Розділ 16 неметалеві матеріали

До неметалевих матеріалів належать пластмаси, деревина, ґума, скло, клеї герметики, лакофарбові покриття та ін. Частка неметалевих матеріалів у сучасних конструкціях невпинно зростає за рахунок зменшення у них частки металів. Найрозповсюдженішими серед неметалевих матеріалів є пластмаси.

2.16.1. Пластичні маси

Пластичними масами (пластмасами) називають штучно створювані матеріали на основі синтетичних або природних високомолекулярних сполук, яким у період формування виробу надають високу пластичність за рахунок підвищення температури.

2.16.1.1. Загальна характеристика пластмас

Сировиною, з якої отримують синтетичні високомолекулярні матеріали, є нафта, природний газ, кам'яне вугілля, сланці. Основними позитивними властивостями пластмас є простота способів виготовлення з них виробів, низька густина, значна тривкість проти агресивних середовищ, добрі діелект­ричні й теплоізоляційні властивості, а також задовільні міцність і жорсткість. Залежно від кількості компонентів пластмаси поділяють на прості і компо­зитні (складні).

Прості пластмаси складаються з одного компоненту—високомолекулярної сполуки (наприклад, поліетилену, поліпропілену, полівінілхлориду, полісти­ролу тощо).

Композитні (складні) пластмаси, крім високомолекулярної сполуки, містять ще й інші компоненти (зміцнювальні, пластифікатори, мастильні речо­вини, каталізатори, барвники, стабілізатори, антипірени, антистатики, пороутворювачі) сумарною кількістю 20...80 % за об'ємом.

Високомолекулярні сполуки в полімерних композитних матеріалах викону­ють роль матриці, тобто зв'язувальної речовини. їх отримують внаслідок реакції полімеризації або поліконденсації.

Полімеризація — процес утворення високомолекулярної сполуки (поліме-ра) із низькомолекулярних (мономерів), під час якого не виділяються побічні продукти реакції. Прикладом реакції полімеризації може служити утворення твердої високомолекулярної речовини поліетилену (- СН, -СН, -) з л-ного числа молекул мономера у вигляді газу етилену СН,= СН, при підвищених тиску і температурі:

иСН₂=СН₂-»(-СН₂-СН₂-)_п. (2.16.1)

Отже, молекули мономера послідовно з'єднуються між собою, утворюючи довгі ланцюгові макромолекули нової речовини такого самого складу як і

мономер. Знак "-" означає ковалентний зв'язок, при якому два електрони стають спільними для сусідніх атомів. Утворений полімер за своїми власти­ востями істотно відрізняється від мономера. Число молекул мономера в одній макромолекулі полімера дуже велике й становить 10³ 10⁵.

Поліконденсація — утворення високомолекулярної сполуки (полімера) із низькомолекулярних сполук (мономерів), яке супроводжується здебільш ви­діленням побічних речовин (Н,О, НС1, NH, та ін.). Унаслідок поліконденсації, наприклад, утворюється смола з фенолу і формальдегіду.

Зміцнювальні компоненти (наповнювачі) — органічні й неорганічні речо­вини у вигляді порошків, волокон або листів, що додаються для підвищення міцності, жорсткості, теплотривкості, зменшення усадки, а також зниження вар­тості пластмаси.

Пластифікатори підвищують пластичність й полегшують переробку пласт­мас у вироби. Водночас пластифікатори зменшують міцність і жорсткість пластмаси. До них належать малолеткі органічні речовини типу гліцерину та касторової олії, які проникають у пластмасу, зменшуючи взаємодію між моле­кулами.

Мастильні речовини (стеарин, олеїнова кислота та ін.) усувають прилипан­ня матеріалу до пресформи та збільшують його текучість, зменшуючи тертя між частинками композиції.

Каталізатори (уротропін, оксиди металів) прискорюють твердіння пласт­маси.

Барвники (пігменти, природні лаки) надають пластмасовим виробам деко­ративного вигляду.

Стабілізатори (нафталін, сажа, антрацен) — речовини, що сповільнюють атмосферне старіння пластмас під дією світла, тепла, кисню й озону. Цей про­цес супроводжується поступовою зміною структури й погіршенням властиво­стей матеріалу.

Антипірени (ізоціаніти, сполуки сурми) зменшують горючість полімерів.

Антистатики перешкоджають виникненню й нагромадженню статичного електричного заряду у виробах з полімерних матеріалів.

Види компонентів та їх кількісне співвідношення впливають на властивості пластмас.

Пороутворювачі — речовини, які розпадаються під час нагрівання, виділя­ючи гази, що спінюють смолу, внаслідок чого утворюється пориста структура в поро- та пінопластах.

Залежно від поведінки під час нагрівання та твердіння пластмаси поділя­ють на термопластичні й термореактивні.

Термопластичні пластмаси (термопласти) під час кожного нагрівання спо­чатку розм'якають і переходять у в'зкотекучий стан, а під час охолодження тверднуть. Вони належать до простих пластмас.

Термореактивні пластмаси (реактопласти) під час нагрівання спочатку розм'якають, а згодом при певній температурі тверднуть внаслідок утворення міцних ковалентних поперечних зв'язків між макромолекулами. Окремі термореактивні полімери (наприклад епоксидні смоли) тверднуть під дією

затверджувана навіть при кімнатній температурі. Затверділі реактопласти неможливо перевести, повторно нагріваючи, у в'язкотекучий стан.

