Колодцы из полимерных материалов: Полимерпесчаные колодцы и кольца

Полимерпесчаные колодцы и кольца

Полимерпесчаные колодцы представляют собой вместительные резервуары из полимерного композитного материала, в который добавляют песчаный наполнитель и пластицирующие добавки. Колодцы делают методом горячего прессования, смешивая порошкообразные элементы и воздействуя высокими температурами и давлением. В результате спекания структура материала получается малопористой и очень прочной.

Полимерные колодцы могут использоваться как для монтажа септика, так и для дренажных, поворотных или смотровых колодцев.

Преимущества полимерпесчаных колодцев:

• Высокая прочность — благодаря входящему в состав полимерному композиту колодцы способны выдерживать большие нагрузки на сжатие.
• Малый вес — полимерно-песчаные колодцы существенно легче бетонных. Масса одного кольца не превышает 60 кг, поэтому для монтажа полимерпесчаного колодца не нужно привлекать тяжелую спец.технику. 
• Простота монтажа — колодец легко соединяется с системой водоснабжения обычными инструментами.
• Герметичность —  полимерпесчаные элементы стыкуются между собой по специально разработанному соединению «шип-паз». Такое соединение абсолютно не пропускает воду, и все пазы достаточно для страховки промазывать силиконовым герметиком.
• Высокая устойчивость к воздействию влаги – полимерный композит не впитывает влагу, уровень водопоглощения составляет всего 0,03%. Полимер-песчаный колодец способен выдержать свыше 500 циклов замерзания-оттаивания (от -65˚ до +160˚С) без каких-либо нарушений в структуре.
• Устойчивость к агрессивным веществам
  — композитный материал не вступает в реакции с веществами, поэтому не боится солей, кислот и щелочей и не требует дополнительной обработки.
• Стоимость оборудования — полимерпесчаные колодцы гораздо дешевле железобетонных аналогов.
• Гарантийный срок службы до 100 лет, а устойчивость к разложению в течение 400 лет.

Устройство и монтаж полимерно-песчаного колодца:

Полимерпесчаные колодцы складывают из отдельных колец. Высота каждого кольца составляет 200 см. На последнее кольцо надевается переходник, похожий на конус, суживающийся кверху, который накрывается люком с крышкой. Крышку-люк можно подобрать любого цвета в соответствии с ландшафтным дизайном. Днище высотой в 30 см крепится к кольцу той же системой»шип-паз» и обеспечивает полную герметичность колодца.

Чем глубже нужен колодец, тем большее число колец требуется для его монтажа. Хотя стандартная конструкция состоит из: 8 колец + 1 переходник + люк с крышкой + плита днища. Общий вес сложенного изделия – около 600 кг.

Работы по установке полимерпесчаного колодца нужно выполнять в следующей последовательности:

1.  Разметка места под монтаж колодца. Производится выкопка котлована, диаметр которого должен немного превышать диаметр колец из полимеркомпозита.
2.  На дно котлована засыпается слой песка, который затем трамбуется. Сверху производится монтаж бетонной плиты, которая будет служить монолитным основанием для колодца.
3.  Далее устанавливается дно резервуара, на которое монтируется нужное по высоте количество колец. Все стыки для надежности рекомендуется обработать силиконовым герметиком.
4.  Если предусмотрено подключение трубы к колодцу канализации, то необходимо заблаговременно отметить высоту расположенного трубопровода и на соответствующем кольце для септика или другого вида колодца сформировать отверстие. Позже, после установки кольца, все трубы подключаются к резервуару.

Из полимерпесчаного композита можно устраивать канализационные, водопроводные, ливневые, дренажные и смотровые колодцы. Абсолютная сухость внутри и герметичность позволяет использовать такие колодцы для телефонных линий и электросетей.

Покупать колодцы лучше в сборе с дном, переходником и люком. Скомплектовать и приобрести данную продукцию можно на торговых площадках ГК «Зеленый город» в Нижнем Новгороде и области.

Полимерный колодец своими руками | Строительный портал

Важные компонентом приусадебного участка является колодец, который выполняет много полезных функций в организации водоснабжения. Полимерные колодцы стоят в одном ряду с бетонными, имеют ряд преимуществ перед ними. Как соорудить полимерный колодец своими руками разберем в данной статье.

Оглавление:

1. Общее понятие о полимерном колодце
2. Преимущества полимерных колодцев
3. Устройство полимерного колодца
4. Разновидности полимерных колодцев
5. Устройство колодца полимерно песчаного сборного
6. Стоимость полимерного колодца
7. Монтаж сварного полимерного колодца
8. Дополнительные функциональные детали полимерных колодцев

Общее понятие о полимерном колодце

Главным компонентом полимерного колодца является полимерпесчаный круг, который изготавливают из специального композитного материала и наполнителей в виде песка. Полимерные вещества выступают связующим материалом для песка.

Метод горячего прессования позволяет смешать компоненты полимерпесчаной смеси, а высокая температура и давление делают смесь прочной.

Полимерный колодец не уступает по мощности и прочности железобетону.

Преимущества полимерных колодцев

1. Диаметр полимерно песчаных колодцев не превышает 110 см, поэтому транспортировку легко осуществить при помощи автомобильного прицепа.

2. Вес железобетонной конструкции составляет около 500 кг, а полимерпесчаной — не превышает 60. Не нужно для монтажа использовать специальную технику, такую как кран. Колодец легко устанавливается даже в подвале.

3. При стыковке полимерпесчаных конструкций используется технология “паз-гребень” и места стыков промазывают силиконом или битумной мастикой. Благодаря этому подземное течение не способно разрушить целостность колодца.

4. Высокий уровень влагоустойчивости — по результатам исследований выявлено, что изделия из полимерпеска способны впитывать влагу лишь на О,О3%. Колодцы выдерживают более 5ОО замерзаний и  размерзаний.

5. Полимерный колодец устойчив к внешним химическим воздействиям: кислотам, солям, щелочам и разложениям биомассы.

6. Чтобы подсоединить колодец к домашнему водоснабжению или канализации не нужно использовать специальный инструмент для просверливания отверстий. После просверливания края труб и отверстия ничем не обрабатывают, в отличии от железобетона, который пропитывают антикоррозийным составом.

7. Гарантия на полимерпесчаный колодец составляет от 50 до 100 лет, так как пластики способны длительное время не разлагаться, а песок — не разлагается никогда.

Устройство полимерного колодца

Полимерный колодец изготавливают путем накладывания и состыковки полимерных колец для колодца, высотой в 200 см. Последнее кольцо имеет вид проводника или конуса, края которого суживаются вверх. Сверху колодец накрывают крышкой или люком. Чтобы обеспечить полную герметичность конструкции изготавливают днища, высота которого составляет 30 см. Крепление днища совершается таким образом как и колец, по технологии «паз-гребень».  

В стандартную комплектацию полимерного колодца входит восемь колец, один переходник, крышка и днище. При большой глубине возможна установка дополнительных колец. Общая масса готового колодца не превышает 600 кг.

Сфера использования полимерных колодцев:

• канализационная система;
• ливневая система;
• водопроводная система;
• дренажная система;
• обустройство смотровых колодцев;
• устройство телефонной или электрической сети.

Полимеры — химические вещества, характеризующиеся большим количеством мономерных звеньев, которые обладают резким запахом и весьма ядовиты. Поэтому не следует выбирать полимерные материалы для обустройства питьевого колодца, чтобы избежать таких последствий от приема воды как:

• аллергические расстройства;
• головные боли;
• слабость;
• головокружение;
• ухудшение общего состояния.

Разновидности полимерных колодцев

По ограничению доступа:

• колодцы со свободным доступом — для осуществления ремонтных работ или осмотра колодца;
• колодцы без доступа — позволяют обслуживать колодец только сверху.

По текстуре:

• полимерные колодцы гладкие одностенные;
• гладкие колодцы с двумя стенками;
• гофрированные одностенные;
• гофрированные двухстенные;
• комбинированные.

По назначению:

• полимерный смотровой колодец сборного типа;
• полимерные канализационные колодцы;
• полимерный колодец ливневого или осадочного типа;
• дренажный полимерный колодец;
• перепадные колодцы;
• полимерные кессоны;
• коллекторные полимерные колодцы;
• телекомуникационный колодец.

Полимерный смотровой колодец предназначен для осмотра или обслуживания системы хозяйственной или ливневой канализации. Смотровые колодцы отличаются наличием лотка и, если высота колодца более 150 см, предусматривается лестница.

Полимерный колодцы ливневого типа собирают ливневые стоки. Такие колодцы следует периодически очищать от осадков. В комплектацию данного колодца входит лестница.

Полимерные колодцы дренажного типа используются в дренажной системе, как поворотные или соединительные элементы. Трубы в таком колодце размещают непосредственно на дне. Если колодец используют как пескоуловитель, тогда трубы монтируют на 15-20 см выше от дна. Разновидности дренажных колодцев: бочка-колодец, колодец тупикового типа, прямопроходного типа, поворотного типа, тройной колодец, крестообразный колодец.

Перепадные колодцы используют для перемены уровня трубопровода. Если высота перепада больше 50 см, дополнительно устанавливают устройства гашения скорости напора.

Перепадные колодцы бывают:

• с вертикальной трубой — самый популярный вариант,
• со ступеньчатой трубой — используют в обустройстве ливневой канализации,
• труба с разрезающим острием — применяется в системах с повышенным давлением воды.

Коллекторные колодцы соединяют отдельные канализационные, дренажные или ливнеотводные системы. Чтобы предотвратить попадание стока в дренажную систему дополнительно к колодцу устанавливают обратные клапаны. Диаметр коллекторного колодца составляет от 31 до 240 см.

Полимерные кессоны применяют для установки насосов, электрических устройств и запорной аппаратуры в глубине земли. Кессоны дополнительно утепляют для предотвращения промерзания в зимнее время года.

Полимерные колодцы телекоммуникационного типа позволяют осуществлять контроль мест соединений кабеля или другого оборудования. В выходе колодца телекоммуникационного типа дополнительно устанавливают трубы для защиты кабелей.

По внешнему виду различают:

• сборные полимерные колодцы, состоящие из колец;
• сварные полимерные колодцы — целостные устройства.

Устройство колодца полимерно песчаного сборного

Главным преимуществом в устройстве сборного полимерного колодца является осуществление установки непосредственно на объекте, а это обеспечивает дополнительную эффективность работы по сооружению канализационной системы.

Для обустройства полимерного колодца не требуется наличие специальной техники и оборудования. Этот факт облегчает и снижает стоимость установки колодца.

Диаметр шахты наружных колодцев составляет 40, 63, 80, 100, 120 см. Для соединения колодца с трубами используют фитинги и резиновые кольца, благодаря этому удается достичь полной герметичности.

Диаметр лотка составляет от 11 до 35 см. Лотки бывают двух видов: прямоходного и прямоходного с наличием двух приток.

для смотровых колодцев предусмотрены лотки с диаметром 63 и 120 см.

Горловина смотрового полимерного колодца бывает:

• статической — неподвижной;
• телестатической — горловина подвижного типа, которую поставляют с чугунным люком и адаптерами.

Адаптер в подвижной горловине используют в качестве соединителя. Горловина вертикально перемещается под углом 7°, при этом не теряя герметичности.

Крышка колодца полимерная бывает различных размеров, в зависимости от горловины и позволяет выбрать разнообразные цветовые решения.

Материалы для установки полимерно песчаного колодца:

• полимерно песчаные кольца;
• герметик или битумная мастика;
• песок.

Инструкция по установке:

1. Выройте котлован под размер будущего колодца. Дно котлована нужно выровнять песчаной подушкой.
2. Установить дно, при необходимости и начните укладку полимерно песчаных колец, обрабатывая стыки герметиком или битумной мастикой.

Совет: Для герметизации швов лучше использовать битумную мастику, так как герметика понадобиться очень много. А мастика — дешевле, и ничем не уступает герметику.

3. После герметизации швов установите крышку или люк.

Стоимость полимерного колодца

На полимерный колодец цена определяется количеством колец и дополнительных сборных элементов: лестницы, крышки, люка, уплотнителя днища и т.д.

Стоимость сборного колодца глубиной в 6 м составляет около 50 $, сварной колодец стоит около 25 $.

Монтаж сварного полимерного колодца

Материалы для работы:

• полимерный колодец;
• бетонная плита;
• бетон для заливки;
• металлический трос.

Сварной полимерный колодец — идеальный вариант для обустройства канализации или стока. Устройство такого колодца довольно легкий процесс.

Подготовьте площадку и выройте яму, под размеры колодца. Яма должна быть немного глубже и шире, чем колодец. Установите бетонную плиту на дно или залейте бетонный фундамент.

Установите колодец. С помощью уровня проверьте правильность установки. К фундаменту колодец крепиться с помощью тросов.

Дополнительное крепление тросами необходимо для предотвращения всплытия бака во время весенних и осенних подвижек грунта.

Дополнительные функциональные детали полимерных колодцев

• полимерные люки — бывают различных цветов, предназначены для установки в частных домах, парках, местах, где редко проезжают транспортные средства;
• крышки — используют для предупреждения попадания мусора и грязи в колодец;
• горловины — сужают колодец сверху, чтобы установить чугунный или полимерный люк, горловина бывает центральной или смещенной;
• антипромерзающая воронка — предотвращает попадание холодного воздуха внутрь колодца;
• мусоросборная емкость — собирает крупный мусор на внутренней поверхности колодца;
• лестницы — применяют для осуществления быстрого доступа к колодцу.

Преимущества полимерно-песчаных колодцев

СОЛФИТ представляет Вам замечательный по своим свойствам товар – полимерно-песчаные колодцы. Кому это предложение адресовано? В чем преимущества этих конструкций?

О производителе и характеристиках товара

Заводом-производителем представленных в нашем каталоге песчано-полимерных колодцев является отечественная организация «Синергия-С», специализирующаяся в сфере технологий полимер-песчаной композиции в строительстве.

При многообразии материалов, используемых сейчас в производстве емкостей под септики или кессоны, полимерно-песчаные колодцы выделяются из общей массы. Они выполняются из композита, сочетания пластика с песком. Конструкция представляет собой модульную систему, в ее комплект входят конусовидная крышка, кольца, дно, люк. Что важно отметить, люки из полимеров не привлекательны для злоумышленников, охотящихся за крышами из металлов для последующей сдачи.

Именно песок обеспечивает жесткость изделия, поэтому его добавляют в полимер, а герметичность гарантирует пластик. Объем колодца регулируется простейшим образом: количеством колец, а незначительный их вес создает удобные условия для монтажа. Колодец становится монолитным за счет применяемой системы замкового соединения «шип-паз».

О преимуществах

Сравнивать полимерно-песчаные колодцы стоит с их главными конкурентами — классическими бетонными конструкциями, которые распространены в обустройстве септиков и иных канализационных систем.

В эксплуатации эти изделия характеризуются:

• более легким, по сравнению с бетоном, весом;
• возможностью резать материал при необходимости;
• компактностью;
• возможностью самостоятельно выполнять монтаж;
• простым подбором требуемого количества колец по объему канала;
• повышенной износоустойчивостью;
• возможностью окрашивания в любые цвета;
• прочностью и долговечностью — срок службы изделия рассчитан на 30 лет, по меньшей мере;
• герметичностью — материал не поглощает влагу;
• неподверженностью влиянию как высоких, так и низких температур (композит не трескается при замерзании;
• чрезвычайно низкий коэффициент истираемости;
• неподверженностью воздействию кислот и масел.

Замковые соединения требуют дополнительной страховки, поэтому в процессе монтажа их рекомендуется обрабатывать специально предназначенными для этого герметиками либо битумной мастикой.

О сфере применения

Полимерно-песчаные колодцы применяют главным образом для обустройства септиков, которые могут состоять из одной или нескольких секций. Колодец может также являться составной частью корпуса канализационной насосной станции.

Полимерпесчаные конструкции стали достойной альтернативой железобетону при изготовлении стандартных отстойников. Но хранить в них питьевую воду нельзя, поскольку полимерный состав производят из вторичного сырья.

Обратите внимание! В целях предотвращения нарушений герметичности полимерно-песчаные колодцы не стоит применять на участках с высоким уровнем грунтовых вод, которые могут нарушить целостность соединений и стыков.

Подводя итоги

Нельзя сказать, что сейчас все отказываются от железобетонных колец и переходят к полимерпесчаным конструкциям. Им пока достается незаслуженно мало внимания. У них действительно множество преимуществ перед бетоном, но традиционные материалы привычнее, а цены на оба вида материала пока вполне сопоставимы. Тем не менее, тех, кто хочет получить оптимально легкую по установке и надежную по срокам использования конструкцию, «СОЛФИТ» приглашает Вас приобретать полимерно-песчаные колодцы уже сейчас!

ООО Сандкор — производство канализационных люков в Республике Беларусь

Полимерно-песчаные канализационные люки и колодцы – выгодная альтернатива традиционным материалам

Сегодня неспособность утилизации бытовых и промышленных отходов в необходимых объёмах создаёт угрозу нашей экологии. Распад неорганических полимерных материалов может происходить на протяжении столетий, загрязняя и отравляя окружающую среду. Нужно задуматься над тем, что мы оставим будущим поколениям.

Наша компания помогает решать проблему утилизации полимерного мусора, перерабатывая его и используя для вторичного производства. Компания «Сандкор» в 2014 году начала производство канализационных люков, кессонов для скважин, кабельныех колодцев (ККС) и лотков водоотводных из полимерно-песчаного композита. В нашем производстве применяется вторичный полимер. Это отходы производств полимерных и пластиковых изделий. Применяя инновационные технологии, мы предлагаем своим заказчикам действительно качественную продукцию.

Преимущества нашей продукции

Люк полимерно-песчаный, применяется на всех видах инженерных сетей.  В отличие от чугунного аналога, люк полимерный имеет следующие преимущества:

— значительно дешевле чугуна;

— не интересен сборщикам металлолома;

— имеет эстетичный внешний вид — зеленый люк заказывают для зеленой зоны, а серый или красный люк хорошо сочетается с тротуарной плиткой;

— люк не корродирует (не ржавеет) — не требует регулярной окраски;

— по техничнским характеристикам, размерам и нагрузкам соответствует ГОСТ 3634-99.

 Обычные чугунные люки, по сравнению с песчано–полимерными, имеют ряд серьёзных недостатков: очень большой вес крышки (от сорока пяти до ста килограмм), подвержены коррозии,  в результате механического воздействия (удара) могут трескаться и раскалываются, есть необходимость окрашивания в цвет окружающей среды.

Заказчик может заказать полимерпесчаный люк  не только необходимого цвета, но и с фирменной эмблемой (логотипом).

Колодец полимерно-песчаный применяется в сетях кабельной канализации (полимерные ККС), для обустройства кессоа (оголовка) скважины, в качестве смотровых колодцев всех наружных инженерных сетей,  септик для частного дома. Полимерный колодец Сандкор имеет ряд своих преимуществ относительно бетонного и пластикового аналога: 

— материал не впитывает влагу и не разрушается при многократном замораживании;

— колодец полимерный имеет толщину стенки не менее 30мм, его не задавит грунт, как это бывает с пластиковым септиком и кессоном;

— колодец легко надежно гидроизолировать в отличии от бетонного колодца;

— полимерно-песчаный колодец рационально применять в местах труднодоступных для техники;

— можно  собрать полимерный колодец любой глубины с шагом 20 см;

— объем полимерного септика определяется количеством колодцев септика, обычно устанавливают 2-3 колодца с переливом и полем фильтрации;

— колодец легко монтировать вручную, вес каждого элемента (конус, кольцо и дно) не более 50 кг, погрузочная техника не нужна;

— класс нагрузки колодца — В125 (допустима вертикальная нагрузка до 12,5т).

 

Схема монтажа кессона скважины 

 

Схема монтажа полимерно-песчаного септика

Ниже опубликовано видео по монтажу кессона производства ООО «Сандкор». За несколько лет производства колодцев появился опыт и рекомендации по монтажу нашей продукции. О них мы постарались рассказать в разделе «статьи и решения» нашего сайта. Лоток водоотводный применяется для отвода талой или дождевой воды с плоской поверхности. Наш лоток значительно дешевле европейских аналогов. Лоток мы комплектуем различными видами решетки — оцинковка, пластик, чугун. 

Подробное описание всей нашей продукции вы найдете в каталоге. 

 

 Продукция из полимерно-песчаного композита – выбор тех, кто знает толк в практичности!

достоинства и недостатки + особенности устройства

При строительстве колодца человек старается выбрать максимально устойчивый к природным факторам материал. Сырость, грунтовые воды вместе с химическими веществами, перепады температур и пр. влияют на качество герметичности колодца. А так как отремонтировать его достаточно сложно (особенно канализационный и питьевой!), то выгоднее купить более дорогой материал, у которого большой срок службы. Прекрасной альтернативой традиционным железобетонным конструкциям является полимерпесчаный колодец, чей монтаж обходится дешевле, а прочность и герметичность пока вне конкуренции.

