Полимерное стекло что это такое: Полимерное стекло — это что такое?

это… Определение, особенности и основные характеристики

Оргстекло – это уникальный материал, который создавался под маркой «Плексиглас» в 30-х годах прошлого столетия. Его промышленным производством изначально занималась компания Röhm and Haas Company. Новый компонент был широко востребован во время Второй мировой войны, учитывая активное развитие авиастроения, дающего возможность усовершенствовать не только корпуса летательных аппаратов, но и кабины пилотов. Рассматриваемый материал обладает высоким уровнем прозрачности, прочностью, отсутствием осколков при разрушении. Дополнительными плюсами оргстекла является минимальная реакция с авиационным керосином и маслом, а также устойчивость к атмосферным воздействиям.

Общие сведения

Оргстекло. Что это такое, в Советском Союзе узнали в 1936 году. Материал был разработан и произведен в НИИ Пластмасс. В период с 1941 по 1945 гг. материал активно применялся в обустройстве самолетов разного типа, турелей, некоторых элементов подводных лодок.

Сейчас оргстекло – это компонент, который применяется в качестве надежных и легких деталей в оснащении высокоскоростных летательных аппаратов, прочих подобных конструкций. Фторакриловые стекла используются в сочетании с алюминиевыми и титановыми сплавами. Температурный режим функциональности таких составов – 230-250 градусов по Цельсию.

Стоит отметить, что полимерные аналоги способны лишь частично заменить стекла, обладающие термической устойчивостью и повышенной прочностью. Преимущественно, такие материалы употребляются в композитном исполнении. Дальнейшее развитие авиации подразумевает полеты в самых верхних слоях атмосферы, что требует соблюдение особенных характеристик. Естественное оргстекло используется в создании таких летательных аппаратов, как «Шаттл» и «Буран».

Аналоги

Оргстекло – это не только акриловый вариант. Существуют альтернативы, созданные из полистирола, карбоната или винилхлорида. Основная составляющая часть рассматриваемого материала – термопластичная смола. Подобные компоненты стеклом можно назвать чисто условно. На самом деле, материал относится к совершенно другому типу, представляя собой неорганический композитный вид, выполняющим функции стекла в узком диапазоне.

Данная субстанция обладает рядом объективных преимуществ. К ним относится:

• Облегченная масса.
• Использование материала в качестве альтернативы силикатному стеклу (речь идет о ПММА).
• Такая конструкция мягче и безопаснее обычного стекла.
• Наблюдается высокий показатель прочности и устойчивости к царапинам.

Среди недостатков можно отметить, что оргстекло – это материал, который легко разрушается при температуре свыше 100 градусов. Изделие неустойчиво к воздействию щелочей, кислот и спиртов. Тем не менее, такая конструкция отражает инфракрасное излучение, ультрафиолет, а также отлично поддается обработке обычными металлорежущими инструментами.

Все о материале «оргстекло»

Оргстекло состоит из акрилового, полимерного и метилакрилата. Изделие производится методом литья либо экструнзиации. Данный материал изготавливается путем внедрения в состав идентичных компонентов. Если необходимо получить аналог изделия, который будет отличаться дополнительной прочностью и эластичностью – используют различные добавки, повышающие уровень указанных параметров.

Оргстекло — основные характеристики:

• Получают рассматриваемый материал двумя способами. Это стандартное литье или экструзия. Второй вариант походит от английского слова , подразумевающий накладывание нескольких слоев пластика, с учетом его особенностей.
• На отечественном рынке чаще практикуется литьевое производство органического стекла.
• Особенности второго способа производства – получение между двумя прослойками стекла полимерной начинки, доведенной до твердого состояния.

Особенности и преимущества

Что такое оргстекло, можно понять из плюсов, которые оно имеет по сравнению с обычным стеклом:

• Толщина составляющих листов ниже, чем возможности обработки их экструдером.
• Длина элементов больше аналогов.
• В одной партии допускаются перепады по толщине до пяти процентов предполагаемой величины.
• Особенности оргстекла проявляются в меньшей удароустойчивости, но большей чувствительностью к концентрации напряжений, а также слабой сопротивляемости химическому воздействию.

Плюсы:

• Высокий показатель пропускаемости света.
• Оригинальная форма, сохраняемая почти в ста процентах без изменения.
• Сопротивляемость механическому воздействию составляет в 5 раз больше, чем у обычного стекла.
• Особенности оргстекла заключаются в том, что его масса составляет почти в 2,5 раза менее традиционного аналога при одинаковой толщине.
• Изделие не требует дополнительных опор, что позволяет создать видимость открытого пространства.
• Материал устойчив к влаге, бактериям и микроорганизмам, может эксплуатироваться для остекления яхт и аквариумов.
• Компоненты не представляют экологической опасности, при горении не выделяют ядовитых и опасных газов.

Прочие достоинства

Среди других плюсов рассматриваемого материала можно отметить следующие аспекты:

• Имеется возможность придания разнообразных конфигураций посредством термического воздействия, вследствие чего сохраняется отличная детализация и оптические свойства изделий.
• Обработка конструкции не сложнее, чем работа с деревом.
• Отмечается устойчивость к любому климату, а также невосприимчивость к морозам.
• Пропуск 73 процентов ультрафиолетовых лучей составляет не больше, при этом инфракрасное вредное воздействие — не проходит.
• Проходящие лучи не вызывают пожелтения и деформации акриловой составляющей части стекла.
• Конструкция устойчива к химической среде.
• Такое стекло обладает лучшей способностью к склеиванию, не требует особых усилий при формировке, работает в температурных режимах от 150 до 170 градусов по Цельсию.
• Устройство подлежит утилизации без вредного воздействия на экологию.
• Материал обладает большой усадкой при нагреве (6 процентов вместо 2, как у литого акрила).

