Anorganische Polymere Eigenschaften und Anwendungen. Beispiele für Problemlösungen. Die mineralische Zusammensetzung von Granit

Theoretisch ist die Existenz von anorganischen Polymeren möglich, die aus chemischen Elementen der III-VI-Gruppen des Elementesystems gebildet werden.

Das wichtigste chemische Element für die Bildung anorganischer Polymere ist Sauerstoff, das am häufigsten vorkommende Element auf der Erde. Es erzeugt leicht hochmolekulare Heteroketten-Element-Oxan-Verbindungen, daher sind Polyelement-Oxane die Hauptklasse von Heteroketten-Kohlenstoff-freien oder anorganischen Polymeren.

Anorganische Polymere umfassen alle kohlenstofffreien Polyelementoxane mit P-O-, B-O-, S-O-, Si-O-, Al-O- usw. Bindungen sowie viele kohlenstofffreie heteronukleare Verbindungen wie Boride, Sulfide, Silicide, Carbide usw.

Es ist allgemein anerkannt, dass makromolekulare Verbindungen Substanzen umfassen, die aus Atomen bestehen, die durch kovalente Bindungen in eine makromolekulare Struktur eingebunden sind. Es wurde festgestellt, dass der Gehalt an kovalenten Bindungen in anorganischen Polymeren im Bereich von 50 bis 80 % liegt.

Makromoleküle anorganischer Polymere können nicht nur heterokettig, sondern auch homoatomar sein. Bekannte organische homoatomare Polymere des Kohlenstoffs sind Diamant und Graphit, die oben diskutiert wurden (Kapitel 4).

Weniger bekannt sind homoatomare anorganische Polymere von Schwefel, Selen und Tellur. Homoatomare Schwefelpolymere haben ein Molekulargewicht von 5.000 bis 300.000, eine Glasübergangstemperatur von 248–250 K und zeigen hochelastische Eigenschaften bei einer Temperatur von 273–353 K. Die meisten chemischen Elemente sind jedoch nicht in der Lage, stabile homoatomare hochmolekulare Verbindungen zu bilden Verbindungen.

Heterokettige anorganische Polymere sind weitaus bekannter. Aufgrund ihrer Struktur sind sie stabiler und widerstandsfähiger gegenüber diversen Einflüssen.

Heterokettige anorganische Polymere können wie organische eine lineare und Netzwerkstruktur haben. Zu den linearen gehören Silikatgläser auf Basis von Siliziumoxid, Polyphosphaten und Polyboraten (Verbindungen auf Basis von Salzen von Polyphosphor- bzw. Polyborsäuren). Die makromolekulare Natur von Silikaten, unser großer Landsmann D.I. Mendeleev sagte bereits im 19. Jahrhundert voraus. und schrieb über Kieselsäure als Polymer.

Ein weiteres anorganisches Heterokettenpolymer auf Basis von Siliziumdioxid, Quarz, hat eine dreidimensionale Netzwerkstruktur.

Andere natürliche anorganische polymere Materialien auf der Basis von Silikaten sind gut bekannt – Asbest, Glimmer, Talk. Technologien für die Synthese dieser Polymere wurden entwickelt, und die technischen Eigenschaften künstlicher Materialien sind höher als die natürlicher.

Die wichtigste Gruppe von anorganischen heterokettigen Polymermaterialien sind Keramiken verschiedener Zusammensetzungen.

Was macht es möglich, diese Materialien als Polymere zu betrachten? Zuallererst das Vorhandensein einer hohen Anisotropie des Makromoleküls und die Verbindung von Atomen untereinander durch starke kovalente Bindungen. Außerdem ist für kohlenstofffreie Polymere sowie für organische Polymere der gasförmige Zustand unbekannt. Kohlenstofffreie Polymere werden wie organische makromolekulare Verbindungen in Thermoplaste (z. B. Silikatgläser) und Thermoplaste (z. B. Oxidkeramiken) eingeteilt.

Lösungen und Schmelzen von anorganischen Polymeren weisen gegenüber Lösungen von niedermolekularen Stoffen eine erhöhte Viskosität auf, die mit zunehmendem Molekulargewicht zunimmt. Anorganische Netzwerkpolymere sind ebenso wie organische Netzwerkpolymere nicht in der Lage, sich aufzulösen.

Anorganische Polymermaterialien mit linearer Struktur können in drei physikalischen Zuständen vorliegen: glasig, hochelastisch und viskos. Auf Abb. 17.1 zeigt die thermomechanischen Kurven von organischen und anorganischen Polymeren. Die Kurven werden konstruiert, indem der Torsionswinkel φ eines Rundstabes aus dem untersuchten Material bei verschiedenen Temperaturen gemessen wird.

Aus den dargestellten Daten ist ersichtlich, dass anorganische Gläser wie organische Polymere zwei Temperaturübergänge aufweisen.

Reis. 17.1. Thermomechanische Kurven organischer und anorganischer Polymere: 1 - Plexiglas; 2- Ebonit; 3, 4, 5 - Silikatgläser (Blei, alkalisch bzw. leicht alkalisch)

ja, bei dem sich ihre Eigenschaften (in diesem Fall der Drehwinkel des Stabs) dramatisch ändern, was mit ihren Übergängen von einem glasigen zu einem hochelastischen und von einem hochelastischen zu einem viskosen Zustand zusammenhängt.

Viele anorganische Polymere haben eine Netzwerkstruktur und können wie organische Thermoplaste keine hohe Elastizität aufweisen. Für anorganische Netzwerkpolymere sowie für organische Polymere mit einem dreidimensionalen Netzwerk verliert das Konzept "Makromolekül" seine Bedeutung, da alle ihre Atome zu einer einzigen Netzwerkstruktur verbunden sind und ein riesiges Supermakromolekül bilden.

Die Technologie zur Gewinnung anorganischer makromolekularer Verbindungen sowie organischer Verbindungen basiert auf Polymerisation und Polykondensation. Die Synthese anorganischer Polymere mit Netzwerkstruktur und das Formen von Produkten daraus erfolgen gleichzeitig sowie bei der Herstellung von Produkten aus Duroplasten.

Die Plastifizierung von anorganischen Polymeren erfolgt mit niedermolekularen Substanzen und ermöglicht eine Absenkung der Glasübergangstemperatur, ähnlich wie dies bei der Plastifizierung von organischen Polymeren mit organischen Weichmachern der Fall ist. Als Weichmacher für anorganische Polymere werden Wasser, Alkohole, Ammoniak, Gase - Stickstoff und Sauerstoff - verwendet, die es ermöglichen, das Ausmaß der intermolekularen Wechselwirkung zu verringern und das Intervall zwischen Glasübergangs- und Fließfähigkeitstemperaturen zu verlängern.

Anorganische Polymere neigen dazu, supramolekulare Strukturen zu bilden. Es wurde durch verschiedene Methoden festgestellt, dass die Glasstruktur Mikroheterogenitäten mit einer strengen Ordnung enthält. Ein strukturell geordnetes Element in Glas fällt auf ein Volumen von 1 (G 28 cm Kristallisation), es wird speziell eine zweiphasige amorph-kristalline Struktur erzeugt, die es ermöglicht, Materialien mit gewünschten Eigenschaften zu erhalten.

Auf Abb. 17.2 zeigt Fotografien der Mikrostruktur von anorganischen Polymeren auf der Basis von Metalloxiden, auf denen supramolekulare Formationen deutlich sichtbar sind, die die strukturelle Ordnung dieser Materialien anzeigen.

Reis. 17.2. Supramolekulare Strukturen anorganischer Polymere (x10.000): a- Brennstoffpellets U0 2 ; b- Spinelle MgAl 2 0 4

Makromoleküle von kohlenstofffreien linearen Polyelementoxanen sowie organische Polymere sind flexibel. Die weitverbreitete Meinung über die mangelnde Flexibilität anorganischer Polymermakromoleküle beruht darauf, dass die meisten kohlenstofffreien natürlichen Polymere (Silikate) eine dreidimensionale Struktur haben, die die segmentale Beweglichkeit von Makromolekülen stark einschränkt.

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften anorganischer Polymere unterscheiden sich grundlegend von den Eigenschaften organischer und elementorganischer Polymere, was eine Folge von Unterschieden in der Struktur der Hauptkette ist. Sie haben eine hohe Festigkeit und Härte, Feuerfestigkeit und Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit und hervorragende dielektrische Eigenschaften, chemisch und biologisch inert.

Aufgrund dieser Eigenschaften werden anorganische Polymere weithin als feuerfeste, hitzebeständige und hochbelastbare Konstruktionsmaterialien verwendet. Sie werden zur Herstellung von Katalysatoren und Adsorbentien, Kleb- und Dichtstoffen mit hoher Hitzebeständigkeit verwendet, diese Materialien werden bei der Herstellung von Laser- und Elektronikgeräten verwendet. Anorganische Polymere werden häufig als Baumaterialien sowie in der Orthopädie und Zahnmedizin verwendet. Und das ist erst der Anfang.

