9.5. Полимеры и пластические массы.

9.5.1. Полимеры.

Полимеры - высокомолекулярные вещества с очень большой молекулярной массой. Основа структуры полимеров - макромолекулы, которые построены из многократно повторяющихся звеньев –мономеров, связанных сильной ковалентной. Полимеры делятся на термопластичные (термопласты) – связь между макромолекулами слабая (силы Ван-Дер-Ваальса) и термореактивные (реактопласты) – связь между макромолекулами сильная (ковалентная).

Термопласты при повышении температуры размягчаются, становятся пластичными. После охлаждения термопласты вновь затвердевают, приобретая первоначальные свойства. Никаких необратимых химических превращений в процессе нагрева и охлаждения термопласты не претерпевают.

Реактопласты получают в две стадии. На первой формируется линейная структура. Пространственная структура возникает на второй стадии в процессе отверждения(оно происходит под воздействием температуры, давления, отвердителей) вследствие протекания необратимых химических реакций, вызывающих возникновение связей (сшивание) между ранее разобщенными макромолекулами. При нагреве реактопласты практически не меняют своих свойств до температуры, вызывающей деструкцию. В зависимости от количества связей между макромолекулами различаютгустосетчатые (с большим количеством связей)и редкосетчатые (с малым количеством связей) полимеры.

Полимеры в зависимости от температуры (по мере ее повышения) могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем состоянии.

Стеклообразноесостояние характеризуется только колебательным движением атомов, входящих в состав молекулярной цепи, около положения равновесия; движения звеньев (мономеров) и перемещения макромолекул не происходит. Поведение полимеров в таком состоянии аналогично поведению металлов (в частности соблюдается закон Гука).

Высокоэластичноесостояние характеризуется способностью материала к большимобратимымизменениям формы при малых нагрузках (после снятия нагрузки форма возвращается к исходной). Это объясняется строением полимеров. Макромолекула имеет сложную форму – она скручена, имеют витки, петли. В результате теплового движения происходят колебательные перемещения звеньев (а не атомов), и макромолекулы приобретают способность изгибаться, распрямляться, т.е. вытягиваться под нагрузкой.

В вязкотекучемсостоянии взаимную подвижность получают целые макромолекулы. При приложении нагрузки они смещаются друг относительно друга не одновременно, а постепенно, поэтому полимер переходит не в жидкое, а в вязкотекучее состояние.

Термопласты могут находиться во всех трех состояниях. Возможные состояния реактопластов зависят от количества связей между макромолекулами. Густосетчатые полимеры могут существовать только в стеклообразном состоянии, редкосетчатые - в стеклообразном и высокоэластичном. Вязкотекучее состояние для реактопластов невозможно, т.к. невозможно относительное перемещение макромолекул из-за сильных ковалентных связей между ними.

Механические свойства полимеровзависят от температуры, определяющей их состояние.

В области ниже температуры стеклования происходит хрупкое разрушение полимера, при приложении нагрузки возникает только упругая деформация (e=2…5%), значение которой не меняется и она исчезает при снятии нагрузки. Разрушение наступает, когда действующее напряжение превышает прочность ковалентных связей.

В высокоэластичной области (между температурами Тс и Тт) деформации могут достигать 1000% за счет распрямления свернутых макромолекул, их вытягивания в направлении приложения нагрузки. При снятии нагрузки образец, не доведенный до разрушения, восстанавливает свои первоначальные размеры. Разрушение наступает в том случае, когда напряжения превосходят прочность ковалентных связей.

Старение полимеров. Полимеры подвержены старению, т.е. самопроизвольному и необратимому изменению свойств. При старении в полимерах протекают сложные реакции с образованием свободных радикалов или ионов, вызывающие либо деструкцию (размягчение, выделение летучих веществ), либо структуирование (повышение твердости, хрупкости, потеря эластичности). Процессы старения развиваются в результате воздействия кислорода, озона, света, температуры. Наиболее типично - под воздействием кислорода воздуха. Старение ускоряется под воздействием напряжений.

Для замедления процессов старения в полимеры добавляют стабилизаторы (различные органические или неорганические вещества). Так, например, введение в состав полиэтилена 2…3% сажи замедляет процессы старения примерно в 30 раз, при этом срок службы повышается до 5 и более лет.