Полимеры – один из наиболее важных и перспективных материалов. Они применяются и играют важную роль в широком ряде промышленных отраслей – от нефтегазовой и автомобильной до легкой и пищевой. Кроме того, полимеры обладают большим потенциалом и могут выступить хорошим подспорьем для дальнейшего развития технологий и инноваций.
Полимеры – это вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими связями. Они могут быть органическими и неорганическими, аморфными и кристаллическими. Полимеры обладают такими особыми механическими свойствами как эластичность и малая хрупкость, а также полезными химическими особенностями, например, способностью резко изменять свои свойства под действием реагентов. Все это открывают широкий простор для их применения в различных отраслях. К наиболее широко распространенным полимерам относят пластмассы – полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и другие, однако пластиком дело не ограничивается.
Как и с множеством других изобретений, идею с полимерами человек «подсмотрел» у природы. Изначально потребности промышленности удовлетворялись за счет природных полимеров – широкого спектра макромолекул, созданных без участия человека. Например, это полисахариды, среди которых крахмал и целлюлоза, широко применяемые в пищевой промышленности, производстве тканей и бумаги. Другой пример – природный каучук, который активно используется для производства шин, резинотехнических изделий, амортизаторов, уплотнителей, резинового клея и некоторых электроизоляционных материалов.
По мере развития промышленности и индустриализации экономики природных полимеров стало недостаточно, было принято решение об их синтезировании. Синтетические полимеры появились относительно недавно – в начале XX века. В качестве точки отсчета эры синтетических материалов принято считать 1909 год, когда американский химик Лео Бакеланд синтезировал бакелит – полимер, который впоследствии стали использовать в качестве связующего элемента в производстве абразивных изделий, а также для других технических целей. В 1930-х в Англии, Германии и США началось производство синтетического каучука, тогда же начали разрабатывать полистирол, поливинилхлорид и полиметилметакрилат. В 1950-х было создано полиэфирное волокно, которое стали использовать для производства ткани, появились хорошо известные потребителю полипропилен и полиэтилен низкого давления.
Процесс производства полимеров состоит из нескольких этапов:
- Подготовка сырья: получение мономеров (исходных веществ) из нефти, природного газа или угля;
- Синтез: объединение мономеров в длинные цепочки с помощью различных методов полимеризации (например, радикальной, ионной или поликонденсации);
- Модификация: добавление различных добавок и стабилизаторов для улучшения свойств полимеров;
- Формование: переработка расплавленного полимера в различные формы (плёнки, трубы, листы, волокна и т. д.) с помощью экструзии, литья под давлением или других методов;
- Обработка: дополнительная обработка готовых изделий для улучшения их свойств (например, окраска, нанесение покрытий, сварка и т. д.).
В результате получаются различные виды полимеров, которые широко используются в производстве пластмасс, резины, волокон, плёнок и других материалов. К общим преимуществам полимеров относят ударопрочность, пластичность и эластичность, электроизоляционные свойства.
Полимеры на практике
На сегодняшний день на рынке наиболее широко представлены три группы синтетических полимеров:
- Термопласты – материалы, которые при нагревании становятся текучими и могут быть переработаны путём литья под давлением или экструзии. Они применяются в строительстве, инженерных сетях, производстве строительных материалов, изоляции, крепёжных изделий;
- Реактопласты – материалы, в которых при нагревании происходят необратимые химические и фазовые изменения, в результате чего образуется трёхмерная сшитая сетка. Они обладают высокой прочностью, термостойкостью, низкой массой и хорошими демпфирующими свойствами, однако не могут быть подвержены повторной переработке. Реактопласты применяются в авиастроении для изготовления силовых агрегатов, крупногабаритных элементов, небольших деталей и панелей обшивки;
- Эластомеры – материалы с высокоэластичными свойствами, которые могут растягиваться до размеров, превышающих их начальную длину и возвращаться к исходному размеру после снятия нагрузки. Они отличаются от термопластов более низкими температурами стеклования и используются в производстве резиновых изделий, таких как шины, шланги и уплотнители.
Разнообразие полимеров в совокупности с их преимуществами позволяет применять их в широком спектре областей. Например, в медицине полимеры используются для создания протезов, искусственных кожных покровов, сердечных клапанов и сосудов, шовного материала и нитей. В космической отрасли полимеры входят в состав композитных материалов для создания элементов космической техники, обеспечивая устойчивость к высоким и низким температурам, давлению, вибрации и радиации. Полимеры также используются в производстве банкнот – на 2022 год в 55 странах мира использовались пластиковые банкноты. Им также нашлось место и в автомобильной промышленности – в отрасли применяется около 100 различных видов полимеров: приборные панели выполняются из полипропиленов, сидения – из полиуретана, в части внутренних деталей, например, в аккумуляторе, корпусах предохранителей или шестернях используется полиамид. И это лишь несколько примеров.
Мировой рынок полимеров
На конец 2023 год эксперты оценивали объем мирового рынка полимеров в $751,96 млрд. Аналитики ожидают, что на фоне сохраняющегося спроса и востребованности полимеров в различных отраслях рынок продолжит рост и к 2030 году его объем составит $1079,41 млрд, а в 2032 году достигнет отметки в $1207,11 млрд. При этом совокупный среднегодовой темп роста будет скромным относительно высокотехнологичных отраслей – 5,4% – по причине зрелости отрасли и технологического процесса.
Вы можете дочитать этот и другие материалы сайта, оформив подписку.
