Полимерные материалы различаются по молекулярной структуре и физическому состоянию. Свойства термопластичных полимеров связаны с их молекулярным строением, непосредственно определяющим структуру и физическое состояние полимеров. Молекулярная структура термопластов, состоящих из линейных или разветвленных макромолекул, описывается химической природой и строением звеньев, образующих основную цепь макромолекулы, регулярностью чередования звеньев и разветвленностью цепи, средней молекулярной массой и наличием в полимере макромолекул с различной молекулярной массой и их распределением по объему (полидисперсность). Молекулярная структура формируется на стадии синтеза полимера и определяется природой исходных мономеров, методом и условиями синтеза и механизмом протекающих при этом реакций. Мерой длины цепной молекулы служит молекулярная масса.
Термопласты различаются по химической структуре звеньев макромолекул и могут быть:
· карбоцепными (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, политетрафторэтилен (фторопласт-4), полистирол и его сополимеры, полиакрилаты);
· гетероцепными ((простые полиэфиры (полифениленоксид, полисульфон), полиацетали (полиформальдегид), сложные полиэфиры (поликарбонаты), полиамиды)).
Карбоцепные полимеры, получаемые полимеризацией мономеров по радикально-цепному механизму, характеризуются разветвленной нерегулярной структурой макромолекул с высокой полидисперсностью, а синтезированные по ионно-цепному механизму на твердых катализаторах — неразветвленной стереорегулярной структурой с малой полидисперсностью.
Гетероцепные полимеры, получаемые поликонденсацией бифункциональных мономеров или ионной полимеризацией циклических мономеров, обладают неразветвленной линейной структурой макромолекул. Средняя молекулярная масса промышленных марок термопластов подбирается эмпирически для обеспечения оптимального сочетания технологических и эксплуатационных свойств
Термические и механические свойства полимера в значительной степени зависят от расположения мономерных звеньев в полимерных цепях. Если цепи имеют регулярное строение и расположены параллельно друг другу (например, при ориентационном вытягивании с отжигом при производстве синтетических волокон), полимеры могут сильно кристаллизоваться. Чем выше степень кристалличности, тем тверже продукт, выше его температура размягчения и больше устойчивость к набуханию и растворению. Низкая степень кристалличности характерна для более мягких продуктов, с более низкими температурами тепловой деформации и повышенной растворимостью.
В зависимости от температуры, полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном (твердое тело), высокоэластическом (каучукоподобное тело) и вязкотекучем (вязкая жидкость).
Методы идентификации полимерных материалов
Часто при разработке технологического процесса производства нового вида изделия приходится ориентироваться на образец, происхождение которого не всегда известно. На этой стадии между потребителем и производителем происходит диалог, во время которого выясняются все необходимые детали, касающиеся требований к будущему изделию. Это, прежде всего, тип материала и условия эксплуатации изделия. Не всегда по внешнему виду изделия и характерным признакам можно определить тип материала. Поэтому полезно иметь представление о методах идентификации полимерных материалов.
Природу полимерного материала обычно определяют химическими методами в специальных лабораториях, оснащенных соответствующими приборами, реактивами и методиками проведения анализа. Химический анализ позволяет установить природу вещества, его состав, определить степень чистоты и т. д. Он отличается простотой, дает точные результаты и может проводиться на приборах, имеющихся в большинстве аналитических лабораторий.
При проведении химического анализа вещества в настоящее время широко используются также физико-химические методы, такие как хроматография, инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия, масс-спектроскопия и др. Большинство этих методов — высокочувствительны, не требуют существенных затрат времени на проведение анализа, позволяют разделять сложные смеси.
Для определения природы полимерного материала по образцу готового изделия проводят качественный и количественный анализ материала и идентификацию с известными типами полимеров по следующей схеме:
· Внешний осмотр образца. Отмечают внешний вид, физическое состояние, цвет, твердость и эластичность, прозрачность, запах образца.
· Определение растворимости образца. По интенсивности растворения материала в определенных растворителях судят о принадлежности его к тому или иному классу полимеров. В процессе испытания в течение нескольких часов отмечают степень растворения навески — полная, частичная, набухание, отсутствие изменений. Растворимость отдельных компонентов материала может быть в дальнейшем использована для разделения смеси на составляющие компоненты.