За формою макромолекул розрізняють полімери лінійної, розгалуженої сітчастої та просторової будови.

Макромолекула лінійної будови має вигляд довгого ланцюга із послідовно з'єднаних структурних ланок. Під структурною ланкою розуміють групу атомів, наприклад (-СН₂-СН₂-), за допомогою якої можна описати будову макромолекули. Довжина макромолекули в сотні й тисячі разів перевищує її поперечні розміри. Характерною особливістю макромолекул лінійної будови є здатність їх ланок обертатись одна відносно іншої, завдяки чому змінюється конформація (форма) макромолекул без руйнування зв'язків між ланками. Внаслідок обертання ланок лінійна молекула може набути зигзагоподібної, спіралеподібної та іншої форми.

Макромолекула розгалуженоїбудови, залишаючись лінійною, має бічні короткі ланцюги з невеликим числом ланок. Що більша кількість бічних ланок у молекули, то слабша взаємодія сусідніх молекул і м'якший та еластичніший полімер.

Між макромолекулами лінійної та розгалуженої будови діють слабі сили притягання (сили Ван-дер-Ваальса). Під час нагрівання зв'язки між макромо­лекулами істотно ослаблюються і матеріал розм'якає.

Сітчасту будову утворюють довгі основні ланцюги макромолекул, з'єдна­ні між собою атомами, або групами атомів, або структурними ланками. Отже, між макромолекулами, крім слабовираженого міжмолекулярного притягання, існують міцні поперечні ковалентні зв'язки, завдяки яким полімер втрачає здатність розтоплюватись. Поперечні зв'язки у сітчастій будові розставлені досить рідко.

Якщо макромолекули лінійної будови утворюють тривимірну густу сітку, що складається з коротких ланцюгів лінійної будови, то маємо просторову будову полімеру. Поперечні зв'язки в полімері з просторовою будовою повто­рюються часто. Тут поняття "макромолекула" до певної міри втрачає свій сенс, оскільки всі атоми полімеру з'єднані міцними ковалентними зв'язками в одну гігантську молекулу.

Істотний вплив на властивості полімерного матеріалу в твердому стані має ступінь упорядкованості ланцюгових макромолекул. У цьому сенсі макромо­лекули можуть розташовуватись одна відносно одної у довільному положенні, яке відповідає аморфній структурі, або займати впорядковане взаємне розта­шування, яке відповідає кристалічній структурі. Більшість полімерів мають частково аморфну й частково кристалічну структуру. Одним з факторів, що сприяє збільшенню частки кристалічної структури в полімерному матеріалі, є мала швидкість охолодження від розтопленого (в'язкотекучого) стану. Перехід від аморфної до кристалічної структури супроводжується підвищенням міцно­сті, жорсткості й теплотривкості полімера.

Полімери можуть перебувати у трьох фізичних станах: склоподібному, високоеластичному та в'язкотекучому.

У склоподібному стані полімер є твердим і пружним тілом, в якому атоми коливаються лише навколо положення рівноваги, а макромолекули чи їх ланки нерухомі. Під навантаженням унаслідок деякого збільшення відстані між

атомами пружна деформація не перевищує кількох відсотків і практично моментально зменшується до нуля після зняття навантаження.

У високоеластичному стані полімер може зазнавати значної оборотної де­формації у певному температурному інтервалі під дією невеликих напружень. При зазначених умовах окремі ділянки макромолекул випрямляються, а після зняття напружень ці ділянки поступово повертаються до вихідних конфігура­цій, внаслідок чого здеформоване тіло поступово набуває попередньої форми та розмірів. Відновлення форми й розмірів тіла може тривати досить довго. Це явище називають пружною післядією.

Полімер у в'язкотекучому стані нагадує рідину з дуже високою в'язкістю. При температурі переходу від високоеластичного до в'язкотекучого стану сили міжмолекулярної взаємодії істотно зменшуються, унаслідок чого макромолекули можуть порівняно легко переміщуватись. Зі зняттям напружень течіння рідини припиняється.

Охарактеризовані вище фізичні стани полімера добре виявляються під дією температури й напруження. Графічна залежність деформації, (щорозвивається під заданим напруженням протягом заданого часу) від температури, нази­вається термомеханічною кривою. На рис. 2.16.1 подана типова термомеханічна крива для аморфного полімера. При температурі склування t_e аморфний полімер переходить зі склоподібного І у високоеластичний II стан, а при темпе­ратурі початку в 'язкого течіння t_m — з високоеластичного у в'язкотекучий III стан. При температурах, нижчих за температуру склування, деформація невелика і одночасно зі зняттям навантаження тіло повертається до поперед­ніх розмірів. При температурі t_c аморфні полімери починають розм'якати й втрачати свої експлуатаційні властивості. Таким чином, за температурою ґ. можна оцінити теплотривкість пластмаси.

У високоеластичному і в'язкотекучому станах формують вироби з пласт­мас, після чого знижують їх температуру. Тому температури t_c і t_m є важливими технологічними характеристиками полімерів.