1.3. Характеристика полимерных и композиционных материалов
Полимерные вещества: состав, строение и структура. Строение полимерных веществ определяют молекулы – это минимальные частицы вещества с основными его химическими свойствами. Они состоят из атомов, между которыми действуют химические связи. Молекула полимера состоит из множества одинаковых по строению групп атомов и называется макромолекулой. Элементы макромолекулы – это основная цепь, составное звено и боковые группы (рис. 1.15).
Рис. 1.15. Схема строения линейной макромолекулы полимера
Основная цепь – это последовательность химически связанных атомов. Составное звено – группа атомов, которая описывает строение всей цепи макромолекулы. Боковые группы – это атомы, группы атомов, отрезки полимерных молекул разной длины.
Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из составных звеньев одинаковой структуры (мономеров). По химическому составу основной цепи полимеры могут быть неорганическими, органическими, элементоорганическими.
Неорганические – это полимеры, в основной цепи которых нет углерода и боковых органических групп. В основной цепи находятся оксиды кремния, алюминия, магния, кальция. Исключение составляет графит. Эти полимеры имеют высокую плотность, длительную теплостойкость, но хрупки, не эластичны, не выдерживают динамических нагрузок. Неорганические полимеры – это керамика, асбест, силикатные стёкла, графит, горные вулканические породы (базальты, диабазы).
В органических полимерах основная цепь образована углеродными атомами, вместе с которыми могут быть атомы кислорода (повышают гибкость цепи), атомы фосфора и хлора (повышают огнестойкость), атомы серы (придают газонепроницаемость), атомы фтора (придают химическую стойкость). К органическим полимерам относят пластмассы, композиционные материалы, каучуки, резины, клеи, герметики, масла и т.д.
Элементоорганические (гетероцепные) полимеры в основной цепи содержат углерод, атомы неорганических элементов Si, Ti, Al и др. (увеличивают теплостойкость), органические радикалы СН3, С6Н5, СН2 и др. (придают прочность и пластичность). В природе таких материалов нет, они – искусственные (кремнийорганические соединения).
В макромолекулах составные звенья могут быть одинаковыми по химическому составу (мономеры) или различными (сополимеры). Макромолекулы полимеров могут образовывать между собой пространственные конфигурации следующих видов: линейная, разветвленная, лестничная, сетчатая (рис. 1.16).
Рис. 1.16. Формы макромолекул полимеров: а – линейная; б – разветвленная; в – лестничная; г – сетчатая
Строение полимера определяет его физические свойства. Линейные (рис. 1.16, а) и разветвлённые (рис. 1.16, б) полимеры (полиэтилен, полистирол и др.) при нагревании размягчаются, а при охлаждении затвердевают. Их называют термопластами. Они имеют высокоэластичное и вязкое состояние.
Лестничные полимеры (рис. 1.16, в) имеют повышенную теплостойкость, жёсткость, не растворяются в органических растворителях (кремнийорганические полимеры). В сетчатых полимерах (рис. 1.16, г) макромолекулы соединены между собою в поперечном направлении прочными химическими связями. При этом может быть разная густота сетки. Редкосетчатые полимеры являются упругими (мягкие резины), они не растворяются, не плавятся. Пластинчатый полимер – графит относится к сетчатым полимерам. Густосетчатые полимеры имеют высокую твёрдость, теплостойки, нерастворимы. Пространственные полимеры стеклообразны, термореактивны. Они обратимо не изменяют свои свойства, при нагревании становятся неплавкими, нерастворимыми, повторно не формируются (фенолоформальдегиды, карбамиды и т.д.).
Если макромолекулы имеют сетчатую структуру в полимерах, то возникают надмолекулярные структуры (упорядочение) следующих видов: глобулы, пачки, ленты, пластины (рис. 1.17). Надмолекулярные структуры полимеров: аморфное – для глобул и кристаллическое – для пластин.
Рис. 1.17. Схема состояния макромолекул линейных полимеров: а – аморфное беспорядочное; б – аморфное ориентированное; в – кристаллическое.
Кристаллические полимеры имеют высокие температуру плавления, плотность, прочность, теплостойкость, низкую прозрачность и проницаемость. В них надмолекулярные структуры – это зёрна с одинаковой кристаллической структурой.
Аморфные полимеры имеют ближнее упорядочение – глобулы с глобулярной структурой, поэтому их механические свойства низкие (хрупкие).
В реальных полимерах почти всегда есть и аморфная и кристаллическая фазы, содержание которых зависит от формы цепи, межмолекулярных сил, внешних условий. Поэтому полимеры оценивают степенью кристалличности – содержанием в нем веществ кристаллического состояния, в процентах. Если образуются кристаллиты, то у полимера снижается эластичность, способность деформироваться.
К однородным полимерным веществам относят:
• мономеры – вещества, молекулы которых образуют одно или несколько повторяющихся звеньев;
• олигомеры – вещества, молекулы которых содержат составные звенья, соединенные повторяющимся образом;
• полимеры.