Tabelle 17.1.Prognose der Entwicklung von Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der keramischen Werkstoffe und des Glases

Im Tisch. 17.1 zeigt Prognosen für die Entwicklung der Forschung auf dem Gebiet der anorganischen Polymermaterialien, die zeigen, dass diese Richtung der Materialwissenschaft zu revolutionären Veränderungen auf dem Gebiet der Schaffung neuer Technologien führen sollte.

Die Weiterentwicklung der Verwendung dieser Materialien ist mit der Notwendigkeit verbunden, ihre Kosten zu senken und die Produktionsmengen zu erweitern.

Testfragen

• 1. Welche chemischen Elemente können anorganische Polymermaterialien bilden?
• 2. Welche Bindungen verbinden Atome in anorganischen Polymermaterialien?
• 3. Nennen Sie Beispiele für anorganische Strukturmaterialien.
• 4. Was sind die wichtigsten Eigenschaften makromolekularer Verbindungen, die anorganische Polymere haben?
• 5. Welche Aggregatzustände sind für anorganische Polymere bekannt?
• 6. Wie lassen sich anorganische Polymere hinsichtlich Erhitzung einteilen?
• 7. Können anorganische Polymere plastifiziert werden?
• 8. Ist das Konzept der supramolekularen Struktur auf anorganische Polymere anwendbar?
• 9. Was sind die besonderen Eigenschaften von anorganischen Strukturmaterialien?

Organische Polymere spielen in der Natur eine bedeutende Rolle. Darüber hinaus sind sie in der Industrie weit verbreitet. Als nächstes werden die Zusammensetzung, Eigenschaften und Anwendung von organischen Polymeren betrachtet.

Besonderheiten

Die betrachteten Materialien bestehen aus Monomeren, die durch sich wiederholende Fragmente einer Struktur aus mehreren Atomen dargestellt werden. Sie werden durch Polykondensation oder Polymerisation zu dreidimensionalen Strukturen oder Ketten verzweigter oder linearer Form kombiniert. Oft in der Struktur manifestieren sie sich deutlich.

Es sei darauf hingewiesen, dass sich der Begriff "Polymere" hauptsächlich auf organische Varianten bezieht, obwohl es auch anorganische Verbindungen gibt.

Das Prinzip der Benennung der betrachteten Materialien besteht darin, das Präfix Poly- an den Namen des Monomers anzuhängen.

Die Eigenschaften von Polymeren werden durch die Struktur und Größe von Makromolekülen bestimmt.

Die meisten Polymere enthalten neben Makromolekülen weitere Substanzen, die der Verbesserung funktioneller Eigenschaften durch Eigenschaftsmodifizierung dienen. Sie werden vorgestellt:

• Stabilisatoren (verhindern Alterungsreaktionen);
• Füllstoffe (Einschlüsse eines anderen Phasenzustands, die dazu dienen, bestimmte Eigenschaften zu verleihen);
• Weichmacher (Frostbeständigkeit erhöhen, Verarbeitungstemperatur senken und Elastizität verbessern);
• Schmiermittel (um ein Anhaften von Metallelementen zu vermeiden, die in Verarbeitungsgeräten verwendet werden);
• Farbstoffe (dient zu Dekorationszwecken und zur Erstellung von Markierungen);
• Flammschutzmittel (reduzieren die Entflammbarkeit einiger Polymere);
• Fungizide, Antiseptika, Insektizide (gibt antiseptische Eigenschaften und Resistenz gegen Insekten und Schimmelpilze).

In der Natur werden die betrachteten Stoffe in Organismen gebildet.

Darüber hinaus gibt es Verbindungen, die in ihrer Struktur Polymeren ähnlich sind, sogenannte Oligomere. Ihre Unterschiede bestehen in einer geringeren Anzahl von Verknüpfungen und einer Änderung der anfänglichen Eigenschaften, wenn eine oder mehrere von ihnen entfernt oder hinzugefügt werden, während die Parameter der Polymere erhalten bleiben. Darüber hinaus gibt es keine eindeutige Meinung bezüglich der Beziehung zwischen diesen Verbindungen. Einige betrachten Oligomere als Varianten von Polymeren mit niedrigem Molekulargewicht, während andere sie als eine separate Art von Verbindungen betrachten, die nicht zu denen mit hohem Molekulargewicht gehören.

Einstufung

Polymere werden nach der Zusammensetzung der Glieder unterschieden in:

• organisch;
• Organoelement;
• anorganisch.

Erstere dienen als Basis für die meisten Kunststoffe.

Substanzen des zweiten Typs umfassen Kohlenwasserstoff- (organische) und anorganische Fragmente in den Verbindungen.

Nach der Struktur werden sie unterschieden in:

• Optionen, bei denen Atome verschiedener Elemente von organischen Gruppen eingerahmt werden;
• Substanzen, bei denen sich Kohlenstoffatome mit anderen abwechseln;
• Materialien mit Kohlenstoffketten, die von Organoelementgruppen eingerahmt sind.

Alle vorgestellten Typen haben Hauptketten.

Die gebräuchlichsten anorganischen Polymere sind Alumosilikate und Silikate. Dies sind die wichtigsten Mineralien der Erdkruste.

Basierend auf der Herkunft werden Polymere eingeteilt in:

• natürlich;
• synthetisch (synthetisiert);
• modifiziert (modifizierte Varianten der ersten Gruppe).

Letztere werden je nach Art der Gewinnung unterteilt in:

• Polykondensation;
• Polymerisation.

Polykondensation ist der Prozess der Bildung von Makromolekülen aus Monomermolekülen, die mehr als eine funktionelle Gruppe enthalten, unter Freisetzung von NH 3 , Wasser und anderen Substanzen.

Unter Polymerisation versteht man den Vorgang der Bildung von Makromolekülen mit Mehrfachbindungen aus einem Monomer.

Die Klassifizierung nach makromolekularer Struktur umfasst:

• verzweigt;
• linear;
• dreidimensionale genäht;
• Treppe.

Nach der Reaktion auf thermische Belastung werden Polymere unterschieden in:

• Duroplast;
• Thermoplast.

Substanzen des ersten Typs werden durch räumliche Varianten mit einem starren Rahmen repräsentiert. Beim Erhitzen tritt bei ihnen Zerstörung auf, einige leuchten auf. Dies liegt an der gleichen Stärke von inneren Bindungen und Kettenbindungen. Infolgedessen führt die thermische Einwirkung zum Bruch sowohl der Ketten als auch der Struktur, daher tritt eine irreversible Zerstörung auf.

Thermoplastische Varianten sind lineare Polymere, die beim Erhitzen reversibel erweichen und beim Abkühlen aushärten. Ihre Eigenschaften bleiben dann erhalten. Die Plastizität dieser Substanzen beruht auf dem Aufbrechen der intermolekularen und Wasserstoffbindungen der Ketten bei mäßiger Erwärmung.

Schließlich werden organische Polymere nach den strukturellen Merkmalen in mehrere Klassen eingeteilt.

1. Schwache und unpolare Thermoplaste. Präsentiert als Optionen mit symmetrischer Molekülstruktur oder mit schwach polaren Bindungen.
2. Polare Thermoplaste. Dieser Typ umfasst Substanzen mit einer asymmetrischen Molekülstruktur und intrinsischen Dipolmomenten. Manchmal werden sie als Niederfrequenzdielektrika bezeichnet. Aufgrund der Polarität ziehen sie Feuchtigkeit gut an. Außerdem sind die meisten von ihnen benetzbar. Diese Substanzen unterscheiden sich von der vorherigen Klasse auch durch ihren geringeren elektrischen Widerstand. Gleichzeitig zeichnen sich viele der polaren Thermoplaste durch hohe Elastizität, chemische Beständigkeit und mechanische Festigkeit aus. Eine zusätzliche Verarbeitung ermöglicht es, diese Verbindungen in flexible gummiartige Materialien umzuwandeln.
3. duroplastische Polymere. Wie oben erwähnt, handelt es sich dabei um Substanzen mit einem räumlichen System kovalenter Bindungen. Sie unterscheiden sich von thermoplastischen Varianten durch Härte, Hitzebeständigkeit und Sprödigkeit, einen großen Elastizitätsmodul und einen geringeren Längenausdehnungskoeffizienten. Außerdem werden solche Polymere nicht durch übliche Lösungsmittel angegriffen. Sie dienen als Grundlage für viele Substanzen.
4. Laminierte Kunststoffe. Vertreten durch laminierte Materialien aus harzimprägnierten Papierbögen, Glasfasern, Holzfurnieren, Stoffen usw. Solche Polymere zeichnen sich durch die größte Anisotropie der Eigenschaften und Festigkeit aus. Aber zum Erstellen von Objekten mit komplexer Konfiguration sind sie von geringem Nutzen. Sie werden in der Funktechnik, Elektrotechnik, im Instrumentenbau eingesetzt.
5. Metall-Kunststoff. Dies sind Polymere, einschließlich Metallfüllstoffe in Form von Fasern, Pulvern, Geweben. Diese Zusätze dienen dazu, bestimmte Eigenschaften zu verleihen: magnetisch, Dämpfungsverbesserung, elektrische und thermische Leitfähigkeit, Absorption und Reflexion von Funkwellen.

