Полимерлі материалдар

Полимерлердің осындай ірі макромолекулаларының пішіні әр түрлі болады. Оларды: сызықтық, тармақты немесе торлы және кеңістіктік, т.б. деп бөледі. Табиғи полимерлерден целлюлоза мен табиғи каучуктың құрылымдары сызықты екенін білесіңдер, ал синтетикалық полимерлерден капрон, төменгі қысымда өндірілетін полиэтилен сызықты болады. Тармақты құрылымды полимерлерге: крахмал, полипропилен жатады. Жүн, резеңке мен фенолформаль-дегид полимерлерінің құрылымдары кеңістік болады. Полимерлердің физикалық қасиеттері полимерлену дәрежесі мен полимердің құрылымына тәуелді болады.

Полимерлер атаулының барлығында сансыз жіңішке жіптердіңқатарласа немесе шумақтала шатасып жатуы мүмкін емес. Ұсақмолекулалар бірімен-бірі түйін арқылы берік жалғасып, шарбак немесе торкөз тәрізді пішінде болады. Мұндай торкөздердің үш өлшемі: биіктігі, ұзындығы және ені болғандықтан, тримерлі молекула деп аталады

Қазіргі кезде полимерлер өндіру қарқынды дамуда. Машина жасау, радио және электротехника, құрылыс, сонымен катар кеме, авто, ұшақ, ракета жасау өндірісін, жеңіл өнеркәсіпті, тұрмысты полимерсіз көзге елестету мүмкін емес. Полимерлердің осындай көп түрлі болуы олардың химиялық құрамына, макромолекулаларында жеке бөліктерінің бір-бірімен қалай байланысқанына және олардың кеңістіктегі геометриялық орналасуына байланысты.

Полимер бұйымдарының бұрын байқалмаған қасиеттері анықталып, өндіріске енгізілуде. Сондықтан полимер бұйымдары адамзат игілігіне айналып, техникалық өнердің, ғылымның жаңа қырынан дамуына өзіндік үлесін қосуда.

Қазіргі кезде адамзат ғарыштық биіктер мен өте терең бүрғылау ұңғымаларын бағындыра отырып, күрделі электронды есептегіш машиналардың микроскопиялық тетіктерінен бастап, үлкен каналдар мен су қоймаларының гидрооқшаулағыштарын жасауға дейінгі барлық жағдайда полимер бұйымдарымен жұмыс істейді. Сондықтан қолданылатын орнына, мақсатына, жұмыстың түріне қарай полимер материалдарын қасиеттеріне сай пайдалану қажет. Қазіргі кезде қолданылып жүрген полимер бұйымдарын жалпы қасиеттері мен олардан жасалатын заттардың түріне, сондай-ақ өндіру әдісіне қарай төрт типке бөледі:

Конструкциялық пластиктер. Оларды көбіне пластмассалар деп атайды. Пластмассаға кейін толығырақ тоқталамыз. Басқа полимерлерден айырмашылығы мынадай: пластиктер — бөліну беріктігі 50—200 кг/см2 болатын қатты заттар.

Эластомерлер. Оған каучук, резеңке және осыларға ұқсас материалдар жатады. Эластомерлерге атына сәйкес жоғары (эластикалық) иілімділік, созылғыштық тән, деформациялығы қайтымды.

Талшықтар мен жіптер. Бұларға осы талшықтардан тоқылған маталар жатады. Бұл материалдардың қасиеттері молекулаларының үш өлшемінің қайсысын негізге алуға байланысты бір-бірінен айқын ерекшеленеді. Талшықты материалдардың беріктігі, иілімділігі, қаттылығы, кейде тіпті тығыздығы да анизотропиялық (дененің барлық немесе бірқатар физикалық қасиеттері әр бағытта әр түрлі) болады. Бұл бастапқы полимердің химиялық құрылымы мен жалпы қасиеттеріне байланысты.

