Основні промислові полімери , хімічні сполуки, що використовуються у виробництві синтетичних промислових матеріалів.
У комерційному виробництві пластмас, еластомерів, штучних волокон, клеїв та поверхневих покриттів використовується величезна різноманітність полімерів. Існує багато способів класифікації цих сполук. У статті промислові полімери, хімія, полімери класифікуються залежно від того, чи утворюються вони за допомогою реакцій ланцюгового або крокового росту. У пластмасі (термопластичні та термореактивні смоли) полімери поділяються на ті, які розчиняються в селективних розчинниках і можуть оборотно розм’якшуватися теплом (термопласти), і ті, що утворюють тривимірні мережі, які не розчиняються і не можуть пом’якшуватися теплом без розкладання (термореактори). У цій статті штучне волокно класифікується як виготовлене із модифікованих природних полімерів або виготовлене із повністю синтетичних полімерів.
У цій статті основні комерційно використовувані полімери розділені за складом їх "кістяків", ланцюгів пов'язаних повторюваних ланок, що складають макромолекули. Класифіковані за складом, промислові полімери - це або вуглецеві ланцюгові полімери (також звані вінілами), або гетероланцюгові полімери (також звані невуглецевими ланцюгами, або невініли). Як випливає з назви, у вуглецевих ланцюгових полімерах основи складаються із зв’язків між атомами вуглецю; у гетероланцюгових полімерах ряд інших елементів пов’язаний між собою в кістяках, включаючи кисень, азот, сірку та кремній.
Вуглецеві ланцюгові полімери
Поліолефіни та споріднені полімери
На сьогоднішній день найважливішими промисловими полімерами (наприклад, практично всі товарні пластмаси) є полімеризовані олефіни. Олефіни - це вуглеводні (сполуки, що містять водень [H] та вуглець [C]), молекули яких містять пару атомів вуглецю, пов’язаних між собою подвійним зв’язком. Найчастіше одержувані з природного газу або з низькомолекулярних компонентів нафти, вони включають етилен, пропілен та бутен (бутилен).
Молекули олефіну зазвичай представлені хімічною формулою CH 2 = CHR, причому R являє собою атом або підвісну молекулярну групу різного складу. Як повторювана одиниця полімерної молекули їх хімічна структура може бути представлена у вигляді:
Склад і структура R визначає, який з величезного набору можливих властивостей продемонструє полімер.
Поліетилен (PE)
Етилен, який зазвичай утворюється при крекінгу газоподібного етану, становить основу для найбільшого єдиного класу пластмас - поліетиленів. Етиленовий мономер має хімічний склад CH 2 = CH 2 ; як повторювана одиниця поліетилену має наступну хімічну структуру:
Ця проста структура може бути виготовлена у лінійних або розгалужених формах, таких як ті, що проілюстровані на малюнках 1 і 2. Розгалужені варіанти відомі як поліетилен низької щільності (LDPE) або лінійний поліетилен низької щільності (LLDPE); лінійні варіанти відомі як поліетилен високої щільності (HDPE) та поліетилен надвисокої молекулярної маси (UHMWPE).
У 1899 р. Німецький хімік Ганс фон Пехманн спостерігав утворення білого осаду під час авторозкладання діазометану в ефірі. У 1900 р. Німецькі хіміки Євген Бамбергер та Фрідріх Чирнер визначили цю сполуку як поліметилен ([CH 2 ] n ), полімер, який практично ідентичний поліетилену. У 1935 р. Британські хіміки Ерік Фосетт та Реджинальд Гібсон отримали воскоподібний твердий ПЕ під час спроби взаємодії етилену з бензальдегідом під високим тиском. Оскільки продукт мав мало потенційного використання, розробка йшла повільно. Як результат, перший промисловий ПЕ - насправді нерегулярно розгалужений ПВД - був вироблений лише в 1939 році Imperial Chemical Industries (ICI). Вперше він був використаний під час Другої світової війни як ізолятор для радіолокаційних кабелів.
