Часть 3. Неметаллические материалы

Глава 5. Общая характеристика неметаллических материалов

Среди большого разнообразия неметаллических материалов практическое значение в современной технике, в том числе в машиностроении, занимают пластические массы, армированные пластики, резины, клеи, лаки, герметики, керамики, стекла, ситаллы, асбестовые, слюдяные и другие виды материалов. Отличительными особенностями неметаллических материалов являются твердость, жесткость, низкая плотность, химическая стойкость, хорошие тепло - и электроизоляционные свойства. Кроме того, технология получения изделий из неметаллических материалов отличается сравнительной простотой и в большинстве случаев сводится к пластической деформации исходных композиций или расплавов и закреплению полученной формы с последующей специальной обработкой путем отверждения, вулканизации, обжига, термообработки или охлаждения. Подобные технологии с высоким коэффициентом использования материала выгодно отличаются от получения изделий из металлических материалов с использованием трудоемких, сравнительно низкопроизводительных и связанных со значительными потерями технологических процессов.

На свойства неметаллических материалов существенное влияние оказывают их структуры – аморфная или кристаллическая. Природа неметаллических материалов и связанные с ними условия их получения и переработки во многом определяют технико – экономические показатели и возможности их практического применения.

5.1. Классификация, строение и способы получения полимеров

Полимерами называются соединения, состоящие из большого числа чередующихся одинаковых или различных атомных группировок, соединенных между собой химическими связями.

По происхождению полимеры подразделяются на: природные, выделенные из природных материалов; искусственные, полученные химическим превращением природных полимеров; синтетические, полученные синтезом из низкомолекулярных соединений или модификацией других синтетических полимеров.

Природные полимеры подразделяются на: органические (натуральный каучук, целлюлоза и др.) и неорганические (графит, слюда, кварц и др.).

В большинстве случаев природные полимеры модифицируют химическим способом, т.е. получают искусственные полимеры. На этом принципе основаны хлопчатобумажная, шерстяная, льняная, меховая, кожевенная, целлюлозно-бумажная и другие отрасли промышленности. Метод расщепления природных полимеров на низкомолекулярные продукты лежит в основе крахмалопаточного производства, получения гидролизного спирта и т.п.

По химическому составу и строению полимеры подразделяются на: органические, элементоорганические и неорганические.

Органические полимеры составляют основу пластических масс, армированных пластиков, резин и т.п.

Элементоорганические полимеры представляют собой соединения, главные цепи которых построены из атомов углерода и гетероатомов (кроме атомов кислорода, азота и серы); соединения с неорганическими цепями, если они содержат боковые группы с атомами углерода, присоединенными к основной цепи; соединения, основная цепь которых состоит из атомов углерода, а в боковые группы входят гетероатомы (кроме атомов кислорода, азота, серы и галогенов), непосредственно соединенные с углеродными атомами основной цепи. Наибольшее распространение получили: полисилоксаны, полититаноксаны, полиалюмоксаны и др.

Неорганические полимеры являются основой керамики, стекол, ситаллов, слюдяных, асбестовых, углеграфитовых и других материалов, для большинства которых характерны преимущественно гетероцепные пространственно-сетчатые, слоистые и другие типы сложных структур с различными видами связей.

К неорганическим полимерам относятся, например, полисиланы, полигерманы, главные цепи которых построены соответственно из атомов кремния и германия; оксиды металлов и т.д.

Органические полимеры в зависимости от происхождения, химического состава и строения, способов получения и проведения синтеза, формы макромолекул, структуры и назначения подразделяются на: природные (животного и растительного происхождения), синтетические и искусственные; гомоцепные и гетероцепные, линейные, разветвленные, поперечно-сшитые и сетчатые; кристаллические и аморфные; полимеризационные, поликонденсационные, сополимеризационные и химически модифицированные; получаемые в массе, растворе, суспензионной и эмульсионной полимеризацией; термопластичные и термореактивные; конструкционные, электроизоляционные, теплостойкие, оптические и другие.

Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных веществ (мономеров) по реакциям полимеризации, поликонденсации, сополимеризации, а также путем химических превращений природных и других синтетических полимеров.

Полимеризация – процесс последовательного соединения одинаковых мономеров, не сопровождающийся выделением побочных продуктов и протекающий без изменения элементарного химического состава. Полимеризацией получают полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др.

Поликонденсация – процесс соединения мономеров различного строения, сопровождающийся выделением низкомолекулярных веществ. Поликонденсацией получают фенолоальдегидные и другие полимеры.

Сополимеризация – полимеризация двух или большего числа мономеров различного строения. Сополимеризацией получают сополимеры этилена с пропиленом и др.

