Лекция 3 «Классификация неметаллических материалов»

Полимерные материалы

В основе неметаллических материалов лежат полимеры. Химический состав полимеров служит основой для классификации пластмасс.

Полимеры – это сложные высокомолекулярные соединения, которые состоят из большого числа небольших молекул, которые называются мономерами. Так например, бутадиен – мономер. Бутадиен + … + бутадиен (4000 раз) → полибутадиен (искусственный каучук) [–CH₂–CH=CH–(–n)CH²–], n – степень полимеризации.

Полимеры получают либо полимеризацией, либо поликонденсацией. Процесс, при котором полимер получается вследствие соединения мономеров друг с другом, наз. полимеризацией. Поликонденсация - это процесс образования полимера в результате химической реакции исходных веществ с получением нового вещества, структура которого отличается от исходной.

В целом, полимеры можно разделить на три основные группы:

1. Эластомеры (резины) – это полимеры, у которых молекулярная структура допускает значительные и обратимые растяжения, т.е. они являются легкосшиваемыми полимерами. Цепные макромолекулы под действием нагрузки распрямляются, а при снятии нагрузки сворачиваются, то есть между поперечными связями молекулярных цепочек есть небольшая свобода движения. Если эти поперечные связи вытянуты, то полимерные цепочки стремятся выровняться и стать центрированными, из-за чего происходит уменьшение кристалличности полимера. Наиболее распространённым эластомером является каучук C₅H₈. На основе каучука получают резины. Молекулы чистого каучука слабо связаны друг с другом, поэтому легко отделяются одна от другой. В результате этого каучук прилипает к предметам, с которыми он взаимодействует. Для устранения этого дефекта применяют вулканизацию.

Эластомеры можно сгруппировать в соответствии с формой их полимерных цепочек:

- в основе полимерной цепочки находится только углерод. В эту группу входят натуральный каучук, бутадиен-стирол, бутадиен-акрилонитрил, бутил-каучуки, полихлоропрен и этиленпропилен.

- полимерные цепочки с кислородом в основе. Например, окись полипропилена.

- полимерные цепочки с кремнием в основе. Например, фторкремний.

- полимерные цепочки, имеющие в основе серу. Например, полисульфид.

- термопластичные эластомеры. Это блок сополимеров с альтернативной твердостью и гибкими блоками. Например, полиуретаны, этиленвинилацетат и стирол-дивинил-стирол. Такие эластомеры могут быть изготовлены термопластическими методами прессования, а также литья под давлением и выдувным формованием. Они подобно термопластикам, могут быть неоднократно размягчены при нагреве и не похожи на обычные эластомеры.

2. Термореактивные пластмассы (реактопласты) – жесткие материалы, которые не становятся мягкими при нагревании. У таких полимеров молекулярные структуры имеют расширенные поперечные связи. Из-за чего, при разрушении связей во время нагрева, изменения необратимо при охлаждении.

Термореактивные пластмассы получают на основе эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых, фенолформальдегидных и кремнийорганических полимеров. Их применяют в отвержденном виде; они при нагреве не плавятся, устойчивы против старения и не взаимодействуют с топливом и смазочными материалами.

3. Термопластичные пластмассы (термопласты) – материалы, которые могут быть размягченными под воздействием не слишком высокой температуре, как в случае расщепления. Такие полимеры имеют линейные или разветвленные молекулярные цепи структур с малым числом связей, и если их несколько, то между цепями. Линейные и некоторые разветвленные полимерные цепи могут быть в таком состоянии, когда имеет место уменьшение кристалличности структуры. Термопластики состоят из двух групп материалов – неполярных и полярных полимеров (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Структура макромолекул полимеров

Семейство неполярных термопластов основано на этилене, который, в свою очередь, может быть подразделен на следующие группы: полиолефины, основанные на полиэтилене и полипропилене, винилы с основой на винилхлориде, винилацетат и различные другие соединения винилов. Все неполярные полимеры строятся на базе только атомов углерода.

К семейству полярных термопластов относятся фторопласт-3, оргстекло, полиамиды, полиуретаны, полиацетаты, поликарбонаты, полиарилаты, целлюлозы и др. Введение атомов хлора нарушает в фторопласте-3 симметрию звеньев молекул, материал становится полярным. К такому же эффекту приводит амидная группа в полиамидах и т.д.

Значительная часть термопластичных полимеров перерабатывается в пленку, волокна и изделия из волокна.

В состав полимеров входят различные добавки: наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и др.

Наполнители добавляют в количестве 40-70% для повышения механических свойств, снижения стоимости и изменения других параметров. К наполнителям относят древесную муку, порошки сажи, слюду, SiO₂, тальк, TiO₂, графит; хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые, полимерные волокна; листы бумаги, ткани из различных волокон, древесный шпон.

Стабилизаторы (органические вещества) водят в количестве нескольких процентов для сохранения структуры молекул и стабилизации свойств.

Пластификаторы добавляют в количестве 10-12% для уменьшения хрупкости и улучшения формуемости.

Специальные добавки – это смазочные материалы, красители, добавки для уменьшения статических зарядов и горючести, защиты от плесени, ускорители и замедлители отверждения. Они служат для изменения или усиления какого-либо свойства. Отвердители добавляют для отверждения.

У полимеров нет определённой температуры плавления. Полимеры обладают очень высокой вязкостью, высокой молекулярной массой. В таблице 2 Приложения П приведены примеры изделий, которые возможно получить из полимерных материалов.