Недостатки и устойчивость к химическим воздействиям

Органическое стекло – это материал, обладающий определенными минусами. Среди них:

• Подверженность к поверхностной деформации (твердость – не более 190 Н/кв. мм).
• Технологические проблемы при термической и вакуумной обработке.
• Возникновение внутренних напряжений в точках сгибов и формаций. Это ведет к появлению микротрещин.
• Отмечается подверженность материала к воспламенению (260 градусов – критический порог).

Что касается стойкости изделия к химическим реагентам, то здесь можно отметить несколько нюансов:

• На органическое стекло могут воздействовать химические вещества различного характера, включая фтористые и цианистоводородные растворы.
• Материал подвержен атаке концентрированных и разбавленных серных, хромовых и азотных кислот.
• В качестве растворителей данного изделия служат хлорированные углероды, альдегиды, сложные эфиры и кетоны.
• Органическое стекло также особо невосприимчиво к воздействию бутанового, этилового и пропилового спирта. При длительном контакте с 10-процентным аналогом этого типа оргстекло с ним не взаимодействует.

Транспортировка и хранение

Органическое стекло перевозится посредством железнодорожного или автомобильного сообщения. Транспортируется оно в крытых контейнерах, что соответствует стандартам правил перевозки грузов. Не запрещается перевозить подобные изделия открытым способом, однако, при этом требуется его укрытие под водонепроницаемым материалом. Не рассчитывается перевозка данного изделия совместно с химическими средствами и их походными средствами.

Разновидности

Бесцветный аналог имеет прозрачную основу со степенью светового пропуска порядка 92 процентов. Чаще всего используются вариации полупрозрачного типа, которые отличаются значимым блеском с обеих сторон. Такой материал служит для оформления промышленных и прочих сооружений.

В завершение

Органическое стекло подвергается нарезанию резьбы, оборудованию соответствующими соединениями, шлифовке, полировке, различному форматированию. Кроме автомобилестроения, оргстекло применяется в офтальмологии, из него длительное время производятся линзы для зрения. Внутриглазные аналоги известны наличием искусственного хрусталика, который позволяет привести в порядок зрение людей, независимо от возраста.

Другие отрасли применения рассматриваемого материала: осветительная техника, наружная реклама, включая ценники и специальные подставки, а также для остекления кабин самолетов, аквариумов, диэлектрических деталей и емкостей.

Стекло — это полимер?

Ключевые слова:
аморфный, кристалл

---

Стекло на молекулярном уровне

Время от времени мы говорим о стекле, когда обсуждаем полимеры, особенно когда мы говорим о композитных материалы. Стекловолокно часто используется для армировать полимеры. Но что это за штука называется стеклом? Мы используем это с полимеров много, очевидно, но стекло само по себе является полимером?

Прежде чем заняться этим вопросом, давайте посмотрим, что такое стекло.Стекло высочайшего качества имеет химическую формулу SiO ₂ . Но это вводит в заблуждение. Эта формула вызывает в воображении идеи маленьких молекул диоксида кремния, аналогичных молекулам диоксида углерода. Но маленьких молекул диоксида кремния не существует.

Вместо этого в природе SiO ₂ часто встречается в виде кристаллического твердого вещества со структурой, подобной той, что вы видите справа. Каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, конечно, тетраэдрически; и каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния.Когда SiO ₂ находится в этой кристаллической форме, мы называем это диоксид кремния . Вы видели кремнезем раньше. Когда вы находите большие кристаллы его почек, мы называем это кварцем. Когда у нас много маленьких крошечных кристаллов, мы называем это песком.

Но этот кремнезем не стекло. Сначала нужно что-то сделать, чтобы превратить в стекло. Мы должны нагреть его, пока он не растает, а затем охладить его очень быстро. Когда он плавится, атомы кремния и кислорода выходят из своей кристаллической структуры. Если бы мы медленно охлаждали его, атомы медленно выстраивались бы в их кристаллическое расположение, поскольку они замедлялись.(Помните, что тепло — это просто случайное движение атомов и молекул. Горячие атомы много двигаются, холодные атомы очень мало.)

Но если мы охладим его достаточно быстро, атомы кремнезема, если можно так выразиться, остановятся. У них не будет времени выстроиться в очередь, и они застрянут в любой старой договоренности. Они будут выглядеть примерно так: v

Как видите, порядка расположения атомов нет. Мы называем такие материалы аморфными .Это стекло, которое используется для телескопических линз и подобных вещей. У него очень хорошие оптические свойства, но он хрупкий. Для повседневного использования нам нужно что-то более жесткое. Большая часть стекла сделана из песка, и когда мы плавим песок, мы обычно добавляем немного карбоната натрия. Это дает нам более жесткое стекло со структурой, которая выглядит следующим образом:

Это стекло, которое вы видите каждый день, в банках и окнах, и это стекло, которое используется в композитах. На самом деле его раньше называли «содовым стеклом», чтобы отличать его от кварца.

Так это полимер или нет? Обычно это не считается таковым. Зачем? Кто-то может сказать, что он неорганический, а полимеры обычно органические. Но есть много неорганических полимеров там. Например, как насчет полисилоксанов? Эти линейные, и да, неорганические материалы имеют структуру, очень похожую на стекло, и они считаются полимерами. Взгляните на полисилоксан:

Так как насчет сшивки?

В каком-то смысле стекло можно считать сильно сшитым полисилоксаном.Но мы обычно так не думаем. Почему нет? Возможно, потому что даже в сильно сшитой системе вы все равно могли бы проследить цепь полимера и посмотреть, где находятся сшивки. Но со стеклом было бы сложно это сделать.

Вот сравнение, которое иллюстрирует этот момент: углеродные волокна и углеродные нанотрубки. Добавьте немного алмаза, чтобы сделать эту семью полной. «Какая семья?» ты спрашиваешь. Просто углерод, связанный с другим углеродом в двумерном или трехмерном массиве, а не связанный с чем-либо еще.Чистый углерод!

Почему полностью сшитый углерод не является полимером?

Теперь помните, что углерод действительно хочет быть связанным с четырьмя другими атомами. Обычно это четыре различных других атома, но также учитываются множественные связи с одним и тем же атомом. Вот где появляется большинство виниловых мономеров: они имеют углерод-углеродную двойную связь, что означает, что каждый углерод в виниле может быть связан только с двумя другими атомами, кроме углерода на другом конце двойной связи: всего четыре связи.

