Органические полимеры и факторы, влияющие на свойства и целевое использование полимерных материалов. Изотактические, синдиотактические, атактические полимеры и сополимеризация, как инструмент создания сополимера с заданными физико-химическими характеристиками и эксплуатационными свойствами.
Этот материал начинает цикл статей о полимерных диэлектриках пленочных конденсаторов, где будет по возможности максимально доступно изложена информация об основных процессах, свойствах до перспектив отрасли конденсаторостроения и связанного с ней силового оборудования сетей низкого и среднего напряжения.
Органические полимеры и факторы, влияющие на свойства и целевое использование полимерных материалов
Все органические полимеры, в том числе используемые в качестве диэлектриков пленочных конденсаторов имеют свою специфическую топологию, а регулярность или расположение мономерных звеньев вдоль полимерной цепи макромолекул является фундаментальным фактором, определяющим физические и химические характеристики материала, а особенно кристалличность, механическую прочность и тепловые свойства полимера.
Кристаллические области в полимерах характеризуются высокоупорядоченным и плотно упакованным расположением полимерных цепей, и такая упорядоченная структура приводит к повышению жесткости, прочности и устойчивости к деформации, т.е. степень кристалличности является ключевым фактором механических свойств полимера.
Изотактические, синдиотактические, атактические полимеры и сополимеризация, как инструмент создания сополимера с заданными физико-химическими характеристиками и эксплуатационными свойствами.
В изотактических полимерах мономерные звенья последовательно расположены на одной и той же стороне полимерной матрицы, а такое равномерное расположение приводит к высокой степени кристалличности и, соответственно, увеличению прочности на растяжение, жесткости и твердости. Представители этой группы – изотактический полипропилен и изотактический полиэтилен (isotactic polypropylene – iPP, isotactic polyethylene – iPE), используемые в широком спектре отраслей промышленности для производства различных изделий от упаковочных материалов до конструкционных пластмасс.
В то же время:
- синдиотактические полимеры, например, синдиотактический полистирол (syndiotactic polystyrene – sPS) демонстрируют чередующееся расположение мономерных звеньев на противоположных сторонах полимерной цепи, что способствует повышению кристалличности, улучшенной термической стабильности и четко определенной температуре плавления;
- атактическим полимерам (атактический полипропилен (аtactic polypropylene – aPP), атактический полистирол (atactic polystyrene – aPS) характерно случайное расположение мономерных звеньев вдоль полимерной цепи, а отсутствие регулярности приводит к снижению кристалличности и повышению эластичности (гибкости);
- изотактические и синдиотактические полимеры с их высокой степенью кристалличности, как правило, имеют более высокие, а атактические полимеры с их пониженной кристалличностью – более низкие температуры плавления и кристаллизации.
Для улучшения эксплуатационных характеристик монополимеров обычно используют сополимеризацию, а возможность комбинировать мономеры с различными характеристиками позволяет создавать материалы, обладающие широким спектром физико-химических свойств. Так, путем смешивания мономеров стирола и бутадиена получают бутадиен-стирольный каучук (styrene-butadiene rubber – SBR), который используется в производстве шин, обуви, конвейерных лент и т.д., где предъявляются жесткие требования к долговечности и гибкости. Сополимеризация акрилонитрила, бутадиена и стирольных мономеров дает акрилонитрил-бутадиен-стирол (acrylonitrile-butadiene-styrene – ABS), известный своей высокой ударной вязкостью, хорошей химической стойкостью и простотой обработки, что сделало АБС пластик популярным в производстве емкого спектра потребительских товаров, автомобильных деталей, компонентов оборудования 3D-печати и т.д.
По сути, сополимеризация позволяет точно «настраивать» конечные свойства сополимера путем селективного включения мономеров с желаемыми характеристиками, хотя в последние десятилетия подход к выбору исходным материалов сильно изменился из-за повышения жесткости требований к охране окружающей среды.
В следующем материале цикла – о биоразлагаемых полимерах и полимерных материалах для силовой электроники.
