Особенности свойств полимерных материалов

Особенности строения полимеров оказывают большое влияние на их физико-механические и химические свойства. Вследствие высокой молекулярной массы они неспособны переходить в газообразное состояние, при нагреве образовывать низковязкие жидкости, а термостабильные даже не размягчаются. С повышением молекулярной массы уменьшается растворимость.

Полидисперсность, присущая полимерам, приводит к значительному разбросу показателей при определении физико-механических свойств полимерных материалов. Механические свойства полимеров (упругие, прочностные) зависят от их структуры, физического состояния, температуры и т. д. Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем.

Полимеры, как в кристаллическом, так и в стеклообразном состоянии могут иметь ориентацию. Этот процесс осуществляется при медленном растяжении полимеров, находящихся в высокоэластичном или вязкотекучем состоянии. Свойства материала при этом становятся анизотропными. Различают одноосную ориентацию, применяемую для получения волокон, пленок, труб, и многоосную, проводимую одновременно в нескольких направлениях (например, в процессе получения пленок).

Для полимеров характерны процессы старения, приводящие к самопроизвольному изменению технических характеристик. Процесс старения происходит в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале при эксплуатации и хранении.

Полимерам свойственны такие процессы, как абляция и адгезия. Абляция - разрушение материала, сопровождающееся уносом его массы при воздействии горячего газового потока. В процессе абляции происходит суммарное действие механических сил, теплоты и агрессивных сред потока. Адгезией называется слипание разнородных тел, приведенных в контакт. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием. На способности полимеров к адгезии основано их использование в качестве пленкообразующих материалов (клеи, герметики, покрытия), а также при получении наполненных и армированных полимерных материалов. Для создания адгезивного соединения один из материалов должен быть пластичным, текучим (адгезив), а другой может быть твердым (субстрат).

Пластические массы

Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагреве размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется.

Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.

Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и неорганического происхождения). После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывается в монолитную массу. Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства. Для повышения эластичности и облегчения обработки добавляют пластификаторы (олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.). Кроме того, исходная композиция может содержать отвердители, катализаторы, ингибиторы, красители.

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения.

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые (карболиты) с наполнителями в виде древесной муки, графита, талька; волокнистые с наполнителем в виде волокон хлопка и льна (волокниты), стеклянного волокна (стекловолокниты), асбеста (асбоволокниты); слоистые, содержащие листовые наполнители; газонаполненные (пено- и поропласты).

Особенностями пластмасс являются малая плотность, низкая теплопроводность, значительное тепловое расширение, хорошие электроизоляционные свойства, высокая химическая стойкость, фрикционные и антифрикционные свойства. Прочность некоторых пластмасс сопоставима с прочностью стали. Пластмассы имеют хорошие технологические свойства.

Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие модуль упругости и ударная вязкость, склонность к старению.

 

Неорганические материалы

К неорганическим полимерным материалам относят минеральное стекло, ситаллы (стеклокристаллические материалы), керамику и др. Этим материалам присуща негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая твердость. Однако они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур.

Основой неорганических материалов является главным образом оксиды и бескислородные соединения металлов. Большинство неорганических материалов содержит различные соединения кремния с другими элементами. Такие материалы называют силикатными. Используются также и другие соединения: чистые оксиды алюминия, магния, циркония и др.

Неорганическое стекло следует рассматривать как затвердевший раствор - сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных оксидов. Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. Неорганические стекла характеризуются неупорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения. Неорганические стекла подразделяют на технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные), строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара, посудные, бытовые зеркала), что и определяет их назначение.

Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной кристаллизации. Эти стекла имеют кристаллическое строение.

Из ситаллов изготавливают подшипники, детали для двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, оболочки вакуумных электронных приборов, детали радиоэлектроники. Их также используют в качестве жаропрочных покрытий, в производстве текстильных машин, абразивов для шлифования, фильер для вытягивания синтетических волокон.

Керамика - неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного отжига. Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава. Она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Изделия из керамики применяют во многих областях техники: резцы, используемые на больших скоростях, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвейеров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания и др.

Древесные материалы

Лучшая полноценная часть ствола различных пород деревьев является ценным конструкционным материалом, характеризующимся высокой удельной прочностью и декоративностью, устойчивостью к органическим кислотам, их солям, спиртам, газам. Кроме того, технологические свойства древесины определяют простоту получения изделий из нее. Она легко обрабатывается режущими инструментами, хорошо удерживает нанесенные лаки и краски. Недостатками натуральной древесины является ее анизотропность (из-за волокнистого строения), гигроскопичность, недостаточная биологическая стойкость, ухудшение свойств при температуре выше 120-130 ^оС.

