Основні уявлення про полімери

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Замість передмови.

Погляд у майбутнє.

Провідний проект.

Перші ластівки.

Плани на майбутнє.

Масштаби досліджень.

Розділ 1

1.1. Основні уявлення про полімери.

Полімери і їх класифікація.

Хімічна будова і структура полімерів.

Макромолекулярні характеристики і топологія полімерів.

1.2. Структура полімерів.

1.2.1. Загальні характеристики, основні поняття.

1.2.2. Надмолекулярні структуроутворення.

1.2.3. Фазовий стан і фазові перетворення полімерів.

1.3. Формування властивостей полімерів за допомогою наповнювачів.

1.3.1. Роль граничних шарів у формуванні властивостей систем.

Розділ 2

2.1. Дослідження густини полімерних композицій в залежності від об’ємного вмісту наповнювача.

2.1.1. Теоретичні розрахунки.

2.1.2. Експериментальні дані.

2.1.3. Порівняння теоретичних розрахунків з результатами експериментального дослідження.

2.2. Дослідження об’ємного вмісту граничного шару в композиції.

Висновки.

Використана література.

Замість передмови.

Полімерні дисплеї.

Погляд у майбутнє.

Не так давно – під час навчання у 5 – 6 класах середньої школи – я з завмиранням серця мріяв про техніку майбутнього, яка була дуже широко описана у науково-фантастичній літературі. Сьогодні можу сказати, що мрії мої здійснилися – комп’ютер навіть відносно слабкої конфігурації дозволяє одній людині виконати в короткий строк об’єм роботи, що був неможливим для виконання інформаційно-видавничим відділом провідного університету ще 30-40 років тому.

Пропоную на мить підняти завісу майбутнього і подивитись які ж перспективи у майбутньому відкриваються дякуючи досягненням науки.

(За матеріалами [11])

Кінець робочого дня. Чоловік в офісі тягнеться до монітора і звертає його в легку, як пір’їнка, трубку. Узявши її під руку, він сідає в автомобіль, на передньому щитку якого висвічуються швидкість руху, температура масла й інша інформація. Оскільки в дорожньому русі великого міста часто трапляються затори, приладовий щиток переключається в режим навігаційної системи.

У наступного світлофора з’являється декілька секунд для того, щоб переглянути на спідометрі текст останніх повідомлень електронної пошти. Вдома монітор з офісу підвішується посеред кімнати і перетворюється в екран телевізора.

Поки що такі сцени є науковою фантастикою, однак нова технологія, що перетворює ці картинки з майбутнього в реальність, уже стоїть біля дверей: полімерні дисплеї, що володіють гнучкістю і малою вагою, здатні приймати будь-яку форму і розміри - від маленьких для мобільних телефонів до екранів кінотеатрів. Монітори, що звертаються, шпалери або фіранки зі здатністю до світіння - можливо усе.

Пройшло рівно десять років із тих часів, як дослідники з Кембриджа відкрили цілком нову властивість пластмаси: при певному впорядкуванні молекул полімери, що не проводять починають поводитися подібно світлодіодам із класичних напівпровідників. Ці особливі пластмаси можуть бути використані у всіх типових додатках напівпровідників - від мікрочипів до моніторів.

І робота над створенням цих пристроїв уже йде повним ходом. Там же, де в 50-х роках Philips виготовляла свої перші радіолампи, а пізніше і перші LCD-прототипи, сьогодні фахівці працюють над новим проектом - монітором із пластика.

Провідний проект

Мал.1

У печі металеві провідники напилюються на шар полімеру

Полімерні дисплеї збираються в наповненому жовтим світлом цеху особливої чистоти, потрапити в котрий можна тільки через повітряні шлюзи. Великий зал є помешканням особливої чистоти класу 1000, тобто замість звичайних декількох мільйонів часток у кубічному футі (1 фут = 30,48 см) тут можна виявити максимум тисячу.

А там, де ведеться робота безпосередньо з вихідним матеріалом, повітря повинне бути ще чистіше, часом до класу 10 або навіть 1. Крім того, зони виконання окремих виробничих операцій герметизовані.

Сам виробничий процес проводиться в такий спосіб: спочатку в ході декількох літографічних операцій на скляних пластинах витравлюються лінії нанесення провідників. Зверху наносяться два шари полімеру (їх поставляє одна з дочірніх компаній фірми Hoechst), поверх яких напилюються металеві контакти.

