مواد البوليمر: التكنولوجيا والأنواع والإنتاج والتطبيق

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

المواد البوليمرية عبارة عن مركبات كيميائية جزيئية عالية تتكون من العديد من المونومرات الجزيئية الصغيرة (وحدات) من نفس البنية. غالبًا ما تستخدم المكونات الأحادية التالية لتصنيع البوليمرات: الإيثيلين ، كلوريد الفينيل ، ثنائي كلوريد الفينيل ، أسيتات الفينيل ، البروبيلين ، ميثيل ميثاكريلات ، رباعي فلورو الإيثيلين ، الستايرين ، اليوريا ، الميلامين ، الفورمالديهايد ، الفينول. في هذه المقالة ، سننظر بالتفصيل في ماهية المواد البوليمرية ، وما هي خصائصها الكيميائية والفيزيائية وتصنيفها وأنواعها.

أنواع البوليمرات

من سمات جزيئات هذه المادة الوزن الجزيئي الكبير الذي يتوافق مع القيمة التالية: М>5103. تسمى المركبات ذات المستوى الأدنى من هذه المعلمة (M=500-5000) أوليغومرات. في المركبات ذات الوزن الجزيئي المنخفض ، تكون الكتلة أقل من 500. يتم تمييز الأنواع التالية من المواد البوليمرية: الاصطناعية والطبيعية. وتشمل الأخيرة المطاط الطبيعي ، والميكا ، والصوف ، والأسبستوس ، والسليلوز ، وما إلى ذلك. ومع ذلك ، فإن المكان الرئيسي هو البوليمرات الاصطناعية ، والتي يتم الحصول عليها نتيجة لعملية التخليق الكيميائي من مركبات منخفضة الوزن الجزيئي. حسبمن طريقة تصنيع المواد عالية الجزيئات ، يتم تمييز البوليمرات ، والتي يتم إنشاؤها إما عن طريق التكثيف المتعدد أو عن طريق تفاعل إضافة.

البلمرة

هذه العملية عبارة عن مزيج من مكونات ذات وزن جزيئي منخفض إلى وزن جزيئي مرتفع للحصول على سلاسل طويلة. مستوى البلمرة هو عدد "المرات" في جزيئات تركيبة معينة. في أغلب الأحيان ، تحتوي المواد البوليمرية على من ألف إلى عشرة آلاف وحدة من وحداتها. يتم الحصول على المركبات الشائعة الاستخدام التالية عن طريق البلمرة: بولي إيثيلين ، بولي بروبيلين ، بولي فينيل كلوريد ، بولي تترافلورو إيثيلين ، بوليسترين ، بولي بوتادين ، إلخ.

التكثيف المتعدد

هذه العملية عبارة عن تفاعل تدريجي ، يتكون من دمج إما عدد كبير من المونومرات من نفس النوع ، أو زوج من المجموعات المختلفة (A و B) في مكثفات متعددة (جزيئات كبيرة) مع التكوين المتزامن لما يلي المنتجات الثانوية: كحول الميثيل ، وثاني أكسيد الكربون ، وكلوريد الهيدروجين ، والأمونيا ، والماء ، إلخ. ينتج عن التكثيف المتعدد السيليكون والبولي سلفون والبولي كربونات والبلاستيك الأميني والبلاستيك الفينول والبوليستر والبولي أميد والمواد البوليمرية الأخرى.

Polyaddition

تُفهم هذه العملية على أنها تكوين بوليمرات نتيجة تفاعلات إضافة متعددة لمكونات أحادية تحتوي على تركيبات تفاعل محدودة لمونومرات من مجموعات غير مشبعة (دورات نشطة أو روابط مزدوجة). على عكس التكاثف المتعدد ، يستمر تفاعل الإضافة المتعددة بدون أي منتجات ثانوية.أهم عملية لهذه التقنية هي معالجة راتنجات الايبوكسي وإنتاج البولي يوريثان.