Eigenschaften

Viele organische Polymere haben gute elektrische Isoliereigenschaften über einen weiten Bereich von Spannungen, Frequenzen und Temperaturen bei hoher Feuchtigkeit. Darüber hinaus haben sie gute Schall- und Wärmedämmeigenschaften. Außerdem zeichnen sich gewöhnlich organische Polymere durch eine hohe Beständigkeit gegen chemischen Angriff aus, unterliegen keiner Fäulnis und Korrosion. Schließlich haben diese Materialien eine hohe Festigkeit bei geringer Dichte.

Die obigen Beispiele demonstrieren die allgemeinen Eigenschaften von organischen Polymeren. Darüber hinaus zeichnen sich einige von ihnen durch besondere Merkmale aus: Transparenz und geringe Sprödigkeit (organisches Glas, Kunststoffe), makromolekulare Orientierung unter gerichteter mechanischer Einwirkung (Fasern, Folien), hohe Elastizität (Gummi), schnelle Änderung physikalischer und mechanischer Parameter unter den Einfluss eines Reagenzes in geringer Menge (Gummi, Leder etc.), sowie hohe Viskosität bei geringer Konzentration, Radiotransparenz, Gleiteigenschaften, Diamagnetismus etc.

Anwendung

Aufgrund der oben genannten Parameter haben organische Polymere ein breites Anwendungsspektrum. So ermöglicht die Kombination von hoher Festigkeit mit geringer Dichte, Materialien mit hoher spezifischer Festigkeit zu erhalten (Stoffe: Leder, Wolle, Fell, Baumwolle etc.; Kunststoffe).

Neben den genannten werden aus organischen Polymeren weitere Materialien hergestellt: Kautschuke, Farben und Lacke, Klebstoffe, Elektroisolierlacke, Faser- und Filmstoffe, Compounds, Bindemittel (Kalk, Zement, Ton). Sie werden für den industriellen und häuslichen Bedarf verwendet.

Organische Polymere haben jedoch einen erheblichen praktischen Nachteil – Alterung. Unter diesem Begriff versteht man eine Veränderung ihrer Eigenschaften und Abmessungen infolge physikalisch-chemischer Umwandlungen, die unter dem Einfluss verschiedener Faktoren erfolgen: Abrieb, Erwärmung, Bestrahlung usw. Die Alterung erfolgt durch das Auftreten bestimmter Reaktionen, je nach Art des Materials und der Beeinflussung Faktoren. Die häufigste unter ihnen ist die Zerstörung, was die Bildung von Substanzen mit niedrigerem Molekulargewicht aufgrund des Aufbrechens der chemischen Bindung der Hauptkette impliziert. Auf der Grundlage der Ursachen wird die Zerstörung in thermische, chemische, mechanische und photochemische unterteilt.

Geschichte

Die Untersuchung von Polymeren begann sich in den 40er Jahren zu entwickeln. 20. Jahrhundert und Mitte des Jahrhunderts als eigenständiges Wissenschaftsgebiet gebildet. Dies war auf die Entwicklung des Wissens über die Rolle dieser Substanzen in der organischen Welt und die Aufklärung der Möglichkeiten ihrer Anwendung in der Industrie zurückzuführen.

Gleichzeitig wurden Anfang des 20. Jahrhunderts Kettenpolymere hergestellt.

Mitte des Jahrhunderts beherrschten sie die Herstellung von elektrisch isolierenden Polymeren (Polyvinylchlorid und Polystyrol), Plexiglas.

Zu Beginn der zweiten Jahrhunderthälfte erweiterte sich die Produktion von Polymergeweben durch die Rückführung früher produzierter Materialien und das Aufkommen neuer Möglichkeiten. Unter ihnen - Baumwolle, Wolle, Seide, Lavsan. Im gleichen Zeitraum begann dank der Verwendung von Katalysatoren die Produktion von Polyethylen und Polypropylen bei niedrigem Druck und kristallisierenden stereoregulären Varianten. Wenig später beherrschten sie die Massenproduktion der bekanntesten Dichtstoffe, porösen und klebenden Materialien, vertreten durch Polyurethane, sowie organoelementische Polymere, die sich von organischen Gegenstücken durch größere Elastizität und Hitzebeständigkeit (Polysiloxane) unterscheiden.

In den 60er - 70er Jahren. Es wurden einzigartige organische Polymere mit aromatischen Komponenten geschaffen, die sich durch hohe Hitzebeständigkeit und Festigkeit auszeichnen.

Die Produktion organischer Polymere entwickelt sich noch intensiv. Dies liegt an der Möglichkeit, billige Materialien wie Kohle, Begleitgase aus der Ölraffination und -produktion sowie Erdgase zusammen mit Wasser und Luft als Rohstoffe für die meisten von ihnen zu verwenden.

In der modernen Welt gibt es praktisch niemanden, der nicht zumindest eine Ahnung von Polymeren hätte. Polymere gehen zusammen mit einem Menschen durchs Leben und machen sein Leben immer bequemer und komfortabler. Bei der Erwähnung von Polymeren werden die ersten Assoziationen zu synthetischen organischen Substanzen sein, da diese stärker sichtbar sind. Natürliche Polymere – natürliche organische Substanzen – treten in der assoziativen Wahrnehmung eines Menschen in der assoziativen Wahrnehmung eines Menschen in den Hintergrund, obwohl es mehr davon in der Welt um uns herum gibt. Sie umgeben uns immer, aber niemand denkt über die Art des Ursprungs von Flora und Fauna nach. Zellulose, Stärke, Lignin, Kautschuk, Proteine ​​und Nukleinsäuren sind die Hauptmaterialien, aus denen die Natur die uns umgebende Tier- und Pflanzenwelt erschafft. Und absolut niemand wird Edelsteine, Graphit, Glimmer, Sand und Ton, Glas und Zement als Polymere wahrnehmen. Dennoch hat die Wissenschaft die Tatsache der Polymerstruktur vieler anorganischer Verbindungen festgestellt, einschließlich der oben aufgeführten. Polymere bestehen aus Makromolekülen. Bei der Bildung von Polymeren werden eine Vielzahl von Atomen oder Atomgruppen durch chemische Bindungen – kovalent oder koordinativ – miteinander verknüpft. Polymermakromoleküle enthalten zehn, hundert, tausend oder zehntausend Atome oder sich wiederholende Elementareinheiten. Informationen über die Polymerstruktur wurden durch das Studium der Eigenschaften von Lösungen, der Struktur von Kristallen und der mechanischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften anorganischer Substanzen erhalten. Zur Untermauerung des Obigen ist anzumerken, dass es eine ausreichende Menge an wissenschaftlicher Literatur gibt, die die Tatsache der polymeren Struktur einiger anorganischer Substanzen bestätigt.