У 1930 році Карл Шипп Марвел, американський хімік, який працював консультантом у EI du Pont de Nemours & Company, Inc., відкрив продукт з високою щільністю, але DuPont не зміг визнати потенціал матеріалу. Карлу Циглеру з Інституту досліджень вугілля кайзера Вільгельма (нині Макс Планк) Мюльхайм-на-Рурі, Німеччина, залишилося виграти Нобелівську премію з хімії в 1963 році за винахід лінійного ПНД, який Циглер насправді виробляв разом з Ерхардом Хольцкампом у 1953, каталізуючи реакцію при низькому тиску з металоорганічною сполукою, відтепер відомою як каталізатор Циглера. Застосовуючи різні каталізатори та методи полімеризації, вчені згодом виробляли ПЕ з різними властивостями та структурою. Наприклад, LLDPE був введений компанією Phillips Petroleum Company в 1968 році.
LDPE готується з газоподібного етилену під дуже високим тиском (до 350 мегапаскалів, або 50 000 фунтів на квадратний дюйм) і високими температурами (до 350 ° C, або 660 ° F) у присутності ініціаторів перекису. Ці процеси дають полімерну структуру як з довгими, так і з короткими гілками. Як результат, ПВД є лише частково кристалічним, що дає матеріал з високою гнучкістю. Основними напрямками використання є пакувальна плівка, сміттєві та продуктові пакети, сільськогосподарська мульча, ізоляція дроту та кабелю, віджимання пляшок, іграшок та посуду.
Деякі ПЕВН реагують з хлором (Cl) або з хлором та діоксидом сірки (SO 2 ), щоб ввести хлор або хлорсульфонільні групи вздовж полімерних ланцюгів. Такі модифікації призводять до хлорованого поліетилену (СМ) або хлорсульфонованого поліетилену (CSM), практично некристалічного та еластичного матеріалу. У процесі, подібному до вулканізації, зшивання молекул може здійснюватися через хлорну або хлорсульфонільну групи, перетворюючи матеріал на гумову тверду речовину. Оскільки їх основні полімерні ланцюги насичені, еластомери CM та CSM мають високу стійкість до окислення та атаки озону, а їх вміст хлору надає певну вогнестійкість та стійкість до набухання вуглеводневих масел. В основному вони використовуються для шлангів, ременів, термостійких ущільнень та тканин з покриттям.
LLDPE за своєю структурою схожий на LDPE. Його виготовляють шляхом кополімеризації етилену з 1-бутеном та меншими кількостями 1-гексена та 1-октену, використовуючи каталізатори Циглера-Натти або металоцену. Отримана структура має лінійний каркас, але вона має короткі, рівномірні гілки, які, як і довші гілки ПВД, заважають полімерним ланцюгам щільно упаковуватися. Основними перевагами LLDPE є те, що умови полімеризації менш енергоємні та що властивості полімеру можуть бути змінені шляхом зміни типу та кількості сомономеру (мономеру, кополімеризованого з етиленом). Загалом, LLDPE має властивості, подібні до LDPE, і конкурує на тих же ринках.
ПНД виготовляється при низьких температурах і тиску з використанням каталізаторів Циглера-Натти та металоцену або активованого оксиду хрому (відомого як каталізатор Філіпса). Відсутність гілок дозволяє полімерним ланцюгам щільно упаковуватись, що призводить до щільного висококристалічного матеріалу високої міцності та помірної жорсткості. Використання включає формовані пляшки для молока та побутових чистячих засобів та формовані відра, кришки від пляшок, корпуси приладів та іграшки.
UHMWPE виготовляється з молекулярною вагою від 3 до 6 мільйонів атомних одиниць, на відміну від 500 000 атомних одиниць для ПНД. Ці полімери можна прясти у волокна і витягувати, або розтягувати, у висококристалічний стан, що призводить до високої жорсткості та міцності на розрив, що багаторазово перевищує сталь. Пряжа з цих волокон вплетена в бронежилети.
