9.4. Основы технологии производства и переработки полимерных материалов

9.4.1. Общие сведеиия о полимерных материалах

Полимерными материалами называют вещества природного или искусственного происхождения, макромолекулы которых состоят из одинаковых многократно повторяющихся групп атомов, называемых мономерными (элементарными) звеньями.

Число мономерных звеньев, входящих в состав макромолекулы, — от 100 до 1000. Величина молекулярной массы оказывает влияние на свойства полимеров. Так, с увеличением молекулярной массы уменьшается растворимость полимера, повышается температура его плавления, возрастают прочность и твердость. Кроме того, свойства полимеров зависят от химического состава мономеров, формы цепей молекул и их строения (структуры полимера).

Полимеры классифицируют по ряду признаков. По происхождению полимеры подразделяются на:

• природные, или натуральные (например, биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды);

• искусственные (получаемые химической переработкой природных полимеров, например ацетилцеллюлоза);

• синтетические (получаемые путем синтеза низкомолекулярных веществ — мономеров).

В зависимости от строения макромолекул различают полимеры линейной, разветвленной и сетчатой структуры.

Макромолекулы полимеров линейной структуры представляют собой открытую линейную цепь (например, натуральный каучук) или вытянутые в линию последовательные циклы (например, целлюлоза). Полимеры такого вида имеют невысокую прочность, легко плавятся, растворяются в органических растворителях.

Макромолекулы полимеров разветвленной структуры имеют форму линейной цепи с ответвлениями в виде коротких ветвей. Такие полимеры, как правило, менее эластичны, при нагревании размягчаются, но трудно плавятся, в растворителях лишь набухают.

Макромолекулы полимеров сетчатой структуры — результат связывания (сшивания) линейных и разветвленных це-

252

пей поперечными связями (мостиками). Эти полимеры чаще всего имеют кристаллическое строение, при повышенной температуре не плавятся, не разлагаются, не растворяются ни в каких растворителях и лишь иногда способны набухать (резина, поликонденсационные смолы).

По химическому составу макромолекул различают:

• гомополимеры — полимеры, образованные из одного мономера, например полиэтилен;

• сополимеры — полимеры, образованные из двух и более различных мономеров (например, бутадиен-стирольный каучук);

• олигомеры — полимеры сравнительно небольшой молекулярной массы. К олигомерам относятся многие синтетические, смолы — феноло-формальдегидные, эпоксидные, полиэфирные и другие, а также некоторые природные вещества, например антибиотики.

По химическому составу основной цепи полимеры делятся на:

• гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов;

• гетероцеппые, в основной цепи которых содержатся ато« мы различных элементов, чаще всего С, N, P, Si.

Среди гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные, которые содержат в основной цепи звенья только из атомов углерода.

В зависимости от фазового состояния полимеры могут находиться в кристаллическом, жидком (аморфном) и жидкокристаллическом (аморфно-кристаллическом) фазовых состояниях, различающихся степенью упорядоченности частей макромолекул в структуре полимера.

По отношению к нагреву все полимеры подразделяют на две большие группы:

• термопластичные, которые могут размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении. Таким образом, их можно многократно нагревать до температуры плавления и ох лаждать. Это свойство термопластичных полимеров позволяет осуществлять их неоднократную переработку, в том числе используя брак и отходы. К термопластичным полимерам относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинил хлорид и др.;

• термореактивные (реактопласты), которые плавятся при нагревании лишь в процессе образования, а затем их молекулы связываются между собой и образуют пространственную структуру, вследствие чего полимер затвердевает, необратимо теряя способность плавиться. К термореактивным полимерам отно-

253

сятся некоторые фенолоформальдегидные и другие поликонденсационные полимеры.

По назначению полимерные материалы делятся на следующие группы:

• пластические массы (пластмассы, пластики) и композиты;

• эластомеры (каучуки и резины);

• химические волокна;

• лакокрасочные материалы, полимерные покрытия и пленки;

• клеи и герметики.

Полимерные материалы отличаются от традиционных материалов, издавна используемых человечеством, комплексом особых свойств, высокой экономичностью методов переработки в изделия, практически неограниченной сырьевой базой. Для полимерных материалов характерны следующие положительные свойства:

• малая плотность и, как следствие, — высокий условный показатель прочности (отношение временного сопротивления на разрыв к плотности), превышающий аналогичный показатель лучших сортов стали;

• устойчивость к воздействию агрессивных сред, атмосферному и радиационному;

• ярко выраженные радио- и электротехнические свойства, в том числе диэлектрические, малозависящие от температуры и частоты электрического поля;

• широкий регулируемый диапазон фрикционных свойств;

• специфические оптические свойства, способность пропускать лучи света в широком диапазоне волн, в том числе ультрафиолетовые (70 % для полиметилметакрилата против 1—3 % для силикатного стекла);

• возможность целенаправленного изменения физико-механических и химических свойств полимеров, сочетания в одном материале противоположных качеств, например твердости и гибкости.

К недостаткам полимерных материалов относятся:

• низкая теплостойкость (как правило, она не превышает 120 ° С, за исключением фторопластов и кремнийорганических полимеров);

• недостаточные по сравнению с металлическими сплавами твердость и прочность;

• ползучесть, т.е. изменение формы и прочности под механическими воздействиями, особенно при повышении температуры;

• большое тепловое расширение;

• низкая теплопроводность, затрудняющая отвод тепла;

254

• склонность к старению, т.е. деструктивному разрушению с течением времени и ухудшению показателей физико-механических свойств.

Тем не менее, использование современных полимеров позволяет снизить материалоемкость продукции за счет замены традиционных конструкционных материалов. Технически возможное и экономически целесообразное применение полимеров вместо металлических сплавов позволяет достичь значительной экономии капитальных затрат, так как для производства пластмасс требуются значительно меньшие капиталовложения, чем для производства эквивалентного объема металлов, особенно тяжелых цветных. Особенно эффективна замена полимерами тяжелых цветных металлов, коррозионно-стойкой стали, ценных сортов древесины.

В последнее время расширяется использование нефтехимического сырья для производства полимеров, синтезируются новые виды полимеров и сополимеров с улучшенными свойствами, в том числе с применением радиационно-химической технологии (см. подробнее параграф 15.7), создаются полимеры с уникальными свойствами, например для мембранной технологии (см. подробнее параграф 15.6).

Использование полимеров в качестве матрицы для композитов (см. подробнее параграф 15.1) обеспечивает получение конструкционных материалов, превосходящих традиционные по своим прочностным, физико-химическим свойствам. В процессы производства и переработки полимеров внедряются автоматизированные поточные линии, робототехнические комплексы и высокопроизводительные агрегаты, повышается качество выпускаемых изделий.