Теперь о интересной части.В графене, углеродных волокнах и углеродных нанотрубках углерод связан ТОЛЬКО с другими атомами углерода. В этих соединениях, однако, каждый углерод имеет комбинацию двойных и одинарных связей, что создает высоко делокализованный набор молекулярных орбит. Это означает, что эти материалы проводят электроны, и они электропроводны. Интересный эксперимент: поместите пучок углеродных волокон в микроволновую печь и запустите его: пламя и дым, поскольку движущиеся в материале электроны реагируют с кислородом и поднимаются в дым!

Алмаз еще более интересен, будучи самым твердым из известных материалов.Почему он такой жесткий, но прозрачный и способен так красиво преломлять свет? В конце концов, это просто чистый углерод, но есть одна загвоздка: теперь каждый углерод имеет четыре одинарных связей с четырьмя другими атомами углерода. Этот идеально симметричный массив углеродов имеет идеальный набор связей, идущих в четырех разных направлениях. «Не лучше, чем это», — скажете вы.

Так считаются ли эти полностью углеродные сети полимерами? Нет, и по той же причине, что стекло не так. Все сводится к конвенции и истории.С тех пор, как мы выяснили, как на самом деле выглядит органический полимер, стекло и алмаз просто не вписываются. Смещение, если хотите, так как они действительно соответствуют требованию полностью сшитого полимера. О, ну, другие сражения, чтобы бороться …

---

,

Glass Transition

Ключевые слова
аморфный, кристалл, эластомер, термопласт

---

Что такое стекло в любом случае?

Вы когда-нибудь оставляли пластиковое ведро или какой-либо другой пластиковый предмет снаружи зимой и обнаружили, что оно трескается или ломается легче, чем летом? То, что вы испытали, было явлением, известным как стеклянный переход . Этот переход происходит только с полимерами и делает полимеры уникальными.Стеклянный переход — это то, на что это похоже. Существует определенная температура (различная для каждого полимера), называемая температурой стеклования , или, кратко, Т г. Когда полимер охлаждается ниже этой температуры, он становится твердым и ломким, как стекло.

Некоторые полимеры используются выше их температур стеклования, а некоторые используются ниже. Твердые пластики, такие как полистирол и поли (метилметакрилат), используются ниже температуры стеклования; это в их стеклообразное состояние .Их T г намного выше комнаты температура около 100 ^o С. Резиновые эластомеры как полиизопрен и полиизобутилен, используются выше их Т г, то есть в эластичном состоянии , где они мягкие и гибкие.

Аморфные и кристаллические полимеры

Мы должны прояснить что-то на этом этапе. Стеклянный переход это не то же самое, что таяние. Таяние это переход, который происходит в кристаллическом полимеры.Плавление происходит, когда полимерные цепи выпадают из кристаллические структуры, и становятся неупорядоченной жидкостью. Стеклование — это другой вид перехода, который происходит с аморфным . полимеры; то есть полимеры, цепи которых не расположены в упорядоченных кристаллах, но просто разбросаны по-старому, даже хотя они в твердом состоянии.

Но даже кристаллические полимеры будут иметь некоторые аморфные части. Эти обычно составляет 40-70% полимерного образца.Вот почему один и тот же образец полимера может иметь как температуру стеклования и температура плавления. Но вы должны знать, что аморфный стеклянная часть претерпевает только , а кристаллическая Порция претерпевает только . На самом деле, большинство так называемых «кристаллических полимеры «на самом деле в основном аморфные, что означает, что они будут иметь оба.

И вы можете спросить, есть ли связь между Tm и Tg? Отличный вопрос! И ответ «да!» Вот график нескольких распространенных полимеров, показывающий, как Tg и Tm (в градусах Кельвина) оба увеличиваются вместе.Для этого есть веские причины, основанные на молекулярном составе цепей. У нас нет времени или места, чтобы обсуждать все это прямо здесь, но простой комментарий таков: чем жестче позвоночник, тем выше Tg и Tm. Конечно, это вообще много исключений: разве наука не прекрасна?

Яма Змеи

Теперь, чтобы понять, почему полимеры без порядка для них трудно и хрупкий ниже определенной температуры и мягкий и податливый над ним, это может помочь представить полимер в аморфном состоянии как большую комнату, полную скользящих змей.Каждая змея представляет собой полимерную цепь. Теперь, как вы помните, змеи — хладнокровные животные, поэтому все тепло их тела должно исходить из окружающей среды. Когда тепло, змеи счастливы, и они могут продолжать свое дело скользить и скользить без проблем вообще. Они будут перемещаться беспорядочно, вокруг и вокруг друг друга, и они скользят туда-сюда, просто замечательно проводя время или так же хорошо, как змеи.

Но когда становится холодно, змеи не слишком много двигаются.Они замедляются без какой-либо жары и имеют тенденцию просто сидеть на месте. Теперь они все еще обернуты вокруг друг друга, но с точки зрения движения это просто не происходит.

А теперь представьте, что вы пытаетесь прогнать бульдозер через эту комнату, полную змей. Если тепло и змеи движутся, они могут быстро соскользнуть с вашего пути, и бульдозер движется по комнате, нанося минимальный урон змеи. Но если холодно, одна из двух вещей случится с неподвижными змеями.Либо (A) змеи будут сильнее, чем бульдозер, и бульдозер не сможет пройти, и змеи останутся на месте; или (B) бульдозер будет сильнее змей, и он будет раздавлен, все еще никуда не двигаясь.

