17. Неметаллические материалы
17.1. Полимеры и пластмассы
Полимеры (от греческого polymeres – состоящий из многих частей, многообразный, от poly – много, и meros – доля часть) – соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа регулярно или нерегулярно повторяющихся групп атомов - звеньев.
Молекулы, состоящие из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинакового химического состава и структуры называются макромолекулами. Свойства вещества определяются не только химическим составом этих макромолекул, но и их взаимным расположением и строением. Поперечное сечение макромолекулы составляет, как правило, несколько нанометров, а длина достигает нескольких тысяч нанометров или нескольких микрометров, поэтому макромолекулы обладают хорошей гибкостью.
По форме макромолекул полимеры делят на линейные (цеповидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестничные), пространственные или сетчатые (рис.17.1). Полимеры с линейной структурой эластичны, при нагревании размягчаются, растворимы в органических растворителях. Полимеры с сетчатой структурой обладают наибольшей прочностью и теплостойкостью.
По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные и кристаллические.
Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачка состоит из многих рядов макро молекул, расположенных последовательно друг за другом. Пачки способны перемещаться относительно соседних элементов, так как они являются структурными элементами.
Рис. 17.1. Форма макромолекулы полимеров:
а – линейная; б – разветвленная; в – ленточная; г – пространственная, сетчатая, д – паркетная
В случае образования кристаллической структуры атомы соседних цепей расположены в правильном трехмерном порядке, образуя определенную пространственную решетку. Кристаллические участки полимера чередуются с аморфными, поэтому степень кристалличности в полимерах никогда не достигает 100%, в отличие от металлов. Кристалличность сообщает полимеру большую жесткость и твердость, а также теплостойкость. При длительном хранении, эксплуатации и переработке надмолекулярные структуры могут претерпевать изменения.
По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в их составе диполей — разобщенных центров распределения положительных и отрицательных зарядов.
Неполярные полимеры (на основе углеводородов) являются высококачественными высокочастотными диэлектриками, они обладают хорошей морозостойкостью. Полярность сообщает полимерам жесткость, теплостойкость, но морозостойкость у полярных материалов низкая.
Рис.17.2. Схематичное строение пачки:
а – объединение макромолекул в пачки; б – пачка с аморфным участком
Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают; этот процесс обратим. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветвленная.
Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми.
Для удобства изучения связи, состава, структуры со свойствами полимеров их можно классифицировать по различным признакам (составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву). По составу все полимеры подразделяют на органические, элементоорганические, неорганические.
Органическими полимерами являются смолы и каучуки. Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Тi, А1), сочетающиеся с органическими радикалами (СН3, С6Н5, СН2). Эти радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость.
К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др.
Пластические массы, пластмассы, пластики – материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться в изделия сложной конфигурации и затем устойчиво сохранять приданную форму.
Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.
По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты), получаемые на основе термореактивных смол.
Термопласты удобны для переработки в изделия, имеют незначительную усадку при формовании (1-3%). Материал отличается большой упругостью и малой хрупкостью. Обычно термопласты изготавливают без наполнителя. Но в последние годы стали применять термопласты с наполнителями в виде минеральных и синтетических волокон (органопласты).
Реактопласты после отверждения и перехода связующего вещества в термостабильное состояние хрупки, часто дают большую усадку (до 10 – 15% ) при их переработки.
Особенностями пластмасс являются малая плотность, низкая теплопроводность, значительное тепловое расширение (в 10 – 30 раз больше, чем у стали), хорошие электроизоляционные свойства, высокая химическая стойкость, высокие фрикционные и антифрикционные свойства, меньшее количество отходов.
Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость (максимальная температура эксплуатации термопластов - до 250 ºС, термореактивных пластмасс – до 400 ºС), низкие модуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, склонность к старению, т.е. к изменению свойств с течением времени.