Полимеры

Автор: Бровко Инна Евгеньевна

Организация: МБОУ СОШ № 78

Населенный пункт: Алтайский край, г. Барнаул

ПОЛИМЕРЫ

Большинство из нас выросло в эпоху, когда пластик формирует наше окружение. Оглянитесь, контейнеры для еды, бутылки, контейнеры для косметики и туалетных принадлежностей, ручки, автомобилей, игрушки, сумки, упаковки.

Предположим, что пластик вреден для окружающей среды, т.к. возникают экологические проблемы в результате загрязнения ее отходами нашей жизнедеятельности, которые веками не разлагаются.

Структура полимеров

Полимеры состоят из повторяющихся групп атомов – звеньев исходного вещества – мономера, образующих молекулы в тысячи раз превышающих длину неполимерных соединений, такие молекулы называют макромолекулами. Чем больше звеньев в макромолекуле полимера (больше степень полимеризации), тем более прочен материал и более стоек к действию нагрева и растворителей. Из-за невозможности эффективной переработки малоплавкого

и труднорастворимого полимера в ряде случаев получают сначала полуфабрикаты – полимеры со сравнительно низкой молекулярной массой – олигомеры, легко доводимые до высоко молекулярного уровня при дополнительной тепловой обработке одновременно с изготовлением изделия.

Взависимости от состава различают группы полимерных соединений:

−гомополимеры – полимеры, состоящие из одинаковых звеньев мономеров;

−сополимеры – полимеры, состоящие из разных исходных звеньев мономеров;

−элементоорганические – соединения с введенными в главную цепь или боковые цепи атомами кремния (кремнийорганические соединения), бора алюминия и др. Эти соединения обладают повышенной теплостойкостью.

 

Форма молекул может быть:

−линейная неразветвленная, допускающая плотную упаковку;

−разветвленную, труднее упаковываемая и дающая рыхлую структуру;

−сшитая – лестничная;

−сетчатая;

−паркетная;

−сшитая трехмерно-объемная;

−с густой сеткой поперечных химических связей.

 

У органических полимерных материалов макроструктура образована либо свернутыми в клубки (глобулы) гибкими макромолекулами, либо пачками

– ламелями более жестких макромолекул, параллельно уложенных в несколько рядов, так как в этом случае они имеют термодинамически более выгодную форму, при которой значительная часть боковой поверхности прилегает друг к другу. На участках складывания образуются домены, а домены создают фибриллы, связанные проходными участками. Несколько домна природные и искусственные. К природным полимерам относятся целлюлоза, белки, крахмал, натуральный каучук, природные смолы (копал, канифоль, шеллак, янтарь). Природные полимеры редко применяются в строительстве. Широкое распространение получили искусственные полимеры, получаемые в результате синтеза простых низкомолекулярных соединений - мономеров.

 

По составу основной цепи макромолекул органические полимеры разделяются на три класса.

1.Карбоцепные полимеры, основные цепи которых построены только из атомов углерода. К этому классу можно отнести полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полибутадиен, полимеры производных этилена и диенов.

2.Гетероцепные полимеры, в основных цепях которых кроме атомов углерода содержатся атомы кислорода, азота, серы, реже фосфора и других элементов. К этой группе полимеров относятся полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, полиэпоксидные соединения.

3.Элементоорганические полимеры, содержащие в основных цепях атомы кремния, алюминия, титана и других элементов, например, кремнийорганические соединения. Эти полимеры имеют в макромолекуле кремний-кислородные связи, называемые силоксановыми.

Полимеры характеризуются следующими свойствами:

термическими - температурой размягчения и теплостойкостью, температурами стеклования и текучести;

механическими - прочностью, деформативностью и поверхностной твердостью;

химическими - атмосферостойкостью и сопротивляемостью деструкции.

 

Каждое из этих свойств определяется стандартными методами. Так, температура размягчения определяется по методу Кремер-Сарнова или по прибору "КиШ", теплостойкость определяется на приборах Мартенса или Вика, температура стеклования (Тс) и текучести (Тт) - на динамометрических весах по методу Каргина.