Полимеры одинаковы. Когда температура теплая, полимерные цепи могут легко перемещаться. Поэтому, когда вы берете кусок полимера и сгибаете его, молекулы, уже находящиеся в движении, без проблем перемещаются в новые положения, чтобы снять напряжение, которое вы на них оказали.Но если вы попытаетесь изогнуть образец полимера ниже его T г, полимерные цепи не смогут перемещаться в новые положения, чтобы снять напряжение, которое вы на них наложили. Так же, как в примере комнаты, полной холодных змей, произойдет одно из двух. Либо (A) цепи достаточно прочные, чтобы противостоять приложенной вами силе, и образец не изгибается; или (B) приложенная вами сила будет слишком большой для того, чтобы неподвижные полимерные цепи сопротивлялись, и, будучи неспособными двигаться, чтобы снять напряжение, образец полимера сломается или расколется в ваших руках.

Это изменение подвижности с температурой происходит потому, что явление, которое мы называем «теплом», действительно является формой кинетической энергии; то есть энергия объектов в движении. Это на самом деле эффект случайного движения молекул, будь то полимерные молекулы или маленькие молекулы. Вещи «горячие», когда их молекулы обладают большой кинетической энергией и очень быстро перемещаются. Вещи «холодные», когда их молекулам не хватает кинетической энергии и они движутся медленно или вообще не движутся.

Теперь точная температура, при которой полимерные цепи претерпевают это большое изменение подвижности, зависит от структуры полимера.Чтобы увидеть, как небольшое изменение в структуре может означать большое изменение в Т на г, взгляните на разницу между поли (метилакрилатом) и поли (метилметакрилатом) на странице акрилата.

Скручивание ночи

Существует разница между полимерами и змеями, которую мы, вероятно, должны обсудить на данном этапе. Отдельная змея не только вертится, но и перемещается с одной стороны комнаты на другую. Это называется поступательным движением .Когда вы идете по улице, предполагая, что вы не похожи на большинство американцев, которые никогда никуда не ходят, вы испытываете поступательное движение. Хотя полимеры не способны к такому движению, в основном они не подвергаются такому движению. Но они все еще передвигаются, покачиваясь, как маленькие дети в церкви. Безусловно, к тому времени, когда мы опустимся до температуры стеклования, уже слишком холодно для молекул полимера, запутавшихся друг в друге, как они есть, чтобы перемещаться на любое расстояние в одном направлении.

Движение, которое позволяет полимеру подняться выше температуры его стеклования, является обычно не поступательным движением, а тем, что известно в бизнесе как дальнее сегментарное движение . В то время как полимерная цепь в целом никуда не движется, сегменты цепи могут шевелиться, качаться взад и вперед и поворачиваться, как гигантский штопор. Образцы полимеров можно рассматривать как толпу людей на танцполе. В то время как каждое тело имеет тенденцию оставаться на одном и том же месте, различные руки, ноги и еще много чего меняют положение.Когда температура падает до или ниже Т г, для полимеров вечеринка заканчивается, и дальнее сегментарное движение прекращается. Когда это движение на большие расстояния прекращается, происходит стеклование, и полимер изменяется от мягкого и податливого к твердому и хрупкому. Поэтому, когда «Полярный вихрь» ударит по вашему городу в следующий раз, НЕ пытайтесь сгребать снег одной из этих пластиковых совков.

Посмотреть на себя

Теперь, чтобы убедиться, что это все ясно, мы сделали небольшой фильм, показывающий, что происходит с полимерными цепями при температуре стеклования.щелчок здесь, чтобы посмотреть это.

Попробуйте это!

Хотите повеселиться? Во-первых, попросите вашего учителя принести немного жидкости азот до класса или, может быть, «сухой лед», суспендированный в ацетоне или метаноле. Затем положите немного в пенопластовую чашку и поместите некоторые предметы домашнего обихода из полимеров, такие как резиновые ленты или полиэтиленовую пленку. Жидкий азот, будучи настолько холодным, будет охлаждать объекты ниже температуры их стеклования. Попробуйте согнуть резинку (держите ее плоскогубцами, потому что вы можете получить обморожение, если попытаетесь прикоснуться к ней пальцами), и она сломается! Neato, а? Резинка будет разрушаться, потому что она ниже температуры стеклования.А бутерброд? Он будет сминаться и звучать, как твердый тонкий пластик, и может даже разбиться, если будет достаточно холодно.

Измерение Т г

Если вы хотите знать, как мы измеряем обе точки плавления и Т г, плюс скрытые теплоты плавления и изменения теплоемкости, теперь есть замечательная страница, чтобы рассказать вам все о методике, называемой дифференциальной сканирующей калориметрии. Иди в гости!

Где дальше?

Хотите узнать больше о чудесном стекловании? Прочитайте эти маленькие сегменты!

бездельничают со стеклянным переходом

Иногда полимер имеет Т г, что выше, чем хотелось бы.Это нормально, мы просто положили в него нечто, называемое пластификатор . Это небольшая молекула, которая попадет между цепями полимера, и разнесите их друг от друга. Мы называем это увеличением бесплатно Объем . Когда это происходит, они могут легче скользить мимо друг друга. Когда они легче скользят мимо друг друга, они могут двигаться при более низких температурах, чем без пластификатора. Таким образом, T г полимера можно снизить, чтобы сделать полимер более податливым и с ним легче работать.

Если вам интересно, о какой маленькой молекуле мы говорим, здесь Некоторые из них используются в качестве пластификаторов:

Вы когда-нибудь пахли «запахом новой машины» в новой машине какого-то друга? Это не то, что я чувствую запах слишком часто на деньги, которые я делаю, но этот запах пластификатор испаряется из пластиковых деталей внутри вашего автомобиля. После многих лет, если его испарится достаточно, ваша панель больше не будет пластифицированы. T г полимеров в вашей приборной панели будет расти выше комнатной температуры, и приборная панель станет хрупкой и потрескавшейся.

Слей это!

Стеклянный переход против таяния

Ключевые слова:
переход первого порядка, теплоемкость, переход второго порядка

Заманчиво думать о стекловании как о плавлении полимера. Но это неточный взгляд на вещи. Есть много важных различий между стеклованием и плавлением. Как я уже говорил ранее, плавление — это то, что происходит с кристаллическим полимером, тогда как стеклование происходит только с полимерами в аморфном состоянии.В данном полимере часто присутствуют как аморфные, так и кристаллические домены, поэтому один и тот же образец часто может иметь температуру плавления и Т, г. Но плавящиеся цепи не являются цепями, которые подвергаются стеклованию.