تصنيف البوليمرات

تنقسم تركيبة جميع المواد البوليمرية إلى عناصر غير عضوية وعضوية وعضوية. أولها (زجاج السيليكات ، الميكا ، الأسبستوس ، السيراميك ، إلخ) لا تحتوي على الكربون الذري. وهي تعتمد على أكاسيد الألومنيوم والمغنيسيوم والسيليكون وما إلى ذلك. تشكل البوليمرات العضوية الفئة الأكثر شمولاً ، فهي تحتوي على ذرات الكربون والهيدروجين والنيتروجين والكبريت والهالوجين والأكسجين. المواد البوليمرية العضوية هي مركبات تحتوي في السلاسل الرئيسية ، بالإضافة إلى تلك المدرجة ، على ذرات من السيليكون والألمنيوم والتيتانيوم وعناصر أخرى يمكن أن تتحد مع الجذور العضوية. مثل هذه التوليفات لا تحدث في الطبيعة. هذه هي البوليمرات الاصطناعية حصرا. الممثلون المميزون لهذه المجموعة هم مركبات تعتمد على السيليكون العضوي ، وسلسلتها الرئيسية مبنية من ذرات الأكسجين والسيليكون.

للحصول على بوليمرات بالخصائص المطلوبة ، لا تستخدم التكنولوجيا في كثير من الأحيان مواد "نقية" ، ولكن تركيباتها مع مكونات عضوية أو غير عضوية. من الأمثلة الجيدة على ذلك مواد البناء البوليمرية: اللدائن المعدنية ، والبلاستيك ، والألياف الزجاجية ، والخرسانة البوليمرية.

هيكل البوليمرات

خصوصية خصائص هذه المواد ترجع إلى بنيتها ، والتي بدورها تنقسم إلى الأنواع التالية: الخطية المتفرعة ، الخطية ، المكانيةبمجموعات جزيئية كبيرة وهياكل هندسية محددة جدًا ، بالإضافة إلى درج. دعونا نفكر بإيجاز في كل منهم.

المواد البوليمرية ذات البنية المتفرعة خطيًا ، بالإضافة إلى السلسلة الرئيسية للجزيئات ، لها فروع جانبية. وتشمل هذه البوليمرات البولي بروبلين والبولي إيزوبوتيلين.

المواد ذات الهيكل الخطي لها سلاسل طويلة متعرجة أو لولبية. تتميز جزيئاتها الكبيرة بشكل أساسي بتكرار المواقع في مجموعة هيكلية واحدة لوصلة أو وحدة كيميائية في السلسلة. تتميز البوليمرات ذات البنية الخطية بوجود جزيئات كبيرة طويلة جدًا مع اختلاف كبير في طبيعة الروابط على طول السلسلة وفيما بينها. يشير هذا إلى الروابط الجزيئية والكيميائية. الجزيئات الكبيرة لهذه المواد مرنة للغاية. وهذه الخاصية هي أساس سلاسل البوليمر ، مما يؤدي إلى خصائص جديدة نوعياً: مرونة عالية ، فضلاً عن عدم وجود هشاشة في الحالة المعالجة.

والآن دعنا نتعرف على المواد البوليمرية ذات البنية المكانية. تتشكل هذه المواد ، عندما يتم دمج الجزيئات الكبيرة مع بعضها البعض ، روابط كيميائية قوية في الاتجاه العرضي. نتيجة لذلك ، يتم الحصول على بنية شبكية ذات أساس غير موحد أو مكاني للشبكة. تتمتع البوليمرات من هذا النوع بمقاومة أكبر للحرارة وصلابة أكبر من البوليمرات الخطية. هذه المواد هي أساس العديد من المواد الهيكلية غير المعدنية.

تتكون جزيئات المواد البوليمرية ذات الهيكل السلمي من زوج من السلاسل المتصلة بواسطة رابطة كيميائية. وتشمل هذهبوليمرات السليكون العضوي ، والتي تتميز بصلابة متزايدة ومقاومة للحرارة ، بالإضافة إلى أنها لا تتفاعل مع المذيبات العضوية.