Из чего изготавливают полимерпесчаные колодцы?

Сырьем для полимерпесчаных колодцев выступает композитный материал, в который добавляют песчаный наполнитель. Композиты – это разновидности пластмассы, наделенные разными свойствами в зависимости от добавок, которые с ними смешивают.

Колодцы делают методом горячего прессования, смешивая порошкообразные элементы и воздействуя высокими температурами и давлением. В результате спекания структура материала получается малопористой и весьма прочной.

Железобетон и полимерпесок: кто выигрывает?

Долгое время железобетон оставался единственным материалом для производства колодцев. Но его свойства далеко не идеальны. Сравним их с аналогичными характеристиками полимерпесчаного сырья.

Вес и транспортировка на объект

Железобетонные материалы отличаются значительным весом. Метровое кольцо имеет массу около 500 кг, а значит, для его транспортировки на строительный объект нужна специальная техника как для погрузки-разгрузки (подъемный кран), так и для перевозки (грузовой автомобиль). Даже если это и найдется, то не всегда такая объемная техника «втиснется» в узкое пространство стройки, особенно в городской черте, где рядом – жилые здания.

За счет менее объемных компонентов полимерные колодцы проще монтировать, потому что не нужна крупногабаритная техника и много рабочих

В диаметре полимерпесчаные колодцы не толще 1,1 метра, поэтому легко уместятся в обычный прицеп для легкового автомобиля

В свою очередь, полимерно-песчаные колодцы существенно легче. Масса любого фрагмента конструкции (кольца, люка и пр.) – до 60 кг. Такой вес поднимут два человека без использования крана. Да и перевезти на участок дачник сможет обычным прицепом для легкового автомобиля. Еще один плюс: легко монтируется в труднодоступном месте (к примеру, в подвале), ведь закатить кольца и забросить их в шахту может сам хозяин участка.

Собрать из элементов целый колодец и смонтировать его в земле способен один человек, потому что вес каждого элемента не превышает 60 кг

Особенности стыковки элементов и герметичность стыков

В железобетонных кольцах края невозможно сделать абсолютно ровными, поэтому при монтаже приходится много возиться с герметичностью стыков. И все равно, со временем их размывает водой, равно как и стенки. А если колодец стоит на подвижном грунте, где у подземных вод весной очень сильные потоки, то кольца могут сдвигаться, разрываясь в местах стыков.

При системе «паз-гребень» оба элемента конструкции соединяются максимально плотно, поэтому стыки не требуют дополнительной герметизации, кроме промазки силиконом

Полимерпесчаные элементы стыкуются по системе «паз-гребень», благодаря которой им не страшны подвижки грунта. Такое соединение абсолютно не пропускает воду, и все пазы достаточно для страховки промазывать силиконовым герметиком или мастикой из битума.

Способность противостоять влаге

Влага – главный враг железобетонных конструкций. Бетонная поверхность имеет крупные поры, и в зимнюю пору мороз из земли проникает в них, расширяет и вызывает микротрещины, которые будут увеличиваться с каждым годом.

За счет технологии «спекания» частиц, у полимерпесчаных колец уровень водопоглощения всего 0,03%. Колодец способен выдержать свыше пятисот циклов замерзания-оттаивания (от -65˚ до +160˚С) без каких-либо нарушений в структуре.

Устойчивость к агрессивным веществам

Вместе с водой из грунта на поверхность колодцев попадают агрессивные вещества, разрушающие структуру бетона, а если колодец канализационный, то и изнутри его будут «портить» реакции разложения биомассы. Чтобы эти процессы протекали слабее, железобетонные кольца смазывают специальными антисептиками и гидроизоляционными мастиками.

Полимерному изделию агрессивная среда не страшна. Композитный материал не вступает в реакции с веществами, поэтому не боится солей, кислот и щелочей и не требует дополнительной обработки.

Легкость соединения с трубопроводом

При соединении колодца с системой домашнего водоснабжения приходится сверлить в нем отверстия или проемы. В железобетоне это сделать весьма сложно. Зачастую требуется профессиональный инструмент.

Вырезывать проемы и отверстия для труб в полимерпесчаных колодцах можно обычными бытовыми инструментами, а края не надо ничем обрабатывать

В полимерном кольце все проемы создают бытовыми инструментами. При  этом не надо смазывать края вырезанного куска никакими составами, ибо коррозия пластику не страшна.

Гарантийный срок службы

На железобетонные изделия производители дают гарантию около 50 лет, но указывают, что эти параметры касаются только основных технических характеристик. Т.е. кольцо точно не развалится и не истончится. Но гарантию на герметичность стыков они дать не могут, поэтому даже самые прочные заводские колодцы могут через пару лет заилиться, если монтаж был проведен неграмотно.

С полимерпесчаными колодцами такие казусы исключены. Поэтому производители дают гарантию до 100 лет, хотя пластики в природе разлагаются свыше 400 лет, а песок, входящий в состав сырья – вечен.

Как устроен полимерпесчаный колодец?

Как и железобетонный вариант, полимерпесчаные колодцы складывают из отдельных колец. Высота каждого — 200 см. На последнее кольцо надевается переходник, похожий на конус, суживающийся кверху, который накрывается люком с крышкой. Кроме того, для полной герметичности емкости выпускается днище высотой в 30 см, которое крепится к кольцу той же системой «паз-гребень».

Все элементы полимерпесчаного колодца стыкуются по системе «паз-гребень», поэтому при монтаже не возникает проблем с соединением частей — все собирается как конструктор

Чем глубже нужен колодец, тем большее число колец берут для его монтажа, хотя стандартная конструкция состоит из: 8 колец + 1 переходник + люк с крышкой + плита днища. Общий вес сложенного изделия – около 600 кг.

Полимерпесчаные колодцы проще монтировать на большие глубины, так как можно заказать и установить любое число колец

Сферы применения полимерпесчаных изделий

Все существующие виды колодцев можно создавать из полимерпесчаного материала. К ним относятся канализационные, водопроводные, линевки, дренажные и смотровые. Абсолютная сухость внутри позволяет использовать такие колодцы для телефонной связи, электросетей.

Полимерпесчаные колодцы востребованы при прокладке телефонных линий и электросвязи, потому что в них сухо, а значит, нет опасности для повреждения оборудования

Люки из полимерпеска выпускаются разных цветов, поэтому можно подобрать подходящий вариант под окраску тротуарной плитки, чтобы он был незаметен

Приятный бонус: Крышки люков не представляют никакого интереса для воров, промышляющих сдачей металлолома, потому что  в них отсутствуют металлические элементы.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

На что обращать внимание при подборе полимерных колодцев

7 мая 2020

В последнее время в Интернете стали появляться видео материалы и рекламные картинки о полимерных колодцах связи, сделанные с помощью компьютерной графики. Сделаны они  настолько хорошо, что поневоле завидуешь умениям и талантам исполнителей.

Но в то же время, анализируя эти картинки с позиций опытного специалиста в области строительства и эксплуатации кабельной канализации связи, приходишь к выводу, что этот самый исполнитель не имеет никакого представления о том, в каких условиях эти красивые колодцы устанавливаются, и какие неприятные факторы на них воздействуют. И повреждённых колодцев, люков колодцев, горловин колодцев он никогда в жизни не видел.

А между тем опыт применения полимерных колодцев имеется. И выяснилось, что на них воздействуют как природные факторы, так и антропогенные. И прежде чем рекомендовать способы установки полимерных колодцев, следует разобраться, что, где и как им угрожает.

Рассмотрим несколько схем установки колодцев из Интернета.

Рис. 1. Полимерный колодец на проезжей части улицы. Колодец сверху оснащён разгрузочной  железобетонной плитой. И чугунным люком тяжёлого типа.

Опыт применения полимерных колодцев на объектах проекта «Моя улица» в Москве свидетельствует, что одной такой плиты сверху совершенно недостаточно. И для предотвращения всплытия колодца в ходе воздействия мерзлотных процессов необходимо закреплять его на анкерной плите. На рис. 1 такой плиты нет.

Рис. 2. Полимерный колодец на газоне (в зоне зелёных насаждений)

Ещё проще и дешевле предлагается устанавливать колодец на рисунке 2. Здесь он вообще ничем не нагружается и, как показал опыт, будет постепенно вылезать из земли.

Но здесь, в зелёной зоне, полимерные колодцы подстерегает ещё одна опасность. На рис. 3 показан колодец типа КОД, установленный в зелёной зоне с люком, выведенным на уровень поверхности земли.  Люк ничем не защищён.

Рис. 3. Колодец типа КОД в зоне зелёных насаждений.

Рис. 4. Колодец КС-5 на газоне

Так же выведен на поверхность земли люк колодца КС-5 на рис. 4. Ничего бы с ними, с люками колодцев, показанных на рисунках 3 и 4, не случилось, если бы они стояли на английском газоне, который стригут 200-300 лет. И который находится на охраняемой территории. Но эти колодцы будут стоять там, где ни нормального газона, ни плотного дёрна, ни охранников не будет. А будет там небрежная засыпка не-просеянным грунтом (песок нынче дорог). И открытый доступ всем желающим. Самыми страшными и опасными для колодцев, прежде всего для их пластмассовых люков, следует считать местных юных естествоиспытателей. Они сразу проверят колодцы на доступность, а люки на горючесть. Или просто, как древние люди, изготовят каменные инструменты и испытают люки на прочность.

Не исключён и другой вариант. Кто сказал, что на газоны и в зоны зелёных насаждений  не заезжают автомобили, трактора и бульдозеры. Есть печальный опыт.

Что же делать тем потребителям колодцев, кто будет очарован  красивыми  картинками?  Не верить! Искать информацию о правильном применении, о неприятностях в процессе эксплуатации и делать свои выводы о том, что и как использовать..

      Что касается нашего мнения, мнения специалистов ЗАО «СВЯЗЬСТРОЙДЕТАЛЬ», то оно таково:

– пластмассовые колодцы в «голом» виде ставить нельзя;

– их надо закреплять на анкерных плитах и закрывать разгрузочными плитами сверху;

– именно так ставить их и на проезжей части, и на тротуарах, и на газонах;

– ни в коем случае не оставлять незащищёнными и доступными для вандалов пластмассовые люки.

      Именно поэтому для всех пластмассовых колодцев, которые поставляет ЗАО «СВЯЗЬ-СТРОЙДЕТАЛЬ», нами разработаны варианты анкерных и разгрузочных плит с люками. Примеры таких решений показаны на рисунках  5 и  6.

Рис. 5. Колодец ККТ-2 в котловане с плитами и креплением

Рис. 6. Колодец ККТМ-2 в котловане с плитами и креплением

 

Сергей Кулешов,

менеджер проектных продаж 

Производство и поставки полимерных кабельных колодцев для различных кабельных сетей

Кабельные колодцы МПМ представляют собой цельносваренную полимерную конструкцию, шахта которой изготовлена из специальной двустенной профилированной трубы. Двустенная шахта из полиэтилена высокой плотности обеспечивает колодцу высокую механическую прочность и защиту от случайного повреждения.

Цельносварная конструкция с герметично приваренным в заводских условиях дном колодца собирается с помощью специального профессионального оборудования производства Швейцария-Германия — ручных экструдеров. Экструзионная сварка осуществляет соединение полимерных частей фактически на молекулярном уровне — шов становиться единым целым с элементами конструкции. Для дополнительной механической прочности в зависимости от уровня грунтовых вод (УГВ), характеристик грунта и габаритов колодца дно изготавливается одиночным, усиленным двойным или с камерой для бетонирования.

В зависимости от возможности доступа внутрь колодца подразделяются на смотровые (d630 — 1000) и инспекционные (d1000 и свыше).

В зависимости от назначения колодцы: телефонные классические многожильные или оптоволоконные линии, электрические сети или линии охранно-пожарной сигнализации и т.д., — в колодцы устанавливается необходимое оборудование: щиты, заземление, стойки и полки, самосрабатывающие огнетушители, различные перегородки и т.д. Подробное техническое описание представлено здесь.

Изготавливаются в соответствии с ГОСТ 16971-71, 16310-80 и по ТУ 4859-001-67426748-2010 и имеют сертификат соответствия. Срок эксплуатации кабельного колодца МПМ не менее 50 лет при правильных монтаже и эксплуатации.

Тип колодца	кабельный сухой
Материал корпуса	профилировання двустенная труба из полиэтилена высокой плотности (ПНД, HDPE)
Диаметр колодца, мм.	630 — 2400
Высота колодца, мм.	500 — 8000
Способ подключения труб	с помощью электросварных, компрессионных или надвижных муфт, стыковая сварка возможна при условии, что аппарат возможно использовать.
Способ присоединения дна	Герметично приваренное дно необходимой конструкции
Тип колодца	Цельносварной
Материал манжет	EPDM
Люк	в зависимости от требований заказчика: приваренный полимерный люк (ПНД, 1.5 тн.) горловина под чугунный люк накидная крышка полимерная
Срок эксплуатации	не менее 50 лет.
Производство	ГОСТ 16971-71, 16310-80 и по ТУ 4859-001-67426748-2010, сертификат соответствия

Основная техническая информация для проектирования представлена на сайте matline.ru. Так же специалистами компании подготовлены инструкции по проектированию и монтажу полимерных колодцев и в том числе и кабельных. Скачать предыдущую версию каталога можно здесь.

Обновленная версия каталога, в которую будет включена максимально полная информация по всем аспектам, в настоящий момент дорабатывается и будет рассылатся пока по запросам от проектных компаний.

Для расчета стоимости колодцев необходимо заполнить и выслать опросные листы, при большом количестве колодцев выслать в виде таблицы или проекта.

Как производится пластмасса

Основы производства пластмассы

Термин «пластмассы» включает материалы, состоящие из различных элементов, таких как углерод, водород, кислород, азот, хлор и сера. Пластмассы обычно имеют высокую молекулярную массу, а это означает, что каждая молекула может иметь тысячи связанных вместе атомов. Природные материалы, такие как дерево, рог и канифоль, также состоят из молекул с высокой молекулярной массой. Промышленные или синтетические пластмассы часто предназначены для имитации свойств природных материалов.Пластмассы, также называемые полимерами, производятся путем преобразования природных продуктов или синтеза первичных химикатов, обычно получаемых из нефти, природного газа или угля.

В основе большинства пластиков лежит атом углерода. Исключение составляют силиконы, в основе которых лежит атом кремния. Атом углерода может соединяться с другими атомами максимум четырьмя химическими связями. Когда все связи связаны с другими атомами углерода, могут образоваться алмазы, графит или сажа. Для пластиков атомы углерода также связаны с вышеупомянутым водородом, кислородом, азотом, хлором или серой.Когда соединения атомов образуют длинные цепочки, как жемчуг на нити жемчуга, полимер называют термопластом. Термопласты обладают плавкостью. Все термопласты имеют повторяющиеся звенья, наименьший идентичный участок цепи. Мы называем эти повторяющиеся единицы элементарными ячейками. Подавляющее большинство пластмасс, около 92%, являются термопластами ¹ .

Группы атомов, из которых образуются элементарные ячейки, называются мономерами. Для некоторых пластиков, таких как полиэтилен, повторяющаяся единица может состоять только из одного атома углерода и двух атомов водорода.Для других пластиков, таких как нейлон, повторяющееся звено может включать 38 или более атомов. Когда мы комбинируем мономеры, мы получаем полимеры или пластмассы. Сырье образует мономеры, которые могут быть использованы или используются для образования элементарных ячеек. Мономеры используются в виде полимеров или пластиков

Когда соединение атомов углерода образует двумерные и трехмерные сети вместо одномерных цепочек, полимер будет термореактивным пластиком. Термореактивные пластмассы не плавятся. Термореактивные пластмассы, такие как эпоксидные клеи или корпуса лодок и ванн из ненасыщенного полиэстера, или фенольные клеи, используемые для изготовления фанеры, создаются пользователем, смешивая два химиката и немедленно используя смесь до того, как пластик «схватится» или застынет.

Образование повторяющихся звеньев для термопластов обычно начинается с образования небольших молекул на основе углерода, которые могут объединяться с образованием мономеров. Мономеры, в свою очередь, соединяются вместе с помощью механизмов химической полимеризации с образованием полимеров. Формирование сырья может начинаться с разделения углеводородных химикатов из природного газа, нефти или угля на чистые потоки химикатов. Некоторые из них затем обрабатываются в «процессе взлома». Здесь в присутствии катализатора молекулы сырья превращаются в мономеры, такие как этилен (этен) C2h5, пропилен (пропен) C3H6, бутен C4H8 и другие.Все эти мономеры содержат двойные связи между атомами углерода, так что атомы углерода могут впоследствии реагировать с образованием полимеров.

Другие химические сырьевые материалы, такие как бензол и ксилолы, выделяются из нефти. Эти химические вещества вступают в реакцию с другими с образованием мономеров полистирола, нейлона и полиэфиров. Сырье было преобразовано в мономеры и больше не содержит нефтяных фракций. Еще одно сырье можно получить из возобновляемых ресурсов, например целлюлозу из древесины для производства бутирата целлюлозы.Чтобы стадия полимеризации работала эффективно, мономеры должны быть очень чистыми. Все производители очищают сырье и мономеры, улавливая неиспользованное сырье для повторного использования, а побочные продукты — для надлежащей утилизации.

Затем мономеры химически связываются в цепи, называемые полимерами. Существует два основных механизма полимеризации: реакции присоединения и реакции конденсации. Для реакций присоединения добавляется специальный катализатор, часто пероксид, который заставляет один мономер связываться с другим, а другой с другим и так далее.Катализаторы не вызывают реакции, но заставляют реакции происходить быстрее. Аддитивная полимеризация, используемая, среди прочего, для полиэтилена, полистирола и поливинилхлорида, не приводит к образованию побочных продуктов. Реакции можно проводить в газовой фазе, диспергированной в жидкостях. Второй механизм полимеризации, конденсационная полимеризация, использует катализаторы, чтобы все мономеры реагировали с любым соседним мономером. В результате реакции два мономера образуют димеры (две элементарные ячейки) плюс побочный продукт.Димеры могут объединяться с образованием тетрамеров (четырех элементарных ячеек) и так далее. Для конденсационной полимеризации необходимо удалить побочные продукты, чтобы химическая реакция произвела полезные продукты. Некоторые побочные продукты представляют собой воду, которую обрабатывают и утилизируют. Другие побочные продукты — это сырье, которое перерабатывается для повторного использования в процессе. Удаление побочных продуктов проводится таким образом, чтобы ценное переработанное сырье не терялось в окружающей среде или не подвергалось воздействию населения. Реакции конденсации обычно проводят в массе расплавленного полимера.Полиэфиры и нейлоны производятся методом конденсационной полимеризации.

Из различных комбинаций мономеров можно получить пластичные смолы с разными свойствами и характеристиками. Когда все мономеры одинаковы, полимер называется гомополимером. Когда используется более одного мономера, полимер называется сополимером. Пластиковые кувшины для молока являются примером гомополимерного полиэтилена высокой плотности. Молоко удовлетворительно упаковывается в менее дорогой гомополимерный HDPE. Бутылки с моющим средством для стирки являются примером сополимера HDPE.Агрессивный характер моющего средства делает сополимер правильным выбором для наилучшего обслуживания. Каждый мономер дает пластиковую смолу с определенными свойствами и характеристиками. Комбинации мономеров дают сополимеры с другими вариациями свойств. Таким образом, в пределах каждого типа полимера, такого как нейлоны, полиэфиры, полиэтилены и т. Д., Производители могут производить пластмассы с особыми характеристиками по индивидуальному заказу. Полиэтилены могут быть жесткими или гибкими. Полиэфиры могут быть изготовлены из клеев, плавящихся при низкой температуре, или для автомобильных деталей, устойчивых к высоким температурам.Полученные термопластичные полимеры могут быть расплавлены с образованием множества различных видов пластмассовых изделий с применением на многих основных рынках. Вариативность пластмассы либо в пределах типов пластмассовых семейств, либо среди типов семейств позволяет адаптировать пластмассу к конкретным требованиям к конструкции и характеристикам. Вот почему одни пластмассы лучше всего подходят для одних применений, а другие — для совершенно иных. Ни один пластик не подходит для всех нужд.

Вот некоторые примеры свойств материалов для пластмассовых изделий:

• Упаковка горячего розлива, используемая для таких продуктов, как кетчуп
• Химически стойкая упаковка, используемая для таких продуктов, как отбеливатель
• Ударная вязкость автомобильных бамперов

Структура полимеров

Как мы уже говорили, полимеры могут быть гомополимерами или сополимерами.Если длинные цепи показывают непрерывную связь атомов углерода с углеродом, структура называется гомогенной. Длинная цепочка называется позвоночником. Полипропилен, полибутилен, полистирол и полиметилпентен являются примерами полимеров с однородной углеродной структурой в основной цепи. Если цепочки атомов углерода периодически прерываются кислородом или азотом, структура называется гетерогенной. Полиэфиры, нейлон и поликарбонаты являются примерами полимеров с неоднородной структурой.Гетерогенные полимеры как класс имеют тенденцию быть менее химически стойкими, чем гомогенные полимеры, хотя примеры обратного многочисленны.

