8 Неметаллические материалы

8.1 Классификация, строение и свойства неметаллических материалов

Кроме металлов и сплавов в промышленности применяются неметаллические материалы: пластические массы, композиционные и резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, керамика и др.

Основной составляющей частью неметаллов являются полимеры – это соединения, состоящие из макромолекул, похожих на вытянутые цепочки, отдельные звенья которых представляют собой атомные группировки (мономеры).

Макромолекулы могут содержать одинаковые или разные мономеры, а иногда – чередующиеся блоки мономеров. В связи с этим материалы называются гомополимерами (или полимерами), сополимерами и блокосо-полимерами.

По происхождению полимеры делятся на природные (натуральный каучук, асбест, целлюлоза и др.) и синтетические (полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.).

Низкомолекулярные вещества (этилен, стирол и др.) перерабатываются в синтетические полимеры тремя способами: полимеризацией, поликонденсацией или химическим превращением.

Полимеризация представляет собой процесс соединения молекул (мономеров) без выделения побочных продуктов и изменения элементарного состава. При поликонденсации соединяются молекулы одинакового или различного строения с выделением побочных низкомолекулярных веществ. Химические превращения направлены на формирование в полимерах новых структур и придания им новых свойств.

По химическому составу полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические. Основную массу составляют органические полимеры: смолы и каучуки. Их молекулярная цепочка в основном образована атомами углерода. Вводимые в основную цепь атомы различных элементов придают полимерам специфические свойства (кислород – гибкость, фтор – химическую стойкость, хлор – огнестойкость и т. д.). Присоединяются также к углеродным атомам (в качестве боковых групп) атомы водорода или радикальные группы.

По своему фазовому составу полимеры подразделяются на аморфные и кристаллические. В первых макромолекулы собраны в пачки, способные перемещаться относительно друг друга, что придает им эластичность, но невысокую прочность. Вторые имеют гибкие пачки макромолекул, которые путем специальной укладки, например в процессе термической обработки, могут привести к образованию пространственных решеток кристаллов. В полимерах, как правило, сосуществуют аморфная и кристаллическая фазы. Последняя придает им теплостойкость, жесткость и прочность. Отношение объема, занимаемого кристаллической фазой, к общему объему полимера называется степенью кристалличности.

По поведению при нагреве полимеры делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры при повышенных температурах размягчаются, а при пониженных – затвердевают. Их можно перерабатывать в изделия неоднократно, структура полимеров линейная или разветвленная. Термореактивные полимеры на первом этапе их переработки в изделия имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются. При росте температуры макромолекулы «сшиваются», полимер затвердевает и остается твердым, т. е. возможна лишь однократная его переработка.

Многие полимеры обладают малой плотностью и теплостойкостью, а также высокой химической и коррозионной стойкостью. Это отличные электроизоляционные материалы, к тому, же обладающие хорошими оптическими свойствами. Они отличаются достаточной прочностью, упругостью, эластичностью. Большим достоинством полимеров считается их высокая технологичность.

В зависимости от температуры нагрева полимеры могут находиться в одном из трех физических состояний: стеклообразном, высокоэластическом или вязкотекучем.

В вязкотекучем, пластическом состоянии проводится переработка полимеров и материалов на их основе в изделия.

Полимеры в высокоэластическом или вязкотекучем состоянии подвергают медленному растяжению. При этом макромолекулы приобретают направленную ориентацию и упорядоченную структуру, что в свою очередь, приводит к повышению прочности и упругости полимеров.

Полимеры подвержены тепловому, световому, озонному или атмосферному старению – процессу самопроизвольных необратимых изменений свойств полимеров. При этом полимеры либо размягчаются, либо повышают свою твердость и хрупкость.