный полимер, хорошо растворимый при энергичном перемешивании в воде. Полиакриламид применяется для быстрого осаждения пигментов в процессе их синтеза, улучшая их структуру и облегчая процесс изготовления полиграфических красок методом отбивки воды. Этот полимер также используется при изготовлении переплетных клеев, в производстве бумаги и как добавка в увлажняющие растворы для офсетной печати.

Поливинилацетат

Поливинилацетат - термопластичный, бесцветный, прозрачный и твердый полимер. Так же как и поливинилхлорид, он приобретает упругоэластичные свойства при введении пластификатора, например дибутилфталата. В виде хорошо пластифицированной водной дисперсии (поливинилацетатная эмульсия - ПВА) применяется в качестве переплетного клея. Спиртовой раствор поливинилацетата - высокоэластичный лак для лакирования оттисков - используется при припрессовке прозрачных пленок. Поливинил­ацетат применяется и при получении поливинилового спирта.

Винипроз

Винипроз - прозрачный, слегка желтоватый сополимер винилхлорида и метилметакрилата с добавкой стабилизатора - стеарата алюминия. Выпускается в виде прочных прозрачных пластин, которые могут быть гладкими или зернеными. Винипроз используется в качестве матричного материала при изготовлении гальваностереотипов и как материал для монтажа диапозитивов и негативов.

Поливиниловый спирт

Поливиниловый спирт (-СН 2 -СНОН-) n - полимер, хорошо растворимый в воде и в высших спиртах (в этиловом спирте нерастворим). Получается омылением поливинил­ацетата, поскольку мономер - виниловый спирт (СН 2 = СНОН) не существует в свободном состоянии. Еще в 1885 году М.Г.Кучеров пытался получить виниловый спирт присоединением воды к ацетилену, но вместо него получил уксусный альдегид.

Бесцветные клейкие водные растворы поливинилового спирта, очувствленные бихроматом аммония, применялись в качестве копировальных растворов при фотомеханическом изготовлении форм высокой и офсетной печати.

Поликарбонат

Поликарбонат - термопластичный прозрачный бесцветный полимер кристаллического строения. Синтезируется поликонденсацией дифенилолпропана (бифенола А) и хлорангидрида угольной кислоты (фосгена).

Поликарбонат имеет очень высокую температуру плавления (выше 240 °C), а по механической прочности и устойчивости к истиранию превосходит многие металлы и сплавы. Поэтому этот материал используется как заменитель металлов и сплавов при изготовлении силовых деталей в машиностроении.

Феноло-альдегидные смолы

При взаимодействии фенолов с альдегидами, в зависимости от условий реакции, образуются спирто­ или маслорастворимые смолы. Спирторастворимые феноло­альдегидные смолы могут быть термопластичными или термореактивными - в зависимости от соотношения фенола и альдегида и от выбора катализатора.

Если на одну молекулу фенола приходится по одной молекуле альдегида (при кислом катализаторе), получаются термопластичные смолы линейного строения. При этом сначала образуются фенолоспирты, а затем, при их поликонденсации, - спирторастворимая смола линейного строения. Спирторастворимую феноло­альдегидную термопластичную смолу «Идитол» применяют для изготовления спиртовых лаков. Однако такие лаки не светопрочны и заметно темнеют со временем.

Если на одну молекулу фенола приходится две и более молекул альдегида (при щелочном катализаторе), то получаются спирторастворимые термореактивные смолы. В этом случае при реакции сперва образуются двухатомные фенолоспирты (метилольные группы находятся в орто­ и пара­положениях по отношению к фенольному гидроксилу), а затем - молекулярные цепи смолы пространственного строения. Термореактивные смолы применяются для изготовления термореактивных пластических масс, например прессовочных порошков, текстолита, гетинакса, а также бакелитового лака.

Маслорастворимые феноло­альдегидные смолы используются в производстве печатных красок.

Полиамиды

Полиамиды - это чрезвычайно прочные, упругоэластичные бесцветные прозрачные полимеры, которые по своему химическому строению наиболее близки к белкам, в частности к натуральному шелку. Полиамиды применяются для изготовления синтетических волокон: анида (нейлона) и капрона (перлона), а также для прессования многих деталей в машиностроении. Температура плавления капрона около 300 °C, нейлона - 325 °C, при этом нейлон прочнее капрона.

Капрон получается полимеризацией капролактама. Использование капрона в быту общеизвестно. В полиграфии капроновое волокно применяется для сшивания книг и брошюр. Специальным капроновым полотном из моноволокна затягивают декели ротационных печатных машин для устранения отмарывания краски при двусторонней печати.