Қабыршақтар, лактар, бояулар және басқа қорғағыш, әсемдегіш жабындар (пленкалар). Бұл заттарда қасиеттердің анизотропиялығы өте айқын байқалады. Лак, бояу материалдарының олар жабатын негізбен берік байланысында — адгезияның да маңызы зор. Сондай-ақ бұл типтегі материалдардың тағы бір ерекшелігі — алдын ала пішін жасауға болмайды. Оларды қорғалатын заттың бетіне жұқа қабатпен жағып, қолма-қол пайдаланады.

Полимер материалдарының осы негізгі төрт типінен басқа да қосымша түрлері бар. Мысалы, желімдеу, тығыздау үшін құйылатын қоспалар, газ толтырылған материалдар, т.б. Олардың барлығының да өзінің қолданылатын жері бар.

3.Полимерлі материалдардың  өндірісте қолданылуы

Полимерлерді пайдалану көптеген жағдайларда күрделі технологиялық процестерден қашып құтылуға мүмкіндік береді, атап айтатын болсақ, пісіріп қосу, балқыту, гальваникалық қаптамаларды жасау сияқты операциялардың қажеті болмайды. Полимерлік қаптамаларды тозған бұйымдар бетіне келесідей түрде жағады: беттерді таттардан тазартады, ацетонмен немесе спирттермен майсыздандырады, шаңдалмаған бөліктерді фольгамен, асбестпен, термотөзімді лактармен және басқа материалдармен жабады; бөлшектерді полимердің балқу температурасы нан 30 ....500С жоғары температураға дейін қыздырады (электропештерде, жоғары жиілікті токтарда немесе гызды қыздырғыштарда), ұнтақты беттерді камералық әдіспен (эпоксидті шайырды ұнтақ түрінде) немесе ағынды үрлеу әдісімен жағып шығамыз.

 Тез тозатын бөлшектерді  немесе олардың бөліктерін полимерлді  материалдармен алмастыру сығымдау  әдісімен бөлшекті дайындау немесе  қалпына келтіруден тұрады, яғни: балқу нүктесінен 50...700С жоғары  температураға дейін қыздырылған  материал (поликапролактам, капрон, капролон  және т.б.) қалыпқа құю машинасында  немесе престе 4-5 МПа қысымда құяды. Алдын ала пресс қалыпты және  қалпына келтірілуші бұйымды 80...1000С  температураға дейін қыздырамыз. Жрықшақтарды бекіту, кетіктерді  жамау және бөлшектерді жабыстыруды  арнайы қатайтқыштар, яғни беріктік, эластикалылық, жоғары адгезия беретін, сонымен бірге жоғары химиялық  төзімділік беретін арнайы үстемелерді  қоса отырып эпоксидті шайырлармен (ацетон және фенолдан алынатын) жүзеге асырады.

 Қатайтқыштарды қосқан кезде (полиэтиленполиамин, гексаметилендиамин  және т.б.) эпоксидті шайырлар  қамыртәрізді күйден қайтымсыз  қатты күйге өтеді. Беріктігін  жоғарылату және құрамның құнын  төмендету мақсатында толықтырғыштарды  – ұсақ майдаланған шойынды, болат  ұнтақтарды, портладцементтер, шыны  талшықтарын қосады. Жарықшақтарды  безендіру кезінде олардың шеттерін  бөлшектің қалыңдығының  2/3 шамасын құрайтын тереңдікке дейін бұрғылап тесеміз, мұнда тесу бұрышы 60-70 құрайды, сонымен қатар бөлшек бетін металдық жылтырлыққа дейіп қырнап тазалап және ацетонмен майсыздандырады. Қайтқыштарды эбоксидті шайырға тікелей желімдеумен алдын қосады. Желімдік құрамның жарамдық мерзімі 30 минутқа дейін жетеді. Үлкен жарықшақтарды және тесіктерді безендіру кезінде тығыздау үшін бірнеше қабатта төселетін шыны талшықты пайдаланады.

Қазіргі таңда аз дегенде полимерлік материалдарды ауыл шаруашылығында қолданудың төрт түрі белгілі.

