Полимерная: Полимерная глина

Силиконовый герметик выдается из пистолета для уплотнения.

Фторуглеродосодержащие полимеры, известные как фторполимеры, состоят из углеродно-фторных связей, которые обладают высокой стабильностью и делают соединение устойчивым к растворителям.Природа углеродно-фторной связи дополнительно придает фторполимерам антипригарные свойства; это наиболее широко проявляется в тефлоне из политетрафторэтилена (PFTE).

Что такое полимер? | Живая наука

Полимеры — это материалы, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул. Материалы обладают уникальными свойствами в зависимости от типа связываемых молекул и того, как они связаны. Некоторые полимеры сгибаются и растягиваются, например резина и полиэстер. Другие твердые и прочные, например, эпоксидные смолы и стекло.

Полимеры затрагивают практически все аспекты современной жизни. Скорее всего, большинство людей контактировали хотя бы с одним полимерсодержащим продуктом — от бутылок с водой до гаджетов и шин — за последние пять минут.

Термин «полимер» часто используется для описания пластмасс, которые являются синтетическими полимерами. Однако природные полимеры также существуют; каучук и дерево, например, являются натуральными полимерами, которые состоят из простого углеводорода, изопрена, согласно Британской энциклопедии. Белки — это природные полимеры, состоящие из аминокислот, а нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) — это полимеры нуклеотидов — сложных молекул, состоящих, например, из азотсодержащих оснований, сахаров и фосфорной кислоты.

Химические реакции

Герман Штаудингер, профессор органической химии Eidgenössische Technische Hochschule (Университет прикладных наук) в Цюрихе, является отцом разработки современных полимеров. Его исследования в 1920-х годах привели к современным манипуляциям как с натуральными, так и с синтетическими полимерами. Он придумал два термина, которые являются ключевыми для понимания полимеров: полимеризация и макромолекулы, согласно Американскому химическому обществу (ACS). Он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1953 г. «за открытия в области химии макромолекул.«

Полимеризация — это метод создания синтетических полимеров путем объединения более мелких молекул, называемых мономерами, в цепочку, удерживаемую ковалентными связями, согласно ThoughtCo., Онлайн-образовательному ресурсу. Различные химические реакции, вызываемые теплом и давлением, для Пример — изменение химических связей, которые удерживают мономеры вместе, согласно Scientific American. Процесс заставляет молекулы связываться в линейную, разветвленную или сетчатую структуру, в результате чего образуются полимеры.

Эти цепочки мономеров также называют макромолекулами. Большинство полимерных цепей имеют в качестве основы цепочку атомов углерода. По данным Учебного центра науки о полимерах, одна макромолекула может состоять из сотен тысяч мономеров.

Использование полимеров

Полимеры используются почти во всех сферах современной жизни. Пакеты для продуктов, бутылки с газировкой и водой, текстильные волокна, телефоны, компьютеры, упаковка для пищевых продуктов, автозапчасти и игрушки содержат полимеры.

Еще более сложные технологии используют полимеры.Например, согласно ACS, «мембраны для опреснения воды, носители, используемые для контролируемого высвобождения лекарств, и биополимеры для тканевой инженерии, используют полимеры».

Популярные полимеры для производства включают полиэтилен и полипропилен. Их молекулы могут состоять из 10 000 — 200 000 мономеров.

Будущее полимеров

Исследователи экспериментируют со многими различными типами полимеров, стремясь к дальнейшему развитию медицины и улучшению продуктов, которые мы уже используем.

Например, углеродные полимеры разрабатываются и улучшаются для автомобильной промышленности.

«Композиты из армированного углеродным волокном полимера (CFRP) — также называемые ламинатом из углеродного волокна — представляют собой материалы следующего поколения для создания более легких, экономичных и безопасных автомобилей», — говорится в колонке Live Science 2016 года Никхила Гупты. доцент, и Стивен Зельтманн, студент-исследователь, оба в Лаборатории композитных материалов и механики факультета механической и аэрокосмической техники инженерной школы Тандон Нью-Йоркского университета.«Углеродный ламинат чрезвычайно прочный и жесткий из-за его тканых слоев из почти чистых углеродных волокон, скрепленных между собой затвердевшим пластиком, например эпоксидной смолой». [Углеродное волокно: это больше, чем скорость]

Полимеры также используются для улучшения голограмм. Согласно исследованию, опубликованному в начале 2017 года в журнале Nano Letters, ученые из Пенсильванского университета создали голограмму на гибком полимерном материале под названием PDMA, в который были залиты золотые наностержни.Это новое голографическое устройство может содержать несколько изображений вместо одного.

«Мы задали вопрос:« Можем ли мы закодировать несколько битов информации в голограмме? »», — сказал Live Science Ритеш Агарвал, руководитель исследований и профессор материаловедения и инженерии Университета Пенсильвании. «Это важная работа, потому что это первый раз, когда кому-то показали, что вы можете записать несколько голографических изображений, и, просто растягивая полимер, вы можете фактически изменить изображение.»

Искусственная кожа из силиконового полимера может стать будущим антивозрастных усилий. В виде двух кремов полимер может подтягивать кожу человека, уменьшать появление морщин и уменьшать мешки под глазами, согласно исследованию, опубликованному в мае 2016 года в журнале Nature Materials. Такая искусственная кожа может также использоваться для помощи людям с кожными заболеваниями, такими как экзема, или использоваться в качестве солнцезащитного крема.

«Мы в восторге от этого; это совершенно новый материал », — сказал Live Science соавтор исследования Роберт Лангер, профессор Массачусетского технологического института.

Дополнительные ресурсы

Определение полимера и примеры

Полимер — это большая молекула, состоящая из цепей или колец связанных повторяющихся субъединиц, которые называются мономерами. Полимеры обычно имеют высокие температуры плавления и кипения. Поскольку молекулы состоят из множества мономеров, полимеры имеют тенденцию иметь высокие молекулярные массы.

Слово полимер происходит от греческого префикса poly -, что означает «много», и суффикса — mer , что означает «части».«Это слово было придумано шведским химиком Йонсом Якобом Берцелиусом (1779–1848) в 1833 году, хотя его значение несколько отличается от современного определения. Современное понимание полимеров как макромолекул было предложено немецким химиком-органиком Германом Штаудингером (1881–1965) в 1920 г.

