Лекция 24
Неметаллические материалы
Неметаллические материалы находят все возрастающее применение в различных отраслях техники. Достаточная прочность, жесткость, эластичность при низкой плотности, химическая стойкость во многих агрессивных средах, уровень диэлектрических свойств при их технологичности делают неметаллические материалы незаменимыми. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5 — 6 раз ниже, и они в 4 — 5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непрерывно возрастает использование неметаллических материалов в пищевой, торговой, холодильной и криогенной технике.
24.1 Полимеры
Полимерами называются высокомолекулярные химические соединения, состоящие из многочисленных маломолекулярных звеньев (мономеров) одинакового строения. Макромолекулы полимеров представляют собой длинные цепи из мономеров, что определяет их болыпую гибкость. Отдельные атомы в мономерах соединены между собой довольно прочными ковалентными химическими связями. Между макромолекулами полимеров действуют значительно более слабые физические связи. Особенностью молекул полимеров является их большая молекулярная масса (М ≥ 5 103).
Своеобразие свойств полимеров обусловлено их структурой. Различают следующие типы полимерных структур: линейную, линейно-разветвленную, лестничную и пространственную с громоздкими молекулярными группами и специфическими геометрическими построениями (рис. 24.1).
Рис. 24.1. Различные типы структур полимеров:
а — линейная; б — линейно-разветвленная; в — лестничная; г — сетчатая и пространственная сетчатая
В зависимости от того, как ведут себя полимеры при нагреве, они делятся на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются и плавятся, а при охлаждении затвердевают. При этом материал не претерпевает химических превращений, что делает процесс плавления — затвердевания полностью обратимым. Термопластичные полимеры имеют линейную или линейно-разветвленную структуру макромолекул. Между молекулами действуют слабые силы и нет химических связей. К термопластам относятся полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.
Термореактивные полимеры сначала имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем в результате протекания химических реакций приобретают пространственную структуру и превращаются в твердое вещество, сохраняя и в дальнейшем высокую твердость. Последующий нагрев не размягчает их и может привести только к их разложению. Готовый термореактивный полимер не плавится и не растворяется, поэтому в отличие от термопластичного не может подвергаться повторной переработке. К термореактивным полимерам относятся фенолформальдегидная, кремнийорганическая, эпоксидная и другие смолы.
Все полимеры в большей или меньшей степени подвержены процессу старения во времени. Старением полимеров называют самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале при эксплуатации и хранении.
Старению способствуют свет, частая смена циклов нагрев — охлаждение, воздействие кислорода, озона и другие факторы. При старении повышается твердость, хрупкость, теряется эластичность. При высоких температурах (200 — 2500С) происходит термическая деструкция — разложение органических полимеров, сопровождающееся испарением летучих веществ.
Для замедленного старения в полимерные материалы добавляют стабилизаторы.
Для получения материалов с заданными свойствами в технике часто используют не отдельные полимеры, а их сочетания с другими материалами как органического, так и неорганического происхождения (пластмассы, металлопласты, полимербетоны, стеклопластики и др.).