Inżynieria polimerów

Inżynieria polimerów to ogólnie dziedzina inżynierii , która projektuje, analizuje i modyfikuje materiały polimerowe . Inżynieria polimerów obejmuje aspekty przemysłu petrochemicznego , polimeryzację , strukturę i charakteryzację polimerów, właściwości polimerów, mieszanie i przetwarzanie polimerów oraz opis głównych polimerów, relacje właściwości strukturalnych i zastosowania.

Historia

Słowo „polimer” wprowadził szwedzki chemik JJ Berzelius. Za polimer etynu (C ₂ H _{2 )} uważał na przykład benzen (C ₆ H _{6 )} . Później definicja ta uległa subtelnej modyfikacji.

Historia stosowania polimerów przez człowieka jest długa od połowy XIX wieku, kiedy to weszła w chemiczną modyfikację polimerów naturalnych. W 1839 roku Charles Goodyear dokonał przełomu w badaniach nad wulkanizacją kauczuku , dzięki czemu kauczuk naturalny stał się praktycznym materiałem inżynierskim. W 1870 roku JW Hyatt używa kamfory do uplastycznienia nitrocelulozy w celu przetworzenia tworzyw nitrocelulozowych na skalę przemysłową. 1907 L. Baekeland opisał syntezę pierwszej termoutwardzalnej żywicy fenolowej, która została uprzemysłowiona w latach dwudziestych XX wieku, pierwszego syntetycznego produktu z tworzywa sztucznego. W 1920 r. H. Standinger zaproponował, że polimery są cząsteczkami o długim łańcuchu, które są połączone jednostkami strukturalnymi za pomocą wspólnych wiązań kowalencyjnych. Ten wniosek położył podwaliny pod ustanowienie nowoczesnej nauki o polimerach. Następnie Carothers podzielił polimery syntetyczne na dwie szerokie kategorie, a mianowicie polikondensat otrzymany w reakcji polikondensacji i polimer addycyjny otrzymany w reakcji poliaddycji. W latach pięćdziesiątych K. Ziegler i G. Natta odkryli katalizator polimeryzacji koordynacyjnej i zapoczątkowali erę syntezy polimerów stereoregularnych. W dziesięcioleciach po ustanowieniu koncepcji makrocząsteczek synteza polimerów wysokocząsteczkowych osiągnęła szybki rozwój, a wiele ważnych polimerów zostało uprzemysłowionych jeden po drugim.

Klasyfikacja

Podstawowy podział polimerów na termoplastyczne , elastomery i termoutwardzalne pozwala określić obszary ich zastosowania.

Tworzywa termoplastyczne

Termoplastyczny odnosi się do tworzywa sztucznego, które ma właściwości zmiękczania ciepła i utwardzania przez chłodzenie. Większość tworzyw sztucznych, których używamy w naszym codziennym życiu, należy do tej kategorii. Po podgrzaniu staje się miękki, a nawet płynie, a chłodzenie staje się twarde. Proces ten jest odwracalny i można go powtórzyć. Tworzywa termoplastyczne mają stosunkowo niski moduł sprężystości przy rozciąganiu , ale mają też mniejszą gęstość i właściwości, takie jak przezroczystość , co czyni je idealnymi do produktów konsumenckich i medycznych . Należą do nich polietylen , polipropylen , nylon , żywica acetalowa , poliwęglan i PET , z których wszystkie są szeroko stosowanymi materiałami.

Elastomery

Elastomer ogólnie odnosi się do materiału, który można przywrócić do pierwotnego stanu po usunięciu siły zewnętrznej, podczas gdy materiał mający elastyczność niekoniecznie jest elastomerem. Elastomer odkształca się tylko przy słabym naprężeniu, a naprężenie można szybko przywrócić do materiału polimerowego zbliżonego do pierwotnego stanu i rozmiaru. Elastomery to polimery, które mają bardzo niskie moduły i wykazują odwracalne wydłużenie po naprężeniu, co jest cenną właściwością pochłaniania i tłumienia drgań. Mogą być albo termoplastyczne (w takim przypadku są znane jako elastomery termoplastyczne ) lub usieciowany, jak w większości konwencjonalnych produktów gumowych, takich jak opony . Typowe kauczuki stosowane konwencjonalnie obejmują kauczuk naturalny , kauczuk nitrylowy , polichloropren , polibutadien , styren-butadien i kauczuki fluorowane.