Es wäre logisch zu bemerken: Warum gibt es so viele Informationen über synthetische organische Polymere und so wenig über anorganische? Wenn es anorganische polymere Stoffe gibt, was genau sind sie und wo werden sie verwendet? Mehrere Beispiele für anorganische Polymere wurden oben angegeben. Dies sind bekannte Substanzen, die jeder kennt, aber nur wenige wissen, dass diese Substanzen als Polymere eingestuft werden können. Im Großen und Ganzen ist es dem Laien egal, ob Graphit auf Polymere zurückzuführen ist oder nicht, denn bei Edelsteinen mag es für manche sogar beleidigend sein, teuren Schmuck mit billigem Plastikschmuck gleichzusetzen. Wenn es jedoch Grund gibt, einige anorganische Substanzen Polymere zu nennen, warum nicht darüber sprechen? Betrachten Sie einige Vertreter solcher Materialien, lassen Sie uns näher auf die interessantesten eingehen.
Die Synthese von anorganischen Polymeren erfordert meistens sehr reine Ausgangsmaterialien sowie hohe Temperaturen und Drücke. Die Hauptwege, um sie zu erhalten, sowie organische Polymere, sind Polymerisation, Polykondensation und Polykoordination. Zu den einfachsten anorganischen Polymeren gehören Homokettenverbindungen, die aus Ketten oder Gerüsten bestehen, die aus identischen Atomen aufgebaut sind. Neben dem bekannten Kohlenstoff, dem Hauptelement, das am Aufbau fast aller organischen Polymere beteiligt ist, können auch andere Elemente am Aufbau von Makromolekülen beteiligt sein. Zu diesen Elementen gehören Bor aus der dritten Gruppe, Silizium, Germanium und Zinn aus der vierten Gruppe, zu der auch Kohlenstoff, Phosphor, Arsen, Antimon und Wismut aus der fünften Gruppe gehören, Schwefel, Tellur, Selen aus der sechsten. Grundsätzlich werden aus diesen Elementen gewonnene Homokettenpolymere in der Elektronik und Optik eingesetzt. Die Elektronikindustrie entwickelt sich in einem sehr hohen Tempo und die Nachfrage nach synthetischen Quarzen übersteigt schon lange das Angebot. Besonders hervorzuheben sind jedoch Kohlenstoff und anorganische Polymere, die auf seiner Basis erhalten werden: Diamant und Graphit. Graphit ist ein bekanntes Material, das in verschiedenen Industrien Anwendung gefunden hat. Graphit wird zur Herstellung von Stiften, Elektroden, Tiegeln, Farben, Schmiermitteln verwendet. Tausende Tonnen Graphit werden aufgrund seiner Eigenschaften, Neutronen zu verlangsamen, für die Nuklearindustrie benötigt. In dem Artikel werden wir näher auf die interessantesten Vertreter anorganischer Polymere eingehen - Edelsteine.
Die interessantesten, anspruchsvollsten, von Frauen geliebten Vertreterinnen anorganischer Polymere sind Diamanten. Diamanten sind sehr teure Mineralien, die auch auf anorganische Polymere zurückzuführen sind und von fünf großen Unternehmen in der Natur abgebaut werden: DeBeers, Alrosa, Leviev, BHPBilliton, RioTinto. Es war DeBeers, der den Ruf dieser Steine ​​begründete. Geschicktes Marketing läuft auf den Slogan „es ist für immer“ hinaus. DeBeers hat diesen Stein zu einem Symbol für Liebe, Wohlstand, Macht und Erfolg gemacht. Eine interessante Tatsache ist, dass Diamanten in der Natur ziemlich häufig vorkommen, wie Saphire und Rubine, seltenere Mineralien, aber sie werden niedriger bewertet als Diamanten. Das Interessanteste ist die Situation, die sich auf dem Markt für natürliche Diamanten entwickelt hat. Tatsache ist, dass es Technologien gibt, die es ermöglichen, synthetische Diamanten zu erhalten. 1954 erfand die Forscherin von General Electric, Tracy Hall, einen Apparat, der es ermöglichte, Diamantkristalle aus Eisensulfid bei einem Druck von 100.000 Atmosphären und einer Temperatur von über 2500 °C zu gewinnen. Die Qualität dieser Steine ​​war aus Schmucksicht nicht hoch, aber die Härte war die gleiche wie die eines Natursteins. Halls Erfindung wurde verbessert, und 1960 schuf General Electric eine Fabrik, die Diamanten in Edelsteinqualität produzieren konnte. Der negative Punkt war, dass der Preis für synthetische Steine ​​höher war als für natürliche.
Derzeit gibt es zwei Technologien für die Synthese von Diamanten. HPHT-Technologie (Hochdruck/Hochtemperatur) - Synthese von Diamanten in Kombination von Hochdruck und Hochtemperatur. CVD-Technologie (chemische Gasphasenabscheidung) - die Technologie der chemischen Gasphasenabscheidung gilt als fortschrittlicher und ermöglicht es Ihnen, einen Diamanten zu züchten, als ob Sie die natürlichen Bedingungen seines Wachstums simulieren würden. Beide Technologien haben Vor- und Nachteile. Kampagnen, die sie verwenden, lösen die Mängel der Technologie, indem sie ihre eigenen Erfindungen und Entwicklungen anwenden. Beispielsweise gelang es einer Gruppe sowjetischer Wissenschaftler aus Nowosibirsk bereits 1989, den Fusionsdruck auf 60.000 Atmosphären zu senken. Nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion wurden die Entwicklungen auf dem Gebiet der Diamantsynthese nicht gestoppt, dank vieler ausländischer Investoren, die an einer Technologie zur billigen Synthese hochwertiger Edelsteine ​​interessiert waren. Zum Beispiel finanzierte DeBeers die Arbeit einiger Wissenschaftler, um die Gelegenheit zur Kontrolle des Marktes nicht zu verpassen. Einige Privatunternehmer haben Diamantsyntheseanlagen in Russland gekauft, zum Beispiel begann das heute florierende amerikanische Unternehmen Gemesis 1996 mit dem Kauf einer Diamantenzuchtanlage in Russland für 60.000 US-Dollar. Jetzt produziert und verkauft "Gemesis" Diamanten in seltenen Farben: gelb und blau, und der Preisunterschied zwischen diesen und genau denselben Natursteinen beträgt 75%.

Ein weiteres großes Unternehmen, das Diamanten synthetisiert, Apollo Diamond, verbessert die HPHT-Technologie durch die Synthese von Steinen in einer gasförmigen Atmosphäre einer bestimmten Zusammensetzung (eine Symbiose aus HPHT- und CVD-Technologie). Diese Methode bringt "Apollo Diamond" auf den Markt der Schmucksteine, während die Qualität der mit dieser Technologie gezüchteten synthetischen Diamanten sehr hoch ist. Gemmatologen finden es immer schwieriger, synthetische Steine ​​von natürlichen zu unterscheiden. Dies erfordert einen Komplex von Analysen auf einer ziemlich komplexen und teuren Ausrüstung. Synthetische Edelsteindiamanten von Apollo Diamond sind durch Standardanalysemethoden praktisch nicht von natürlichen Mineralien zu unterscheiden.

Die weltweite Diamantenproduktion beträgt jetzt 115 Millionen Karat oder 23 Tonnen pro Jahr. Theoretisch könnte dieser gigantische Markt zusammenbrechen und der Ruf von Diamanten als Edelsteine ​​für immer verloren sein. Monopolfirmen investieren, um die Situation zu stabilisieren und den Markt zu kontrollieren. Beispielsweise werden teure Marketingkampagnen durchgeführt, Patente für Technologien zur Herstellung künstlicher Diamanten aufgekauft, damit diese Technologien niemals eingeführt werden, Zertifikate und Qualitätspässe für Markendiamanten ausgestellt, die ihre natürliche Herkunft bestätigen. Aber wird dies den Fortschritt der Fusionstechnologie aufhalten?

Apropos Diamanten, wir sind auf die Brillanz von Edelsteinen in der Schmuckindustrie abgeschweift, aber auch Industriesteine ​​sollten erwähnt werden. In diesem Fall arbeiten die meisten Unternehmen, die an der Kultivierung von Diamanten beteiligt sind, hauptsächlich für die Bedürfnisse der elektronischen und optischen Industrie. Der Industriesteinmarkt ist vielleicht nicht so faszinierend wie der Schmuckmarkt, aber er ist trotzdem riesig. So ist beispielsweise das Haupteinkommen von „Apollo Diamond“ die Synthese dünner Diamantscheiben für Halbleiter. Übrigens kann jetzt eine Anlage zur Synthese von Diamanten mit einer Kapazität von etwa 200 kg Diamanten pro Monat für 30.000 Dollar gekauft werden.