Отандық және әлемдік тәжірибеде ең бірінші орынды қабықша (пленка) алады. Перфорирленген қабықшаны ауыл шаруашылығы аймағында қолдану негізінде кейбір мәдениет өнімін 30% ға, ал олардың өсу жылдамдығын 10 – 14 күнге жылдамдату мүмкін болды. Жасалған су қоймаларын гидроизоляциялау үшін полиэтиленді қабықшаны қолдану қордағы судың шығынын азайтуға мүмкіндік берді. Сенажды, силосты, ірі тағамдарды қабықшамен жауып сақтау, оларды кез – келген қолайсыз ауа – райы жағдайында ұзақ мерзімде ұстауға мүмкіндік береді. Дегенмен қабықты полимерлі материалдарды ауыл шаруашылығында пайдаланудың басты аумағы – жылыжайлардың құрылысы мен олардың эксплуатациясы болып табылады. Қазіргі таңда ені 16 м –ге  дейінгі  қабықшалар шығару техникасы мүмкін болды, ал ол дегеніміз басты ені 7,5 және ұзындығы 200 м – ге дейінгі жылыжайларды салуға болады деген сөз. Мұндай жылыжайларда барлық ауыл шаруашылығы жұмыстарын механизацияланған түрде жүргізуге болады және сонымен қатар, бұл жылыжайларда өнімді жыл бойы өндіруге болады. Суық мезгілдерде бұл жылыжайларды жер астына 60 – 70 см тереңдікпен тартылған полимерлі құбырлар арқылы жылытуға болады.

Полимерлердің химиялық құрылымын қарай отырып, полиэтиленнің қолданысын атап айтуға болады. Полиэтиленді қабықшалар жақсы жарық өткізгіштігімен, мықтылығымен және нашар ауа – райы өзгерісіне төзімділігімен, жылуалмасуының жоғарылығымен ерекшеленді. Олар бүтін күйінде небары 1 – 2 маусым ғана қызмет ете алады. Полиамидтік және басқа қабықшалар әзірге салыстырмалы түрде сирек қолданылады.

Ауыл шаруашылығында полимерлік материалдарды қолданудың тағы бір аймағы – мелиорация. Оған әр түрлі формадағы суару құбырлары мен шлангалар; әсіресе қазіргі таңда аса маңызды суару түрі тамшымен өсіру; және суару жүйесі – дренажға арналған перфорирленген пластмасс құбырлар жатады. Бір қызығы дренаж жүйесінде қолданылатын пластмасс құбырлардың Прибалтика республикаларындағы қолдану мерзімі керамикалық құбырларға қарағанда 3 – 4 есе көп болатыны. Жоғарыда айтылғандарға қосатын жағдай, пластмасс құбырларды әсіресе гофрирленген поливинилхлоридтен жасалған құбырларды қолдану дренаж жүйесін түгелге дерлік қол жұмысынсыз жасауға мүмкіндік береді.

4.Полимерлерді синтездеу  әдістері

ЖМҚ алудың негізгі әдістері — полимерлену және поликонденсациялану реакциялары.

Полимерлену реакциясы радикалды немесе иондық механизммен тізбекті процесс түрінде жүреді, ал поликонденсациялану реакциясы сатыланып жүреді және кіші молекулалы қосылыс бөлінеді.

Полимердің макромолекуласы түзілу үшін мономерлердің өзара бірігуі үш түрлі әдіспен жүзеге асырылады: қос байланыстардың түзілуі, эфирлік байланыстар мен амидтік байланыстардың түзілуі.

Сополимерлену, яғни әр түрлі мономерлерді біріктіріп полимерлеу арқылы "егу, тігу" әдістерін қолдана отырып, қасиеттері алдын ала болжанған сапалы, бағалы полимерлер алынады.

