Все существующие на сегодняшний день полимеры условно разделены на три основные группы. Классификация основывается на их природе, характеристиках и особенностях. Согласно принятой группировке признаны следующие классы:
- Карбоцепная группа. Сюда относятся самые распространенные продукты, среди которых полиэтилен и полипропилен. Также к карбоцепным относятся полиметилметакрилат, поливиниловый спирт и полиизобутилен. Все вышеперечисленные вещества отличаются специфическим углеродным скелетом макромолекул. К примеру, строение фрагмента макромолекулы полиэтилена выглядит следующим образом: [-СН2-СН2-]n.
- Гетероцепные синтетически созданные полимеры – это, прежде всего, полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, природные белки и т.д. Также в эту большую группу, согласно утвержденной действующей классификации, входят полиэтиленоксид, полиэтилентерефталат полиамид, полидемитилсилоксан. Макромолекулы данных веществ имеют сложный состав – помимо углерода в макромолекулярном составе присутствуют некоторые гетероатомы. То есть, в полимерную массу были добавлены кислород или азот, сера и др.
- Вещества с сопряженной системой связей между молекулами и высокой молекулярной массой. Сюда относят полиацетилены, полифенилены, полиоксадиазолы и т.д. К данной группе также причисляются хелатные полимеры. Этот класс полимеров обладает интересной особенностью: их элементарное звено имеет сложную структуру, а различные элементы в его составе отличаются способностью образовывать координационные связи.
Среди всего многообразия созданных синтетическим способом полимеров широкое распространение получили те вещества, которые относятся к группе карбоцепных высокомолекулярных соединений. На основе таких веществ в промышленных масштабах производятся столь важные для технического прогресса материалы, как синтетический каучук, волокна, пленки, разного рода пластмасса, фенолформальдегидные смолы, органическое стекло и т.д. После создания некоторых из вышеперечисленных полимеров они стали объектами многочисленных исследований, а их результаты легли в основу теории механического поведения полимерных тел. В список изучаемых веществ попали, например, полиизобутилен, полиметилметакрилат, полипропилен, фенолформальдегидная смола.
Практически вся производимая сегодня продукция на основе полимеров может вторично перерабатываться. Исходя из специфики течения технологического процесса переработки, все материалы делятся на термопласты и реактопласты. Первые способны при определенных температурных условиях переходить в жидкое агрегатное состояние, точнее, в фазу вязкотекучести или высокоэластичности. При установлении температуры ниже уровня, при котором наблюдается обратимость деформаций, полимеры из группы термопластов снова становятся твердыми.
В отличие от веществ, относящихся к реактопластам, термопласты показывают хорошую температурную восприимчивость, то есть имеют свойство менять свое агрегатное состояние. Чего нельзя сказать о полимерах из противоположной группы. Реактопласты при нагревании они отверждаются или разрушаются.
Фазы термопластов
Термопласты также специалисты разделяют на две группы – аморфные и кристаллизирующиеся. Все термопластичные материалы условно делятся на аморфные и кристаллизирующиеся. При этом, например, литьевые термопласты, кристаллизируясь, продолжают оставлять в себе некоторую долю аморфных веществ. Этот феномен ученые и исследователи называют частично-кристаллизирующимися.
Некоторые полимеры при литье под давлением не кристаллизируются, хотя имеют склонность к образованию микроскопических кристаллизованных частиц. Они могут оставаться аморфными при определенных условиях производства. Другие же полимерные соединения, наоборот, дают сильную реакцию на любые внешние изменения, меняя под их воздействием степень кристаллизации.
Способность частиц полимерных соединений кристаллизироваться в условиях изменения технологических процессов переработки – основополагающее свойство, которое должно учитываться при выборе методики литья, производства изделий из полимеров и пресс-форм. Именно оно определяет поведение материала и его возможность преобразовываться в кристаллизирующееся агрегатное состояние. Как правило, подобные вещества склонны к сильной усадке, при этом наблюдается существенная разница между продольной и поперечной усадкой. В некоторых случаях в состав материалов добавляются специальные пигменты и иные компоненты, способствующие кристаллизации частиц. Они способны в значительной степени изменить структуру и характеристики полимеров.
Под действием разных температур полимерные соединения способны преобразовываться в три основных агрегатных состояния – стеклообразную, высокоэластичную и вязкотекучую фазу.
Особенности стеклообразного состояния
Полимерам, пребывающим в данной фазе, характерно наличие небольших упругих деформаций. Температурный режим, при котором высокоэластичное вещество переходит в стеклообразное состояние, называют температурой стеклования. Чем выше этот показатель, тем выше уровень температуры, при котором аморфный материал может эксплуатироваться.
Высокоэластичное состояние имеет одну интересную особенность: полимер, пребывая в данной фазе, имеет способность восстанавливаться после даже очень сильной деформации. Если температура внешней среды повышается, материал под ее воздействием меняет фазу высокоэластичности на вязкотекучую. Условия, при котором запускается фазный переход, называется температурой текучести (Тт). Если этот температурный порог будет преодолен, полимер получает необратимые деформации вязкого течения. При визуальном наблюдении во время нагревания аморфного материала проявляются свойства, характерные для процесса плавления кристаллизирующихся термопластов. Температура, при которой он начинается, называется температурой плавления аморфного материала (Tm).
