Wie wird ein elastisches Material synthetisiert? Prozesszusammenfassung

Elastische Materialien sind in unserem täglichen Leben präsent. Es gibt sie für alles, wie Gummibänder zum Binden von Taschen, Gummiarmbänder, Luftballons, Reifen ...

Dann mal sehen wie ein elastisches material synthetisiert wird, erklärt, was ihre Bestandteile sind, Polymere, sowie ihre molekularen Eigenschaften und einige Indizes, die in der Industrie berücksichtigt werden.

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Was sind elastische Polymere?

Elastische Materialien, sogenannte elastische Polymere, sind solche, die kann durch Krafteinwirkung während der Anwendung verformt werden. Sobald der elastische Gegenstand dieser Kraft nicht mehr ausgesetzt ist, nimmt er seine ursprüngliche Form wieder an. Andernfalls, wenn das Material dauerhaft verformt wird, würden wir nicht von etwas Elastischem, sondern von einem plastischen Material sprechen.

Elastische Materialien sind dem Menschen seit jeher bekannt, da sie in der Natur vorkommen. Obwohl Polymere von Natur aus in Gegenständen wie Gummi vorkommen,

der Mensch hat die Notwendigkeit gesehen, einige davon synthetisch herzustellen, d. h. im Labor.

Einige Beispiele für elastische Materialien, außer dem bereits erwähnten, haben wir Gummibänder zum Verschließen von Lebensmittelbeuteln, Luftballons, Gummiarmbändern, Latex ...

Was sind Polymere?

Polymere sind Makromoleküle, die durch die Vereinigung kovalenter Bindungen einer oder mehrerer der einfachen Einheiten gebildet werden, das wären die Monomere. Normalerweise sind diese Makromoleküle organisch, dh sie enthalten Kohlenstoffatome in ihrer Struktur. Diese Ketten sind normalerweise lang und werden durch Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen verbunden.

Eine Möglichkeit, Polymere zu klassifizieren, basiert auf ihrer mechanischen Reaktion auf erhöhte Temperaturen. Deshalb gibt es zwei Arten von Polymeren.

1. Thermoplastische Polymere

Thermoplastische Polymere erweichen bei hohen Temperaturen, sogar zum Schmelzen. Bei niedriger Temperatur härten sie aus. Diese Prozesse sind vollständig reversibel und können immer wieder wiederholt werden.

Wird jedoch eine sehr hohe Temperatur erreicht, kann es zu einem irreversiblen Abbau kommen, da die Molekülschwingungen zwischen den Monomeren der Substanz sind so heftig, dass sie ihre Bindungen brechen können kovalent.

Diese Materialien werden normalerweise unter gleichzeitiger Anwendung von hoher Temperatur und Druck hergestellt. Bei steigender Temperatur lässt die Stärke der Sekundärbindungen nach, was die relative Bewegung der Ketten erleichtert, aus denen das Polymer besteht.

Die meisten linearen Polymere und solche mit verzweigten Strukturen mit flexiblen Ketten sind Thermoplaste, die weich und duktil sind.

2. Duroplastische Polymere

Duroplastische Polymere sind diejenigen, die hart bleiben, unabhängig davon, wie viel Temperatur auf sie angewendet wird.

Wenn sie Wärme ausgesetzt werden, treten kovalente Vernetzungen zwischen den angrenzenden Molekülketten auf. Dadurch werden die Bewegungen zwischen den Polymermonomeren begrenzt und deren Vibration und Rotation verhindert. Wenn die Temperatur jedoch übermäßig hoch ist, werden die Vernetzungen gebrochen und es tritt ein Polymerabbau auf.

Duroplastische Polymere sind im Vergleich zu Thermoplasten im Allgemeinen härter. Einige Beispiele für Polymere dieses Typs sind Epoxidharze, vulkanisierte Kautschuke und Phenolpolyesterharze.

Wie werden elastische Materialien synthetisiert?

Elastische Materialien bestehen aus Elastomeren, bei denen es sich im Allgemeinen um thermoplastische Polymere handelt, was ihnen ihre Haupteigenschaften verleiht: leichte, aber nicht dauerhafte Elastizität und Verformung.

Es gibt viele Stoffe, die es ermöglichen, ein elastisches Material herzustellen. Einige der Polymere, die zur Synthese von Gummibändern verwendet werden, sind: Polyol-Polyester, Polyisocyanat, Copolymere aus Ethylen und Propylen, Polyisobutylen, Polysulfiden und Polysiloxan, um nur einige zu nennen viele.

Wenn diese Stoffe gemischt werden, reagieren sie durch unterschiedliche Polymerisationsmechanismen miteinander., darunter die Kondensation, die Addition oder der freie Radikalweg.

Molekulare Eigenschaften von Elastomeren

Damit aus der Kombination bestimmter Polymere letztendlich ein Elastomer oder ein elastisches Material entsteht, ist es notwendig, dass die Kombination von ihnen ergibt eine Art Synergie, die zu etwas mehr als der einfachen Summe seiner Teile führt.