Некоторые виды спирто­ и водорастворимых полиамидов отвердевают (задубливаются) под действием ультрафиолетового излучения. Они используются при изготовлении фотополимерных печатных форм.

Спирторастворимый смешанный полиамид синтезируется из гексаметилендиамина, капролактама, себациновой и адипиновой дикарбоновых кислот. Водорастворимый сополиамид синтезируется из пиперазина, этилендигликолевой и адипиновой кислот или из пиперазина, гексаметилендиамина, этиленгликолевой и адипиновой дикарбоновых кислот. Оба эти сополиамида также применяются для изготовления фотополимерных печатных форм.

Полиуретаны

Полиуретаны - полимеры, строение которых напоминает полиамиды. В полиграфии используются при изготовлении красочных валиков.

Алкидные полимеры

Алкидные полимеры, получаемые из многоатомных спиртов и декарбоновых кислот, применяются главным образом как связующие полиграфических красок.

Особым видом алкидных полимеров является полиэтилентерефталат (терилен) - очень прочный, прозрачный, упругоэластичный, термопластичный полимер, получаемый из гликоля и терефталевой кислоты. Этот материал используется при изготовлении синтетического волокна лавсана. Лавсан, как заменитель шерсти, применяется не только для получения высокосортных тканей, но и как волокнистый полуфабрикат в производстве бумаги.

Полиэтилентерефталатные прозрачные пленки толщиной 12­20 мкм служат для изготовления подложек формных и фотоматериалов, а также для ламинирования обложек и переплетных крышек.

Фотополимеры

Фотополимеры - высокомолекулярные органические вещества, например водо­ и спирторастворимые смешанные полиамиды, сложные кислые эфиры целлюлозы (ацето­фталаты или ацетосукцинаты), молекулярные цепи которых при действии ультрафиолетового облучения сшиваются между собой специально подобранными непредельными мономерами в присутствии инициатора полимеризации - бензоина или его производных.

Фотополимерные композиции после их нанесения на подложку и высыхания становятся пригодными для негативного копирования при ультрафиолетовом облучении и последующего получения рельефа путем вымывания спиртами или щелочными водными растворами.

Полиамидные и эфироцеллюлозные фотополимерные формы высокой печати отличаются высокой разрешающей способностью и большой тиражестойкостью, доходящей до миллиона оттисков. Они почти не требуют приправки из­за высоких упругоэластических свойств.

Синтетический каучук

В настоящее время выпускается широкий ассортимент синтетического каучука общего и специального назначения. Из каучуков общего назначения получают резину для обуви, грелок, губок, игрушек и деталей машин, эксплуатируемых в обычных условиях. К таким каучукам относятся бутадиеновый, изопреновый, бутадиен­стирольный и некоторые другие виды каучука. Каучуки специального назначения обладают специальными свойствами, например стойкостью к воздействию нефтяных масел и бензина или кислот и щелочей, морозостойкостью, повышенной механической прочностью и т.п. К специальным видам каучуков относятся: хлоропреновый, нитрильный, силиконовый, фторкаучук и др.

Пластические массы

Пластические массы - материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться и затем устойчиво сохранять (после охлаждения или отвердевания при нагреве) приданную им форму. Изделия из пластических масс получают прессованием или литьем под давлением в стальных пресс­формах.

Для получения пластической массы свойства полимера, как правило, корректируют в нужном направлении. Для повышения прочности и снижения стоимости пластической массы вводится наполнитель (древесная мука, хлопковые очесы, стеклянное волокно, асбестовый порошок, двуокись кремния - аэросил и др.), для устранения хрупкости - пластификаторы, например дибутилфталат, трикрезилфосфат и др., для придания цвета - пигменты, для облегчения заполнения гнезда пресс­формы и извлечения из него изделия - смазки и т.д.

Термопластические пластмассы делают из полимеров линейного строения, не имеющих химически активных функциональных групп. Термореактивные пластические массы обязательно содержат полимеры, имеющие функциональные группы, проявляющие свою химическую активность при более или менее продолжительном нагревании, в результате протекания химической реакции поликонденсации. Изделия из термопластических масс могут многократно переплавляться, а из термореактивных – нет.

Пластические массы имеют ряд ценных свойств:

• низкую плотность (в 5­8 раз легче стали);
• достаточную механическую прочность;
• хорошие диэлектрические свойства;
• высокую химическую стойкость (в том числе антикоррозийность);
• меньшую стоимость, чем аналогичные по свойствам металлы и сплавы.

