Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Часть 44.doc
Скачиваний:
62
Добавлен:
28.03.2015
Размер:
4.67 Mб
Скачать

неметаллические материалы

Строение и свойства полимеров

Большинство важнейших неметаллических материа­лов имеют своей основой полимеры. Полимерами (высо­комолекулярными соединениями) называются вещества, молекулы (макромолекулы) которых состоят из очень большого количества повторяющихся одинаковых эле­ментарных звеньев, соединенных между собой химичес­кими связями. Исходные низкомолекулярные вещества, из которых получают полимеры, называются мономера­ми. Число мономерных звеньев в макромолекуле называ­ется степенью полимеризации. Степень полимеризации колеблется в очень широких пределах, соответственно в широком диапазоне изменяется молекулярная масса. Условно полимерами считают вещества с молекулярной массой от 5000 до 1000000, соединения с молекулярной массой от 500 до 5000 называют олигомерами, вещества с меньшей молекулярной массой относят к низкомолеку­лярным соединениям. В зависимости от степени полиме­ризации (и молекулярной массы) изменяются свойства вещества. Например, из этилена СН2=СН2 получают по­лиэтилен (-СН2-СН2-)n. Сам этилен представляет собой бесцветный газ. Если в молекуле содержится пять моно­мерных звеньев, то образующееся вещество является жидкостью. При степени полимеризации n=5000-6000 образуется жесткий, твердый полиэтилен.

По происхождению все полимеры делят на синтетичес­кие и природные. Синтетические полимеры получают в процессе химического синтеза из соответствующих мо­номеров. В производстве материалов они занимают ведущее место. Природные полимеры являются основой всех растений и животных. Имеются также природные полимеры неорганического происхождения. К природ­ным полимерам относятся, например, целлюлоза, нату­ральный каучук, асбест, слюда, графит и др.

По способу получения синтетические полимеры делят на полимеризационные и поликонденсационные. Поли­меризация заключается в соединении одинаковых или разнородных мономеров с образованием длинных закон­ченных молекул полимера. Полимеризация является непрерывным цепным процессом, т.е. синтез осуще­ствляется путем последовательного присоединения мо­лекул мономера к подвижному центру. Процесс поли­меризации происходит без выделения какого-либо по­бочного продукта, поэтому химический состав звеньев полимера совпадает с составом исходного мономера. Если в реакции полимеризации принимает участие один вид мономера, то процесс называют гомополимеризацией, при двух и более различных видах мономеров — сополимеризацией.

Поликонденсация представляет собой процесс соеди­нения одинаковых или разнородных мономеров в макро­молекулы с образованием низкомолекулярных побочных продуктов (вода, аммиак, спирт и др.). Поэтому химичес­кий состав звеньев полимера не совпадает с составом ис­ходного мономера. В отличие от полимеризации, поликон­денсация является не цепным, а ступенчатым процессом: вначале образуются функциональные группы, состоящие из небольшого количества мономеров, а сами мономеры исчезают на ранней стадии процесса, затем функциональные группы взаимодействуют между собой с образовани­ем макромолекул, которые все более укрупняются по мере продолжения процесса.

По химическому составу полимеры делят на органи­ческие, элементоорганические и неорганические. Органи­ческие полимеры в составе молекулярной цепи имеют в основном атомы углерода, водорода, фосфора, серы, хло­ра и фтора. Если основная молекулярная цепь состоит только из атомов углерода, полимеры называют карбоцепными, в противном случае — гетероцепными. Элемен­тоорганические полимеры содержат в составе основной молекулярной цепи атомы кремния, титана, алюминия в сочетании с органическими радикалами. В природе таких соединений не существует. К неорганическим полимерам относятся стекла, керамика, слюда, асбест, графит. Их основу чаще всего составляют оксиды алюминия, крем­ния, магния, кальция и др.