Заготовки из натуральной древесины - доски и бруски применяют для изготовления железнодорожных вагонов, сельскохозяйственных машин, грузовых автомобилей, судов, мебели и др.

Древесными полуфабрикатными материалами называют продукты механической переработки натуральной древесины и ее отходов. Древесную муку используют в качестве наполнителя пластмасс и древопластиков, фильтрующего материала и т.д. Древесную стружку применяют при изготовлении древесных прессованных композиций, а также для упаковки хрупких изделий. Щепа технологическая используется для производства древесно-стружечных плит; шпон лущенный - для изготовления клееной древесины (фанеры); шпон строганный получают из ценных пород деревьев и применяют в качестве облицовочного материала.

Прессованную древесину (ДПО) получают при обработке прессованием натуральной древесины под давлением, предварительно пропаренной при температуре 130-140 ^оС или пропитанной аммиаком. В результате древесина пластифицируется. Такая древесина используется для изготовления сборных подшипников крупного размера для прокатки станов, а также для зубчатых колес, виброгасящих прокладок, челноков ткацких станков.

Клееную древесину получают склеиванием трех и более нечетных слоев шпона и получают фанеры или фанерные изделия. Фанера используется в авто-, судо-, вагоно-, авиастроении, радио- и электротехнической промышленности.

Древопластиками называют материалы, в которых наполнителем служит измельченная древесина, опилки, стружка, щепа, обломки шпона. К древопластикам относятся древесно-стружечные плиты, древесно-волокнистые плиты, древесно-слоистые пластики, которые используются в качестве конструкционного и антифрикционного материала.

Резюме

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы, пластические массы, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также графит, стекло, керамика.

Свойства - достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства.

Полимерами называют вещества, макромолекулы кото­рых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1 000 000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

Макромолекулы в полимере представляют собой цепочки, со­стоящие из отдельных звеньев. Гибкость макромолекул является одной из отличительных особенностей полимеров.

Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической (ковалентной) связью. Наиболее сильные межмолекулярные взаимодействия осуществляются посредством водородных связей. Сцепление молекул материала за счет сил притяжения называется когезией. Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому строению мономеров (полимеры) или разнородных звеньев (сополимеры).

Стереорегулярность - свойство полимера, когда звенья и заместители расположены в пространстве в определенном порядке. Это придает материалу повышенные физико-механические свойства (по сравнению с нерегулярными полимерами).Полимеры встречаются в природе — натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей группой являются синтетические полимеры.

Классификация полимеров

По составу

- органические, элементоорганические, неорганические

По форме макромолекул

- линей­ные (цеповидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестнич­ные), пространственные или сетчатые.

По фазовому состоянию

- аморфные и кристаллические.

По полярности

- полярные и не­полярные.

По отношению к нагреву

- термопластичные и термореактивные.

Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагреве размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется.

В состав пластмасс входят связующие (синтетические смолы), наполнитель, пластификаторы (олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.), отвердители, катализаторы, ингибиторы, красители.

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые (карболиты) с наполнителями в виде древесной муки, графита, талька; волокнистые с наполнителем в виде волокон хлопка и льна (волокниты), стеклянного волокна (стекловолокниты), асбеста (асбоволокниты); слоистые, содержащие листовые наполнители; газонаполненные (пено- и поропласты).

Особенностями пластмасс являются малая плотность, низкая теплопроводность, значительное тепловое расширение, хорошие электроизоляционные свойства, высокая химическая стойкость, фрикционные и антифрикционные свойства. Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие модуль упругости и ударная вязкость, склонность к старению.

 

К неорганическим полимерным материалам относят минеральное стекло, ситаллы (стеклокристаллические материалы), керамику и др. Свойства - негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая твердость. Однако они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур.

Древесные материалы обладают высокой удельной прочностью и декоративностью, устойчивостью к органическим кислотам, их солям, спиртам, газам, хорошие технологические свойства. Недостатками натуральной древесины является ее анизотропность (из-за волокнистого строения), гигроскопичность, недостаточная биологическая стойкость, ухудшение свойств при температуре выше 120-130 ^оС.

Древесные материалы

- з аготовки из натуральной древесины

- древесные полуфабрикаты

- клееная древесина

- древопластики.

Вопросы для повторения

1. Какие материалы относятся к неметаллическим конструкционным материалам?

2. Каковы их свойства?

3. Что такое полимеры? Какими свойствами они обладают?

4. Дайте классификацию полимерных материалов.

5. Какие материалы называют пластмассами? Какими свойствами они обладают?

6. Классификация пластмасс.

7. Какие компоненты входят в состав пластмасс и для чего?

8. Какие материалы относят к неорганическим полимерам? Какими свойствами они обладают?

9. Какие материалы относят к древесным материалам? Какими свойствами они обладают?

Приложение 1