Примеры полимеров

Полимеры можно разделить на две категории. Природные полимеры (также называемые биополимерами) включают шелк, каучук, целлюлозу, шерсть, янтарь, кератин, коллаген, крахмал, ДНК и шеллак.Биополимеры выполняют ключевые функции в организмах, выступая в качестве структурных белков, функциональных белков, нуклеиновых кислот, структурных полисахаридов и молекул хранения энергии.

Синтетические полимеры получают путем химической реакции, часто в лаборатории. Примеры синтетических полимеров включают ПВХ (поливинилхлорид), полистирол, синтетический каучук, силикон, полиэтилен, неопрен и нейлон. Синтетические полимеры используются для изготовления пластмасс, клеев, красок, механических деталей и многих обычных предметов.

Синтетические полимеры можно разделить на две категории. Термореактивные пластмассы изготавливаются из жидкого или мягкого твердого вещества, которое может быть необратимо превращено в нерастворимый полимер путем отверждения с использованием тепла или излучения. Термореактивные пластмассы обычно жесткие и имеют высокий молекулярный вес. Пластик не деформируется при деформации и обычно разлагается, прежде чем расплавиться. Примеры термореактивных пластиков включают эпоксидную смолу, полиэфир, акриловые смолы, полиуретаны и сложные виниловые эфиры. Бакелит, кевлар и вулканизированный каучук также относятся к термореактивным пластмассам.

Другой тип синтетических полимеров — это термопластичные полимеры или термопластичные пластмассы. В то время как термореактивные пластмассы являются жесткими, термопластичные полимеры являются твердыми в холодном состоянии, но пластичны и могут быть отформованы при температуре выше определенной. В то время как термореактивные пластмассы при отверждении образуют необратимые химические связи, связь в термопластах с температурой ослабевает. В отличие от термореактивных материалов, которые не плавятся, а разлагаются, термопласты при нагревании плавятся в жидкость. Примеры термопластов включают акрил, нейлон, тефлон, полипропилен, поликарбонат, ABS и полиэтилен.

Краткая история разработки полимеров

Природные полимеры использовались с древних времен, но способность человечества к преднамеренному синтезу полимеров появилась сравнительно недавно. Первым искусственным пластиком была нитроцеллюлоза. Процесс его изготовления был разработан в 1862 году британским химиком Александром Парксом (1812–1890). Он обработал природную полимерную целлюлозу азотной кислотой и растворителем. Когда нитроцеллюлозу обрабатывали камфарой, она давала целлулоид, полимер, широко используемый в пленочной промышленности и в качестве формовочной замены слоновой кости.Когда нитроцеллюлоза растворялась в эфире и спирте, она превращалась в коллодий. Этот полимер использовался в качестве хирургической повязки, начиная с гражданской войны в США и позже.

Вулканизация резины была еще одним большим достижением в химии полимеров. Немецкий химик Фридрих Людерсдорф (1801–1886) и американский изобретатель Натаниэль Хейворд (1808–1865) независимо друг от друга обнаружили, что добавление серы к натуральному каучуку помогает предотвратить его липкость. Процесс вулканизации резины путем добавления серы и применения тепла был описан британским инженером Томасом Хэнкоком (1786–1865) в 1843 году (патент Великобритании) и американским химиком Чарльзом Гудиером (1800–1860) в 1844 году.

Хотя ученые и инженеры могли создавать полимеры, только в 1922 году было предложено объяснение того, как они образуются. Герман Штаудингер предположил, что ковалентные связи удерживают вместе длинные цепочки атомов. Помимо объяснения того, как работают полимеры, Штаудингер также предложил название «макромолекулы» для описания полимеров.

Что такое полимер?

Термин полимер обычно используется в индустрии пластмасс и композитов, часто как синоним пластмассы или смолы .Фактически, полимеры включают в себя ряд материалов с различными свойствами. Их можно найти в обычных предметах домашнего обихода, в одежде и игрушках, в строительных материалах и изоляционных материалах, а также во многих других продуктах.

Определение

Полимер — это химическое соединение, молекулы которого связаны в длинные повторяющиеся цепи. Благодаря своей структуре полимеры обладают уникальными свойствами, которые можно адаптировать для различных целей.

Полимеры являются как искусственными, так и естественными.Например, каучук — это натуральный полимерный материал, который использовался тысячи лет. Обладает превосходными эластичными качествами, это результат молекулярной полимерной цепи, созданной матерью-природой. Другой природный полимер — это шеллак, смола, производимая лаковым жучком в Индии и Таиланде, которая используется в качестве грунтовки для краски, герметика и лака.

Самый распространенный природный полимер на Земле — это целлюлоза, органическое соединение, содержащееся в клеточных стенках растений. Он используется для производства бумажных изделий, текстиля и других материалов, таких как целлофан.

Искусственные или синтетические полимеры включают в себя такие материалы, как полиэтилен, наиболее распространенный в мире пластик, который встречается в различных предметах, от хозяйственных сумок до контейнеров для хранения, и полистирол, материал, используемый для изготовления упаковки арахиса и одноразовых стаканчиков. Некоторые синтетические полимеры пластичны (термопласты), а другие остаются жесткими (термореактивные). Третьи имеют каучукоподобные свойства (эластомеры) или напоминают растительные или животные волокна (синтетические волокна). Эти материалы можно найти во всех видах товаров, от купальных костюмов до кастрюль.

Недвижимость

В зависимости от желаемого использования полимеры могут быть адаптированы для использования определенных полезных свойств. Это включает:

• Отражательная способность : Некоторые полимеры используются для производства световозвращающей пленки, которая используется в различных технологиях, связанных со светом.
• Ударопрочность : Прочный пластик, выдерживающий грубое обращение, идеально подходит для багажа, защитных чехлов, автомобильных бамперов и многого другого.
• Хрупкость : Некоторые формы полистирола твердые и хрупкие и легко деформируются при нагревании.
• Translucence : Прозрачные полимеры, включая полимерную глину, часто используются в декоративно-прикладном искусстве.
• Пластичность : В отличие от хрупких полимеров пластичные полимеры можно деформировать без разрушения. Такие металлы, как золото, алюминий и сталь, известны своей пластичностью. Пластичные полимеры, хотя и не такие прочные, как другие полимеры, полезны для многих целей.
• Эластичность : Натуральные и синтетические каучуки обладают эластичными свойствами, которые делают их идеальными для автомобильных шин и аналогичных продуктов.