Ein weiterer Vertreter der Edelsteine ​​ist der Rubin. Der erste synthetische Rubin wurde 1902 geboren. Es wurde von dem französischen Ingenieur Verneuil durch Schmelzen des Pulvers aus Aluminiumoxid und Chrom synthetisiert, das dann zu einem Sechs-Gramm-Rubin kristallisierte. Diese einfache Synthese ermöglichte es, die industrielle Produktion von Rubinen auf der ganzen Welt relativ schnell zu entwickeln. Dieser Stein ist sehr gefragt. Jährlich werden weltweit etwa 5 Tonnen Rubine abgebaut, und der Marktbedarf beträgt Hunderte von Tonnen. Rubine werden von der Uhrenindustrie benötigt, sie werden bei der Herstellung von Lasern benötigt. Die von Verneuil vorgeschlagene Technologie lieferte später die Voraussetzungen für die Synthese von Saphiren und Granaten. Die größten Produktionen von künstlichen Rubinen befinden sich in Frankreich, der Schweiz, Deutschland, Großbritannien und den USA. Das ist die Ökonomie der Produktion. Der Löwenanteil der Kosten entfällt auf die Energiekosten. Gleichzeitig betragen die Kosten für die Synthese eines Kilogramms Rubine 60 US-Dollar und die Kosten für ein Kilogramm Saphire 200 US-Dollar. Die Rentabilität eines solchen Geschäfts ist sehr hoch, da der Einkaufspreis für Kristalle mindestens doppelt so hoch ist. Hier sollten eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden, wie z. B. die Tatsache, dass je größer der gezüchtete Einkristall ist, desto niedriger sind seine Kosten, und bei der Herstellung von Produkten aus Kristallen wird ihr Preis viel höher sein als der Preis der verkauften Kristalle (zum Beispiel die Herstellung und der Verkauf von Brillen). Was die Ausrüstung betrifft, so kosten russische Anlagen zur Kristallzüchtung etwa 50.000 Dollar, westliche Anlagen sind um eine Größenordnung teurer, während die Amortisationszeit für eine organisierte Produktion im Durchschnitt zwei Jahre beträgt. Wie bereits erwähnt, ist der Bedarf des Marktes an synthetischen Kristallen enorm. Sehr gefragt sind zum Beispiel Saphirgläser. Jedes Jahr werden weltweit etwa tausend Tonnen Saphire synthetisiert. Der jährliche Produktionsbedarf erreicht eine Million Tonnen!
Smaragde werden ausschließlich für die Bedürfnisse der Schmuckindustrie synthetisiert. Im Gegensatz zu anderen Kristallen wird Smaragd nicht aus einer Schmelze, sondern aus einer Lösung von Borsäure bei einer Temperatur von 400 ° C und einem Druck von 500 Atmosphären in einer Hydrothermalkammer gewonnen. Es ist merkwürdig, dass die Gewinnung von Naturstein nur 500 Kilogramm pro Jahr beträgt. Synthetische Smaragde werden auf der Welt auch in nicht so großen Mengen wie andere Kristalle produziert, etwa eine Tonne pro Jahr. Tatsache ist, dass die Technologie zur Synthese von Smaragden ineffizient ist, aber die Rentabilität einer solchen Produktion am besten ist. Bei der Herstellung von etwa 5 Kilogramm Kristallen pro Monat zu einem Preis von 200 USD pro Kilogramm entspricht der Verkaufspreis von synthetischen Smaragden fast dem Preis von natürlichen. Die Kosten für die Anlage zur Synthese von Smaragden betragen etwa 10.000 Dollar.
Aber der beliebteste synthetische Kristall ist Silizium. Vielleicht wird er jedem Edelstein eine Chance geben. Derzeit nimmt Silizium 80 % des Gesamtmarktes für synthetische Kristalle ein. Aufgrund der rasanten Entwicklung von Hochtechnologien herrscht auf dem Markt eine Siliziumknappheit. Derzeit liegt die Rentabilität der Siliziumproduktion bei über 100 %. Der Preis für ein Kilogramm Silizium beträgt etwa 100 US-Dollar pro Kilogramm, während die Synthesekosten 25 US-Dollar erreichen.

Als Halbleiter wird hochreines Silizium verwendet. Seine Kristalle werden zur Herstellung von Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad verwendet. Silizium kann wie Kohlenstoff lange Molekülketten aus seinen Atomen bilden. Auf diese Weise werden Silane und Kautschuke erhalten, die erstaunliche Eigenschaften haben. Vor einigen Jahren war die ganze Welt begeistert von dem Bericht über die Experimente des amerikanischen Ingenieurs Walter Robbs, dem es gelang, einen Film aus Silikonkautschuk mit einer Dicke von 0,0025 Zentimetern herzustellen. Mit diesem Gummi bedeckte er den Käfig, in dem der Hamster lebte, und senkte den Hamster in das Aquarium. Mehrere Stunden lang atmete der weltweit erste U-Boot-Hamster in Wasser gelösten Sauerstoff ein und war gleichzeitig wachsam, zeigte keine Anzeichen von Angst. Es stellt sich heraus, dass der Film die Rolle einer Membran spielt, die die gleichen Funktionen erfüllt wie die Kiemen bei Fischen. Der Film lässt Moleküle des Gases des Lebens hinein, während Kohlendioxid durch den Film herausgedrückt wird. Eine solche Entdeckung ermöglicht es, das menschliche Leben unter Wasser zu organisieren, indem Flaschen mit Atemmischung und Sauerstoffgeneratoren beiseite geschoben werden.

Silizium wird in drei Arten hergestellt: metallurgisches Silizium (MG), Silizium für die Elektronikindustrie (EG) und Silizium für die Herstellung von Solarzellen (SG). Angesichts einer Reihe von Energiekrisen werden alternative Energieerzeugungstechnologien intensiv eingeführt. Dazu gehört die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, also die Nutzung von Solaranlagen, die durch Sonnenkollektoren gespeist werden. Silizium ist ein wichtiger Bestandteil von Solarzellen. In der Ukraine wurde im Zaporizhia Titanium and Magnesium Combine Silizium für Solarbatterien hergestellt. Unter der Sowjetunion produzierte dieses Unternehmen 200 Tonnen Silizium bei einem unionsweiten Produktionsvolumen von 300 Tonnen. Der Autor weiß nichts über den Stand der Dinge bei der Produktion von Silizium in Zaporozhye. Die Kosten für die Organisation einer modernen Produktion von polykristallinem Silizium für die Bedürfnisse der Energiewirtschaft mit einer Kapazität von 1000 Tonnen pro Jahr betragen etwa 56 Millionen Dollar. Die Synthese von Silizium für unterschiedliche Bedarfe weltweit nimmt in Bezug auf die Nachfrage den ersten Platz ein und wird diese Position noch lange halten.

In dem Artikel haben wir nur einige Vertreter anorganischer Polymere betrachtet. Vielleicht wurden viele der oben beschriebenen Dinge für jemanden mit Überraschung und echtem Interesse aufgenommen. Jemand hat das Konzept des Steins der Weisen neu betrachtet, wenn nicht Gold, aber Edelsteine ​​aus unscheinbaren Metalloxiden und anderen unauffälligen Substanzen erhalten werden können. Wir hoffen, der Artikel hat zum Nachdenken angeregt und den Leser zumindest mit interessanten Fakten unterhalten.

Anorganische Polymere

Von praktischem Interesse sind lineare anorganische Polymere, die im naib. Grade sind organischen ähnlich - sie können in der gleichen Phase, Aggregations- oder Entspannungszuständen existieren, ähnliche Spitzen bilden. Strukturen usw. Solche anorganischen Polymere können hitzebeständige Kautschuke, Gläser, faserbildende etc. sein und weisen auch eine Reihe von St-in-, nicht mehr inhärenten org. Polymere. Dazu gehören Polyphosphazene, polymere Schwefeloxide (mit unterschiedlichen Seitengruppen), Phosphate und Silikate.

Die Verarbeitung von anorganischen Polymeren zu Gläsern, Fasern, Glaskeramiken, Keramiken etc. erfordert ein Aufschmelzen, das in der Regel von einer reversiblen Depolymerisation begleitet wird. Daher werden üblicherweise modifizierende Zusätze verwendet, die es ermöglichen, mäßig verzweigte Strukturen in Schmelzen zu stabilisieren.

Silikone

Sie haben schon vorher anorganische Polymere gesehen; wenn nicht auf diesen seiten, dann haben sie zumindest im alltag schon irgendwo silikonpolymer gesehen. Silikone sind eines der am häufigsten vorkommenden anorganischen Polymere. Sie sehen so aus:

Eigentlich sollten sie Polysiloxane heißen. Die Bindung zwischen Silizium- und Sauerstoffatomen ist sehr stark, aber sehr flexibel. Daher können Silikone hohen Temperaturen widerstehen, ohne sich zu zersetzen, aber sie haben sehr niedrige Glasübergangstemperaturen. Wahrscheinlich sind Sie schon einmal auf Gummi oder Kitt aus Silikonen gestoßen.

Polysilane

Dafür wurde viel Zeit aufgewendet, aber die Siliziumatome waren immer noch in langen Polymerketten aufgereiht. Bereits in den 1920er oder 1930er Jahren begannen Chemiker zu erkennen, dass organische Polymere aus langen Kohlenstoffketten hergestellt werden, aber ernsthafte Forschungen zu Polysilanen begannen erst Ende der 1970er Jahre.

Zuvor, im Jahr 1949, als der Schriftsteller Kurt Vonnegut in der PR-Abteilung von General Electric arbeitete, arbeitete C. A. Burkhard in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung derselben Firma. Er erfand ein Polysilan namens Polydimethylsilan, aber das Zeug war nicht gut. Es sah so aus:

Es bildete Kristalle, die so stark waren, dass nichts sie auflösen konnte. Burkhard versuchte, sie zu erhitzen, aber sie schmolzen nicht bei Temperaturen unter 250 o C. Bei höheren Temperaturen zersetzten sie sich und schmolzen nie. Dies machte Polydimethylsilan ziemlich nutzlos. Diese Substanz wurde durch die Reaktion von metallischem Natrium mit Dichlordimethylsilan wie folgt erhalten:

Das ist wichtig, denn in den 1970er Jahren begannen einige Wissenschaftler zu verstehen, wie man kleine Moleküle aus Siliziumatomen herstellt. Also taten sie, ohne es zu erwarten, etwas sehr Ähnliches, was Burckhard zuvor getan hatte. Sie ließen Natriummetall mit Dichlordimethylsilan reagieren, aber sie fügten dieser Mischung auch etwas Dichlormethylphenylsilan hinzu. Und raten Sie mal, was passiert ist? Ich gebe Ihnen einen Hinweis: Sie haben nicht die Strukturen bekommen, die sie wollten. Was sie herausfanden, war dieses Copolymer:

Vielleicht wird es klarer, wenn Sie dieses Copolymer so zeichnen:

Sie sehen, diese Phenylgruppen werden vermischt, wenn das Polymer zu kristallisieren versucht, also hat es weniger kristalline Eigenschaften als Polydimethylsilan. Das bedeutet, dass es löslich ist und verarbeitet, transformiert und untersucht werden kann.

