Matériaux polymères : technologie, types, production et application

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

Les matériaux polymères sont des composés chimiques de haut poids moléculaire constitués de nombreux monomères (unités) de petit poids moléculaire de même structure. Souvent, les composants monomères suivants sont utilisés pour la fabrication de polymères: éthylène, chlorure de vinyle, déchlorure de vinyle, acétate de vinyle, propylène, méthacrylate de méthyle, tétrafluoroéthylène, styrène, urée, mélamine, formaldéhyde, phénol. Dans cet article, nous examinerons en détail ce que sont les matériaux polymères, quelles sont leurs propriétés chimiques et physiques, leur classification et leurs types.

Types de polymères

Une caractéristique des molécules de ce matériau est un grand poids moléculaire, qui correspond à la valeur suivante: М>5103. Les composés avec un niveau inférieur de ce paramètre (M=500-5000) sont appelés oligomères. Dans les composés de faible poids moléculaire, la masse est inférieure à 500. On distingue les types de matériaux polymères suivants: synthétique et naturel. Ces derniers comprennent le caoutchouc naturel, le mica, la laine, l'amiante, la cellulose, etc. Cependant, la place principale est occupée par les polymères synthétiques, qui sont obtenus à la suite d'un processus de synthèse chimique à partir de composés de faible poids moléculaire. en fonction, dépendemmentde la méthode de fabrication des matériaux de haut poids moléculaire, on distingue les polymères, qui sont créés soit par polycondensation, soit par une réaction d'addition.

Polymérisation

Ce processus est une combinaison de composants de faible poids moléculaire en composants de haut poids moléculaire pour obtenir de longues chaînes. Le niveau de polymérisation est le nombre de "mers" dans les molécules d'une composition donnée. Le plus souvent, les matériaux polymères contiennent de mille à dix mille de leurs unités. Les composés couramment utilisés suivants sont obtenus par polymérisation: polyéthylène, polypropylène, chlorure de polyvinyle, polytétrafluoroéthylène, polystyrène, polybutadiène, etc.

Polycondensation

Ce processus est une réaction par étapes, qui consiste à combiner soit un grand nombre de monomères du même type, soit une paire de groupes différents (A et B) en polycondensateurs (macromolécules) avec la formation simultanée des éléments suivants sous-produits: alcool méthylique, dioxyde de carbone, chlorure d'hydrogène, ammoniac, eau, etc. La polycondensation produit des silicones, des polysulfones, des polycarbonates, des plastiques aminés, des plastiques phénoliques, des polyesters, des polyamides et d'autres matériaux polymères.

Polyaddition

Ce processus est compris comme la formation de polymères à la suite de réactions d'addition multiple de composants monomères qui contiennent des combinaisons de réactions limitantes aux monomères de groupes insaturés (cycles actifs ou doubles liaisons). Contrairement à la polycondensation, la réaction de polyaddition se déroule sans aucun sous-produit. Le processus le plus important de cette technologie est le durcissement des résines époxy et la production de polyuréthanes.

Classification des polymères

La composition de tous les matériaux polymères est divisée en inorganique, organique et organoélément. Les premiers (verre de silicate, mica, amiante, céramique, etc.) ne contiennent pas de carbone atomique. Ils sont à base d'oxydes d'aluminium, de magnésium, de silicium, etc. Les polymères organiques constituent la classe la plus étendue, ils contiennent des atomes de carbone, d'hydrogène, d'azote, de soufre, d'halogène et d'oxygène. Les matériaux polymères organo-élémentaires sont des composés qui, dans les chaînes principales, ont, en plus de ceux énumérés, des atomes de silicium, d'aluminium, de titane et d'autres éléments qui peuvent se combiner avec des radicaux organiques. De telles combinaisons ne se produisent pas dans la nature. Ce sont exclusivement des polymères synthétiques. Les représentants caractéristiques de ce groupe sont des composés à base d'organosilicium, dont la chaîne principale est constituée d'atomes d'oxygène et de silicium.

Pour obtenir des polymères avec les propriétés requises, la technologie utilise souvent non pas des substances "pures", mais leurs combinaisons avec des composants organiques ou inorganiques. Un bon exemple est celui des matériaux de construction en polymère: métal-plastique, plastique, fibre de verre, béton polymère.