Полимеризация

Полимеризация — это процесс создания синтетических полимеров путем объединения небольших молекул мономера в цепи, удерживаемые вместе ковалентными связями. Двумя основными формами полимеризации являются полимеризация со ступенчатым ростом и полимеризация с ростом цепи. Основное различие между ними состоит в том, что при полимеризации с ростом цепи молекулы мономера добавляются к цепи по одной молекуле за раз. При ступенчатой ​​полимеризации несколько молекул мономера связаны непосредственно друг с другом.

Если бы вы могли посмотреть на полимерную цепь вблизи, вы бы увидели, что визуальная структура и физические свойства молекулярной цепи имитируют физические свойства полимера. Например, если полимерная цепь содержит плотно скрученные связи между мономерами, которые трудно разорвать, полимер, вероятно, будет прочным и жестким. С другой стороны, если полимерная цепь включает молекулы с характеристиками растяжения, полимер, вероятно, будет иметь гибкие свойства.

Сшитые полимеры

Большинство полимеров, обычно называемых пластиками или термопластами, состоят из цепочек молекул, которые могут быть разорваны и повторно связаны.Большинство обычных пластмасс можно согнуть в новую форму путем нагревания. Их также можно переработать. Например, пластиковые бутылки из-под газировки можно переплавить и повторно использовать для производства самых разных продуктов — от новых бутылок из-под газировки до ковров и флисовых курток.

С другой стороны, сшитые полимеры не могут повторно связываться после разрыва сшитой связи между молекулами. По этой причине сшитые полимеры часто обладают такими характеристиками, как более высокая прочность, жесткость, термические свойства и твердость.

В композитных продуктах FRP (армированный волокном полимер) чаще всего используются сшитые полимеры, которые называются смолой или термореактивной смолой.Наиболее распространенными полимерами, используемыми в композитах, являются полиэфир, сложный виниловый эфир и эпоксидная смола.

Примеры

Общие полимеры включают:

• Полипропилен (PP): ковролин, обивка
• Полиэтилен низкой плотности (LDPE): пакеты для продуктов
• Полиэтилен высокой плотности (HDPE): бутылочки для моющих средств, игрушки
• Поли (винилхлорид) (ПВХ): трубопроводы, настил
• Полистирол (ПС): игрушки, поролон
• Политетрафторэтилен (ПТФЭ, тефлон): сковороды с антипригарным покрытием, электроизоляция
• Поли (метилметакрилат) (ПММА, люцит, оргстекло): лицевые щитки, световые люки
• Поли (винилацетат) (ПВА): краски, клеи
• Полихлоропрен (неопрен): мокрые костюмы

Основы: определение и свойства полимеров

Если вам нужна основная информация о пластиковых материалах, это место, где ее можно найти.Здесь вы узнаете определение и свойства полимеров — еще одно название пластмасс.

Самое простое определение полимера — это полезное химическое вещество, состоящее из множества повторяющихся единиц. Полимер может быть трехмерной сетью (подумайте о повторяющихся единицах, связанных вместе слева и справа, спереди и сзади, вверх и вниз) или двумерной сетью (подумайте о повторяющихся единицах, связанных вместе слева, справа, вверх и вниз в лист) или одномерная сеть (подумайте о повторяющихся единицах, связанных слева и справа в цепочке).Каждая повторяющаяся единица — это «-мер» или основная единица, причем «полимер» означает множество повторяющихся единиц. Повторяющиеся элементы часто состоят из углерода и водорода, а иногда и из кислорода, азота, серы, хлора, фтора, фосфора и кремния. Чтобы создать цепь, многие звенья или «-меры» химически связаны или полимеризуются вместе. Соединение бесчисленных полос плотной бумаги вместе, чтобы сделать бумажные гирлянды, или соединение сотен скрепок, чтобы сформировать цепочки, или нанизывание бусинок помогает визуализировать полимеры.Полимеры встречаются в природе и могут быть изготовлены для удовлетворения конкретных потребностей. Промышленные полимеры могут представлять собой трехмерные сети, которые после образования не плавятся. Такие сети называются полимерами THERMOSET. Эпоксидные смолы, используемые в двухкомпонентных клеях, представляют собой термореактивные пластмассы. Промышленные полимеры также могут быть одномерными цепями, которые можно плавить. Эти цепи представляют собой ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИЕ полимеры, также называемые ЛИНЕЙНЫМИ полимерами. Пластиковые бутылки, пленки, чашки и волокна — это термопласты.

В природе много полимеров.Основными природными полимерами являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), определяющие жизнь. Шелк, волосы и рог паука — это белковые полимеры. Крахмал может быть полимером, как и целлюлоза в древесине. Латекс каучукового дерева и целлюлоза использовались в качестве сырья для производства полимерной резины и пластмасс. Первым синтетическим пластиком был бакелит, созданный в 1909 году для корпусов телефонов и электрических компонентов. Первым произведенным полимерным волокном была вискоза из целлюлозы в 1910 году.Нейлон был изобретен в 1935 году, когда искали синтетический паучий шелк.

Структура полимеров

Многие обычные классы полимеров состоят из углеводородов, соединений углерода и водорода. Эти полимеры специально состоят из атомов углерода, связанных друг с другом в длинные цепи, которые называются основной цепью полимера. Из-за природы углерода один или несколько других атомов могут быть присоединены к каждому атому углерода в основной цепи.Есть полимеры, которые содержат только атомы углерода и водорода. Полиэтилен, полипропилен, полибутилен, полистирол и полиметилпентен являются их примерами. Поливинилхлорид (ПВХ) содержит хлор, связанный с углеродной основой. Тефлон имеет фтор, прикрепленный к углеродной основе.

Другие распространенные производимые полимеры имеют скелеты, которые содержат элементы, отличные от углерода. Нейлоны содержат атомы азота в повторяющейся единичной основной цепи. Полиэфиры и поликарбонаты содержат кислород в позвоночнике.Есть также некоторые полимеры, которые вместо углеродной основы имеют кремниевую или фосфорную основу. Они считаются неорганическими полимерами. Один из наиболее известных полимеров на основе силикона — Silly Putty ^® .