Есть еще одна большая разница между плавлением и стеклованием. Когда вы нагреваете кристаллический полимер с постоянной скоростью, температура будет увеличиваться с постоянной скоростью. Тепловое количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма полимера на один градус Цельсия, называется теплоемкостью .

Теперь температура будет продолжать расти, пока полимер не достигнет своей точки плавления. Когда это произойдет, температура будет оставаться стабильной в течение некоторого времени, даже если вы добавляете тепло к полимеру. Он будет оставаться устойчивым, пока полимер полностью не расплавится. Тогда температура полимера начнет увеличиваться еще раз. Повышение температуры прекращается, потому что плавление требует энергии. Вся энергия, которую вы добавляете к кристаллическому полимеру при его температуре плавления, уходит в плавление, и ни одна из них не идет на повышение температуры.Это тепло называется скрытой теплотой плавления . (Слово скрытое означает скрытое.)

Теперь, когда полимер расплавлен, температура снова начинает расти, но теперь она повышается медленнее. Расплавленный полимер обладает более высокой теплоемкостью, чем твердый кристаллический полимер, поэтому он может поглощать больше тепла при меньшем повышении температуры.

Итак, две вещи происходят, когда кристаллический полимер плавится: он поглощает определенное количество тепла, скрытую теплоту плавления, и он подвергается изменению своей теплоемкости.Любое изменение, вызванное нагревом, будь то плавление или замерзание, или кипение или конденсация, которое имеет изменение теплоемкости и сопутствующее скрытое тепло, называется переходом первого порядка .

Но когда вы нагреваете аморфный полимер до его Т г, происходит нечто иное. Сначала вы нагреваете его, и температура повышается. Он увеличивается со скоростью, определяемой теплоемкостью полимера, как и раньше. Только что-то смешное случается, когда вы достигаете T г.Температура не перестает расти. Там нет скрытой теплоты стеклования. Температура продолжает расти.

Но температура не поднимается с той же скоростью выше Т г, как и ниже. Полимер подвергается увеличению своей теплоемкости, когда он подвергается стеклованию. Поскольку стеклование включает в себя изменение теплоемкости, но не включает скрытое тепло, этот переход называется переходом второго порядка .

Это может помочь посмотреть на некоторые изящные картинки.Графики показывают количество тепла, добавленного к полимеру на оси x , и температуру, которую вы получите при заданном количестве тепла на оси x .

График слева показывает, что происходит, когда вы нагреваете 100% кристаллический полимер. Вы можете посмотреть на это и увидеть, что это прерывисто. Видишь этот перерыв? Это температура плавления. В этот перерыв добавляется много тепла без какого-либо повышения температуры. Это скрытая теплота плавления. Мы видим, что склон становится все круче в верхней части перерыва.Наклон такого рода графика равен теплоемкости, поэтому это увеличение крутизны соответствует нашему увеличению теплоемкости выше точки плавления.

Но на графике справа, который показывает, что происходит со 100% -ным аморфным полимером, когда вы его нагреваете, у нас нет перерыва. Единственное изменение, которое мы наблюдаем при температуре стеклования, — это увеличение наклона, что, конечно, означает, что мы имеем увеличение теплоемкости. Мы можем видеть изменение теплоемкости при Т г, но без разрыва, как мы делаем на графике для кристаллического полимера.Как я уже говорил, в процессе стеклования нет скрытой теплоты.

И это, друзья мои, прямо перед вашими глазами, это разница между переходом первого порядка, например плавлением, и переходом второго порядка, например, стеклованием.

Что такое полимер High T г?

Хорошо, мы знаем

.

Что такое полимер? | Живая наука

Полимеры — это материалы из длинных, повторяющихся цепочек молекул. Материалы имеют уникальные свойства, в зависимости от типа молекул, которые связаны и как они связаны. Некоторые полимеры изгибаются и растягиваются, как резина и полиэстер. Другие твердые и прочные, такие как эпоксидные смолы и стекло.

Полимеры затрагивают практически все аспекты современной жизни. Скорее всего, за последние пять минут большинство людей контактировали хотя бы с одним полимерсодержащим продуктом — от бутылок с водой до гаджетов и шин.

Термин полимер часто используется для описания пластмасс, которые являются синтетическими полимерами. Тем не менее, природные полимеры также существуют; резина и древесина, например, являются природными полимерами, которые состоят из простого углеводорода, изопрена, согласно Британской энциклопедии. Белки — это природные полимеры, состоящие из аминокислот, а нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) — это полимеры нуклеотидов — сложных молекул, состоящих, например, из азотсодержащих оснований, сахаров и фосфорной кислоты.

Химические реакции

Герман Штаудингер, профессор органической химии в Eidgenössische Technische Hochschule (Университет прикладных наук) в Цюрихе, является отцом современной разработки полимеров.Его исследования в 1920-х годах привели к современным манипуляциям с природными и синтетическими полимерами. Он придумал два термина, которые являются ключевыми для понимания полимеров: полимеризация и макромолекулы, по данным Американского химического общества (ACS). Он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1953 году «за открытия в области макромолекулярной химии».

Полимеризация — это метод создания синтетических полимеров путем объединения более мелких молекул, называемых мономерами, в цепочку, скрепленную ковалентными связями, согласно ThoughtCo., онлайн образовательный ресурс. По данным Scientific American, различные химические реакции — например, вызванные нагревом и давлением — изменяют химические связи, которые удерживают мономеры вместе. Процесс заставляет молекулы соединяться в линейную, разветвленную или сетчатую структуру, что приводит к образованию полимеров.

Эти цепочки мономеров также называют макромолекулами. Большинство полимерных цепей имеют цепочку атомов углерода в качестве основной цепи. По данным Центра изучения полимеров, одна макромолекула может состоять из сотен тысяч мономеров.

