Apakah definisi mudah polimer?

Ringkasan Pantas: Apakah Polimer?

Baiklah, itu jawapan buku teks. Ia betul, ringkas dan membawa anda 90% daripada cara ke sana. Tetapi untuk benar-benar memahami polimer, untuk memahami mengapa mereka boleh dikatakan kelas bahan yang paling penting dalam dunia moden, anda perlu berfikir kurang seperti kamus dan lebih seperti seorang jurutera.

Keseluruhan kerjaya saya dibina atas pemahaman bagaimana bahan berkelakuan—bagaimana bahan itu melentur, pecah, cair dan bertindak balas. Dan dunia polimer adalah yang paling pelbagai dan menarik. Jadi, mari kita melampaui definisi mudah dan membina pemahaman sebenar dari bawah.

Apakah Definisi Mudah Polimer, Betulkah?

Bayangkan anda mempunyai kotak besar klip kertas individu. Setiap klip kertas tunggal ialah a monomer (dari bahasa Yunani mono, bermaksud “satu,” dan kerapu, bermaksud “bahagian”). Ia adalah unit tunggal yang berdiri sendiri.

Sekarang, mulakan pautkan mereka bersama-sama, satu demi satu, menjadi rantaian yang panjang dan fleksibel. Rantai yang anda baru buat? Itu adalah a polimer (dari bahasa Yunani poli, bermaksud “banyak”). Ia bukan lagi sekadar koleksi unit individu; ia adalah entiti tunggal baharu dengan sifat yang sama sekali berbeza.

Anda tidak boleh membina apa-apa dengan timbunan klip kertas yang longgar, tetapi dengan rantai, anda boleh mengikat sesuatu bersama-sama, membuat sempadan atau menggantung sesuatu. Tindakan menghubungkan mereka telah mengubah fungsi mereka.

Itu, pada dasarnya, semua polimer ialah: molekul gergasi (makromolekul) yang dibuat dengan mengikat secara kimia sebilangan besar unit monomer berulang yang kecil.

Bagaimanakah Pempolimeran Sebenarnya Berfungsi?

Proses menghubungkan monomer tersebut dipanggil pempolimeran. Walaupun kimia boleh menjadi sangat kompleks, idea asasnya adalah mudah. Fikirkan monomer anda sebagai orang di dalam bilik, dan setiap orang mempunyai dua tangan. Pempolimeran ialah perintah untuk semua orang memegang tangan orang di sebelah mereka.

Tiba-tiba, bukannya bilik yang penuh dengan individu, anda mempunyai garis conga yang panjang menyelinap melalui bilik. Itu rantai polimer. Proses ini boleh berlaku dalam beberapa cara yang berbeza:

1. Pempolimeran Penambahan: Ini seperti garis conga. Monomer "diaktifkan," dan ia berzip di sekeliling merebut monomer lain satu demi satu, menambahkannya pada rantai dengan cepat. Polietilena (dalam beg plastik) dan PVC (dalam paip) dibuat dengan cara ini.
2. Pempolimeran pemeluwapan: Ini sedikit lebih seperti tarian persegi formal. Dua jenis monomer yang berbeza berpasangan dan menghubungkan, dan dalam proses itu, molekul kecil (seperti air) "ditendang keluar" atau terkondensasi. Beginilah cara bahan seperti Nylon dan Poliester dibuat.

Perkara utama ialah pempolimeran mengambil monomer mudah, selalunya berasaskan gas atau cecair dan mengubahnya menjadi rantai panjang dan pepejal yang membentuk tulang belakang bahan yang kami gunakan setiap hari. Panjang rantai ini sangat mengejutkan. Satu molekul polimer boleh dibuat daripada berpuluh-puluh ribu, atau bahkan berjuta-juta, unit monomer.

Adakah Polimer Asli atau Buatan Manusia?

Di sinilah kebanyakan orang tersandung. Kerana kita mengaitkan perkataan "polimer" begitu rapat dengan "plastik", kita cenderung menganggapnya sebagai tiruan semata-mata, produk abad ke-20.

Itu tidak boleh jauh dari kebenaran. Alam semula jadi adalah saintis polimer yang asli, dan masih terbaik.

Anda, sekarang, diperbuat daripada dan dikelilingi oleh polimer semula jadi. Mereka adalah blok bangunan asas kehidupan itu sendiri.