Жоғары молекулалы қосылыстарды алудың негізгі әдістері — поликонденсациялану және полимерлену реакциялары. Кіші молекулалы мономерлердің жоғары молекулалы полимер молекулаларына бірігуінің үш түрлі әдісін атауға болады: қанықпаған көмірсутектердің еселі байланысының үзілуі немесе тұйық тізбектердің ашылуы есебінен; эфирлік байланыстардық түзілуі — С — О — С — есебінен; функционалдық топтар арқылы амидтік байланыстардың түзілуі — С — N — есебінен.

4.1.Полимерлену реакциясы

Полимерлеу реациясының жалпы заңдылықтары-кең таралған полимерді синтездеу әдістерінің бірі - полимерлену әдісі болып табылады. Полимерлеу деп мономер молекулаларының жанама төмен молекулалық өнімдер бөліп шығармай, еселі байланыстарының ашылуы арқылы бір-біріне қосылу реакцияларын айтады. Сондықтан алынған полимердің құрамы бастапқы мономердің құрамына сәйкес келеді. Жалпы түрде полимерлеу реакцияларын былай келтіруге болады [1]: nM→ (-M-)n мұндағы M-мономер молекуласы; (-M-)n - мономер буындарынан тұратын макромолекула; n- полимерлену дәрежесі. Полимерлену реакциясына қос және үш байланысты қосылыстар және де карбогетероциклдер түзе алады. Бұл кезде полимерленгенде цикл ашылып, гетеротізбекті сызықты полимер түзіледі. Полимерлеу реакциялары көпшілік жағдайда тізбекті механизммен жүреді де, иницирлеу, тізбектің өсуі және тізбектің үзілуі сатылары арқылы жүреді. Тізбекті процесті иницирлейтін активті орталықтың сипатына қарай радикалдық және иондық полимерлену деп ажыратады. Радикалдық полимерлену кезінде активті орталық еркін радикалдар бір не екі жұптаспаған электрондары бар электр бейтарап бөлшектер болады. Еркін радикалдар түзілу үшін жолына қарай термиялық, фотохимиялық, радиациялық әне химиялық иницирлеу арқылы полимерлеу деп бөледі. Солардың ішіндегі еңірек тарағаны  химиялық иницирлеп полимерлеу. реакциялық қоспада қатар өсіп келе жатқан екі тізбек өзара кезігіп, өсуі тоқтауы мүмкін, онда молекулалық массаның өсуі де тоқтайды. Полимердің молекулалық массасы — оның қасиеттерінің маңызды сипаттамасы болып табылады. Мысалы, молекулалық массасы 5000—10000 болатын кіші молекулалы полистирол өте сынғыш нәзік болады, сәл соққыдан ұнтақ болып шашылып кетеді.

Полимерленуге еселі байланысты (CºC, C=C, C=O, CºN, т.б.) немесе байланыстары ашылу мүмкіндігі жоғары циклді топтар қатысады. Полимерленуге қатысқан мономерлердің санына қарай бір мономер қатысса гомополимерлену (стиролдың полимерленуі), екі немесе бірнеше мономерлер қатысса сополимерлену (стирол мен метилметакрилаттың біріккен полимерленуі) болып бөлінеді. Полимерлену тізбекті реакцияға жатады және негізгі төрт сатыдан тұрады:  активті орталықтардың түзілуі;  тізбектің өсуі;  тізбектің үзілуі;  активті орт-тың басқа бөлшекке өтуі (мысалы, полимер, мономер, еріткіш).

4.2.Поликонденсация реакциясы

Поликонденсация реакцияларына, әдетте, қосфункциялы (бифункциялы) немесе көпфункциялы мономерлер катысады. Олар бір-бірімен әрекеттескенде, қарапайым кіші молекулалы затты (көбіне суды) бөле отырып бірігеді. Мысалы, адипин қышқылының гексаметилендиаминмен поликонденсациялануы негізінде полиамидтік материал — найлонның алынуы:

