วัสดุพอลิเมอร์: เทคโนโลยี ชนิด การผลิต และการใช้งาน

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 10:42

วัสดุพอลิเมอร์เป็นสารประกอบโมเลกุลสูงทางเคมีที่ประกอบด้วยโมโนเมอร์โมเลกุลขนาดเล็กจำนวนมาก (หน่วย) ที่มีโครงสร้างเดียวกัน มักใช้ส่วนประกอบโมโนเมอร์ต่อไปนี้สำหรับการผลิตโพลีเมอร์: เอทิลีน ไวนิลคลอไรด์ ไวนิลดีคลอไรด์ ไวนิลอะซิเตท โพรพิลีน เมทิลเมทาคริเลต เตตระฟลูออโรเอทิลีน สไตรีน ยูเรีย เมลามีน ฟอร์มัลดีไฮด์ ฟีนอล ในบทความนี้ เราจะพิจารณาโดยละเอียดว่าวัสดุโพลีเมอร์คืออะไร คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพ การจำแนกประเภทและประเภทคืออะไร

ประเภทของโพลีเมอร์

คุณลักษณะของโมเลกุลของวัสดุนี้คือน้ำหนักโมเลกุลขนาดใหญ่ ซึ่งสอดคล้องกับค่าต่อไปนี้: М>5103 สารประกอบที่มีระดับต่ำกว่าของพารามิเตอร์นี้ (M=500-5000) เรียกว่าโอลิโกเมอร์ ในสารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ มีมวลน้อยกว่า 500 วัสดุโพลีเมอร์ต่อไปนี้มีความโดดเด่น: สังเคราะห์และเป็นธรรมชาติ หลังรวมถึงยางธรรมชาติ ไมกา ขนสัตว์ ใยหิน เซลลูโลส ฯลฯ อย่างไรก็ตาม สถานที่หลักถูกครอบครองโดยโพลีเมอร์สังเคราะห์ซึ่งได้มาจากกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมีจากสารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ขึ้นอยู่กับจากวิธีการผลิตวัสดุที่มีโมเลกุลสูง โพลีเมอร์มีความโดดเด่น ซึ่งเกิดขึ้นจากการรวมตัวของไอน้ำหรือปฏิกิริยาการเติม

พอลิเมอไรเซชัน

กระบวนการนี้เป็นการผสมผสานระหว่างส่วนประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำเข้ากับน้ำหนักโมเลกุลสูงเพื่อให้ได้สายโซ่ยาว ระดับของโพลิเมอไรเซชันคือจำนวน "เมอร์" ในโมเลกุลขององค์ประกอบที่กำหนด วัสดุโพลีเมอร์ส่วนใหญ่มักมีตั้งแต่หนึ่งพันถึงหนึ่งหมื่นหน่วย สารประกอบที่ใช้กันทั่วไปต่อไปนี้ได้มาจากกระบวนการโพลิเมอไรเซชัน: โพลิเอทิลีน โพลิโพรพิลีน โพลิไวนิลคลอไรด์ โพลิเตตระฟลูออโรเอทิลีน โพลิสไตรีน โพลีบิวทาไดอีน เป็นต้น

ควบแน่น

กระบวนการนี้เป็นปฏิกิริยาแบบเป็นขั้น ซึ่งประกอบไปด้วยการรวมมอนอเมอร์ประเภทเดียวกันจำนวนมากหรือกลุ่มที่แตกต่างกัน (A และ B) เข้าด้วยกันเป็นพอลิคาปาซิเตอร์ (โมเลกุลขนาดใหญ่) โดยมีรูปแบบดังต่อไปนี้ ผลพลอยได้: เมทิลแอลกอฮอล์ คาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรเจนคลอไรด์ แอมโมเนีย น้ำ ฯลฯ การควบแน่นทำให้เกิดซิลิโคน โพลีซัลโฟน โพลีคาร์บอเนต พลาสติกอะมิโน พลาสติกฟีนอล โพลีเอสเตอร์ โพลิเอไมด์ และวัสดุโพลีเมอร์อื่นๆ

