Тема 16. Полимерные композиционные материалы – пластмассы и резина

16.1. Пластмассы

Пластмассы – это материалы, основу которых составляют высокомолекулярные соединения – полимеры. Макромолекулы полимеров могут иметь линейную, разветвленную либо пространственную (сшитую) формы (рис. 16.1).

а б в

Рис. 16.1. Схемы строения молекул полимеров:

а – линейные макромолекулы; б – разветвление макромолекул;

в – пространственные структуры

В цепях атомы связаны ковалентными связями, а между цепями – более слабыми межмолекулярными силами. Линейные полимеры хорошо растворяются, т. к. молекулы растворителя внедряются между макромолекулами и ослабляют связи между ними. Разветвления ослабляют межмолекулярные силы, снижают температуру размягчения. Пространственная структура делает полимер нерастворимым и неплавким. В зависимости от температуры полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном или вязкотекучем состоянии. При стеклообразном состоянии колеблются лишь атомы в составе мономеров, а звенья и макромолекулы не перемещаются. Преимущественная деформация в этом состоянии – упругая. Полимеры с пространственной структурой бывают только в таком стеклообразном состоянии. Высокоэластичное состояние обеспечивается за счет колебания звеньев и изгибов макромолекул, что дает значительное обратимое изменение формы за счет совместных упругих и высокоэластичных деформаций. Вязкотекучее (жидкое) состояние обеспечивается за счет подвижности макромолекул.

16.2. Классификация полимеров и пластмасс

Полимеры разделяются на простые и сложные. Простые состоят из одного полимера (капрон, полиэтилен, оргстекло). Сложные (композиционные) состоят из следующих компонентов:

• полимер, выполняющий роль связующего вещества (30 ... 70 %);

• наполнители, которые вводятся для придания определенных физико-механических свойств (термостойкости, прочности, износостойкости); подразделяются на органические (древесная мука, хлопковый очес, кожа, целлюлоза, х/б ткань, бумага) и неорганические (асбест, окись Zn, каолин, кварцевая мука, графит, стекловолокно, стеклоткань); по форме частиц наполнители могут быть порошкообразные; волокнистые (органические и стеклянные волокна, асбест); слоистые – листовые (ткани, бумага, шпон);

• стабилизаторы – предотвращают процесс старения, т. е. самопроизвольный распад полимера под действием ультрафиолетовых лучей, повышенной температуры, кислорода, в результате чего пластмассы разлагаются либо твердеют и делаются хрупкими;

• пластификаторы – для облегчения переработки в изделия, увеличения текучести, эластичности, уменьшения хрупкости при формовании (касторовое масло, дибутилфталат и др.);

• красители органические и неорганические;

• специальные добавки: смазывающие, катализаторы – ускорители отверждения (известь, магнезия, олеиновая кислота, стеарин).

Для газонаполненных (поро- и пенопласты) – газообразователи (горючие).

По происхождению полимеры бывают природные (натуральный каучук, целлюлоза, асбест) и синтетические (полиэтилен, полистирол, полиамиды, смолы).

По химическому составу разделяются на:

• органические и элементоорганические, молекулярная цепочка которых в основном образована атомами углерода с некоторыми другими элементами (кислород придает гибкость, фтор – химическую стойкость, хлор – огнестойкость и пр.);

• неорганические, основа которых – оксиды Si, Al, Mg и др. (силикатное стекло, керамика, слюда, асбест, графит), отличаются плотностью, хрупкостью и длительной теплостойкостью.

По фазовому составу: аморфные (молекулы неупорядочены) и кристаллические. Кристаллическая фаза придает теплостойкость, жесткость и прочность.

По поведению при нагреве: термопластичные (обратимые), имеют линейную или разветвленную структуру; и термореактивные (необратимые), имеют пространственную структуру.

Термопластичные при нагревании могут изменять агрегатное состояние, переходить из твердого состояния в жидкое и обратно (полиэтилен, полистирол, акрилат и другие).

Термореактивные при нагревании переходят в вязкотекучее состояние, а потом претерпевают химические изменения (образуются пространственные структуры) и превращаются в твердые и неплавкие материалы, т. е. происходящие в них при нагреве изменения необратимы (фенопласты, аминопласты, полиамиды и др.), затвердевают при нагреве.

По прочности: низкой (полиэтилен, фторопласты); средней (фенопласты, полистирол, полиамиды – капрон, капролон); высокой прочности (стеклопластики).

Технологические свойства пластмасс: текучесть, усадка, скорость отверждения реактопластов (зависит от состава и температуры), термостабильность термопластов – время, в течение которого термопласт выдерживает определенную температуру без разложения.

Влага и летучие вещества понижают диэлектрические показатели реакто-

пластов, увеличивают время выдержки и коробление, ухудшают внешний вид. Поэтому для них требуется подсушка.