Apakah Beberapa Polimer Semulajadi yang Sudah Saya Tahu?

• Selulosa: Ini adalah polimer organik yang paling banyak di Bumi. Ia adalah bahan struktur tegar yang membentuk dinding sel tumbuhan. Kayu di meja anda, kapas dalam baju anda, kertas dalam buku nota anda—semuanya selulosa. Monomer adalah glukosa, disambungkan bersama dalam rantai lurus yang panjang yang memberikan kekuatan yang luar biasa.
• Kanji: Ini juga diperbuat daripada monomer glukosa, sama seperti selulosa. Tetapi di sini, monomer dihubungkan bersama dalam orientasi yang berbeza, mewujudkan rantai bercabang, bergelung. Daripada menjadi bahan struktur tegar, kanji adalah cara tumbuhan menyimpan tenaga. Kentang, beras, dan jagung yang anda makan dibungkus dengan polimer semula jadi ini.
• Protein: Ini adalah molekul tenaga kerja kehidupan. Rambut dan kuku anda diperbuat daripada polimer protein berstruktur yang keras yang dipanggil keratin. Sutera daripada labah-labah atau ulat sutera adalah satu lagi polimer protein, dihargai kerana gabungan kekuatan dan ringannya yang unik. Protein diperbuat daripada monomer asid amino.
• DNA (asid deoksiribonukleik): Mungkin polimer yang paling terkenal. DNA ialah pelan tindakan kehidupan, makromolekul besar yang diperbuat daripada monomer nukleotida berulang. Ia adalah polimer yang membawa maklumat.
• Getah Asli (Lateks): Dipetik daripada getah pokok getah, ini adalah polimer yang diperbuat daripada monomer isoprena. Keanjalan semulajadinya menjadikannya salah satu polimer semula jadi pertama yang diindustrikan.

Selama beribu-ribu tahun, manusia telah menggunakan polimer semula jadi ini. Kami membina rumah daripada kayu (selulosa), dibuat pakaian daripada kapas (selulosa) dan bulu (keratin), dan ditulis di atas kertas (selulosa). Kami tidak memanggilnya "sains polimer," tetapi itulah hakikatnya.

Jadi, Bagaimana Dengan Polimer "Sintetik"?

"Zaman plastik" moden bermula apabila saintis mula memahami kimia polimer semula jadi ini dan bertanya soalan yang kuat: "Bolehkah kita melakukannya sendiri?"

Daripada hanya menuai polimer dari alam semula jadi, mereka mula mensintesisnya di makmal. Mereka belajar untuk mengambil monomer mudah, biasanya berasal daripada petroleum (minyak mentah), dan meniru proses pempolimeran untuk mencipta bahan baharu sepenuhnya yang tidak pernah dilihat oleh alam semula jadi.

• Bakelite (1907): Dianggap sebagai plastik benar-benar sintetik pertama, ia adalah bahan yang keras, rapuh, tahan haba yang sesuai untuk penebat elektrik dan selongsong radio.
• Nylon (1935): Dicipta sebagai pengganti sintetik untuk sutera, ia merupakan penukar permainan untuk tekstil (stoking!) dan aplikasi kejuruteraan.
• Polietilena (1933): Pada mulanya rahsia tentera British, ia meletup ke kegunaan awam selepas Perang Dunia II, menjadi plastik paling biasa di dunia, digunakan untuk segala-galanya dari beg plastik ke jag susu.

Di sinilah kekeliruan bermula. Oleh kerana polimer sintetik buatan manusia ini sangat revolusioner dan serba boleh, istilah "plastik" dilahirkan untuk menggambarkannya. Tetapi penting untuk diingati: ia hanyalah percubaan manusia untuk menyalin helah terbaik alam semula jadi—menghubungkan molekul kecil ke dalam rantai gergasi.

Jadi, Bagaimana Kita Dapatkan Daripada Polimer Mentah kepada "Plastik"?

Ini membawa kita kepada perbezaan yang paling penting dalam keseluruhan panduan ini. Ia adalah perbezaan antara apa yang keluar daripada reaktor kimia dan apa yang sebenarnya boleh kita buat.

Semua plastik adalah berasaskan polimer, tetapi tidak semua polimer adalah plastik.