Polyaddition

กระบวนการนี้เข้าใจว่าเป็นการก่อตัวของโพลีเมอร์อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาของการเพิ่มส่วนประกอบโมโนเมอร์หลายตัวที่มีการรวมปฏิกิริยาจำกัดกับโมโนเมอร์ของกลุ่มที่ไม่อิ่มตัว (วัฏจักรแอคทีฟหรือพันธะคู่) ปฏิกิริยาโพลีแอดดิชันดำเนินไปโดยไม่มีผลพลอยได้ไม่เหมือนกับการควบแน่นกระบวนการที่สำคัญที่สุดของเทคโนโลยีนี้คือ การบ่มอีพอกซีเรซินและการผลิตโพลียูรีเทน

การจำแนกโพลีเมอร์

องค์ประกอบของวัสดุพอลิเมอร์ทั้งหมดแบ่งออกเป็นอนินทรีย์ อินทรีย์ และออร์กาโนเอเลเมนต์ อย่างแรก (แก้วซิลิเกต ไมกา แร่ใยหิน เซรามิก ฯลฯ) ไม่มีอะตอมคาร์บอน ขึ้นอยู่กับออกไซด์ของอลูมิเนียม แมกนีเซียม ซิลิกอน ฯลฯ โพลีเมอร์อินทรีย์เป็นประเภทที่กว้างขวางที่สุด ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน กำมะถัน ฮาโลเจน และออกซิเจน วัสดุโพลีเมอร์องค์ประกอบออร์แกนโนเป็นสารประกอบที่อยู่ในสายโซ่หลักมีอะตอมของซิลิกอน อะลูมิเนียม ไททาเนียม และองค์ประกอบอื่นๆ ที่สามารถรวมกับอนุมูลอินทรีย์ได้ ชุดค่าผสมดังกล่าวไม่ได้เกิดขึ้นในธรรมชาติ เหล่านี้เป็นโพลีเมอร์สังเคราะห์โดยเฉพาะ ตัวแทนลักษณะของกลุ่มนี้คือสารประกอบจากออร์กาโนซิลิกอน ซึ่งเป็นสายโซ่หลักที่สร้างจากอะตอมของออกซิเจนและซิลิกอน

เพื่อให้ได้พอลิเมอร์ที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ เทคโนโลยีมักไม่ใช้สารที่ "บริสุทธิ์" แต่ใช้สารเหล่านี้ร่วมกับส่วนประกอบอินทรีย์หรืออนินทรีย์ ตัวอย่างที่ดีคือวัสดุก่อสร้างโพลีเมอร์: โลหะ-พลาสติก, พลาสติก, ไฟเบอร์กลาส, คอนกรีตโพลีเมอร์

โครงสร้างของโพลีเมอร์

ลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติของวัสดุเหล่านี้เกิดจากโครงสร้างของวัสดุ ซึ่งจะแบ่งออกเป็นประเภทต่อไปนี้: กิ่งแบบเส้นตรง, เส้นตรง, เชิงพื้นที่ด้วยกลุ่มโมเลกุลขนาดใหญ่และโครงสร้างทางเรขาคณิตที่เฉพาะเจาะจงมาก เช่นเดียวกับบันได ลองพิจารณาแต่ละอย่างคร่าวๆ

วัสดุพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างแยกเป็นเส้นตรง นอกจากสายโซ่หลักของโมเลกุลแล้ว ยังมีกิ่งด้านข้าง โพลีเมอร์เหล่านี้ได้แก่ พอลิโพรพิลีนและโพลิไอโซบิวทิลีน