Nun, wofür sind diese Substanzen gut? Polysilane sind interessant, weil sie Strom leiten können. Sicherlich nicht so gut wie Kupfer, aber viel besser, als man es von einem Polymer erwarten würde, und forschungswürdig. Sie sind auch sehr hitzebeständig, sie können bis fast 300 oC erhitzt werden. Aber wenn Sie sie auf viel höhere Temperaturen erhitzen, können Sie sie in Siliziumkarbid verwandeln, das ein nützliches Schleifmittel ist.

Germanium- und Zinnpolymere

Nun, wenn Silizium lange Polymerketten bilden kann, was ist dann mit anderen chemischen Elementen aus der vierten Gruppe des Periodensystems? Können Polymere aus Germanium hergestellt werden? Sie können mir glauben, es gibt sie! Polymerketten lassen sich nicht nur aus Germanium, sondern sogar aus Zinnatomen herstellen! Solche Polymere werden als germaniumhaltige bzw. zinnhaltige Polymere bezeichnet.

Zinnpolymere sind einzigartig, interessant, bemerkenswert, einfach außergewöhnlich, weil sie die einzigen bekannten Polymere sind, deren Rückgrat vollständig aus Metallatomen besteht. Wie Polysilane werden Polymere aus Germanium und Zinn (Polygermane und Polystanylene) auf ihre Verwendung als elektrische Leiter untersucht.

Polyphosphazene

Es tut mir sehr leid, Ihnen dies mitteilen zu müssen, aber uns sind die Elemente der vierten Gruppe des Periodensystems ausgegangen. Das letzte anorganische Polymer, das wir uns heute ansehen werden, muss also aus etwas anderem hergestellt werden. Und dieses Etwas sind Phosphor und Stickstoff. Polyphosphazene sind wie Polysiloxane aus alternierenden Atomen aufgebaut. In diesem Fall wechseln wir in der Hauptkette Phosphor- und Siliziumatome wie folgt ab:

Dieses Rückgrat ist sehr flexibel, wie das Rückgrat von Polysiloxanen, daher sind Polyphosphazene gute Elastomere. Sie sind auch sehr gute elektrische Isolatoren.

Polyphosphazene werden in zwei Stufen hergestellt:

Zuerst nehmen wir Phosphorpentachlorid und behandeln es mit Ammoniumchlorid, um ein chloriertes Polymer herzustellen. Dann behandeln wir es mit einem alkoholischen Natriumsalz, wodurch wir das Ester-substituierte Polyphosphazen erhalten.

Heute gibt es eine riesige Vielfalt an anorganischen Polymeren. Die meisten von ihnen sind natürliche Verbindungen, aber moderne Technologien ermöglichen es, anorganische Polymere künstlich zu gewinnen. Ihre Herstellung erfordert in der Regel hohen Druck und hohe Temperatur, die Basis ist ein reiner Stoff und die Verfahren bleiben dieselben wie bei der Herstellung organischer Polymere (z. B. Polymerisation). Die charakteristischen Eigenschaften anorganischer Polymere sind ihre chemische Beständigkeit und thermische Stabilität. Außerdem sind viele dieser Polymere hart, aber eher spröde. Die Erklärung dafür ist die räumliche Kristallstruktur oder das übermäßige Vorhandensein von Ionen in der chemischen Bindung. Zu den bekanntesten anorganischen Polymermaterialien gehören Graphit, Mineralglas, Keramik, Diamanten, Asbest, Quarz, Glimmer.

Die Elemente der chemischen Tabelle können unterschiedliche Polymerketten bilden. Beispielsweise bilden Schwefel, Selen und Tellur lineare Ketten, die sich entsprechend der Kovalenz der Atome zu Spiralen falten. Diejenigen chemischen Elemente, die zu den Hauptuntergruppen III - V gehören, können sowohl lineare Ketten als auch flache oder räumliche Strukturen anorganischer Polymere bilden. Die Basis von Polymerketten sind meistens Oxide von Silizium, Aluminium und einer Reihe anderer Metalle. Sie bilden die breiteste Gruppe anorganischer polymerer Materialien - Silikate und Alumosilikate. Außerdem sind sie ein wesentlicher Bestandteil der Erdkruste. Die Struktur der Molekülkette von Silikaten kann ketten-, leiter-, geschichtet und dreidimensional sein. Jede dieser Strukturen verleiht anorganischen Materialien bestimmte, nur für sie charakteristische Eigenschaften. Beispielsweise deutet eine Leiterstruktur auf das Vorhandensein von zwei parallelen Molekülketten hin, die durch Sauerstoffatome verbunden sind. Es sind diese Bindungen, die das Vorhandensein neuer Eigenschaften ermöglichen, die es ermöglichen, die erhaltenen Materialien als faserig (Asbest) zu klassifizieren. Ein weiteres Merkmal, das anorganische Polymere charakterisiert, ist die Schichtstruktur. Durch die großen Schichtabstände lassen sich die jeweiligen Stoffe (Talk, Glimmer) gut spalten. Wenn die Kette Metalle enthält, die mit Wasser wechselwirken können, vergrößert dieser Prozess den verfügbaren Abstand zwischen den Schichten weiter. Dies kann zu einer Quellung des anorganischen Materials führen. Silikate mit dreidimensionaler Struktur zeichnen sich durch gute Wasserfestigkeit, Härte und Steifigkeit aus. Quarzsorten erfüllen in der Regel solche Eigenschaften: Topas, Jaspis, Achat, Bergkristall und andere.

Anorganische Gläser und technische Keramik

Anorganische Gläser Sitalls Technische Keramik Elemente der Technologie und Anwendung von Strukturkeramik.

Chemische Zusammensetzung von Gläsern und ihre Eigenschaften Klassifizierung von anorganischen Gläsern.

In der modernen Materialwissenschaft nehmen verschiedene anorganische Substanzen einen immer wichtigeren Platz ein. Viele von ihnen werden in Form von Kristallen verwendet: Quarz (SiO2), Korund (a-AI2O3) und farbige Kristalle dieses Oxids - Saphir, Rubin usw. sowie Rutil (ТiO2), Nitride, Sulfide usw. In viel größerem Maßstab werden jedoch dieselben anorganischen Substanzen im wamorphen Zustand in Form von Gläsern verwendet.

Das gebräuchlichste Glas auf Basis von Siliziumdioxid - Silikatglas. Alumosilikat- und Borosilikatgläser werden ebenfalls weit verbreitet verwendet.

Anorganisches Glas ist ein chemisch komplexes, amorphes, makroskopisch isotropes Material, das die mechanischen Eigenschaften eines spröden Festkörpers hat. Glas wird nach dem Abkühlen der Schmelze aus einem Gemisch anorganischer Verbindungen (hauptsächlich Oxide) gewonnen. Ihre Eigenschaften sind in allen Richtungen gleich, d.h. sie sind isotrop. Beim Erhitzen schmelzen sie nicht wie Kristalle bei einer konstanten Temperatur, sondern erweichen allmählich über einen weiten Temperaturbereich und gehen in einen flüssigen Zustand über. Ihr Aufschmelzen bei steigender Temperatur und ihr Aushärten bei sinkender Temperatur ist reversibel. Strukturell sind sie solide Lösungen.

Zwei Gründe für den amorphen Zustand anorganischer Gläser können herausgegriffen werden.

Der erste Grund ist, dass die Glasschmelze im Erstarrungsbereich eine sehr hohe Viskosität aufweist (Tab. 6.3).

Tabelle 6.3 – Viskosität einiger Substanzen bei Schmelzpunkten

Der zweite Grund ergibt sich aus den Eigenschaften der kovalenten Bindung, die die Wechselwirkung von Atomen im Oxid bestimmt. Eine kovalente Bindung hat zwei wichtige Eigenschaften: Sättigung und Direktionalität. Je nach Sättigung der chemischen Bindung hat jedes Glasatom im Raum entsprechend seiner Wertigkeit eine genau definierte Anzahl von "Partnern" in Wechselwirkung. Beispielsweise ist Silizium 4-wertig. Und sein Atom muss in seiner unmittelbaren Umgebung vier Sauerstoffatome (in Quarzglas) haben, mit denen es durch eine polare kovalente Bindung verbunden ist. Außerdem können diese Bindungen nicht beliebig, sondern in einem bestimmten Winkel zueinander gebildet werden (Richtwirkungsprinzip). All dies macht es sehr schwierig, eine regelmäßige, kristalline Struktur zu bilden. In einem hochviskosen Medium kann sich beim Abkühlen in der Glasstruktur nur eine Nahordnung in der Anordnung der Atome bilden.