Fikirkan ia seperti memasak.

Polimer mentah yang disintesis—katakan, tong besar resin PVC tulen—seperti beg 50 paun tepung serba guna. Ia adalah bahan asas. Ia mempunyai potensi, tetapi dengan sendirinya, ia tidak begitu berguna. Anda tidak boleh membina rumah dengan tepung.

A plastik adalah resipi yang telah siap. Ia adalah kek, roti atau pasta. Ia bermula dengan polimer asas (tepung) tetapi kemudiannya merangkumi rangkaian keseluruhan tambahan untuk mengubah sifatnya. Bahan tambahan inilah yang menjadikan polimer mentah menjadi bahan kejuruteraan yang berguna yang boleh kita bentuk dan bentuk.

Apabila pelanggan datang kepada kami Pemesinan CNC syarikat dan meminta bahagian yang diperbuat daripada "plastik", tugas pertama kami adalah menjadi chef dan mengetahui resipi tepat yang mereka perlukan. Pemilihan polimer asas hanyalah permulaan. Kejuruteraan sebenar adalah dalam bahan tambahan.

Apakah Jenis Aditif Yang Kita Bicarakan?

Ini adalah "rak rempah" kejuruteraan plastik. Dengan mencampurkan dalam jumlah kecil bahan-bahan ini, kita boleh mengambil satu polimer asas dan menjadikannya sesuai untuk seribu pekerjaan yang berbeza.

• Pengplastik: Ini adalah bahan berminyak yang ditambah untuk menjadikan polimer tegar lebih fleksibel dan lembut. Contoh klasik ialah PVC. Dalam bentuk tulennya, PVC adalah tegar dan digunakan untuk paip. Tambah pemplastik dan anda mendapat PVC fleksibel, digunakan untuk perkara seperti langsir pancuran mandian, penebat kabel elektrik dan mainan kembung.
• Pengisi: Ini adalah bahan lengai yang ditambahkan untuk meningkatkan pukal, mengurangkan kos, dan selalunya meningkatkan kekuatan. Menambah gentian kaca pada Nylon menghasilkan "Nilon Berisi Kaca," bahan yang secara dramatik lebih kuat dan lebih keras daripada Nylon biasa, yang sering kami Mesin CNC untuk komponen struktur. Menambah talkum atau kalsium karbonat hanya boleh menjadikan plastik lebih murah untuk dihasilkan.
• Pewarna: Polimer mentah biasanya berwarna putih susu atau kekuningan. Pigmen dan pewarna ditambah untuk memberikan plastik warna terang yang kita lihat setiap hari.
• Penstabil UV: Banyak polimer terdegradasi oleh cahaya ultraviolet (UV) dari matahari. Mereka menjadi rapuh dan berubah warna. Penstabil UV ditambahkan pada bahan yang dimaksudkan untuk kegunaan luar—seperti perabot teres, papan pemuka kereta atau bingkai tingkap—untuk melindunginya daripada matahari dan memanjangkan hayatnya.
• Kalis Api: Untuk penutup atau komponen elektronik dalam kenderaan, keselamatan kebakaran adalah penting. Bahan tambahan kalis api disertakan dalam resipi plastik untuk memastikan bahan itu akan padam sendiri jika ia terbakar.
• Pelincir: Sesetengah bahan tambahan, seperti silikon atau PTFE (Teflon), ditambah untuk mengurangkan pekali geseran bahan, menjadikannya pelincir sendiri. Ini sesuai untuk gear dan galas yang kami mungkin Mesin CNC daripada plastik seperti Delrin (POM).

Memahami bahan tambahan ini adalah sangat penting. Dua bahan mungkin kedua-duanya "Nylon", tetapi jika satu 30% berisi kaca dan satu lagi mengandungi pelincir, ia akan bertindak dengan cara yang berbeza sama sekali. Mereka akan mempunyai kekuatan yang berbeza, rintangan suhu yang berbeza, dan mereka akan memerlukan parameter yang berbeza pada kami Mesin CNC untuk memotong mereka dengan bersih.

Inilah sebabnya mengapa takrifan mudah polimer, walaupun betul, hanyalah permulaan cerita. Polimer ialah molekul. Plastik ialah bahan kejuruteraan.