Полимеры имеют положительные свойства: малую среднюю плотность (20 - 2200 кг/м3), низкую теплопроводность (у пористых полимерных материалов она равна 0,03 Вт/м o ºС), высокую прочность (предел прочности при разрыве до 350 МПа, у стеклопластиков предел прочности при сжатии - до 170 МПа; полимербетоны имеют предел прочности при сжатии 60-120 МПа), высокую химическую стойкость и атмосферостойкость и др. Вместе с тем они обладают рядом недостатков: низкой теплостойкостью (70 - 200 ºС), малой поверхностной твердостью, высоким коэффициентом термического расширения, повышенной ползучестью, склонностью к старению, горючестью (с выделением вредных газов) и токсичностью при эксплуатации.

 

Природные , искусственные и синтетические полимеры

В зависимости от своего происхождения полимеры делятся на природные, искусственные и синтетические.

Природными называют полимеры, полученные из натуральных материалов. Типичные примеры: хлопок, шерсть, шелк, натуральный каучук.

Искусственные полимеры изготавливаются на основе природных в процессе их модифицирования. Целлофан, вискозное волокно, пироксилиновый бездымный порох представляют собой химическую модификацию природного полимера целлюлозы.

Синтетические полимеры получают синтезом из низкомолекулярных веществ. Типичными примерами являются полиэтилен, полихлорвинил, полиамиды (капрон, найлон), полиэфиры (лавсан).

Применение  изделий из полимеров

 

Свойства: легкость, высокая прочность, стойкость к воде и различным химическим реагентам, высокая износостойкость, технологичность, способность легко окрашиваться, малая теплопроводность. Недостатки: низкая теплостойкость, значительное линейное расширение, ползучесть, способность к старению, т. е. ухудшению физико-механических свойств под действием различных факторов окружающей среды. Полимеры, молекулы которых имеют линейное строение, обладают термопластичностью – размягчаясь при нагревании они вновь затвердевают при охлаждении. Полимеры, имеющие объёмное строение молекул, обладают термореактивностью- они не могут многократно обратимо расплавляться и затвердевать. При первом нагревании они становятся пластичным и принимают заданную форму, переходя в неплавкое и нерастворимое состояние (фенопласты). По упругим свойствам полимеры подразделяют на пластики (жёсткие) и эластики (эластичные).

 

Разновидности: конструкционные (для несущих и ограждающих конструкций), отделочные (для отделки стен и покрытия полов), гидроизоляционные и герметизирующие, тепло- и звукоизоляционные, материалы для трубопроводов, санитарно-технических изделий и др.

 

Полимерные материалы содержат три группы веществ: связующие, пластификаторы и наполнители. Связующими служат синтетические смолы. В качестве пластификаторов вводя глицерин, камфару и др. вещества, которые повышают эластичность и пластичность полимеров, облегчая их переработку. Наполнители (порошковые, волокнистые) придают полимерным изделиям большую механическую прочность, предотвращают усадку. Кроме этого, в состав вводят пигменты, стабилизаторы, ускорители твердения и др. вещества.

 

Наибольшее применение: полиэтилен (плёнки, трубы), полистирол (плиты, лаки), полихлорвинил (линолеум), органическое стекло. Влияние полимеров на окружающий мир
В зависимости от метода получения: полимеризационные (полиэтилен, полистирол) и поликонденсационные (полиэфирные, акриловые и др.смолы).

Полиэтилен получают полимеризацией этилена. По способу получения полиэтилен высокого и низкого. Применяют его для изготовления плёнок отделочных материалов.

Полистирол – термопластичная смола. Применяют его для изготовления плит, облицовочных плиток, лаков эмалей и др.

Орг. стекло – очень стойко к воде, кислотам и щелочам. Применяют их для остекления, изготовления моделей.

Трубы из полимерных материалов широко применяют при строительстве напорных трубопроводов (подземных и надземных), оросительных систем, закрытого дренажа, трубчатых гидротехнических сооружений. В качестве материала для изготовления используют полиэтилен, винипласт, полипропилен, фторопласт.