Chemische Zusammensetzung von Gläsern und ihre Eigenschaften

Gläser, die in der Technik verwendet werden, bestehen meist aus mehreren Komponenten. Alle Glaskomponenten lassen sich nach ihrem funktionalen Zweck in drei Gruppen einteilen: Glasbildner, Modifikatoren und Kompensatoren.

Glasbildner sind der Hauptbestandteil von Glas. Glasbildner sind anorganische Polymere mit Netzwerkstruktur. Daher haben Gläser bestimmte Merkmale von Polymerstrukturen und die entsprechenden physikalischen Eigenschaften, die für Polymermaterialien charakteristisch sind.

Als Glasbildner werden am häufigsten SiO2 (Silikatglas), Al2O3 und SiO2 (Alumosilikatglas), B2O3 und SiO2 (Borsilikatglas), B2O3, Al2O3 und SiO2 (Boraluminiumsilikatglas) verwendet.

Modifikatoren werden in Glas eingebracht, um dem Glas die gewünschten Eigenschaften zu verleihen: um die Technologie zu vereinfachen, die Materialkosten zu senken usw.

Wenn beispielsweise Oxide von Alkali- und Erdalkalimetallen in Quarz eingeführt werden, sinkt die Erweichungstemperatur von Glas und die Technologie wird vereinfacht. Zusätze von Oxiden von Chrom, Eisen, Kobalt usw. geben dem Glas die gewünschte Farbe. Schwermetalloxide wie Blei erhöhen den Brechungsindex.

Oft verbessert die Einführung eines Additivs einige Eigenschaften und verschlechtert andere Indikatoren des Materials. Dann werden Additive eingeführt - Kompensatoren, deren Zweck es ist, die negative Manifestation der Hauptmodifikatoren zu unterdrücken.

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Glas ist die Hitzebeständigkeit. Bei den meisten Gläsern reicht die Hitzebeständigkeit von 90 bis 200 ° C und bei Quarzglas, dem haltbarsten, hitzebeständigsten und sich nicht ausdehnenden, erreicht sie 800 bis 1000 ° C.

Die Temperaturabhängigkeit der Glasfestigkeit hat bei 200°C ein Minimum. Die maximale Betriebstemperatur überschreitet normalerweise nicht 400–500°C, was ungefähr der Glasübergangstemperatur entspricht. Quarzglas ermöglicht einen Langzeitbetrieb bei 1100-1200°C (Festigkeit um 50% erhöht) und einen Kurzzeiteinsatz bei Erwärmung auf 1400-1500°C.

Die thermische Verfestigung (Härtung) von Glas erfolgt durch seine schnelle und gleichmäßige Abkühlung, die in einem Luftstrom oder in Ölen über die Glasübergangstemperatur erhitzt wird. Die Härtung von Glas durch Vorspannen ist mit dem Auftreten von ausreichend gleichmäßig verteilten Spannungen im Glas verbunden, die Druckspannungen in den äußeren Schichten des Glases und Zugspannungen in den inneren Schichten verursachen. Die Druckfestigkeit von Glas ist etwa 10-15 Mal größer als die Zugfestigkeit.

Die thermochemische Härtung basiert auf der Härtung von Glas und darüber hinaus auf der Veränderung der Struktur und der Eigenschaften seiner Oberflächenschicht. Eine solche Härtung wird durch schnelles Abkühlen von über die Glasübergangstemperatur erhitztem Glas in erhitzten polymeren Organosiliciumflüssigkeiten erzeugt. Die zusätzliche Härtung wird durch die Bildung von Polymerfilmen auf der Glasoberfläche erklärt.

Klassifikation anorganischer Gläser, ihre Eigenschaften, Anwendung

Eines der gebräuchlichsten hochwertigen Gläser, das in Flugzeugstrukturen verwendet wird, ist Aluminoborosilicatglas mit niedrigem Alkaligehalt.

Zweckmäßig werden technische Gläser in Optik-, Labor-, Elektro-, Transport-, Instrumenten-, Schutz-, Wärme- und Schallisolierung, Beleuchtung, Glasfaser usw. unterteilt. Die Dichte anorganischer Gläser reicht von 2200 kg / m3 für leichte alkalische Silikatgläser (Brechungsindex n = 1,44) bis 5200…8000 kg/m3 für schwere, die bis zu 65 % Oxide von Blei, Barium, Wismut enthalten (n=1,9); Die Lichtdurchlässigkeit von unlackierten Gläsern beträgt bis zu 92 % im sichtbaren Teil des Spektrums.

Die chemische und hydrolytische Beständigkeit von Gläsern in sauren Medien (außer Phosphorsäure H2PO3 und Flusssäure HF, die Glas vollständig auflöst) ist recht hoch. In alkalischen Umgebungen nimmt der Widerstand ab. Silikatgläser mit 20-30 % Na2O oder LiO sind in heißem Wasser löslich und bilden „flüssiges Glas“.

Der Nachteil von gehärtetem Glas ist die Stoßempfindlichkeit an den Kanten (nahe der Kante selbst) und in den Ecken. Wenn es zerbrochen ist, ist gehärtetes Glas mit einem dichten Netzwerk von Rissen bedeckt, die es schwierig machen, es zu sehen.

Verklebt man zwei Glasscheiben mit einer transparenten flexiblen und elastischen Polymerfolie, erhält man den sogenannten Triplex. Wenn es zerstört wird, werden die resultierenden Fragmente auf dem Polymerfilm gehalten, an dem sie befestigt sind, und fallen nicht heraus.

Sitalls, ihre Eigenschaften, Anwendung

Hervorragende Eigenschaften besitzen neue Strukturmaterialien - Glaskeramik (der Begriff setzt sich aus den Wörtern Glas und Kristall zusammen), die durch Kristallisation anorganischer Gläser auf der Basis bestimmter Oxide erhalten werden.

Sitalls sind teilkristallisierte Gläser. Sie werden durch kontrollierte Kristallisation von Glas bei erhöhten Temperaturen gewonnen. Dabei entstehen im Materialvolumen Mikroregionen mit kristalliner Struktur bis zu einer Größe von 1 µm. Die Konzentration solcher Bereiche in Glaskeramiken kann 50 Vol.-% überschreiten.

Je nach chemischer Zusammensetzung unterscheiden sich Glaskeramiken von Gläsern dadurch, dass ihnen Kristallisationskatalysatoren (Keime) zugesetzt werden. Als Kristallisationskatalysatoren werden Mikropartikel aus Gold, Silber, Platin, Kupfer (Hundertstel Prozent) oder Oxide von Titan, Zirkonium, Zink, Chrom, Vanadium etc. verwendet.

Glaskeramiken nehmen vom Aufbau her eine Zwischenstellung zwischen gewöhnlichen Gläsern und Keramiken ein, in diesem Zusammenhang werden Glaskeramiken auch als Glaskeramiken bezeichnet. Glaskeramiken sind mehrkomponentige, heterogene Mehrphasensysteme, die ein sehr hohes Maß an Eigenschaften aufweisen: hohe mechanische Festigkeit, Härte, chemische und thermische Stabilität, geringe Wärmeausdehnung und andere nützliche Eigenschaften. Beispielsweise ist Glaskeramik, bekannt als "Pyroceram", fester als gewalztes Glas, kohlenstoffreicher Stahl, leichter als Aluminium und unterscheidet sich nicht von Quarz in Bezug auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Hitzebeständigkeit.

Bei der Umwandlung von Glas in Sitall durchläuft das Glas zunächst die Schmelzphase (Temperatur Tm), dann wird das Glas zu einem Produkt geformt und auf eine Temperatur Tn abgekühlt - die Temperatur der Bildung von Kristallisationszentren. Bei dieser Temperatur wird das Glas etwa 1 Stunde lang gehalten, wodurch sich kleine Kristalle in der Masse des Materials bilden und es möglich wird, die Temperatur auf Tg zu erhöhen. Bei Tg wachsen Kristalle und das Material verliert seine Transparenz. Die Expositionszeit des Glasprodukts bei Tg beträgt 4–6 Stunden.

Aus Gläsern gewonnene mikrokristalline Legierungen

Ähnlich wie bei der Bildung von Pyrokeramiken werden hochfeste kristalline Legierungen aus metallischen Gläsern erhalten. Dies sind Legierungen auf der Basis von Fe, Ni, Cr, Mo, Co, W in verschiedenen Kombinationen mit Halbmetallen (hauptsächlich Bor), deren Gehalt 12% nicht überschreitet und die im amorphen Zustand spröde sind. Schmelzgestrahlte amorphe Legierungsbänder können leicht pulverisiert werden, das dann einer Heißextrusion oder gasisostatischem Pressen unterzogen wird und gleichzeitig kristallisiert, um eine durch feine Borpartikel stabilisierte mikrokristalline Struktur zu bilden. Wenn Kohlenstoff in der Legierung vorhanden ist, kann eine härtende Wärmebehandlung durchgeführt werden. Solche Legierungen sind sehr hart und verschleißfest und können als Schnellarbeitsstähle verwendet werden.