วัสดุที่มีโครงสร้างเป็นเส้นตรงมีโซ่ซิกแซกหรือเกลียวยาว โมเลกุลขนาดใหญ่ของพวกมันมีลักษณะเฉพาะเบื้องต้นโดยการทำซ้ำของตำแหน่งในกลุ่มโครงสร้างกลุ่มเดียวของตัวเชื่อมหรือหน่วยทางเคมีของสายโซ่ โพลีเมอร์ที่มีโครงสร้างเชิงเส้นมีความโดดเด่นด้วยการมีโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ยาวมากซึ่งมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในธรรมชาติของพันธะตามสายโซ่และระหว่างพวกมัน หมายถึงพันธะระหว่างโมเลกุลและพันธะเคมี โมเลกุลขนาดใหญ่ของวัสดุดังกล่าวมีความยืดหยุ่นสูง และคุณสมบัตินี้เป็นพื้นฐานของสายโซ่โพลีเมอร์ ซึ่งนำไปสู่คุณสมบัติใหม่เชิงคุณภาพ: ความยืดหยุ่นสูง เช่นเดียวกับการขาดความเปราะบางในสภาวะที่บ่ม

ตอนนี้เรามาดูกันว่าวัสดุโพลีเมอร์ที่มีโครงสร้างเชิงพื้นที่คืออะไร สารเหล่านี้ก่อตัวขึ้นเมื่อโมเลกุลขนาดใหญ่รวมกันจะเกิดพันธะเคมีที่แรงในทิศทางตามขวาง เป็นผลให้ได้โครงสร้างตาข่ายซึ่งมีพื้นฐานที่ไม่สม่ำเสมอหรือเชิงพื้นที่ของตาข่าย โพลีเมอร์ประเภทนี้มีความต้านทานความร้อนและความแข็งแกร่งมากกว่าโพลีเมอร์เชิงเส้น วัสดุเหล่านี้เป็นพื้นฐานของสารที่ไม่ใช่โลหะที่มีโครงสร้างมากมาย

โมเลกุลของวัสดุพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างแบบขั้นบันไดประกอบด้วยโซ่คู่หนึ่งที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมี ได้แก่โพลีเมอร์ออร์กาโนซิลิกอนซึ่งมีความแข็งแกร่งเพิ่มขึ้น ทนความร้อน นอกจากนี้ยังไม่ทำปฏิกิริยากับตัวทำละลายอินทรีย์

องค์ประกอบเฟสของโพลีเมอร์

วัสดุเหล่านี้เป็นระบบที่ประกอบด้วยบริเวณอสัณฐานและผลึก ประการแรกช่วยลดความแข็งทำให้พอลิเมอร์ยืดหยุ่นได้นั่นคือความสามารถในการเปลี่ยนรูปแบบย้อนกลับได้มาก เฟสผลึกช่วยเพิ่มความแข็งแรง ความแข็ง โมดูลัสยืดหยุ่น และพารามิเตอร์อื่นๆ ในขณะที่ลดความยืดหยุ่นของโมเลกุลของสาร อัตราส่วนของปริมาตรของพื้นที่ดังกล่าวทั้งหมดต่อปริมาตรทั้งหมดเรียกว่าระดับของการตกผลึก ซึ่งระดับสูงสุด (มากถึง 80%) มีโพลีโพรพีลีน ฟลูออโรพลาสต์ และโพลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง โพลิไวนิลคลอไรด์ โพลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำมีระดับการตกผลึกที่ต่ำกว่า

ขึ้นอยู่กับว่าวัสดุโพลีเมอร์มีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อถูกความร้อน พวกมันมักจะแบ่งออกเป็นเทอร์โมเซตติงและเทอร์โมพลาสติก

เทอร์โมเซตโพลีเมอร์

วัสดุเหล่านี้มีโครงสร้างเชิงเส้นเป็นหลัก เมื่อถูกความร้อนจะอ่อนตัวลง แต่เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น โครงสร้างจะเปลี่ยนเป็นแบบเชิงพื้นที่และสารจะกลายเป็นของแข็ง ในอนาคตคุณภาพนี้จะคงอยู่ วัสดุพอลิเมอร์คอมโพสิตสร้างขึ้นบนหลักการนี้ ความร้อนที่ตามมาไม่ได้ทำให้สารนิ่มลง แต่จะนำไปสู่การสลายตัวเท่านั้น ส่วนผสมของเทอร์โมเซตที่เสร็จแล้วจะไม่ละลายหรือหลอมเหลว ดังนั้นไม่อนุญาตให้นำไปรีไซเคิล วัสดุประเภทนี้รวมถึงอีพ็อกซี่ซิลิโคน ฟีนอล-ฟอร์มาลดีไฮด์ และเรซินอื่นๆ