По форме макромолекул полимеры делятся на линей­ные, разветвленные, лестничные и пространственные. Линейные макромолекулы (рис. 8. 1, а) представляют со­бой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки с высокой прочностью химических связей вдоль цепи и слабыми межмолекулярными связями. Разветв­ленные макромолекулы (рис 8.1,б) характеризуются на­личием боковых ответвлений от основной молекулярной цепи. Лестничный полимер имеет макромолекулу, состо­ящую из двух молекулярных цепей, соединенных хими­ческими связями (рис. 8.1, в). Пространственные (сетча­тые) полимеры (рис. 8.1, г) образуются при соединении молекулярных цепей между собой в поперечном направ­лении. В результате образуется пространственная сетча­тая структура с различной частотой сетки. Частным слу­чаем сетчатых являются паркетные (пластинчатые) по­лимеры (рис. 8.1, г).

Рис 8.1. Формы макромолекул полимеров:

а линейная, б разветвленная, в лестничная,

г — сетчатая, пространственная, д паркетная

По поведению при нагреве все полимеры делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются, а при охлаждении затвердевают. При повторном нагревании и охлаждении вновь происходит размягчение и затвердевание. Поэто­му термопластичные полимеры можно перерабатывать в изделия неоднократно. Термопластичные полимеры име­ют макромолекулы линейной или разветвленной струк­туры (рис. 8.1, а, б). Термореактивные полимеры перво­начально имеют линейную структуру и при нагревании размягчаются. При высокой температуре происходит со­единение макромолекул в сетчатую пространственную структуру (рис. 8.1, г). За счет этого полимер затвердева­ет и при повторном нагревании остается твердым. Поэто­му термореактивные полимеры не могут быть подверже­ны повторной переработке.

Полимеры могут находится в одном из трех физических состояний: стеклообразном, высокоэластичном или вязко-текучем. В стеклообразном состоянии полимеры являются твердыми, при этом наблюдается только упругая деформа­ция. Это состояние характеризуется колебаниями атомов входящих в состав молекулярной цепи, около положения равновесия. Движения звеньев и макромолекул происхо­дить не могут. В этом состоянии могут находиться все по­лимеры, а полимеры с пространственной сетчатой структу­рой находятся только в стеклообразном состоянии. Высо­коэластичное состояние характеризуется способностью полимера к большим обратимым деформациям при неболь­ших нагрузках. При этом могут колебаться звенья и изги­баться макромолекулы. Подобное состояние достигается у линейных, разветвленных и редкосетчатых (типа резин) по­лимеров. Вязкотекучее состояние напоминает жидкое, но отличается от него очень высокой вязкостью. При этом по­движна вся макромолекула. Это состояние наблюдается у линейных и разветвленных полимеров. В вязкотекучем со­стоянии производится переработка полимеров в изделия.

Полимер может находиться в одном из физических состояний в зависимости от температуры. По мере повы­шения температуры линейные и разветвленные полиме­ры переходят из стеклообразного в высокоэластичное и далее вязкотекучее состояние. Температура перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называ­ется температурой стеклования, а температура перехо­да из высокоэластичного в вязкотекучее состояние—тем­пературой текучести. Эти граничные температуры явля­ются очень важными характеристиками полимеров.

Практически все полимеры склонны к старению. Ста­рением полимеров называют самопроизвольное необра­тимое изменение важнейших характеристик, происходя­щее в результате химических и физических процессов, развивающихся в полимере при эксплуатации и хране­нии. Старение усугубляют воздействия повышенной тем­пературы, света, кислорода, озона, многократных деформаций. При старении полимеры размягчаются или, на­оборот, повышается их твердость и хрупкость и теряется эластичность. Для замедления процесса старения в поли­меры добавляются стабилизаторы — различные органи­ческие вещества, ослабляющие действия факторов, спо­собствующих старению.

Синтетические полимерные материалы

Синтетические полимерные материалы обладают комплексом характеристик, ко­торые при умелом их использовании обеспечивают эффективные эксплуатационные свойства изделий и рентабельность их производ­ства.

