Полимерная инженерия – это, как правило, область инженерии , которая занимается проектированием, анализом и модификацией полимерных материалов. Полимерная инженерия охватывает аспекты нефтехимической промышленности , полимеризации , структуры и характеристик полимеров, свойств полимеров, составления и переработки полимеров, а также описания основных полимеров, взаимосвязей структуры и свойств и применения.
Слово «полимер» ввел шведский химик Я. Я. Берцелиус. Он считал, например, бензол (C 6 H 6 ) полимером этина (C 2 H 2 ). Позднее это определение претерпело небольшие изменения. [1]
История использования полимеров человеком берет свое начало с середины 19 века, когда началась химическая модификация природных полимеров. В 1839 году Чарльз Гудиер добился решающего прогресса в исследованиях вулканизации каучука , который превратил натуральный каучук в практический инженерный материал. [2] В 1870 году Дж. У. Хаятт использовал камфору для пластификации нитроцеллюлозы, чтобы сделать нитроцеллюлозные пластмассы промышленными. В 1907 году Л. Бакеланд сообщил о синтезе первой термореактивной фенольной смолы, которая была промышленно реализована в 1920-х годах, первого синтетического пластикового продукта. [3] В 1920 году Х. Стендингер предположил, что полимеры представляют собой длинноцепные молекулы, соединенные структурными единицами посредством общих ковалентных связей. [4] Этот вывод заложил основу для создания современной науки о полимерах. Впоследствии Каротерс разделил синтетические полимеры на две широкие категории, а именно: поликонденсат, полученный реакцией поликонденсации, и полимер присоединения, полученный реакцией полиприсоединения. В 1950-х годах К. Циглер и Г. Натта открыли катализатор координационной полимеризации и положили начало эпохе синтеза стереорегулярных полимеров. За десятилетия после создания концепции макромолекул синтез высоких полимеров получил быстрое развитие, и многие важные полимеры были промышленно освоены один за другим.
Основное разделение полимеров на термопласты , эластомеры и термореактивные материалы помогает определить области их применения.
Термопластик – это пластик, который обладает свойствами размягчения при нагревании и затвердевания при охлаждении. Большинство пластиков, которые мы используем в повседневной жизни, попадают в эту категорию. При нагревании он становится мягким и даже течет, а при охлаждении становится жестким. Этот процесс обратим и может повторяться. Термопласты имеют относительно низкие модули растяжения , 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 широко используются. [5]
Эластомер обычно относится к материалу, который может быть восстановлен в исходное состояние 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 представляют собой полимеры с очень низкими модулями упругости и обратимым расширением при растяжении, что является ценным свойством для поглощения и демпфирования вибрации. Они могут быть термопластичными (в этом случае они известны как термопластичные эластомеры ) или сшитыми, как в большинстве обычных резиновых изделий, таких как шины . Типичные обычно используемые каучуки включают натуральный каучук , нитриловый каучук , полихлоропрен , полибутадиен , бутадиен-стирол и фторированные каучуки.
В качестве основного компонента используется термореактивная смола , а пластик, образующий изделие, формируется в процессе отверждения сшивкой в сочетании с различными необходимыми добавками. Он является жидким на ранней стадии процесса производства или формования, а после отверждения он нерастворим и неплавок, и его нельзя снова расплавить или размягчить. Обычными термореактивными пластиками являются фенольные пластики, эпоксидные пластики, аминопласты, ненасыщенные полиэфиры, алкидные пластики и т.п. Термореактивные пластмассы и термопласты вместе составляют два основных компонента синтетических пластмасс. Термореактивные пластмассы делятся на два типа: формальдегидный тип сшивки и другой тип сшивки.
К термореактивным смолам относятся фенольные смолы , полиэфиры и эпоксидные смолы , которые широко используются в композитных материалах , армированные жесткими волокнами, такими как стекловолокно и арамиды . Поскольку сшивка стабилизирует термореактивную полимерную матрицу этих материалов, они имеют физические свойства, более похожие на традиционные конструкционные материалы, такие как сталь . Однако их гораздо более низкая плотность по сравнению с металлами делает их идеальными для легких конструкций. Кроме того, они меньше устают , поэтому идеально подходят для критически важных с точки зрения безопасности деталей, которые регулярно подвергаются нагрузкам в процессе эксплуатации.
