9.2. Полимерные структуры Наполнители

Пластики и каучуки почти всегда содержат не только полимерные материалы, но также наполнители. Они могут быть смешаны также из нескольких полимеров. Основные типы наполнителей следующие:

1. Наполнители, видоизменяющие механические свойства полимеров, уменьшающие, например, хрупкость и увеличивающие модуль растяжения; к ним относятся древесный порошок, пробковая пыль, мел. Применение их приводит к уменьшению стоимости материала.

2. Армирование, например, стеклянными волокнами или сферическими частицами, повышающее модуль растяжения и прочность.

3. Пластификаторы, приводящие к молекулярным изменениям, для облегчения скольжения одной части материала относительно другой, вследствие чего материал становится более гибким.

4. Стабилизаторы, улучшающие сопротивляемость материала деградации.

5. Замедлители горения, увеличивающие сопротивляемость возгоранию.

6. Смазочные вещества и теплостабилизаторы, помогающие в обработке материалов.

7. Пигменты и красители, придающие цвет материалу.

Кристалличность

Табл.9.1. Кристалличность полимеров

Полимер	Форма цепочки	Максимальная кристалличность|%|
Полиэтилен	Линейная	95
	Разветвленная	60
Полипропилен	Регулярные пространственные боковые группы на линейной цепочке	60
Политетрафторэтилен	Линейная, с атомами фтора в объемной цепочке	75
Полиоксиметилен	Линейная, с атомами кислорода и углерода, чередующимися в цепочке	85
Полиэтилентерефталат	Линейная, с группами в цепочке	65
Полиамид	Линейная, с группами амида в цепочке	65

Кристалличность наиболее вероятна у полимеров, состоящих из простых линейных цепочек молекул. Разветвленные полимерные цепочки не поддаются легко упаковке регулярным способом, в этом им препятствуют разветвления. Если разветвления имеют регулярное пространственное расположение вдоль цепочки, то возможна некоторая кристалличность; нерегулярные пространственные разветвления делают невозможной кристалличность. Тяжелосшиваемые полимеры, например термореактивы, не дают проявиться кристалличности, но под напряжением некоторые эластомеры могут получить ее. В табл. 9.1 показана максимально возможная кристалличность некоторых обычных полимеров.

Структура полимеров

На Рис. 9.1…9.16 показаны основные формы из числа обычно применяемых полимеров. Рисунки дают двухмерные представления структур, хотя некоторые, в частности из термореактивов и эластомеров, имеют трехмерные структуры.

Рис.9.1. Полиэтилен, линейная цепь

Рис.9.2. Полиэтилен разветвлённая цепь

Рис. 9.3. Полипропилен, изотактическая форма (главная форма)

Рис. 9.4. Поливиничхлорид

Рис. 9.5. Полистирол

Рис. 9.6. Политетрафторэтилен

Рис. 9.7. Нейлон 6

Рис. 9.8. Нейлон II

Рис. 9.10. Полиоксиметилен (ацеталь гомополимер)

Рис. 9.9. Нейлон 6.6

Рис. 9.11. Полисульфид

Рис. 9.12. Полиэтилентерефталат

Рис. 9.13. Поликарбонат

Рис. 9.14. Меламин-формальдегид

Рис. 9.15. Цисполисопрен, цепь натурального каучука до вулканизации

Рис. 9.16. Вулканизированный каучук, связанные серой полисопреновые цепи

Структура и свойства полимеров

Рассмотрим методы, которыми могут быть изменены свойства полимерных материалов.

1. Увеличение длины молекулярной цепи у линейного полимера. При этом возрастает предел прочности на растяжение и жесткость, поскольку чем длиннее цепи, тем легче становится образование сплетений, и настолько же затрудняется движение цепей.

2. Введение больших боковых ветвей в линейные цепи. Это увеличивает предел прочности на растяжение и жесткость, поскольку боковые ветви препятствуют движению цепей.

3. Создание разветвлений в линейной цепи. Это увеличивает предел прочности на растяжение и жесткость, поскольку разветвления препятствуют движению цепей.

4. Введение больших групп в цепи. Это уменьшает способность цепи к гибкости и тем самым увеличивает жесткость.

5. Сшивание цепей. Большее уменьшение сшивания сильнее препятствует движению цепи, и, следовательно, получается более жесткий материал.

6. Введение жидкости между цепями. Добавка жидкостей, тепловых пластификаторов, которые заполняют некоторое пространство между полимерными цепями, облегчает движение цепей и таким образом увеличивает гибкость.

7. Методы, делающие некоторый материал кристаллическим. У линейных цепей возможно уменьшение кристалличности. Это можно контролировать. Большее уменьшение кристалличности сильнее уплотняет материал и делает выше его предел прочности на растяжение и жесткость.

8. Включение наполнителей. На свойства полимерных материалов можно воздействовать введением наполнителей. Таким образом, например, могут быть увеличены модули растяжения и напряжения при встраивании в полимеры стеклянных волокон. Графит как наполнитель может уменьшать сцепление цепей.

9. Ориентация. Растяжение или внесение деформации сдвига во время изготовления могут приводить в полимерных материалах к подходящему выстраиванию цепей в линию в особом направлении. Свойства в этом направлении будут тогда отлчаться от свойств в поперечном направлении.

10. Сополимеризация. Комбинирование двух или более мономеров в отдельную полимерную цепь будет изменять свойства полимера, которые зависят от соотношения компонентов.

11. Смешивание. Добавление двух или более полимеров в форму материала будет влиять на свойства; свойства нового полимера будут зависеть от соотношения материалов.