§ 2.Пластмассы Общие сведения о полимерах 9) /

Полимеры — это химические соединения, молекулы которых состоят из многократно, регулярно или нерегу­лярно, повторяющихся атомных группировок (элемен­тарных звеньев), соединенных химическими связями в длинные цепи.

Значение полимеров велико, так как без них невоз­можно развитие отраслей, определяющих научно-техни­ческий прогресс. Без широкого использования надежных в эксплуатации, способных выдерживать высокое давле­ние и температуру полимерных материалов немыслимо развитие автоматики, атомной, авиационной и реактивной техники, производство электронно-вычислительных ма­шин. Создание защитных устройств радиолокационной аппаратуры, малогабаритных конденсаторов и мощных электродвигателей, высокочастотных кабелей, тепло- и звукоизоляционных устройств в самолето-, ракето- и су­достроении стало реальным лишь благодаря полимерам.

Все шире применяются полимеры в качестве конструк­ционного материала в производстве машин, строительст­ве и в быту. При этом некоторые их виды, в частности пластмассы, достигают прочности стали.

Полимеры являются важнейшим резервом экономии многих дефицитных видов материалов, наращивания вы­пуска продукции. Особенно успешно они заменяют чер­ные и цветные металлы. При этом повышается качество машин и оборудования, снижается их масса, улучшается внешний вид. ,. ч,

Применяемость полимеров обусловлена рядом специ­фических физико-химических свойств. Так, небольшая плотность полимеров сочетается с высокой прочностью, эластичностью, легкостью и химической стойкостью к различным агрессивным средам. Большинство из них обладает высокими диэлектрическими свойствами, име­ют низкую тепло- и температуропроводность. Новые по­лимерные материалы отличаются высокой термостойко­стью, полупроводниковыми свойствами, достаточной ме­ханической прочностью при эксплуатации. Полимеры нелетучи, могут образовывать волокна и пленки, отли­чающиеся высокой анизотропией свойств, их растворам характерна высокая вязкость.

Полимерам присущи и некоторые отрицательные свой­ства: способность к старению, снижение механических и физических свойств, а также ухудшение внешнего вида при повышенных температурах. Однако эти недостатки устраняются по мере появления новых, эффективных и экономичных полимерных материалов.

Универсальность свойств, высокая эффективность ис­пользования, возможность получения изделий доступны­ми и высокопроизводительными методами обусловили, особенно за последние 20 лет, неуклонный рост объемов производства полимерных материалов. Так, в СССР про­изводство пластмасс и синтетических смол возрастает на протяжении каждого пятилетия примерно в два раза.

Большинство полимеров в твердом состоянии пред­ставляет собой стеклообразные аморфные вещества, пе­реходящие обычно с повышением температуры в высоко­эластичное, каучукоподобное состояние. При более вы­соких температурах они приобретают текучесть, а при дальнейшем нагревании их молекулы разрушаются.

Некоторые полимеры (полиэтилен, полиамиды, фто­ропласты) могут находиться в частично кристаллическом состоянии. По сравнению с аморфными полимерами они обладают большей прочностью на разрыв, твердостью, теплостойкостью.

В зависимости от молекулярной массы полимеры под­разделяются на высокомолекулярные, низкомолекуляр­ные вещества и олигомеры.

Высокомолекулярными называются вещества, моле­кулярная масса которых от 5000 до нескольких миллио­нов условных единиц, низкомолекулярными — с молеку­лярной массой менее 500. Олигомеры занимают проме­жуточное положение. Их молекулярная масса—от 500 до 5000.

По происхождению полимеры подразделяются на при­родные и синтетические. К природным относятся живот­ные и растительные белки (альбумин, глобулин, казеин, каротин), углеводы (целлюлоза и крахмал), натуральный каучук и др., к синтетическим — полимеры, получаемые путем синтеза из простых низкомолекулярных веществ (мономеров).