Молекулярная структура полимеров

Подумайте, как лапша спагетти выглядит на тарелке. Это похоже на то, как могут быть организованы линейные полимеры, если они не имеют определенного порядка или являются аморфными. Контроль процесса полимеризации и гашение расплавленных полимеров может привести к аморфной организации.Аморфное расположение молекул не имеет дальнего порядка или формы, в которой располагаются полимерные цепи. Аморфные полимеры обычно прозрачны. Это важная характеристика для многих приложений, таких как пищевая упаковка, пластиковые окна, линзы для фар и контактные линзы.

Очевидно, не все полимеры прозрачны. Полимерные цепи в полупрозрачных и непрозрачных объектах могут иметь кристаллическую структуру. По определению, кристаллическая структура имеет атомы, ионы или, в данном случае, молекулы, расположенные в виде различных структур.Обычно вы думаете о кристаллических структурах в поваренной соли и драгоценных камнях, но они могут встречаться и в пластмассах. Подобно тому, как закалка может привести к образованию аморфных структур, обработка может контролировать степень кристалличности тех полимеров, которые способны кристаллизоваться. Некоторые полимеры никогда не кристаллизуются. Другие предназначены для кристаллизации. Как правило, чем выше степень кристалличности, тем меньше света может проходить через полимер. Следовательно, степень прозрачности или непрозрачности полимера может напрямую зависеть от его кристалличности.Кристалличность дает преимущества в прочности, жесткости, химической стойкости и стабильности.

Ученые и инженеры всегда производят более полезные материалы, манипулируя молекулярной структурой, которая влияет на получаемый конечный полимер. Производители и переработчики вводят в базовые полимеры различные наполнители, армирующие элементы и добавки, расширяя возможности продукта.

Характеристики полимеров

Большинство производимых полимеров являются термопластичными, что означает, что после образования полимера его можно нагревать и реформировать снова и снова.Это свойство упрощает переработку и облегчает переработку. Другая группа, термореактивные, не подлежит переплавке. После образования этих полимеров повторный нагрев приведет к окончательному разложению материала, но не к расплавлению.

Каждый полимер имеет очень разные характеристики, но большинство полимеров имеют следующие общие характеристики.

1. Полимеры могут быть очень устойчивы к химическим веществам. Учтите, что в вашем доме все чистящие жидкости упакованы в пластик.Чтение предупреждающих этикеток, которые описывают, что происходит, когда химическое вещество попадает в контакт с кожей или глазами или проглатывается, подчеркнет необходимость химической стойкости пластиковой упаковки. В то время как растворители легко растворяют некоторые пластмассы, другие пластмассы обеспечивают безопасную, небьющуюся упаковку для агрессивных растворителей.

2. Полимеры могут быть как теплоизоляционными, так и электрическими. Прогулка по вашему дому укрепит эту концепцию, поскольку вы рассматриваете все приборы, шнуры, электрические розетки и проводку, которые сделаны или покрыты полимерными материалами. Термостойкость очевидна на кухне с ручками для кастрюль и сковородок из полимеров, ручками для кофейников, пенопластом холодильников и морозильников, изолированными чашками, холодильниками и посудой для микроволновой печи. Термобелье, которое носят многие лыжники, изготовлено из полипропилена, а наполнитель зимних курток — из акрила и полиэстера.

3. Обычно полимеры очень легкие по весу и обладают значительной прочностью. Рассмотрите диапазон применения: от игрушек до каркаса космических станций или от тонкого нейлонового волокна в колготках до кевлара, который используется в пуленепробиваемых жилетах. Некоторые полимеры плавают в воде, а другие тонут. Но по сравнению с плотностью камня, бетона, стали, меди или алюминия все пластмассы являются легкими материалами.

4. Полимеры можно обрабатывать различными способами. Экструзия производит тонкие волокна или тяжелые трубы, пленки или пищевые бутылки. Литье под давлением позволяет производить очень сложные детали или большие панели кузова автомобиля. Пластмассы можно формовать в барабаны или смешивать с растворителями, чтобы получить клеи или краски. Эластомеры и некоторые пластмассы растягиваются и очень эластичны. Некоторые пластмассы, например, бутылки для безалкогольных напитков, при обработке растягиваются, чтобы сохранить свою форму.Другие полимеры могут быть вспенены, например полистирол (Styrofoam ™), полиуретан и полиэтилен.

5. Полимеры — это материалы с неограниченным диапазоном характеристик и цветов. Полимеры обладают множеством неотъемлемых свойств, которые могут быть дополнительно улучшены широким спектром добавок для расширения сферы их применения и применения. Полимеры могут имитировать волокна хлопка, шелка и шерсти; фарфор и мрамор; а также алюминий и цинк.Из полимеров также можно получить продукты, которые не всегда можно получить из природного мира, такие как прозрачные листы и гибкие пленки.

6. Полимеры обычно производятся из нефти, но не всегда. Многие полимеры состоят из повторяющихся элементов, полученных из природного газа, угля или сырой нефти. Но повторяющиеся единицы строительных блоков иногда могут быть сделаны из возобновляемых материалов, таких как полимолочная кислота из кукурузы или целлюлоза из хлопкового пуха.Некоторые пластмассы всегда изготавливались из возобновляемых материалов, таких как ацетат целлюлозы, используемый для рукояток отверток и подарочной ленты. Когда строительные блоки могут быть более экономичными из возобновляемых материалов, чем из ископаемого топлива, либо старые пластмассы находят новое сырье, либо вводятся новые пластмассы.

7. Полимеры могут быть использованы для изготовления предметов, которые не имеют альтернативы из других материалов.Из полимеров можно получать прозрачные водонепроницаемые пленки. ПВХ используется для изготовления медицинских трубок и пакетов для крови, которые продлевают срок хранения крови и продуктов крови. ПВХ безопасно доставляет воспламеняющийся кислород по негорючим гибким трубкам. А антитромбогенный материал, такой как гепарин, может быть включен в гибкие катетеры из ПВХ для операций на открытом сердце, диализа и сбора крови. Многие медицинские устройства полагаются на полимеры для обеспечения эффективного функционирования.