Мал. 2

Центрифуга для пластика: методика Spin Coating дозволяє створити тонкі шари полімеру (точно так само наноситься покриття на CD)

Для нанесення шарів полімеру використовується методика Spin Coating: рука робота виливає розчинений полімер на пластину, що потім піддається обертанню зі швидкістю в декілька тисяч обертів у хвилину.

Завдяки цьому пластмаса розподіляється по всій поверхні пластини найтоншим, абсолютно плоским шаром товщиною усього в 100 нм. Потім залишковий розчинник випаровується при висушуванні в печі (подібним методом наноситься покриття і на CD).

Мал.3

Ручна робота: у заповненому азотом ізольованому робочому помешканні фахівці герметично запаюють LEPs у скляні корпуса

Самий складний етап виробництва - герметичне запаювання дисплею у скло Ця операція в даний час усе ще виконується за допомогою ручного керування в наповненому азотом скляному боксі Спочатку великі проблеми створювало природне старіння полімерів при вступі в контакт із киснем або водяною парою молекули полімерів дозволялися Процес старіння прискорювалася і що прикладається електрична напруга.

В даний час пристрій захищається від зовнішніх впливів поліпшеною ізоляцією, що забезпечує дисплеям підвищений коефіцієнт корисної дії і життєвий ресурс більш ніж у 30 000 годин.

Однак для цього в якості ізоляційного матеріалу технологи сьогодні як і раніше усе ще змушені використовувати скло Лише коли вони знайдуть гнучкий пластик, досить стійкий для того, щоб захистити чутливий шар полімеру нові монітори можна буде згинати або звертати

Перші ластівки

Поки полімерні дисплеї виглядають дуже скромно маленькі, прямокутні монохромні дисплеї розідльною здатністю 800х256 пікселів призначені для телефонів або органайзерів на дисплеях яких зможуть відображатися навіть матеріали Internet. LEP дисплей істотно перевершив звичайні плоскі монітори по частині рівномірності кольору і чіткості зображення, він споживає менше струму дає більш високі значення яскравості, і при цьому немає ні єдиного натяку на післясвітіння. Незважаючи на те, що дисплей поки що монохромний однак - у будь-якому бажаному кольорі Навіть синій, найбільше складний у виробництві колір, сьогодні вже реалізований Наступний крок на шляху до масової продукції - інтеграція на єдиному носії різних колірних комірок.

Плани на майбутнє

По попередніх планах, Philips у 2002 році повинен почати виробництво кольорових дисплеїв для органайзерів, мобільних телефонів і автомобілів через п’ять або сім років, можливо, декілька пізніше повинні з’явитися і перші кольорові полімерні монітори Крім того, є плани по виробництву пристроїв відображення розміром у декілька квадратних метрів.

У віддаленій перспективі, інтерес представляє злиття світних полімерів із чипами і пристроями, що запам’ятовують, які будуть виготовлені із пластмаси. Поряд із полімерними дисплеями, ще одним напрямком досліджень Philips є полімерні комутуючі схеми У ноутбуках майбутнього залишиться лише трохи «звичайних» напівпровідників - всі інші складові частини стануть пластмасовими.

Коли налагодиться серійне виробництво, виготовлення LEP-дисплеїв стане набагато дешевше, чим традиційних пристроїв відображення У ідеалі, усі дорогі механічні роботи стануть зайвими, і буде можливим безупинний процес виробництва за допомогою плівкових технологій на конвеєрі. Завдяки численним перевагам - гарній якості зображення, довільній формі, невеликій вазі, світовипромінюючі полімери можуть стати одними з ключових технологій найближчого майбутнього.

Однак до досягнення цього ще дуже багато роботи. Розроблювачам прийдеться потрудитися в основному в двох напрямках: досягнення оптимального з відношення яскравості і робочої напруги (чим нижче напруга, тим більше життєвий ресурс дисплеїв і нижче яскравість світіння) і передача кольору в режимі True Color.

Для реалістичної передачі кольору необхідна комбінація різних колірних комірок на загальному носії - плівці або скляній пластині Однак для цього дослідникам прийдеться спочатку розробити полімери з необхідними колірними характеристиками і коректні методи керування ними.

Масштаби досліджень.

