Основни индустриални полимери

Основни индустриални полимери , химични съединения, използвани в производството на синтетични индустриални материали.

При търговското производство на пластмаси, еластомери, изкуствени влакна, лепила и повърхностни покрития се използва огромно разнообразие от полимери. Има много начини за класифициране на тези съединения. В статията индустриалните полимери, химията на полимерите се категоризират според това дали се образуват чрез реакции на верижен или стъпков растеж. В пластмасата (термопластични и термореактивни смоли) полимерите се разделят между тези, които са разтворими в селективни разтворители и могат да бъдат обратимо омекотени от топлина (термопласти) и тези, които образуват триизмерни мрежи, които не са разтворими и не могат да бъдат омекотени от топлина без разлагане (термореактори). В статията изкуствени влакна влакната се класифицират като направени от модифицирани естествени полимери или направени от изцяло синтетични полимери.

В тази статия основните търговски използвани полимери са разделени по състава на техните „гръбнак“, веригите от свързани повтарящи се единици, които изграждат макромолекулите. Класифицирани според състава, индустриалните полимери са или полимери с въглеродна верига (наричани също винили) или хетеро верижни полимери (наричани също невъглеродни вериги или невинили). В полимерите с въглеродна верига, както подсказва името, гръбнакът е съставен от връзки между въглеродните атоми; в хетероверижните полимери редица други елементи са свързани заедно в гръбнака, включително кислород, азот, сяра и силиций.

Въглерод-верижни полимери

Полиолефини и сродни полимери

Далеч най-важните индустриални полимери (например, почти всички стоки от пластмаси) са полимеризирани олефини. Олефините са въглеводороди (съединения, съдържащи водород [Н] и въглерод [С]), чиито молекули съдържат двойка въглеродни атоми, свързани заедно с двойна връзка. Най-често получени от природен газ или от нискомолекулни съставки на петрола, те включват етилен, пропилен и бутен (бутилен).

Олефин молекули са обикновено представени чрез химична формула CH 2 = CHR, с R представлява атом или висулка молекулна група различен състав. Като повтаряща се единица на полимерна молекула, тяхната химическа структура може да бъде представена като:

Молекулни структури.

Съставът и структурата на R определя кои от огромния набор от възможни свойства ще бъдат демонстрирани от полимера.

Полиетилен (PE)

Етиленът, който обикновено се получава при крекинг на етан, образува основата за най-големия единичен клас пластмаси, полиетилените. Етилен мономер има химически състав CH 2 = СН 2 ; като повтаряща се единица от полиетилен има следната химическа структура:

Молекулярна структура.

Тази проста структура може да бъде произведена в линейни или разклонени форми като тези, илюстрирани на фигури 1 и 2. Разклонените версии са известни като полиетилен с ниска плътност (LDPE) или линеен полиетилен с ниска плътност (LLDPE); линейните версии са известни като полиетилен с висока плътност (HDPE) и полиетилен с високо молекулно тегло (UHMWPE).

  • Фигура 1: Линейната форма на полиетилен, известна като полиетилен с висока плътност (HDPE).
  • Фигура 2: Разклонената форма на полиетилен, известна като полиетилен с ниска плътност (LDPE).

През 1899 г. немски химик, Ханс фон Пехман, наблюдава образуването на бяла утайка по време на авторазлагането на диазометан в етер. През 1900 г. това съединение е идентифицирано от германските химици Ойген Бамбергер и Фридрих Чирнер като полиметилен ([CH 2 ] n ), полимер, който на практика е идентичен с полиетилена. През 1935 г. британските химици Ерик Фосет и Реджиналд Гибсън получават восъчен, твърд полиетилен, докато се опитват да реагират на етилен с бензалдехид при високо налягане. Тъй като продуктът имаше малко потенциална употреба, разработката беше бавна. В резултат на това първият промишлен PE - всъщност нередовно разклонен LDPE - е произведен до 1939 г. от Imperial Chemical Industries (ICI). За първи път е използван по време на Втората световна война като изолатор за радарни кабели.

