3 Полимерное материаловедение

Специфичность и многообразие полимерных материалов, способов их получения, методов контроля состава, структуры и свойств, а также все возрастающая роль этих материалов в развитии всех отраслей современной техники и технологии потребовало создание самостоятельного раздела в такой науке о материалах, как материаловедение.

Основной задачей полимерного материаловедения является разработка принципов и условий направленного и контролируемого регулирования состава и структуры полимерных материалов для обеспечения заданных технологических и эксплуатационных свойств. Полимерное материаловедение базируется на общих представления о процессах образования, структуре и свойствах полимеров и пластических масс, изучаемых химией, физикой, физикохимией и механикой полимеров.

Полимерное материаловедение решает такую важную задачу, имеющую практическое значение, как классификация полимеров и полимерных композиций, используемых в качестве важнейших типов полимерных материалов. Прикладные аспекты полимерного материаловедения тесно связаны с проблемами технологии получения и переработки полимеров, пластических масс и полимерных композиционных материалов. При этом решаются конкретные задачи по созданию и применению полимерных материалов.

Каким образом идет создание полимерных материалов?

1. Помимо выбора и направленного регулирования химического молекулярного строения полимеров имеются широкие возможно создания полимер-полимерных композиций различного состава, структуры и свойств. Полимер-полимерные композиции – это смеси и сплавы двух и более разных полимеров, блок- и привитые сополимеры. Например, ПЭВП+ПЭНП и АБС- и МСН-пластики, сополимеры этилена и пропилена.

2. Возможности регулирования структуры и свойств полимеров и полимер-полимерных композиций создаются их модифицированием небольшим количеством веществ – модификаторов. Модификаторы могут частично или полностью совмещаться с полимерами. Наиболее распространенными модификаторами полимеров и полимер-полимерных композиций являются стабилизаторы, пластификаторы, смазки, антипирены, антистатики.

3. Немодифицированные и модифицированные полимеры и полимер-полимерные композиции широко используются в качестве полимерных материалов. Основными типами полимерных материалов являются пластические массы, резины, клеи, герметики, волокна, пленки, защитные покрытия (лаки, эмали, краски), пено-, пороматериалы, полимерные композиционные материалы.

4. Совершенно новые возможности создания полимерных материалов с заданными свойствами открывает сочетание полимеров полимер-полимерных композиций с другими веществами, которые носят название наполнителей. Принципиальное отличие модифицированных полимерных композиций от наполненных заключается в том, что структура и состояние многокомпонетных систем в модифицированных полимерных материалах определяется совместимостью компонентов и самопроизвольными процессами установления фазового равновесия. Структура наполненных полимерных композиций задается формой наполнителя, его количеством и распределением в полимере, который называется в данном случае полимерной матрицей (связующим).

Наполнение полимеров является основным направлением создания полимерных материалов. Почему? Развитие промышленности и техники требует создание новых полимерных материалов с заданным сочетанием свойств. В первую очередь с повышенной прочностью, жесткостью и теплопроводностью, тепло- и термостойкостью, а также с пониженным тепловым расширением и низкой стоимостью. Требуемое сочетание свойств наиболее легко достигается созданием наполненных полимерных (композиционных) материалов, компоненты которых при совместной работе способны оказывать синергический (усиливающий) эффект.

Наполнители всегда играли важную роль в производстве полимерных материалов. Так, широко развитые производства фенопластов (пластических масс на основе фенолоформальдегидных олигомеров) было бы невозможно без улучшения их свойств путем использования наполнителей: древесной муки, талька, мела, кварца и т.п.). Появившиеся позже термопластичные полимеры, такие как ПВХ, ПС, ПЭ, ПА сами по себе обладают свойствами, удовлетворяющие различным требованиям при их применении. Поэтому они длительное время использовались, в основном, в ненаполненном виде. Однако ограничение ресурсов и высокие цены на нефть с 70-х годов прошлого столетия обусловили дефицит многих мономеров и полимеров и резко повысили их стоимость. Это привело к необходимости поиска новых путей дальнейшего развития полимерных материалов. В конечном итоге данные факторы обусловили настоятельную необходимость широкого и эффективного использования наполнителей. Наполнение позволяет значительно уменьшить объем использования полимеров и улучшить свойства материалов на их основе. Также улучшение свойств сопровождается выигрышем во многих случаях в экономической эффективности:

• снижением стоимости полимерных материалов;

• ускорением процессов формования изделий вследствие повышения теплопроводности;

• уменьшением количества брака вследствие уменьшения усадки и коробления изделия.

Разумный выбор наполнителей для термопластичных полимеров снижает стоимость изделия, не изменив или даже улучшив их свойства. В настоящее время последние достижения в технологии полимеров и в усовершенствовании процессов и оборудования, как для получения, так и переработки высоконаполненных полимеров показывают возможность уменьшить производство изделий из ненаполненных термопластов. Термореактивные полимеры практически без наполнителей не применяются.

В наполненных полимерах сам полимер выполняет роль связующего (полимерной матрицы), а наполнитель играет роль усиливающего (армирующего) элемента. Его содержание может находиться в различных полимерных композициях от 1 до 85 %. Причем взаимодействие полимер-наполнитель осуществляется преимущественно за счет смачивания, адсорбции и адгезии на границе раздела между компонентами. Однако, жидкости и газы, нерастворимые в полимере также могут рассматриваться как наполнители. Сочетание полимеров и их модификаций с твердыми усиливающими и армирующими наполнителями, а также с газообразными или жидкими наполнителями различной химической природы приводит к получению большого числа наполненных и ячеистых (пористых) полимерных материалов.

В производстве изделий конструкционного назначения используются конструкционные пластики, т.е. наполненные или армированные волокнами полимеры. Традиционно все эти материалы относятся к пластическим массам, хотя в настоящее время из них выделен новый класс полимерных материалов – полимерные композиционные материалы (полимерные композиты). Композиционными являются только полимерные материалы, наполненные твердыми, в первую очередь усиливающими или армирующими наполнителями. С точки зрения физикохимии наполненных полимеров ПКМ – это гетерогенная система, в которой имеется четкая граница раздела между полимерной матрицей и наполнителем, но с физико-химическим взаимодействием между ними.