Строение полимеров.

Пластические массы или просто пластмассы (ПМ) – это материалы на основе природных или синтетических высокомолекулярных соединений. Высокомолекулярные соединения являются смесью полимеров с различным весом.

Химическое строение, молекулярный вес, структура цепи и взаимное расположение молекул определяют свойства высокомолекулярных соединений.

Макромолекулы высокомолекулярных соединений могут иметь линейную разветвленную или пространственную структуру (рис. 1). Макромолекулы линейных полимеров представляют собой цепи, имеющие длины в сотни и тысячи раз, превышающие размеры поперечного сечения. Атомы соединены между собой ковалентными связями. Отдельные цепи связаны межмолекулярными силами, в значительной степени определяющими свойства полимеров.

При разветвленной структуре полимера макромолекулы имеют ответвления, длина и число которых могут быть различными. Наличие в цепях разветвлений приводит к ослаблению межмолекулярных сил и тем самым к снижению температуры размягчения полимера.

Линейные и разветвленные полимеры построены из отдельных макромолекул, связанных между собой межмолекулярными силами, величина которых в значительной степени определяет технические свойства вещества. Такие полимеры эластичны, плавятся или размягчаются при нагревании и при охлаждении снова переходят в твердое состояние.

Рис. 1. Структура полимеров:

а – линейная; б – разветвленная; в – пространственная

Полимеры с линейной структурой молекул хорошо растворяются, так как молекулы растворителя могут внедряться в промежутки между макромолекулами и ослаблять межмолекулярные силы. Линейные и разветвленные полимеры являются основой термопластичных пластмасс (термопластов).

Пространственные (сшитые, сетчатые) структуры получаются либо сшивкой отдельных линейных цепей полимеров, либо в результате поликонденсации и полимеризации. При частом расположении поперечных связей полимер становится неплавким и нерастворимым. При редких связях возможно некоторое набухание под воздействием растворителя и незначительное размягчение при нагреве. Полимеры, способные образовывать пространственные структуры, являются основой термореактивных пластмасс (реактопластов).

В зависимости от расположения и взаимосвязи макромолекул полимеры могут находиться в аморфном и кристаллическом состояниях. Наличие кристаллической фазы у полимеров оказывает большое влияние на их физико-механические свойства. Так, при переходе полимера из аморфного в кристаллическое состояние повышается его прочность, теплостойкость. Существенное влияние на полимерные материалы оказывает воздействие на них теплоты.

Под действием теплоты аморфные полимеры можно перевести из твердого (стеклообразного) состояния в высокоэластическое и вязкотекучее состояние (рис. 2).

Из диаграммы для аморфного полимера видно, что в низшем температурном интервале вещество находится в стеклообразном состоянии, т.е. деформация мала и увеличивается пропорционально температуре.

Выше температуры стеклования вещество переходит в высокоэластическое состояние, а выше температуры текучести вещество становится вязкотекучим. Температура стеклования характеризует теплостойкость полимерного материала.

Рис. 2. Термомеханическая кривая аморфного полимера:

1 – зона стеклообразного состояния; 2 – зона высокоэластичного состояния;

3 – зона вязкотекучего состояния

Две точки на термомеханической кривой (Т_С и Т_Т) характеризуют температурные области, соответствующие трем физическим состояниям полимера. Эти температуры являются важнейшими характеристиками, позволяющими назначать температурные интервалы формования деталей из полимеров.

Термомеханические кривые для кристаллических полимеров имеют иной, чем для аморфных полимеров, вид. Отдельные полимеры с увеличением температуры разлагаются, не переходя в вязкотекучее состояние.