Неорганические полимеры

Особенности

Синтетические полимеры имеют в своей основе низкомолекулярные органические соединения (мономеры), которые в результате реакций полимеризации или поликонденсации образуют длинные цепочки. Расположение и конфигурация молекулярный цепей, тип их связи во многом определяют механические характеристики полимеров. Искусственные и синтетические полимеры обладают радом специфических особенностей. На первом месте следует отметить их высокую эластичность и упругость – способность противостоять деформациям и восстанавливать первоначальную форму. Пример – полиамид, резина. Полиуретановая нить – эластан, способна без разрыва изменять свою длину на 800 % и затем восстанавливать первоначальный размер. Наличие длинных молекулярных цепочек в структуре синтетических материалов обусловило низкую хрупкость пластиковых изделий. В большинстве случаев увеличение хрупкости у некоторых типов пластмасс происходит при понижении температуры. Органические материалы практически полностью лишены этого недостатка.

Указанные свойства дополняются высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью. Большинство известных полимеров имеют высокое электрическое сопротивление, низкую теплопроводность. Отмечая высокие эксплуатационные и технологические качества, нельзя забывать и про отрицательные стороны:

• Сложность утилизации. Вторичное использование допускает только термопластичный материал и только в случае правильной сортировки. Смесь полимеров с различным химическим составом вторичной переработке не подлежит. В природе пластики разлагаются чрезвычайно медленно – вплоть до десятков и сотен лет. При сжигании некоторых типов пластмасс в атмосферу выделяется большое количество высокотоксичных веществ и соединений. Особенно это касается пластиков, содержащих галогены. Наиболее известный материал такого типа – поливинилхлорид (ПВХ).
• Слабая устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Под действием ультрафиолетовых лучей длинные полимерные цепочки разрушаются, увеличивается хрупкость изделий, снижается прочность, холодостойкость.
• Трудность или невозможность соединения отдельных типов синтетических материалов.

Химические свойства полимеров показывают их высокую стойкость к агрессивным веществам, но в ряде случаев затрудняет использование клеевых составов. Поэтому для термопластичных полимеров используют метод сварки – соединение разогретых элементов. Некоторые вещества, например, фторопласты, вообще не подлежат соединениям, кроме механических.

Синтетические органические полимеры

Синтетические органические полимеры также называют полимерными материалами или композиционными материалами.

Их получают посредством процесса, известного как полимеризация, который определяется как использование определенных химических реакций на органическом или неорганическом полимере для его последовательного и поэтапного роста или для группирования мономеров (путем присоединения или конденсации) и, таким образом, образования молекул. двойные или тройные веса.

Теория полимеризации была разработана в 1920 году Германом Штаудингером, немецким химиком, удостоенным Нобелевской премии по химии 1953 года.

В полимерные материалы Обычно их получают из пластика, но также из других неорганических полимеров, таких как стекло.

Наиболее часто используемые полимеры для создания этого типа полимеров: целлюлоза, резина, крахмал и пластик. Синтетические органические полимеры подразделяются на следующие группы:

Полистирол

Полистирол – пример самого распространенного термопластичного полимера. На вид он бесцветный, прозрачный и твердый. Полистирол является более прочным и жестким материалом, имеет большую рабочую температуру использования и меньшую склонность к старению по сравнению с полиэтиленом. Считается хорошим электрическим изолятором и обладает высокой водоотталкивающей способностью. Очень стоек к щелочным и кислотным средам, не подвержен плесени и грибкам.

Полистирол хорошо растворяется в углеводородах, сложных эфирах. Он очень хрупкий и хорошо горит.

Для увеличения прочности полистирол соединяют с другими полимерами или каучуком. Готовые изделия и заготовки из полистирола легко поддаются обработке. Детали изготавливаются при помощи литья жидкого компонента либо способом выдавливания под давлением.

