Раздел 15. Строение неметаллических материалов

Последнее время все более широкое применение находят неметаллические конструкционные материалы – пластмассы, стекло, керамика, резины и др. Для продовольственного машиностроения указанные материалы являются очень перспективными вследствие их высокой коррозионной стойкости, проявляемой в контакте с агрессивными средами, отсутствия токсичности во многих случаях, высокой износостойкости и малой плотности. Во многих случаях эти материалы заменяют ранее использовавшиеся цветные материалы и сплавы, а также другие металлические конструкционные материалы.

Тема 15.1. Строение, стеклообразное состояние и старение полимеров

Полимеры – это макромолекулы, которые состоят из большого числа небольших молекул, которые называются мономерами. Полимеры получают либо полимеризацией, либо поликонденсацией. Процесс, при котором полимер получается вследствие соединения мономеров друг с другом, называется полимеризацией. Поликонденсация - это процесс образования полимера в результате химической реакции исходных веществ с получением нового вещества, структура которого отличается от исходной.

В зависимости от строения и метода получения полимеры находятся в аморфном, кристаллическом или аморфно-кристаллическом состоянии. Большинство полимеров обычно имеет аморфное состояние. Кристаллической структурой обладают лишь стереорегулярные полимеры.

Кристаллические полимеры состоят из большого числа кристаллов, между которыми находятся участки с неупорядоченной (аморфной) структурой. Поэтому такие полимеры характеризуются определенной степенью кристалличности. Например, степень кристалличности полиэтилена может достигать 80 %. Наиболее выражена способность к образованию кристаллов у полиолефинов, полиамидов, полиэфиров.

Аморфные полимеры характеризуются областью постепенного перехода из твёрдого состояния в жидкое, а кристаллические – имеют определенную температуру плавления.

Аморфные полимеры могут находиться в следующем состоянии: стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем.

В стеклообразном состоянии полимеры не обладают ни сегментальной, ни молекулярной подвижностью. Это состояние характеризуется только колебательным движением атомов. Стеклообразное состояние – это твёрдое и хрупкое состояние. В высокоэластическом состоянии полимер обладает сегментальной подвижностью, при этом сегменты цепи обладают значительной свободой в движении, но в то же время перемещение макромолекул запрещено. В высокоэластическом состоянии полимеры похожи на жидкости с включёнными в них твёрдоподобными областями. Это состояние характеризуется высокой вязкостью и претерпевает вязко-упругую деформацию. Температура перехода из стеклообразного состояния в высокоэластичное называется температурой стеклования. При дальнейшем нагревании полимер начинает течь. Температура, при которой происходит переход из высокоэластичного состояния в вязко-текучее, называется температурой текучести. Из-за отсутствия в полимерах истинной кристаллической решётки процесса плавления как такового в аморфных полимерах не существует.

Старение полимеров – это самопроизвольное, необратимое изменение свойств полимера вследствие разрушения межмолекулярных связей в цепочках макромолекул. При старении происходят реакции, вызывающие: деструкцию (разложение) полимера, структурные изменения (увеличенная хрупкость, уменьшение прочности, понижение эластичности). При ионизирующем излучении или под действием света процессы деструкции ускоряются. Для замедления старения вводят стабилизаторы.

Термопластичные и термореактивные пластмассы. Пластмассы - это синтетические материалы, получаемые на основе ор­ганических и элементоорганических полимеров. Свойства пластмасс опреде­ляются свойствами полимеров, составляющих их основу. Состоят пластмассы из нескольких компонентов - связующего вещества, наполнителя, пластифика­тора и др.

Обязательным компонентом является связующее вещество. Такие про­стые пластмассы, как полиэтилен, вообще состоят из одного связующего веще­ства. Наполнителями служат твердые материалы органического и неорганиче­ского происхождения: порошковые (сажа, графит, древесная мука), волокниты (волокна, стекловолокна, асбоволокна), слоистые (гетинакс, текстолит), стеклоткань (стеклотекстолиты), газовые (газонаполненные: поропласты, пенопласты, сотопласты). Они придают пластмассам прочность, твердость, тепло­стойкость, а также некоторые специальные свойства, например антифрикцион­ные, или, наоборот, фрикционные. Кроме того, наполнители снимают усадку при прессовании. Пластификаторы представляют собой нелетучие жидкости с низкой температурой замерзания. Их вводят для расширения температурной области высокоэластического состояния, они снижают жесткость пластмасс и температуру хрупкости. В состав пластмасс могут входить также стабилизато­ры, применяемые для предотвращения старения, красители и другие вещества.

По характеру связующего вещества пластмассы разделяются на термо­пластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полиме­ров, и термореактивные (реактопласты), т.е. неразмягчающиеся.

Большое применение находят термопластичные пластмассы на основе полиэтилена, пропилена, полистирола, поливинилхлорида, фторопластов, поли­амидов и других полимеров. Основу всякого реактопласта составляет химически затвердевающая тер­мореактивная смола - связующее вещество. Кроме того, в состав реактопластов входят наполнители, пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлите­ли и растворители. Наполнителями могут быть порошковые, волокнистые и гибкие листовые материалы. К пластмассам с порошковыми наполнителями относятся фенопласты и аминопласты. Реактопласты с волокнистыми напол­нителями представляют собой композиции, состоящие из связующего и волок­нистого наполнителя в виде очесов хлопка (волокниты), асбеста (асбоволокниты), стекловолокна (стекловолокниты). С листовыми наполнителями - гетинакс, текстолит, древесно-слоистые пластики (ДСП). Связующими при производстве слоистых пластиков служат феноло-формальдегидные, эпоксидные кремнийорганические и другие смолы.

Пористые пластмассы - это гетерогенные (сост. из нескольких фаз) химически сложные системы, состоящие из твёрдой и газообразной фаз. В качестве связующего используются термопласты (или реактопласты), которые образуют стенки ячеек или пор. В качестве наполнителей используют газообразные вещества. В зависимости от физической структуры газонаполненные пластмассы делят на пенопласты, поропласты и сотопласты. К числу пористых пластмасс относятся пенополистирол, пенополиуретан, различные фенопласты.

Эластомеры – это материалы, которые при приложении нагрузки удлиняются, а при снятии нагрузки восстанавливают свою первоначальную форму. Цепные макромолекулы под действием нагрузки распрямляются, а при снятии нагрузки сворачиваются. Для данного состояния характерна сегментальная подвижность, кроме этого, данные полимеры должны обладать определённым межцепным свободным пространством для осуществления движения сегментов. Наиболее распространённым эластомером является каучук C₅H₈. На основе каучука получают резины. Молекулы чистого каучука слабо связаны друг с другом, поэтому легко отделяются одна от другой. В результате этого каучук прилипает к предметам, с которыми он взаимодействует. Для устранения этого дефекта применяют вулканизацию. Вулканизация – нагрев каучука вместе с серой. При нагреве сера разрывает двойные связи в молекуле каучука, и образуются мостики между линейными цепочками каучука. С увеличе­нием содержания вулканизатора (серы) сетчатая структура резины становится более частой и менее эластичной. При максимальном насыщении серы (до 30­-50 %) получают твердую резину (эбонит), при насыщении серой до 10-15 % - по­лутвердую резину. Обычное содержание серы в резине - 5-8 %.