К углеродно-углеродной основе могут быть прикреплены различные элементы. Поливинилхлорид (ПВХ) содержит присоединенные атомы хлора. Тефлон содержит присоединенные атомы фтора.

Расположение звеньев в термопластах также может изменять структуру и свойства пластмасс. Некоторые пластмассы собраны из мономеров, так что имеется преднамеренная случайность в появлении присоединенных элементов и химических групп.У других прикрепленные группы расположены в очень предсказуемом порядке. Пластмассы, если структура позволяет, образовывать кристаллы. Некоторые пластмассы легко и быстро образуют кристаллы, например HDPE — полиэтилен высокой плотности. HDPE может казаться мутным из-за кристаллов и проявлять жесткость и прочность. Другие пластмассы сконструированы так, что они не могут соединяться друг с другом с образованием кристаллов, например полиэтилен низкой плотности, LDPE. Аморфный пластик обычно имеет прозрачный внешний вид. Регулируя пространственное расположение атомов в основных цепях, производитель пластмасс может изменять эксплуатационные свойства пластика.

Химическая структура основы, использование сополимеров и химическое связывание различных элементов и соединений с основной цепью, а также способность кристаллизоваться могут изменить технологические, эстетические и эксплуатационные свойства пластмасс. Пластмассы также могут быть изменены добавлением добавок.

Добавки

Когда пластмассы выходят из реакторов, они могут иметь желаемые свойства для коммерческого продукта или нет.Включение добавок может придавать пластмассам особые свойства. Некоторые полимеры включают добавки во время производства. Другие полимеры включают добавки во время переработки в готовые детали. Добавки включают в полимеры для изменения и улучшения основных механических, физических или химических свойств. Добавки также используются для защиты полимера от разрушающего воздействия света, тепла или бактерий; для изменения таких технологических свойств полимера, как текучесть расплава; обеспечить цвет продукта; и для обеспечения особых характеристик, таких как улучшенный внешний вид поверхности, снижение трения и огнестойкость.

Типы добавок:

• Антиоксиданты: для обработки пластмасс и вне помещений, где требуется устойчивость к атмосферным воздействиям
• Красители: для цветных пластиковых деталей
• Пенообразователи: для пенополистирольных стаканов и строительных плит и для полиуретанового коврового покрытия
• Пластификаторы: используются для изоляции проводов, полов, водостоков и некоторых пленок
• Смазочные материалы: используются для изготовления волокон
• Anti-stats: для уменьшения пылеулавливания за счет статического электричества
• Противомикробные средства: используются для занавесок для душа и настенных покрытий
• Антипирены: для повышения безопасности покрытий проводов и кабелей и искусственного мрамора

Два типа пластика, в зависимости от обработки

A Thermoset — это полимер, который необратимо затвердевает или «застывает» при нагревании или отверждении.Подобно отношениям между сырым и вареным яйцом, вареное яйцо не может вернуться к своей первоначальной форме после нагревания, а термореактивный полимер не может быть размягчен после «застывания». Термореактивные материалы ценятся за их долговечность и прочность и широко используются в автомобилях и строительстве, в том числе в клеях, чернилах и покрытиях. Самый распространенный термореактивный материал — это резиновые грузовые и легковые шины. Некоторые примеры термореактивных пластмасс и их применения в продуктах:

Полиуретаны:
• Матрасы
• Подушки
• Изоляция

Ненасыщенные полиэфиры:
• Корпуса лодок
• Ванны и душевые кабины
• Мебель

Эпоксидные смолы:
• Клейкие клеи
• Покрытие для электрических устройств.
• Лопасти вертолетных и реактивных двигателей

Фенолформальдегид:
• Ориентированно-стружечная плита
• Фанера
• Электроприборы
• Платы и переключатели электрические

A Термопласт — это полимер, в котором молекулы удерживаются вместе слабыми вторичными силами связи, которые размягчаются при нагревании и возвращаются в исходное состояние при охлаждении до комнатной температуры.Когда термопласт размягчается при нагревании, ему можно придать форму путем экструзии, формования или прессования. Кубики льда — обычные предметы домашнего обихода, которые воплощают принцип термопластичности. Лед тает при нагревании, но быстро затвердевает при охлаждении. Подобно полимеру, этот процесс можно повторять много раз. Термопласты обладают универсальностью и широким спектром применения. Они обычно используются в упаковке пищевых продуктов, поскольку им можно быстро и экономично придать любую форму, необходимую для выполнения упаковочной функции.Примеры включают кувшины для молока и бутылки для газированных безалкогольных напитков. Другие примеры термопластов:

Полиэтилен:
• Упаковка
• Электроизоляция
• Бутылки для молока и воды
• Упаковочная пленка
• Домашняя пленка
• Сельскохозяйственная пленка

Полипропилен:
• Ковровые волокна
• Автомобильные бамперы
• Микроволновые контейнеры
• Наружные протезы

Поливинилхлорид (ПВХ):
• Оболочка для электрических кабелей.
• Напольные и настенные покрытия
• Сайдинг
• Автомобильные приборные панели

Способы обработки термопластов и термореактивных материалов

Для превращения полимеров в готовую продукцию используется множество различных методов обработки.Некоторые включают:

Экструзия — Этот непрерывный процесс используется для производства пленок, листов, профилей, труб и труб. Пластиковый материал в виде гранул, пеллет или порошка сначала загружается в бункер, а затем подается в длинную нагретую камеру, через которую он перемещается под действием непрерывно вращающегося винта. Камера представляет собой цилиндр и называется экструдером. Экструдеры могут иметь один или два вращающихся винта. Пластик плавится за счет механической работы шнека и тепла от стенки экструдера.В конце нагретой камеры расплавленный пластик вытесняется через небольшое отверстие, называемое матрицей, для придания формы готовому продукту. По мере того, как пластик выдавливается из фильеры, он подается на конвейерную ленту для охлаждения, на ролики для охлаждения или путем погружения в воду для охлаждения. Принцип работы такой же, как у мясорубки, но с добавленными нагревателями в стенке экструдера и охлаждением продукта. Примеры экструдированных продуктов включают кромку газона, трубы, пленку, бумагу с покрытием, изоляцию электрических проводов, водосточные желоба и водосточные желоба, пластмассовые пиломатериалы и оконную отделку.Термопласты перерабатываются методом непрерывной экструзии. Термореактивный эластомер может быть экструдирован в атмосферостойкость путем добавления катализаторов к каучуковому материалу, когда он подается в экструдер.

Каландрирование — Этот непрерывный процесс является продолжением экструзии пленки. Еще теплый экструдат охлаждают на полированных холодных валках для получения листа толщиной от 0,005 дюйма до 0,500 дюйма. Благодаря полированным роликам толщина поддерживается в хорошем состоянии, а поверхность становится гладкой. Каландрирование используется для получения высокой производительности и способности справляться с низкой прочностью расплава.Тяжелые полиэтиленовые пленки, используемые для строительства паро и жидких барьеров, каландрированы. Пленки ПВХ большого объема обычно изготавливаются с использованием календарей.

Выдувание пленки — Этот процесс непрерывно выдавливает кольцо полурасплавленного полимера в вертикальном направлении вверх, как фонтан. Поддерживается воздушный пузырек, растягивающий пластик в осевом и радиальном направлении в трубку, во много раз превышающую диаметр кольца. Диаметр трубки зависит от обрабатываемого пластика и условий обработки.Трубка охлаждается воздухом, зажимается и наматывается непрерывно, как сплющенная трубка. Трубка может быть обработана для формирования товарных пакетов или разрезана для формирования рулонов пленки толщиной от 0,0003 до 0,005 дюйма. Для изготовления трубки можно использовать несколько слоев разных смол.

Литье под давлением — Этот процесс позволяет изготавливать сложные трехмерные детали высокого качества и высокой воспроизводимости. Он преимущественно используется для термопластов, но некоторые термореактивные пластмассы и эластомеры также перерабатываются методом литья под давлением.При литье под давлением пластмассовый материал подается в бункер, который подается в экструдер. Шнек экструдера проталкивает пластик через камеру нагрева, в которой материал затем плавится. В конце экструдера расплавленный пластик под высоким давлением выдавливается в закрытую холодную форму. Высокое давление необходимо для того, чтобы форма была полностью заполнена. Как только пластик остывает до твердого состояния, форма открывается, и готовый продукт выгружается. Этот процесс используется для изготовления таких предметов, как кадки для масла, емкости для йогурта, крышки от бутылок, игрушки, аксессуары и стулья для газонов.Специальные катализаторы могут быть добавлены для создания термореактивных пластмассовых изделий во время обработки, таких как детали из вулканизированной силиконовой резины. Литье под давлением — это прерывистый процесс, так как детали формуются в формах и должны быть охлаждены или отверждены перед удалением. Экономичность определяется тем, сколько деталей может быть изготовлено за цикл и насколько короткими могут быть циклы.

Выдувное формование — Выдувное формование — это процесс, используемый в сочетании с экструзией или литьем под давлением. В одной из форм, экструзии с раздувом, фильера образует непрерывную полурасплавленную трубу из термопластического материала.Охлажденная форма зажимается вокруг трубки, и затем в трубку вдувается сжатый воздух, чтобы подогнать трубку к внутренней части формы и затвердеть растянутой трубке. В целом цель состоит в том, чтобы получить однородный расплав, сформировать из него трубу с желаемым поперечным сечением и придать ей точную форму продукта. Этот процесс используется для производства полых пластмассовых изделий, и его основным преимуществом является возможность изготавливать полые формы без необходимости соединения двух или более отдельных частей, полученных литьем под давлением.Этот метод используется для изготовления таких предметов, как коммерческие бочки и бутылки для молока. Другой метод выдувного формования заключается в литье под давлением промежуточной формы, называемой преформой, с последующим нагревом преформы и выдуванием размягченного при нагревании пластика в окончательную форму в охлажденной форме. Это процесс изготовления бутылок для газированных безалкогольных напитков.

Выдувание расширенных шариков — Этот процесс начинается с отмеренного объема шариков из пластика, помещаемых в форму. Гранулы содержат пенообразователь или газ, обычно пентан, растворенный в пластике.Закрытая форма нагревается для размягчения пластика, и газ расширяется, или вспенивающий агент выделяет газ. В результате получается структура из вспененного пластика с закрытыми ячейками, повторяющая форму, например стаканчики из пенополистирола. Теплоизоляционная плита из пенополистирола Styrofoam ™ производится в процессе непрерывной экструзии с использованием раздувания вспененных гранул.

Ротационное формование — Ротационное формование состоит из формы, установленной на машине, способной вращаться по двум осям одновременно.Твердая или жидкая смола помещается в форму и нагревается. Вращение распределяет пластик в однородное покрытие внутри формы, затем форма охлаждается до тех пор, пока пластмассовая часть не остынет и не затвердеет. Этот процесс используется для создания полых конфигураций. Обычные продукты ротационного формования включают транспортировочные бочки, резервуары для хранения и некоторую потребительскую мебель и игрушки.

Компрессионное формование — В этом процессе подготовленный объем пластика помещается в полость формы, а затем применяется вторая форма или заглушка, чтобы придать пластику желаемую форму.Пластик может быть полуотвержденным термореактивным материалом, таким как автомобильная шина, или термопластом, или матом из термореактивной смолы и длинных стекловолокон, например, для корпуса лодки. Компрессионное формование может быть автоматизировано или требует значительного ручного труда. Трансферное формование — это усовершенствованная форма компрессионного формования. Трансферное формование используется для герметизации деталей, например, для производства полупроводников

Формование фанеры или ориентированно-стружечных плит с использованием термореактивных клеев является вариантом компрессионного формования.Деревянный шпон или нити покрывают катализированной термореактивной фенолформальдегидной смолой и сжимают и нагревают, чтобы термореактивный пластик превратился в жесткий, неплавкий клей.

Литье — Этот процесс представляет собой добавление жидких смол в форму под низким давлением, часто просто заливка. Катализированным термореактивным пластмассам можно придавать сложные формы путем литья. Расплавленный полиметилметакрилатный термопласт можно заливать в плиты для формирования окон для коммерческих аквариумов.Отливка позволяет получить толстый лист толщиной от 0,500 дюймов до многих дюймов.

Термоформование — Пленки из термопласта нагреваются, чтобы смягчить пленку, а затем мягкую пленку вытягивают под действием вакуума или толкают под давлением, чтобы она соответствовала форме, или вдавливают пробкой в ​​форму. Детали термоформовываются либо из отрезков для толстого листа более 0,100 дюйма, либо из рулонов тонкого листа. Готовые детали вырезаются из листа, а отходы листового материала повторно используются для производства нового листа.Этот процесс может быть автоматизирован для крупносерийного производства пищевых контейнеров-раскладушек или может представлять собой простой ручной труд для изготовления отдельных поделок.

¹ Американский совет по химии, Статистическая группа производителей пластмасс, 2005 г.

Полимеры

Полимеры

1. Введение

До начала 1920-х годов химики сомневались в существовании молекул с молекулярной массой больше нескольких тысяч. Это ограничивающее мнение было оспорено Германом Штаудингером, немецким химиком, имеющим опыт изучения природных соединений, таких как каучук и целлюлоза.В отличие от преобладающей рационализации этих веществ как агрегатов небольших молекул, Штаудингер предположил, что они состоят из макромолекул , состоящих из 10 000 или более атомов. Он сформулировал полимерную структуру для резины на основе повторяющегося изопренового звена (называемого мономером). За свой вклад в химию Штаудингер получил Нобелевскую премию 1953 года. Термины , полимер и , мономер, , произошли от греческих корней poly (много), mono (один) и meros (часть).

За признанием того, что полимерные макромолекулы составляют многие важные природные материалы, последовало создание синтетических аналогов, обладающих множеством свойств. Действительно, применение этих материалов в качестве волокон, гибких пленок, клеев, стойких красок и твердых, но легких твердых тел изменило современное общество. Некоторые важные примеры этих веществ обсуждаются в следующих разделах.

2. Написание формул для полимерных макромолекул

Повторяющаяся структурная единица большинства простых полимеров не только отражает мономер (ы), из которых состоят полимеры, но также предоставляет краткие средства для рисования структур, представляющих эти макромолекулы.Для полиэтилена, возможно, самого простого полимера, это демонстрируется следующим уравнением. Здесь этилен (этен) является мономером, а соответствующий линейный полимер называется полиэтиленом высокой плотности (HDPE). HDPE состоит из макромолекул, в которых n находится в диапазоне от 10 000 до 100 000 (молекулярная масса от 2 * 10 ⁵ до 3 * 10 ⁶ ).

Если Y и Z представляют собой моль мономера и полимера соответственно, Z составляет приблизительно 10 ^-5 Y. Этот полимер называется полиэтиленом, а не полиметиленом, (-CH ₂ -) _n , потому что этилен является стабильным соединением. (метилен не является), и он также служит синтетическим предшественником полимера.Две открытые связи, оставшиеся на концах длинной цепи атомов углерода (окрашенные в пурпурный цвет), обычно не указываются, потому что атомы или группы, обнаруженные там, зависят от химического процесса, используемого для полимеризации. Синтетические методы, используемые для получения этого и других полимеров, будут описаны позже в этой главе.
В отличие от более простых чистых соединений, большинство полимеров не состоят из идентичных молекул. Например, все молекулы HDPE представляют собой длинные углеродные цепи, но длина может варьироваться на тысячи мономерных единиц.По этой причине молекулярные массы полимеров обычно являются средними. Два экспериментально определенных значения являются общими: M _n , среднечисленная молекулярная масса, рассчитывается из распределения мольных долей молекул разного размера в образце, и M _w , средневесовая молекулярная масса, равна рассчитывается из распределения массовых долей молекул разного размера. Они определены ниже. Поскольку более крупные молекулы в образце весят больше, чем молекулы меньшего размера, среднее значение M _w обязательно смещено в сторону более высоких значений и всегда больше, чем M _n .Когда весовая дисперсия молекул в образце сужается, M _w приближается к M _n , а в маловероятном случае, когда все молекулы полимера имеют одинаковый вес (чистый монодисперсный образец), отношение M _w / M _n становится единицей.

Влияние различных распределений масс на M n и M w можно проверить с помощью простого калькулятора массы. Чтобы использовать это устройство, щелкните здесь.

Известно много полимерных материалов, имеющих цепочечную структуру, подобную полиэтилену. Полимеры, образованные прямым соединением вместе мономерных звеньев без потери или увеличения количества материала, называются полимерами присоединения или полимерами роста цепи . Список некоторых важных аддитивных полимеров и их предшественников мономеров представлен в следующей таблице.

— (CH ₂ -CH ₂ ) _n —] CH ₂ -C (CH ₃ ) CO ₂ CH ₃ ] _n —

Некоторые обычные аддитивные полимеры

Имя (я)	Формула	Мономер	Свойства	Использует
Полиэтилен CH DP0 — низкая плотность CH 2 ) n —	этилен CH 2 = CH 2	мягкая, воскообразная твердая	пленка, полиэтиленовые пакеты
Полиэтилен высокой плотности (HDPE)	этилен CH 2 = CH 2	жесткий, полупрозрачный сплошной	электрическая изоляция бутылки, игрушки
Полипропилен (PP) разные марки	— [CH 2 -CH (CH 3 )] n —	пропилен CH 2 = CHCH 3	9019 6 атактический : мягкий, эластичный твердый изотактический : твердый, прочный твердый	аналогичный LDPE ковер, обивка
Поли (винилхлорид) (ПВХ)	— (CH 2 — CHCl) n —	винилхлорид CH 2 = CHCl	прочный твердый массив	трубы, сайдинг, пол
Поли (винилиденхлорид) (Saran A)	— (CH 2 -CCl 2 ) n —	винилиденхлорид CH 2 = CCl 2	плотные, тугоплавкие твердые	чехлы на сиденья, пленки
полистирол (полистирол PS)	— [CH 2 -CH (C 6 H 5 )] n —	стирол CH 2 = CHC 6 H 5	жесткий, жесткий, прозрачное твердое вещество растворим в органических растворителях 9 0304	игрушки, шкафы упаковка (вспененная)
Полиакрилонитрил (ПАН, Орлон, Акрилан)	— (CH 2 -CHCN) n —	акрилонитрил 1982 902 CH	акрилонитрил 1982	тугоплавкое твердое вещество , растворимое в органических растворителях	коврики, одеяла одежда
Политетрафторэтилен (ПТФЭ, тефлон)	— (CF 2 -CF 2 ) n	тетрафторэтилен CF 2 = CF 2	устойчивые, гладкие твердые	антипригарные поверхности Электроизоляция
Поли (метилметакрилат) (PMMA, Lucite, Plexiglas	— [	метилметакрилат CH 2 = C (CH 3 ) CO 2 CH 3	твердый, прозрачный сплошной	крышки для освещения, вывески световые люки
Поли (винилацетат) (PVAc)	— (CH 2 -CHOCOCH 3 ) n —	винил ацетат CH 2 = CHOCOCH 3	мягкие, липкие твердые	латексные краски, клеи
цис-полиизопрен натуральный каучук	— [CH 2 -CH19 = C ( 3 ) -CH 2 ] n —	изопрен CH 2 = CH-C (CH 3 ) = CH 2	мягкий, липкий твердый	требует вулканизации для практического использования
Полихлоропрен (цис + транс) (неопрен)	— [CH 2 -CH = CCl-CH 2 ] n —	хлоропрен CH 2 = CH-CCl = CH 2	твердый, эластичный материал d	синтетический каучук маслостойкий

3.Свойства макромолекул

Поучительно сравнение свойств полиэтилена (как LDPE, так и HDPE) с натуральными полимерами, каучуком и целлюлозой. Как отмечалось выше, синтетические макромолекулы HDPE имеют массы в диапазоне от 10 ⁵ до 10 ⁶ а.е.м. (молекулы LDPE более чем в сто раз меньше). Молекулы каучука и целлюлозы имеют одинаковые диапазоны масс, но меньше мономерных звеньев из-за большего размера мономера. Физические свойства этих трех полимерных веществ отличаются друг от друга и, конечно, от их мономеров.

