2.2 Структура полимеров, стекла и керамики

Полимерами называют вещества с большой молекулярной массой (10⁴), у которых молекулы состоят из одинаковых групп атомов - звеньев. Каждое звено представляет молекулу исходного низкомолекулярного вещества - мономера.

В зависимости от формы и строения макромолекул полимеры могут быть линейными, разветвленными, сетчатыми (рис. 1.11). Звенья цепных макромолекул по составу могут быть полностью идентичны или разные.

Разветвление цепных молекул и соединение их в сетку вносят некоторые изменения в комплекс свойств полимеров. Но это не изменяет специфических свойств полимера до тех пор, пока оста­ются достаточно длинные цепные линейные отрезки молекул. Чтобы понять особенности свойств полимеров, необходимо позна­комиться со строением и свойствами линейных цепных молекул.

Особенностью цепных молекул является их гибкость, которая обусловлена устойчивостью молекулы при поворотах отдельных частей (звеньев) молекулы относительно валентных связей, благодаря чему возможен переход молекулы из одной конформации (формы) в другую без разрушения связей между звеньями молекулы. Эта возможность реализуется благодаря специфиче­скому характеру связей между частицами в полимерном теле.

Между звеньями макромолекул и между атомами в звеньях имеет место ковалентный характер связи. Связь между макро­молекулами в жидком или твердом полимере в большинстве слу­чаев имеет полярный характер и осуществляется слабыми си­лами Ван-дер-Ваальса. Возможны и другие виды связи. Однако во всех случаях характерные свойства полимеров реализуются только тогда, когда силы межмолекулярного взаимодействия остаются значительно меньше сил внутреннего взаимодействия.

Рис. 1.11. Схема строения макромолекул полимеров: а - линейные;

б - разветвленные; в - сетчатые

В зависимости от характера связей между линейными молекулами полимеры разделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные способны многократно размягчаться при нагреве и твердеть при охлаждении без изменения своих свойств (полиэтилен; полипропилен; политрифторхлорэтилен-фторпаласт - 3; политетрафторэтилен – фтороплпат - 4; поливинилхлорид-винипласт, пластикат; полиметилметакрилат (органическое стекло); полиамиды).

Рис. 1.12. Структура кремнистого полимера после повторного нагрева

Области применения: трубы и арматура, емкости, пленочные материалы, насосы, мелкие детали машин, уплотнительные детали, подшипники,изоляция высококачественных кабелей, электро- и радиотехнические деталиканаты, спецодежда).

Термореактивные при повторном нагреве остаются твердыми вплоть до полного термического разложения.

Различие объясняется тем, что у термопластичных между молекулами действуют относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса, при нагреве эти связи ослабляются и материал размягчается; у термореактивных дополнительно к молекулярным связям имеются поперечные ковалентные связи между молекулами.

Имеют аморфную структуру с различной степенью кристаллизации.

Области применения- корпуса и крышки приборов, предеазначенных для работы при повышенных температурах или в условиях высокой влажности; изделия из волокнитов: баки, трубы, реакторы; слоистые пластические массы – текстолит, асботекстолит, ДСП, стеклотекстолит, стеклорлачты и др.

Стекло представляет собой аморфное вещество, образующееся при сплавлении оксидов или безоксидных соединений. Стеклообразующими являются оксиды SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, GeO₂. Структура аморфного стекла возникает при охлаждении стеклянной массы, когда повышение ее вязкости препятствует кристаллизации.

Керамику получают при высокотемпературном спекании порошков. При нагреве исходные материалы взаимодействуют между собой, образуя кристаллическую и аморфную фазы. Керамика представляет пористый материал, аморфная фаза является стеклом, которое по химическому составу отличается от кристаллов. Имеет поликристаллическую структуру с прослойками стекла и с беспорядочным расположением зерен и поэтому однородна по свойствам. Обладает хрупкостью.

Ситаллы или стеклокристаллические материалы получают из стекол специального состава при помощи контролируемой кристаллизации. Структура представляет смесь очень мелких беспорядочно ориентированных кристаллов и остаточного стекла (по химическому составу отличается от исходного). Для образования кристаллов вводят Li₂O , TiO₂ , Al₂O₃ . Имеют применение фотоситаллы - фоточувствительные материалы и термоситаллы - износостойкие материала (узлы трения, защитные эмали, стабильные диэлектрики, платы).

Жидкие кристаллы. Это жидкости с упорядоченной молекулярной структурой. Занимают промежуточное место между кристаллами и жидкостями с беспорядочным расположением молекул. Обладают анизотропией свойств: показатель преломления света, удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, вязкость и т.д. Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, электрического поля, нагрева, что позволяет управлять их свойствами, создавать чувствительные индикаторы. Значение имеют органические вещества, у которых молекулы имеют удлиненную форму.