تكوين طور البوليمرات

هذه المواد عبارة عن أنظمة تتكون من مناطق غير متبلورة وبلورية. أولهما يساعد على تقليل الصلابة ، ويجعل البوليمر مرنًا ، أي قادر على إحداث تشوهات كبيرة قابلة للانعكاس. تساعد المرحلة البلورية على زيادة قوتها وصلابتها ومعاملتها المرنة ومعلمات أخرى ، مع تقليل المرونة الجزيئية للمادة. تسمى نسبة حجم كل هذه المناطق إلى الحجم الكلي درجة التبلور ، حيث يحتوي الحد الأقصى (حتى 80 ٪) على بولي بروبيلينات ، فلوروبلاست ، بولي إيثيلين عالي الكثافة. كلوريد البوليفينيل ، البولي إيثيلين منخفض الكثافة لديهم درجة تبلور أقل.

اعتمادًا على كيفية تصرف مواد البوليمر عند تسخينها ، يتم تقسيمها عادةً إلى مادة التلدن بالحرارة واللدائن الحرارية.

البوليمرات الحرارية

هذه المواد لها هيكل خطي في المقام الأول. عندما يتم تسخينها ، فإنها تنعم ، ولكن نتيجة التفاعلات الكيميائية التي تحدث فيها ، تتغير البنية إلى بنية مكانية ، وتتحول المادة إلى مادة صلبة. في المستقبل ، يتم الحفاظ على هذه الجودة. يتم بناء مواد البوليمر المركبة على هذا المبدأ. لا يؤدي تسخينها اللاحق إلى تليين المادة ، بل يؤدي فقط إلى تحللها. لذلك لا يذوب خليط المتصلب بالحرارة النهائي أو يذوبلا يجوز إعادة تدويرها. يشتمل هذا النوع من المواد على سيليكون إيبوكسي وفينول فورمالديهايد وراتنجات أخرى.

بوليمرات لدن بالحرارة

هذه المواد ، عند تسخينها ، تنعم أولاً ثم تذوب ، ثم تتصلب عند التبريد. لا تخضع البوليمرات اللدائن الحرارية لتغييرات كيميائية أثناء هذا العلاج. هذا يجعل العملية قابلة للعكس تمامًا. المواد من هذا النوع لها بنية خطية متفرعة أو خطية من الجزيئات الكبيرة ، والتي تعمل بينها قوى صغيرة ولا توجد أي روابط كيميائية على الإطلاق. وتشمل هذه البولي إيثيلين ، البولي أميد ، البوليسترين ، إلخ. توفر تقنية المواد البوليمرية من نوع اللدائن الحرارية إنتاجها عن طريق القولبة بالحقن في قوالب مبردة بالماء ، والضغط ، والبثق ، والنفخ ، وطرق أخرى.

الخصائص الكيميائية

يمكن أن تكون البوليمرات في الحالات التالية: صلبة ، سائلة ، غير متبلورة ، طور بلوري ، وكذلك تشوه عالي المرونة ولزج وزجاجي. يرجع الاستخدام الواسع للمواد البوليمرية إلى مقاومتها العالية لمختلف الوسائط العدوانية ، مثل الأحماض المركزة والقلويات. لا تخضع للتآكل الكهروكيميائي. بالإضافة إلى ذلك ، مع زيادة الوزن الجزيئي ، تقل قابلية ذوبان المادة في المذيبات العضوية. والبوليمرات التي لها هيكل ثلاثي الأبعاد بشكل عام لا تتأثر بالسوائل المذكورة.

الخصائص الفيزيائية

معظم البوليمرات عوازل ، بالإضافة إلى أنها مواد غير مغناطيسية. من بين جميع المواد الإنشائية المستخدمة ، تمتلك فقط أقل الموصلية الحرارية وأعلى سعة حرارية ، فضلاً عن الانكماش الحراري (حوالي عشرين مرة أكثر من المعدن). سبب فقدان إحكام الإحكام للعديد من مجموعات الختم في ظروف درجات الحرارة المنخفضة هو ما يسمى بالتزجج للمطاط ، بالإضافة إلى الاختلاف الحاد بين معاملات تمدد المعادن والمطاط في الحالة المزججة.