Использование полимеров

Полимеры используются практически во всех областях современной жизни. Пакеты с продуктами, бутылки с газировкой и водой, текстильные волокна, телефоны, компьютеры, упаковка для продуктов питания, автозапчасти и игрушки содержат полимеры.

Даже в более сложной технологии используются полимеры. Например, «мембраны для опреснения воды, носители, используемые для контролируемого выделения лекарств, и биополимеры для тканевой инженерии используют полимеры», согласно ACS.

Популярные полимеры для производства включают полиэтилен и полипропилен.Их молекулы могут состоять из 10000-20000 мономеров.

Во время реакции полимеризации большое количество мономеров соединяются ковалентными связями, образуя одну длинную молекулу, полимер. (Фото предоставлено: LibreTexts)

Будущее полимеров

Исследователи экспериментируют со многими различными типами полимеров, стремясь к дальнейшему развитию медицины и улучшению продуктов, которые мы уже используем.

Например, углеродные полимеры разрабатываются и совершенствуются для автомобильной промышленности.

«Углеродно-армированные полимерные (CFRP) композиты, также называемые углеродно-волокнистыми ламинатами, — это материалы следующего поколения, которые делают автомобили более легкими, более экономичными и более безопасными», — говорится в колонке «Живой науки» 2016 года Нихила Гупты. доцент, и Стивен Зельтманн, студент-исследователь, в Лаборатории композитных материалов и механики факультета механики и аэрокосмической техники Нью-Йоркского университета, Тандонская инженерная школа. «Углеродный ламинат является чрезвычайно прочным и жестким из-за того, что его тканые слои из почти чистого углеродного волокна соединены между собой закаленным пластиком, таким как эпоксидная смола.«[Углеродно-волокнистое будущее: оно больше, чем скорость]

Полимеры также используются для улучшения голограмм. Ученые из Университета Пенсильвании создали голограмму на гибком полимерном материале под названием PDMA, который был залит золотыми наностержнями, согласно Исследование, опубликованное онлайн в начале 2017 года в журнале Nano Letters. Это новое устройство голограммы может содержать несколько изображений вместо одного.

«Мы задали вопрос:« Можем ли мы закодировать несколько битов информации в голограмме? »« Ритеш Агарвал Об этом в прямом эфире сообщил научный руководитель и профессор материаловедения и инженерии в Университете Пенсильвании.«Это важная работа, потому что впервые кто-то показал, что вы можете записать несколько голографических изображений, и просто растягивая полимер, вы можете в основном изменить изображение».

Искусственная кожа из силиконового полимера может стать будущим антивозрастным средством. Согласно исследованию, опубликованному в мае 2016 года в журнале Nature Materials, в форме двух кремов полимер может подтягивать кожу человека, уменьшать морщины и уменьшать мешки под глазами.Такая искусственная кожа может также использоваться, чтобы помочь людям с кожными заболеваниями, такими как экзема, или использоваться в качестве солнцезащитного крема.

«Мы в восторге от этого; это совершенно новый материал», — сказал Live Science соавтор исследования Роберт Лангер, профессор Массачусетского технологического института.

Дополнительные ресурсы

,

Основы: определение полимера и свойства

Если вам нужна основная информация о пластиковых материалах, это место, где ее можно найти. Здесь вы узнаете определение и свойства полимеров, другое название для пластмасс.

Самое простое определение полимера — это полезный химикат, состоящий из множества повторяющихся звеньев. Полимер может быть трехмерной сетью (представьте себе, что повторяющиеся звенья связаны друг с другом слева и справа, спереди и сзади, вверх и вниз) или двумерной сетью (представьте себе повторяющиеся звенья, связанные вместе слева, справа, вверх и вниз в лист) или одномерную сеть (подумайте о повторяющихся единицах, связанных слева и справа в цепочке).Каждая повторяющаяся единица представляет собой «-мер» или базовую единицу, причем «полимер» означает много повторяющихся единиц. Повторяющиеся единицы часто состоят из углерода и водорода, а иногда из кислорода, азота, серы, хлора, фтора, фосфора и кремния. Чтобы создать цепь, многие звенья или «-меры» химически связаны или полимеризуются вместе. Соединение бесчисленных полос строительной бумаги вместе, чтобы сделать бумажные гирлянды или соединение сотен скрепок для формирования цепочек, или нанизывание шариков помогает визуализировать полимеры.Полимеры встречаются в природе и могут быть сделаны для удовлетворения конкретных потребностей. Изготовленные полимеры могут быть трехмерными сетками, которые не плавятся после образования. Такие сети называются THERMOSET полимерами. Эпоксидные смолы, используемые в двухкомпонентных клеях, представляют собой термореактивные пластики. Изготовленные полимеры также могут быть одномерными цепями, которые можно расплавить. Эти цепи являются термопластичными полимерами и также называются линейными полимерами. Пластиковые бутылки, пленки, чашки и волокна — это термопластичные пластмассы.

Полимеров много в природе.Основными природными полимерами являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), которые определяют жизнь. Паучий шелк, волосы и рог — это белковые полимеры. Крахмал может быть полимером, как целлюлоза в древесине. Латекс и целлюлоза из каучукового дерева использовались в качестве сырья для производства полимерной резины и пластмасс. Первым синтетическим пластиком был бакелит, созданный в 1909 году для корпуса телефона и электрических компонентов. Первым изготовленным полимерным волокном был Rayon, из целлюлозы, в 1910 году.Нейлон был изобретен в 1935 году при производстве синтетического шелка паука.

Структура полимеров

Многие распространенные классы полимеров состоят из углеводородов, соединений углерода и водорода. Эти полимеры специально изготовлены из атомов углерода, связанных друг с другом в длинные цепи, которые называются главной цепью полимера. Из-за природы углерода один или несколько других атомов могут быть присоединены к каждому атому углерода в основной цепи.Есть полимеры, которые содержат только атомы углерода и водорода. Примеры полиэтилена, полипропилена, полибутилена, полистирола и полиметилпентена. Поливинилхлорид (ПВХ) имеет хлор, присоединенный к полностью углеродной цепи. Тефлон имеет фтор, присоединенный к полностью углеродистой магистрали.