· Поведение образца в пламени. При поджигании полимерного материала отмечают характерные особенности его горения: воспламеняемость, обугливание, плавление, запах, цвет пламени, наличие копоти, самогашение, наличие золы и ее цвет при длительном прокаливании.
| Таблица. Характеристики горения некоторых термопластов | ||||
| Полимер | Поведение материала при внесении в пламя и горючесть | Характер пламени | Запах | |
| Полиэтилен, полипропилен | Плавится, хорошо горит, продолжает гореть при вынесении из пламени | Светящееся, внутри окрашено в синий цвет | Горящего парафина | |
| Полистирол, АБС-пластики | Ярко-желтое, коптящее | Сладковатый цветочный запах стирола | ||
| Полиметакрилаты | Светящееся, голубое снизу, слегка коптит | Сладкий, цветочно-плодовый | ||
| Полиамиды | Синеватое снизу, с желтыми краями | Жженого рога или горелых растений | ||
| Полиформальдегид | Синеватое, прозрачное | Резкий, формальдегида | ||
| Поликарбонаты | Коптящее | - | ||
| Полиуретаны | Желтое, синеватое снизу, серый дым | Резкий | ||
| Полиэтилентерефталат | Желто-оранжевое, коптящее | Сладкий, ароматный | ||
| Политетрафторэтилен (фторопласт-4) | Не плавится, не горит, разлагается | - | Резкий | |
| Поливинилхлорид | Горит, при вынесении из пламени гаснет, размягчается | Ярко-зеленое | Резкий, хлористого водорода | |
· Цветная реакция на полимеры. Многие полимерные материалы при добавлении уксусного ангидрида и серной кислоты образуют различно окрашенные соединения.
| Таблица. Окраска некоторых полимеров по реакции Либермана–Шторха–Моравского | ||
| Окраска | Полимеры | |
| Отсутствует | Полиэтилен, полипропилен, полиамиды, поликарбонаты, полиформальдегид, полистирол, ПММА, АБС | |
| Медленно становится светло-коричневой | Полиметилакрилат | |
| Медленно синеет, затем зеленеет | Поливинилхлорид | |
| Медленно желтеет | Поливинилиденхлорид | |
После того, как будет идентифицирована природа полимера, проводят качественный и, по возможности, количественный анализ исследуемого образца методами, подходящими для соответствующего класса высокомолекулярных соединений.
Большинство полимерных материалов в настоящее время представляют собой композиции, в которых, кроме основного полимера, могут присутствовать различные добавки, улучшающие те или иные свойства материала, необходимые для переработки и эксплуатации. Так, введение термостабилизаторов и смазок способствует расширению температурного диапазона переработки полимерной композиции и уменьшению прилипания расплава к рабочим органам оборудования. Присутствие в композиции светостабилизаторов улучшает стойкость материала к влиянию внешних атмосферных факторов (УФ-излучения, повышенной влажности, высокой и низкой температур, постепенных или быстрых переходов через критические точки, например, точку замерзания воды, и т. д.). Наличие отбеливателя или красителя придает изделию привлекательный внешний вид, а введение антипиренов улучшает огнестойкость материала.
Все эти компоненты–добавки усложняют химический состав идентифицируемого вещества. Проведение окончательного анализа требует разделения его на составные элементы, используя, например, различную растворимость веществ.
Более детальные исследования химического состава полимерного материала и его структуры проводят методами инфракрасной спектроскопии, газовой хроматографии, рентгенографическими и электронографическими методами, электронной микроскопией.
Специалисты, имеющие многолетний опыт работы с различными полимерами, часто могут определить химическую природу полимера без специального анализа, только по внешним признакам — виду, жесткости и эластичности материала, наличию характерного запаха при поджигании. Правда, такой характерный запах часто отсутствует у известных полимеров, в которые введены антипирены. Особенно это касается образцов изделий из импортных материалов, для которых повышенная огнестойкость является одним из основных эксплуатационных показателей. Если по другим характерным признакам не удается установить природу полимера, то приходится прибегать к методам исследования, о которых говорилось выше.