• HDPE — это твердое полупрозрачное твердое вещество, которое размягчается при нагревании выше 100 ° C, и ему можно придать различные формы, включая пленки. Он не так легко растягивается и деформируется, как ПВД. HDPE нерастворим в воде и большинстве органических растворителей, хотя при погружении в последний может наблюдаться некоторое набухание. HDPE — отличный электроизолятор.
• LDPE — это мягкое полупрозрачное твердое тело, которое плохо деформируется при температуре выше 75 ° C. Пленки из LDPE легко растягиваются и обычно используются для упаковки.LDPE нерастворим в воде, но размягчается и набухает под воздействием углеводородных растворителей. И LDPE, и HDPE становятся хрупкими при очень низких температурах (ниже -80 ° C). Этилен, обычный мономер для этих полимеров, представляет собой газ с низкой температурой кипения (-104 ° C).
• Натуральный (латексный) каучук представляет собой непрозрачное, мягкое, легко деформируемое твердое вещество, которое становится липким при нагревании (выше 60 ° C) и хрупким при охлаждении ниже -50 ° C. растворители, такие как толуол, со временем растворяются, но непроницаемы для воды.Изопрен C ₅ H ₈ является летучей жидкостью (точка кипения 34 ° C).
• Чистая целлюлоза в виде хлопка представляет собой мягкое гибкое волокно, практически не изменяющееся при колебаниях температуры в диапазоне от -70 до 80 ° C. Хлопок легко впитывает воду, но на него не влияет погружение в толуол или большинство других органических растворителей. . Волокна целлюлозы могут изгибаться и скручиваться, но перед разрывом они не сильно растягиваются. Мономером целлюлозы является C ₆ H ₁₂ O ₆ альдогексоза D-глюкоза.Глюкоза представляет собой водорастворимое твердое вещество с температурой плавления ниже 150 ° C.

Чтобы учесть отмеченные здесь различия, нам необходимо рассмотреть природу агрегированной макромолекулярной структуры или морфологию каждого вещества. Поскольку молекулы полимера настолько велики, они обычно упаковываются вместе неоднородным образом, с упорядоченными или кристаллическими областями, смешанными вместе с неупорядоченными или аморфными доменами. В некоторых случаях все твердое вещество может быть аморфным, полностью состоящим из свернутых и запутанных макромолекулярных цепей.Кристалличность возникает, когда линейные полимерные цепи структурно ориентированы в однородной трехмерной матрице. На диаграмме справа кристаллические домены окрашены в синий цвет.
Повышенная кристалличность связана с увеличением жесткости, прочности на разрыв и непрозрачности (из-за светорассеяния). Аморфные полимеры обычно менее жесткие, более слабые и легче деформируются. Часто они прозрачные.

Три фактора, которые влияют на степень кристалличности:
i) Длина цепи
ii) Разветвление цепи
iii) Связь между цепями

Важность первых двух факторов хорошо иллюстрируется различиями между LDPE и HDPE.Как отмечалось ранее, HDPE состоит из очень длинных неразветвленных углеводородных цепей. Они легко упаковываются вместе в кристаллические домены, которые чередуются с аморфными сегментами, и полученный материал, хотя и относительно прочный и жесткий, сохраняет определенную гибкость. Напротив, ПЭНП состоит из более мелких и более разветвленных цепей, которые не легко принимают кристаллическую структуру. Таким образом, этот материал мягче, слабее, менее плотен и легче деформируется, чем HDPE. Как правило, механические свойства, такие как пластичность, прочность на разрыв и твердость, повышаются и в конечном итоге выравниваются с увеличением длины цепи.

Природа целлюлозы подтверждает вышеприведенный анализ и демонстрирует важность третьего фактора (iii). Во-первых, цепочки целлюлозы легко принимают стабильную стержнеобразную конформацию. Эти молекулы выстраиваются бок о бок в волокна, которые стабилизируются за счет межцепочечных водородных связей между тремя гидроксильными группами на каждой мономерной единице. Следовательно, кристалличность высока, и молекулы целлюлозы не перемещаются и не скользят друг относительно друга. Высокая концентрация гидроксильных групп также объясняет легкое водопоглощение, характерное для хлопка.

Натуральный каучук — полностью аморфный полимер. К сожалению, потенциально полезные свойства необработанного латексного каучука ограничены температурной зависимостью; однако эти свойства могут быть изменены путем химического изменения. Цис-двойные связи в углеводородной цепи образуют плоские сегменты, которые делают цепь более жесткой, но не выпрямляют ее. Если эти жесткие сегменты полностью удалить гидрогенизацией (катализатор H ₂ & Pt), цепи теряют всякую ограниченность, и продукт представляет собой низкоплавкое парафиноподобное полутвердое вещество с низкой температурой плавления.Если вместо этого цепи молекул каучука будут слегка сшиты атомами серы, процесс, называемый вулканизацией , который был обнаружен Чарльзом Гудиером в 1839 году, значительно улучшит желаемые эластомерные свойства каучука. При сшивании от 2 до 3% получается полезный мягкий каучук, который больше не страдает проблемами липкости и хрупкости при нагревании и охлаждении. При сшивании от 25 до 35% образуется продукт из твердой твердой резины. На следующем рисунке показан поперечно сшитый разрез аморфного каучука.При нажатии на диаграмму она изменится на отображение соответствующего растянутого участка. Более упорядоченные цепи в растянутой конформации энтропийно нестабильны и возвращаются в свое исходное свернутое состояние, когда им позволяют расслабиться (щелкните второй раз).

При нагревании или охлаждении большинство полимеров претерпевают тепловые превращения, которые позволяют понять их морфологию. Они определяются как переход плавления , T _m , и переход стеклования , T _g .

T m — температура, при которой кристаллические домены теряют свою структуру или плавятся. По мере увеличения кристалличности увеличивается и T m . T г — температура, ниже которой аморфные домены теряют структурную подвижность полимерных цепей и становятся жесткими стеклами.

T _г часто зависит от истории образца, особенно от предыдущей термообработки, механических манипуляций и отжига.Иногда ее интерпретируют как температуру, при превышении которой значительные части полимерных цепей могут скользить мимо друг друга в ответ на приложенную силу. Введение относительно больших и жестких заместителей (таких как бензольные кольца) будет мешать этому движению цепи, таким образом увеличивая T _g (обратите внимание на полистирол ниже). Введение в полимерную матрицу низкомолекулярных соединений, называемых пластификаторами, увеличивает расстояние между цепями, позволяя цепям двигаться при более низких температурах.что привело к снижению Т _г . Выделение газов пластификаторами, используемыми для модификации пластиковых компонентов салона автомобилей, производит «запах нового автомобиля», к которому мы привыкли.

Значения T _м и T _г для некоторых распространенных аддитивных полимеров приведены ниже. Обратите внимание, что у целлюлозы нет ни Т _м , ни Т _г .

Полимер	LDPE	HDPE	PP	PVC	PS	04 PAN	02 PAN 9300 Резина
T м (ºC)	110	130	175	180	175	> 200	330	180	30
T г (ºC)	_ 110	_ 100	_ 10 0	90	95	_ 110	105	_ 70

Каучук является членом важной группы полимеров, называемых эластомерами .Эластомеры — это аморфные полимеры, которые обладают способностью растягиваться, а затем возвращаться к своей исходной форме при температурах выше T _g . Это свойство важно для таких применений, как прокладки и уплотнительные кольца, поэтому разработка синтетических эластомеров, которые могут работать в суровых или сложных условиях, остается практической целью. При температурах ниже T _{г эластомеры} становятся твердыми стекловидными телами и теряют всю эластичность. Трагический пример этого — катастрофа космического корабля «Челленджер».Термостойкие и химически стойкие уплотнительные кольца, используемые для герметизации секций твердотопливных ракет-носителей, имели, к сожалению, высокий T _g , близкий к 0 ºC. Неожиданно низкие температуры утром перед запуском были ниже T _g , что позволяло горячим ракетным газам выходить из уплотнений.

4. Регио и стереоизомеризация в макромолекулах

Симметричные мономеры, такие как этилен и тетрафторэтилен, могут соединяться вместе только одним способом. С другой стороны, монозамещенные мономеры могут соединяться вместе двумя организованными способами, описанными на следующей диаграмме, или третьим случайным образом.Большинство мономеров этого типа, включая пропилен, винилхлорид, стирол, акрилонитрил и сложные эфиры акриловой кислоты, предпочитают соединяться «голова к хвосту» с некоторой случайностью, возникающей время от времени. Причины такой региоселективности будут обсуждены в разделе синтетических методов.

Если полимерная цепь нарисована зигзагообразно, как показано выше, каждая из групп заместителей (Z) обязательно будет расположена выше или ниже плоскости, определяемой углеродной цепью.Следовательно, мы можем выделить три конфигурационных изомера таких полимеров. Если все заместители находятся на одной стороне цепи, конфигурация называется изотактической . Если заместители чередуются с одной стороны на другую регулярным образом, конфигурация называется синдиотактической . Наконец, случайное расположение групп заместителей обозначается как атактическое . Здесь показаны примеры этих конфигураций.

Многие обычные и полезные полимеры, такие как полистирол, полиакрилонитрил и поливинилхлорид, являются атактическими, как обычно.Были разработаны индивидуальные катализаторы, которые влияют на стереорегулярную полимеризацию полипропилена и некоторых других мономеров, и улучшенные свойства, связанные с повышенной кристалличностью этих продуктов, сделали эту важную область исследований. Сообщалось о следующих значениях T _г .

Полимер	T г атактический	T г изотактический	T 9 синдикатный 9 9 T 9 синд. ºC	0 ºC	–8 ºC
PMMA	100 ºC	130 ºC	120 ºC

Свойства данного полимера будут значительно различаться в зависимости от тактики.Таким образом, атактический полипропилен бесполезен в качестве твердого строительного материала и используется в основном как компонент клея или как мягкая матрица для композитных материалов. Напротив, изотактический полипропилен представляет собой тугоплавкое твердое вещество (около 170 ºC), из которого можно формовать или обрабатывать конструкционные компоненты.

Синтез дополнительных полимеров

Все мономеры, из которых получают аддитивные полимеры, представляют собой алкены или функционально замещенные алкены. Наиболее распространенными и термодинамически предпочтительными химическими превращениями алкенов являются реакции присоединения.Известно, что многие из этих реакций присоединения протекают ступенчатым образом с участием реакционноспособных промежуточных продуктов, и это механизм, которому следует большинство полимеризаций. Здесь представлена ​​общая диаграмма, иллюстрирующая эту сборку линейных макромолекул, которая поддерживает название полимеры роста цепи . Поскольку пи-связь в мономере превращается в сигма-связь в полимере, реакция полимеризации обычно экзотермична на 8-20 ккал / моль. Действительно, сообщалось о случаях взрыво-неконтролируемой полимеризации.

Полезно выделить четыре процедуры полимеризации, соответствующие этому общему описанию.

• Радикальная полимеризация Инициатор представляет собой радикал, а место распространения реакционной способности (*) представляет собой углеродный радикал.
• Катионная полимеризация Инициатором является кислота, а место распространения реакционной способности (*) — карбокатион.
• Анионная полимеризация Инициатор представляет собой нуклеофил, а сайт размножения реактивности (*) представляет собой карбанион.
• Координационная каталитическая полимеризация Инициатор представляет собой комплекс переходного металла, а центр роста реакционной способности (*) представляет собой терминальный каталитический комплекс.

1. Радикальная полимеризация с ростом цепи

Практически все описанные выше мономеры подвержены радикальной полимеризации. Поскольку это может быть вызвано следами кислорода или других незначительных примесей, чистые образцы этих соединений часто «стабилизируются» небольшими количествами ингибиторов радикалов, чтобы избежать нежелательной реакции.Когда желательна радикальная полимеризация, она должна быть начата с использованием радикального инициатора , такого как пероксид или некоторые азосоединения. Формулы некоторых распространенных инициаторов и уравнения, показывающие образование радикальных частиц из этих инициаторов, представлены ниже.

Используя небольшие количества инициаторов, можно полимеризовать широкий спектр мономеров. Одним из примеров такой радикальной полимеризации является превращение стирола в полистирол, показанное на следующей диаграмме.Первые два уравнения иллюстрируют процесс инициирования , а последние два уравнения являются примерами распространения цепи . Каждое мономерное звено присоединяется к растущей цепи таким образом, чтобы генерировать наиболее стабильный радикал. Поскольку углеродные радикалы стабилизируются заместителями многих видов, предпочтение региоселективности «голова-к-хвосту» в большинстве аддитивных полимеризаций понятно. Поскольку радикалы толерантны ко многим функциональным группам и растворителям (включая воду), радикальная полимеризация широко используется в химической промышленности.

Чтобы увидеть анимированную модель радикальной полимеризации с ростом цепи винилхлорида

В принципе, после начала радикальной полимеризации можно ожидать продолжения бесконтрольной полимеризации с образованием нескольких полимеров с чрезвычайно длинной цепью. На практике образуется большее количество цепей среднего размера, что указывает на то, что должны иметь место реакции обрыва цепи. Наиболее распространенными процессами обрыва являются Радикальная комбинация и Диспропорционирование .Эти реакции иллюстрируются следующими уравнениями. Растущие полимерные цепи окрашены в синий и красный цвет, а атом водорода, переносимый при диспропорционировании, окрашен в зеленый цвет. Обратите внимание, что в обоих типах терминации два реактивных радикальных центра удаляются одновременным превращением в стабильный продукт (продукты). Поскольку концентрация радикальных частиц в реакции полимеризации мала по сравнению с другими реагентами (например, мономерами, растворителями и терминированными цепями), скорость, с которой происходят эти радикально-радикальные реакции обрыва, очень мала, и большинство растущих цепей достигают умеренной длины до обрыва. .

Относительная важность этих обрывов зависит от природы мономера, подвергаемого полимеризации. Для акрилонитрила и стирола основным процессом является комбинация. Однако образование метилметакрилата и винилацетата прекращается главным образом за счет диспропорционирования.

Другая реакция, которая отвлекает радикальную полимеризацию с ростом цепи от образования линейных макромолекул, называется передачей цепи . Как следует из названия, эта реакция перемещает углеродный радикал из одного места в другое посредством межмолекулярного или внутримолекулярного переноса атома водорода (окрашено в зеленый цвет).Эти возможности демонстрируются следующими уравнениями

Реакции передачи цепи особенно распространены в радикальной полимеризации этилена под высоким давлением, которая является методом, используемым для производства LDPE (полиэтилена низкой плотности). 1º-радикал на конце растущей цепи превращается в более стабильный 2º-радикал путем переноса атома водорода. Дальнейшая полимеризация в новом радикальном сайте генерирует радикал боковой цепи, что, в свою очередь, может привести к образованию других боковых цепей в результате реакций передачи цепи.В результате морфология LDPE представляет собой аморфную сеть сильно разветвленных макромолекул.

2. Катионная полимеризация с ростом цепи

Полимеризация изобутилена (2-метилпропена) следами сильных кислот является примером катионной полимеризации. Полиизобутилен представляет собой мягкое каучуковое твердое вещество, T _г = ^_ 70 ° C, которое используется для внутренних труб. Этот процесс аналогичен радикальной полимеризации, что демонстрируется следующими уравнениями.Рост цепи прекращается, когда концевой карбокатион соединяется с нуклеофилом или теряет протон, давая концевой алкен (как показано здесь).

Мономеры, содержащие катионостабилизирующие группы, такие как алкил, фенил или винил, могут быть полимеризованы катионными процессами. Обычно они инициируются при низкой температуре в растворе хлористого метилена. Сильные кислоты, такие как HClO ₄ или кислоты Льюиса, содержащие следы воды (как показано выше), служат в качестве инициирующих реагентов. При низких температурах реакции передачи цепи при такой полимеризации редки, поэтому получаемые полимеры являются чисто линейными (неразветвленными).

3. Анионная полимеризация с ростом цепи

Обработка холодного раствора стирола в ТГФ 0,001 эквивалентом н-бутиллития вызывает немедленную полимеризацию. Это пример анионной полимеризации, протекание которой описывается следующими уравнениями. Рост цепи может быть остановлен водой или углекислым газом, и передача цепи происходит редко. Только мономеры, имеющие заместители, стабилизирующие анион, такие как фенил, циано или карбонил, являются хорошими субстратами для этого метода полимеризации.Многие из полученных полимеров в значительной степени имеют изотактическую конфигурацию и высокую степень кристалличности.

Разновидности, которые использовались для инициирования анионной полимеризации, включают щелочные металлы, амиды щелочных металлов, алкиллитий и различные источники электронов. Практическое применение анионной полимеризации происходит при использовании суперклея. Этот материал представляет собой метил-2-цианоакрилат, CH ₂ = C (CN) CO ₂ CH ₃ . Под воздействием воды, аминов или других нуклеофилов происходит быстрая полимеризация этого мономера.

4. Каталитическая полимеризация Циглера-Натта

Эффективная и стереоспецифическая процедура каталитической полимеризации была разработана Карлом Циглером (Германия) и Джулио Натта (Италия) в 1950-х годах. Их открытия впервые позволили синтез неразветвленного высокомолекулярного полиэтилена (HDPE), лабораторный синтез натурального каучука из изопрена и контроль конфигурации полимеров из концевых алкенов, таких как пропен (например, чистые изотактические и синдиотактические полимеры).В случае этилена быстрая полимеризация происходила при атмосферном давлении и температуре от умеренной до низкой, давая более прочный (более кристаллический) продукт (HDPE), чем продукт радикальной полимеризации (LDPE). За это важное открытие эти химики получили Нобелевскую премию по химии 1963 года.

Катализаторы Циглера-Натта получают реакцией определенных галогенидов переходных металлов с металлоорганическими реагентами, такими как реагенты алкилалюминий, литий и цинк. Катализатор, образованный реакцией триэтилалюминия с тетрахлоридом титана, широко изучен, но другие металлы (например,грамм. V & Zr) также оказались эффективными. На следующей диаграмме представлен один из механизмов этой полезной реакции. Были предложены и другие варианты с изменениями для учета неоднородности или однородности катализатора. Полимеризация пропилена под действием титанового катализатора дает изотактический продукт; тогда как катализатор на основе ванадия дает синдиотактический продукт.

Сополимеры

Синтез макромолекул, состоящих из более чем одной повторяющейся мономерной единицы, был исследован как средство управления свойствами получаемого материала.В этом отношении полезно различать несколько способов, которыми различные мономерные звенья могут быть включены в полимерную молекулу. Следующие ниже примеры относятся к двухкомпонентной системе, в которой один мономер обозначен A , а другой B .

Статистические сополимеры	Также называемые статистическими сополимерами. Здесь мономерные звенья распределены в полимерной цепи случайным образом, а иногда и неравномерно: ~ ABBAAABAABBBABAABA ~.
Чередующиеся сополимеры	Здесь мономерные звенья распределены регулярным чередованием, с почти эквимолярным количеством каждого в цепи: ~ ABABABABABABABAB ~.
Блок-сополимеры	Вместо смешанного распределения мономерных единиц длинная последовательность или блок одного мономера присоединяется к блоку второго мономера: ~ AAAAA-BBBBBBB ~ AAAAAAA ~ BBB ~ .
Привитые сополимеры	Как следует из названия, боковые цепи данного мономера присоединены к основной цепи второго мономера: ~ AAAAAAA (BBBBBBB ~) AAAAAAA (BBBB ~) AAA ~) AAA .

1. Аддитивная сополимеризация

Большинство прямых сополимеризаций эквимолярных смесей различных мономеров дают статистические сополимеры, или, если один мономер намного более реакционноспособен, почти гомополимер этого мономера.Сополимеризация стирола, например, с метилметакрилатом, например, протекает по-разному в зависимости от механизма. Радикальная полимеризация дает статистический сополимер. Однако продуктом катионной полимеризации в основном является полистирол, а анионная полимеризация способствует образованию полиметилметакрилата. В случаях, когда относительная реакционная способность различна, состав сополимера иногда можно регулировать путем непрерывного введения в реакцию смещенной смеси мономеров.
Образование чередующихся сополимеров благоприятно, если мономеры имеют разные полярные заместители (например, один электроноакцепторный, а другой электронодонорный), и оба имеют одинаковую реакционную способность по отношению к радикалам. Например, сополимеризация стирола и акрилонитрила в значительной степени чередуется.

Внутренние трубы

Некоторые полезные сополимеры

Мономер A	Мономер B	Сополимер	Использует
H 2 C = CHCl	H2019 2 9020 C = CHCl	H2019 2 9020 CC2 9020 пленки и волокна
H 2 C = CHC 6 H 5	H 2 C = C-CH = CH 2	SBR бутадиен-стирольные шины
H 2 C = CHCN	H 2 C = C-CH = CH 2	Нитрилкаучук	клеи шланги
H 2 C = C (CH 3 ) 2	H 2 C = C-CH = CH 2	Бутилкаучук
F 2 C = CF (CF 3 )	H 2 C = CHF	Витон	Прокладки

Тройной сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, называемый АБС-каучуком, используется для изготовления ударопрочных контейнеров, труб и прокладок.

2. Блок-сополимеризация

Было разработано несколько различных методов получения блок-сополимеров, многие из которых используют реакции конденсации (следующий раздел). На этом этапе наше обсуждение будет ограничено применением анионной полимеризации. В описанной выше анионной полимеризации стирола реактивный центр остается на конце цепи до тех пор, пока она не будет погашена. Незакаленный полимер был назван живым полимером , и если добавляется дополнительный стирол или другой подходящий мономер, образуется блок-полимер.Это проиллюстрировано для метилметакрилата на следующей диаграмме.