Из полистирола изготавливают лабораторную химическую посуду, трубки, нити, пленки и ленты. Широко используется материал в электротехнике при производстве изоляторов и, в первую очередь, защитной оболочки на электрические провода. Для промышленной дальнейшей обработки материал первоначально выпускается в листах и в виде крошки, которые в дальнейшем могут служить сырьем для конечных деталей и механизмов.

Полистирол популярен в процессе сополимеризации, когда смешивают два и более полимера. Получаются материалы, которым придаются дополнительные полезные свойства своих компонентов. Как правило, это прочность, огнестойкость, стойкость к растрескиванию. Жидкий полистирол с растворителем применяется при производстве клеев и клеевых основ. Широко используется в строительстве при производстве пенополистирола. Из данного материала выпускаются теплоизоляционные блоки.

Пенополистирол используется для теплоизоляции холодильных установок, продуктовых витрин и другого торгового оборудования. Данный материал внешне напоминает застывшую пену. Хорошо выдерживает повышенную влажность, не подвержен гниению, стоек к образованию бактерий и грибков. Может использоваться при температуре до + 70С градусов. Главный недостаток пенополистирола – повышенная горючесть.

Применяется как термо- и звукоизоляционный материал при производстве бытовок, а также различной бытовой и промышленной техники, в пищевой промышленности – для изоляции камер хранилищ, трюмов плавучих средств и помещений для хранения продуктов питания при отрицательных температурах до -35С градусов. Используется также в производстве упаковочного материала.

Боразон

Эльбор, боразон, киборит, кингсонгит, кубонит – сверхтвердые неорганические полимеры. Примеры их применения: изготовление шлифовальных кругов, абразивных материалов, обработка металлов. Это химически инертные вещества на основе бора. По твердости ближе прочих материалов к алмазам. В частности, боразон оставляет царапины на алмазе, последний тоже оставляет царапины на кристаллах боразона.

Впрочем, эти НП имеют несколько преимуществ перед натуральными алмазами: у них большая термостойкость (выдерживают температуру до 2000 °C, алмаз же разрушается при показателях в пределах 700-800 °C) и высокая устойчивость к механическим нагрузкам (они не такие хрупкие). Боразон был получен при температуре 1350 °C и давлении 62000 атмосфер Робертом Венторфом в 1957 году. Аналогичные материалы ленинградскими учеными были получены в 1963 году.

Главные характеристики

На данный момент есть очень много видов неорганических полимерных материалов, как природных, так и искусственных, которые обладают разными составом, качествами, областью использования и агрегатного состояния.

Современный уровень развития химической промышленности дает возможность делать неорганические полимерные материалы в значительных объемах. Дабы получить материал такого рода необходимо создать условия очень высокого давления и большой температуры. Сырьем для изготовления выступает чистое вещество, которое поддается процессу полимеризации.

Неорганические полимерные материалы свойственны тем, что обладают очень высокой прочностью, гибкостью, сложно поддаются действию веществ на основе химии и устойчивые к большим температурам. Однако некоторые виды могут быть хрупкими и не владеть эластичностью, однако при этом очень прочными. Самыми популярными из них считаются графит, керамика, асбест, минеральное стекло, слюда, кварц и алмаз.

Самые популярные полимерные материалы в основе имеют цепочки подобных элементов, как кремний и алюминий. Это связано с популярностью таких элементов в природе, особенно кремния. Самые популярные среди них такие неорганические полимерные материалы как силикаты и алюмосиликаты.

Свойства и характеристики различаются не только в зависимости от химического полимерного состава, но и от молекулярной массы, степени полимеризации, сооружения атомной структуры и полидисперсности.

Большинство неорганических соединений отличаются такими критериями:

1. Пластичность. Подобная характеристика, как пластичность, показывает возможность материала становится больше в размерах под влиянием посторонней силы и вернутся в изначальное состояние после снятия нагрузки. К примеру, каучук способен увеличиться в семь-восемь раз без изменения структуры и разных повреждений. Возврат формы и размеров возможен благодаря сохранению расположения полимерных молекул в составе, перемещаются лишь некоторые их участки.
2. Кристаллическая структура. От расположения в пространстве составных компонентов, что именуется кристаллической структурой, и их взаимные действия зависят свойства и специфики материала. Исходя из таких параметров, полимерные материалы делят на кристаллические и аморфные.