termoutwardzalne

Żywica termoutwardzalna jest stosowana jako główny składnik, a tworzywo sztuczne, które tworzy produkt, powstaje w procesie utwardzania sieciującego w połączeniu z różnymi niezbędnymi dodatkami. Jest płynny na wczesnym etapie procesu produkcyjnego lub formowania, a po utwardzeniu jest nierozpuszczalny i nietopliwy i nie można go ponownie stopić ani zmiękczyć. Typowymi termoutwardzalnymi tworzywami sztucznymi są tworzywa fenolowe, tworzywa epoksydowe, aminoplasty, nienasycone poliestry, tworzywa alkidowe i tym podobne. Tworzywa termoutwardzalne i tworzywa termoplastyczne razem stanowią dwa główne składniki tworzyw sztucznych. Tworzywa termoutwardzalne dzielą się na dwa typy: formaldehydowy typ sieciujący i inny rodzaj sieciowania.

Materiały termoutwardzalne obejmują żywice fenolowe , poliestry i żywice epoksydowe , z których wszystkie są szeroko stosowane w materiałach kompozytowych wzmocnionych sztywnymi włóknami, takimi jak włókno szklane i aramidy . Ponieważ sieciowanie stabilizuje termoutwardzalną matrycę polimerową tych materiałów, mają one właściwości fizyczne bardziej zbliżone do tradycyjnych materiałów konstrukcyjnych, takich jak stal . Jednak ich znacznie mniejsza gęstość w porównaniu z metalami czyni je idealnymi do lekkich konstrukcji. Ponadto są mniej narażone na zmęczenie , dlatego idealnie nadają się do części o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa , które są regularnie obciążane podczas eksploatacji.

Materiały

Plastikowy

Tworzywo sztuczne jest związkiem polimerowym, który jest polimeryzowany przez polimeryzację poliaddycyjną i polikondensację . Dowolna zmiana składu i kształtu. Składa się z syntetycznych żywic i wypełniaczy, plastyfikatorów, stabilizatorów, smarów, barwników i innych dodatków. Głównym składnikiem tworzywa sztucznego jest żywica . Żywica oznacza, że do związku polimerowego nie dodano różnych dodatków. Termin żywica został pierwotnie nazwany ze względu na wydzielanie oleju przez rośliny i zwierzęta, takie jak kalafonia i szelak . Żywica stanowi około 40% - 100% całkowitej masy tworzywa sztucznego. Podstawowe właściwości tworzyw sztucznych determinowane są głównie przez charakter żywicy, ale ważną rolę odgrywają również dodatki. Niektóre tworzywa sztuczne są zasadniczo wykonane z żywic syntetycznych, z dodatkami lub bez, takimi jak pleksiglas , polistyren itp.

Błonnik

Włókno odnosi się do ciągłego lub nieciągłego włókna jednej substancji. Włókna zwierzęce i roślinne odgrywają ważną rolę w utrzymaniu tkanki. Włókna są szeroko stosowane i można je wplatać w dobre nici, końce nici i liny konopne. Można je również wplatać w warstwy włókniste podczas wytwarzania papieru lub filcu. Są również powszechnie używane do wytwarzania innych materiałów, tworząc razem z innymi materiałami kompozyty. Dlatego niezależnie od tego, czy jest to materiał włókienkowy z włókien naturalnych, czy syntetycznych. We współczesnym życiu zastosowanie błonnika jest wszechobecne i istnieje wiele zaawansowanych technologicznie produktów.

Guma

Guma odnosi się do wysoce elastycznych materiałów polimerowych i odwracalnych kształtów. Jest elastyczny w temperaturze pokojowej i może ulec odkształceniu przy niewielkiej sile zewnętrznej. Po usunięciu siły zewnętrznej może powrócić do pierwotnego stanu. Guma jest całkowicie amorficznym polimerem o niskiej temperaturze zeszklenia i dużej masie cząsteczkowej, często większej niż kilkaset tysięcy. Wysoce elastyczne związki polimerowe można podzielić na kauczuk naturalny i kauczuk syntetyczny. Przetwarzanie kauczuku naturalnego polega na ekstrakcji gumy kauczukowej i gumy trawiastej z roślin; kauczuk syntetyczny jest polimeryzowany przez różne monomery. Guma może być stosowana jako materiał elastyczny, izolujący, nieprzepuszczający wody i powietrza.

Aplikacje

Niewidzialny bombowiec B-2 Spirit Sił Powietrznych USA .