Управление твердыми отходами

Обращаясь ко всем превосходным свойствам полимеров, не менее важно обсудить некоторые проблемы, связанные с материалами.Большинство пластмасс разрушаются на ярком солнечном свете, но никогда полностью не разлагаются при захоронении на свалках. Однако другие материалы, такие как стекло, бумага или алюминий, также не разлагаются на свалках. Однако некоторые биопластики разлагаются до углекислого газа и воды ТОЛЬКО на специально разработанных предприятиях по компостированию пищевых отходов. Они не разлагаются при других обстоятельствах.

Для 2005 ¹ характеристика твердых бытовых отходов, проведенная Агентством по охране окружающей среды (EPA) перед переработкой в ​​США, показала, что пластмасса состоит из 11 единиц.8 процентов нашего мусора по весу по сравнению с бумагой, которая составляла 34,2 процента. Стекло и металлы составили 12,8 процента по весу. А дворовая обрезка составила 13,1 процента от массы твердых бытовых отходов. Пищевые отходы составили 11,9 процента твердых бытовых отходов. Характеристики, которые делают полимеры такими привлекательными и полезными, легкие и практически безграничные физические формы многих полимеров, разработанных для обеспечения определенного внешнего вида и функциональности, делают вторичную переработку после потребителя сложной задачей. Когда можно собрать достаточное количество использованных пластиковых предметов, компании разрабатывают технологию переработки использованного пластика.Уровень переработки всех пластмасс не так высок, как хотелось бы. Но уровень рециркуляции 1170 000 000 фунтов бутылок из полиэстера, 23,1%, переработанных в 2005 г., и 953 000 000 фунтов бутылок из полиэтилена высокой плотности, 28,8%, переработанных в 2005 г., показывает, что при наличии критической массы определенного материала рециркуляция может стать серьезной проблемой. коммерческий успех ² .

Заявки на переработку пластмасс растут с каждым днем. Переработанный пластик можно смешивать с первичным пластиком (пластиком, который ранее не обрабатывался) без ущерба для свойств во многих областях применения.Из переработанного пластика делают полимерную древесину для использования в столах для пикника, заборах и на открытых игровых площадках, что обеспечивает низкие эксплуатационные расходы, отсутствие сколов и экономию натуральной древесины. Пластик из бутылок с безалкогольными напитками и водой может быть превращен в волокно для производства ковров или из новых бутылок для еды. Переработка по замкнутому циклу действительно имеет место, но иногда наиболее ценное использование переработанного пластика — это применение, отличное от первоначального.

Вариант для пластмасс, которые не перерабатываются, особенно загрязненных, таких как использованная пищевая пленка или подгузники, может быть системой преобразования отходов в энергию (WTE).В 2005 г. 13,6% твердых бытовых отходов США было переработано в системах WTE ¹ . Когда местные жители решают использовать системы переработки отходов в энергию для управления твердыми отходами, пластик может стать полезным компонентом.

Контролируемое горение полимеров производит тепловую энергию. Тепловая энергия, производимая при сжигании пластиковых городских отходов, не только может быть преобразована в электрическую, но также помогает сжигать влажный мусор, который присутствует. Бумага также выделяет тепло при горении, но не так сильно, как пластик.С другой стороны, стекло, алюминий и другие металлы не выделяют энергии при горении.

Чтобы лучше понять процесс сжигания, рассмотрим дым, исходящий от горящего предмета. Если зажечь дым зажженной пропановой горелкой, можно увидеть, что дым исчезает. Это упражнение показывает, что побочные продукты неполного сгорания все еще горючие. Правильное сжигание сжигает материал и побочные продукты первоначального сжигания, а также заботится об атмосферных выбросах и твердых выбросах для обеспечения общественной безопасности.

Некоторые пластмассы можно компостировать либо из-за специальных добавок, либо из-за структуры полимеров. Компостируемые пластмассы часто требуют более интенсивных условий для разложения, чем компостные кучи на заднем дворе. Для компостируемых пластиков рекомендуются коммерческие компостеры. В 2005 г. ¹ компостированием было переработано 8,4% твердых бытовых отходов США.

Пластмассы также можно безопасно засыпать на сушу, хотя ценный энергетический ресурс пластмасс в этом случае будет утерян для переработки или улавливания энергии.В 2005 г. ¹ , 54,3% твердых бытовых отходов США были захоронены. Пластмассы используются для облицовки свалок, чтобы улавливать фильтрат и не загрязнять грунтовые воды. Не разлагающийся пластик помогает стабилизировать почву, так что после закрытия свалки земля может быть достаточно стабильной, чтобы иметь возможность использовать ее в будущем.

Полимеры влияют на каждый день нашей жизни. У этих материалов так много разнообразных характеристик и применений, что их полезность может быть измерена только нашим воображением.Полимеры — это материалы прошлых, настоящих и будущих поколений.

¹ Агентство по охране окружающей среды США, «Твердые бытовые отходы в Соединенных Штатах, 2005 г. Факты и цифры», EPA530-R-06-011, октябрь 2006 г.
² Американский химический совет, «2005 г. Национальные постпотребительские пластмассы. Отчет об утилизации бутылок »

Объяснитель: Что такое полимеры? | Новости науки для студентов

аминокислот Простые молекулы, которые естественным образом встречаются в тканях растений и животных и являются основными строительными блоками белков.

анатомия (прил. Анатомия) Исследование органов и тканей животных. Или характеристика тела или частей тела на основе их структуры и тканей. Ученые, работающие в этой области, известны как анатомы.

атом Основная единица химического элемента. Атомы состоят из плотного ядра, которое содержит положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны. Ядро вращается вокруг облака отрицательно заряженных электронов.

связь (в химии) Полупостоянное соединение между атомами — или группами атомов — в молекуле. Он образован силой притяжения между участвующими атомами. После соединения атомы будут работать как единое целое. Чтобы разделить составляющие атомы, молекуле необходимо подвести энергию в виде тепла или другого типа излучения.

углерод Химический элемент с атомным номером 6. Это физическая основа всего живого на Земле. Углерод существует в свободном виде в виде графита и алмаза.Это важная часть угля, известняка и нефти, и она способна химически самосвязываться с образованием огромного количества химически, биологически и коммерчески важных молекул.