Підприємці, зайняті розробкою полімерних дисплеїв, працюють у різних напрямках, а саме Cambridge Display Technology (CDT) розробляє в першу чергу полімери, що світяться визначеними кольорами, а також базові технології для їхнього виробництва. Хімічні концерни Hoechst/Aventis і Dow Chemical ведуть дослідження в області хімічних компонент полімерів. Фірма Umax розвиває технологію процесів виробництва, Seiko і Epson поставляють частину пристроїв керування напилюванням речовин (видозмінені струминні пристрої дуже раціонально і надійно друкують на плівці комутуючі елементи)

Подібні дослідження ведуться і відомими електронними концернами - такими, як Siemens, Bell і IBM Інтенсивні дослідження в області полімерних технологій ведуться й в університетах У Майнці і Байройті розроблені LEP елементи, а в Mapбурзі одна з дослідницьких груп працює над полімерним лазером.

Мал. 4

Модель шарів: у скляній оболонці полімерні плівки оточені провідними матеріалами

Розроблювачі мають усі підстави для оптимізму. Протягом короткого часу їм удалося зробити стрибок від фундаментального фізичних дослідження до простих додатків Завдяки кооперації високотехнологічних фірм, хімічної промисловості, університетів і електронних концернів, більше немає перешкод для швидкого розвитку споживчої продукції Перші пристрої з LEP-технологією зможуть з’явитися на вашому письмовому столі, приблизно, вже в 2004 році.

Підсумовуючи вищевикладене, можна сказати, що дослідження полімерів і полімерних систем має велике значення для розвитку всіх галузей виробництва цілого світу.

Дана курсова робота містить два розділи та висновки:

Þ У 1-му розділі викладено основні поняття про полімери і полімерні системи.

Þ У 2-му розділі проведені теоретичні розрахунки густини полімерних композицій в залежності від об’ємного вмісту наповнювача та об’ємного вмісту граничного в композиції, отримані теоретичні розрахунки порівняно з даними, які були отримані дослідним шляхом.

Þ Висновки про влив наповнювача на структурну організацію в полімерних композиціях виділено в окремий розділ.

РОЗДІЛ 1

Полімери і їх класифікація.

Сучасний науково-технічний прогрес неможливий без створення нових спеціальних матеріалів, що мають специфічні властивості, які, на перший погляд, навіть немислимі. Це жорсткість й еластичність, твердість і надтекучість, розчинність у воді й нерозчинність, газопроникність та газонепроникність тощо. Такі протилежні властивості, які виключають одне одного, поєднуються в полімерах. Термін полімер акцентує увагу на те, що його макромолекула, тобто молекула полімера, це численні лінійні, розгалужені східчасті або сітчасті (дво - або тривимірні) малі системи, які складаються з однакових або різних елементів.

Поняття полімер визначає передусім не склад речовини, а те, як вона побудована. Полімери – це форма організації матерії.

Полімерні матеріали являють собою складні системи, з яких можна виділити ряд важливих підсистем (решітка, атом, атомні групи, макромолекули і інші). Всі ці підсистеми зв’язані між собою, тобто на зовнішню дію відгукуються різними властивостями. В цілому для аналізу властивостей таких матеріалів використовують ідеї і методи фізики твердого тіла, термодинаміки і статистичної фізики.

Полімери побудовані з макромолекул до складу яких входять десятки і сотні тисяч атомів. В зв’язку з цим такі матеріали мають велику відносну молекулярну масу. Лінійні макромолекули являють собою атомні ланцюги, в яких певні ланки, що утворилися в процесі полімеризації з молекул низькомолекулярних сполук мономерів, багаторазово повторюються.[1]

Полімерні матеріали можуть знаходитися в трьох релаксаційних станах - склоподібному, високоеластичному і в’язкотекучому. Відмінність між ними проявляється не тільки в інтенсивності теплового руху структурних елементів, а й в характері деформацій. Так, зовнішня механічна дія на полімер, що перебуває у високоеластичному стані зумовлює пружні деформації а у в’язкотекучому – необоротні, пластичні деформації.

Полімерні матеріали поділяються на три основні класи: органічні, неорганічні і кремнійоорганічні. До складу органічних і кремнійоорганічних полімерів входить кисень і водень. Органічні полімери, в порівнянні з неорганічними, мають більш ширше застосування в техніці і становлять більший інтерес в науці. В залежності від способу отримання, фізичних і хімічних властивостей та застосування органічних полімерів їх поділяють на три групи: еластоміри, пластики (пластмаси) і полімерні волокна.

Розглянемо деякі основні ознаки цих груп полімерів.