Кристаллические имеют стабильную структуру, в которой выполняется определенное расположение полимерных молекул. Аморфные состоят из полимерных молекул ближнего порядка, которые только в некоторых зонах имеют стабильную структуру.

Структура и степень кристаллизации зависит от определенных факторов, например как температура кристаллизации, молекулярная масса и концентрированность раствора полимерного материала.

1. Стеклообразность. Данное свойство отличительно для аморфных полимерных материалов, которые при снижении температуры или увеличении давления обретают стеклообразную структуру. В данном случае заканчивается тепловое движение полимерных молекул. Температурные интервалы, при которых происходит процесс стеклообразования, зависит от типа полимерного материала, его структуры и параметров структурных компонентов.
2. Вязкотекучее состояние. Данное свойство, при котором происходят необратимые изменения формы и объема материала под влиянием посторонних сил. В вязотекущем состоянии структурные детали перемещаются в линейном направлении, что оказывается основой изменения его формы.

Строение неорганических полимерных материалов

Это свойство чрезвычайно важно в определенных промышленных отраслях. Наиболее нередко его применяют при переработки термопластов при помощи подобных вариантов как литье под давлением, экструзия, вакуум-формирования и прочих. При этом полимерный материал расплавляется при очень высоких температурах и большом давлении

При этом полимерный материал расплавляется при очень высоких температурах и большом давлении.

Виды неорганических полимеров

На сегодняшний день существуют определенные критерии, по которым классифицируются неорганические полимеры. Основные из которых:

• природа происхождения;
• виды химических элементов и их разнообразие;
• количество мономерных звеньев;
• строение полимерной цепи;
• физические и химические свойства.

В зависимости от природы происхождения классифицируют синтетические и натуральные полимеры. Натуральные формируются в природных условиях без участия человека, а синтетические производятся и модифицируются в промышленных условиях для достижения необходимых свойств. На сегодняшний день существует множество видов неорганических полимеров, среди которых выделяются наиболее широко используемые. К таким относится асбест. Асбест – тонковолокнистый минерал, который относится к группе силикатов. Химический состав асбеста представлен силикатами магния, железы, натрия и кальция. Асбест обладает канцерогенными свойствами, поэтому очень опасен для здоровья человека. Он очень опасен для работников, занятых на его добычи. Но в виде готовых изделий он достаточно безопасен, так как не растворяется в различных жидкостях и не вступает с ними в реакцию.

Силикон – один из наиболее распространенных синтетических неорганических полимеров. Его легко встретить в повседневной жизни. Научное название силикона – полисилоксан. Его химический состав представляет собой связь кислорода и кремния, которая придает силикону свойства высокой прочности и гибкости. Благодаря этому, силикон способен выдержать высокие температуры и физические нагрузки не теряя прочности, сохраняя форму и структуру. Полимеры углерода очень распространены в природе. Существует также множество видов, синтезирующихся человеком в промышленных условиях. Среди природных полимеров выделяется алмаз. Этот материал невероятно прочный и обладает кристально чистой структурой. Карбин – это синтетический углеродный полимер, который обладает повышенными свойствами прочности, не уступающими алмазу и графену. Производится в виде черного морошка мелкокристаллической структуры. Обладает свойствами электропроводимости, которая увеличивается под воздействием света. Способен выдержать температуру в 5000 градусов не теряя свойств. Графит – углеродный полимер, структура которого отличается плоскостной ориентацией. Из-за этого структура графита слоистая. Этот материал проводит электричество, тепло, но не пропускает свет. Его разновидностью является графен, который состоит из одного слоя молекул углерода. Полимеры бора отличаются высокой твердостью, не сильно уступая алмазам. Способны выдержать температуру более 2000 градусов, что намного больше пограничной температуры алмаза. Полимеры селена – довольно широкий ряд неорганических материалов. Наиболее известный из них – карбид селена. Карбид селена – прочный материал, имеющий вид прозрачных кристаллов. Полисиланы обладают особыми свойствами, которые отличают их от других материалов. Этот вид проводит электричество и выдерживает температуру до 300 градусов.

