Общие сведения о полимерах и материалах на их основе. 
использование полимеров на объектах хозяйствования, их пожарная опасность

Полимером называют химическое вещество, имеющее большую молекулярную массу и состоящее из большого числа периодически повторяющихся фрагментов, связанных химическими связями. Указанные фрагменты называются элементарными звеньями.

Таким образом, признаки полимеров следующие: 1. очень большая молекулярная масса (десятки и сотни тысяч). 2. цепное строение молекул (чаще простые связи).

Следует отметить, что полимеры уже сегодня успешно конкурируют со всеми другими материалами, используемыми человечеством с древности.

Применение полимеров:

• — полимеры биологического и медицинского назначения
• — ионно — и электронно-обменные материалы
• — теплои термостойкие пластики
• — изоляторы
• — строительные и конструкционные материалы
• — ПАВы и материалы, стойкие к агрессивной среде.

Быстрое расширение производства полимеров привело к тому, что их пожароопасность (а все они горят лучше, чем дерево) стала национальным бедствием для многих стран. При их горении и разложении образуются различные вещества, в основном токсичные для человека. Знать опасные свойства образующихся веществ необходимо для успешной борьбы с ними.

Классификация полимеров Классификация полимеров по составу основной цепи макромолекул (наиболее распространенная):

I. Карбоцепные ВМС — основные полимерные цепи построены только из углеродных атомов.

II. Гетероцепные ВМС — основные полимерные цепи, помимо атомов углерода, содержат гетероатомы (кислород, азот, фосфор, серу и т. д.).

III. Элементоорганические полимерные соединения — основные цепи макромолекул содержат элементы, не входящие в состав природных органических соединений (Si, Al, Ti, B, Pb, Sb, Sn и др.).

Каждый класс подразделяется на отдельные группы в зависимости от строения цепи, наличия связей, количества и природы заместителей, боковых цепей. Гетероцепные соединения классифицируются, кроме того, с учетом природы и количества гетероатомов, а элементоорганические полимеры — в зависимости от сочетания углеводородных звеньев с атомами кремния, титана, алюминия и т. д.

Классификация по поведению при нагревании.

• — термопластичные — полимеры линейной или разветвлённой структуры, свойства которых обратимы при многократном нагревании и охлаждении;
• — термореактивные — некоторые линейные и разветвлённые полимеры, макромолекулы которых при нагревании в результате происходящих между ними химических взаимодействий соединяются друг с другом; при этом образуются пространственные сетчатые структуры за счёт прочных химических связей. После прогрева, термореактивные полимеры обычно становятся неплавкими и нерастворимыми — происходит процесс их необратимого отверждения.

Классификация по горючести.

Эта классификация весьма приближенная, так как воспламенение и горение материалов зависят не только от природы материала, но и от температуры источника зажигания, условий воспламенения, формы изделия или конструкций и т. д.

Согласно этой классификации полимерные материалы делят на горючие, трудногорючие и негорючие. Из сгораемых материалов выделяют трудновоспламеняемые, а из них и трудносгораемые — самозатухающие.

Примеры сгораемых полимеров: полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат, поливинилацетат, эпоксидные смолы, целлюлоза и т. д.

Примеры трудносгораемых полимеров: ПВХ, тефлон, фенолформальдегидные смолы, мочевиноформальдегидные смолы.

Классификация по способу получения (происхождения).

• — природные (белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы) (животного и растительного происхождения);
• — синтетические (полиэтилен, полипропилен и т. д.);
• — искусственные (химическая модификация природных полимеров — эфиры целлюлозы).

Органические и неорганические полимеры.

Неорганические: кварц, силикаты, алмаз, графит, корунд, карбин, карбид бора и т. д.

Органические: каучуки, целлюлоза, крахмал, органическое стекло и т. д.

Физико-химические свойства полимеров.

• 1. Степень полимеризации — величина средняя (смесь молекул).
• 2. Труднорастворимы (растворимость падает с увеличением молекулярной массы).
• 3. Нелетучесть.
• 4. Нет точной Тпл. (усредненная).
• 5. Полимеры, содержащие в своём составе галогены, устойчивы к кислотам и щелочам (тефлон, ПВХ).

Полимеры, содержащие CN-группы, устойчивы к действию света, масла, бензинов (нитрон).

Основные реакции термического разложения и горения полимеров Виды деструкции:

химическая (+Н2О, + кислоты, + щёлочи и т. д.);

механическая (необратимая деформация под действием нагрузки);

окислительная (О2 + нагрев);

термическая;

фотохимическая (h);

радиационные (n,, , — излучения);

биологическая (нитраты целлюлозы, ряд каучуков разлагаются под действием микроорганизмов).

