Органические конструкционные материалы

Неметаллическими материалами называют обширный класс веществ с неметаллическим типом химической связи между атомами, т.е. с ковалентной, ионной и поляризационной связями. По своим свойствам они кардинально отличаются от металлов, поэтому их выделяют в отдельную группу. По молекулярному строению они подразделяются на органические и неорганические материалы. К органическим материалам относятся разнообразные пластмассы, резины, компаунды, дерево, к неорганическим – стекло, графит, оксиды металлов и др.

 

Химический состав

 

В качестве конструкционных материалов широко применяются органические полимеры. Органические полимеры – это вещества, молекулы которых состоят из длинной углеродной цепи, к которой присоединены атомы водорода. Кроме того, в этих вещест­вах обычно содержатся кислород, азот, сера, фосфор, хлор. В их состав могут входить атомы других элементов: металлов, галогенов и пр. В этом случае материалы называют элементоорганическими.

Полимеры обладают рядом ценных свойств, которые обуславливают их все более широкое применение. Имеют достаточную прочность, жесткость, эластичность при низкой плотности и легкости. Как правило, отличаются высокими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью, стойкостью к коррозии и воздействию влаги. Являются хорошими тепло- и звуко- изоляторами. Есть полимеры со специальными свойствами: оптически прозрачные, антифрикционные, высокоэластичные и т. д.

Существенный недостаток большинства органических материалов – их горючесть. Но в последнее время созданы практически негорючие элементоорганические полимеры.

Важным достоинством полимеров является их технологичность, они легко формуются литьем, выдуванием, хорошо обрабатываются прессованием, вытяжкой, резанием. Это качество повышает экономичность и обуславливает широкое применения полимеров.

Рассмотрим подробнее

 

Строение полимеров

 

Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из очень длинных цепочек атомов, называемых макромолекулами. Они состоят из многократно повторяющихся одинаковых звеньев – мономеров. Макромолекула может состоят от тысяч до миллионов атомов. Внутри молекулярной цепи атомы связаны весьма прочными ковалентными свя­зями. Между собой моле­кулы связаны сравнительно слабыми поляризационными сила­ми.

Из-за такого строения полимеров обладают малой плотностью и прочностью по сравнению с металлами, и многие легко плавятся при нагреве.

Полимеры различают по структуре молекул (рис. 54):

1. Линейные, молекулы которых образуют длинные линии, цепочки.

2. Разветвленные – молекулярная цепочка разветвляется, образует многочисленные ответвления, по строению напоминая дерево.

3. Ленточные – атомы образуют ленточную или лестничную структуру.

4. Плоские – атомы соединяются между собой в плоскости, образуя атомные слои.

5. Пространственные – атомы объединяются в пространственную структуру, наподобие атомов кристаллов.

Полимеры с линейной структурой легкоплавки, эластичны, мягкие, они, как правило, растворимы в органических жидкостях. Это происходит из-за того, что молекулы соседних цепочек достаточно легко могут скользить друг относительно друга. Разветвленная, ленточная или плоская структура молекул увеличивает прочность и теплостойкость материала. Полимеры с пространственной структурой обладают наибольшей твердостью и прочностью. Они стойки к нагреву и органическим растворителям.

По электрическим свойствам молекул полимеры делятся на полярные и неполярные.

Полярные имеют дипольные моменты молекул или групп атомов, которые способствуют поляризации в электрическом поле. Следующие атомные группы расположены в порядке возрастания полярности или дипольного момента:

CH < CN < CO < СF < CCl

В неполярных материалах молекулы не имеют дипольного момента.

Полярные полимеры имеют более высокие механические свойства, чем неполярные. Они обладают большей твердостью, механической прочностью и эла­стичностью, характеризуются хорошей химической стойкостью. Эти материалы притягивают влагу и полярные примеси, поэтому труднее поддаются очистке.

По электрическим свойствам неполярные полимеры – лучшие диэлектрики. Они имеют большее электрическое сопротивление, меньшие диэлектрические потери, чем полярные, могут работать при высоких и сверх­высоких частотах.

 

По отношению к нагреву полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные

Термопластичные полимеры при нагреве постепенно размягчаются и переходят сначала в вязкое состояние, а потом в жидкое. При охлаждении процесс протекает в обратном направлении вплоть до твердого состояния. Повторный нагрев переводит полимер снова в жидкое состояние.

В термореактивных полимерах при нагревании протекают химические реакции, которые приводят к образованию дополнительных связей между атомами. Вследствие этого свойства материала изменяются необратимо, он затвердевает и при повторном нагреве уже не размягчается. При сильном нагреве может обугливаться или разрушаться. В органических растворителях термореактивные полимеры, как правило, нерастворимы.