เทอร์โมพลาสติกโพลีเมอร์

วัสดุเหล่านี้เมื่อถูกความร้อน ขั้นแรกจะนิ่มและละลาย จากนั้นจึงแข็งตัวเมื่อเย็น เทอร์โมพลาสติกโพลีเมอร์จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีระหว่างการรักษานี้ ทำให้กระบวนการนี้ย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ สารประเภทนี้มีโครงสร้างเป็นเส้นตรงหรือเป็นเส้นตรงของโมเลกุลขนาดใหญ่ ซึ่งระหว่างแรงขนาดเล็กกระทำและไม่มีพันธะเคมีโดยเด็ดขาด ซึ่งรวมถึงโพลิเอธิลีน โพลิเอไมด์ โพลิสไตรีน เป็นต้น เทคโนโลยีของวัสดุพอลิเมอร์ชนิดเทอร์โมพลาสติกมีไว้เพื่อการผลิตโดยการฉีดขึ้นรูปในแม่พิมพ์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ การกด การอัดรีด การเป่า และวิธีการอื่นๆ

คุณสมบัติทางเคมี

พอลิเมอร์สามารถอยู่ในสถานะต่อไปนี้: ของแข็ง ของเหลว อสัณฐาน เฟสผลึก เช่นเดียวกับการเปลี่ยนรูปที่ยืดหยุ่นสูง หนืด และเป็นแก้ว การใช้วัสดุโพลีเมอร์อย่างแพร่หลายเนื่องจากความต้านทานสูงต่อตัวกลางที่มีฤทธิ์รุนแรง เช่น กรดเข้มข้นและด่าง ไม่อยู่ภายใต้การกัดกร่อนของไฟฟ้าเคมี นอกจากนี้ เมื่อน้ำหนักโมเลกุลเพิ่มขึ้น ความสามารถในการละลายของวัสดุในตัวทำละลายอินทรีย์จะลดลง และโพลีเมอร์ซึ่งมีโครงสร้างสามมิติโดยทั่วไปจะไม่ได้รับผลกระทบจากของเหลวที่กล่าวถึง

สมบัติทางกายภาพ

โพลีเมอร์ส่วนใหญ่เป็นฉนวน นอกจากนี้ยังเป็นวัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็กอีกด้วย ในบรรดาวัสดุโครงสร้างทั้งหมด มีเพียงวัสดุเหล่านี้ที่มีค่าการนำความร้อนต่ำสุดและความจุความร้อนสูงสุด รวมถึงการหดตัวด้วยความร้อน (มากกว่าโลหะประมาณยี่สิบเท่า) สาเหตุของการสูญเสียความหนาแน่นของส่วนประกอบการซีลต่างๆ ภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำคือการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วของยาง เช่นเดียวกับความแตกต่างที่คมชัดระหว่างค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของโลหะและยางในสถานะเป็นแก้ว

คุณสมบัติทางกล

วัสดุพอลิเมอร์มีลักษณะทางกลที่หลากหลาย ซึ่งขึ้นอยู่กับโครงสร้างเป็นอย่างมาก นอกเหนือจากพารามิเตอร์นี้แล้ว ปัจจัยภายนอกต่างๆ อาจมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกลของสาร ซึ่งรวมถึงอุณหภูมิ ความถี่ ระยะเวลาหรืออัตราการโหลด ประเภทของสถานะความเค้น ความดัน ธรรมชาติของสิ่งแวดล้อม การอบชุบด้วยความร้อน ฯลฯ คุณสมบัติทางกลของวัสดุพอลิเมอร์คือมีความแข็งแรงสูงและมีความแข็งแกร่งต่ำมาก (เมื่อเทียบกับ เป็นโลหะ)

