Materiais poliméricos: tecnologia, tipos, produção e aplicação

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

Materiais poliméricos são compostos químicos altamente moleculares que consistem em vários monômeros moleculares pequenos (unidades) da mesma estrutura. Freqüentemente, os seguintes componentes monoméricos são usados para a fabricação de polímeros: etileno, cloreto de vinil, decloreto de vinil, acetato de vinil, propileno, metacrilato de metila, tetrafluoroetileno, estireno, uréia, melamina, formaldeído, fenol. Neste artigo, consideraremos em detalhes o que são materiais poliméricos, quais são suas propriedades químicas e físicas, classificação e tipos.

Tipos de polímeros

Uma característica das moléculas deste material é um grande peso molecular, que corresponde ao seguinte valor: М>5103. Compostos com um nível mais baixo deste parâmetro (M=500-5000) são chamados de oligômeros. Em compostos de baixo peso molecular, a massa é inferior a 500. Distinguem-se os seguintes tipos de materiais poliméricos: sintéticos e naturais. Estes últimos incluem borracha natural, mica, lã, amianto, celulose, etc. No entanto, o lugar principal é ocupado por polímeros sintéticos, que são obtidos como resultado de um processo de síntese química a partir de compostos de baixo peso molecular. dependendodo método de fabricação de materiais altamente moleculares, distinguem-se os polímeros, que são criados por policondensação ou por uma reação de adição.

Polimerização

Este processo é uma combinação de componentes de baixo peso molecular em alto peso molecular para obter cadeias longas. O nível de polimerização é o número de "mers" nas moléculas de uma determinada composição. Na maioria das vezes, os materiais poliméricos contêm de mil a dez mil de suas unidades. Os seguintes compostos comumente usados são obtidos por polimerização: polietileno, polipropileno, cloreto de polivinila, politetrafluoretileno, poliestireno, polibutadieno, etc.

Policondensação

Este processo é uma reação passo a passo, que consiste em combinar um grande número de monômeros do mesmo tipo, ou um par de grupos diferentes (A e B) em policapacitores (macromoléculas) com a formação simultânea das seguintes subprodutos: álcool metílico, dióxido de carbono, cloreto de hidrogênio, amônia, água, etc. A policondensação produz silicones, polissulfonas, policarbonatos, aminoplásticos, plásticos fenólicos, poliésteres, poliamidas e outros materiais poliméricos.

Poliadição

Este processo é entendido como a formação de polímeros como resultado de reações de adição múltipla de componentes monoméricos que contêm combinações de reação limitantes a monômeros de grupos insaturados (ciclos ativos ou ligações duplas). Ao contrário da policondensação, a reação de poliadição prossegue sem quaisquer subprodutos. O processo mais importante desta tecnologia é a cura de resinas epóxi e a produção de poliuretanos.

Classificação de polímeros

A composição de todos os materiais poliméricos são divididos em inorgânicos, orgânicos e organoelementos. O primeiro deles (vidro de silicato, mica, amianto, cerâmica, etc.) não contém carbono atômico. Eles são baseados em óxidos de alumínio, magnésio, silício, etc. Os polímeros orgânicos constituem a classe mais extensa, pois contêm átomos de carbono, hidrogênio, nitrogênio, enxofre, halogênio e oxigênio. Os materiais poliméricos organoelementos são compostos que nas cadeias principais possuem, além dos listados, átomos de silício, alumínio, titânio e outros elementos que podem se combinar com radicais orgânicos. Tais combinações não ocorrem na natureza. Estes são polímeros exclusivamente sintéticos. Os representantes característicos deste grupo são compostos à base de organossilício, cuja cadeia principal é construída a partir de átomos de oxigênio e silício.

Para obter polímeros com as propriedades exigidas, a tecnologia muitas vezes não utiliza substâncias “puras”, mas suas combinações com componentes orgânicos ou inorgânicos. Um bom exemplo são os materiais de construção poliméricos: metal-plástico, plásticos, fibra de vidro, concreto polimérico.