Die erste Voraussetzung ist, dass sie asymmetrische Strukturen haben und deshalb so unterschiedlich wie möglich. Ihre Strukturen auf molekularer Ebene müssen linear und flexibel sein, was, wie bereits bei thermoplastische Polymere, dass die Molekülketten schwingen können, ohne Bindungen aufzubrechen.

Als zweite Voraussetzung ist die dass das Polymer nicht sehr polar ist, d. h. dass es nicht zu viel Ladung des einen oder anderen Vorzeichens hat, denn wenn dies der Fall ist, werden die intermolekularen Wechselwirkungen stärker und es entsteht eine größere Steifigkeit aufgrund der Anziehung (wie bei einem positiven Magneten mit einem negativen).

Die dritte Anforderung ist, dass diese Polymere flexibel sind, die eine gewisse Verformung zulassen, wenn irgendeine Art von Kraft auf sie ausgeübt wird. Wenn diese Polymere diese drei Anforderungen erfüllen, ist die perfekte Situation für die Synthese eines Elastomers geschaffen.

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Synthese von Elastomeren

Die Polymere, die zu einem Elastomer führen, müssen einer Reihe von physikalischen und chemischen Prozessen unterzogen werden.

1. Vernetzung

In diesem Prozess wird erreicht, dass die Molekülketten durch Brücken miteinander verbunden sind, die in der Lage sind, zwei oder mehr starke kovalente Bindungen zu bilden.

Diese Molekülbrücken ermöglichen es dem Elastomer, im Ruhe- oder statischen Modus auf sich selbst abzurollen. während es, wenn es einer Dehnung ausgesetzt wird, dank der Flexibilität dieser Glieder im elastischen Modus sein kann.

2. Vulkanisation

Obwohl es sich um einen Prozess handelt, der innerhalb der Frequenzweichen zu finden wäre, ist es interessant, eine detailliertere Erklärung separat zu erwähnen.

Die Vulkanisation ist eines der bekanntesten Verfahren zur Gewinnung von Elastomeren. In diesem Prozess, Polymerketten sind durch Schwefelbrücken miteinander verbunden (S-S-S ...).

3. Nach Erhalt des Elastomers

Wenn die Elastomere bereits synthetisiert sind, werden sie in den nächsten Schritten verschiedenen Behandlungen unterzogen, um ihnen bestimmte Eigenschaften zu verleihen.

Jedes Material wird für einen anderen Zweck verwendet, deshalb wird es auch unterschiedlich behandelt, darunter Erhitzen, Formen oder andere Arten der physikalischen Härtung, dh Formgebung.

In dieser Phase des Prozesses werden Pigmente hinzugefügt um dem resultierenden elastischen Objekt Farbe zu verleihen, zusätzlich zu anderen Chemikalien, die seine Elastizität gewährleisten. In dieser Phase werden auch drei grundlegende Aspekte bewertet, um sicherzustellen, dass die elastisches Material ist von Qualität: Elastizitätsmodul, Glasübergangstemperatur (Tg) und Grenzwert von Elastizität.

Elastizitätsmodul ist ein Index, der angibt, wie sich ein elastisches Material entsprechend der Krafteinwirkungsrichtung verhält.

Die Tg ist die Temperatur, bei der eine thermodynamische Pseudotransformation in glasigen Materialien auftritt. Das Polymer nimmt bei dieser Temperatur seine Dichte, Steifigkeit und Härte ab. Dies zeigt sich bei Glas und amorphen anorganischen Materialien.

Die Streckgrenze bezieht sich auf die maximale Spannung die ein elastisches Material tragen kann, ohne sich irreversibel zu verformen.

Nach Überprüfung dieser Indizes und der Funktionstüchtigkeit des Elastomers wird es normalerweise als Kautschuk aller Art bezeichnet: Silikon, Nitril, Urethan, Butadien-Styrol ...

Einige dehnbare Materialien

Als nächstes werden wir einige elastische Materialien sehen und woraus sie bestehen.

1. Polyester

Polyester ist eine industriell hergestellte Faser und besteht aus einem beliebigen Polymer synthetischen Ursprungs, das langkettig ist. In diesem Polymer ca. 85% der Verbindung ist ein Terephalalsäureester.

2. Nylon

Nylon ist ein künstliches Polymer, das zur Gruppe der Polyamide gehört. Es wird durch die Polykondensation einer Säure wie eines Diamins erzeugt. Am bekanntesten ist PA6.6.

3. Lycra

Lycra ist eine synthetische Faser, die als sehr elastische und widerstandsfähige Substanz bekannt ist. Es ist ein Urethan-Harnstoff-Copolymer, das zu etwa 95 % aus segmentierten Polyurethanen besteht. Bei der Herstellung werden verschiedenste Rohstoffe gemischt, wie zum Beispiel Prepolymere, die das Hauptgerüst dieser Faser darstellen.

Bibliographische Referenzen.

• Hass G. (1986) Einführung in die Synthese von Elastomeren. In: Lal J., Mark J. E. (eds) Fortschritte bei Elastomeren und Gummielastizität. Springer, Boston, MA