Конденсационные полимеры

Большое количество важных и полезных полимерных материалов не образуется в результате процессов роста цепей с участием реакционноспособных частиц, таких как радикалы, а происходит вместо этого путем обычных преобразований функциональных групп полифункциональных реагентов. Эти полимеризации часто (но не всегда) происходят с потерей небольшого побочного продукта, такого как вода, и обычно (но не всегда) объединяют два разных компонента в чередующейся структуре.Полиэфир дакрон и полиамид нейлон 66, показанные здесь, являются двумя примерами синтетических полимеров конденсации, также известных как полимеры ступенчатого роста . В отличие от полимеров с цепочкой, большая часть которых растет за счет образования углерод-углеродных связей, ступенчатые полимеры обычно растут за счет образования углерод-гетероатомных связей (C-O и C-N в дакроне и нейлоне соответственно). Хотя полимеры такого типа можно рассматривать как чередующиеся сополимеры, повторяющееся мономерное звено обычно определяется как комбинированный фрагмент.
Примерами встречающихся в природе конденсационных полимеров являются целлюлоза, полипептидные цепи белков и поли (β-гидроксимасляная кислота), полиэфир, синтезируемый в большом количестве некоторыми почвенными и водными бактериями. Формулы для них будут отображены ниже при нажатии на диаграмму.

1. Характеристики конденсационных полимеров

Конденсационные полимеры образуются медленнее, чем аддитивные полимеры, часто требуют тепла, и их молекулярная масса обычно ниже.Концевые функциональные группы в цепи остаются активными, так что группы более коротких цепей объединяются в более длинные цепи на поздних стадиях полимеризации. Присутствие полярных функциональных групп в цепях часто усиливает притяжение цепей к цепям, особенно если они связаны с водородными связями и, следовательно, кристалличностью и прочностью на разрыв. Следующие примеры конденсационных полимеров являются иллюстративными.
Следует отметить, что для промышленного синтеза компоненты карбоновой кислоты могут фактически использоваться в форме производных, таких как простые эфиры.Кроме того, реакции полимеризации нейлона 6 и спандекса не протекают путем удаления воды или других небольших молекул. Тем не менее, очевидно, что полимер образуется в процессе ступенчатого роста.

Разница в T _g и T _m между первым полиэфиром (полностью алифатическим) и двумя нейлоновыми полиамидами (5-я и 6-я записи) показывает влияние внутрицепочечных водородных связей на кристалличность. Замена гибких алкилиденовых звеньев жесткими бензольными кольцами также делает полимерную цепь более жесткой, что приводит к усилению кристаллического характера, как показано для полиэфиров (позиции 1, 2 и 3) и полиамидов (позиции 5, 6, 7 и 8).Высокие значения T _g и T _m для аморфного полимера Lexan соответствуют его блестящей прозрачности и жесткости, подобной стеклу. Кевлар и номекс — чрезвычайно прочные и стойкие материалы, которые находят применение в пуленепробиваемых жилетах и ​​огнестойкой одежде.

Многие полимеры, как аддитивные, так и конденсационные, используются в качестве волокон. Основные методы формования синтетических полимеров в волокна — из расплавов или вязких растворов. Полиэфиры, полиамиды и полиолефины обычно получают из расплава при условии, что T _m не слишком высок.Полиакрилаты подвергаются термическому разложению и поэтому формуются из раствора в летучем растворителе. Холодная вытяжка — это важная физическая обработка, улучшающая прочность и внешний вид этих полимерных волокон. При температурах выше T _g волокно толще, чем требуется, может быть принудительно растянуто во много раз своей длины; и при этом полимерные цепи распутываются и имеют тенденцию выстраиваться параллельно. Эта процедура холодной вытяжки организует беспорядочно ориентированные кристаллические домены, а также выравнивает аморфные домены, чтобы они стали более кристаллическими.В этих случаях физически ориентированная морфология стабилизируется и сохраняется в конечном продукте. Это контрастирует с эластомерными полимерами, для которых растянутая или выровненная морфология нестабильна по сравнению с морфологией аморфной случайной спирали.
При нажатии на следующую диаграмму изображение этих изменений будет переключаться из одной крайности в другую. Эту обработку холодной вытяжкой можно также использовать для обработки полимерных пленок (например, майлара и сарана), а также волокон.

Поступенчатая полимеризация также используется для получения класса адгезивов и аморфных твердых веществ, называемых эпоксидными смолами.Здесь ковалентное связывание происходит в результате реакции S _N 2 между нуклеофилом, обычно амином, и концевым эпоксидом. В следующем примере тот же промежуточный бисфенол A, который используется в качестве мономера для Lexan, служит бифункциональным каркасом, к которому присоединены эпоксидные кольца. Бисфенол А получают путем катализируемой кислотой конденсации ацетона с фенолом.

2.Термореактивные и термопластичные полимеры

Большинство описанных выше полимеров относятся к классу термопластов .Это отражает тот факт, что выше T _g им можно придавать форму или прессовать в формы, формовать или отливать из расплавов или растворять в подходящих растворителях для последующего формования. Кевлар и Номекс из-за их высокой температуры плавления и плохой растворимости в большинстве растворителей оказались проблемой, но в конечном итоге она была решена.
Другая группа полимеров, характеризующихся высокой степенью сшивки, сопротивляется деформации и растворению после достижения их окончательной морфологии. Такие полимеры обычно получают в формах, которые позволяют получить желаемый объект.Поскольку эти полимеры, однажды сформированные, не могут быть изменены нагреванием, они называются термореактивными пластинами . Частичные формулы для четырех из них будут показаны ниже при нажатии соответствующей кнопки. Первым экспонатом является бакелит, один из первых полностью синтетических пластиков, получивших коммерческое использование (около 1910 г.).

Природный смолистый полимер, называемый лигнин, имеет сшитую структуру, аналогичную бакелиту. Лигнин — это аморфная матрица, в которой ориентированы целлюлозные волокна древесины.Дерево — это натуральный композитный материал, природный эквивалент композитов из стекловолокна и углеродного волокна. Частичная структура лигнина показана здесь

---

Эпоха пластмасс

Исторически сложилось так, что многие эпохи характеризовались материалами, которые тогда были важны для человеческого общества (например, каменный век, бронзовый век и железный век). ХХ век приобрел несколько таких ярлыков, в том числе ядерный век и нефтяной век ; тем не менее, лучшим названием, вероятно, является пластиковая эра .В течение этого периода никакие технологические достижения, кроме доставки электроэнергии в каждый дом, не повлияли на нашу жизнь больше, чем широкое использование синтетических пластиков в нашей одежде, посуде, строительных материалах, автомобилях, упаковке и игрушках, и это лишь некоторые из них. . Разработка материалов, которые мы сейчас называем пластмассами, началась с вискозы в 1891 году, продолжилась бакелитом в 1907 году, полиэтиленом в 1933 году, нейлоном и тефлоном в 1938 году, полипропиленом в 1954 году, кевларом в 1965 году и продолжается.

Многие типы полимеров, которые мы объединяем в пластики, обычно недорогие, легкие, прочные, долговечные и, при желании, гибкие. Пластмассы могут обрабатываться экструзией, литьем под давлением, вакуумным формованием и сжатием, превращаясь в волокна, тонкие листы или предметы определенной формы. Они могут быть окрашены по желанию и усилены стекловолокном или углеродными волокнами, а некоторые могут быть расширены в пенопласт с низкой плотностью. Многие современные клеи предполагают образование пластичного связующего вещества.Пластмассы заменяют все большее количество натуральных веществ. При изготовлении клавиш пианино и бильярдных шаров пластмассы заменили слоновую кость, что помогло выжить слону. Примечательно, что предприятие по производству синтетического волокна занимает гораздо меньшую площадь земли, чем потребовалось бы для производства такого же количества натуральных волокон, как хлопок, шерсть или шелк. При всех этих преимуществах неудивительно, что многое из того, что вы видите вокруг, сделано из пластика. Действительно, низкая стоимость, легкий вес, прочность и адаптируемость конструкции пластмасс к различным областям применения привели к значительному годовому росту их производства и использования, который, вероятно, будет продолжаться.Действительно, многие пластмассы используются в одноразовых изделиях, предназначенных только для одноразового использования.

Закон непредвиденных последствий

Успешные решения технологических проектов часто достигаются путем сосредоточения внимания на ограниченном наборе переменных, которые напрямую связаны с желаемым результатом. Однако у природы часто есть способ вознаградить такой успех, выявив неожиданные проблемы, возникшие «вне рамок» определенного проекта. В случае пластмасс их выгодная долговечность и относительно низкая стоимость привели к серьезному загрязнению окружающей среды, поскольку использованные предметы и упаковки случайно выбрасываются и заменяются в бесконечном цикле.Мы видим это каждый день на улицах и полях в наших кварталах, но проблема гораздо серьезнее. Чарльз Мур, американский океанограф, в 1997 году обнаружил огромную массу мусора, оцениваемую почти в 100 миллионов тонн, плавающую в Тихом океане между Сан-Франциско и Гавайями. Названный «Большой тихоокеанский мусорный полигон», этот тушеный мусор состоит в основном (80%) из кусочков и кусков пластика, которые весят 6: 1 планктона, в регионе, который в два раза больше Техаса. Хотя часть обломков происходит с кораблей в море, по крайней мере 80% приходится на мусор, образующийся на суше.Информация, представленная здесь, и иллюстрация слева взяты из статьи Сьюзан Кейси в BestLife
Циркуляция течений по часовой стрелке, создаваемая глобальной ветровой системой и ограниченная окружающими континентами, образует вихрь или круговорот, сравнимый с большим водоворотом. Каждый крупный океанский бассейн имеет большой круговорот в субтропическом регионе с центром около 30º северной и южной широты. Североатлантический субтропический круговорот известен как Саргассово море. Более крупный субтропический круговорот в северной части Тихого океана, называемый депрессией, представляет собой зону конвергенции, в которой пластик и другие отходы смешиваются вместе.Подобные области есть в южной части Тихого океана, Северной и Южной Атлантике и Индийском океане.

Помимо отвратительного внешнего вида, мусорная свалка представляет собой серьезную проблему для окружающей среды и здоровья. Никто не знает, сколько времени потребуется некоторым из этих пластиков, чтобы разложиться или вернуться в составные молекулы. Устойчивые объекты, такие как кольца из шести упаковок и выброшенные сети, служат ловушкой для морских животных. Меньшие пластиковые отходы принимают за пищу морские птицы; и часто обнаруживаются непереваренными в кишечнике мертвых птиц.Нурдлы, гранулы пластика размером с чечевицу, в изобилии встречающиеся там, где производятся и распространяются пластмассы, разносятся ветром по биосфере. Они достаточно легкие, чтобы развевать их, как пыль, и смывать в гавани, ливневые стоки и ручьи. Сбежавшие гранулы и другой пластиковый мусор мигрируют в океанический круговорот в основном с суши. В таких отдаленных местах, как Раротонга, на островах Кука, они обычно смешаны с пляжным песком. Попав в океан, гранулы могут поглощать в миллион раз больше любых органических загрязнителей, обнаруженных в окружающих водах.Морские кормушки легко принимаются за икру рыб существами, которым очень хочется перекусить. Попав внутрь тела большеглазого тунца или королевского лосося, они становятся частью нашей пищевой цепи.

Переработка и утилизация

Большинство пластмасс распадаются на все более мелкие фрагменты, когда они подвергаются воздействию солнечного света и элементов. За исключением небольшого количества, которое было сожжено — а это очень небольшое количество — каждый кусок пластика, когда-либо сделанный, все еще существует, если только молекулярная структура материала не предназначена для содействия биоразложению.К сожалению, очистка участка от мусора — нереальный вариант, и, если мы не изменим наши привычки по утилизации и переработке мусора, он, несомненно, станет больше. Одно из разумных решений потребует от производителей по возможности использовать натуральные биоразлагаемые упаковочные материалы, а от потребителей — добросовестно утилизировать свои пластиковые отходы. Таким образом, вместо того, чтобы отправлять весь пластиковый мусор на свалку, часть его может давать энергию путем прямого сгорания, а часть преобразовываться для повторного использования в качестве заменителя первичного пластика.Последний особенно привлекателен, поскольку большинство пластмасс производится из нефти — ресурса, который становится все меньше и имеет неустойчивую цену.
Энергетический потенциал пластиковых отходов относительно значителен и колеблется от 10,2 до 30,7 МДж / кг, что предполагает их применение в качестве источника энергии и стабилизатора температуры в муниципальных мусоросжигательных заводах, тепловых электростанциях и цементных печах. Использование пластиковых отходов в качестве источника топлива могло бы стать эффективным средством сокращения требований к захоронению отходов при рекуперации энергии.Однако это зависит от использования соответствующих материалов. Неадекватный контроль горения, особенно для пластмасс, содержащих хлор, фтор и бром, представляет собой риск выделения токсичных загрязнителей.

Пластиковые отходы, используемые в качестве топлива или в качестве источника вторичного пластика, необходимо разделять на разные категории. С этой целью в 1988 году Общество производителей пластмасс (SPI) разработало систему идентификационного кодирования, которая используется во всем мире. Этот код, показанный справа, представляет собой набор символов, размещенных на пластике для определения типа полимера с целью обеспечения эффективного разделения различных типов полимеров для вторичной переработки.Сокращения кода поясняются в следующей таблице.

9013 9013 9027 9027 9025 9304 9025 9304 9304 PS PETE HDPE V LDPE полиэтилен терефталат высокой плотности полиэтилен поливинилхлорид ДРУГИЕ полипропилен полистирол полиэфиры, акрилы полиамиды, тефлон и т. Д.

Несмотря на использование символа рециркуляции в кодировке пластмасс, потребители не понимают, какие пластики можно легко перерабатывать. В большинстве сообществ по всей территории Соединенных Штатов ПЭТЭ и ПЭВП — единственные пластмассы, собираемые в рамках муниципальных программ утилизации. Однако некоторые регионы расширяют ассортимент собираемых пластмасс по мере появления рынков. (Лос-Анджелес, например, перерабатывает весь чистый пластик, пронумерованный от 1 до 7). Теоретически большинство пластмасс подлежат переработке, и некоторые типы могут использоваться в сочетании с другими.Однако во многих случаях существует несовместимость между разными типами, что требует их эффективного разделения. Поскольку пластмассы, используемые в данном секторе производства (например, электроника, автомобилестроение и т. Д.), Обычно ограничиваются несколькими типами, эффективная переработка часто лучше всего достигается с помощью целевых потоков отходов.

Пластиковый мусор из большинства домашних хозяйств, даже с некоторым разделением пользователей, представляет собой смесь неопознанных частей. Переработка таких смесей — сложная проблема.Процесс плавания / погружения оказался полезным в качестве первого шага. При помещении в среду промежуточной плотности частицы разной плотности разделяются — частицы с более низкой плотностью плавают, а частицы с более высокой плотностью опускаются. Используются различные разделяющие среды, включая воду или водные растворы известной плотности (спирт, NaCl, CaCl ₂ или ZnCl ₂ ). Как показано в следующей таблице, плотности обычных пластиков различаются в достаточной степени, чтобы их можно было различать таким образом.Цилиндроконический циклон, показанный справа, обеспечивает непрерывную процедуру подачи, при которой разделяемый материал закачивается в емкость одновременно с разделяющей средой. Некоторые полимеры, такие как полистирол и полиуретан, обычно превращаются в вспененные твердые вещества, которые имеют гораздо более низкую плотность, чем твердый материал.

Плотность типичных пластмасс PE и PP ABS и SAN и нейлон PMM и акрил и поликарбонаты PETE и PVC 0-0,99 1,05-1,09 1,10-1,25 1,3-1,6 PE = полиэтилен и PP = полипропилен ABS = сополимер акрилонитрил-бутадиен-стирол SAN = сополимер стирола 8282 SAN = сополимер акрилонитрила PMM = полиметилметакрилат PETE = полиэтилентерефталат PVC = поливинилхлорид (жесткий)

Одна серьезная проблема при переработке возникает из-за множества добавок, содержащихся в пластиковых отходах.К ним относятся пигменты для окрашивания, твердые волокна в композитах, стабилизаторы и пластификаторы. В случае ПЭТЭ (или ПЭТ), который обычно используется для изготовления бутылок, некоторые отходы могут подвергаться механической и термической обработке для производства низкосортных упаковочных материалов и волокон. Чтобы повысить ценность регенерированного ПЭТФ, его можно деполимеризовать перегретым метанолом в диметилтерефталат и этиленгликоль. Затем эти химические вещества очищаются и используются для производства чистого ПЭТФ. Углеводородные полимеры, такие как полиэтилен и полипропилен, могут быть расплавлены и экструдированы в гранулы для повторного использования.Однако наличие красителей или пигментов ограничивает ценность этого продукта.

Биоразлагаемые полимеры

Пластмассы, полученные из природных материалов, таких как целлюлоза, крахмал и гидроксикарбоновые кислоты, легче разлагаются под воздействием кислорода, воды, почвенных организмов и солнечного света, чем большинство полимеров на нефтяной основе. Гликозидные связи в полисахаридах и сложноэфирные группы в сложных полиэфирах представляют собой точки атаки ферментов микроорганизмов, которые способствуют их разложению.Такие биоразлагаемые материалы можно компостировать, расщеплять и возвращать земле в качестве полезных питательных веществ. Однако важно понимать, что правильное компостирование необходимо. Размещение таких материалов на свалке приводит к более медленному анаэробному разложению, в результате которого образуется метан, парниковый газ.

Производные целлюлозы, такие как ацетат целлюлозы, издавна служат для изготовления пленок и волокон. Наиболее полезным ацетатным материалом является диацетат, в котором две трети гидроксильных групп целлюлозы этерифицированы.Волокна ацетата теряют прочность при намокании, поэтому одежду из ацетата необходимо подвергать химической чистке. Другой основной полисахарид, крахмал, менее устойчив, чем целлюлоза, но в гранулированной форме он теперь заменяет полистирол в качестве упаковочного материала.
Два природных полиэфира, которые находят все более широкое применение в качестве замены пластмасс на нефтяной основе, — это полилактид (PLA) и полигидроксиалканоаты (PHA), последние чаще всего в виде сополимеров с полигидроксибутиратом (PHB). Структуры этих полимеров и их предшественников мономеров показаны ниже.

PLA на самом деле представляет собой полимер молочной кислоты, но димерный лактид используется в качестве предшественника, чтобы избежать образования воды, которая могла бы образоваться при прямой полиэтерификации. Бактериальная ферментация используется для производства молочной кислоты из кукурузного крахмала или тростникового сахара. После димеризации до лактида осуществляется полимеризация с раскрытием цикла очищенного лактида с использованием соединений двухвалентного олова в качестве катализаторов. PLA можно перерабатывать, как и большинство термопластов, в волокна и пленки.В ситуациях, когда требуется высокий уровень ударной вязкости, вязкость PLA в его первоначальном состоянии часто бывает недостаточной. Смеси PLA с полимерами, такими как ABS, обладают хорошей стабильностью формы и визуальной прозрачностью, что делает их полезными для упаковочных приложений низкого уровня. Материалы PLA в настоящее время используются в ряде биомедицинских приложений, таких как швы, стенты, диализные среды и устройства для доставки лекарств. Однако одним из недостатков полилактидов для биомедицинского применения является их хрупкость.
Молочная кислота имеет хиральный центр, причем (S) (+) — энантиомер является распространенной природной формой (L-молочная кислота). Из-за хиральной природы молочной кислоты существует несколько различных форм полилактида. Поли-L-лактид (PLLA) является продуктом полимеризации (S, S) -лактида. PLLA имеет кристалличность около 37%, температуру стеклования от 50 до 80 ºC и температуру плавления от 173 до 178 ºC. Температура плавления PLLA может быть увеличена на 40-50 ºC, а температура тепловой деформации может быть увеличена примерно с 60 ºC до 190 ºC путем физического смешивания полимера с PDLA (поли-D-лактидом).PDLA и PLLA образуют очень регулярный стереокомплекс с повышенной кристалличностью.

PHA (полигидроксиалканоаты) синтезируются такими микроорганизмами, как Alcaligenes eutrophus , которые выращиваются в подходящей среде и питаются соответствующими питательными веществами, чтобы быстро размножаться. Как только популяция увеличивается, изменяется состав питательных веществ, заставляя микроорганизм синтезировать PHA. Собранные количества PHA из организма могут достигать 80% от сухого веса организма.Самая простая и наиболее часто встречающаяся форма PHA — это поли (R-3-гидроксибутират), PHB или P (3HB)). Чистый ПОБ, состоящий из от 1000 до 30000 единиц гидроксикислоты, относительно хрупкий и жесткий. В зависимости от микроорганизма, многие из которых созданы для этой цели с помощью генной инженерии, и условий культивирования могут быть получены гомо- или сополиэфиры с различными гидроксиалкановыми кислотами. Такие сополимеры могут иметь улучшенные физические свойства по сравнению с гомо Р (3НВ). В настоящее время эти PHA стоят примерно в два раза дороже пластмасс на нефтяной основе.Также была создана искусственная трава, которая выращивает PHA внутри своих листьев и стеблей, что дает возможность избежать некоторых затрат, связанных с крупномасштабной бактериальной ферментацией.
В отличие от P (3HB), полимер 4-гидроксибутирата, P (4HB), является эластичным и гибким с более высокой прочностью на разрыв. Сополимеры P (3HB) и P (4HB) синтезируются Comamonas acidovarans . Молекулярный вес остается примерно таким же (400 000-700 000 Да), но термические свойства коррелируют с соотношением этих мономерных звеньев.MP уменьшается с 179 до 130 (или ниже) с увеличением 4HB, а при увеличении 4HB от 0% до 100% Tg уменьшается с 4 до -46. 4-гидроксибутират (4HB) производится из 1,4-бутандиола такими микроорганизмами, как Aeromonas hydrophila , Escherichia coli или Pseudomonas putida . Затем ферментационный бульон, содержащий 4HB, был использован для производства гомополимера P (4HB), а также сополимеров с P (3HB), [P (3HB-4HB)]. В следующей таблице перечислены некоторые свойства этих гомополимеров и сополимеров.

