Полимеры и материалы на их основе

Полимерами называются материалы естественного и искусственного происхождения, состоящие из макромолекул. На их основе получают пластмассы (пластики), резины (эластомеры), герметики и клеи.

В полимере могут содержаться растворенные в нем добавки и нерастворимые наполнители:

• пластифицирующие добавки, понижающие температуру текучести и вязкость полимера при получении изделий, а также снижающие его хрупкость,

• стабилизирующие добавки, замедляющие его старение, приводящее к изменению первоначальной структуры полимера,

• отверждающие добавки, обеспечивающие появление поперечных связей между макромолекулами,

• специальные добавки (например, антистатические) и красители,

• наполнители (частицы, волокна и т.п.), призванные, в основном, улучшить механические свойства.

Основные особенности

полимеров (исключая высокомодульные волокна) без наполнителей в сравнении с металлическими материалами.

1. Небольшой модуль упругости E (до 4 ГПа, для магниевых сплавов 42 ГПа).

2. Сравнительно высокий коэффициент теплового расширения (больше 30∙10^-6 К^-1, для магниевых сплавов 26∙10^-6 К^-1).

3. Склонность к изменению структуры и свойств во времени (старение) под действием температуры, механических воздействий, электромагнитных излучений, радиации, некоторых агрессивных химических реагентов.

4. Склонность к ползучести – нарастанию деформации во времени при постоянных условиях (температуре и нагрузке).

5. Более высокая, чем у металлов коррозионная стойкость.

6. Относительно невысокая прочность (до 180 МПа, а для литейных магниевых сплавов выше 200 МПа, для сталей более 1000 МПа).

7. Относительно малая плотность (от 0,9 до 2,2 г/см³, для магниевых сплавов 1,74 г/см³ , для сталей 7,9 г/см³).

8. Низкая теплопроводность.

9. Относительно низкая для большинства полимеров теплостойкость.

10. Отсутствие электрической проводимости.

11. Хорошая технологичность.

12. Значительное изменение объема (усадка) при литье.

Полимеры находят применение в тех случаях, когда требуется:

• небольшая масса получаемых изделий,

• относительно низкая стоимость получения готовых деталей (при крупносерийном производстве),

• высокая коррозионная стойкость,

• электроизоляционные свойства.

Пути повышения жесткости и прочности полимеров

Повышение жесткости и прочности полимерных материалов может быть обеспечено:

• ростом молекулярной массы макромолекул, так как при этом увеличивается число контактов между макромолекулами,

• увеличением энергии межмолекулярного взаимодействия за счет сшивки макромолекул ковалентными связями и наличия в боковых группах полярных заместителей или крупных соединений,

• ориентацией макромолекул растяжением в необходимых направлениях,

• ростом кристалличности полимеров,

• введением упрочняющих наполнителей.

Полиэтилен (ПЭ) [—CH₂—CH₂—]_n, ПЭ используется как пластик, из которого изготавливают пленки, трубы, профилированные изделия, высокочастотную изоляцию для проводов и кабеля, емкости, волокна и др. Для увеличения прочности в ПЭ вводятся наполнители, например, в виде коротких стеклянных волокон, сохраняющих возможность формования изделий.

Полипропилен (ПП), [—CH₂—CH(CH₃)—]_n

Из ПП в кристаллическом состоянии изготавливают гибкие волокна и пленки, мало нагруженные корпуса приборов, например, мониторов, точные детали приборов (зубчатые и червячные колеса, втулки подшипников), профилированные изделия, трубы, различную арматуру, контейнеры, и др.

Полистирол (ПС), [—CH₂—CH(C₆H₅)—]_n

Однако для ПС характерна сравнительно низкая рабочая температура (до 70°C) и значительная хрупкость.

ПС используют в качестве высокочастотного диэлектрика, слабо нагруженных корпусов и деталей приборов с антистатическими свойствами. Лучшими эксплуатационными свойствами обладают различные сополимеры стирола. Так повышения прочности (с 2 до 50 МПа) и ударной вязкости добиваются получением привитых сополимеров стирола с 5—10% бутадиенового каучука (ударопрочный полистирол), а также тройных сополимеров акрилонитрила, бутадиена и стирола (АБС-пластик).

Из ударопрочного полистирола и АБС-пластика изготавливают корпуса приборов, обладающие повышенным сопротивлением ударам

Полиамиды (ПА), гетероцепные полимеры, содержащие амидные группировки [—СО—NH—]_n

Благодаря сочетанию свойств ПА широко используют главным образом для производства синтетических волокон, пленок, а также в качестве конструкционного материала для изготовления деталей машин (зубчатых колес, втулок подшипников скольжения и др.).

Фторопласты (Ф), представляют собой карбоцепные фторпроизводных этилена и их сополимеры. Наибольшее значение имеют политетрафторэтилен, и политрифторхлорэтилен— кристаллические полимеры, отличающиеся высокой химической стойкостью, термо- и морозостойкостью, низким коэффициентом трения.

Полиметилметакрилат (ПМ) (стекло органическое) - материал, получаемый полимеризацией метилметакрилата [—CH₂—C(COOCH₃)(CH₃)—]_n . Плотность 1,18 г/см³

ПМ применяют как конструкционный материал для изготовления деталей приборов и инструментов, линз и призм в оптике, а также для получения полимерных световодов. Как электроизоляционный материал применяется при малых частотах.