19.2. Силікатні матеріали

Силікати - солі кремнієвих кислот. Роль катіонів в силікатах грають переважно елементи 2, 3 і 4-го періодів періодичної системи Д.І. Менделєєва. У природі вони широко представлені мінералами, що входять до складу гірських порід, - польовий шпат (алюмосилікат), кварц (діоксид кремнію) та ін. В медицині найчастіше використовують силікатні матеріали, отримані з кварцового піску і глини. До силікатних матеріалів відносяться кераміка і скло. Вироби медичні з скла в основному представлені в 94-му класі К-ОКП в підкласі 946000 «Вироби медичні з скла і полімерних матеріалів».

Для зручності вивчення зв'язку складу і структури з властивостями полімерів їх можна класифікувати за різними ознаками (складом, формою макромолекул, фазовому стану, полярністю, відношенням до нагрівання).За складом всі полімери поділяють на органічні, елементоорганічні, неорганічні. Органічні полімери складають найбільш велику групу з'єднань (смоли, каучуки). Основний ланцюг таких з'єднань утворюють тільки вуглецеві атоми, або в ньому присутні атоми (О, Сl, H, P), які сприяють підвищенню гнучкості ланцюга й еластичності полімерів (О), підвищенню вогнестійкості (Р і С1), газонепроникності, хімічній стійкості (Р).

Елементоорганічні з'єднання містять у складі основного ланцюга неорганічні атоми кремнію, титана, алюмінію й ін. елементів, що сполучаються з органічними радикалами (метиловий, феніловий).

Органічні радикали додають матеріалу міцність і еластичність, а неорганічні атоми надають підвищену теплостійкість. У природі таких з'єднань не зустрічається. Представниками цієї, групи є органічні сполуки, створені вченим К.А.Андріановим.

Мал. 36

До неорганічних полімерів відносяться силікатні стекла, кераміка, слюда, азбест. У складі цих з'єднань вуглецевого кістяка немає. Основу неорганічних матеріалів складають окисли С1, А1, Мg, Сr і ін. У силікатах існують 2 типи зв'язків: атоми в ланцюзі з'єднані ковалентними зв'язками (C1 - О), а ланцюги між собою - іонними зв'язками.

Неорганічні полімери відрізняються більш високою щільністю і тривалою теплостійкістю, однак крихкі і погано переносять динамічні навантаження. У технічних матеріалах використовуються як окремі види полімерів, так і сполучення різних груп полімерів. Такі матеріали називають композиційними (наприклад склопластик).

Мал.37

Своєрідність властивостей полімерів обумовлена структурою їхніх макромолекул. За формою макромолекул полімери поділяються на: а) лінійні, б) розгалужені, в) сходові, г) просторові чи д) сітчасті, е) паркетні, пластинчасті.

Лінійні полімери найбільше підходять для одержання волокон і плівок. Сходові полімери мають більш твердий основний ланцюг і мають підвищену теплостійкість, твердість. Просторові чи сітчасті полімери іноді мають пружність (гуми рідко-сітчасті), іноді твердість, теплостійкість, нерозчинність (рясно-сітчасті). Просторові полімери лежать в основі конструкційних неметалічних матеріалів.

За фазовим станом полімери поділяють на аморфні і кристалічні. Аморфні полімери однофазні і побудовані з ланцюгів молекул, зібраних у пачки. Пачки здатні переміщатися щодо сусідніх елементів, тому що вони є структурними елементами.

Кристалічні полімери утворяться у випадку, якщо макромолекули досить гнучкі і мають регулярну структуру. Полімерами, що кристалізуються є поліетилен, поліпропілен, поліаміди. Кристалізація здійснюється у визначеному інтервалі температур. У звичайних умовах повної кристалізації не відбувається. В реальних полімерах структура двохфазна: поряд із кристалічною фазою присутня й аморфна. Кристалічність додає полімеру підвищену теплостійкість, велику твердість і міцність.

За полярністю полімери поділяють на полярні і неполярні. У неполярної молекули електронне скупчення, що скріплює атоми, розподілене між ними однаковою мірою. У полярної молекули електронне скупчення зрушене убік більш електронегативного атома.

Неполярні: поліетилен (-СН2-СН2-)n, поліпропілен (-СН-СН-СН3-)n, фторопласт (-СF2-СF2-)n.

Полярні: полівінілхлорид (-СН2-СНСС1-)n.

Полярність сильно впливає на властивості полімерів. Неполярні полімери є високоякісними діелектриками, фізико-механічні властивості їх при низьких температурах до -50 -70 °С погіршуються незначно, на відміну від полярних. Зате полярність, збільшуючи сили міжмолекулярного притягання, додає полімеру твердість, теплостійкість.

Стосовно нагрівання полімери поділяють на термопластичні і термореактивні.

Термопластичні полімери при нагріванні розм'якшуються, плавляться, при охолодженні твердіють; цей процес зворотній, тобто ніяких хімічних перетворень матеріал не робить. Структура макромолекул таких полімерів лінійна чи розгалужена. Це поліетилен, полістирол, поліаміди.

Термореактивні полімери на першій стадії утворення мають лінійну структуру і при нагріванні розм'якшуються, потім унаслідок протікання хімічних реакцій утвориться просторова структура, вони твердіють і надалі залишаються твердими. Це фенолформальдегідна, гліфталева й ін. смоли.