Bagaimanakah Struktur Polimer Mengubah Kelakuan Plastik?

Kami telah menetapkan bahawa polimer adalah rantai dan plastik adalah rantai ditambah semua rempah. Tetapi bentuk dan sifat rantai itu sendiri adalah faktor yang paling penting dalam menentukan bagaimana plastik akan berkelakuan.

Bayangkan rantai klip kertas kami yang panjang sekali lagi. Jika anda hanya mempunyai timbunan besar rantai berselirat, anda mempunyai satu jenis bahan. Tetapi bagaimana jika anda mula menghubungkan rantai untuk setiap seorang? Tiba-tiba, daripada longgokan benang, anda mempunyai jaring. Anda telah mencipta struktur yang berbeza secara asasnya.

Ini adalah garis pemisah terbesar dalam keseluruhan keluarga plastik: perbezaan antara termoplastik dan termoset.

Apakah Termoplastik?

Termoplastik ialah bahan di mana rantai polimer adalah seperti longgokan benang individu yang berselirat. Ia adalah rantaian bebas yang panjang yang tertarik antara satu sama lain, tetapi ia tidak terikat secara kimia untuk setiap seorang.

Nama itu memberi anda petunjuk terbesar: termo (panas) dan plastik (boleh dibentuk).

Apabila anda memanaskan termoplastik, rantai polimer mendapat tenaga dan mula meluncur melepasi satu sama lain dengan mudah. Bahannya melembut dan cair menjadi cecair. Anda boleh kemudian menyuntik cecair ini ke dalam acuan atau menyemperitnya ke dalam bentuk. Apabila ia sejuk, rantai menjadi perlahan, terkunci kembali ke tempatnya, dan bahan menjadi pepejal semula.

Sifat penting termoplastik ialah proses ini boleh balik, seperti mencairkan dan membekukan kiub ais. Anda boleh mencairkannya, membentuknya, dan jika anda membuat kesilapan, anda boleh mengisarnya, mencairkannya semula dan cuba lagi. Ini menjadikan mereka sangat serba boleh untuk pembuatan dan itulah sebabnya kebanyakan plastik yang anda temui adalah termoplastik.

Termoplastik Biasa (dan apa yang kita lakukan dengannya):

Apakah Termoset?

Termoset ialah bahan di mana rantai polimer bukan sahaja berselirat, ia dikait silang secara kimia, membentuk satu rangkaian tiga dimensi yang tegar. Mereka adalah jaring, bukan timbunan benang.

Nama termo (panas) dan menetapkan (ia ditetapkan secara kekal) menceritakan kisah itu.

Apabila anda membentuk termoset, anda biasanya mencampurkan dua komponen cecair (damar dan pengeras). Ini mencetuskan tindak balas kimia tidak boleh balik yang dipanggil menyembuhkan. Rantai polimer terbentuk dan, pada masa yang sama, pautan silang mencantumkannya ke dalam jaring 3D yang tegar itu. Haba sering digunakan untuk mempercepatkan proses pengawetan ini.

Sebaik sahaja pautan silang itu terbentuk, ia kekal. Jika anda memanaskan termoset, ia tidak akan cair. Ia akan kekal pepejal sehingga ia menjadi sangat panas sehingga ia benar-benar terbakar dan merosot. Prosesnya ialah tidak dapat dipulihkan, macam masak telur. Anda tidak boleh menyahmasak telur, dan anda tidak boleh mencairkan semula termoset yang telah diawet.

Ini menjadikan mereka kurang biasa dan lebih sukar untuk diproses daripada termoplastik, tetapi ia memberi mereka kelebihan yang luar biasa dalam situasi tertentu, terutamanya dalam rintangan haba dan kimia.

Termoset Biasa:

• Epoksi: Digunakan sebagai pelekat berkekuatan tinggi dan sebagai bahan matriks dalam komposit termaju seperti gentian karbon.
• Poliuretana: Boleh dirumuskan sebagai buih tegar (penebat), buih fleksibel (kusyen), atau salutan tahan lelasan (varnis) yang keras.
• Silikon: Terkenal dengan fleksibiliti dan julat suhu yang besar. Digunakan untuk acuan fleksibel, tiub perubatan, dan pengedap suhu tinggi.
• Bakelite: Termoset asal, digunakan untuk rintangan haba dalam komponen elektrik.