В полиграфии пластические массы нашли широкое применение для изготовления красочных валиков, книжных переплетов, стереотипов и т.п.

Копировальные слои

Копировальные слои - это светочувствительные полимерные слои, применяемые при копировании негативного или позитивного изображения на формные пластины. Широкое применение нашли поливинилспиртовые и ортохинондиазидные копировальные слои.

Поливинилспиртовые копировальные слои представляют собой 7­процентные водные растворы поливинилового спирта, очувствленные 3% бихромата аммония (рассчитывая на абсолютно сухую массу поливинилового спирта). В процессе негативного копирования под действием интенсивного облучения ксеноновыми лампами молекулярные цепи поливинилового спирта сшиваются между собой (задубливаются) атомами трехвалентного хрома и вследствие этого теряют способность растворяться в воде. После экспозиции незадубленные участки поливинил­спиртового копировального слоя вымываются водой. Получившееся изображение закрепляют путем химической и термической обработки.

Ортохинондиазиды и феноло­альдегидные смолы, растворенные в органическом растворителе, наносятся на поверхность металлических пластин при изготовлении формных материалов для офсетной и высокой печати. Позитивное копирование изображения осуществляется под действием УФ­излучения. Ультрафиолетовые лучи разрушают ортохинондиазиды, а продукты разрушения вымываются щелочным проявителем. Те участки ортохинондиазидного копировального слоя, на которые не действовали ультрафиолетовые лучи, остаются нерастворимыми в щелочном проявителе.

Конечно, перечисленными примерами применение полимерных материалов полиграфии не исчерпывается. Более того, можно утверждать, что в полиграфии в той или иной мере используются практически все существующие в настоящее время полимеры.

С трудом можно представить себе сегодняшнюю жизнь без полимеров – сложных синтетических веществ, которые получили широкое распространение в различных областях человеческой деятельности. Полимеры – это высокомолекулярные соединения природного либо синтетического происхождения, состоящие из мономеров, соединенных химическими связями. Мономером является повторяющееся звено цепи, которое содержит исходную молекулу.

Органические высокомолекулярные соединения

Благодаря своим уникальным свойствам высокомолекулярные соединения успешно заменяют в различных сферах жизнедеятельности такие натуральные материалы, как дерево, металл, камень, завоевывая новые области применения. Для систематизации такой обширной группы веществ принята классификация полимеров по различным признакам. К ним относится состав, способ получения, пространственная конфигурация и так далее.

Классификация полимеров по химическому составу подразделяет их на три группы:

• Органические высокомолекулярные вещества.
• Элементоорганические соединения.
• Неорганические высокомолекулярные соединения.

Самую большую группу представляют органические ВМС – смолы, каучуки, растительные масла, то есть продукты животного, а также растительного происхождения. Макромолекулы этих веществ в главной цепи наряду с атомами углерода имеют атомы кислорода, азота и других элементов.

Их свойства:

• обладают способностями к обратной деформации, то есть эластичностью при невысоких нагрузках;
• при небольшой концентрации могут образовывать вязкие растворы;
• меняют физические и механические характеристики под действием минимального количества реагента;
• при механическом воздействии возможно направленное ориентирование их макромолекул.

Элементоорганические соединения

Элементоорганические ВМС, в состав макромолекул которых входят, кроме атомов неорганических элементов – кремния, титана, алюминия - и органические углеводородные радикалы, созданы искусственным путем, и в природе их нет. Классификация полимеров делит их, в свою очередь, на три группы.

• Первая группа – это вещества, в которых главная цепь составлена из атомов некоторых элементов, окруженных органическими радикалами.
• Во вторую группу входят вещества с основной цепью, содержащей чередующиеся атомы углерода и таких элементов, как сера, азот и другие.
• Третья группа включает вещества с органическими главными цепями, окруженными различными элементоорганическими группами.

Примером могут служить кремнийорганические соединения, в частности силикон, обладающий высокой износоустойчивостью.

Неорганические высокомолекулярные соединения в главной цепочке содержат оксиды кремния и металлов – магния, алюминия или кальция. У них нет боковых органических атомных групп. Связи в главных цепочках ковалентные и ионно-ковалентные, что обусловливает их высокую прочность и термостойкость. К ним относятся асбест, керамика, силикатные стекла, кварц.