Ассортиментное распределение выпускаемых пластмасс таково, что на десять разновидностей крупнотоннажных пластиков прихо­дится около 90 % всего производства полимерных материалов. Так, в зависимости от страны-производителя выпуск полиолефинов, поли­этилена низкой и высокой плотности и полипропилена, составляет от 35 до 45 % общего объема производства, от 11 до 20 % — доля поливинилхлорида, 9-13 % приходится на полистирольные пласти­ки, от 2 до 7 % - на производство полиамидов. Интервалом 1-4 % характеризуется выпуск эпоксидных смол, ненасыщенных полиэфиров, полиэтилентерефталата, поликарбоната, полиацеталей.

В настоящее время в России отмечается интенсивный рост как производств полимерных материалов, так и выпуска изделий из них.

Термин «синтетические полимерные материалы» является обобщающим. Он объе­диняет три обширных группы синтетических пластиков, а именно: по­лимеры; пластмассы и их морфологическую разновидность — поли­мерные композиционные материалы (ПКМ) или как их еще называют армированные пластики. Общее для перечисленных групп то, что их обязательной частью является полимерная составляющая, которая и определяет основные термодеформационные и технологические свой­ства материала.

Полимерами принято называть высокомолекулярные веще­ства (гомополимеры) с введенными в них добавками, а именно ста­билизаторами, ингибиторами, пластификаторами, смазками, анти­радами и т. д. Физически полимеры являются гомофазными материалами, они сохраняют все присущие гомополимерам физи­ко-химические особенности.

Пластмассами называются композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Они (дисперсная среда) располагаются в полимерной матрице (дисперсионная среда). Фи­зически пластмассы представляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех направлениях) физическими макросвойствами.

Полимерные армированные материалы являются разновидностью пластмасс. Они отличаются тем, что в них исполь­зуются не дисперсные, а армирующие, то есть усиливающие напол­нители (волокна, ткани, ленты, войлок, монокристаллы), образую­щие в ПКМ самостоятельную непрерывную фазу. Отдельные разновидности таких ПКМ называют слоистыми пластиками

Основными производителями полимерных материалов являются страны Евро­пейского экономического сообщества (Италия, Германия, Англия, Франция), Америки (США, Канада, Бразилия), Япония, Китай, Корея и государства СНГ.

Примерно 90 % общего производ­ства полимерных материалов приходится на десять групп, а именно (в порядке убывания) полиэтилены низкой и высокой плотности (со­ответственно высокого и низкого давления), полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и сополимеры стирола, полиакрилаты, полиацетали, полиамиды, полиимиды, простые и сложные поли­эфиры, полисульфоны, фено- и аминопласты, полиэпоксиды и кремнийорганические полимеры.

Для большинства из перечисленных разновидностей пластиков разработан марочный ассортимент, опирающийся на так называе­мые базовые марки, отличающиеся вязкостью расплавов, что прежде всего влияет на выбор способа их переработки в изделия. Модификацией базовых марок создают пластмассы с теми или иными доминантными свойствами (электропроводность, износо­стойкость, негорючесть, ударная прочность и др.). Полимерная промышленность развитых стран на базе примерно трех десятков крупнотоннажных полимеров выпускают более 4000 разновидно­стей пластмасс.

Пластмассы являются важнейшими современными конструкционными материалами, занимая по применению ведущее место из всех неметаллов. Они облада­ют рядом ценных свойств: малой плотностью (до 2 г/см3), высокой удельной прочностью, низкой теплопроводностью (и, соответственно, хорошими теплоизоляционными свойствами), химической стойкостью, хорошими электро­изоляционными свойствами, звукоизоляционными свой­ствами, хорошей окрашиваемостью в различные цвета. Некоторые пластмассы обладают оптической прозрачно­стью, фрикционными и антифрикционными свойствами стойкостью к истиранию и др. Кроме того, пластмассы имеют хорошие технологические свойства: легко форму­ются, прессуются, обрабатываются резанием, их можно склеивать и сваривать. Недостатками пластмасс являются низкая теплостойкость (до 100 ° С для большинства пла­стмасс), низкая ударная вязкость, ползучесть, низкая твер­дость, плохая сопротивляемость динамическим нагрузкам склонность к старению для ряда пластмасс.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.