Поликонденсация процесі сатылап жүреді: бір молекуладан кейін келесісі қосылып жалғасады. Аралық өнімдері — тұрақты қосылыстар, әрі қарай процесс барысында олардың үнемі белсенділігін арттырып отыру қажет. Ол үшін көбіне температураны жоғарылатады. Сонда әрекеттесуші заттарды біртіндеп қыздырғанда молекулалық массасы да өседі. Поликонденсацияға екі функционалды тобы бар мономер қатысса түзу тізбекті немесе сызықты, ал үш және одан көп функционалды топ қатысқанда торланған немесе тармақталған құрылысты полимерлер алынады. Поликонденсация жылдамдығы мен алынатын өнімнің қасиеті негізінен бастапқы мономерлердің құрылысына, температураға, катализатор мөлшеріне, кіші молекулалы заттардың бөліну жылдамдығына, т.б. факторларға байланысты. Поликонденсация — сатылап жүретін процесс. Өнеркәсіпте Поликонденсация әдісімен полиэфир, полиамид, полиуретан, поликарбонат, полиарилат, полигетероарилен, фенол, т.б. алынады. Поликонденсацияның биополимерлер (белок, нуклеин қышқылдары, целлюлоза, т.б.) синтездеуде маңызы зор.

5. Полимерлі материалдар өндірістерінің даму тарихы

А.М.Бутлеров формальдегидті ашып және оның негізгі физика-химиялық касиеттерін зерттеу аркылы, қазіргі заманғы химия мен техникада улкен мәнге ие жоғары молекулалық қосылыстар саласына жол ашты. Барлық полимерлі материалдар негізгі полимерлер болып табылатын күрделі жуйелер немесе әртурлі әдістермен өңделген полимерлер. Сондықтан да полимерлі материалдар тарихы полимерлердің тарихымен бipre дамыған. Ол XIX г. Екінші жартысынан басталады. Оны екі кезеңге бөлуге болады. 1 кезең (1839-1900 ж.ж.).табиғи полимерлер – табиғи каучукті,акуыздық (белоктік) заттарды қолданумен сипатталады. Осы жылдардағы ipi ғылыми жетістіктер – ыстық және суық әдіспен каучукті вулкандау, эбониттті синтездеу, оқ дәрі жасау, түрлендірілген казеин – галолитті жасау (1897) болып табылады. 1884 ж. целлюлозаның негізінде жасанды химиялық талшықтар: нитрожібек (Г.Шардане), вискоза, мыс-аммиакты талшықтар өндірісі ашылды. Осы кезеңде БутлеровA.M. изобутиленнің синтезі мен полимерленуін, А.Е.Фаворский каныкпаған көмірсуларының полимерлену механизмін (1891), Ф.Гофман мен К.Гарриес метилкаучукты (1909) синтездеуді зерттеп, синтетикалық каучукты алу жолдарын зерттеді. Полимерлердің химиясы мен технологиясының дамуының екінші кезеңі 1902 ж. басталды. Бұл кезеңде табиғи полимерлерді түрлендіру реакциясымен қатар оларды мономерлерден синтездеу дамыды. Кажетті касиеттерге ие, яғни ПМ жаңа түрлерін жобалауға үлкен кадамдар жасалды. 2-кезең теориялық және қолданбалы органикалық химияның мономерлерді синтездеу және олардың полимерлеу мен поликонденсациялауда үлкен жетістіктерге жетуіне байланысты. Бұған А.В.Лебедевтің бутадиенді полимерлеу (1908-1912), Остромысленскийдің каучукті синтездеу (1911-1917), Бызов Б.В. каучук пен резинаның химиясы мен технологиясындағы (1913-1915), Л.Бэкеленд пен Г.Петровтың (1906) фенолформальдегидті полимерлерді синтездеу жұмыстары жатады. ХХ г. Соңында полимерлер мен полимерлі материалдар өндірісіхалык шаруашылығының жеке әріжетекші саласы болып калыптасты. Әpi карай ПМ  өндірісі үш негізгі бағытпен: пластикалық массалар өндірісі, химиялық талшықтар өндірісі және жасанды каучуктер өндірісі дамыды.