Карбоцепные и гетероцепные ВМС

Классификация полимеров по химическому составу основной полимерной цепи предполагает деление этих веществ на две большие группы.

• Карбоцепные, у которых основная цепочка макромолекулы ВМС состоит лишь из атомов углерода.
• Гетероцепные, в которых в главной цепочке находятся вместе с атомами углерода другие атомы, придающие данному веществу дополнительные свойства.

Каждая из этих больших групп состоит из следующих подгрупп, отличающихся строением цепочки, количеством заместителей, их составом, числом боковых ветвей:

• соединения с насыщенными связями в цепях, примером которых могут служить полиэтилен или полипропилен;
• полимеры с ненасыщенными связями в главной цепи, например полибутадиен;
• галогензамещенные высокомолекулярные соединения – тефлон;
• полимерные спирты, примером чего является поливиниловый спирт;
• ВМС, полученные на основе производных спиртов, пример - поливинилацетат;
• соединения, полученные на основе альдегидов и кетонов, такие как полиакролеин;

• полимеры, полученные на основе карбоновых кислот, представителем которых является полиакриловая кислота;
• вещества, полученные из нитрилов (ПАН);
• высокомолекулярные вещества, полученные из ароматических углеводородов, например полистирол.

Деление по природе гетероатома

Классификация полимеров может зависеть и от природы гетероатомов, она включает несколько групп:

• с атомами кислорода в главной цепи – простые и сложные полиэфиры и перекиси;
• соединения с содержанием в основной цепочке атомов азота – полиамины и полиамиды;
• вещества с атомами кислорода и также азота в главной цепи, примером которых стали полиуретаны;
• ВМС с атомами серы в основной цепочке – политиоэфиры и политетрасульфиды;
• соединения, у которых присутствуют в главной цепи атомы фосфора.

Природные полимеры

В настоящее время принята также классификация полимеров по происхождению, по химической природе, которая делит их следующим образом:

• Природные, их называют еще биополимерами.
• Искусственные вещества, являющиеся высокомолекулярными.
• Синтетические соединения.

Природные ВМС составляют основу жизни на Земле. Важнейшими из них являются белки – «кирпичики» живых организмов, мономерами которых выступают аминокислоты. Белки участвуют во всех биохимических реакциях организма, без них невозможна работа иммунной системы, процессы свертывания крови, образование костной и мышечной ткани, работа по преобразованию энергии и многое другое. Без нуклеиновых кислот невозможны хранение и передача наследственной информации.

Полисахариды – это высокомолекулярные углеводороды, которые вместе с белками участвуют в обмене веществ. Классификация полимеров по происхождению позволяет выделить природные высокомолекулярные вещества в особую группу.

Искусственные и синтетические полимеры

Искусственные полимеры получают из природных различными способами химической модификации для придания им необходимых свойств. Примером может служить целлюлоза, из которой получают многие пластмассы. Классификация полимеров по происхождению характеризует их как искусственные вещества. Синтетические ВМС получают химическим путем с помощью реакций полимеризации или поликонденсации. Их свойства, а следовательно и область применения, зависят от длины макромолекулы, то есть от молекулярного веса. Чем он больше, тем прочнее полученный материал. Очень удобна классификация полимеров по происхождению. Примеры подтверждают это.

Линейные макромолекулы

Любая классификация полимеров достаточно условна, и каждая имеет свои недостатки, так как не может отобразить все характеристики данной группы веществ. Тем не менее она помогает каким-то образом их систематизировать. Классификация полимеров по форме макромолекул представляет их в виде следующих трех групп:

• линейные;
• разветвленные;
• пространственные, которые еще называются сетчатыми.

Длинные, изогнутые или спиралеобразные цепочки линейных ВМС придают веществам некоторые уникальные свойства:

• за счет появления межмолекулярных связей образуют прочные волокна;
• они способны к большим и длительным, но в то же время обратимым деформациям;
• важным свойством является их гибкость;
• при растворении эти вещества образуют растворы с высокой вязкостью.

Разветвленные макромолекулы

Разветвленные полимеры тоже имеют линейное строение, но со множеством боковых ветвей, более коротких, чем основная. При этом изменяются и их свойства:

• растворимость у веществ с разветвленной структурой выше, чем у линейных, соответственно, они образуют растворы меньшей вязкости;
• при увеличении длины боковых цепей становятся слабее межмолекулярные силы, что ведет к увеличению мягкости и эластичности материала;
• чем выше степень разветвленности, тем больше физические свойства такого вещества приближаются к свойствам обычных низкомолекулярных соединений.

