Задачи полимерного материаловедения
Специфичность и многообразие полимерных материалов, способов их получения, методов контроля состава, структуры и свойств, а также все возрастающая роль этих материалов в развитии всех отраслей современной техники и технологии потребовало создание самостоятельного раздела в такой прикладной науке о материалах, как материаловедение.
Основной задачей полимерного материаловедения является разработка принципов и условий направленного и контролируемого регулирования состава и структуры полимерных материалов для обеспечения заданных технологических и эксплуатационных свойств. Полимерное материаловедение базируется на общих представлениях о процессах образования, структуре и свойствах полимеров и полимерных материалов. Все это изучается химией, физикой, физикохимией и механикой полимеров. Полимерное материаловедение решает такую важную задачу, имеющую практическое значение, как классификация полимеров и полимерных композиций, используемых в качестве важных типов полимерных материалов. Прикладные аспекты полимерного материаловедения, которые используются для решения конкретных задач по созданию и применению полимерных материалов, тесно связано с проблемами технологии получения и переработки полимеров и полимерных материалов.
Специфика полимерных композиционных материалов, которые теперь являются большим классом веществ, позволяет рассматривать эти материалы как единую независимую область полимерного материаловедения. Эта область материаловедения получила развитие на основе существующих научных представлений и методов исследования о полимерах, о химии и физике твердой поверхности,
о органических и неорганических волокнах. Среди комплекса наук о полимерных композиционных материалах сформировались такие, как химия ПКМ, физика ПКМ, механика ПКМ и другие, а также новые области технологии получения и переработки ПКМ со своими научными основами, техническими приемами и оборудованием.
Работы в области ПКМ рассматриваются в двух аспектах. Первый – достижение рекордных характеристик свойств. Это максимальной удельной прочности [σ/ρ], жесткости, теплостойкости и других специфических свойств. Развитие этого направления требуется для специальных отраслей промышленности (авиационной и ракетно-космической). Второй аспект – резкое снижение стоимости за счет применения дешевого недефицитного сырья, в том числе и растительного, и применение высокопроизводительных технологий получения и переработки. Это второе направление необходимо для широкого внедрения ПКМ в народное хозяйство. Растительное сырье имеет крупнотоннажную и воспроизводимую базу.
Все большее внимание вызывает проблема переработки дисперсно-наполненных ПКМ, Для волокнистых ПКМ были разработаны специальные методы, обеспечивающие реализацию заложенных в этих материалах свойств. Дисперсно-наполненные ПКМ на базе реактопластов перерабатывают традиционными методами, как термореактивные пластмассы. Естественно, что ПКМ на основе термопластов пытались переработать традиционными для них методами: литьем под давлением, экструзией, выдуванием. Это заставляло приспосабливать свойства ПКМ на термопластах к требованиям перерабатывающей технологии. Прежде всего, это относится к вязкости расплава ПКМ, которая увеличивается с введением наполнителя. При обычной технологии переработки порог наполнения, зависящий от формы частиц, не превышает 40÷50 % по массе. Сейчас внедряются методы переработки термопластичных ПКМ за счет использования приемов, характерных для реактопластов. При уменьшении сдвиговых деформаций при переработке удается реализовать более высокие степени наполнения, а также более сложную микроструктуру ПКМ, которая разрушается при традиционных режимах переработки. Однако здесь возникает противоречие между качеством изделия, определяемое структурой материала, и производительностью оборудования. Высокая производительность связана с большими сдвиговыми деформациями. Эти противоречия удается разрешить путем использования новых технологий. Так в 80-е годы прошедшего столетия разработаны технологии получения древесно-полимерных материалов для автомобилестроения из полипропилена и полиэтилена высокой плотности со степенью наполнения до 80% древесными частицами. Например, экструзионный листовой материал из древесно-наполненного полипропилена “Поливуд” (фирма “Комес”, Италия), прессованные листы из древесно-наполненного ПП “Бизолен” (фирма “Бизон”, ФРГ). В настоящее время изготовляются методом экструзии стеновые панели со степенью наполнения древесными частицами до 95 %.
Еще одной важной задачей, превращающейся в самостоятельную, является использование различных видов отходов, в том числе вторичных полимерных продуктов в виде наполнителей для ПКМ. Если сначала доминировала проблема удешевления ПКМ таким способом, а затем привлекла внимание возможность расширить сырьевую базу, то теперь основной акцент делается на снижение энергоемкости и охрану окружающей среды от загрязнений. Для некоторых видов отходов найдены удовлетворительные технические и экономические решения. Создание ПКМ путем измельчения этих отходов в тонкодисперсные порошки и смешения с полимерной матрицей представляется наиболее универсальной возможностью. Область применения этих ПКМ включает строительство, создание дешевой теплоизоляции, оборотной тары, дренажных и оросительных труб, искусственной черепицы и кровли и т.п. Характерно в 80-е годы прошедшего столетия в США, Японии, Германии, СССР практически одновременно были начаты работы по использованию тонкоизмельченных отходов резины (в особенности изношенных шин) в качестве наполнителей для термо- и реактопластов.
Создание ПКМ во всем мире в последние годы стало генеральной линией развития полимерного материаловедения и технологии переработки полимерных материалов и рассматривается как основной резерв получения новых материалов с улучшенными свойствами.