При разложении полимеров образуется твердый (коксовый остаток), жидкие и газообразные вещества. Жидкие и газообразные вещества называются, «летучими». Выделение «летучих» веществ — признак разложения полимеров.

Температура, при которой начинают выделяться «летучие» вещества — температура начала разложения.

Конечными продуктами разложения сложного вещества (полимеров) является простые вещества (C2H2 — C, H2, капрон — C, H2, O2, N2). Распад на простые вещества возможен при Т — 3000С.

На пожаре Т 1500С и состав выделяющихся веществ сложный — (H2, CO, C2H4, C2H6, СН4, СО2, НСN, NН3 и т. д.).

Молекулы с более высокой молекулярной массой составляют сложные вещества. Таким образом, при воздействии сравнительно низких температур (до 500−600С) на полимер, летучие вещества в своём составе будут содержать больше смолистых и меньше газообразных веществ. С повышением температуры образование газообразных веществ увеличивается.

В зависимости от того, разложение полимеров идёт в присутствии или отсутствии О2 воздуха, различают термическое и термоокислительное разложение.

Под термическим разложением понимают распад полимерного материала под действием температуры в отсутствии окислителя (относительное движение составляющих приводит к разрушению связей). Термическая деструкция обычно идёт по радикальному механизму. При этом происходит деполимеризация, т. е. отщепление мономеров.

Термоокислительная деструкция — процесс разрушения макромолекул под действием высоких температур в присутствии кислорода. Этот процесс может идти при более низких температурах, чем термическая деструкция.

Первичные продукты — перекиси, при распаде которых образуются свободные радикалы.

Особенности горения полимеров.

• 1. Для сгорания единицы веса полимера требуются большие объёмы воздуха (в 1.5 — 2 раза больше, чем для древесины — 4.5 м3/кг);
• 2. Образуются большие объемы продуктов горения;
• 3. Значительный недожог — образуется дым;
• 4. Содержится много токсичных продуктов недожога (CO, NO2, HCl, HCN, C и т. д.);
• 5. Плавление и растекание — распространение пожара;
• 6. Высокая температура горения — 1100 — 1300 оC;
• 7. Высокая излучательная способность у пламени.

Состав продуктов разложения и горения полимеров.

Древесина состоит из целлюлозы (52 — 59%), лигнина (21 — 28%), гемицеллюлозы, смолы, терпены и т. д.

Лигнин обуславливает одеревенение растительных тканей, заполняет пространство древесными клетками, где накапливается до 70%. Аморфная масса желто-коричневого цвета. Нерастворим в крепкой H2SO4. Молекулярный вес 10 тысяч и выше.

Гемицеллюлоза — ряд сложных полисахаридов, служащих материалов для стенок клеток и запасными веществами для получения сахара. Неоднородна. Нерастворима в воде, не обладает восстановительными свойствами.

Целлюлоза — углевод, из которого строится состав растений (клетчатка). При полном гидролизе она целиком распадается на глюкозу. Её очень много в хлопке, льне. Минеральные кислоты ее осахаривают.

До 110С удаляется влага, 150−200С — продукты разложения состоят в основном из СО2 и Н2О. При температуре свыше 200С образуются газообразные горючие вещества: СО, углеводороды, Н2 и т. д.

В лабораторных условиях в первую очередь разлагается гемицеллюлоза — 220−250С, затем целлюлоза — 280−350С, затем лигнин — 280−500С. полимер химический молекулярный термоокислительный Максимальный выход летучих веществ наблюдается при 270−450С (до 80%).

При 400−500С — в остатке почти нет летучих веществ — тление. В состав смолистых веществ входят вода, фенолы, этиленгликоль, углеводороды, спирты, кислоты, воск, и т. д.

ПВХ материалы.

Распад начинается уже при температуре 160−180С. Образуется HCI (до 95% хлора переходит в него).

Хлоропреновый каучук и резина.

Повышенная термическая устойчивость (такое строение, наличие галогена). Выделение НСI начинается при 200−250С и заканчивается при 400С.

Тефлон.

Устойчив термически до 400С. Способен к горению только в среде, обогащенной кислородом. В условиях пожара разлагается до мономера С2F4.

Капрон, нитрон, шерсть.

Продукты горения: СО, СО2, Н2О, СnН2n+2, HCN, NO, NO2, NH3 и другие (для шерсти — SO2, H2S, S — в виде жёлтого дыма). Комбинированное действие.