клетка Наименьшая структурная и функциональная единица организма. Обычно он слишком мал, чтобы увидеть невооруженным глазом, он состоит из водянистой жидкости, окруженной мембраной или стенкой. В зависимости от размера животные состоят из тысяч или триллионов клеток. Большинство организмов, таких как дрожжи, плесень, бактерии и некоторые водоросли, состоят только из одной клетки.

целлюлоза Тип волокна, обнаруженный в стенках растительных клеток. Он образован цепочками молекул глюкозы.

химический Вещество, состоящее из двух или более атомов, которые объединяются (связываются) в фиксированной пропорции и структуре. Например, вода — это химическое вещество, которое образуется, когда два атома водорода связываются с одним атомом кислорода. Его химическая формула — H ₂ O. Химический также может быть прилагательным для описания свойств материалов, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.

химические связи Силы притяжения между атомами, достаточно сильные, чтобы связанные элементы функционировали как единое целое. Некоторые силы притяжения слабые, некоторые очень сильные. Кажется, что все связи связывают атомы посредством совместного использования или попытки совместного использования электронов.

компонент Что-то, что является частью чего-то еще (например, кусочки, которые помещаются на электронной плате, или ингредиенты, которые входят в рецепт печенья).

соединение (часто используется как синоним химического) Соединение — это вещество, образующееся, когда два или более химических элемента соединяются (связываются) в фиксированных пропорциях.Например, вода — это соединение, состоящее из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Его химический символ — H ₂ O.

кристалл (прил. Кристаллический) Твердое тело, состоящее из симметричного, упорядоченного, трехмерного расположения атомов или молекул. Это организованная структура, присущая большинству минералов. Например, апатит образует шестигранные кристаллы. Минеральные кристаллы, из которых состоят горные породы, обычно слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.

растворить Превратить твердое вещество в жидкость и диспергировать его в исходной жидкости.(Например, кристаллы сахара или соли, которые являются твердыми веществами, растворятся в воде. Теперь кристаллы исчезли, и раствор представляет собой полностью диспергированную смесь жидкой формы сахара или соли в воде.)

ДНК (сокращение от дезоксирибонуклеиновой кислоты) Длинная, двухцепочечная и спиралевидная молекула внутри большинства живых клеток, несущая генетические инструкции. Он построен на основе атомов фосфора, кислорода и углерода. Эти инструкции сообщают клеткам, какие молекулы должны образовывать все живые существа, от растений и животных до микробов.

элемент (в химии) Каждое из более чем ста веществ, наименьшей единицей каждого из которых является отдельный атом. Примеры включают водород, кислород, углерод, литий и уран.

глюкоза Простой сахар, который является важным источником энергии в живых организмах. Как источник энергии, перемещающийся по кровотоку, он известен как «сахар в крови». Это половина молекулы, из которой состоит столовый сахар (также известный как сахароза).

кератин Белок, из которого состоят волосы, ногти и кожа.

смазка Вещество, используемое для уменьшения трения между контактирующими друг с другом поверхностями.

макромолекула Молекула, содержащая большое количество атомов. (Префикс macro происходит от греческого языка и означает «большой» или «длинный».) Полимеры, включая природные белки (например, ДНК) и искусственные материалы (например, нейлон и полиэфир), являются примерами макромолекул.

материаловед Человек, изучающий способы, которыми атомная и молекулярная структура материала соотносится с его общими свойствами.Материаловеды могут создавать новые материалы или анализировать существующие. Их анализ общих свойств материала (таких как плотность, прочность и температура плавления) может помочь инженерам и другим исследователям выбрать материалы, которые лучше всего подходят для нового применения.

молекула Электрически нейтральная группа атомов, представляющая минимально возможное количество химического соединения. Молекулы могут состоять из атомов одного или разных типов. Например, кислород в воздухе состоит из двух атомов кислорода (O ₂ ), а вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (H ₂ O).

мономер Молекула, которая используется в качестве основного строительного блока некоторых более крупных молекул, известных как полимеры. С греческого языка мономер означает «одна часть». (Полимер, также с греческого, означает «составной части».)

сеть Группа взаимосвязанных людей или вещей.

азот Неактивный газообразный элемент без цвета, запаха и запаха, который составляет около 78 процентов атмосферы Земли. Его научный символ — N. Азот выделяется в виде оксидов азота при горении ископаемого топлива.

нейлон Шелковистый материал, состоящий из длинных искусственных молекул, называемых полимерами. Это длинные цепочки атомов, связанных вместе.

кислород Газ, составляющий около 21 процента атмосферы Земли. Все животные и многие микроорганизмы нуждаются в кислороде для своего роста (и обмена веществ).

подвесная группа (в химии) Группа атомов, которые свисают с основных звеньев полимера (тип цепочечной молекулы).Такие боковые группы атомов (а также любые отдельные атомы, которые могут быть присоединены к полимеру) часто определяют, как полимер взаимодействует с другими веществами в его окружении.

пластик Любой из ряда легко деформируемых материалов; или синтетические материалы, которые были изготовлены из полимеров (длинных цепочек некоторых строительных блоков), которые имеют тенденцию быть легкими, недорогими и устойчивыми к разложению.

пластификатор Любой из нескольких химикатов, добавляемых к определенным синтетическим материалам, чтобы сделать их мягкими и / или податливыми.

полиэстер Синтетический материал, используемый в основном для изготовления тканей. Фактическое химическое название используемого материала — полиэтилентерефталат.

полимер Вещество, состоящее из длинных цепочек повторяющихся групп атомов. Промышленные полимеры включают нейлон, поливинилхлорид (более известный как ПВХ) и многие виды пластмасс. Природные полимеры включают каучук, шелк и целлюлозу (например, содержащиеся в растениях и используемые для изготовления бумаги).

поливинилхлорид (ПВХ) Пластик, образованный с помощью тепла для превращения жидкой смолы в твердое тело.Пластик может быть мягким и гибким или жестким и твердым. Сырье состоит в основном из хлора и углерода.

белок Соединение, состоящее из одной или нескольких длинных цепочек аминокислот. Белки — неотъемлемая часть всех живых организмов. Они составляют основу живых клеток, мышц и тканей; они также выполняют работу внутри клеток. Среди наиболее известных автономных белков — гемоглобин (в крови) и антитела (также в крови), которые пытаются бороться с инфекциями.Лекарства часто работают, удерживая белки.