Estrutura de Polímeros

A peculiaridade das propriedades desses materiais se deve à sua estrutura, que, por sua vez, é dividida nos seguintes tipos: linear-ramificado, linear, espacialcom grandes grupos moleculares e estruturas geométricas muito específicas, assim como escada. Vamos considerar brevemente cada um deles.

Materiais poliméricos com estrutura linearmente ramificada, além da cadeia principal de moléculas, possuem ramificações laterais. Esses polímeros incluem polipropileno e poliisobutileno.

Materiais com estrutura linear possuem longas cadeias em ziguezague ou espiral. Suas macromoléculas são caracterizadas principalmente por repetições de sítios em um grupo estrutural de um elo ou unidade química da cadeia. Polímeros com uma estrutura linear distinguem-se pela presença de macromoléculas muito longas com uma diferença significativa na natureza das ligações ao longo da cadeia e entre elas. Isso se refere a ligações intermoleculares e químicas. As macromoléculas de tais materiais são muito flexíveis. E esta propriedade é a base das cadeias poliméricas, o que leva a características qualitativamente novas: alta elasticidade, bem como a ausência de fragilidade no estado curado.

E agora vamos descobrir o que são materiais poliméricos com estrutura espacial. Essas substâncias formam, quando as macromoléculas são combinadas entre si, fortes ligações químicas na direção transversal. Como resultado, obtém-se uma estrutura de malha, que possui uma base não uniforme ou espacial da malha. Polímeros deste tipo têm maior resistência ao calor e rigidez do que os lineares. Esses materiais são a base de muitas substâncias estruturais não metálicas.

Moléculas de materiais poliméricos com estrutura em escada consistem em um par de cadeias que são conectadas por uma ligação química. Esses incluempolímeros de organossilício, que se caracterizam por maior rigidez, resistência ao calor, além disso, não interagem com solventes orgânicos.

Composição de fases de polímeros

Esses materiais são sistemas que consistem em regiões amorfas e cristalinas. O primeiro deles ajuda a reduzir a rigidez, torna o polímero elástico, ou seja, capaz de grandes deformações reversíveis. A fase cristalina ajuda a aumentar sua resistência, dureza, módulo de elasticidade e outros parâmetros, enquanto reduz a flexibilidade molecular da substância. A razão do volume de todas essas áreas para o volume total é chamada de grau de cristalização, onde o nível máximo (até 80%) tem polipropilenos, fluoroplastos, polietilenos de alta densidade. Policloretos de vinila, polietilenos de baixa densidade, apresentam menor grau de cristalização.

Dependendo de como os materiais poliméricos se comportam quando aquecidos, geralmente são divididos em termofixos e termoplásticos.

Polímeros termofixos

Esses materiais têm principalmente uma estrutura linear. Quando aquecidos, eles amolecem, mas como resultado de reações químicas que ocorrem neles, a estrutura muda para espacial e a substância se transforma em um sólido. No futuro, esta qualidade é mantida. Os materiais compósitos poliméricos são construídos com base neste princípio. Seu aquecimento subsequente não amolece a substância, mas apenas leva à sua decomposição. A mistura termofixa acabada não se dissolve ou derrete, portantonão é permitido reciclá-lo. Este tipo de material inclui silicone epóxi, fenol-formaldeído e outras resinas.

Polímeros termoplásticos

Esses materiais, quando aquecidos, primeiro amolecem e depois derretem, e depois endurecem quando resfriados. Os polímeros termoplásticos não sofrem alterações químicas durante este tratamento. Isso torna o processo completamente reversível. As substâncias deste tipo têm uma estrutura linear ramificada ou linear de macromoléculas, entre as quais atuam pequenas forças e não há absolutamente nenhuma ligação química. Estes incluem polietilenos, poliamidas, poliestirenos, etc. A tecnologia dos materiais poliméricos do tipo termoplástico prevê sua produção por moldagem por injeção em moldes resfriados a água, prensagem, extrusão, sopro e outros métodos.

