10.6: Властивості полімерів
- Page ID
- 20342
- Знати властивості полімерів на основі їх молекулярних і міжмолекулярних структур.
- Знати зв'язок між ступенем кристалічності з фізичними властивостями полімерів.
Фізичні властивості полімеру, такі як його міцність і гнучкість, залежать від:
- довжина ланцюга - в загальному, чим довше ланцюги, тим міцніше полімер;
- бічні групи - полярні бічні групи (в тому числі і ті, що призводять до водневого зв'язку) дають більш сильне тяжіння між полімерними ланцюгами, роблячи полімер міцнішим;
- розгалуження - прямі, нерозгалужені ланцюга можуть упаковуватися ближче, ніж сильно розгалужені ланцюги, даючи полімерам, які мають більш високу щільність, більш кристалічні і тому міцніші;
- зшивання - якщо полімерні ланцюги пов'язані між собою широко ковалентними зв'язками, полімер твердіше і складніше розплавляється.
Кристалічні та аморфні полімери
При застосуванні до полімерів термін кристалічний має дещо неоднозначне використання. Синтетичний полімер може бути нещільно описаний як кристалічний, якщо він містить області тривимірного впорядкування на атомних (а не макромолекулярних) шкалах довжини, які зазвичай виникають внаслідок внутрішньомолекулярного згортання та/або укладання сусідніх ланцюгів. Синтетичні полімери можуть складатися як з кристалічних, так і з аморфних областей; ступінь кристалічності може виражатися через вагову частку або об'ємну частку кристалічного матеріалу. Мало синтетичних полімерів цілком кристалічні. Кристалічність полімерів характеризується ступенем їх кристалічності, що варіюється від нуля для повністю некристалічного полімеру до одиниці для теоретичного повністю кристалічного полімеру. Полімери з мікрокристалічними областями, як правило, жорсткіші (можуть бути зігнуті більше, не руйнуючись) і більш ударостійкі, ніж повністю аморфні полімери. Полімери зі ступенем кристалічності, що наближається до нуля або одиниці, будуть, як правило, прозорими, тоді як полімери з проміжними ступенями кристалічності будуть мають тенденцію бути непрозорими через розсіювання світла кристалічними або склоподібними областями. Для багатьох полімерів знижена кристалічність також може бути пов'язана з підвищеною прозорістю.
.
\(\PageIndex{1}\)Малюнок Кристалічні частини цього полімеру показані синім кольором.
Залежно від ступеня кристалічності буде більш висока температура, температура плавлення t m, при якій кристалічні області розпадаються і матеріал стає в'язкою рідиною. Такі рідини можна легко вводити в форми для виготовлення предметів різної форми, або екструдувати в листи або волокна. Інші полімери (як правило, ті, які сильно зшиті) взагалі не плавляться; вони відомі як термореактивні. Якщо вони повинні бути виготовлені у формовані предмети, реакція полімеризації повинна відбуватися всередині форм - набагато складніший процес. Близько 20% комерційно вироблених полімерів є термореактивними; решта - термопласти.
Температура скляного переходу
У деяких полімерах (відомих як термопласти) існує досить певна точка розм'якшення, яка спостерігається, коли теплова кінетична енергія стає досить високою, щоб дозволити внутрішньому обертанню відбуватися всередині зв'язків і дозволити окремим молекулам ковзати незалежно від своїх сусідів, таким чином робить їх більш гнучкими і деформованими. Це визначає температуру скляного переходу t g. Тверді пластмаси, такі як полістирол і полі (метилметакрилат), використовуються значно нижче температури їх склопереходу, тобто коли вони знаходяться в своєму склоподібному стані. Їх значення T g значно вище кімнатної температури, як при температурі близько 100° C (212° F). Гумові еластомери, такі як поліізопрен і поліізобутилен, використовуються вище їх Т г, тобто в гумовому стані, де вони м'які і гнучкі.
Формування клітковини
Білл Піттендрей, DuPont та інші особи та корпорації старанно працювали протягом перших кількох місяців Другої світової війни, щоб знайти спосіб замінити азіатський шовк та коноплі нейлоном в парашутах. Він також використовувався для виготовлення шин, наметів, мотузок, пончо та інших військових приладдя. Він навіть використовувався при виробництві високоякісного паперу для американської валюти. На початку війни бавовна становила понад 80% всіх використовуваних і виготовлених волокон, а шерстяні волокна становили майже всі інші. До серпня 1945 року виготовлені волокна зайняли частку ринку 25%, за рахунок п. Після війни, е дефіциту як шовку, так і нейлону, нейлоновий парашутний матеріал іноді був перероблений для виготовлення сукні.Нейлон 6 і 66 волокна використовуються у виробництві килимів. Нейлон - це один з видів волокон, що використовуються в шинному корді. Герман Е.Шредер став першопрохідцем застосування нейлону в шині.

Тканини, сплетені або трикотажні з поліефірної нитки або пряжі, широко використовуються в одязі та предметах інтер'єру, від сорочок і штанів до курток і шапок, постільної білизни, ковдр, м'яких URE і комп'ютерних килимків для миші. Промислові поліефірні волокна, нитки та мотузки використовуються в армуванні автомобільних шин, тканині для конвеєрних стрічок, ременях безпеки, тканині з покриттям та пластикових арматурах з високим поглинанням енергії. Поліефірне волокно використовується як амортизуючий та ізоляційний матеріал у подушках, ковдрах та оббивці. Поліефірні тканини відрізняються високою стійкістю до плям - насправді єдиним класом барвників, які можна використовувати для зміни кольору поліефірної тканини, є те, що відомі як дисперсні барвники.