Сфера применения

Полимеры отличаются огромным разнообразием. С каждым годом ученые разрабатывают новые технологии, которые позволяют производить материалы с различными качественными показателями. И сейчас полимеры встречаются как в промышленности, так и в быту. Ни одно строительство не обходится без асбеста. Он присутствует в составе шифера, специальных труб и т.д. В качестве вяжущего элемента применяется цемент.

Силикон – отличный герметик, используемый строителями. Автостроение, производство промышленного оборудования, товаров народного потребления основано на полимерах, которые позволяют добиться высокой прочности, долговечности, герметичности.

А возвращаясь к асбесту, нельзя не упомянуть, что способность удерживать тепло позволило создать костюмы для пожарных.

Говоря об алмазах, принято отождествлять их с бриллиантами (обработанными алмазами). Некоторые неорганические полимеры не уступают этому природному кристаллу, что необходимо в различных промышленных сферах, и при производстве бриллиантов, в том числе. В виде крошки этот материал наносится на режущие кромки. В итоге получаются резцы, способные разрезать что угодно. Это отличный абразив, применяемый при шлифовании. Эльбор, боразон, киборит, кингсонгит, кубонит относятся к сверхпрочным соединениям.

Если требуется обработать металл или камень, применяются неорганические полимеры, изготовленные методом синтеза бора. Любой шлифовальный круг, продаваемый в строительных супермаркетах, имеет в своем составе этот материал. Для производства декоративных элементов используется, например, карбид селена. Из него получается аналог горного хрусталя. Но и этим перечень достоинств и список сфер применения не ограничен.

Фосфорнитридхлориды образуются при соединении фосфора, азота и хлора. Свойства могут меняться, и зависят от массы. Когда она велика, образуется аналог природного каучука. Только теперь он выдерживает температуру до 350 градусов. Под действием органических соединений реакций не наблюдается. А в допустимом температурном диапазоне свойства изделий не меняются.

Органические полимеры

Органическими называют обширный класс веществ, содер­жащих в своей основе углерод. Кроме углерода в этих вещест­вах содержится обычно водород, кислород, азот, сера, фосфор. Соединения, в которых содержатся также и другие элементы, называют элементоорганическими. Органические вещества обладают молекулярной структу­рой, т. е. состоят из отдельных молекул, внутри которых атомы связаны преимущественно весьма прочными ковалентными свя­зями. Между собой моле­кулы связаны сравнительно слабыми поляризационными сила­ми.

Большинство органических веществ не содержит свободных электронов и ионов, поэтому они являются диэлектриками. Так как силы поляризационной связи между отдельными молекула­ми невелики, то органические вещества с малой молекулярной массой являются при обычной температуре газами или жидкостями. Вещества с более высокой молекулярной массой являются твердыми уже при обычной температуре.

Ввиду поляризационного характера связи, обусловливающего большие расстояния между молекулами, и малого атомного веса элементов, образующих органические соединения, они отличают­ся невысоким удельным весом. Поляризационный ха­рактер связи определяет также невысокую механическую прочность. Органические вещества сравнительно легкоплавки и за некото­рыми исключениями отличаются низкой нагревостойкостью. Подавляющее большинство из них горючи. Легкое горение органических веществ объясняется тем, что связи атомов углерода между собой и с водородом в молекулах органических веществ значительно менее прочным, чем связи углерода и водорода с кислородом. Поэтому при реакциях окисления выделяется большое коли­чество тепла, которое разлагает органические вещества перед горением, облегчая их реакцию с кислородом. Горению органи­ческих веществ благоприятствует и то, что конечные продукты их окисления — газы легко удаляются от очага горения и не препятствуют его развитию.