По химическому составу полимеры подразделяются на органические (соединения углерода с органическими элементами), неорганические (полимеры селена, серы, теллура, германия и др.) и элементорганические, в зави-

68

сймости от структуры — на линейные, разветвленные И пространственные, а по составу — карбоцепные (в глав­ной цепи молекул содержатся только атомы углерода), еетероцепные, гомополимерные (состоят из звеньев од­ного и того же состава) и сополимерные (совместные полимеры, состоящие из различных структурных звеньев).

По характеру размещения элементарных звеньев в макромолекулярной цепи полимеры подразделяются на нерегулярные, регулярные и стереорегулярные. В регу­лярных полимерах мономерные звенья расположены в определенном порядке в плоскости, в стереорегуляр-ных — не только в плоскости, но и в пространстве.

С точки зрения эксплуатации и производства изделий важной является классификация полимеров в зависимос­ти от пластической деформации при нагреве. Они под­разделяются на термопластичные (термопласты) и тер­мореактивные (реактопласты).

Первые при повышенных температурах размягчают­ся, затем становятся вязкотекучими, а при охлаждении расплава отвердевают, причем сохраняют способность к повторной тепловой обработке, вторые (фенолформ-альдегидные, полиэфирные, эпоксидные и карбамидные смолы) при нагревании после размягчения переходят необратимо в твердое неплавкое состояние,

По способу получения полимеры подразделяются на полимеризационные и поликонденсационные. Полимери­зацией называется реакция многократного присоединения молекул мономеров за счет разрыва связей вещества без выделения побочных низкомолекулярных продуктов, при­чем образующиеся полимеры имеют тот же элементар­ный состав, что и исходные мономеры,

В зависимости от среды, в которой протекает реакция, и от метода выделения полимера различают пять основ­ных способов полимеризации: блочную, суспензионную, эмульсионную, в растворе и в газовой фазе.

К основным продуктам, получаемым полимеризацией, относятся полиэтилен, полиизобутилен, полиакрилонит-рил, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полиформ­альдегид, полиизопрен, полиацетальдегид.

Поликонденсация — химический процесс получения высокомолекулярных соединений из различных низко­молекулярных исходных веществ, сопровождающийся отщеплением побочных продуктов — воды, спирта, ам­миака, хлористого водорода и др. Образующиеся в ре-

69

зультате этого полимеры отличаются по составу от ис­ходных веществ.

Путем поликонденсации получают большое количест­во высокомолекулярных соединений, обычно называемых смолами, которые используются для изготовления пласт­масс, синтетических волокон, лаков и других материа­лов.

Правильный выбор метода переработки позволяет сформировать структуру полимера, которая является одной из определяющих их свойств. Она также регули­руется такими технологическими приемами, как ориен­тация, текстурирование и радиационное облучение.

, Понятие о пластмассах и их классификация

^ )

' В условиях ускорения научно-технического прогрес­са, обновления производства, внедрения прогрессивных ресурсосберегающих видов техники и технологии, эко­номии общественного труда во всех отраслях народного хозяйства большое и все возрастающее значение приоб­рел относительно новый класс конструкционных мате­риалов—пластические массы (пластмассы). В 1990 г. их выпуск составит 6,8—7,1 млн. т против 5,2 млн. т в 1985 г.

В настоящее время производство пластмасс достигло наибольших масштабов по сравнению с другими поли­мерными материалами. Так, в двенадцатой пятилетке производство новейших их видов увеличится в 5 раз.

Пластмассы представляют собой твердые полимер­ные материалы, которые вследствие своей пластичности способны под воздействием тепла и давления принимать и устойчиво сохранять придаваемую им форму. По свое­му составу они представляют собой композиционные ма­териалы, основу которых составляют высокомолекуляр­ные соединения (30—60 %) и, кроме того, наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, смазывающие вещест­ва, катализаторы, антистатики, антипирены, красители и газообразователи.