1.Еластоміри характеризуються високоеластичними властивостями при звичайній кімнатній температурі, їх температура склування (температура, при якій полімери при охолодженні переходять в склоподібний стан нижча 0° С. Серед еластомірів найбільш практичне значення мають каучуки.

2.Пластики характеризуються інтенсивними міжмолекулярними взаємодіями. Тому температура силування або плавлення цих полімерів вища 80°С. При звичайних температурах пластмаси знаходяться в твердому кристалічному або аморфному (склоподібному) стані. Пластмаси – важливі конструкційні матеріали, часто – замінники металів.

3.Волокноутворюючі полімери знаходяться в кристалічному стані і характеризуються сильними міжмолекулярними зв’язками. Температура плавлення цих полімерів 100-300°С. Природні і синтетичні волокна є основою для створення текстильних матеріалів і виробів.

4.Біополімери складають основу живої природи і мають специфічну будову.

Структура полімерів.

Експериментальні дані.

Проведемо дослідження густини полімерної системи залежно від вмісту наповнювача. Виготовлення зразків проведемо методом механічного змішування полімера з наповнювачем.[1] Для цього в якості наповнювача використаємо огарку. Перед введенням наповнювача в полімер (використаємо полівінілхлорид ПВХ) його (наповнювач) обезжирюють CCl₄, а потім висушують у вакуумі при температурі 393 К. Потім ПВХ та наповнювач змішуємо і методом гарячого пресування отримуємо зразки для дослідження.

При дослідженні фізико-хімічних властивостей полімерних систем для аналізу залежностей властивість-концентрація зручно розглядати вміст наповнювача в об’ємних частках j_об. Технологія формування зразків пов’язана з масовим вмістом наповнювача j_м. Між j_обі j_м існує взаємозв’язок:

r₁ – густина полімерної матриці, r₂ – густина наповнювача. Розрахунок залежності між j_обі j_мнаведено у табл. кольорового додатку 1.

Визначення густини полімерної композиції виконаємо методом гідростатичного (точного) зважування. [1]. В основу цього методу покладено закон Архімеда. При цьому зважування зразка відбувається у повітрі, а потім повторюється у воді (гідростатичне зважування).

Позначимо F_A1– сила Архімеда, яка діє на тіло в повітрі, F_Т1 – сила тяжіння, F_A2– сила Архімеда, яка діє на різноважки, F_Т2 – сила тяжіння, яка діє на різноважки в повітрі. При рівновазі терезів буде справедливою рівність:

F_Т1–F_A1=F_Т2–F_A2(1)

Виразивши сили через густину тіл і повітря та їх об’єми та провівши математичні перетворення[1], отримаємо формулу для обчислення густини досліджуваного тіла:

(2)

m – маса різноважків, m₁ – маса різноважків, які зрівноважують тіло при зважуванні у воді, r₀, r_в , r_п – відповідно густини досліджуваного зразка, води і повітря.

Врахуємо, що під час зважування тіло утримується на нитці, тоді обчислення густини досліджуваного тіла буде проводитись за формулою:

(3)

m_н – маса нитки, m – маса різноважків, m₁ – маса різноважків, які зрівноважують тіло при зважуванні у воді.

В результаті виконання досліду була отримана експериментальна залежність значень густини від вмісту наповнювача для системи ПВХ+огарка:

Табл. 2.2‑1

Залежність r₀від j_обдля системи ПВХ+огарка.

j_об, %	r₀ ×10^-3(кг/м³)
ПВХ чистий	1,34
0,1	1,35
0,3	1,37
0,5	1,39
1,0	1,41
2,0	1,43
3,0	1,44
5,0	1,45
10,0	1,46
20,0	1,52
50,0	1,77

Для підтвердження результатів експерименту проведемо теоретичні розрахунки і побудуємо графіки залежності для отриманих значень.

Теоретичні розрахунки.

Для інтерпретації експериментальних даних густини полімерних композицій їх співставляють з теоретичними розрахунками густини. Теоретичні розрахунки проводять за формулами адитивності.

Скористаємося формулою для обрахунку густини композиції, яка наведена у [1]:

, де (4)

r₀, r_п , r_н – відповідно густини досліджуваного зразка, полімера і наповнювача,
j_п і j_н – відповідно об’ємний вміст полімера і наповнювача в композиції.

Для обрахунків використаємо табличний процесор Microsoft Excel., який дозволяє на основі введених і розрахованих значень побудувати графіки залежностей.

Проведені розрахунки і побудований графік дивися у кольоровому додатку 1.