Полимерная инженерия — это, как правило, область инженерии , которая проектирует, анализирует и модифицирует полимерные материалы. Полимерная инженерия охватывает аспекты нефтехимической промышленности , полимеризации , структуры и характеристики полимеров, свойства полимеров, компаундирования и обработки полимеров и описание основных полимеров, связей структуры и свойств и приложений.
Слово «полимер» было введено шведским химиком Й. Й. Берцелиусом. Он считал, например, бензол (C 6 H 6 ) полимером этина (C 2 H 2 ). Позже это определение претерпело тонкие изменения. [1]
История использования полимеров человеком началась в середине 19 века, когда началась химическая модификация природных полимеров. В 1839 году Чарльз Гудиер обнаружил критический прогресс в исследовании вулканизации каучука , что превратило натуральный каучук в практический инженерный материал. [2] В 1870 году Дж. У. Хайатт использовал камфару для пластификации нитроцеллюлозы, чтобы сделать нитроцеллюлозные пластмассы промышленными. 1907 год Л. Бакеланд сообщил о синтезе первой термореактивной фенольной смолы, которая была промышленно освоена в 1920-х годах, первого синтетического пластикового продукта. [ 3] В 1920 году Х. Стандингер предположил, что полимеры представляют собой длинноцепочечные молекулы, которые соединены структурными единицами через общие ковалентные связи. [4] Этот вывод заложил основу для создания современной науки о полимерах. Впоследствии Карозерс разделил синтетические полимеры на две широкие категории, а именно поликонденсат, полученный реакцией поликонденсации, и аддитивный полимер, полученный реакцией полиприсоединения. В 1950-х годах К. Циглер и Г. Натта открыли катализатор координационной полимеризации и стали пионерами эры синтеза стереорегулярных полимеров. В течение десятилетий после создания концепции макромолекул синтез высокополимеров достиг быстрого развития, и многие важные полимеры были индустриализированы один за другим.
Основное деление полимеров на термопласты , эластомеры и термореактивные пластики помогает определить области их применения.
Термопластик относится к пластику, который имеет свойства размягчения при нагревании и затвердевания при охлаждении. Большинство пластиков, которые мы используем в нашей повседневной жизни, попадают в эту категорию. Он становится мягким и даже текучим при нагревании, а при охлаждении становится твердым. Этот процесс обратим и может быть повторен. Термопластики имеют относительно низкие модули упругости при растяжении , но также имеют более низкую плотность и такие свойства, как прозрачность, что делает их идеальными для потребительских товаров и медицинских изделий . К ним относятся полиэтилен , полипропилен , нейлон , ацетальная смола , поликарбонат и ПЭТ , все из которых являются широко используемыми материалами. [5]
Эластомер обычно относится к материалу , который может быть восстановлен до своего первоначального состояния после устранения внешней силы, тогда как материал, обладающий эластичностью, не обязательно является эластомером. Эластомер деформируется только при слабом напряжении, и напряжение может быть быстро восстановлено до полимерного материала, близкого к исходному состоянию и размеру. Эластомеры - это полимеры, которые имеют очень низкие модули и демонстрируют обратимое расширение при деформации, ценное свойство для поглощения и гашения вибрации. Они могут быть либо термопластичными (в этом случае они известны как термопластичные эластомеры ), либо сшитыми, как в большинстве обычных резиновых изделий, таких как шины . Типичные каучуки, используемые обычно, включают натуральный каучук , нитрильный каучук , полихлоропрен , полибутадиен , стирол-бутадиен и фторированные каучуки.
Термореактивная смола используется в качестве основного компонента, а пластик, который образует продукт , формируется в процессе сшивания в сочетании с различными необходимыми добавками. Он является жидким на ранней стадии процесса производства или формования, и он нерастворим и неплавок после отверждения, и его нельзя расплавить или снова размягчить. Обычные термореактивные пластики - это фенольные пластики, эпоксидные пластики, аминопласты, ненасыщенные полиэфиры, алкидные пластики и тому подобное. Термореактивные пластики и термопластики вместе составляют два основных компонента синтетических пластиков. Термореактивные пластики делятся на два типа: формальдегидный тип сшивания и другой тип сшивания.
Термореактивные смолы включают фенольные смолы , полиэфиры и эпоксидные смолы , все из которых широко используются в композитных материалах при армировании жесткими волокнами, такими как стекловолокно и арамиды . Поскольку сшивание стабилизирует термореактивную полимерную матрицу этих материалов, они имеют физические свойства, более похожие на свойства традиционных конструкционных материалов, таких как сталь . Однако их гораздо более низкая плотность по сравнению с металлами делает их идеальными для легких конструкций. Кроме того, они меньше страдают от усталости , поэтому идеально подходят для критически важных для безопасности деталей, которые регулярно подвергаются нагрузке в процессе эксплуатации.