Трехмерные макромолекулы

Сетчатые высокомолекулярные соединения бывают плоскими (лестничного и паркетного типа) и трехмерными. К плоским можно отнести натуральный каучук и графит. В пространственных полимерах имеются поперечные связи-«мостики» между цепями, образующие одну большую трехмерную макромолекулу, обладающую необычайной твердостью.

Примером может служить алмаз или кератин. Сетчатые высокомолекулярные соединения являются основой резин, некоторых видов пластмасс, а также клеев и лаков.

Термопласты и реактопласты

Классификация полимеров по происхождению и по отношению к нагреванию призвана охарактеризовать поведение этих веществ при изменении температуры. В зависимости от процессов, происходящих при нагревании, получаются разные результаты. Если межмолекулярное взаимодействие ослабевает и увеличивается кинетическая энергия молекул, то вещество размягчается, переходя в вязкое состояние. При снижении температуры оно возвращается в обычное состояние – его химическая природа остается неизменной. Такие вещества называют термопластическими полимерами, например полиэтилен.

Другая группа соединений получила название термореактивных. Механизм происходящих в них при нагревании процессов совершенно другой. При наличии двойных связей или функциональных групп они взаимодействуют между собой, меняя химическую природу вещества. Оно не может восстановить свою первоначальную форму при охлаждении. Примером могут служить различные смолы.

Способ полимеризации

Еще одна классификация полимеров – по способу получения. Существуют такие способы получения ВМС:

• Полимеризация, которая может проходить с использованием ионного механизма реакции и свободнорадикального.
• Поликонденсация.

Полимеризацией называется процесс образования макромолекул путем последовательного соединения мономерных звеньев. Ими обычно являются низкомолекулярные вещества с кратными связями и циклическими группами. Во время реакции следует разрыв двойной связи или связи в циклической группе, и происходит образование новых между этими мономерами. Если в реакции участвуют мономеры одного вида, она называется гомополимеризацией. При использовании разных видов мономеров происходит реакция сополимеризации.

Реакция полимеризации – это цепная реакция, которая может протекать самопроизвольно, однако для ее ускорения применяются активные вещества. При свободнорадикальном механизме процесс протекает в несколько стадий:

• Инициирование. На данной стадии путем светового, теплового, химического или какого-либо другого воздействия образуются в системе активные группы – радикалы.
• Рост длины цепи. Эта стадия характеризуется присоединением следующих мономеров к радикалам с образованием новых радикалов.
• Обрыв цепи получается при взаимодействии активных групп с образованием неактивных макромолекул.

Невозможно контролировать момент обрыва цепи, и поэтому образующиеся макромолекулы отличаются разной молекулярной массой.

Принцип действия ионного механизма реакции полимеризации такой же, как и свободнорадикального. Но здесь в качестве активных центров выступают катионы и анионы, поэтому различают катионную и анионную полимеризацию. В промышленности радикальной полимеризацией получают важнейшие полимеры: полиэтилен, полистирол и многие другие. Ионная полимеризация применяется при производстве синтетических каучуков.

Поликонденсация

Процесс образования высокомолекулярного соединения с отделением в качестве побочного продукта каких-то низкомолекулярных веществ – поликонденсация, которая отличается от полимеризации еще тем, что элементный состав образующейся макромолекулы не соответствует составу начальных веществ, участвующих в реакции. В них могут участвовать только соединения с функциональными группами, которые, взаимодействуя, отщепляют молекулу простого вещества и образуют новую связь. При поликонденсации бифункциональных соединений образуются линейные полимеры. Когда в реакции участвуют полифункциональные соединения, образуются ВМС с разветвленной или даже пространственной структурой. Образующиеся в процессе реакции низкомолекулярные вещества тоже взаимодействуют с промежуточными продуктами, вызывая обрыв цепи. Поэтому их лучше удалять из зоны реакции.

Определенные полимеры нельзя получить известными способами полимеризации или поликонденсации, так как нет требуемых исходных мономеров, способных участвовать в них. В этом случае синтез полимера ведется с участием высокомолекулярных соединений, содержащих функциональные группы, которые способны реагировать друг с другом.

С каждым днем усложняется классификация полимеров, так как появляется все больше новых видов этих удивительных веществ с заранее заданными свойствами, и человек уже не мыслит своей жизни без них. Однако возникает другая проблема, не менее важная – возможность их легкой и дешевой утилизации. Решение этой проблемы очень важно для существования планеты.