Structure des polymères

La particularité des propriétés de ces matériaux est due à leur structure, qui, à son tour, est divisée en les types suivants: linéaire ramifié, linéaire, spatialavec de grands groupes moléculaires et des structures géométriques très spécifiques, ainsi que des escaliers. Considérons brièvement chacun d'eux.

Les matériaux polymères avec une structure ramifiée linéairement, en plus de la chaîne principale de molécules, ont des ramifications latérales. Ces polymères comprennent le polypropylène et le polyisobutylène.

Les matériaux à structure linéaire ont de longues chaînes en zigzag ou en spirale. Leurs macromolécules sont principalement caractérisées par des répétitions de sites dans un groupe structurel d'un maillon ou d'une unité chimique de la chaîne. Les polymères à structure linéaire se distinguent par la présence de macromolécules très longues avec une différence significative dans la nature des liaisons le long de la chaîne et entre elles. Cela fait référence aux liaisons intermoléculaires et chimiques. Les macromolécules de tels matériaux sont très flexibles. Et cette propriété est à la base des chaînes polymères, ce qui conduit à des caractéristiques qualitativement nouvelles: une élasticité élevée, ainsi que l'absence de fragilité à l'état durci.

Et maintenant, découvrons ce que sont les matériaux polymères à structure spatiale. Ces substances forment, lorsque les macromolécules sont combinées entre elles, des liaisons chimiques fortes dans le sens transversal. En conséquence, une structure de maillage est obtenue, qui a une base non uniforme ou spatiale du maillage. Les polymères de ce type ont une résistance à la chaleur et une rigidité supérieures à celles des polymères linéaires. Ces matériaux sont à la base de nombreuses substances structurelles non métalliques.

Les molécules de matériaux polymères à structure en échelle sont constituées d'une paire de chaînes reliées par une liaison chimique. Ceux-ci incluspolymères organosiliciés, qui se caractérisent par une rigidité accrue, une résistance à la chaleur, en plus, ils n'interagissent pas avec les solvants organiques.

Composition des phases des polymères

Ces matériaux sont des systèmes constitués de régions amorphes et cristallines. Le premier d'entre eux aide à réduire la rigidité, rend le polymère élastique, c'est-à-dire capable de grandes déformations réversibles. La phase cristalline aide à augmenter leur résistance, leur dureté, leur module d'élasticité et d'autres paramètres, tout en réduisant la flexibilité moléculaire de la substance. Le rapport du volume de toutes ces zones au volume total est appelé le degré de cristallisation, où le niveau maximum (jusqu'à 80%) contient des polypropylènes, des fluoroplastes, des polyéthylènes haute densité. Les chlorures de polyvinyle et les polyéthylènes basse densité ont un degré de cristallisation inférieur.

Selon le comportement des matériaux polymères lorsqu'ils sont chauffés, ils sont généralement divisés en thermodurcissables et thermoplastiques.

Polymères thermodurcissables

Ces matériaux ont principalement une structure linéaire. Lorsqu'ils sont chauffés, ils se ramollissent, mais à la suite de réactions chimiques qui s'y produisent, la structure se transforme en une structure spatiale et la substance se transforme en solide. À l'avenir, cette qualité est maintenue. Les matériaux composites polymères sont construits sur ce principe. Leur chauffage ultérieur ne ramollit pas la substance, mais ne conduit qu'à sa décomposition. Le mélange thermodurci fini ne se dissout pas et ne fond pas, doncil n'est pas permis de le recycler. Ce type de matériau comprend le silicone époxy, le phénol-formaldéhyde et d'autres résines.

Polymères thermoplastiques

Ces matériaux, lorsqu'ils sont chauffés, se ramollissent d'abord, puis fondent, puis durcissent lorsqu'ils sont refroidis. Les polymères thermoplastiques ne subissent pas de modifications chimiques lors de ce traitement. Cela rend le processus complètement réversible. Les substances de ce type ont une structure linéaire ramifiée ou linéaire de macromolécules, entre lesquelles agissent de petites forces et il n'y a absolument aucune liaison chimique. Il s'agit notamment des polyéthylènes, des polyamides, des polystyrènes, etc. La technologie des matériaux polymères de type thermoplastique prévoit leur production par moulage par injection dans des moules refroidis à l'eau, pressage, extrusion, soufflage et autres méthodes.