Propriedades Químicas

Os polímeros podem estar nos seguintes estados: sólido, líquido, amorfa, fase cristalina, bem como deformação altamente elástica, viscosa e vítrea. A ampla utilização de materiais poliméricos se deve à sua alta resistência a diversos meios agressivos, como ácidos concentrados e álcalis. Eles não estão sujeitos à corrosão eletroquímica. Além disso, com o aumento de seu peso molecular, a solubilidade do material em solventes orgânicos diminui. E os polímeros, que possuem estrutura tridimensional, geralmente não são afetados pelos líquidos mencionados.

Propriedades físicas

A maioria dos polímeros são isolantes, além disso, são materiais não magnéticos. De todos os materiais estruturais utilizados, apenas eles têm a menor condutividade térmica e a maior capacidade térmica, além de retração térmica (cerca de vinte vezes mais que a do metal). A razão para a perda de estanqueidade de vários conjuntos de vedação sob condições de baixa temperatura é a chamada transição vítrea da borracha, bem como a diferença acentuada entre os coeficientes de expansão de metais e borrachas no estado vitrificado.

Propriedades mecânicas

Os materiais poliméricos possuem uma ampla gama de características mecânicas, que são altamente dependentes de sua estrutura. Além desse parâmetro, vários fatores externos podem ter grande influência nas propriedades mecânicas de uma substância. Estes incluem: temperatura, frequência, duração ou taxa de carregamento, tipo de estado de tensão, pressão, natureza do ambiente, tratamento térmico, etc. Uma característica das propriedades mecânicas dos materiais poliméricos é sua resistência relativamente alta com rigidez muito baixa (comparado a metais).

Os polímeros são geralmente divididos em sólidos, cujo módulo de elasticidade corresponde a E=1–10 GPa (fibras, filmes, plásticos), e substâncias macias altamente elásticas, cujo módulo de elasticidade é E=1– 10 MPa (borracha). Os padrões e mecanismos de destruição de ambos são diferentes.

Os materiais poliméricos são caracterizados por uma pronunciada anisotropia de propriedades, bem como uma diminuição da resistência, o desenvolvimento de fluência sob carregamento de longo prazo. Junto com isso elestêm uma resistência à fadiga relativamente alta. Comparados com os metais, eles diferem em uma dependência mais acentuada das propriedades mecânicas da temperatura. Uma das principais características dos materiais poliméricos é a deformabilidade (flexibilidade). De acordo com este parâmetro, em uma ampla faixa de temperatura, costuma-se avaliar suas principais propriedades operacionais e tecnológicas.

Materiais para pisos de polímero

Agora vamos considerar uma das opções para a aplicação prática de polímeros, revelando toda a gama desses materiais. Estas substâncias são amplamente utilizadas em obras de construção e reparação e acabamentos, nomeadamente em pavimentos. A grande popularidade é explicada pelas características das substâncias em questão: são resistentes à abrasão, têm baixa condutividade térmica, têm pouca absorção de água, são bastante fortes e duras e possuem alta qualidade de tinta e verniz. A produção de materiais poliméricos pode ser condicionalmente dividida em três grupos: linóleos (laminados), produtos de ladrilhos e misturas para a instalação de pisos sem costura. Vamos dar uma olhada rápida em cada um agora.

Os linóleos são feitos com base em diferentes tipos de cargas e polímeros. Eles também podem incluir plastificantes, auxiliares de processamento e pigmentos. Dependendo do tipo de material polimérico, são distinguidos poliéster (gliftálico), cloreto de polivinila, borracha, coloxilina e outros revestimentos. Além disso, de acordo com a estrutura, eles são divididos em sem base e com base isolante de som e calor, camada única e multicamada, com uma camada lisa e felpuda.e superfície ondulada, bem como única e multicolorida.

Os materiais cerâmicos feitos com base em componentes poliméricos apresentam baixíssima abrasão, resistência química e durabilidade. Dependendo do tipo de matéria-prima, este tipo de produtos poliméricos é dividido em cumarona-cloreto de polivinila, cumarona, cloreto de polivinila, borracha, fenolite, telhas betuminosas, além de aglomerado e fibra.

Os materiais para pisos sem costura são os mais convenientes e higiênicos de usar, possuem alta resistência. Essas misturas são geralmente divididas em cimento polimérico, concreto polimérico e acetato de polivinila.