Легкая горючесть большинства органических материалов яв­ляется их существенным недостатком. Однако в последнее время получен ряд плохо горючих или негорючих элементоорганических соединений. Так, замена водорода органических веществ фтором практически полностью препятствует их воспламенению или го­рению. Хлор, вводимый в больших количествах в органические веще­ства, также препятствует их горению и гасит пламя, обрывая развитие цепных реакций горения. Существенно затрудняется горючесть и при образовании кремнийорганических соединений. Различия в свойствах отдельных органических веществ объяс­няются различиями в их составе и строении.

Особенно широкое распространение в качестве электроизоля­ционных материалов получили полимеры.

По происхождению полимеры могут быть природными мате­риалами (целлюлоза, натуральный каучук, янтарь и др.) или синтетическими продуктами (бакелит, полистирол, полиэтилен и др.). Они приобретают все возрастающее значение в технике и быту благодаря удачному сочетанию многих важных качеств, особенно у новых синтетических высокополимеров. Часто они отличаются высокими электроизоляционными свойствами в ши­роком диапазоне рабочих напряжений и частот (вплоть до СВЧ), при высокой влажности окружающей среды и в широком интер­вале рабочих температур. Они обладают также хорошими теп­ло- и звукоизоляционными свойствами. Как правило, не подвер­жены коррозии, гниению и во многих случаях отличаются высо­кой химической стойкостью.

Ввиду малой плотности, сочетающейся с достаточной проч­ностью, на основе полимеров можно получить материалы (пласт­массы, ткани) с высокой удельной прочностью. Многие полиме­ры отличаются ценными специальными свойствами: прозрачно­стью, радиопрозрачностью, диамагнетизмом, антифрикционны­ми свойствами, высокой эластичностью и т. д.

Большинство полимеров легко поддаются различным видам технологической обработки (литье, прессование, вытяжка, обработка резанием, распыление и т. д.) и на их основе производят весьма разнообразные по свойствам продукты: пластмассы и ре­зины, электроизоляционные лаки и лакокрасочные материалы, клеи, компаунды, волокнистые и пленочные материалы. Они находят широкое применение в промышленности и в быту.

 Большинство полимеров может быть получено из дешевого сырья — природных и попутных газов нефтедобычи и переработ­ки нефти, угля в сочетании с водой и воздухом. Поэтому про­изводство полимерных материалов развивается быстрыми тем­пами.

Полимеры бора

Если вас спросят о том, какие неорганические полимеры вам известны, смело отвечайте – полимеры бора (-BR-). Это достаточно обширный класс НП, широко применяемый в промышленности и науке.

Карбид бора – его формула правильнее выглядит так (B12C3)n. Его элементарная ячейка – ромбоэдрическая. Каркас образуют двенадцать ковалентно связанных атомов бора. А в середине его – линейная группа из трех ковалентно связанных атомов углерода. В результате образуется очень прочная конструкция.

Бориды – их кристаллы образованы подобно вышеописанному карбиду. Наиболее стойкий из них HfB2, который плавится только при температуре 3250 °C. Наибольшей химической стойкостью отмечается TaB2 – на него не действуют ни кислоты, ни их смеси.

Нитрид бора – его часто называют белым тальком за сходство. Это сходство действительно лишь внешнее. Структурно он аналогичен графиту. Получают его, нагревая бор или его оксид в атмосфере аммиака.