Другие распространенные производимые полимеры имеют основные цепи, которые включают элементы, отличные от углерода. Нейлоны содержат атомы азота в повторяющейся цепочке. Полиэфиры и поликарбонаты содержат кислород в основной цепи.Существуют также некоторые полимеры, которые вместо углеродной основной цепи имеют кремниевую или фосфорную главную цепь. Они считаются неорганическими полимерами. Одним из наиболее известных полимеров на основе кремния является Silly Putty ^® .

Молекулярное расположение полимеров

Подумайте, как лапша спагетти выглядит на тарелке. Они похожи на то, как могут быть расположены линейные полимеры, если они не имеют определенного порядка или являются аморфными. Управление процессом полимеризации и закалка расплавленных полимеров может привести к аморфной организации.Аморфное расположение молекул не имеет дальнего порядка или формы, в которой располагаются полимерные цепи. Аморфные полимеры обычно прозрачны. Это важная характеристика для многих применений, таких как пищевая упаковка, пластиковые окна, линзы фар и контактные линзы.

Очевидно, что не все полимеры являются прозрачными. Полимерные цепи в объектах, которые являются полупрозрачными и непрозрачными, могут иметь кристаллическое расположение. По определению, кристаллическое расположение имеет атомы, ионы или, в этом случае, молекулы, расположенные в различных структурах.Вы обычно думаете о кристаллических структурах в поваренной соли и драгоценных камнях, но они могут произойти в пластмассах. Подобно тому, как закалка может привести к образованию аморфных структур, обработка может контролировать степень кристалличности для тех полимеров, которые способны кристаллизоваться. Некоторые полимеры предназначены для того, чтобы никогда не кристаллизоваться. Другие предназначены для кристаллизации. Как правило, чем выше степень кристалличности, тем меньше света может проходить через полимер. Следовательно, степень прозрачности или непрозрачности полимера может напрямую зависеть от его кристалличности.Кристалличность создает преимущества в прочности, жесткости, химической стойкости и стабильности.

Ученые и инженеры всегда производят более полезные материалы, манипулируя молекулярной структурой, которая влияет на конечный полученный полимер. Производители и переработчики вводят различные наполнители, армирующие добавки и добавки в базовые полимеры, расширяя возможности продукта.

Характеристики полимеров

Большинство производимых полимеров являются термопластичными, что означает, что, как только полимер сформирован, он может нагреваться и подвергаться реформированию снова и снова.Это свойство позволяет легко обрабатывать и облегчает переработку. Другая группа, термореактивные, не может быть переплавлена. Как только эти полимеры сформированы, повторный нагрев приведет к тому, что материал в конечном итоге разлагается, но не плавится.

Каждый полимер имеет очень четкие характеристики, но большинство полимеров имеют следующие общие характеристики.

1. Полимеры могут быть очень устойчивы к химическим веществам. Рассмотрите все чистящие жидкости в вашем доме, которые упакованы в пластик. Чтение предупреждающих надписей, описывающих, что происходит, когда химическое вещество соприкасается с кожей или глазами или проглатывается, подчеркнет необходимость химической стойкости в пластиковой упаковке. В то время как растворители легко растворяют некоторые пластмассы, другие пластмассы обеспечивают безопасные, не ломающиеся упаковки для агрессивных растворителей.

2. Полимеры могут быть как тепловыми, так и электрическими изоляторами. Прогулка по вашему дому усилит эту концепцию, поскольку вы рассматриваете все приборы, шнуры, электрические розетки и проводку, которые сделаны или покрыты полимерными материалами. Термическая стойкость проявляется на кухне с ручками для кастрюль и сковородок из полимеров, ручками для кофейников, пенопластовыми холодильниками и морозильниками, изолированными чашками, холодильниками и посудой для микроволновой печи. Термобелье, которое носят многие лыжники, изготовлено из полипропилена, а фибра в зимних куртках — из акрила и полиэстера.

3. Как правило, полимеры имеют очень легкий вес со значительной степенью прочности. Рассмотрим спектр применений, от игрушек до каркасной структуры космических станций, или от тонкого нейлонового волокна в колготках до кевлара, который используется в бронежилетах. Некоторые полимеры плавают в воде, а другие тонут. Но по сравнению с плотностью камня, бетона, стали, меди или алюминия все пластмассы являются легкими материалами.

4. Полимеры могут быть обработаны различными способами. Экструзия производит тонкие волокна или тяжелые трубы или пленки или пищевые бутылки. Литье под давлением может производить очень сложные детали или большие панели кузова автомобиля. Пластмассы могут быть отлиты в бочки или смешаны с растворителями, чтобы стать клеями или красками. Эластомеры и некоторые пластики растягиваются и очень гибки. Некоторые пластмассы растягиваются в процессе обработки, чтобы удерживать свою форму, например бутылки для безалкогольных напитков.Другие полимеры могут быть вспенены, как полистирол (Styrofoam ™), полиуретан и полиэтилен.

5. Полимеры — это материалы с, казалось бы, безграничным диапазоном характеристик и цветов. Полимеры обладают многими присущими им свойствами, которые могут быть дополнительно улучшены широким спектром добавок для расширения сферы их применения и применения. Полимеры могут быть сделаны для имитации хлопка, шелка и шерсти; фарфор и мрамор; и алюминий и цинк.Полимеры также могут сделать возможными продукты, которые нелегко приходят из мира природы, такие как прозрачные листы и гибкие пленки.

6. Полимеры обычно изготавливаются из нефти, но не всегда. Многие полимеры изготавливаются из повторяющихся звеньев, полученных из природного газа, угля или сырой нефти. Но блоки повторения строительных блоков иногда могут быть сделаны из возобновляемых материалов, таких как полимолочная кислота из кукурузы или целлюлозы из хлопкового линта.Некоторые пластмассы всегда делались из возобновляемых материалов, таких как ацетат целлюлозы, используемый для ручек отверток и подарочной ленты. Когда строительные блоки могут быть сделаны более экономично из возобновляемых материалов, чем из ископаемого топлива, либо старые пластмассы находят новое сырье, либо вводятся новые пластмассы.