Oleh kerana termoset tidak boleh dicairkan dan dibentuk semula, kami biasanya tidak berfungsi dengannya sebagai bahan mentah untuk pemesinan CNC. Walau bagaimanapun, kami sering bahagian mesin yang diadakan pada blok bahan termoset pra-diawet, terutamanya untuk penebat atau lekapan elektrik suhu tinggi.

Kajian Kes: Mengapa Perbezaan Ini Penting di Dunia Nyata?

Beberapa tahun yang lalu, pelanggan permulaan datang kepada kami dalam keadaan panik. Mereka telah mereka bentuk peranti elektronik pegang tangan pintar untuk digunakan di dapur profesional. Ia adalah idea yang bernas, dan mereka telah membelanjakan banyak wang alat pengacuan suntikan untuk menghasilkan selongsong luar daripada apa yang disebut lembaran data mereka sebagai "plastik tahan lama dan tahan panas.

Mereka baru sahaja menerima pengeluaran pertama mereka sebanyak 10,000 unit. Masalahnya? Selongsong itu meleding dan berubah bentuk selepas hanya beberapa kitaran dalam mesin basuh pinggan mangkuk komersial. Projek itu hampir runtuh.

Mereka membawa kami bahagian dan lembaran data bahan. Plastik yang mereka pilih ialah ABS, termoplastik. ABS adalah lasak, kelihatan hebat dan hebat untuk elektronik tujuan umum. Kami membuat prototaip mesin CNC daripadanya sepanjang masa. Tetapi suhu pesongan habanya (titik di mana ia mula menjadi lembut di bawah beban) adalah sekitar 98°C (208°F).

Kitaran bilas akhir mesin basuh pinggan mangkuk komersial boleh mencapai 82-85°C (180-185°F) dengan mudah. Walaupun itu di bawah suhu pesongan haba rasmi, ia cukup hampir untuk kitaran berulang, digabungkan dengan tegasan dalaman daripada pengacuan suntikan proses, telah menyebabkan bahagian meledingkan. Mereka telah memilih bahan yang salah.

Bagaimana Kami Membetulkannya?

Naluri pertama mereka adalah untuk mencari termoplastik yang "lebih baik". Kami melihat Polikarbonat, yang mempunyai rintangan suhu yang lebih tinggi, tetapi ia lebih mahal dan mudah retak dengan bahan pencuci keras yang digunakan dalam dapur komersial.

Penyelesaian sebenar adalah untuk memahami masalah teras: mereka memerlukan kestabilan dimensi pada suhu tinggi. Ini adalah wilayah termoset klasik.

Tetapi mereka tidak boleh membuang $50,000 mereka begitu sahaja acuan suntikan direka untuk termoplastik.

Di sinilah pengetahuan mendalam tentang bahan membuahkan hasil. Kami mencadangkan mereka beralih kepada proses yang berbeza untuk jangka pendek untuk menyimpan pelancaran awal mereka: Tuangan Vakum Uretana.

1. Corak Induk: Kami mengambil fail CAD asal mereka dan CNC memesin corak induk yang sempurna bagi selongsong mereka. Kerana ia adalah kepakaran kami, kami boleh mencipta corak dengan sempurna selesai permukaan dalam beberapa hari sahaja.
2. Acuan Silikon: Kami kemudian menggantung corak induk ini di dalam kotak dan menuangkan silikon cecair—sebuah termoset—di sekelilingnya. Setelah silikon sembuh, kami memotongnya dan mengeluarkan corak induk, meninggalkan rongga acuan yang sempurna dan fleksibel.
3. Pemutus: Kami kemudian menggunakan resin poliuretana dua bahagian—satu lagi termoset—dengan rintangan haba yang jauh lebih tinggi daripada ABS. Kami mencampurkan resin dan menuangkannya ke dalam acuan silikon di bawah vakum (untuk mengelakkan gelembung udara). Selepas masa pengawetan yang singkat dalam ketuhar, kami mempunyai salinan sempurna bahagiannya yang diperbuat daripada bahan yang sesuai untuk mesin basuh pinggan mangkuk.

Apakah Hasilnya?