Свойства некоторых полимеров Полимер T м ºC T г ºC % Кристалличность Прочность на растяжение Прочность P (3HB) 179 40300 4 4 P (4HB) 53 -47 53 100 сополимер 3HB-20% 3HV 145 -1 50 32 co- Полимер 3HB-7% 3HD 133 -8 > 50 17 изотактический PP 176 0 > 50 40 110300 110304 LDPE -100 10
3HV = 3-гидроксивалерат, 3HD = 3-гидроксидеканоат

Остается открытым вопрос, является ли это больше энергии и рентабельности при использовании биоразлагаемого пластика или переработке пластика на нефтяной основе.Однако нет никаких сомнений в том, что биоразлагаемые материалы приводят к меньшему загрязнению окружающей среды, если их выбрасывают в случайном порядке после использования, как это часто бывает.

Полимерные составы, используемые для материалов, снижающих циркуляцию, и для усиления ствола скважин в нефтяных и газовых скважинах: обзор

Основные моменты

•

В статье дается обзор полимерных составов, которые использовались для лечения потери циркуляции.

•

Рассматривается потенциал внедрения полимерных систем, которые ранее применялись в операциях по добыче нефти.

•

Приведены рекомендации по выбору полимерных систем для предотвращения циркуляции и укрепления ствола скважины.

•

Обсуждается возможность использования наночастиц для улучшения свойств полимерных композиций.

•

Выделены важные методы лабораторной характеристики, используемые при оценке этих составов.

Реферат

Потеря циркуляции бурового раствора упоминается как «самая серьезная проблема при бурении нефтяных и газовых скважин», в качестве стандартного решения добавляются материалы для уменьшения циркуляции, чтобы заполнить любые трещины и каверны, которые могли образоваться. в процессе сверления.Альтернативной технологией для контроля потерь бурового раствора является «Укрепление ствола скважины» как набор инженерных проектных решений для эффективного уплотнения и закрытия трещин в призабойной зоне ствола скважины. В этом обзоре представлены полимерные системы, используемые в качестве материалов для защиты от потери циркуляции (LCM) или для усиления ствола скважины. Кроме того, обсуждаются факторы, которые влияют на прочность полимерных составов, совместимость с буровым раствором и добавками, реологические свойства и термическую стабильность. Кроме того, в обзоре подчеркивается использование наноматериалов в полимерных системах с потерей циркуляции.Рассмотрены методы оценки эффективности, используемые для оценки свойств полимерного геля, и выделены основные характеристики успешных составов LCM. В этот обзор также включены полимеры, применяемые в других нефтегазовых операциях, таких как гидравлический разрыв пласта и цементирование, которые могут быть использованы в приложениях LCM.

Ключевые слова

Потеря циркуляции

Укрепление ствола скважины

Полимерные составы

Бурение

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2019 Elsevier B.V. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Что такое буровые растворы и полимеры?

Буровой раствор — это сильнодействующая смесь жидкостей, которая помогает при бурении скважин в земле для добычи газа, нефти и полезных ископаемых, переносе породы, очистке дна и многом другом. Его также можно использовать для более простых скважин, таких как колодцы с водой. Его основная цель — предотвратить попадание пластовых флюидов в скважину и поддерживать буровое долото в чистоте и охлаждении во время бурения.

Они классифицируются как буровые растворы на водной основе, которые могут содержать нефть (WBM), буровые растворы на нефтяной основе, которые могут содержать воду (OBM), и жидкости на синтетической основе (SBF). Буровые растворы на водной основе используются для менее сложных бурений стандартных вертикальных скважин на средних глубинах, в то время как буровые растворы на масляной основе намного лучше для более крупных. SBF используются чаще, поскольку они наносят меньший ущерб окружающей среде и разлагаются быстрее, чем жидкости на водной или масляной основе.

Буровой раствор содержит бентонитовую глину, которая выносит шлам на поверхность, и минерал барит (сульфат бария) для стабилизации ствола скважины.Могут быть добавлены другие ингредиенты, такие как каустическая сода, которая увеличивает щелочность и уменьшает коррозию, калиевая соль, которая уменьшает проникновение воды из бурового раствора, и многие другие буровые смазки, полученные из нефти.

Полимеры — это природные или искусственные вещества, состоящие из больших молекул, состоящих из связанных серий повторяющихся простых мономеров. Полимер — это материал, состоящий из цепных молекул, и они присутствуют практически во всех аспектах нашей жизни.

Некоторые могут сгибаться и растягиваться; другие жесткие и жесткие.В повседневной жизни полимеры часто называют «пластиками», но на самом деле они представляют собой большую группу различных веществ с разными свойствами и назначениями. Есть природные и синтетические полимеры. Шерсть, хлопок и шелк — это натуральные полимерные материалы, которые использовались с древних времен.

Группа синтетических полимеров очень многочисленна и составляет большую часть химической органической промышленности. Многие предметы, которые когда-то были сделаны из дерева или кожи, теперь сделаны из пластика. Многие предметы, которые мы используем каждый день в нашей жизни, сделаны из пластика: бутылки и другая упаковка, детали мебели, бытовая техника и автомобили, канцелярские товары и многое другое.

Полимеризация — это метод создания синтетического полимера путем объединения множества небольших молекул мономера в цепочку, которая удерживает вместе ковалентные связи. Есть две основные формы полимеризации: ступенчатая полимеризация и цепная полимеризация.

Основное различие между двумя типами полимеризации состоит в том, что при полимеризации с ростом цепи молекулы мономеров добавляются к цепи одна за другой. В случае полимеризации ступенчатого роста молекулы мономера могут быть напрямую связаны друг с другом.

Хотите узнать больше? Свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить дополнительную информацию!

Полимеры в нашей повседневной жизни

Реферат

Полимеры — это широко используемые современные материалы, которые встречаются почти во всех материалах, используемых в нашей повседневной жизни. На сегодняшний день важность полимеров подчеркивается гораздо больше из-за их применения в различных областях науки, технологий и промышленности — от базовых применений до биополимеров и терапевтических полимеров. Основная цель этой редакционной статьи — подчеркнуть прагматическое влияние полимеров на повседневную жизнь человека.

Ключевые слова: Макромолекула, мономер, природный полимер, полимер, синтетический полимер

Полимеры — слово, которое мы слышим много, — очень важны, и без них невозможно представить жизнь. Полимеры, большой класс материалов, состоят из множества небольших молекул, называемых мономерами, которые связаны вместе, образуя длинные цепи, и используются во многих продуктах и ​​товарах, которые мы используем в повседневной жизни. ¹

На протяжении многих лет люди использовали полимеры в своей жизни, но они не знали этого почти до Второй мировой войны.Для изготовления изделия, необходимого для цивилизованной жизни, было относительно мало материалов. Для большей части строительства использовались сталь, стекло, дерево, камень, кирпич и бетон, а также хлопок, дерево, джут и некоторые другие сельскохозяйственные продукты для производства одежды или тканей.

Быстрый рост спроса на выпускаемую продукцию вводит новые материалы. Эти новые материалы представляют собой полимеры, и их влияние на нынешний образ жизни почти не поддается оценке. Продукция из полимеров повсюду вокруг нас: одежда из синтетических волокон, полиэтиленовые чашки, стекловолокно, нейлоновые подшипники, полиэтиленовые пакеты, краски на полимерной основе, эпоксидный клей, подушки из пенополиуретана, силиконовые сердечные клапаны и посуда с тефлоновым покрытием.Список почти бесконечен. ²

Слово «полимер» или иногда «макромолекула» происходит от классического греческого поли , означающего «множество», и meres , означающего «части». Молекула полимера имеет очень высокую молекулярную массу (от 10 000 до 1 000 000 г / моль) и состоит из нескольких структурных единиц, обычно связанных друг с другом ковалентными связями. ^1,3

Полимеры получают в результате химической реакции мономеров.Мономеры обладают способностью реагировать с другой молекулой того же или другого типа в подходящих условиях с образованием полимерной цепи. Этот процесс в природе привел к образованию природных полимеров, а синтетические полимеры созданы человеком.

Полимеры были вокруг нас в мире природы с самого начала (например, целлюлоза, крахмал и натуральный каучук). Искусственные полимерные материалы изучаются с середины XIX века. Сегодня полимерная промышленность развивается быстрыми темпами и превышает объемы производства меди, стали, алюминия и некоторых других вместе взятых. ⁴

Как природные, так и синтетические полимеры в значительной степени участвуют в обеспечении комфорта и облегчения жизни человека и несут ответственность за саму жизнь, за лекарства, питание, связь, транспортировку, орошение, контейнер, одежду, записи истории, здания, шоссе и т. Д. Человеческое общество сложно представить без синтетических и природных полимеров. В нашем постоянно растущем технологическом мире наука играет решающую роль в решении критических проблем, связанных с питанием, чистой и обильной водой, воздухом, энергией и здоровьем.Знание полимеров и связанных с ними текстов дает как информацию, так и идеи, позволяющие лучше понять их в нашей жизни. Информация, собранная на курсах фундаментальных наук, позволяет лучше понять полимеры. Эта информация включает фактические, теоретические и практические концепции, представленные в науке. Он полезен тем, кто хочет просто получить хорошее образование, а также тем, кто любит заниматься медициной, инженерией, физикой, химией, биомедицинскими науками, юриспруденцией, бизнесом и т. Д. ^2,3

Синтетические и природные полимеры могут использоваться в форме неорганических и органических полимеров; покрытия, эластомеры, клеи, смеси, пластмассы, волокна, герметики, керамика и композиты.Основные принципы, применяемые к одной категории полимеров, применяются ко всем другим категориям вместе с несколькими простыми фундаментальными правилами. Эти основы интегрированы в структуру полимерных текстов. ⁴

Неудивительно, что почти все материаловеды и более половины всех химиков и инженеров-химиков, большое количество физиков, технологов по текстилю, инженеров-механиков, фармацевтов и других научных групп участвуют в исследованиях и разработках, связанных с полимерами. ⁵ Кроме того, тот факт, что фармация, биомедицина, молекулярная биология, биохимия и биофизика — это области, в которых полимеры и химия полимеров играют значительную роль в развитии новых областей. Очевидно, почему изучение гигантских молекул — одна из самых посещаемых и быстрорастущих областей науки. Таким образом, кажется, что полимер не является специализированной междисциплинарной или отраслью химии. Напротив, это специализированная, широкая и уникальная дисциплина, которая может охватывать некоторые части химии, а также несколько других научных областей.Области науки всегда становились очень активными, когда исследовательские группы, обученные в одной специализированной области, обращали свои интересы в смежную область. Так было всегда и в будущем будет особенно актуально в исследованиях полимеров. Требование к полимеру — это применение идей и химических знаний и методов к сложным материалам и макромолекулам. Это фундаментальная задача, и она требует самых лучших способов, которые может предложить химия. ⁶

Возможно, химия полимеров больше, чем какая-либо другая область исследований, пересекает и сокращает традиционные линии всех отраслей химии, биологии, физики, материаловедения, инженерии, фармации и даже медицины.А новичку в науке о полимерах требуется достаточно умений, чтобы объединить обширные знания из всех вышеупомянутых областей. Таким образом, эта передовая статья была написана, чтобы показать очень важную и незабываемую роль полимеров в жизни человека.

Что такое полимер?

Термин «полимер» сегодня широко используется в индустрии пластмасс и композитов и часто используется как синоним «пластмассы» или «смолы». На самом деле полимеры включают в себя ряд материалов с множеством уникальных свойств.Их можно найти в обычных предметах домашнего обихода, в одежде и игрушках, в строительных материалах и изоляционных материалах, а также во многих других продуктах.

Полимер

: определение

Полимер — это химическое соединение, молекулы которого связаны в длинные повторяющиеся цепи. Благодаря своей структуре полимеры обладают уникальными свойствами, которые можно адаптировать для различных целей.

Полимеры являются как искусственными, так и естественными. Например, каучук — это натуральный полимерный материал, который используется человеком на протяжении тысячелетий.Обладает превосходными эластичными качествами, это результат молекулярной полимерной цепи, созданной матерью-природой. Другой природный полимер — это шеллак, смола, производимая лаковым жучком в Индии и Таиланде, которая используется в качестве грунтовки, герметика и лака. Самый распространенный природный полимер на Земле — это целлюлоза, органическое соединение, содержащееся в клеточных стенках растений. Он используется для производства бумажных изделий, текстиля и других материалов, таких как целлофан.

Искусственные или синтетические полимеры включают такие материалы, как полиэтилен (самый распространенный пластик в мире, встречается во всем, от пакетов для покупок до контейнеров для хранения) и полистирол (материал, используемый для изготовления упаковки арахиса и одноразовых стаканчиков).Некоторые синтетические полимеры пластичны (термопласты), а другие остаются жесткими (термореактивные). Тем не менее, другие обладают каучукообразными свойствами (эластомеры) или напоминают растительные или животные волокна (синтетические волокна). Эти материалы можно найти во всех видах товаров по всему миру, от купальных костюмов до кастрюль.

В зависимости от желаемого использования полимеры могут быть адаптированы для использования определенных полезных свойств. К ним относятся:

• Отражающая способность : Некоторые полимеры используются для производства световозвращающей пленки, которая используется в различных технологиях, связанных со светом.
• Ударопрочность : Прочные пластмассы, выдерживающие грубое обращение, идеально подходят для багажа, защитных чехлов, автомобильных бамперов и т. Д.
• Хрупкость : Некоторые формы полистирола твердые и хрупкие, и эти материалы легко деформируются при нагревании.
• Translucence : Прозрачные полимеры, включая полимерную глину, часто используются в декоративно-прикладном искусстве.
• Пластичность : В отличие от хрупких полимеров, пластичные полимеры — это полимеры, которые можно деформировать без разрушения.Такие металлы, как золото, алюминий и сталь, известны своей пластичностью, а пластичные полимеры, хотя и не так прочны, все же полезны для многих целей.
• Эластичность : Натуральные и синтетические каучуки обладают эластичными свойствами, которые делают их идеальными для автомобильных шин и других продуктов.

Полимеризация

Полимеризация — это процесс создания синтетических полимеров путем объединения множества небольших молекул мономера в цепи, удерживаемые вместе ковалентными связями.Существует две основные формы полимеризации: полимеризация с постепенным ростом и полимеризация с ростом цепи. Основное различие между ними заключается в том, что при полимеризации с ростом цепи молекулы мономера добавляются к цепи по одной молекуле за раз. В случае ступенчатой ​​полимеризации молекулы мономеров связаны непосредственно друг с другом.

Если вы внимательно посмотрите на полимерную цепь, вы увидите, что визуальная структура и физические свойства молекулярной цепи имитируют реальные физические свойства полимера.

Например, если полимерная цепь состоит из плотно скрученных связей между мономерами, которые трудно разорвать, скорее всего, полимер будет прочным и жестким. С другой стороны, если полимерная цепь состоит из молекул с характеристиками растяжения, скорее всего, полимер также будет обладать гибкими свойствами.

Сшитые полимеры

Большинство полимеров, обычно называемых пластиками или термопластами, состоят из цепочек молекул, которые могут быть разорваны и повторно связаны.Если вы подумаете о наиболее распространенных пластиках, их можно согнуть в новую форму, приложив тепло. Их также можно переработать. Например, пластиковые бутылки из-под газировки можно расплавить и повторно использовать для изготовления всего, от новых бутылок из-под газировки до ковров и флисовых курток.

Сшитые полимеры, с другой стороны, не могут повторно связываться после разрыва сшитой связи между молекулами. По этой причине сшитые полимеры часто проявляют желаемые свойства, такие как более высокая прочность, жесткость, термические свойства и твердость.

В композитных продуктах FRP (армированный волокном полимер) чаще всего используются сшитые полимеры, которые называются смолами или термореактивными смолами. Наиболее распространенными полимерами, используемыми в композитах, являются полиэфир, сложный виниловый эфир и эпоксидная смола.

Общие примеры

Обычные полимеры, используемые сегодня, включают:

• Полипропилен (PP): ковролин, обивка
• Полиэтилен низкой плотности (LDPE): Пакеты для продуктов
• Полиэтилен высокой плотности (HDPE): бутылки для моющих средств, игрушки
• Поли (винилхлорид) (ПВХ): трубопроводы, настил
• Полистирол (ПС): игрушки, поролон
• Политетрафторэтилен (PTFE, тефлон): сковороды с антипригарным покрытием, электроизоляция
• Поли (метилметакрилат) (ПММА, люцит, оргстекло): лицевые щитки, световые люки
• Поли (винилацетат) (ПВА): краски, клеи
• Полихлоропрен (неопрен): гидрокостюмы

Первоисточник

Полимеры и пластмассы: введение в химию

1 Полимеры разные…

Давайте начнем с рассмотрения известного всем искусственного полимера в виде гибких прозрачных пластиковых пакетов : полиэтилена . Это также один из простейших полимеров, состоящий из цепей произвольной длины (но обычно очень длинных), состоящих из двухуглеродных звеньев.

Вы заметите некоторую «нечеткость» в том, как полиэтиленовые конструкции представлены выше. Волнистые линии на концах длинной конструкции указывают на то, что один и тот же узор продолжается бесконечно.Более компактное обозначение справа показывает минимальную повторяющуюся единицу, заключенную в скобки с надписями на тире; это означает то же самое и является предпочтительным способом изображения полимерных структур.

Полимеры и «чистые вещества»

В большинстве областей химии «чистое вещество» имеет определенную структуру, молярную массу и свойства. Однако оказывается, что немногие полимерные вещества являются однородными в этом отношении. Это особенно касается синтетических полимеров, молекулярные массы которых охватывают диапазон значений, как и последовательность, ориентация и связность отдельных мономеров.Таким образом, большинство синтетических полимеров на самом деле представляют собой смеси , а не чистые вещества в обычном химическом смысле этого слова. Их молекулярные массы обычно распределяются в широком диапазоне. (Подробнее)

Формы молекул полимера: представьте

спагетти!

Пусть вас не вводят в заблуждение химические формулы, которые изображают полимеры, такие как полиэтилен, как достаточно прямые цепи замещенных атомов углерода.Свободное вращение вокруг связей C — C позволяет длинным полимерным молекулам скручиваться и запутываться, очень похоже на спагетти. Таким образом, полимеры обычно образуют аморфных твердых тел. Однако есть способы, которыми можно частично ориентировать определенные полимеры.

Классификация полимеров

Полимеры можно классифицировать по их химическому составу или, что более важно, по их свойствам и применению.Многие из этих факторов сильно взаимозависимы, и большинство из них обсуждается более подробно в следующих разделах этой страницы.

Классификация по структуре

• Природа мономерных звеньев
• Средняя длина цепи и молекулярная масса
• гомополимеры (один вид мономерного звена) или сополимеры ;
• Цепная топология: как связаны мономерные звенья
• Наличие или отсутствие перекрестного разветвления
• Метод полимеризации

Классификация по свойствам:

• Плотность
• Термические свойства — могут ли они размягчаться или плавиться при нагревании?
• Степень кристалличности
• Физические свойства, такие как твердость, прочность, обрабатываемость.
• Растворимость, газопроницаемость

Классификация по применению:

• формованные и формованные изделия («пластмассы»)
• листов и пленки
• эластомеры (т.е. эластичные полимеры, такие как резина)
• клеи
• Покрытия, краски, чернила
• волокна и пряжа

Физические свойства полимеров

Физические свойства полимера, такие как его прочность и гибкость, зависят от:

• длина цепи — как правило, чем длиннее цепи, тем прочнее полимер;
• боковые группы — полярные боковые группы (включая те, которые приводят к образованию водородных связей) дают более сильное притяжение между полимерными цепями, делая полимер более прочным;
  
• разветвление — прямые неразветвленные цепи могут упаковываться вместе более плотно, чем сильно разветвленные цепи, давая полимеры, которые имеют более высокую плотность, более кристаллические и, следовательно, более прочные;
  
• сшивание — если полимерные цепи сильно связаны друг с другом ковалентными связями, полимер тверже и труднее плавится.

Классификация по степени кристалличности

Кристаллические части этого полимера показаны синим цветом. [источник]

Для очень понятного обсуждения кристалличности полимера см. Эту страницу Macrogalleria.