Однородные полимерные вещества делят:
• на природные (белки, смолы, каучук, целлюлоза, слюда, графит) и синтетические, которые образуются при химическом синтезе путем полимеризации (процесс соединения молекул мономеров) или поликонденсации (процесс синтеза для получения высокомолекулярных соединений);
• стеклообразные, высокоэластичные и вязкотекучие – по физическому состоянию;
• полярные и неполярные – по электрическим свойствам;
• термопластичные (при повышении температуры размягчаются) и термореактивные (при нагреве химически изменяются, затвердевают и пластически не деформируются при повторном нагреве).
Каучук – натуральное или синтетическое непредельное, высокомолекулярное, термопластичное соединение с двойной химической связью между углеродными атомами в звеньях макромолекулы. Молекулы каучуков зигзагообразные, их структура – линейная или слаборазветвленная.
Натуральный каучук – эластичный полимер изопрена (С5Н8)n, получаемый коагуляцией латекса каучуконосных растений. Резины на их основе высокоэластичные и прочные. Латекс – млечный сок каучуконосных растений.
Синтетические каучуки – эластичные полимеры, которые получают полимеризацией. Известно более 250 их видов (бутадиеновые, бутадиеннитрильные, бутадиенстирольные, изопреновые, кремнийорганические, фторкаучуки, этиленпропиленовые и др.).
К термопластичным полимерам относят полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полистирол.
Полиэтилен 2>-6<025F>]T– синтетический высокомолекулярный полимер на основе непредельных углеводородов (продукт полимеризации этилена). Различают полиэтилен низкого давления – ПЭНД (ГОСТ 16337-77) и высокого давления – ПЭВД (ГОСТ 16338-77). Полиэтилен прочен, эластичен, диэлектрик, но с низкой теплостойкостью. Его назначение – ненагруженные детали (контейнеры, вентили, трубы); защитные покрытия на металлах, пленка разного назначения.
Полипропилен химически стоек, превосходит полиэтилен по теплостойкости (до 150 °С) и механическим свойствам. Из него изготавливают некоторые детали автомобилей, корпуса насосов, трубы.
Полиизобутилен – мягкий полимер, который невозможно вулканизировать. Применяют его для гидроизоляции строительных конструкций, получения клеев.
Полистирол – твердое стеклообразное вещество; диэлектрик, химически стоек, имеет высокую прозрачность, но хрупкий. Идет на изготовление пенопласта, деталей машин и приборов (ручки, корпуса), емкостей для химикатов.
К термопластичным полимерам относятся также поливинилхлорид (идет на изготовление пластмасс – винипластов и пластикатов); поливинилацетат (применяется в производстве лаков и красок); фторопласты (идут на изготовление подшипников скольжения, прокладок, деталей химического производства); полиакрилаты (для производства штампов, абразивного инструмента); полиуретаны (применяют в производстве пенопластов, лаков).
К термореактивным полимерам относят фенолальдегид, аминоалдьдегид, полиформальдегид, полиамиды, фурановые, эпоксидные и кремнийорганические полимеры.
Фенолальдегидные полимеры применяют для производства слоистых пластиков, пластмасс, минераловаты. Это отвержденные продукты.
Аминоальдегидные полимеры – продукты поликонденсации аминов с альдегидами.
Полиформальдегид применяют вместо цветных металлов сплавов для изготовления деталей; делают пленки и волокна.
Полиамиды – это капрон, нейлон и т.д. Фурановые полимеры идут для получения полимерных бетонов, защитных лаков, клеев. Из эпоксидных полимеров изготавливают водо- и химически стойкие клеи, связующее для стеклопластиков. Кремнийорганические полимеры (полиоксаны, силиконы –физиологически-инертные) идут на изготовление герметиков, пенопластов, электрохимических деталей.
Композиционные материалы. Одним из основных способов создания новых материалов является комбинирование разных материалов. Композиционные материалы (композиты) – это искусственные материалы из двух и более компонентов, которые сохраняют свои свойства.
Признаки композиционных материалов: состав и форма компонентов; строение, определенные их количества; различие компонентов по свойствам; наличие границ раздела между компонентами. В композитах различают матрицу (она непрерывна по объему материала) и упрочнитель (армирующий компонент – прерывный).
По природе матрица и упрочнитель могут быть полимерными (пластики), металлическими и минеральными. Матрица придает композиту механические, теплофизические свойства, химическую стойкость, уровень рабочих температур, возможность совмещения с упрочнителем. Упрочнители могут быть активными и инертными (последние повышают трещиностойкость композита). Упрочнители могут быть:
• порошкообразные (дисперсные);
• волокнистые (отношение длины к толщине равно 10 и более – нити, волокна, проволока): стеклянные, углеродные, борные, металлическая проволока; обрезки волокон называют фибрами;
• слоистые (листовые); композит с таким упрочнителем называют слоистым.
Если упрочнитель порошкообразный, композит имеет изотропные свойства, высокую прочность и твердость, а если листовой – анизотропные свойства, высокий предел прочности на изгиб.
Композиты, одномерно армированные непрерывными волокнами, называют волокнистыми, а двумерно армированные тканями – текстолитами.
По назначению композиты делят на конструкционные, инструментальные, электротехнические и др.