Pendekatan ini menyelamatkan mereka. Bahagian poliuretana tuang vakum adalah dimensi yang stabil melepasi 120°C dan tahan sepenuhnya kepada bahan pencuci. Mereka dapat menghantar pesanan pertama mereka dan membawa produk ke pasaran.

. kos setiap bahagian adalah lebih tinggi daripada pengacuan suntikan, tetapi mereka hanya memerlukan beberapa ratus bahagian untuk memuaskan hati pelabur awal dan penguji beta mereka. Jumlah kos corak mesin CNC kami dan bahagian tuangan pertama adalah sebahagian kecil daripada kos yang diperlukan untuk mencipta baharu pengacuan suntikan alat.

Kes ini dengan sempurna menggambarkan perbezaan polimer/plastik:

• Mereka pada mulanya memilih a plastik (ABS) tanpa memahami sepenuhnya had asasnya polimer (sebuah termoplastik).
• Penyelesaian yang terlibat menggunakan a termoset (poliuretana) yang berkait silang polimer struktur memberikannya kestabilan haba yang mereka perlukan.
• Ia memerlukan memanfaatkan pelbagai proses, daripada kecekapan teras kami dalam Pemesinan CNC kepada dunia khusus silikon acuan dan tuangan uretana.

Mereka fikir mereka mempunyai masalah "plastik". Apa yang mereka ada sebenarnya adalah masalah "polimer". Dan memahami perbezaan antara rantai, jaring, dan rempah yang anda tambahkan kepada mereka adalah kunci untuk menyelesaikannya.

Bacaan Lanjutan & Sumber

• The Macrogalleria - Tempat Polimer: Sumber yang luar biasa dan mudah difahami dari Universiti Mississippi Selatan yang menerangkan kimia polimer menggunakan analogi dan kartun mudah.
• Majlis Kimia Amerika – Plastik 101: Sumber industri yang memberikan gambaran keseluruhan yang baik tentang jenis plastik utama dan kegunaan biasanya.
• Halaman Perkhidmatan Pemesinan CNC kami: Jika anda melepasi teori dan perlu mengubah reka bentuk anda menjadi bahagian plastik fizikal, pasukan kami boleh membantu anda memilih bahan yang betul dan menyampaikan produk berkualiti tinggi. Kami hidup dan bernafas perkara ini setiap hari.

Penafian

Maklumat di halaman ini adalah untuk tujuan maklumat sahaja. RM tidak membuat pernyataan atau jaminan, nyata atau tersirat, tentang ketepatan atau kesempurnaan maklumat ini. Untuk sebarang perkhidmatan pihak ketiga yang diperoleh melalui RM rangkaian, adalah menjadi tanggungjawab pembeli untuk menentukan dan mengesahkan parameter prestasi, toleransi, lengkap, dan mutu kerja semasa proses sebut harga. Untuk maklumat yang lebih terperinci, sila jangan teragak-agak to hubungi kami.

RM: Rakan Kongsi Pengilangan Ketepatan Anda

RM adalah peneraju industri dalam penyelesaian pembuatan tersuai. Dengan lebih 20 tahun pengalaman mendalam, kami telah menjadi rakan kongsi yang dipercayai untuk lebih 5,000 pelanggan di seluruh dunia. Kami pakar dalam rangkaian perkhidmatan pembuatan yang komprehensif—termasuk pemesinan CNC berketepatan tinggi, fabrikasi kepingan logam, Percetakan 3D, pengacuan suntikan dan pengecapan logam—untuk memberikan anda pengalaman kedai sehenti yang sebenar.

Kemudahan bertaraf dunia kami dilengkapi dengan lebih 100 terkini Pemesinan 5 paksi pusat dan beroperasi dalam pematuhan ketat dengan ISO 9001:2015 sistem Pengurusan kualiti. Kami berdedikasi untuk menyediakan penyelesaian yang menggabungkan kelajuan, kecekapan dan kualiti yang luar biasa kepada pelanggan di lebih 150 negara. daripada prototaip pantas kepada pengeluaran berskala besar, kami menjanjikan penghantaran sepantas 24 jam, membantu anda memperoleh kelebihan daya saing dalam pasaran.Memilih RM bermakna memilih sekutu pembuatan yang cekap, boleh dipercayai dan profesional.

Terokai keupayaan kami hari ini dengan melawati laman web kami: www.rapmaf.com