Пластик - это полимерное соединение, которое полимеризуется путем полиаддитивной полимеризации и поликонденсации . Он может свободно менять состав и форму. Он состоит из синтетических смол и наполнителей, пластификаторов, стабилизаторов, смазочных материалов, красителей и других добавок. [6] Основным компонентом пластика является смола . Смола означает, что в полимерное соединение не были добавлены различные добавки. Термин «смола» первоначально был назван по названию выделения масла из растений и животных, таких как канифоль и шеллак . Смола составляет приблизительно 40% - 100% от общего веса пластика. Основные свойства пластика в основном определяются природой смолы, но добавки также играют важную роль. Некоторые пластики в основном изготавливаются из синтетических смол с добавками или без них, таких как оргстекло , полистирол и т. д. [7]
Волокно относится к непрерывной или прерывистой нити одного вещества. Животные и растительные волокна играют важную роль в поддержании ткани. Волокна широко используются и могут быть сплетены в хорошие нити, концы нитей и пеньковые канаты. Их также можно сплести в волокнистые слои при изготовлении бумаги или войлока. Их также обычно используют для изготовления других материалов вместе с другими материалами для формирования композитов. Поэтому, будь то натуральный или синтетический волокнистый материал. В современной жизни применение волокна повсеместно, и существует множество высокотехнологичных продуктов. [8]
Резина относится к высокоэластичным полимерным материалам и обратимым формам. Она эластична при комнатной температуре и может деформироваться при небольшом внешнем воздействии. После снятия внешнего воздействия она может вернуться в исходное состояние. Резина представляет собой полностью аморфный полимер с низкой температурой стеклования и большой молекулярной массой, часто превышающей несколько сотен тысяч. Высокоэластичные полимерные соединения можно разделить на натуральный каучук и синтетический каучук. При переработке натурального каучука из растений извлекают каучуковую смолу и травяной каучук; синтетический каучук полимеризуется различными мономерами. Резину можно использовать в качестве эластичных, изолирующих, водонепроницаемых и воздухостойких материалов.
Обычно используемые полиэтилены можно разделить на полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) и линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП). Среди них ПЭНП имеет лучшие термические, электрические и механические свойства, в то время как ПЭНП и ЛПЭНП имеют лучшую гибкость, ударопрочность и пленкообразующие свойства. ПЭНП и ЛПЭНП в основном используются для пластиковых пакетов, пластиковых оберток, бутылок, труб и контейнеров; ПЭВП широко используется в различных областях, таких как пленка, трубопроводы и предметы первой необходимости, поскольку он устойчив ко многим различным растворителям. [9]
Полипропилен широко используется в различных областях благодаря своей хорошей химической стойкости и свариваемости. Он имеет самую низкую плотность среди товарных пластиков. Он обычно используется в упаковочных приложениях, потребительских товарах, автоматических приложениях и медицинских приложениях. Листы полипропилена широко используются в промышленном секторе для производства кислотных и химических резервуаров, листов, труб, возвратной транспортной упаковки (RTP) и т. д. благодаря своим свойствам, таким как высокая прочность на разрыв, устойчивость к высоким температурам и коррозионная стойкость. [10]
.jpg/1280px-Cyclist_itt_cyfac(2).jpg)
Типичным применением композитов являются монококовые конструкции для аэрокосмической и автомобильной промышленности , а также более обыденные изделия, такие как удочки и велосипеды . Бомбардировщик-невидимка был первым полностью композитным самолетом, но многие пассажирские самолеты, такие как Airbus и Boeing 787, используют все большую долю композитов в своих фюзеляжах, таких как гидрофобная меламиновая пена . [11] Довольно разные физические свойства композитов дают дизайнерам гораздо большую свободу в формировании деталей, поэтому композитные изделия часто выглядят иначе, чем обычные изделия. С другой стороны, некоторые изделия, такие как приводные валы , лопасти вертолетных винтов и пропеллеры, выглядят идентично металлическим предшественникам из-за основных функциональных потребностей таких компонентов.
Биоразлагаемые полимеры являются широко используемыми материалами для многих биомедицинских и фармацевтических приложений. Эти полимеры считаются очень перспективными для устройств контролируемой доставки лекарств . Биоразлагаемые полимеры также обладают большим потенциалом для лечения ран, ортопедических устройств, стоматологических приложений и тканевой инженерии . В отличие от небиоразлагаемых полимеров, им не требуется второй этап удаления из организма. Биоразлагаемые полимеры будут разрушаться и поглощаться организмом после того, как они выполнили свою задачу. С 1960 года полимеры, полученные из гликолевой кислоты и молочной кислоты, нашли множество применений в медицинской промышленности. Полилактаты (PLA) популярны для систем доставки лекарств из-за их быстрой и регулируемой скорости распада. [12]
Мембранные технологии успешно используются для разделения в жидкостных и газовых системах в течение многих лет, а полимерные мембраны используются чаще всего, поскольку они имеют более низкую стоимость производства и их поверхность легко модифицировать, что делает их пригодными для различных процессов разделения. Полимеры используются во многих областях, включая применение для разделения биологически активных соединений, протонообменные мембраны для топливных элементов и мембранные подрядчики для процесса улавливания диоксида углерода.