Кристаллизирующиеся термопласты способны переходить от одного агрегатного состояния к другому, проходя в процессе переработки все физические фазы. При нагревании полимеры данной группы активно плавятся при температуре, называемой температурой плавления. Дальнейшие условия эксплуатации полимеров зависят от степени кристаллизации их частиц и от исходного физического состояния аморфного материала.
Разделение термопластов на группы по эксплуатационным характеристикам
В основе разделения термопластов на группы лежат некоторые эксплуатационные характеристики. Основная из них – температура долговременной эксплуатации.
Все созданные на сегодняшний день пластмассы принято разделять на группы согласно их назначению и особенностям эксплуатации. Самая обширная группа – продукция для бытового и общетехнического использования. Выпускаются пластмассы, применяемые в инженерно-технической сфере, а также высокотермостойкие и суперконструкционные полимерные изделия.
Термопластичные эластомеры – особая ниша рынка товаров из полимеров (ТРЕ). Технология производства и некоторые эксплуатационные характеристики сравнимы с аналогичными показателями обычных термопластов, однако некоторые компоненты в составе данных веществ делают термоэластопласты похожими на резину или синтетический каучук. Установлено, что термопластичные материалы способны при определенных температурных условиях в высокоэластическом агрегатном состоянии полностью восстанавливать исходную форму даже после очень сильных деформаций. Отличная обратимость позволила использовать термоэластопласты практически повсеместно. На товарах, изготовленных на их основе, делаются две основные маркировки: «general purpose TPE» (общее назначение) и «engineering TPE» (инженерно-техническое назначение).
Классификация термопластов на основе различий в химическом составе
При детальном изучении химического строения литьевых термопластичных полимеров обнаруживаются существенные различия в составе. Например, в некоторые вещества добавляются целлюлоза, акрилаты или фторполимеры. Стирольные пластики, полиэтилен, акриловые полимеры, полипропилены и полиамиды – все материалы отличаются по химической структуре, поэтому объединение их в одну группу нецелесообразно.
Доля различных термопластов в общей объеме производства
Большую часть промышленного производства занимают крупнотоннажные материалы (volume plastics). Это полиэтилен, полипропилен, большое количество стирольных пластиков. К последним относится бутылочный пластик, АБС и акрилаты.
Классификация полимеров на основе особенностей мономеров
Вещество, состоящее из одинаковых мономеров, принято относить к классу гомополимеров. Если мономеры отличны по составу, речь идет о другой группе – сополимерах.
Если полимер состоит из одинаковых мономеров, его относят к группе гомоплимеров. При наличии в составе разных мономеров полимер является сополимером. Однако при классификации немаловажную роль играет и такое понятие, как стереоизомерия. Этим понятием определяется расположение в пространстве атомных боковых сегментов относительно центральной цепи макромолекул. Например, если такие сегменты располагаются только слева или только справа, в разрезе стереозометрии такие полимеры называются изатактическими. Когда атомные части по четким правилам чередования располагаются по обе стороны цепи, такая связь называется синдеотактической. Следовательно, при атактической связи вообще отсутствует какой-либо порядок.
Промышленное производство синтезированных полимеров различных стериоизомеров стало возможно благодаря внедрению инновационных технологий с применением металлоценовых катализаторов.
С помощью стереоизометрии, например, удалось добиться того, чтобы синдиотактический полистирол смог кристаллизироваться. Его аналог – обычный аморфный атактический полистирол таким свойством не обладает, при значительном термовоздействии разрушается полностью.
Сополимеры делятся на классы на основе стереозометрии. Если звенья полимерной цепи чередуются согласно строгому порядку, вещество с таким молекулярным скелетом относится к блок-сополимерам. У статистических сополимеров такой порядок отсутствует, звенья выстраиваются в цепь хаотично. У привитых макромолекулы и атомы выстраивают сразу три цепи – основную и две боковых. А у чередующегося сополимера разные звенья цепи собираются в целые сегменты и повторяются в них в строгом соответствии с предыдущими частями полимерного скелета.
В недавнем времени на рынок пришли интерполимеры с гомогенной структурой и отсутствием выделения отдельных фаз компонентами.
Давно налажено производство сополимеров с тремя и более разновидностями звеньев. Самые широко распространенные товары в группе – АБС- и АСА-пластики.
Разделение полимеров по типу наполнителя
Современные производители добавляют в термопласты различные наполнители, нахождение их в составе предопределяет технологические и эксплуатационные характеристики выпускаемой продукции. Так, например, термопласты с содержанием стекловолокна и других стеклянных добавок. Некоторые виды таких материалов требуют особых технологий вторичной обработки. А если в составе полимера присутствует углеродное волокно, такие вещества называют углепластиками.
Полимеры, в состав которых были добавлены антипирены, специалисты выделяют в отдельную группу. Эти материалы отличаются низкой горючестью и высокой пожарной безопасностью. Сюда же относятся полимеры с антистатическими и электропроводящими компонентами, ЭМИ-экранирующие вещества, а также изделия с добавками, защищающими от трения, механических воздействий и увеличивающие коэффициент износостойкости.