2. Неметаллические материалы

Непрерывное совершенствование машин, повышение их эффективности, снижение стоимости и веса, сокращение сроков изготовления, а также развитие новых областей техники невозможно без применения материалов с разнообразными повышенными свойствами. Одни из них должны обладать особо высокой твердостью, прочностью, термостойкостью, стойкостью против коррозии и эрозии, другие – эластичностью при низких температурах, третьи должны быть легкими и малотеплопроводными, четвертые – химически стойкими, пятые – отличными диэлектриками.

Чтобы удовлетворить все эти требования, в настоящее время наряду с металлами и их сплавами, все более широко применяют неметаллические материалы.

К природным полимерам относится многочисленная группа веществ животного и растительного происхождения (хлопок, шелк, шерсть, кожа, натуральный каучук и др.). Особое значе­ние имеют синтетические полимеры, получаемые синтезом низкомолекулярных веществ. Синтетические полимеры являются продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев. Обладая рядом ценных свойств, не присущих металлическим материалам, полимерные материалы являются хорошим дополнением к металлам, а в ряде случаев могут быть их полноценными заменителями.

Для успешного использования материалов на основе полимеров необходимо хорошо представлять особенности их строения и своеобразие свойств.

Поэтому ниже приводятся краткие сведения об особенностях строения и свойствах полимерных материалов.

1. Строение и свойства полимеров

1. Особенности строения полимеров

Синтетические полимерные материалы – пластмассы, ре­зина, клеи – представляют собой сложные механические смеси. Основной их частью являются синтетические полимеры, т. е. высокомолекулярные соединения. Их молекулярный вес более 6000– 10 000; иногда величина молекулы достигает размеров куска. Поэтому, в отличие от молекул низкомолекулярных соединений, их называют макромолекулами.

Кроме высокого молекулярного веса для полимеров ха­рактерно многократное повторение одних и тех же групп ато­мов (элементарных звеньев). Например, у полимера полихлор­винила число повторений этого звена (иначе называемого сте­пенью полимеризации) n = 300400.

Некоторые полимеры встречаются в природе, другие по­лучают синтезом (соединением) органических и неорганических веществ (мономеров), поэтому их называют синтетическими.

Полимеры получают из мономеров в результате одной из следующих химических реакций.

1. Полимеризация, при которой мономер превращается в элементарное звено и все его атомы входят в состав полимера. Например, полихлорвинил получается при полимеризации мо­номера хлорвинила, молекулы которого активизируются (про­исходит разрыв двойных связей) и затем соединяются в цепь.

Если полимер образуется из двух или большего числа различных мономеров, его называют сополимером, а соответ­ствующую химическую реакцию – сополимеризацией. Так, при сополимеризации метилметакрилата (мономер, из которого по­лучается органическое стекло) и стирола образуется сополи­мер МС, обладающий меньшей хрупкостью, чем полистирол, и лучшими литьевыми качествами, чем оргстекло.

2. Поликонденсация, при которой некоторые атомы мономера выделяются, образуя воду, углекислоту или другие низкомолекулярные вещества. Например, при поликонденсации мономеров фенола и формальдегида получается фенолоформальдегидная смола (полимер) и вода.

Свойства полимеров зависят от их химического состава и структуры. В зависимости от атомов, составляющих макромоле­кулу, различают органические и элементоорганические полимеры. Органические полимеры состоят в основном из атомов уг­лерода и водорода. В них возможно присутствие небольшого числа атомов кислорода, серы, хлора, фтора и др. Из элементоорганических полимеров практическое применение находят только кремнийорганические, которые в основном состоят из атомов кремния и кислорода, а боковые ответвления представ­ляют собой группировки углерода и водорода. Органические полимеры обладают более высокой механической прочностью, чем кремнийорганические, но уступают им по теплостойкости.

Более существенное влияние, чем состав, на свойства полимеров оказывает структура их молекул, которая может быть линейной или сетчатой (пространственной). Если элементарное звено полимера обозначить буквой А, то линейная макромолекула будет представлять цепочку «–А – А – А – А – А – А –», отдельные звенья которой связаны химическими связями (эти связи показаны на рис. 6 черточками). Между отдельными цепями (макромолекулами) действуют межмолекулярные силы физической природы, которые изображены пункти­ром на рис. 6, а. Они значительно слабее химических связей, действующих вдоль молекул; линейная структура может быть разветвленной (рис. 6, б); в сетчатой макромолекуле (рис. 6, в) имеются только химические связи.

При эксплуатации синтетических материалов в течение более или менее длительного времени их свойства могут изменяться. На поверхности изделия появляются трещины, она тускнеет или становится мягкой, повышается жесткость, хрупкость, снижаются механические и диэлектрические показатели. Такое изменение свойств называют старением полимера. Происходит оно чаще всего за счет деструкции – разрыва химических связей в главной цепи макромолекулы в результате термического, механического, фотохимического или химического воздействия.

Обрывки цепей могут снова соединиться, но уже в других положениях, образуя линейные разветвленные или сетчатые молекулы. Вновь образовавшийся полимер будет обладать другими свойствами.

Название полимеру дают по названию вещества (мономера), которое стало звеном макромолекулы, с приставкой «поли» (много); например, полиэтилен. Для некоторых ранее полученных полимеров сохранилось название «смола» с указанием веществ, из которых она получена, например, фенолоформальдегидная смола.