През 1930 г. Карл Шип Марвел, американски химик, работещ като консултант в EI du Pont de Nemours & Company, Inc., открива продукт с висока плътност, но DuPont не успява да разпознае потенциала на материала. Бе оставено на Карл Циглер от Института за проучване на въглищата на Кайзер Вилхелм (сега Макс Планк) в Мюлхайм ан дер Рур, Германия, да спечели Нобелова награда за химия през 1963 г. за изобретяването на линеен HDPE - който Ziegler всъщност произвежда с Ерхард Холцкамп в 1953, катализиране на реакцията при ниско налягане с органометално съединение, известно занапред като катализатор на Циглер. Използвайки различни катализатори и методи на полимеризация, учените впоследствие произвеждат РЕ с различни свойства и структури. LLDPE, например, е въведен от Phillips Petroleum Company през 1968 г.

LDPE се приготвя от газообразен етилен при много високо налягане (до 350 мегапаскала, или 50 000 паунда на квадратен инч) и високи температури (до 350 ° C, или 660 ° F) в присъствието на пероксидни инициатори. Тези процеси дават полимерна структура с дълги и къси разклонения. В резултат LDPE е само частично кристален, което дава материал с висока гъвкавост. Основните му приложения са в опаковъчно фолио, торби за боклук и хранителни стоки, селскостопански мулч, изолация от тел и кабели, изстискващи бутилки, играчки и домакински стоки.

Някои LDPE взаимодейства с хлор (Cl) или с хлор и серен диоксид (SO 2 ), за да се въведе хлорни или хлорсулфонилни групи заедно полимерните вериги. Такива модификации водят до хлориран полиетилен (CM) или хлорсулфониран полиетилен (CSM), практически некристален и еластичен материал. В процес, подобен на вулканизацията, омрежването на молекулите може да се осъществи чрез хлорните или хлоросулфонилните групи, превръщайки материала в каучуково твърдо вещество. Тъй като основните им полимерни вериги са наситени, CM и CSM еластомерите са силно устойчиви на окисляване и озонова атака, а тяхното съдържание на хлор дава известна устойчивост на пламък и устойчивост на набъбване от въглеводородни масла. Те се използват главно за маркучи, колани, термоустойчиви уплътнения и тъкани с покритие.

LLDPE е структурно подобен на LDPE. Получава се чрез съполимеризиране на етилен с 1-бутен и по-малки количества 1-хексен и 1-октен, като се използват катализатори Ziegler-Natta или металоцен. Получената структура има линеен гръбнак, но има къси, еднакви разклонения, които подобно на по-дългите разклонения на LDPE пречат на полимерните вериги да се опаковат плътно. Основните предимства на LLDPE са, че условията на полимеризация са по-малко енергоемки и че свойствата на полимера могат да бъдат променени чрез промяна на вида и количеството на сомономера (мономер, кополимеризиран с етилен). Като цяло LLDPE има сходни свойства с LDPE и се конкурира за същите пазари.

HDPE се произвежда при ниски температури и налягания, използвайки Ziegler-Natta и металоценови катализатори или активиран хром оксид (известен като Phillips катализатор). Липсата на разклонения позволява на полимерните вериги да се опаковат плътно, което води до плътен, високо кристален материал с висока якост и умерена твърдост. Употребите включват формовани бутилки за почистване на мляко и домакински препарати и формовани кофички, капачки за бутилки, корпуси на уреди и играчки.

UHMWPE се произвежда с молекулни тегла от 3 милиона до 6 милиона атомни единици, за разлика от 500 000 атомни единици за HDPE. Тези полимери могат да бъдат предени във влакна и изтеглени или опънати в силно кристално състояние, което води до висока твърдост и якост на опън многократно от тази на стоманата. Прежди, направени от тези влакна, са вплетени в бронежилетки.