Technische Keramik

Keramik ist ein mehrkomponentiges, heterogenes Material, das durch Sintern hochdisperser Mineralpartikel (Ton, Oxide, Carbide, Nitride usw.) gewonnen wird. Wenn die Keramikzusammensetzung Metalle enthält, wird diese Art von Keramik Cermets genannt.

Der technologische Prozess zur Herstellung von Keramikprodukten besteht aus mehreren Stufen. Die wichtigsten technologischen Vorgänge bei der Herstellung von Keramikmaterialien sind wie folgt: Vorbereitung der Ausgangskomponenten in Form von Pulvern, Mischen von Komponenten, Formen von Produkten, Brennen eines Werkstücks, Endoperationen (Bearbeitung, Metallisierung usw.).

Struktur von Keramik

Viele Arten von Strukturen keramischer Materialien können in zwei Gruppen eingeteilt werden: makroisotrop und anisotrop.

Makroisotrope Materialien. Auf atomarer oder molekularer Ebene handelt es sich um anisotrope Materialien, aber die Größe der supramolekularen Formationen, der Körner, ist klein im Vergleich zur Größe eines Keramikprodukts. Es können vier Arten von makroisotropen Materialien identifiziert werden.

1. Mikrokristalline Keramik. Beispiele für diese Keramiken sind verschiedene Arten von Porzellan. Sitalls haben die gleiche Struktur. Auf Abb. 6.3 a-Punkte zeigen mikrokristalline Bereiche an, die von einem amorphen Medium umgeben sind. Der Gehalt der kristallinen und amorphen Phasen im Material kann unterschiedlich sein, und auch die Platzierung dieser Phasen im Volumen des Materials ist unterschiedlich. Das Material ist im Allgemeinen isotrop. Diese Materialien sind sehr dicht und spröde.

Arten von Keramik:

a - mikrokristallin, b - körnig, c - porös (TiC), d - verstärkt (HTSC-Keramik des Y-Ba-Cu-O-Systems).

2. Kornstruktur . Diese Art von Struktur ist die typischste für keramische Materialien. Körner in der Struktur von Keramik können sich in Größe, Form und Eigenschaften unterscheiden. Die Verteilung von Körnern unterschiedlicher Art in der Masse des Materials, die Haftfestigkeit von Partikeln im Material sind ebenfalls unterschiedlich. All diese Faktoren beeinflussen die Eigenschaften von Keramik auf komplexe Weise. In der Praxis werden in begrenztem Rahmen empirische Gleichungen der Form verwendet:

,

wo s - Stärke; so ist eine Konstante nahe der Stärke eines Einkristalls; k ist eine Konstante; d - Korngröße.

3. Poröse Struktur . Im Allgemeinen sind viele Keramiken porös. Manchmal werden Poren jedoch absichtlich geschaffen: um die Masse eines keramischen Produkts zu verringern, um es gas- oder flüssigkeitsdurchlässig zu machen usw.

Typischerweise ist die Festigkeit von porösen Keramiken geringer als die Festigkeit von körnigen Keramiken. Die Form der Poren beeinflusst auch die Festigkeit des Materials. Die Pore kann auch die Entwicklung eines Risses während des Versagens unterbrechen und die Last in der Masse des Materials verteilen.

4. Verstärkte Struktur. Diese Art von Keramik enthält längliche Körner von hoher Festigkeit. Im Materialvolumen sind diese Körner in keiner bestimmten Richtung orientiert. Daher verhält sich das Material im Makrovolumen isotrop. Die Festigkeit solcher Keramiken ist aufgrund der Verstärkung sehr hoch.

Anisotrope Keramik. Bei diesen Materialien sind die Strukturelemente bewusst in die richtige Richtung orientiert. Anisotrope Keramiken umfassen Schichtkeramiken, Faserkeramiken oder Keramiken mit einer orientierten Struktur.

Elemente der Technologie keramischer Materialien

1 - Erhalt von Pulvern. Es gibt mechanische und physikalisch-chemische Verfahren zur Gewinnung von Pulvern. Der erste von ihnen bezieht sich auf das Zerkleinern des Materials. Die zweiten sind in den Prozessen der Agglomeration von chemischen Syntheseprodukten. Üblicherweise werden Pulver mit mikrometergroßen Partikeln verwendet. Wenn eine dichte Packung von Partikeln in einem Material erforderlich ist, wird eine Mischung aus Partikeln unterschiedlicher Größe verwendet - polydisperse Pulver.

2 - Mischen von Komponenten und Formen von Produkten.

3 - Partikelsintern tritt auf, wenn das geformte Produkt bei hoher Temperatur (normalerweise von 900 bis 2000 ° C) gebrannt wird. Während des Sinterns treten Prozesse wie Dehydratisierung von Komponenten, Zerstörung organischer technologischer Verunreinigungen (Polymere, Tenside), Dissoziation instabiler anorganischer Verbindungen, Oxidations- und Reduktionsprozesse, Schmelzen einiger Komponenten, polymorphe Umwandlungen usw. auf. Als Ergebnis bindet die glasartige, vielleicht teilweise kristallisierte Schmelze nach dem Abkühlen die Körner eines feuerfesteren Materials und bildet einen starken Monolithen.

Beim Sintern wachsen die Partikel zusammen und die Porosität des Materials nimmt bis auf die theoretische Dichte ab. Mit steigender Temperatur verändern die Poren ihre Form, werden kugelförmig und nehmen an Größe ab. In der Praxis behalten Keramiken eine gewisse Restporosität.

Sintergrad und -geschwindigkeit hängen von vielen Faktoren ab: Temperatur, Prozessdauer, Partikeldispersion, Diffusionskoeffizienten, Viskosität usw. Die Schmelze (Flüssigkeit) der am stärksten schmelzbaren Komponente hat einen sehr starken Einfluss auf die Entwicklung des Sinterprozesses und weiter die keramische Struktur.

Anwendung von Strukturkeramik

Zu den Hauptanwendungsgebieten keramischer Werkstoffe gehören Schneidwerkzeuge, Teile von Verbrennungsmotoren, Gasturbinentriebwerken etc.

Die Schneide zeichnet sich durch hohe Härte, Verschleißfestigkeit, chemische Trägheit aus. Keramische Schneidwerkzeuge sind herkömmlichen Schneidstoffen wie Schnellarbeitsstählen (HRS), Hartlegierungen (TS) in einer Reihe von Eigenschaften überlegen

Polymere sind hochmolekulare Verbindungen, die aus vielen sich wiederholenden unterschiedlichen oder strukturgleichen Atomgruppen - Verknüpfungen bestehen. Diese Verknüpfungen sind durch Koordination oder chemische Bindungen zu verzweigten oder langen linearen Ketten und zu räumlichen dreidimensionalen Strukturen verbunden.

Polymere sind:

• Synthetik,
• künstlich,
• organisch.

Organische Polymere werden natürlicherweise in tierischen und pflanzlichen Organismen gebildet. Die wichtigsten davon sind Proteine, Polysaccharide, Nukleinsäuren, Kautschuk und andere natürliche Verbindungen.

Der Mensch hat in seinem täglichen Leben lange und weithin organische Polymere verwendet. Leder, Wolle, Baumwolle, Seide, Pelze – all das wird für die Herstellung von Kleidung verwendet. Kalk, Zement, Ton, organisches Glas (Plexiglas) - im Bau.

Organische Polymere sind auch im Menschen selbst vorhanden. Zum Beispiel Nukleinsäuren (sie werden auch DNA genannt) sowie Ribonukleinsäuren (RNA).

Eigenschaften organischer Polymere

Alle organischen Polymere haben besondere mechanische Eigenschaften:

• geringe Sprödigkeit von kristallinen und glasartigen Polymeren (organisches Glas, Kunststoffe);
• Elastizität, dh hohe reversible Verformung bei kleinen Belastungen (Gummi);
• Orientierung von Makromolekülen unter Einwirkung eines mechanisch gerichteten Feldes (Herstellung von Filmen und Fasern);
• bei niedrigen Konzentrationen hohe Viskosität von Lösungen (Polymere quellen zuerst und lösen sich dann auf);
• Unter Einwirkung einer kleinen Menge Reagenz können sie ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften schnell ändern (z. B. Ledergerbung, Gummivulkanisation).

Table 1. Verbrennungseigenschaften einiger Polymere.

Tabelle 2. Löslichkeit von Polymermaterialien.

Tabelle 3. Färbung von Polymeren nach der Liebermann-Storch-Moravsky-Reaktion.

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