Polietylen

Powszechnie stosowane polietyleny można podzielić na polietylen o małej gęstości (LDPE), polietylen o dużej gęstości (HDPE) i liniowy polietylen o małej gęstości (LLDPE). Wśród nich HDPE ma lepsze właściwości termiczne, elektryczne i mechaniczne, podczas gdy LDPE i LLDPE mają lepszą elastyczność, właściwości udarnościowe i właściwości błonotwórcze. LDPE i LLDPE są używane głównie do plastikowych toreb, plastikowych opakowań, butelek, rur i pojemników; HDPE jest szeroko stosowany w różnych dziedzinach, takich jak folia, rurociągi i artykuły codziennego użytku, ponieważ jest odporny na wiele różnych rozpuszczalników.

Polipropylen

Polipropylen jest szeroko stosowany w różnych zastosowaniach ze względu na dobrą odporność chemiczną i spawalność. Ma najniższą gęstość wśród towarowych tworzyw sztucznych. Jest powszechnie stosowany w aplikacjach opakowaniowych, towarach konsumpcyjnych, aplikacjach automatycznych i zastosowaniach medycznych. Arkusze polipropylenowe są szeroko stosowane w sektorze przemysłowym do produkcji zbiorników na kwasy i chemikalia, arkuszy, rur, zwrotnych opakowań transportowych (RTP) itp. ze względu na swoje właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość na rozciąganie, odporność na wysokie temperatury i odporność na korozję.

Kompozyty

włókna węglowego do jazdy na czas z aerodynamicznymi kołami i aerodynamiczną kierownicą

Typowe zastosowania kompozytów to skorupowe konstrukcje dla przemysłu lotniczego i samochodowego , a także bardziej przyziemne produkty, takie jak wędki i rowery . Bombowiec stealth był pierwszym samolotem całkowicie kompozytowym, ale wiele samolotów pasażerskich, takich jak Airbus i Boeing 787 , wykorzystuje coraz większą część kompozytów w swoich kadłubach, takich jak hydrofobowa pianka melaminowa . Całkiem odmienne właściwości fizyczne kompozytów dają projektantom znacznie większą swobodę w kształtowaniu części, dlatego produkty kompozytowe często różnią się wyglądem od produktów konwencjonalnych. Z drugiej strony niektóre produkty, takie jak wały napędowe , łopaty wirników helikopterów i śmigła , wyglądają identycznie jak prekursory metali ze względu na podstawowe potrzeby funkcjonalne takich komponentów.

Zastosowania biomedyczne

Biodegradowalne polimery są szeroko stosowanymi materiałami do wielu zastosowań biomedycznych i farmaceutycznych. Polimery te są uważane za bardzo obiecujące w przypadku urządzeń do kontrolowanego dostarczania leków . Biodegradowalne polimery oferują również ogromny potencjał w leczeniu ran, ortopedycznych , zastosowaniach dentystycznych i inżynierii tkankowej . W przeciwieństwie do polimerów nieulegających biodegradacji, nie wymagają drugiego etapu usuwania z organizmu. Biodegradowalne polimery rozkładają się i są wchłaniane przez organizm po spełnieniu swojego celu. Od 1960 polimery otrzymywane z kwasu glikolowego i kwas mlekowy znalazły wiele zastosowań w przemyśle medycznym. Polimleczany (PLA) są popularne w systemach dostarczania leków ze względu na ich szybki i regulowany stopień degradacji.

Technologie membranowe

Techniki membranowe są z powodzeniem stosowane w separacji w układach cieczowych i gazowych od lat, a membrany polimerowe są stosowane najczęściej ze względu na niższy koszt produkcji oraz łatwość modyfikacji powierzchni, dzięki czemu nadają się do różnych procesów separacji. Polimery pomagają w wielu dziedzinach, w tym aplikacji do separacji związków biologicznie czynnych, membran do wymiany protonów w ogniwach paliwowych oraz wykonawców membran do procesu wychwytywania dwutlenku węgla.

Powiązany major

Ropa naftowa / chemia / minerały / geologia
Surowce i przetwarzanie
Nowa energia
Samochody i części zamienne
Inne branże
Technologia elektroniczna / Półprzewodniki / Układ scalony
Maszyny / Urządzenia / Przemysł ciężki
Sprzęt / instrumenty medyczne

Zobacz też

Bibliografia

Lewis, Peter Rhys i Gagg, C, Forensic Polymer Engineering: Dlaczego produkty polimerowe zawodzą w eksploatacji , Woodhead / CRC Press (2010).