Неорганические полимер

Неорганические полимеры имеют неорганические основные цепи и не содержат органических боковых радикалов. Их классифицируют по тем же признакам, что и органические полимеры: па конфигурации – линейные, разветвленные и пространственные; по происхождению – природные и синтетические, по составу основной цепи – гомо – и гетероцепные. Неорганические гомо – и гетера атомные цепи способны образовывать элементы групп III – VI Периодической системы. Такие гетероатомные частично ионные связи обычно прочнее чисто ковалентных. В отличие от органических полимеров неорганические ВМС не имеют длинных цепей и соответственно для них не характерно эластичное состояние. Так как, кроме углерода, другие элементы не могут образовывать ненасыщенных соединений, то синтез неорганических полимеров осуществляется, главным образом, путем поли-конденсации. Некоторую способность образовывать гомоцепные неорганические полимеры имеют бор, сера, олово. Большинство же элементов образуют гетероцепные полимеры, и в основном трех мерной структуры. Наиболее типичными представителями гетеро-цепных неорганических полимеров являются оксиды, которые можно считать продуктами поликонденсацин гндроксидов.
 

Неорганические полимеры отличаются по химическим и физическим свойствам от органических или элементоорганических полимеров, прежде всего, вследствие различной электронной структуры главной цепи и отсутствия органических обрамляющих групп. Электронная структура определяет возможность образования цепей полимерной молекулы. Обрамляющие группы модифицируют электронную структуру, защищают главную цепь полимеров от атаки нуклеофильными или электрофильны-ми реагентами и определяют характер меж.
 

Неорганические полимеры отличаются от органических и элементоорганических полимеров высокоупорядоченной кристаллической структурой. Они имеют больший модуль упругости и обладают повышенной стойкостью к термической и термоокислительной деструкции. Их температуры размягчения и плавления, а также нагревостойкость и термостойкость значительно выше, чем органических и элементоорганических полимеров.
 

Неорганические полимеры, относящиеся к группе сетчатых, широко распространены в земной коре в виде минералов. Часть их перерабатывается и используется в виде неорганических стекол или керамических материалов.
 

Неорганические полимеры находят все более широкое применение в качестве высокотемпературных материалов: покрытий, волокон, наполнителей для пластиков. Прочность на растяжение волокна из АЬОз составляет 70500 кГ / см2, а волокно из ZrO2 выдерживает повторные нагревания до 2480 С.
 

Неорганические полимеры построены из неорганических цепей.
 

Неорганические полимеры обладают не только термостойкостью и твердостью, но и, подобно органическим, могут быть эластичными. Например, стеклянное волокно не горит, не гниет, не впитывает влагу, не боится действия большинства кислот и щелочей; или синтетический асбест, отличающийся от природного большим постоянством свойств и химического состава, а также более высокой термостойкостью; или полученный полимер сульфида кремния, имеющий асбестоподобную структуру. Ныне твердо установлено, что неорганическая природа многих больших молекул не исключает эластичности и других типичных свойств органических полимеров. Таким образом, на границе органической и неорганической химии оформилась и успешно развивается новая ветвь – неорганические полимеры. Все новые и новые открытия совершаются в этой области.
 

Неорганические полимеры еще очень мало изучены, и в настоящее время расположение их в какие-либо классы затруднительно.
 

Неорганические полимеры еще очень мало изучены, и в настоящее время разделение их на классы затруднительно. Поэтому ниже перечислены только некоторые неорганические полимеры.
 

Неорганические полимеры состоят из неорганических атомов и не содержат органических боковых радикалов.
 

Неорганические полимеры – это полимеры, не содержащие углерод. В нефтепромысловой практике в основном используют органические и элементоорганические полимеры.
 

Неорганические полимеры имеют неорганические основные цепи и не содержат органических боковых радикалов.
 

Неорганические полимеры привлекают внимание многих исследователей при создании материалов, обладающих высокими техническими свойствами.
 

Неорганические полимеры отличаются от органических и элементоорганических полимеров высокоупорядоченной кристаллической структурой. Они имеют большой модуль упругости и повышенную стойкость к термоокислительной деструкции.
 

Неорганические полимеры, содержащие галогенные группы, обсуждаются в разд.