Изготавливают методом непрерывной шнековой экструзии (непрерывное выдавливание полимера из насадки с заданным профилем). Морозостойки (–80°С до +60°С).

Полимерные мастики – для создания защитных покрытий, предохраняющих конструкции и сооружения от воздействия механических нагрузок, истирания, перепадов температур, радиации, агрессивной среды.

Полимербетоны – это бетоны, в которых вяжущими служат полимерные смолы, а заполнителем – неорганические минеральные материалы. Имеют повышенную морозостойкость, водонепроницаемость.

Полимеррастворы отличаются от полимербетонов тем, что не имеют в своём составе щебня. Их применяют в качестве гидроизоляционных, антикоррозионных и износоустойчивых покрытий гидротехнических сооружений, полов, труб.

2 глава. Практическая часть

2.1 Загрязнение окружающей среды изделиями из полимеров

Пагубное влияние оказывают некоторые вещества, содержащиеся в пластике, на окружающую среду. Более триллиона пластиковых пакетов выбрасывается людьми сразу после их единичного применения. Лишь каждая четвертая пластиковая бутылка в мире подвергается вторичной переработке, - таковы подсчеты ученых. А это означает, что ежегодно миллионы тон пластика оказываются в лучшем случае на свалке, в худшем в водоемах и грунте. Полимерные отходы накапливаются в природе и наносят ей непоправимый вред. Загрязнение пластиком — одна из причин гибели животных, ухудшения качества воды и почвы.

Выделяя вредные химические вещества, полимерные материалы загрязняют почву и грунтовые воды. Под воздействием ультрафиолета и осадков они медленно распадаются на микроскопические частицы. Дождевые черви, делая ходы, проглатывают их вместе с землей. Таким образом они проникают глубоко в почву и разносятся на большие расстояния.

В природе нет микроорганизмов, которые могли бы за короткое время переработать пластик, на это понадобятся сотни и тысячи лет. Все это время из пластика будут выделяться вредные вещества, отравляя океаны и землю

2.2 Утилизация. Решение проблемы

Полимерные отходы разделяют на отходы производства (технологические) и потребления. Отходы потребления образуются в жилом секторе, на предприятиях, в торговых центрах, где происходит упаковка и распаковка различных товаров и грузов. Рассмотрим три типа классификации отходов. По сложности и цене утилизации. С хорошими свойствами - чистые отходы производства (литники, обрезки, облой, брак), условно чистые отходы потребления, получаемые в местах, где сбор и сортировка или отлажены или не требуются (медицинские одноразовые изделия и системы, пленка, пластмассовые ящики, ПЭТ-бутылки). Утилизация обеспечивает сравнительно высокую рентабельность их переработки. Процент от общего количества полимерных отходов - 5 - 12 %. Использование - 70 - 90 %.
Со средними свойствами - те же виды отходов производства и потребления, содержащие допустимое количество загрязнений, а также отходы от производств пищевого назначения. Сбор и переработка таких отходов связана с издержками по сортировке, мойке и использованием более сложного оборудования по переработке и производству изделий. Однако их использование может быть рентабельным. Процент от общего количества полимерных отходов - 10 - 25 %. Использование - 20 - 30 %.
Повторное использование для исходных полимеров, наполнителей, армирующих элементов, изготовления различных изделий (так называемый «материальный метод»). Однако лишь до 10 % от всей массы полимерных отходов могут быть повторно использованы. Даже если полимерные отходы тщательно отделены от другого мусора, их практически невозможно переработать в полимерный рециклат с удовлетворительными свойствами из-за присущей полимерам особенности - неспособности смешиваться друг с другом (термодинамической несовместимости). Таким образом, практически для повторной переработки можно направлять только однотипные полимеры, что требует сортировки и, соответственно, больших расходов. Качество и свойства вторичных полимеров оказываются иными, чем у первичных материалов. Это происходит за счет снижения их прочности, термической стабильности, пластичности и других параметров.

 

Источники:

https://studfile.net/preview/9485092/

https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=519614#text

https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Пластиковое_загрязнение

Опубликовано: 19.02.2024