Химические превращения включают разнообразные реакции, в результате которых происходит изменение химического строения или степени полимеризации макромолекул. Например, химическим превращением целлюлозы получают эфиры целлюлозы (нитраты, ацетаты и др.).

В зависимости от состава атомов в основной (главной) цепи макромолекулы синтетические полимеры подразделяются на: гомоцепные и гетероцепные.

Гомоцепные полимеры, макромолекулярная цепь которых состоит из атомов углерода, называются карбоцепными (полиэтилен и др.).

В гетероцепных органических полимерах главные цепи состоят из чередующихся в определенной последовательности атомов углерода, кислорода, азота, серы и др. (полиамиды и др.).

Многократно повторяющиеся группировки называются мономерными звеньями, а большая молекула, составленная из звеньев, – макромолекулой или полимерной цепью. Число звеньев в цепи – степень полимеризации, обозначается буквой "n". Величина степени полимеризации может меняться от нескольких единиц для олигомеров до сотен тысяч и более для высокомолекулярных соединений. Название полимера образуется из названия мономера и приставки "поли". Например, продукт полимеризации этилена называется полиэтиленом:

n CH₂  CH₂    CH₂  CH₂   _n.

этилен     полиэтилен

Формулы таких полимеров записываются без учета концевых групп, так как их роль в высокомолекулярных соединениях невелика.

Полимеры, состоящие из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами, а из звеньев нескольких типов – сополимерами.

Переход от низкомолекулярного соединения к высокомолекулярному происходит в результате последовательного присоединения мономерных звеньев и при достижении определенной молекулярной массы соединение становится полимером.

Провести четкую границу между низко - и высокомолекулярными соединениями трудно, так как качественные измерения для различных классов соединений наблюдаются при различной величине молекулярной массы. Например, китайский танин (производное сахаров) с молекулярной массой около одной тысячи является низкомолекулярным соединением, а полиэтилен с такой же молекулярной массой обладает уже свойствами высокомолекулярного соединения.

Промежуточное положение между низко- и высокомолекулярными соединениями занимают олигомеры (от греч. оligos – немного), которые проявляют свойства, характерные как для мономеров, так и для полимеров. Молекулярная масса олигомеров может достигать 6000 и более. Для олигомеров роль концевых групп более существенна и они указываются при написании формул. Реакционноспособные олигомеры образуют высокомолекулярные соединения пространственно-сетчатой структуры в результате реакции отверждения при нагревании и (или) введении отвердителей.

Макромолекулы линейных полимеров представляют собой длинные цепи с высокой степенью асимметрии, а разветвленных полимеров – цепи с боковыми ответвлениями, причем число и размер ответвлений могут быть различными (наличие радикалов в элементарных звеньях не считается разветвлением).

Сетчатые полимеры построены из макромолекулярных цепей, соединенных друг с другом поперечными химическими связями. Макромолекулярные цепи могут быть расположены в плоскости или пространстве. В последнем случае они называются пространственными (кварц, алмаз и многие синтетические полимеры после отверждения или вулканизации). Сетчатые полимеры, имеющие плоскостное двумерное строение (например, графит), называются пластинчатыми.

Линейные и разветвленные полимеры построены из макромолекул, связанных между собой межмолекулярными силами, энергия которых значительно меньше энергии химических связей и поэтому они могут быть переведены в раствор или в расплав при нагревании. В сетчатых полимерах макромолекулярные цепи связаны между собой химическими связями, поэтому они не могут быть переведены в раствор или расплав. Для таких полимеров понятие «молекула» становится условным.

Синтетические полимеры подразделяются на: термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагревании обратимо переходят из твердого состояния в пластичное (вязкотекучее) состояние.

Термореактивные полимеры в результате реакции отвержде­ния необратимо переходят в твердое, нерастворимое и неплав­кое состояние с образованием пространственно- сетчатой структуры.

По сравнению с низкомолекулярными соединениями, полимеры обладают рядом особенностей. Они могут находиться только в конденсированном твердом или жидком состоянии; растворы полимеров имеют высокую вязкость и при удалении растворителя они выделяются не в виде кристаллов, как низкомолекулярные соединения, а в виде пленок; полимеры можно переводить в ориентированное состояние; для многих полимеров характерны большие обратимые деформации и т.п.

Полимеры выпускаются в виде различных товарных форм: кусков, гранул, рулонов, брикетов, порошков, латексов и суспензий. При выборе товарной формы необходимо учитывать удобства транспортировки, хранения и дозировки, возможность равномерного распределения в композиции и обеспечения требуемых технологических свойств с целью получения изделий высокого качества.