Пластик представляет собой полимерное соединение, которое полимеризуется путем полиприсоединения и поликонденсации . Бесплатное изменение состава и формы. В его состав входят синтетические смолы и наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, смазочные материалы, красители и другие добавки. [6] Основным компонентом пластика является смола . Смола означает, что в полимерное соединение не добавлены различные добавки. Термин «смола» первоначально был назван в честь выделений масел растений и животных, таких как канифоль и шеллак . Смола составляет примерно 40–100% от общего веса пластика. Основные свойства пластмасс в основном определяются природой смолы, но важную роль играют и добавки. Некоторые пластмассы 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 тканей. Волокна широко используются, из них можно сплести хорошие нити, концы ниток и пеньковые веревки. Их также можно вплетать в волокнистые слои при изготовлении бумаги или фетра. Они также обычно используются для изготовления других материалов вместе с другими материалами для образования композитов. Поэтому, будь то натуральный или синтетический волокнистый нитевидный материал. В современной жизни применение волокна повсеместно, и существует множество высокотехнологичных продуктов. [8]
Резина относится к высокоэластичным полимерным материалам и обратимым формам. Он эластичен при комнатной температуре и может деформироваться при небольшой внешней силе. После устранения внешней силы он может вернуться в исходное состояние. Каучук 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 извлекается камедь и травяной каучук; синтетический каучук полимеризуется различными мономерами. Резину можно использовать как эластичный, изоляционный, водонепроницаемый, воздухостойкий материал.
Обычно используемые полиэтилены можно разделить на полиэтилен низкой плотности (LDPE), полиэтилен высокой плотности (HDPE) и линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE). Среди них HDPE имеет лучшие термические, электрические и механические свойства, в то время как LDPE и LLDPE обладают лучшей гибкостью, ударными свойствами и пленкообразующими свойствами. ПЭВД и ЛПЭНП в основном используются для изготовления пластиковых пакетов, полиэтиленовой пленки, бутылок, труб и контейнеров; HDPE широко используется в различных областях, таких как пленка, трубопроводы и предметы повседневного спроса, поскольку он устойчив к множеству различных растворителей. [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 целях, потребительских товарах, автоматических приложениях и медицинских целях. Полипропиленовые листы широко используются в промышленном секторе для производства емкостей для кислот и химикатов, листов, труб, возвратной транспортной тары (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 гидрофобный меламиновый пенопласт . [11] Совершенно 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 продукты, такие как приводные валы , лопасти вертолетных винтов и пропеллеры , выглядят идентично металлическим предшественникам из-за основных функциональных потребностей таких компонентов.
Биоразлагаемые полимеры широко используются во многих биомедицинских и фармацевтических целях. Эти полимеры считаются очень перспективными для устройств контролируемой доставки лекарств . Биоразлагаемые полимеры также открывают большой потенциал для лечения ран, изготовления ортопедических устройств, стоматологических применений и тканевой инженерии . В отличие от небиоразлагаемых полимеров, они не требуют второго этапа удаления из организма. Биоразлагаемые полимеры разрушаются и усваиваются организмом после того, как выполнили свою задачу. С 1960 года полимеры, полученные из гликолевой кислоты и молочной кислоты, нашли множество применений в медицинской промышленности. Полилактаты (PLA) популярны в качестве систем доставки лекарств из-за их быстрой и регулируемой скорости разложения. [12]
Мембранные методы успешно используются при разделении жидкостей и газов в течение многих лет, а полимерные мембраны используются чаще всего, поскольку их производство дешевле и их поверхность легко модифицировать, что делает их пригодными для различных процессов разделения. Полимеры помогают во многих областях, включая применение для разделения биологически активных соединений, протонообменных мембран для топливных элементов и мембранных подрядчиков для процесса улавливания углекислого газа.