сопротивление (в физике) То, что не дает физическому материалу (например, деревянному блоку, потоку воды или воздуха) свободно перемещаться, обычно потому, что оно создает трение, препятствующее его движению.

кремний Неметаллический полупроводниковый элемент, используемый при создании электронных схем. Чистый кремний существует в блестящей темно-серой кристаллической форме и в виде бесформенного порошка.

силикон Термостойкие вещества, которые можно использовать по-разному, включая резиноподобные материалы, обеспечивающие водонепроницаемое уплотнение вокруг окон и в аквариумах.Некоторые силиконы служат в качестве консистентных смазок в легковых и грузовых автомобилях. Большинство силиконов, типа молекул, известных как полимеры, построены вокруг длинных цепочек атомов кремния и кислорода.

крахмал Мягкий белый химикат, производимый всеми зелеными растениями. Это относительно длинная молекула, состоящая из соединения множества более мелких, одинаковых строительных блоков — все они глюкоза, простой сахар. Растения и животные используют глюкозу в качестве источника энергии. Растения хранят эту глюкозу в виде крахмала в качестве резервного источника энергии.Животные, потребляющие крахмал, могут расщеплять крахмал на молекулы глюкозы для извлечения полезной энергии.

вязкость Мера устойчивости жидкости к нагрузке. Вязкость соответствует представлению о том, насколько «густая» жидкость. Например, мед очень вязкий, в то время как вода имеет относительно низкую вязкость.

Полимеры: от ДНК до резиновых уток

Что общего у ДНК, резиновых уток и странных плащей семидесятых?

Это все полимеры.

Хотя вы можете этого не осознавать, полимеры есть повсюду вокруг нас: не только в наших игрушках, одежде и множестве пластиковых изделий, но и в том, что мы едим, и даже в наших телах. Но что такое полимеры? Они такие же, как пластмассы? Как вы их делаете? И при чем тут скрепки?

Что такое полимер?

Полимеры крупные молекулы .Они состоят из ряда более мелких молекул, известных как мономеры.

Один из способов мышления о полимерах — это цепочка связанных скрепок.

Допустим, вы чувствуете себя творчески и решаете создать узор (один серебряный, один красный, один серебряный), который затем повторяете в длинной цепочке.Вы можете решить добавить несколько дополнительных канцелярских скрепок к основной цепочке. Или вы можете подумать, что настенная подвеска из канцелярских скрепок была бы отличной идеей (давайте посмотрим правде в глаза, кто бы не стал?) И соединить несколько цепочек крест-накрест, чтобы образовать сеть, похожую на циновку.

Подобно скрепкам, мономеры могут соединяться в длинные цепочки. Эти цепи могут быть линейными, разветвленными или сетевыми. Когда вы делаете цепочку из скрепок, это проволока из соединенных скрепок, которая скрепляет ваше творение. Мономеры соединяются вместе, образуя полимерные цепи, образуя ковалентные связи, то есть разделяя электроны.Другие связи затем удерживают группы цепей вместе, образуя полимерный материал.

Полимеры природные и синтетические

Когда большинство людей думают о полимерах, первое, что приходит в голову, как правило, сделано руками человека — например, австралийские банкноты или странные плащи из ПВХ семидесятых. Но есть также много полимеров, которые встречаются в природе. Крахмалы, содержащиеся в кукурузе и картофеле, представляют собой полисахариды (сахарные полимеры).Шелк и волосы — это полимеры, известные как полипептиды. Целлюлоза, из которой состоит клеточная стенка растений, — еще один природный полимер. Белки, которые мы едим и из которых мы состоим, представляют собой полимеры, состоящие из аминокислот. И даже наша ДНК — это полимер, состоящий из мономеров, называемых нуклеотидами.

Первые искусственные полимеры были фактически модифицированными версиями этих природных полимеров. Целлулоид, материал, из которого делали фильм немое кино, представлял собой пластик, созданный из химически модифицированной целлюлозы.Первым полностью синтетическим полимером (то есть произведенным людьми путем химического синтеза), изобретенным в первые годы двадцатого века, был бакелит: пластик, полученный путем реакции фенола и формальдегида под давлением при высоких температурах. Он был обнаружен, когда его изобретатель, Лео Бэкеланд, пытался найти замену шеллаку, натуральному полимеру, полученному из панцирей азиатских лаковых жуков.

Сегодня существуют все виды синтетических полимеров, от полиэтилена (самый распространенный пластик в мире) до полиэстера. Их используют для создания всего: от водосточных труб и бутылок для напитков до термоусадочной пленки и шпателей. Различные комбинации мономеров в этих длинных полимерных цепях приводят к полимерам с разными свойствами (подробнее о том, как и почему, чуть позже), поэтому полимеры могут быть созданы в зависимости от того, какие характеристики вам нужны для вашего материала — прочность, долговечность, гибкость. и так далее

Полимеры и пластмассы: в чем разница?

Хотя слова «полимер» и «пластик» часто используются как синонимы, на самом деле пластик — это всего лишь один вид полимера.Это пластичные полимеры. Другими словами, их можно формовать, например, с помощью тепла.

Многие пластмассы синтезируются из углеводородсодержащего масла или нефти (хотя не все пластмассы: например, биопластики могут быть получены из растений или даже из бактерий). Процесс превращения масла в пластик обычно выглядит примерно так. Сначала нефтеперерабатывающий завод расщепляет нефть на мелкие углеводороды (мономеры). Нефтехимический завод получает мономеры, и, используя процессы, которые мы сейчас опишем, они превращаются в полимеры.Наконец, полимеры в виде смолы (массы полимерных цепей) поступают на завод по производству пластмасс, где добавки придают пластику желаемые свойства. Затем его отливают в пластмассовые изделия.

Полимеризация: как производятся полимеры

Соединение длинной цепочки молекул называется полимеризацией.

Чтобы не усложнять задачу, давайте рассмотрим один из видов полимеризации, который называется «аддитивная полимеризация».Помимо полимеризации — как вы уже догадались — мономеры просто складываются вместе по повторяющейся схеме. В результате не создается никакой другой, дополнительной субстанции.