الخصائص الميكانيكية

تتمتع المواد البوليمرية بمجموعة واسعة من الخصائص الميكانيكية ، والتي تعتمد بشكل كبير على هيكلها. بالإضافة إلى هذه المعلمة ، يمكن أن يكون للعوامل الخارجية المختلفة تأثير كبير على الخواص الميكانيكية للمادة. وتشمل هذه: درجة الحرارة ، والتكرار ، ومدة أو معدل التحميل ، ونوع حالة الإجهاد ، والضغط ، وطبيعة البيئة ، والمعالجة الحرارية ، وما إلى ذلك. ومن سمات الخصائص الميكانيكية للمواد البوليمرية قوتها العالية نسبيًا عند صلابة منخفضة جدًا (مقارنة للمعادن).

تنقسم البوليمرات عادة إلى بوليمرات صلبة ، يقابل معامل المرونة E=1-10 GPa (ألياف ، أفلام ، بلاستيك) ، ومواد لينة عالية المرونة ، معامل المرونة لها هو E=1– 10 ميجا باسكال (مطاط). تختلف أنماط وآلية تدمير كليهما.

تتميز المواد البوليمرية بتباين واضح للخصائص ، وكذلك انخفاض في القوة ، وتطور الزحف تحت التحميل طويل المدى. جنبا إلى جنب مع هذا همتتمتع بمقاومة عالية للتعب نسبيًا. بالمقارنة مع المعادن ، فهي تختلف في اعتماد أكثر حدة للخصائص الميكانيكية على درجة الحرارة. إحدى الخصائص الرئيسية للمواد البوليمرية هي قابلية التشوه (المرونة). وفقًا لهذه المعلمة ، في نطاق درجات حرارة واسع ، من المعتاد تقييم الخصائص التشغيلية والتكنولوجية الرئيسية.

مواد الأرضيات البوليمر

الآن دعونا نفكر في أحد الخيارات للتطبيق العملي للبوليمرات ، وكشف النطاق الكامل لهذه المواد. تستخدم هذه المواد على نطاق واسع في أعمال البناء والإصلاح والتشطيب ، لا سيما في الأرضيات. تفسر الشهرة الكبيرة بخصائص المواد المعنية: فهي مقاومة للتآكل ، وموصلية حرارية منخفضة ، وامتصاص قليل للماء ، وقوية وصلبة للغاية ، ولها صفات عالية من الطلاء والورنيش. يمكن تقسيم إنتاج المواد البوليمرية بشكل مشروط إلى ثلاث مجموعات: لينوليوم (ملفوف) ومنتجات البلاط ومخاليط لتركيب الأرضيات غير الملحومة. دعونا نلقي نظرة سريعة على كل واحد الآن.

Linoleums مصنوعة على أساس أنواع مختلفة من الحشو والبوليمرات. وقد تشمل أيضًا الملدنات ومساعدات المعالجة والأصباغ. اعتمادًا على نوع مادة البوليمر ، يتم تمييز البوليستر (glyphthalic) والبولي فينيل كلوريد والمطاط والكولوكسيلين والطلاءات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا للهيكل ، يتم تقسيمها إلى قاعدة عازلة للصوت والحرارة ، وطبقة واحدة ومتعددة الطبقات ، مع طبقة ناعمة وصغيرةوسطح مموج ، وكذلك أحادي ومتعدد الألوان.

تحتوي المواد المبلطة المصنوعة على أساس مكونات البوليمر على تآكل منخفض للغاية ومقاومة كيميائية ومتانة. اعتمادًا على نوع المواد الخام ، يتم تقسيم هذا النوع من منتجات البوليمر إلى كومارون - بولي فينيل كلوريد ، كومارون ، بولي فينيل كلوريد ، مطاط ، فينوليت ، بلاط بيتوميني ، بالإضافة إلى اللوح والألواح الليفية.

مواد الأرضيات غير الملحومة هي الأكثر ملاءمة وصحة للاستخدام ، فهي تتمتع بقوة عالية. عادة ما يتم تقسيم هذه المخاليط إلى أسمنت بوليمر وخرسانة بوليمر وخلات بولي فينيل.