Наполнители (40—70 %) вводятся для повышения механической прочности, теплостойкости, улучшения электроизоляционных, фрикционных и антифрикционных свойств, уменьшения усадки и снижения стоимости пластмасс. В качестве наполнителей используются ор­ганические вещества (древесная мука, хлопковые очесы,

70

целлюлоза, хлопчатобумажная ткань, бумага, древес­ный шпон) и неорганические (асбест, графит, слюда, кварц, стеклоткань, стекловолокно).

Пластификаторы (дибутилфталат, трикрезолфосфат и др.) предназначены для увеличения текучести, элас­тичности, гибкости и морозостойкости пластмасс, умень­шения их хрупкости.

Стабилизаторы (ароматические амины, фенолы, га­зовая сажа) проставляют собой соединения, повышаю­щие стойкость пластмасс против старения.

Смазывающие вещества снижают вязкость компози­ций и предотвращают прилипание пластмасс к обору­дованию в процессах изготовления изделий.

Катализаторы (отвердители) — вещества, ускоряю­щие процесс отверждения пластмасс.

Антистатики уменьшают их электризацию в процес­сах переработки и использования, антипирены. понижа­ют горючесть.

Красители применяют для производства цветных пластмасс, а газообразователи представляют собой ве­щества, которые при нагревании переходят в газообраз­ное состояние и используются для получения вспененных (газонаполненных) пластмасс.

Классификация пластмасс предполагает их деление ^'D по нескольким признакам,

В зависимости от химической природы полимеров пластмассы подразделяются на четыре класса:

А—пластмассы на основе высокомолекулярных сое­динений, получаемых цепной полимеризацией (поли­этилен, полипропилен, винипласт, поливинилхлорид, фто­ропласты, полистирол и др.);

Б — пластмассы на основе высокомолекулярных сое­динений, получаемых поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией (фенопласты, аминопласты, полиамиды и др.);

В — пластмассы на основе химически модифициро­ванных природных полимеров (целлулоид, этролы);

Г—пластмассы на основе асфальтов (битумопла-сты).

В зависимости от пластической деформации при на­греве различают пластмассы термопластичные и термо­реактивные, по диэлектрическим свойствам — неполяр-. ные (нейтральные) и полярные (электропроводящие), по физико-механическим свойствам при обычной темпе-

71

ратуре—жесткие, полужесткие, мягкие и эластичные, по виду наполнителя — с порошковым, волокнистым, ли­стовым, газовоздушным наполнителями или без них.

По назначению пластмассы подразделяются на сило­вые, ударопрочные, антифрикционные и фрикционные, термо-, радиационное тропико-, внбро-, тепло", звуко- и влагохимостойкие, электроизоляционные, прокладочно-уплотнительные, светотехнические, оптические (прозрач­ные) и декоративные.

Силовые пластмассы предназначены для изготовле­ния деталей, несущих силовые нагрузки, ударопроч­ные—устойчивых к ударным нагрузкам, антифрикцион­ные (обладают малым коэффициентом трения) —дета­лей скольжения, фрикционные (обладают большим коэффициентом трения) — деталей трения.

Для изготовления изделий, работающих в контакте с влагой и химическими соединениями, применяют вла­гохимостойкие пластмассы, в условиях ионизирующего облучения, повышенных температур и влажного возду­ха, вибрации—соответственно радиационное тропико-и вибростойкие пластмассы.

Электроизоляционные пластмассы используются для изоляции арматуры токопроводящих частей электрообо­рудования и проводов, прокладочно-уплотаительные— для обеспечения герметичности подвижных и неподвиж­ных соединений узлов, тепло- и звукоизоляционные — для изоляции оборудования и строительных конструк­ций от воздействия перепадов температур и шума.

Кроме того, различают сырьевые и поделочные пласт­массы. Сырьевые пластмассы выпускаются в виде гра­нул, крошки, пресс-порошков, волокнитов, масс для литья, а поделочные—в виде листов, пластин, блоков, пленок и заготовок.

л