Раздел 3. Строение полимеров

3.1. Молекулярная структура полимеров

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев, представляющих собой одинаковую группу атомов. Молекулярная масса таких молекул составляет от 500 до 1 000 000.

В молекулах полимеров различают главную цепь, построенную из большого числа атомов. Боковые цепи имеют значительно меньшую протяженность.

По форме макромолекулы полимеров делят на линейные, разветвленные, плоские, ленточные, пространственные или сет-чатые (рис. 1.23). Длина линейной макромолекулы в несколько тысяч раз больше ее поперечного сечения. Макромолекулам поэтому присуща гибкость. Такие макромолекулы, обладая достаточно высокой прочностью вдоль главной цепи, слабо связаны между собой и обеспечивают высокую эластичность материала. Нагрев вызывает размягчение, а последующее охлаждение - затвердевание полимера (полиамид, полиэтилен).

Разветвленная макромолекула содержит боковые ответ-вления (рис. 1.23, б), что затрудняет сближение макромолекул и понижает межмолекулярное взаимодействие. Полимеры с по-добной формой макромолекул отличаются пониженной проч-ностью, повышенной плавкостью и рыхлостью. С гибкостью макромолекул полимеров связаны многие свойства полимеров: обратимая высокоэластичная деформация, достигающая десятков сотен процентов, ползучесть. Наиболее четко высокоэластичность проявляется в резинах и каучуках.

Полимеры с линейной и разветвленной формой макромолекул при нагревании обратимо размягчаются. Их называют термопластичными или термопластами (полиэтилен, полистирол).

Рис. 1.23. Формы макромолекул полимеров: а - линейная; б - разветвленная; в - сетчатая

Появление химической связи между макромолекулами приводит к образованию сетчатой или пространственной структуры, что сильно сказывается на гибкости. Так натуральный каучук, вулканизированный 3 % серы, имеет относительное удлинение при разрыве 800÷900 %, прочность на разрыв 29÷32 МПа. Эбонит, тот же каучук, но отвержденный до 30 % серы, имеет относительное удлинение при разрыве менее 20 % и прочность на разрыв 52÷54 МПА. Увеличивая количество вулканизатора – серы, мы тем самым повышаем энергию межатомной связи. При нагревании такие полимеры не размягчаются, не плавятся, устойчивы против старения и не взаимодействуют с топливом и смазочными материалами. Их называют термореактивными или реактопластами (текстолит, гетинакс).

Глава 2. Модуль 2. «Свойства материалов и методы их определения»

Раздел 1. Свойства материалов

1. Критерии выбора материала

Свойство - это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими матери­алами.

Выделяют три основные группы свойств: эксплу-атационные, техно­логические и стоимостные, которые лежат в основе выбора материала, определяют техническую и экономическую целесообразность его примене­ния. Перво-степенное значение имеют эксплуатационные свойства.

Эксплуатационными называют свойства материала, которые опре­деляют работоспособность деталей машин, приборов или инструментов, их силовые, скоростные, стойкостные и другие технико-эксплуатационные показатели.

Работоспособность подавляющего большинства деталей машин и из­делий обеспечивает уровень механических свойств. Механические свой­ства характеризуют поведение материала под действием внешней нагруз­ки. Так как условия нагружения деталей машин чрезвычайно разнообраз­ны, то механические свойства включают большую группу показателей.

Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не только от механических свойств, но и от сопротивления воздействию хи­мически активной рабочей среды. Если такое воздействие становится значительным, то определяющим становятся физико-химические свойства материала - жаростойкость и коррозионная стойкость.

Жаростойкость характеризует способность материала противосто­ять химической коррозии, развивающейся в ат-мосфере сухих газов при повышенной и высокой температуре. У металлов нагрев сопровождается образованием на поверхности оксидного слоя (окалины). Количественны­ми показателями жаростойкости являются: скорость окисления, оценивающая интенсивность изменения массы металла (в г/(м²∙ч)) или скорость роста толщины оксидной пленки на его поверхности (в мкм/ч); допустимая рабочая температура металла, при которой скорость его окисления не превышает заданного значения.

Коррозионная стойкость - это способность металла противостоять электрохимической коррозии, которая развивается при наличии жидкой среды на поверхности металла и ее электрохимической неоднородности. Количественными показателями коррозионной стойкости являются: скорость электрохимической коррозии, оценивающая интенсивность изменения массы металла (в г/(м²∙ч)) или линейных размеров образца (в мкм/ч); степень изменения механических свойств под влиянием повреждения поверхности.

Для некоторых деталей машин и изделий важное значение имеют фи­зические свойства, характеризующие поведение материалов в магнитных, электрических и тепловых полях, а также под воздействием потоков вы­сокой энергии или радиации. Их принято подразделять на магнитные, элект-рические, теплофизические и радиационные.

Среди технологических свойств, главное место занимает технологич­ность материала - его пригодность для изготовления деталей машин, приборов и инструментов требуемого качества при минимальных трудо­вых затратах. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлени­ем, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее за­висят производительность и качество изготовления деталей.

Наконец, к последней группе основных свойств относится стоимость материала, которая оценивает эконо-мичность его использования. Ее ко­личественным показателем является оптовая цена - стоимость единицы массы материала в виде заготовок, проката, слитков, порошка, по кото­рой завод-изготовитель реализует свою продукцию машиностроительным предприятиям.