Акрилові волокна - це синтетичні волокна, виготовлені з полімеру (поліакрилонітрилу) із середньою молекулярною масою -100 000, близько 1900 мономерних одиниць. Щоб волокно називалося «акрилом» в США, полімер повинен містити не менше 85% мономера акрилонітрилу. Типовими сомономерами є вінілацетат або метилакрилат. DuPont створив перші акрилові волокна в 1941 році і торгував їх під назвою Orlon. Вперше він був розроблений в середині 1940-х років, але не випускався у великих кількостях до 1950-х років. Міцне і тепле, акрилове волокно часто використовується для светрів і спортивних костюмів і в якості підкладки для чобіт і рукавичок, а також в меблюванні тканин і килимів. Він виготовляється у вигляді нитки, потім розрізається на короткі довжини штапелів, подібні до вовняних волосків, і закручується в пряжу.
Модакрил - це модифіковане акрилове волокно, яке містить не менше 35% і максимум 85% акрилонітрильного мономера. Сомономери вінілхлорид, вініліденхлорид або бромід вінілу, що використовуються в модакрилі, надають волокну вогнезахисні властивості. Кінцеве використання модакрилу включає штучне хутро, перуки, нарощування волосся та захисний одяг.
Мікрофібра (або мікрофібра) - синтетичне волокно тонше одного денье або децитекс/нитка, що має діаметр менше десяти мікрометрів. Це менше, ніж діаметр нитки шовку (який становить приблизно один денье), яка сама по собі становить близько 1/5 діаметра людського волоса.

Найбільш поширені типи мікроволокон виготовляються з поліефірів, поліамідів (наприклад, нейлон, кевлар, номекс, трогамід) або сполучення поліестеру, поліаміду та поліпропілену. Мікрофібра використовується для виготовлення килимів, трикотажу та плетіння для одягу, оббивки, промислових фільтрів та засобів для чищення. Форма, розмір та комбінації синтетичних волокон вибираються для конкретних характеристик, включаючи м'якість, в'язкість, поглинання, водовідштовхувальну здатність, електростатику та фільтруючі можливості.
Текстиль з мікрофібри, як правило, горючий, якщо виготовлений з вуглеводнів (поліестер) або вуглеводів (целюлоза) і виділяє токсичні гази при горінні, тим більше, якщо ароматичні (ПЕТ, ПС, АБС) або оброблені галогенізованими антипіренами та азобарвниками. Їх поліефірні та нейлонові запаси виготовляються з нафтохімічних речовин, які не є поновлюваним ресурсом і не піддаються біологічному розкладанню. Однак, якщо вони виготовлені з поліпропілену, вони підлягають вторинній переробці (Prolen).
Для більшості програм очищення вони призначені для багаторазового використання, а не викидаються після використання. Винятком з цього є точне очищення оптичних компонентів, де мокра тканина малюється один раз по об'єкту і не повинна використовуватися знову, оскільки зібране сміття тепер вбудовується в тканину і може подряпати оптичну поверхню.
Мікрофібра, виготовлена з нафтохімічних речовин, включає поліестер та нейлон, які не піддаються біологічному розкладанню. Однак мікрофібра з поліпропілену може піддаватися вторинній переробці. Продукти з мікрофібри також можуть мати потенціал потрапляння в океанічний водопровід та харчовий ланцюг, подібний до інших мікропластиків. Синтетичний одяг з мікроволокон, які миються, може виділяти матеріали і подорожувати на місцеві очисні споруди, сприяючи забрудненню пластиком у воді. Волокна, що зберігаються в осаду очищення стічних вод (біотверді речовини), які застосовуються на суші, можуть зберігатися в грунтах.
Існують екологічні занепокоєння щодо того, що цей продукт потрапляє в океанічний харчовий ланцюг, подібний до інших мікропластиків. Дослідження бренду одягу Patagonia та Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі виявило, що при пранні синтетичних курток з мікроволокон з пральної машини в середньому виділяється 1,7 грама (0,060 унції) мікроволокон. Потім ці мікроволокна потрапляють до місцевих очисних споруд, де до 40% з них потрапляють у річки, озера та океани, де вони сприяють загальному забрудненню пластиком. Мікроволокна складають 85% техногенного сміття, виявленого на берегових лініях у всьому світі.
Однак для виробництва синтетичних волокон (в порівнянні з бавовною) не використовуються пестициди. Якщо ці вироби виготовлені з поліпропіленової нитки, пряжа фарбується допером; тобто для фарбування не використовується вода (як у випадку з бавовною, де забруднюються тисячі літрів води).
Резюме
- Фізичні властивості полімеру, такі як його міцність та гнучкість, залежать від довжини ланцюга, наявних бічних груп, розгалуження та зшивання.
- Синтетичні полімери можуть складатися як з кристалічних (більш впорядкованих, кристалоподібних), так і з аморфних (менш впорядкованих) областей; ступінь кристалічності може виражатися через вагову частку або об'ємну частку кристалічного матеріалу.
- Кристалічність полімерів характеризується ступенем їх кристалічності, що варіюється від нуля для повністю некристалічного полімеру до одиниці для теоретичного повністю кристалічного полімеру. Полімери з мікрокристалічними областями, як правило, жорсткіші (можуть бути зігнуті більше, не руйнуючись) і більш ударостійкі, ніж повністю аморфні полімери.
- Завдяки своїй хімічній структурі нейлонові, поліефірні та акрилові волокна мають фізичні властивості, які можна порівняти або навіть перевершити натуральні волокна. Таким чином, багато хто з цих волокон мають різноманітне використання і замінили натуральні волокна в різних продуктах.
Автори та атрибуція
- Stephen Lower, Professor Emeritus (Simon Fraser U.) Chem1 Virtual Textbook IF Figureis used
- Template:ContribAgnewM
- Wikipedia