(Другой способ создания полимеров называется конденсационной полимеризацией. В этом процессе, когда каждый мономер добавляется к цепи, в качестве побочного продукта образуется дополнительная небольшая молекула, такая как вода. Нейлон и полиэфир сделаны таким образом.)

Аддитивная полимеризация основана на использовании мономера с двойной связью, соединяющей два атома углерода.Вводится молекула, называемая свободным радикалом, которая заставляет двойную связь открываться и связываться со следующей молекулой мономера. Полимерная цепь образуется, когда одна и та же основная единица повторяется снова и снова в регулярной цепной структуре. Хотя использование свободных радикалов таким образом не является новой идеей, химики регулярно открывают молекулы, которые намного эффективнее создают полимеры. Это означает, что полимеры можно производить быстрее, дешевле, чище и с большим контролем над конечным продуктом.

Давайте увеличим масштаб и рассмотрим этот процесс более подробно на примере образования полиэтилена.

Полиэтилен — простейший синтетический полимер. Он состоит только из одного типа мономера — этилена, состоящего из двух атомов углерода и двух атомов водорода. (Другие полимеры могут состоять из двух или более различных мономеров.) Полиэтилен образуется, когда многие тысячи молекул этилена соединяются встык.

Процесс начинается с нагревания молекулы, например перекиси водорода.

Пероксид водорода

Это заставляет его расщепляться на две части, образуя свободный радикал.Свободный радикал — это молекула с одним неспаренным электроном. Электроны — экстраверты атомного мира; они действительно не справляются с одиночеством. Или, говоря техническим языком, молекула с неспаренным электроном во внешней валентной оболочке является нестабильной молекулой. В любом случае одинокий электрон захочет образовать пару с другим электроном.

Образованный свободный радикал

Теперь представим нашу молекулу этилена.

Молекула этилена

Свободный радикал ищет другой электрон, с которым соединяется одинокий электрон.

Свободный радикал с неспаренным электроном

Он атакует двойную связь, соединяющую два атома углерода в молекуле этилена, и удаляет электрон.

Разрывы двойной связи

Его электроны благополучно соединились, свободный радикал присоединяется к одному из атомов углерода.

Другой углерод, ранее благополучно спаренный, теперь имеет неспаренный электрон. Он превратился в свободный радикал, в котором один неспаренный электрон стремится соединиться с другим, чтобы образовать пару.

Начало полимерной цепи

Вводится вторая молекула этилена.Вновь созданный свободный радикал разрывает связь углерод-углерод, удаляя электрон и создавая новый свободный радикал с одним неспаренным электроном на конце.

Построение полимерной цепи

Это продолжается как цепная реакция с образованием длинной цепи по мере добавления новых молекул этилена.

Сеть продолжает строительство

Процесс продолжается до тех пор, пока свободные радикалы не встретятся с другим свободным радикалом, завершая цепочку.

Завершение цепочки

Теперь у нас есть полимер, полиэтилен, состоящий из мономера (повторяющегося звена) этилена.

Полиэтилен

Некоторыми другими примерами полимеров, образованных таким образом, являются полихлорэтилен (ПВХ), используемый для изготовления таких вещей, как водопроводные трубы и изоляция для электрических кабелей, и полипропилен, используемый в таких продуктах, как резиновые утки (и другие игрушки), а также при переработке в волокна , ковры.

Разные полимеры с разными свойствами

Способ расположения молекул придает разным полимерам разные свойства.Манипулируя молекулярной структурой, можно создавать разные полимеры — в зависимости от того, нужен ли вам материал, который будет прочным, эластичным, пригодным для вторичной переработки или чем-то еще.

Полиэтилен, например, имеет длинные полимерные цепи, расположенные рядом. Их часто описывают как спагетти: при нагревании они могут раскручиваться и легко скользить друг по другу, давая гибкий материал. Когда они остывают, цепи взаимодействуют и запутываются. Полиэтилен можно плавить и преобразовывать в новую форму снова и снова.Эти плавкие, изменяемые полимеры известны как термопласты. Другие примеры включают полистирол и полипропилен.

Прочность полимеров также варьируется в зависимости от того, как расположены молекулы. Если использовать нашу аналогию со скрепкой, вы можете решить, что несколько скрепок будут отходить от вашей основной линии. Это может показаться довольно забавным, но если вы решите превратить его в настенную подвеску, будет сложно соединить ее с другой цепочкой в ​​обычном соединительном узоре. Как и ваша забавная скрепка с боковыми разветвлениями, полимерные цепи с боковыми ответвлениями не могут выстраиваться вместе в обычный узор.В результате получается полимер с более низкой плотностью. Примером может служить полиэтилен низкой плотности (LDPE) — мягкий материал, в который упаковывают и упаковывают полиэтиленовые пакеты (например, тот, в который можно завернуть бутерброд). Напротив, полимерные цепи, не имеющие боковых ответвлений, могут выстраиваться в одну линию, образуя регулярную (кристаллическую) структуру. Получаемый полимер прочнее и имеет большую плотность. Примером может служить полиэтилен высокой плотности (HDPE), который используется для изготовления пластиковых бутылок, пищевых контейнеров и водопроводных труб.

В отличие от термопластичных полимеров являются термореактивными полимерами.Они не размягчаются при нагревании и после того, как придут в форму, в значительной степени останутся такими. Это потому, что полимерные цепи сильно сшиты в сети. Это вам не очень поможет, если вы хотите что-то мягкое и податливое, чтобы завернуть бутерброд. Тем не менее, это полезно для таких вещей, как автомобильные шины, поскольку шина, плавящаяся от жары, сделает поездку на пляж довольно интересной. Клеи и электрические компоненты также являются термореактивными полимерами.

Цепи термопластичных полимеров (слева) проходят параллельно и поперек друг друга, но не соединяются.Напротив, термореактивные полимеры (справа) имеют сшитые цепи.

Помимо расположения молекул, свойства полимера также определяются длиной молекулярной цепи. Короче говоря, чем дольше, тем сильнее. Это связано с тем, что по мере того, как молекула становится длиннее, общие силы связывания между молекулами становятся больше, что делает полимерную цепь более прочной. Когда, например, более тысячи атомов углерода выстраиваются в цепочку мономеров этилена, полученный полимер, полиэтилен, становится прочным и гибким.