พอลิเมอร์มักจะแบ่งออกเป็นของแข็ง โมดูลัสยืดหยุ่นซึ่งสอดคล้องกับ E=1–10 GPa (เส้นใย ฟิล์ม พลาสติก) และสารยืดหยุ่นสูงที่อ่อนนุ่ม โมดูลัสยืดหยุ่นคือ E=1– 10 MPa (ยาง) รูปแบบและกลไกการทำลายของทั้งสองต่างกัน

วัสดุพอลิเมอร์นั้นมีลักษณะเด่นด้วยคุณสมบัติแอนไอโซโทรปีที่เด่นชัด เช่นเดียวกับความแข็งแรงที่ลดลง การพัฒนาของคืบภายใต้การรับน้ำหนักในระยะยาว ร่วมกับสิ่งนี้พวกเขามีความต้านทานความล้าค่อนข้างสูง เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะแล้ว สมบัติทางกลของอุณหภูมิจะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ ลักษณะสำคัญของวัสดุพอลิเมอร์ประการหนึ่งคือการเสียรูป (ความยืดหยุ่น) ตามพารามิเตอร์นี้ ในช่วงอุณหภูมิกว้าง เป็นเรื่องปกติที่จะต้องประเมินคุณสมบัติการทำงานและเทคโนโลยีหลัก

วัสดุปูพื้นโพลีเมอร์

ตอนนี้ มาลองพิจารณาหนึ่งในตัวเลือกสำหรับการใช้งานโพลีเมอร์ เผยให้เห็นวัสดุเหล่านี้อย่างครบถ้วน สารเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในงานก่อสร้าง ซ่อมแซม และตกแต่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานปูพื้น ความนิยมอย่างมากนั้นอธิบายได้จากลักษณะของสารที่เป็นปัญหา: พวกมันทนต่อการเสียดสี มีการนำความร้อนต่ำ มีการดูดซึมน้ำน้อย ค่อนข้างแข็งแรงและแข็ง และมีคุณสมบัติสีและวานิชสูง การผลิตวัสดุพอลิเมอร์สามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่มตามเงื่อนไข: เสื่อน้ำมัน (รีด) ผลิตภัณฑ์กระเบื้องและส่วนผสมสำหรับการติดตั้งพื้นไร้รอยต่อ เรามาดูแต่ละอย่างกันตอนนี้เลย

เสื่อน้ำมันทำจากฟิลเลอร์และโพลีเมอร์ประเภทต่างๆ พวกเขายังอาจรวมถึงพลาสติไซเซอร์ สารช่วยในการแปรรูป และเม็ดสี ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุพอลิเมอร์ โพลีเอสเตอร์ (glyphthalic), โพลีไวนิลคลอไรด์, ยาง, คอลล็อกซิลินและสารเคลือบอื่น ๆ จะแตกต่างกันออกไป นอกจากนี้ตามโครงสร้างจะแบ่งเป็นแบบไม่มีฐานและมีฐานเป็นฉนวนกันเสียงและความร้อนแบบชั้นเดียวและแบบหลายชั้นด้วยขนที่เรียบลื่นและพื้นผิวลูกฟูกเช่นเดียวกับสีเดียวและหลายสี

วัสดุกระเบื้องที่ทำขึ้นจากส่วนประกอบโพลีเมอร์มีการเสียดสีต่ำมาก ทนต่อสารเคมี และความทนทาน ผลิตภัณฑ์โพลีเมอร์ประเภทนี้แบ่งออกเป็นคูมาโรน-โพลีไวนิลคลอไรด์, คูมาโรน, โพลีไวนิลคลอไรด์, ยาง, ฟีโนไลต์, กระเบื้องบิทูมินัส, แผ่นใยไม้อัดและแผ่นใยไม้อัด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของวัตถุดิบ

วัสดุสำหรับพื้นไร้รอยต่อเป็นวิธีที่สะดวกและถูกสุขลักษณะที่สุดในการใช้งาน พวกเขามีความแข็งแรงสูง ส่วนผสมเหล่านี้มักจะแบ่งออกเป็นโพลีเมอร์ซีเมนต์ คอนกรีตโพลีเมอร์ และโพลีไวนิลอะซิเตท