Спагетти-подобные переплетения полимерных молекул имеют тенденцию к образованию аморфных твердых частиц, но часто случается, что некоторые части могут стать достаточно выровненными, чтобы создать область, демонстрирующую кристаллический порядок, поэтому некоторые полимерные твердые тела нередко состоят из случайная смесь аморфных и кристаллических областей.Как и следовало ожидать, более короткие и менее разветвленные полимерные цепи могут легче организовываться в упорядоченные слои, чем длинные цепи. Также помогает водородная связь между соседними цепями, что очень важно для волокнообразующих полимеров, как синтетических (нейлон 6.6), так и натуральных (хлопчатобумажная целлюлоза).

Классификация по тепловым свойствам: термопласты и реактопласты

Чистые кристаллические твердые вещества имеют определенные точки плавления, но полимеры, если они вообще плавятся, демонстрируют более сложное поведение.При низких температурах запутанные полимерные цепи имеют тенденцию вести себя как жесткие стекла. Например, натуральный полимер, который мы называем каучуком , становится твердым и хрупким при охлаждении до температуры жидкого азота. Многие синтетические полимеры остаются в этом состоянии при температуре значительно выше комнатной.

Плавление кристаллического соединения соответствует внезапной потере дальнего порядка; это основная причина того, что такие твердые тела имеют определенные точки плавления, и именно поэтому не существует промежуточной формы между жидким и твердым состояниями.В аморфных твердых телах нет дальнего порядка, поэтому нет температуры плавления в обычном понимании. Такие твердые вещества просто становятся все менее и менее вязкими при повышении температуры.

В некоторых полимерах (известных как термопласты ) существует довольно определенная точка размягчения, которая наблюдается, когда тепловая кинетическая энергия становится достаточно высокой, чтобы позволить внутреннему вращению происходить внутри связей и позволить отдельным молекулам скользить независимо от их соседей. , что делает их более гибкими и деформируемыми.Это определяет температуру стеклования t _g .

См. Здесь более полное определение температуры стеклования.

В зависимости от степени кристалличности будет более высокая температура, точка плавления t _m , при которой кристаллические области расходятся, и материал становится вязкой жидкостью. Такие жидкости можно легко впрыснуть в формы для изготовления предметов различной формы или экструдировать в листы или волокна.

Другие полимеры (как правило, сильно сшитые) вообще не плавятся; они известны как реактопластов . Если из них должны быть изготовлены формованные изделия, реакция полимеризации должна происходить внутри форм — гораздо более сложный процесс. Около 20% коммерчески производимых полимеров являются термореактивными; остальные — термопласты.

2 Термопластичные полимерные конструкции

Гомополимеры и гетерополимеры

Сополимеризация — бесценный инструмент для «настройки» полимеров так, чтобы они имели правильную комбинацию свойств для конкретного применения.Например, гомополимерный полистирол — это жесткий и очень хрупкий прозрачный термопласт с температурой стеклования 97 ° C. Сополимеризация его с акрилонитрилом дает смягчающий сополимер «SAN», в котором t _г повышено до 107 °, что делает его пригодным для использования в прозрачных емкостях для напитков.

Полимер, который состоит из идентичных мономерных звеньев (как полиэтилен), называется гомополимером . Гетерополимеры состоят из мономеров более чем одного типа.Искусственные гетерополимеры более известны как сополимеры .

Топология полимерной цепи

Полимеры также могут быть классифицированы как линейные или разветвленные, что дает следующие формы:

Мономеры могут быть соединены встык, и они также могут быть сшиты для получения более твердого материала:

Если поперечные связи достаточно длинные и гибкие, соседние цепи могут перемещаться относительно друг друга, образуя эластичный полимер или эластомер .

Конфигурация и тактичность полимерных цепей

В линейном полимере, таком как полиэтилен, вращения вокруг одинарных связей углерод-углерод могут позволить цепям изгибаться или скручиваться по-разному, в результате чего получается спагетти-подобная смесь этих различных конформаций , на которые мы ссылались выше. Но если один из атомов водорода заменяется каким-либо другим элементом, например метильной группой, относительная ориентация отдельных мономерных звеньев, составляющих линейный участок любой углеродной цепи, становится важной характеристикой полимера.

Цис-транс Изомерия возникает из-за невозможности вращения вокруг двойных углерод-углеродных связей — в отличие от одинарных связей. Любая пара различающихся заместителей, присоединенных к двум атомам углерода, навсегда заблокирована и находится на одной стороне ( цис, ) или противоположных сторонах ( транс, ) двойной связи.

Если углеродная цепь содержит двойные связи, тогда цис-транс-изомерия становится возможной, давая начало двум различным возможным конфигурациям (известным как диастереомеры) в каждом звене цепи.Эта, казалось бы, небольшая переменная может сильно повлиять на природу полимера. Например, латекс в натуральном каучуке состоит в основном из цис- -полиизопрена, тогда как транс-изомер (известный как латекс гуттаперчи) имеет очень разные (и, как правило, худшие) свойства.

Хиральность полимера

Тетраэдрическая природа углеродных связей имеет важное последствие, которое не раскрывается простыми двумерными структурными формулами: атомы, присоединенные к углероду, могут находиться на одной или другой стороне, и они не будут геометрически эквивалентными, если все четыре из них группы, присоединенные к одному атому углерода, различны.Такие атомы углерода (и присоединенные к ним группы) называются хиральными и могут существовать в двух различных трехмерных формах, известных как энантиомеры .

Для отдельного атома углерода в полимерной цепи две из присоединенных к нему групп обычно будут сегментами цепи по обе стороны от углерода. Если две оставшиеся группы различны (скажем, одна водородная и другая метиловая), то вышеуказанные условия удовлетворяются, и эта часть цепи может давать две энантиомерные формы.

Цепь, которую можно представить как (в которой оранжевый и зеленый кружки представляют разные группы), будет иметь несколько хиральных центров, что даст начало огромному количеству возможных энантиомеров. На практике обычно достаточно разделить хиральные полимеры на следующие три класса со стереорегулярностью , , обычно обозначаемым как такт icity.

Тактичность полимерной цепи может иметь большое влияние на ее свойства.Например, атактические полимеры, будучи более разупорядоченными, не могут кристаллизоваться.

Один из главных прорывов в химии полимеров произошел в начале 1950-х годов, когда немецкий химик Карл Циглер открыл группу катализаторов, которые могли эффективно полимеризовать этилен. Примерно в то же время Джулио Натта (итальянец) изготовил первый изотактический (и кристаллический) полиэтилен. Катализаторы Циглара-Натта произвели революцию в химии полимеров, сделав возможным контролировать стереорганичность этих гигантских молекул.Они разделили Нобелевскую премию по химии 1963 года.

3 Как получают полимеры

Полимеры синтезируются путем соединения маленьких молекул в большие. Но большинство этих мономерных молекул совершенно стабильны, поэтому химики разработали два общих метода, чтобы заставить их реагировать друг с другом, создавая основную цепь по мере протекания реакции.

Полимеризация с удалением конденсации

Этот метод (также известный как ступенчатого роста ) требует, чтобы мономеры обладали двумя или более видами функциональных групп, которые способны реагировать друг с другом таким образом, что части этих групп объединяются, образуя небольшую молекулу (часто H ₂ O), который исключен из двух частей.Теперь пустые места скрепления двух мономеров можно соединить вместе.

Это происходит, например, при синтезе семейства нейлоновых полимеров, в которых удаленная молекула H ₂ O происходит от гидроксильной группы кислоты и одного из аминоводородов:

Обратите внимание, что мономерные звенья, составляющие полимер, не идентичны исходным компонентам.

Аддитивная полимеризация

Добавление или с ростом цепи полимеризация включает перегруппировку связей внутри мономера таким образом, что мономеры напрямую связываются друг с другом:

Чтобы это произошло, химически активная молекула
(называемый инициатором ) необходим для запуска так называемой цепной реакции .Производство полиэтилена — очень распространенный пример такого процесса. В нем используется свободнорадикальный инициатор , который отдает свой неспаренный электрон мономеру, делая последний очень реактивным и способным образовывать связь с другим мономером в этом месте.

Теоретически должен иметь место только один процесс инициирования цепи, а затем этап продолжения цепи повторяется бесконечно, но на практике требуется несколько этапов инициирования, и в конечном итоге два радикала вступают в реакцию ( обрыв цепи ), чтобы вызвать полимеризация остановилась.

Как и во всех процессах полимеризации, образуются цепи с диапазоном молекулярных масс, и этот диапазон можно изменять, контролируя давление и температуру процесса.

4 Галерея распространенных синтетических полимеров

Галерея термопластов

Примечание: на левой панели внизу показаны название полимера и синонимы, структурная формула, температура стеклования, точка плавления / температура разложения и (где применимо) идентификационный символ смолы , используемый для облегчения переработки.

Поликарбонат (Lexan® ) T г = 145 ° C, T м = 225 ° C.	Этот полимер был независимо открыт в Германии и США в 1953 году. Лексан исключительно твердый и прочный; мы видим это чаще всего в виде компакт-дисков . Когда-то его широко использовали в бутылках для воды, но опасения по поводу вымывания непрореагировавшего мономера (бисфенол-А, эндокринный разрушитель) в значительной степени подавили этот рынок.
Полиэтилентерефталат (ПЭТ, Майлар ) T г = 76 ° C, T м = 250 ° C.	Тонкие и очень прочные пленки этого материала получают путем вытягивания расплавленного полимера в обоих направлениях, таким образом ориентируя молекулы в высококристаллическое состояние, которое становится «заблокированным» при охлаждении. Его многочисленные применения включают упаковку пищевых продуктов (в ламинированные фольгой контейнеры для напитков и контейнеры для замороженных пищевых продуктов, которые можно использовать в микроволновой печи), пленку для диапроекторов, метеозонд и в качестве световозвращающего материала с алюминиевым покрытием в космических кораблях и других приложениях.
Нейлон (полиамид ) T г = 50 ° C, T м = 255 ° C. Сделайте свой собственный нейлон дома История нейлоновых чулок (Смитсоновский институт)	Нейлон имеет увлекательную историю, как научную, так и культурную. Он был изобретен химиком DuPont Уоллесом Карозерсом (1896-1937).Обычная форма Nylon 6.6 имеет шесть атомов углерода в обеих частях цепи; есть несколько других видов. Обратите внимание, что две субъединицы сополимера удерживаются вместе пептидными связями, теми же типами, которые соединяют аминокислоты в белки. Нейлон 6.6 обладает хорошей устойчивостью к истиранию и самосмазывающимся, что делает его хорошим конструкционным материалом. Он также широко используется в качестве волокна для ковровых покрытий, одежды и шинного корда. Интересный отчет о развитии нейлона см. В Enough for One Liftetime: Уоллес Карозерс, изобретатель нейлона Энн Гейнс (1971)
Полиакрилонитрил (Орлон, Акрилан, «акриловое» волокно) T г = 85 ° C, T м = 318 ° C.	Используется в виде волокон в коврах, одеялах и одежде, особенно в свитерах, похожих на кашемир. Ткань очень мягкая, но имеет тенденцию к образованию комков, т. Е. К образованию пушистых пятен. Из-за низкой температуры стеклования требует осторожного обращения при чистке и глажке.
Полиэтилен T г = –78 ° C, T м = 100 ° C. ПВД ПНД	Контроль полимеризации с помощью катализаторов и добавок привел к появлению большого разнообразия материалов на основе полиэтилена, которые демонстрируют различия в плотности, степени разветвления цепи и кристалличности, а также сшивки. Некоторыми основными типами являются: низкая плотность (LDPE), линейная низкая плотность (LLDPE), высокая плотность (HDPE). LDPE был первой коммерческой формой (1933 г.) и использовался в основном для изготовления обычных «пластиковых пакетов», но также для пищевых контейнеров и колец из шести банок из-под газировки. Его низкая плотность обусловлена ​​разветвлением длинной цепи, препятствующим плотной упаковке. ЛПЭНП имеет меньше разветвлений; его большая прочность позволяет использовать его в раздражающе тонких пластиковых пакетах, которые часто можно найти на продовольственных рынках. Форма «очень низкой плотности» (VLDPE) с обширными короткоцепочечными разветвлениями теперь используется для пластиковой стрейч-пленки (заменяющей исходный компонент Saran Wrap) и в гибких трубках. HDPE имеет в основном прямые цепи и поэтому более прочен. Он широко используется в молочниках и аналогичных емкостях, контейнерах для мусора, а также в качестве «инженерного пластика» для деталей машин.
Полиметилметакрилат (оргстекло, люцит, плексиглас) T г = 114 ° C, T м = 130-140 ° C.	Этот прозрачный бесцветный полимер широко используется вместо стекла, где его преимуществами являются более высокая ударопрочность, меньший вес и обрабатываемость.Обычно он сополимеризуется с другими веществами для улучшения его свойств. Окна самолетов, пластиковые вывески и световые панели — очень распространенные области применения. Его совместимость с тканями человека привела к различным медицинским применениям, таким как замена линз для пациентов с катарактой. Статья в Википедии
Полипропилен T г = –10 ° C, T м = 173 ° C. ПП	Полипропилен используется отдельно или в качестве кополимера, обычно вместе с этиленом. Эти полимеры имеют исключительно широкий спектр применения — веревки, переплетные крышки, пластиковые бутылки, штапельная пряжа, нетканые материалы, электрические чайники. В неокрашенном состоянии он полупрозрачен, но не прозрачен. Его устойчивость к усталости делает его полезным для пищевых контейнеров и их крышек, а также откидных крышек для продуктов в бутылках, таких как кетчуп. Статья в Википедии
полистирол T г = 95 ° C, T м = 240 ° C. PS	Полистирол прозрачный, но довольно хрупкий и желтеет под воздействием ультрафиолета. Широко используется для недорогих упаковочных материалов и лотков на вынос, пенопласта для упаковки арахиса, коробок для компакт-дисков, стаканов для напитков с пенопластом и других тонкостенных и формованных деталей. Статья в Википедии
поливинилацетат T г = 30 ° C	ПВС слишком мягкий и легкоплавкий, чтобы использовать его самостоятельно; он обычно используется в виде эмульсии на водной основе в красках, клеях для дерева и других клеях.
поливинилхлорид («винил», «ПВХ») T г = 85 ° C, T м = 240 ° C. ПВХ	Это один из наиболее широко используемых полимеров в мире. Сам по себе он довольно жесткий и используется в таких строительных материалах, как трубы, сайдинг дома, полы. Добавление пластификаторов делает его мягким и гибким для использования в обивке, электроизоляции, занавесках для душа и водонепроницаемых тканях.Предпринимаются некоторые усилия по поэтапному отказу от этого полимера из-за проблем, связанных с окружающей средой (см. Ниже).
Каучуки синтетические Неопрен (полихлоропрен) T г = –70 ° C Полибутадиен T г <–90 ° C	Неопрен, изобретенный в 1930 году, был первым синтетическим каучуком массового производства.Используется для таких вещей, как кровельные мембраны и гидрокостюмы. Полибутадиен заменяет хлор водородом; это основной компонент шин (обычно в смеси с другими каучуками). Синтетические каучуки сыграли решающую роль во Второй мировой войне: более Каучук SBS (стирол-бутадиен-стирол) представляет собой блок-сополимер, особая прочность которого делает его ценным для протекторов шин.
Политетрафторэтилен ( тефлон , PTFE) Разлагается при температуре выше 350 ° C.	Этот высококристаллический фторуглерод исключительно инертен по отношению к химическим веществам и растворителям. Вода и масло не смачивают его, что объясняет его использование в посуде и других антипригарных изделиях, включая средства личной гигиены. Он также используется в ткани Gore-Tex для непромокаемой одежды. Эти свойства — отсутствие адгезии к другим материалам, несмачиваемость и очень низкий коэффициент трения («скользкость») — происходят из высоко электроотрицательной природы фтора, атомы которого частично защищают углеродную цепь.Внешние электроны фтора настолько сильно притягиваются к его ядру, что менее доступны для участия в лондонских взаимодействиях (сила дисперсии). В Википедии есть информационные страницы о фторуглеродах и тефлоне.
Полиарамид (кевлар ) Температура сублимации 450 ° C.	Кевлар известен своей способностью превращаться в волокна, которые имеют в пять раз большую прочность на разрыв, чем сталь.Впервые он был использован в 1970-х годах для замены стального корда шин. Пуленепробиваемые жилеты — одно из наиболее ярких применений, но другие области применения включают корпуса лодок, барабанные головки, спортивное оборудование и в качестве замены асбеста в тормозных колодках. Он часто сочетается с углеродными или стеклянными волокнами в композитных материалах. Высокая прочность на разрыв отчасти обусловлена ​​обширными водородными связями между соседними цепями. Кевлар также известен тем, что был изобретен женщиной-химиком Стефани Кволек.

Термореактивные пластмассы

Термопластические материалы , описанные выше, представляют собой цепи, основанные на относительно простых мономерных звеньях, имеющих разную степень полимеризации, разветвления, изгиба, сшивки и кристалличности, но каждая молекулярная цепь является дискретным звеном. В термореактивных пластиках концепция индивидуальной молекулярной единицы в значительной степени утрачена; материал становится больше похожим на собственную гигантскую протяженную молекулу — отсюда и отсутствие чего-либо вроде температуры стеклования или точки плавления.

Эти свойства проистекают из природы мономеров, используемых для их получения. Самая важная особенность — это наличие нескольких реактивных сайтов, которые могут формировать количество перекрестных ссылок в каждом центре.

Фенольные смолы, типичным примером которых является реакция фенола с формальдегидом, иллюстрируют множество связей, которые могут быть образованы.

Фенольные смолы

Они получают конденсацией одного или нескольких типов фенолов (гидроксизамещенных бензольных колец) с формальдегидом, как показано выше.Это был первый промышленный синтетический формовочный пластик. Он был разработан в 1907–1909 годах бельгийским химиком Лео Бекеландом, отсюда и общее название бакелит. Коричневый материал (обычно набитый древесным порошком) ценился за его электроизоляционные свойства (осветительные приборы, розетки и другие электропроводные устройства), а также для предметов потребления до середины века. С тех пор полимеры, разработанные недавно, в значительной степени вытеснили эти применения. Фенолы по-прежнему широко используются в качестве клея при производстве фанеры, а также для изготовления красок и лаков.

Смолы карбамид

Конденсация формальдегида с мочевиной дает более светлые и менее дорогие материалы, чем фенольные. Основное применение карбамидоформальдегидных смол — это склеивание древесных частиц с ДСП. Другие области применения — это эмалевые покрытия для кухонных приборов, а также покрытие хлопковых и вискозных волокон для придания готовым тканям водостойкости и устойчивости к образованию складок.

Меламиновые смолы

Меламин с даже большим количеством амино (–NH ₂ ) групп, чем мочевина, реагирует с формальдегидом с образованием бесцветных твердых веществ, которые тверже, чем смолы мочевины.Чаще всего они встречаются в столовой посуде (пластиковые тарелки, чашки и сервировочные тарелки) и в пластиковых ламинатах, таких как Formica.

Алкидно-полиэфирные смолы

Сложный эфир — это продукт реакции органической кислоты со спиртом, поэтому сложные полиэфиры образуются, когда многофункциональные кислоты, такие как фталевая кислота, взаимодействуют с многоатомными спиртами, такими как глицерин. Термин алкид происходит от двух слов alc ohol и ac id.

Алкидные смолы были впервые произведены Берцелиусом в 1847 году, и впервые они были коммерциализированы как лаки Glyptal ( gly cerine + p hth al ic acid) лаки для лакокрасочной промышленности в 1902 году.

Позднее развитие других полиэфиров привело к значительному расширению их использования в широком спектре волокон и формованных изделий, от тканей для одежды и наполнителей для подушек до армированных стекловолокном пластиков (стекловолокно).

Эпоксидные смолы

Эта большая и промышленно важная группа смол обычно начинается с конденсации бисфенола-А с эпихлоргидрином в присутствии катализатора. (Префикс — epi относится к группе эпоксида , в которой атом кислорода соединяет два атома углерода.) Эти смолы обычно комбинируются с другими для получения желаемых свойств. Эпоксидные смолы особенно ценятся как клеи и адгезивы, поскольку их схватывание не зависит от испарения, а время схватывания можно варьировать в широких пределах.В двухкомпонентных смолах , обычно продаваемых для домашнего использования, неполимеризованная смесь и отвердитель-катализатор упаковываются отдельно для смешивания непосредственно перед использованием. В некоторых составах полимеризация инициируется нагреванием («термическое отверждение»). Зубные пломбы из эпоксидной смолы отверждаются путем облучения ультрафиолетом.

Полиуретаны

Органические изоцианаты R – NCO реагируют с многофункциональными спиртами с образованием полимерных карбаматов , обычно называемых полиуретанами .В основном они используются в пенопластах для теплоизоляции и обивки, но также в очень большом количестве других применений, включая краски, лаки и пластиковые колеса, используемые в автопогрузчиках, тележках для покупок и скейтбордах.