7. Полимеры можно использовать для изготовления предметов, которые не имеют альтернативы из других материалов. Полимеры могут быть превращены в прозрачные, водонепроницаемые пленки. ПВХ используется для изготовления медицинских трубок и пакетов для крови, которые продлевают срок хранения крови и продуктов крови. ПВХ безопасно доставляет горючий кислород в негорючие гибкие трубки. А антитромбогенный материал, такой как гепарин, может быть включен в гибкие катетеры из ПВХ для операций на открытом сердце, диализа и сбора крови. Многие медицинские устройства полагаются на полимеры для обеспечения эффективного функционирования.

Управление твердыми отходами

При рассмотрении всех превосходных свойств полимеров, одинаково важно обсудить некоторые проблемы, связанные с материалами.Большинство пластиков портятся при полном солнечном свете, но никогда не разлагаются полностью при захоронении на полигонах Однако другие материалы, такие как стекло, бумага или алюминий, также не разлагаются на свалках. Однако некоторые биопластики разлагаются до углекислого газа и воды только на специально разработанных коммерческих объектах компостирования пищевых отходов. Они не разлагаются при других обстоятельствах.

За 2005 год ¹ Характеристика EPA муниципальных твердых отходов перед переработкой в ​​Соединенных Штатах показала, что пластмассы составили 11.8 процентов нашего мусора по весу по сравнению с бумагой, которая составляла 34,2 процента. Стекло и металлы составляли 12,8 процента по весу. Причем дворовые заготовки составляли 13,1% твердых бытовых отходов по весу. Пищевые отходы составляют 11,9% твердых бытовых отходов. Характеристики, которые делают полимеры такими привлекательными и полезными, легкие и практически безграничные физические формы многих полимеров, разработанных для обеспечения особого внешнего вида и функциональности, затрудняют переработку после потребления. Когда можно собрать достаточно использованных пластмассовых изделий, компании разрабатывают технологии для переработки этих использованных пластмасс.Скорость переработки всех пластиков не так высока, как хотелось бы. Но коэффициент переработки 1170 000 000 фунтов бутылок из полиэстера, 23,1%, переработанных в 2005 году, и 953 000 000 фунтов бутылок из полиэтилена высокой плотности, 28,8%, переработанных в 2005 году, показывают, что при наличии критической массы определенного материала, рециркуляция может быть коммерческий успех ² .

Приложения для переработанных пластмасс растут с каждым днем. Вторичный пластик может быть смешан с первичным пластиком (пластик, который не был обработан ранее) без ущерба для свойств во многих областях применения.Переработанный пластик используется для изготовления полимерных пиломатериалов для использования на столах для пикника, на заборах и на открытых игровых площадках, обеспечивая тем самым низкие эксплуатационные расходы, отсутствие осколков и сохранение натуральных пиломатериалов. Пластик из безалкогольных напитков и бутылок с водой может быть пряден в волокно для производства ковров или превращен в новые пищевые бутылки. Рециркуляция с замкнутым контуром имеет место, но иногда наиболее ценное использование переработанного пластика — это применение, отличное от первоначального использования.

Опцией для пластмасс, которые не подлежат вторичной переработке, особенно загрязненных, таких как использованная пищевая пленка или подгузники, может быть система «отходы в энергию» (WTE).В 2005 году 13,6% твердых бытовых отходов США было переработано в системах WTE ¹ . Когда местные органы власти решают использовать системы переработки отходов в энергию для управления твердыми отходами, пластмассы могут быть полезным компонентом.

Контролируемое сжигание полимеров производит тепловую энергию. Тепловая энергия, вырабатываемая при сжигании пластиковых бытовых отходов, не только может быть преобразована в электрическую энергию, но также помогает сжигать имеющийся влажный мусор. Бумага также производит тепло при сжигании, но не так сильно, как пластмасса.С другой стороны, стекло, алюминий и другие металлы не выделяют энергию при сжигании.

Чтобы лучше понять процесс сжигания, рассмотрите дым, выходящий из горящего предмета. Если бы зажечь дым зажженной пропановой горелкой, можно было бы заметить, что дым исчезает. Это упражнение показывает, что побочные продукты неполного сгорания все еще горючи. Правильное сжигание сжигает материал и побочные продукты первоначального сжигания, а также заботится о выбросах воздуха и твердых частиц для обеспечения общественной безопасности.

Некоторые пластмассы могут быть компостированы либо из-за специальных добавок, либо из-за конструкции полимеров. Компостируемые пластмассы часто требуют более интенсивных условий для разложения, чем те, которые имеются в задних компостных сваях. Коммерческие компостеры предлагаются для компостируемых пластиков. В 2005 году ¹ , при компостировании было переработано 8,4% твердых бытовых отходов США.

Пластмассы также можно безопасно заполнить землей, хотя ценные энергетические ресурсы пластмасс будут потеряны для переработки или сбора энергии.В 2005 году ¹ , 54,3% твердых бытовых отходов США были заполнены землей. Пластмассы используются для выравнивания свалок, так что выщелачивание задерживается и грунтовые воды не загрязняются. Неразрушающий пластик помогает стабилизировать почву, так что после того, как свалка закрыта, земля может быть достаточно устойчивой для полезного будущего.

Полимеры влияют на каждый день нашей жизни. Эти материалы имеют так много различных характеристик и применений, что их полезность может быть измерена только нашим воображением.Полимеры — это материалы прошлого, настоящего и будущих поколений.

¹ Агентство по охране окружающей среды США, «Муниципальные твердые отходы в США, 2005 г. Факты и цифры, EPA530-R-06-011, октябрь 2006 г.
² Американский совет по химии, «Национальный доклад 2005 года об утилизации пластиковых бутылок после потребления»

,