Полимерные материалы

Полимеры - высокомолекулярные вещества, состоящие из гигантских макромолекул. К природным полимерам относятся натуральный каучук, кожа, шерсть, шёлк, хлопок и др. Синтетические полимеры являются продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев. Например, полимер полиэтилен получают из газа этилена – СН₂ –СН₂ –СН₂ – СН₂ -. Если число мономеров (n) в макромолекуле невелико, то получается жидкость. С увеличением молекулярной массы полимер становится твёрдым, причём чем больше n, тем твёрдость и прочность выше.

Макромолекулы могут иметь линейную, разветвлённую или пространственную (сшитую, сетчатую) структуру (рис.8.1).

Рис. 15.1.Структура полимеров:

а) линейная, б) разветвлённая, в) пространственная

В полимерах с линейной и разветвлённой структурой связь между макромолекулами слабая (нет химических связей), поэтому при нагреве они размягчаются и плавятся, а при охлаждении затвердевают и так может быть неоднократно. Такие полимеры называются термопластичными (термопластами).

Термореактивные полимеры плавятся при нагревании один раз, при этом или в результате нагрева, или при воздействии специальных веществ – отвердителей между макромолекулами устанавливаются химические связи (сшивка макромолекул). Отвердевшие реактопласты нельзя повторным нагревом вновь перевести в вязкотекучее состояние.

У термопластов в зависимости от температуры может быть три физических состояния:

1.стеклообразное, 2. высокоэластичное, 3. вязкотекучее.

В стеклообразном состоянии полимеры ведут себя как упругие твёрдые тела. В высокоэластичном состоянии под нагрузкой происходит распрямление скрученных молекул и деформация может достигать 500-800% (например, резина). При снятии нагрузки высокоэластичная деформация исчезает. В вязкотекучем состоянии полимер становится вязкой жидкостью и течёт под нагрузкой, при этом макромолекулы перемещаются друг относительно друга, поэтому деформация необратима.

Пластические массы

Пластическими массами называют искусственные материалы на основе природных или синтетических полимеров.

Пластмассы подразделяют на простые и композиционные. Простые состоят из одного компонента – полимера, а композиционные из следующих составляющих:

1.Полимер в виде смолы (как правило, термореактивной), играет роль связки (30-70% по массе).

2.Наполнители – для придания нужных механических или каких-то специальных свойств, а также для удешевления или уменьшения усадки (древесная и кварцевая мука, графит, хлопчатобумажная стеклоткань).

3.Отвердители или катализаторы – для затвердевания смолы (перевода в реактопласт) – несколько процентов (окись магния, известь).

4.Пластификаторы – для увеличения гибкости, вязкости (10-20%) (касторовое масло камфара).

5.Смазывающие – увеличивают текучесть, устраняют прилипание к прессформе.

6. Красители (нитрозин, мумие).

7. Стабилизаторы – для замедления старения (вода, фосфориты, аминокислоты).

8. Специальные добавки – для уменьшения статических зарядов или горючести, для защиты от плесени и др.

Основными положительными особенностями пластмасс являются простота технологического процесса изготовления изделий из них, высокая устойчивость к агрессивным средам и атмосферным условиям, низкий удельный вес, высокие диэлектрические и теплоизоляционные свойства. В ряде случаев пластмассы обладают хорошей механической прочностью (удельной), антифрикционными свойствами, износостойкостью. Кроме того, изделия из пластмасс можно сделать очень декоративными.

Пластмассы могут поставляться в виде порошков, гранул, таблеток, волокон, в виде полуфабрикатов (пленок, листов, плит, труб, блоков), в виде жидких веществ (полиэфиры, эпоксиды, полиуретаны).

В зависимости от поведения пластмасс при нагревании они делятся на две группы: термопласты и реактопласты.