Propriétés chimiques

Les polymères peuvent être dans les états suivants: phase solide, liquide, amorphe, cristalline, ainsi que déformation hautement élastique, visqueuse et vitreuse. L'utilisation répandue des matériaux polymères est due à leur haute résistance à divers milieux agressifs, tels que les acides concentrés et les alcalis. Ils ne sont pas sujets à la corrosion électrochimique. De plus, avec une augmentation de leur poids moléculaire, la solubilité du matériau dans les solvants organiques diminue. Et les polymères, qui ont une structure tridimensionnelle, ne sont généralement pas affectés par les liquides mentionnés.

Propriétés physiques

La plupart des polymères sont des isolants, en plus, ce sont des matériaux non magnétiques. De tous les matériaux de structure utilisés, seuls ils ont la conductivité thermique la plus faible et la capacité calorifique la plus élevée, ainsi qu'un retrait thermique (environ vingt fois supérieur à celui du métal). La raison de la perte d'étanchéité de divers assemblages d'étanchéité dans des conditions de basse température est la soi-disant transition vitreuse du caoutchouc, ainsi que la forte différence entre les coefficients de dilatation des métaux et des caoutchoucs à l'état vitrifié.

Propriétés mécaniques

Les matériaux polymères présentent un large éventail de caractéristiques mécaniques, qui dépendent fortement de leur structure. En plus de ce paramètre, divers facteurs externes peuvent avoir une grande influence sur les propriétés mécaniques d'une substance. Ceux-ci incluent: la température, la fréquence, la durée ou le taux de chargement, le type d'état de contrainte, la pression, la nature de l'environnement, le traitement thermique, etc. Une caractéristique des propriétés mécaniques des matériaux polymères est leur résistance relativement élevée à une rigidité très faible (par rapport à aux métaux).

Les polymères sont généralement divisés en solides, dont le module d'élasticité correspond à E=1–10 GPa (fibres, films, plastiques) et en substances molles hautement élastiques, dont le module d'élasticité est E=1– 10 MPa (caoutchouc). Les schémas et le mécanisme de destruction des deux sont différents.

Les matériaux polymères se caractérisent par une anisotropie prononcée des propriétés, ainsi qu'une diminution de la résistance, le développement du fluage sous une charge à long terme. Ensemble avec cela, ilsont une résistance à la fatigue relativement élevée. Comparés aux métaux, ils diffèrent par une dépendance plus nette des propriétés mécaniques à la température. L'une des principales caractéristiques des matériaux polymères est la déformabilité (pliabilité). Selon ce paramètre, dans une large plage de températures, il est d'usage d'évaluer leurs principales propriétés opérationnelles et technologiques.

Matériaux de revêtement de sol en polymère

Considérons maintenant l'une des options pour l'application pratique des polymères, révélant la gamme complète de ces matériaux. Ces substances sont largement utilisées dans les travaux de construction et de réparation et de finition, en particulier dans les revêtements de sol. L'énorme popularité s'explique par les caractéristiques des substances en question: elles sont résistantes à l'abrasion, ont une faible conductivité thermique, ont peu d'absorption d'eau, sont assez solides et dures, et ont des qualités de peinture et de vernis élevées. La production de matériaux polymères peut être conditionnellement divisée en trois groupes: linoléums (roulés), produits de carrelage et mélanges pour l'installation de sols sans joints. Jetons un coup d'œil à chacun d'eux maintenant.

Les linoléums sont fabriqués à base de différents types de charges et de polymères. Ils peuvent également inclure des plastifiants, des adjuvants de fabrication et des pigments. Selon le type de matériau polymère, on distingue le polyester (glyphthalique), le chlorure de polyvinyle, le caoutchouc, la colloxyline et d'autres revêtements. De plus, selon la structure, ils sont divisés en sans base et avec une base d'isolation phonique et thermique, monocouche et multicouche, avec une texture lisse et molletonnée.et surface ondulée, ainsi que simple et multicolore.

Les matériaux carrelés fabriqués à base de composants polymères ont une très faible résistance à l'abrasion, aux produits chimiques et à la durabilité. Selon le type de matière première, ce type de produits polymères est divisé en coumarone-chlorure de polyvinyle, coumarone, chlorure de polyvinyle, caoutchouc, phénolite, carreaux bitumineux, ainsi que panneaux de particules et panneaux de fibres.

Les matériaux pour sols sans joints sont les plus pratiques et les plus hygiéniques à utiliser, ils ont une résistance élevée. Ces mélanges sont généralement divisés en ciment polymère, béton polymère et acétate de polyvinyle.