Силиконы

Полисилоксаны (–Si – O – Si-) являются наиболее важными из небольшого класса неорганических полимеров . Коммерческие силиконовые полимеры обычно содержат присоединенные органические боковые группы, которые способствуют сшиванию.Силиконы могут быть самых разнообразных форм; материалы с более низкой молекулярной массой являются жидкостями, тогда как материалы с более высокой степенью полимеризации представляют собой твердые каучукоподобные вещества. Эти полимеры имеют столь же широкий спектр применения: смазочные материалы, герметики и герметики, медицинские имплантаты, антипригарные покрытия для посуды, кондиционеры для волос и другие продукты личной гигиены.

5 Некоторые важные природные полимеры

Полимеры, полученные из растений, были важными компонентами человеческого существования на протяжении тысячелетий.В этом обзоре мы рассмотрим только те, которые имеют основное промышленное применение, поэтому мы не будем обсуждать очень важные биополимеры , белки и нуклеиновые кислоты .

Полисахариды

Полисахариды представляют собой полимеры сахаров ; они играют важную роль в хранении энергии, передаче сигналов и в качестве структурных компонентов всех живых организмов. Здесь мы будем иметь дело только с теми, которые состоят из глюкозы , наиболее важной из шестиуглеродных гексоз .Глюкоза служит основным топливом для большинства организмов.

Глюкоза, однако, хорошо растворима и не может быть легко сохранена, поэтому организмы создают полимерные формы глюкозы, чтобы выделить в качестве резервного хранилища , из которого молекулы глюкозы могут быть извлечены по мере необходимости.

Гликоген

У человека и высших животных запасным полимером-накопителем является гликоген . Он состоит из примерно 60 000 единиц глюкозы в сильно разветвленной конфигурации.Гликоген вырабатывается в основном в печени под действием гормона инсулина , который запускает процесс, в котором расщепленная глюкоза полимеризуется и хранится в основном в этом органе. Через несколько часов после еды содержание глюкозы в крови начинает падать, и гликоген начинает расщепляться, чтобы поддерживать необходимый организму уровень глюкозы.

Крахмал

В растениях эти запасы полимеров глюкозы известны как крахмал . Гранулы крахмала хранятся в семенах или клубнях, чтобы обеспечить глюкозой для энергетических потребностей только что проросших растений, и в ветвях листопадных растений, чтобы поддерживать их в течение зимы, когда фотосинтез (процесс, в котором глюкоза синтезируется из CO _{). 2} и H ₂ O) не имеет места.Крахмал в зерновых, таких как рис и пшеница, и в клубнях, таких как картофель, является основным источником питания для человека.

Растительные крахмалы представляют собой смесь двух основных форм, амилозы и амилопектина . Амилоза представляет собой неразветвленный полимер, содержащий от 500 до 20 000 молекул глюкозы, который скручивается в спиральную форму, которая стабилизируется за счет внутренней водородной связи. Амилопектин — это гораздо более крупный полимер, содержащий до двух миллионов остатков глюкозы, расположенных в ответвления от 20 до 30 единиц.Подробнее об этих двух вариантах крахмала см. Здесь.

Целлюлоза и ее производные

Целлюлоза — это самое распространенное органическое соединение на Земле. Обширная водородная связь между цепями приводит к тому, что природная целлюлоза становится кристаллической примерно на 70%. Он также повышает температуру плавления (> 280 ° C) выше температуры горения.

По всей видимости, структуры крахмала и целлюлозы очень похожи; в последнем любая другая молекула глюкозы находится «вверх ногами».Но последствия этого далеко идущие; крахмал может растворяться в воде и перевариваться высшими животными, включая человека, тогда как целлюлоза нерастворима и неперевариваема. Целлюлоза является основным структурным компонентом зеленых растений и (наряду с лигнином) древесины.

Хлопок — одна из самых чистых форм целлюлозы, которую выращивают с древних времен. Его способность впитывать воду (что увеличивает его прочность) делает хлопчатобумажные ткани особенно полезными для одежды в очень жарком климате.

Хлопок также служит (наряду с обработанной древесной массой) источником промышленного производства материалов на основе целлюлозы, которые были первыми «пластичными» материалами, имеющими коммерческое значение.

• Нитроцеллюлоза была разработана во второй половине XIX века. Его получают путем обработки хлопка азотной кислотой, которая вступает в реакцию с гидроксильными группами в цепи целлюлозы. Впервые он был использован для изготовления формованных предметов — первого материала, используемого Eastman Kodak для фотопленки.Его чрезвычайная воспламеняемость представляла значительную опасность для кинотеатров, а его спонтанное медленное разложение с течением времени серьезно ухудшило качество многих ранних фильмов, прежде чем они были переведены на более стабильные носители. Нитроцеллюлоза также использовалась как взрывчатое вещество и метательное вещество, для чего она известна как пушечный хлопок . Под названием целлулоид он использовался для изготовления формованных предметов, таких как бильярдные шары. Он по-прежнему имеет ряд коммерческих применений, в основном в специальных покрытиях.
• Ацетат целлюлозы был разработан в начале 1900-х годов и стал первым искусственным волокном, которое было вплетено в ткани, которые стали цениться за их блестящий внешний вид и комфорт при ношении.Компания Kodak разработала его в качестве основы для «защитной пленки» в 1930-х годах, чтобы заменить нитроцеллюлозу, но она не стала широко использоваться для этой цели до 1948 года. Несколько лет спустя она стала основным материалом для магнитной записывающей ленты.
• Вискоза — это общий термин для «регенерированных» форм целлюлозы, полученных из растворов полимера в определенных сильных растворителях. При экструзии в тонкую пленку он превращается в целлофан, который используется в качестве пищевой упаковки с 1912 года и является основой для прозрачных клейких лент, таких как скотч.Растворы вискозы, выдавливаемые через фильеру, производят волокна, известные как вискоза. Вискоза (справа) была первым «искусственным шелком», который использовался для изготовления шинного корда, одежды и ковров. Он был популярен для женских чулок до того, как для этой цели стал доступен нейлон.

a name = «502»>

Резина

Различные растения производят сок, состоящий из коллоидной дисперсии цис- -полиизопрена. Этой молочной жидкости особенно много каучукового дерева ( Hevea ), с которого она капает при ранении коры.После сбора латекс коагулируют, чтобы получить твердый каучук. Натуральный каучук термопластичен с температурой стеклования –70 ° C.

цис -полиизопрен

Необработанный натуральный каучук имеет тенденцию быть липким в тепле и хрупким в холодном состоянии, поэтому он был не более чем новым материалом, когда впервые был введен в Европу примерно в 1770 году. Он не стал широко использоваться до середины девятнадцатого века, когда Чарльз Гудиер обнаружил, что нагрев это с серой — процесс, который он назвал вулканизацией — может значительно улучшить его свойства.

Почему резинка нагревается, когда ее растягивают, и почему она самопроизвольно отрывается? Все это связано с энтропией ; см. здесь краткое объяснение.

Вулканизация создает дисульфидные поперечные связи, которые предотвращают скольжение полиизопреновых цепей друг по другу. Степень сшивки можно контролировать для получения резины, имеющей желаемую эластичность и твердость. Совсем недавно были разработаны другие виды химической обработки (например, эпоксидирование) для производства каучуков специального назначения.

Аллергические реакции на некоторые белки и химические добавки в натуральном каучуке не редкость.

Натуральный каучук по-прежнему занимает большой рынок, несмотря на наличие многих форм синтетического каучука, включая синтетический полиизопрен («синтетический натуральный каучук»). Большая промышленность занимается разработкой комбинаций этих каучуков и сополимеров бутадиена для специальных применений.

В Википедии есть очень хорошая статья о шинах.

Самым крупным применением каучука является производство автомобильных шин. Шины — это тщательно спроектированные продукты, в которых в разных частях используются разные виды резины. Например, на внешней поверхности протектора шин, предназначенных для использования в зимнее время, может быть использован специальный состав, предназначенный для улучшения гибкости при низких температурах.

Конечно, шины сделаны не только из резины. Многих особенно удивляет высокая доля технического углерода (аморфная углеродная сажа) в шинах.Этот материал служит связующим и укрепляющим агентом, пигментом, а также улучшает теплопроводность, что важно для предотвращения локального перегрева.

Краткое обсуждение экологически важной проблемы утилизации выброшенных шин можно найти в конце следующего раздела.

6 Полимеры в окружающей среде

« Лучше вещи для лучшей жизни … через химию «- известный коммерческий лозунг, отражавший отношение общественности примерно в 1940 году, когда синтетические полимеры начали оказывать большое влияние на жизнь людей.Однако в то время не было осознано некоторые из проблем, которые эти материалы будут создавать по мере того, как их использование умножается, и мир становится более осторожным по отношению к «химическим веществам». (DuPont отказалась от понятия «сквозная химия» в 1982 году.)

Высвобождение малых молекул

Многие виды полимеров содержат небольшие молекулы — либо непрореагировавшие мономеры, либо вещества, специально добавленные (пластификаторы, поглотители ультрафиолетового излучения, антипирены и т. Д.) Для изменения их свойств. Многие из этих более мелких молекул способны диффундировать через материал и попадать в любую жидкость или воздух при контакте с пластиком — и, в конечном итоге, в водную среду.Те, которые используются для строительных материалов (например, в передвижных домах), могут накапливаться в закрытых помещениях и способствовать загрязнению воздуха внутри помещений.

Остаточный мономер

Образование длинных полимерных цепей — сложный и в некоторой степени случайный процесс, который никогда не бывает полностью стехиометрическим. Поэтому нередко в готовом продукте остается некоторое количество непрореагировавшего мономера. Некоторые из этих мономеров, такие как формальдегид, стирол (из полистирола, включая контейнеры для пищевых продуктов из пенополистирола), винилхлорид и бисфенол-A (из поликарбонатов), являются известными канцерогенами.Хотя существует мало свидетельств того, что небольшие количества, которые диффундируют в воздух или вымываются в жидкости, представляют поддающийся количественной оценке риск для здоровья, люди по понятным причинам не хотят мириться с этим воздействием, и государственная политика постепенно начинает регулировать их.

Перфтороктановая кислота (PFOA), мономер, из которого сделан тефлон, стала предметом судебного процесса 2004 года против фабрики DuPont, которая загрязнила грунтовые воды. Небольшие количества ПФОК были обнаружены в газовых выбросах горячих фторуглеродных продуктов.Страница EPA на PFOA

Пластификаторы

Эти вещества входят в состав определенных типов пластмасс, чтобы сделать их более гибкими за счет снижения температуры стеклования. Они достигают этого, занимая пространство между полимерными цепями и действуя как смазка, позволяя цепям легче скользить друг по другу. Многие (но не все) достаточно малы, чтобы их можно было распространять, и они могут стать потенциальным источником проблем со здоровьем.

[изображение]

Поливинилхлоридные полимеры являются одним из наиболее широко пластифицируемых типов, и запахи, часто связанные с гибкими виниловыми материалами, такими как садовые шланги, водяные кровати, дешевые занавески для душа, плащи и обивка, свидетельствуют об их способности проникать в окружающую среду.

Известный «запах новой машины» во многом связан с выделением пластификатора из обивки и внутренней отделки салона.

В настоящее время идет активное движение по разработке недиффузионных и «зеленых» пластификаторов, которые не представляют этих опасностей.

Надежные ссылки:

Эндокринные разрушители

Соединения, связанные с пластмассами, — не единственный вид эндокринных разрушителей, обнаруженных в окружающей среде. Другие включают остатки пестицидов и фунгицидов, а также промышленные химикаты, такие как полихлорированные бифенолы (ПХД).См. Хороший обзор на сайте Университета Эмори и на этой странице в Википедии. Дополнительные ссылки см. На этой странице каталога Google.

Еще больше усложняет ситуацию то, что многие из этих небольших молекул оказались физиологически активными из-за их способности имитировать действие гормонов или других сигнальных молекул, вероятно, за счет приспособления и связывания со специализированными рецепторными участками, присутствующими во многих тканях. Доказательства того, что многие из этих химических веществ способны действовать таким образом на клеточном уровне, довольно ясны, но все еще существуют некоторые споры о том, представляют ли многие из них реальный риск для здоровья взрослых людей при относительно низких концентрациях, в которых они обычно встречаются в организме. окружение.

Однако есть некоторая озабоченность по поводу воздействия этих веществ на взрослых и особенно на плоды, учитывая, что эндокрины тесно связаны с половым дифференцированием и неврологическим развитием, которое продолжается до позднего подросткового возраста.

Продукты разложения пластмасс в среде

Наиболее часто используемые полимеры не поддаются биологическому разложению, особенно в анаэробных условиях большинства свалок.И то, что происходит разложение, объединится с дождевой водой с образованием фильтрата , который может загрязнить близлежащие ручьи и запасы грунтовых вод. Частичное фоторазложение, инициированное воздействием солнечного света, является более вероятной долгосрочной судьбой экспонированных пластмасс, что приводит к образованию крошечных разбитых фрагментов. Многие из этих материалов менее плотны, чем морская вода, и, попадая в океаны через выходы прибрежных сточных вод или с отходами морских судов, они, как правило, остаются там на неопределенный срок.

Еще одна интересная статья: Удивительное путешествие пластиковых уток

Открытое сжигание полимерных материалов, содержащих хлор (например, поливинилхлорид), как известно, выделяет такие соединения, как диоксины, которые остаются в окружающей среде.Сжигание в правильных условиях может эффективно устранить эту опасность.

Утилизированные продукты, содержащие фторуглеродов (посуда с тефлоновым покрытием, некоторые средства личной гигиены, гидроизоляционные и антипригарные материалы) распадаются на перфтороктановый сульфонат, который, как было доказано, наносит вред водным животным.

Опасность пластиковых отходов для животных

Есть два основных типа опасностей, которые полимеры могут внести в водную среду.Один из них связан с высвобождением небольших молекул, которые действуют как разрушители гормонов, как описано выше. Хорошо известно, что мелкие водные животные, такие как рыбы, серьезно страдают от воздействия таких веществ во многих реках и эстуарных системах, но подробности об источниках и типах этих молекул не установлены. Одним из мешающих факторов является попадание сточных вод, содержащих противозачаточные препараты (которые оказывают феминизирующее действие на половое развитие), во многие водные пути.

Другая опасность связана с кусками пластиковых отходов, которые водные животные принимают за пищу или запутываются.

Этот пластиковый пакет (который, вероятно, ошибочно принимают за медузу, единственную пищу морских черепах) не может срыгнуть и приводит к кишечному блаокку и медленной смерти.

Останки альбатроса, принявшего кусочки пластикового мусора за еду; подробнее здесь.

Эти опасности встречаются повсюду в океане, но особенно ярко проявляются в регионах, известных как круговороты.Это районы океана, в которых сочетание океанских течений вызывает постоянные вихри, которые имеют тенденцию собирать и концентрировать плавающие материалы. Самыми известными из них являются Великие тихоокеанские круговороты, в которых накопилось поразительное количество пластиковых отходов.

Переработка пластмасс

Огромное количество (по оценкам 10 ⁸ метрических тонн в год) пластмассовых материалов, производимых для потребительского и промышленного использования, создало гигантскую проблему: что делать с пластиковыми отходами, которые трудно безопасно сжигать и которые, в основном, не являются — биоразлагаемый, угрожает перегрузить мусорные свалки.Дополнительным соображением является то, что производство de novo для большинства основных полимеров потребляет невозобновляемые углеводородные ресурсы.

Пластиковые бутылки для воды (слева) представляют собой особую проблему переработки из-за их широкого использования вдали от дома. См. Эту статью MSNBC.

Переработка пластмасс стала крупной отраслью промышленности, чему в значительной степени способствовала продуманная политика управления мусором в основных развитых странах. Однако у него есть свои особые проблемы:

• Переработка выгодна только тогда, когда есть рынок для регенерированного материала.Такие рынки меняются в зависимости от экономического цикла (они практически исчезли во время рецессии, начавшейся в 2008 году).
• Связанные с энергией затраты на сбор и транспортировку пластиковых отходов, и особенно на их переработку для повторного использования, часто являются решающим фактором при оценке целесообразности переработки.
• Сбор пластиковых отходов из различных источников и мест и их транспортировка в перерабатывающие центры потребляют энергию и создают многочисленные эксплуатационные проблемы.
• Большинство процессов переработки оптимизированы для определенных классов полимеров. Разнообразие типов пластика требует их разделения на разные потоки отходов, что обычно требует ручного (то есть недорогого) труда. Это, в свою очередь, способствует отправке этих отходов в страны с низкой заработной платой, тем самым сокращая доступность вторичных материалов в странах происхождения пластмасс.

Некоторые из основных процессов переработки включают

• Процессы термического разложения, которые позволяют обрабатывать смешанные виды пластмасс и превращать их в жидкое топливо, но при этом требуются большие затраты энергии.
• Очень небольшое количество конденсационных полимеров может быть деполимеризовано, так что мономеры могут быть извлечены и повторно использованы.
• Термополимеры можно плавить и гранулировать, но полимеры самых разных типов необходимо обрабатывать отдельно, чтобы избежать проблем несовместимости.
• Термореактивные материалы обычно измельчаются и используются в качестве наполнителя в переработанных термополимерах.

Чтобы облегчить эффективную переработку, был установлен набор из семи идентификационных кодов смолы (седьмой, не показанный ниже, является «другим»).

Эти коды проштампованы на дне многих контейнеров с широко распространенными продуктами. Не все категории принимаются всеми местными органами по утилизации, поэтому жителей необходимо проинформировать о том, какие виды следует помещать в контейнеры для утилизации, а какие — вместе с обычным мусором.

Утилизация шин

Огромное количество автомобильных и грузовых шин, выбрасываемых ежегодно (около 230 миллионов в США).Только С.) долгое время представляли собой серьезную экологическую проблему, усугубляемую растущим нежеланием свалок их принимать.

В 2013 году около половины из них было сожжено в качестве топлива для выработки электроэнергии и топлива для цементных печей, но сжигание влечет за собой собственные экологические издержки и считается не более чем временным решением, которое не позволяет полностью уловить ценность каучука.

Дополнительная четверть выброшенных шин перемалывается в «резиновую крошку», которая служит добавкой к асфальту или спортивным покрытием и покрытием игровых площадок, а также при производстве промышленных товаров, таких как конвейерные ленты.Но очень небольшая часть регенерированного каучука может быть использована в производстве новых шин без ухудшения их тщательно разработанных свойств.

К сожалению, процесс вулканизации, который делает резину таким универсальным материалом, нелегко обратить; шины нельзя просто переплавить и переработать, как многие другие полимерные материалы. Хотя было предложено множество способов девулканизации, лишь немногие из них оказались коммерчески жизнеспособными. Основная проблема заключается в том, что условия, необходимые для разрыва углеродно-серных связей, возникающих в результате вулканизации, имеют тенденцию к повреждению одной или нескольких форм полимерного каучука, присутствующих в большинстве шин, что делает регенерированный продукт непригодным для включения в новые шины, за исключением очень небольших количеств. .

Менее амбициозный подход, применяемый некоторыми компаниями, заключается в переработке технического углерода, который составляет до 30% веса типичной шины. Обычно это сопровождается контролируемым процессом пиролиза. Но даже здесь восстановленная сажа может не подходить для 100% включения в новые шины из-за различного гранулометрического состава.

Короче говоря, эффективная переработка шин остается проблемой, не имеющей четкого решения, несмотря на то, что для ее решения прилагаются значительные усилия.

Статья в Википедии о переработке шин

Дополнительная информация о полимерах

Виртуальный учебник Университета Кейс Вестерн Резерв содержит раздел о полимерах. См. Также главу Полимеры виртуального учебника органической химии Уильяма Ройша .

У Исторического общества пластмасс есть интересный веб-сайт, на котором представлена ​​хронология развития пластмасс. Превосходная и краткая статья Polymer History Дорела Фельдмана появилась в Designed Monomers & Polymers 11 (1) 2008 и доступна в Интернете в некоторых академических библиотеках.См. Также эту статью в Википедии.

Прекрасный учебник для неспециалистов с некоторым опытом работы в области химии — это Гигантские молекулы: необходимые материалы для повседневной жизни и решения проблем Чарльза Каррахера-младшего (Wiley-Interscience 2003; Google Книги).

… и рассказ о том, как все это началось, см. В книге Ясу Фурукавы «Изобретая науку о полимерах: Штаудингер, Каротерс и появление макромолекулярной науки ». (1998) — См. Также эту статью в Википедии о Уоллесе Карозерсе и его работах о неопрене, полиэфирах и нейлоне.

Что вы должны уметь

Убедитесь, что вы полностью понимаете следующие важные идеи, представленные выше. Особенно важно, чтобы вы знали точное значение всех выделенных зеленым цветом терминов в контексте этой темы.

• Чем синтетические полимеры отличаются от обычных молекулярных твердых тел, помимо их высоких молярных масс?
• Полимеры можно классифицировать по химическому составу, физическим свойствам и общему применению.