Технология получения полимеров
Полимеры обладают целым комплексом положительных свойств (малая средняя плотность, низкая теплопроводность, высокая химическая и атмосферостойкость, легкость обработки и др.), которые предопределили их широкое практическое использование, в том числе в строительстве.
Наряду с положительными свойствами, полимеры имеют и ряд недостатков (низкая теплостойкость, малая поверхностная твердость, значительная ползучесть, склонность к старению, пожароопасность, токсичность), что ограничивает их использование и создает определенные трудности при работе с ними. Вследствие этого, а также из-за высокой стоимости синтетические полимеры в чистом виде, т.е. без добавок и наполнителей, используют редко.
В строительстве полимеры используют в качестве связующих веществ для производства микро- и макроконгломератов. В сложных композиционных материалах полимер служит дисперсионной средой, а частицы наполнителя составляют твердую дисперсную фазу. При отверждении полимер образует непрерывную пространственную сетку-матрицу, а наполнитель входит в эту сетку, обеспечивая прочность и монолитную структуру конгломерата.
В зависимости от требований, предъявляемых к полимеру, вида мономера в промышленности используют три способа полимеризации и поликонденсации: в блоке, в растворе и в эмульсии (суспензии).
7.2 Строение и свойства полимеров
Свойства полимеров зависят от их строения. ВМС представляют собой очень сложные системы, построенные из макромолекул, взаимодействующих между собой, а молекулы состоят из повторяющихся звеньев, соединенных химическими связями. Строение макромолекул зависит от исходных мономеров и типа протекающего процесса (см. табл. 7.2).
Таблица 7.2
Строение макромолекул в зависимости от исходного мономера
и метода получения
Строение макромолекул |
Исходный мономер и метод получения |
Линейное |
Полимеризация мономеров и поликонденсация при участии мономеров с двумя функциональными группами |
Разветвленное |
Полимеризация мономеров и поликонденсация мономеров, имеющих три и более функциональные группы |
Сетчатое |
«Сшивка» цепей, например, при вулканизации или синтезе термореактивных смол |
Физические свойства полимеров
Полимеры в отличие от низкомолекулярных веществ могут находиться только в двух агрегатных состояниях: твердом и жидком. Вдоль всей длины полимерной молекулы действует множество межмолекулярных связей, их преодоление и испарение полимера требует затрат очень высокой энергии. Для полимеров характерны три физических состояния: текучее, высокоэластичное и твердое.
Если сгруппировать многочисленные полимерные вещества по их механическим свойствам при комнатной температуре, то отчетливо выделяются три большие группы материалов:
1. Текучие полимеры, способные необратимо изменять свою форму под действием даже очень малых механических напряжений. Они имеют аморфное строение, сравнительно небольшую молекулярную массу (полиизобутилен, резолы и др.).
2. Эластичные полимеры, способные обратимо деформироваться на многие сотни процентов при воздействии относительно небольших напряжений (каучуки, резины). Многие твердые при комнатной температуре полимеры становятся эластичными при нагревании (полистирол, поливинилацетат, поливиниловый спирт, полиметилметакрилат).
3. Твердые полимеры, т.е. полимеры, требующие даже для небольшой деформации воздействия сравнительно высоких напряжений и легко восстанавливающие свою форму после прекращения действия силы. Эти полимеры могут иметь как аморфное, так и кристаллическое строение.
Твердые аморфные полимеры находятся в стеклообразном состоянии. Очень важным признаком переходов полимера из одного состояния в другое, отличающим их от фазовых превращений, является отсутствие определенных температурных точек переходов. Переход из одного состояния в другое происходит постепенно в некотором интервале температур. По термохимической кривой, построенной в координатах «деформация – температура нагрева», определяют температуру стеклования и текучести (рис. 7.2).
%деф.
IV
III
II
I
0 Тст Тт Т,°С
Рис 7.2. Термомеханическая кривая термопластичных полимеров
При нагревании полимера до температуры стеклования (Тст) он находится в стеклообразном состоянии, характеризуется малыми обратимыми деформациями (I). При дальнейшем нагревании он переходит в высокоэластическое состояние, отличающееся резким увеличением деформации (II), которое затем остается постоянным до температуры текучести (Тт) (III). При повышении температуры выше Тт снова увеличивается деформация вплоть до разрушения образца (IV).
По термомеханической кривой можно определить интервалы температур, в которых развиваются упругая, эластическая и, наконец, все три слагающие деформации (упругая, эластическая и пластическая). Эти три температурных интервала соответствуют трем различным физическим состояниям аморфных полимеров. Наряду с полимерами, способными существовать во всех трех состояниях, есть полимеры, существующие только в двух или даже только в одном состоянии. Термомеханическая кривая позволяет оценить, в каких состояниях и при каких температурах может существовать полимер, а также сделать вывод о возможности использования полимера в тех или иных условиях и об условиях его механической переработки.
Таким образом, полимеры характеризуются следующими техническими свойствами: температура размягчения и теплостойкость, температура стеклования и текучести, механическая прочность и деформативная устойчивость, а также химическая стойкость.