Классификация, строение и свойства неметаллических материалов

 

Кроме металлов и сплавов в промышленности применяются неметаллические материалы: пластические массы, композиционные и резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, керамика и др.

Основной составляющей частью неметаллов являются полимеры—это соединения, состоящие из макромолекул, похожих на вытянутые цепочки, отдельные звенья которых представляют собой атомные группировки (мономеры).

Макромолекулы могут содержать одинаковые или разные мономеры, а иногда — чередующиеся блоки мономеров. В связи с этим материалы называются гомополимерами (или полимерами), сополимерами и блокосополимерами.

По происхождению полимеры делятся:

¾ на природные (натуральный каучук, асбест, целлюлоза и др.)

¾ синтетические (полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.).

Низкомолекулярные вещества (этилен, стирол и др.) перераба-тываются в синтетические полимеры тремя способами:

¾ полимеризацией;

¾ поликонденсацией;

¾ химическим превращением.

Полимеризация представляет собой процесс соедине­ния молекул (мономеров) без выделения побочных продуктов и изменения элементарного состава. При поликонденсации соединяются молекулы одинакового или различного строения с выделением побочных низкомолекулярных веществ. Химические превращения направлены на формирование в полимерах новых структур и придания им новых свойств.

По химическому составу полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические. Основную массу состав-ляют органические полимеры: смолы и каучуки. Их молекулярная цепочка в основном образована атомами углерода. Вводимые в основную цепь атомы различных элементов придают полимерам специфические свойства (кислород—гибкость, фтор—химическую стойкость, хлор—огнестойкость и т. д.). Присоединяются также к углеродным атомам (в качестве боковых групп) атомы водорода или радикальные группы.

В состав основной цепи элементоорганических полимеров входят неорганические атомы кремния, титана, алюминия и других элементов. К атомам основной цепочки присоединяются боковые радикальные группы. К этому классу относятся более теплостойкие смолы, каучука но менее упругие и эластичные, чем органические поли. меры.

Основой неорганических полимеров служат оксиды кремния, алюминия, магния и других металлов. К ним относятся силикатное стекло, керамика, слюда, асбест, графит, отличающиеся плотностью, хрупкостью и длительной теплостойкостью.

Полимеры характеризуются особенностью строения— наличием цепных молекул, в которых атомы вдоль цепи связаны прочными химическими связями. Между макро­молекулами же существуют более слабые электростатические или водородные связи, что обеспечивает полимерам гибкость. Но у некоторых полимеров могут существовать химические связи и между макромолекулами, что резко снижает их эластичность и повышает прочность, твердость.

По структуре (или форме) макромолекул полимеры делятся на линейные или цепевидные (рис. 7.1) и разветвленные (б), ленточные или лестничные (в), пространственные или сетчатые (г), паркетные (д). Линейные полимеры (полиэтилен, полиамиды и др.) отличаются эластичностью, большой плотностью укладки-макромолекул.

Разветвленные полимеры (полиизобутилен и различные сополимеры) обладают меньшей плотностью, поэтому они менее прочны, более растворимы и легко плавятся. Макромолекула лестничного полимера составлена из двух цепочек, соединенных («сшитых») химической связью. Такой полимер (например, кремний-огранический) обладает большей жесткостью и теплостойкостью. Разновидностью пространственного сетчатого полимера является, например, графит с пластинчатой или паркетной структурой.

По своему фазовому составу полимеры подразделяются на аморфные и кристаллические. В первых макромолекулы собраны в пачки, способные перемещаться относительно друг друга, что придает им эластичность, но невысокую прочность. Вторые имеют гибкие пачки макромолекул, которые путем специальной укладки, напри­мер в процессе термической обработки, могут привести к образованию пространственных решеток кристаллов. В полимерах, как правило, сосуществуют аморфная и кристаллическая фазы. Последняя придает им теплостойкость, жесткость и прочность. Отношение объема, занимаемого кристаллической фазой, к общему объему полимера называется степенью кристалличности.

Рис. 7.1 Различные типы структур полимеров

По поведению при нагреве полимеры делятся на тер­мопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры при повышенных температурах размягчаются, а при пониженных—затвердевают. Их можно перерабатывать в изделия неоднократно, структура полимеров линейная или разветвленная. Термореактивные полимеры на первом этапе их переработки в изделия имеют ли­нейную структуру и при нагреве размягчаются. При росте температуры макромолекулы «сшиваются», полимер затвердевает и остается твердым, т. е. возможна лишь однократная его переработка.

Некоторые полимеры характеризуются значительным разбросом физико-механических свойств из-за разной длины макромолекул.

Многие полимеры обладают малой плотностью и теплостой-костью, а также высокой химической и коррозионной стойкостью. Это отличные электроизоляционные материалы, к тому же обладащие хорошими оптическими свойствами. Они отличаются достаточной прочностью, упругостью, эластичностью. Большим достоинством полимеров считается их высокая технологичность.

В зависимости от температуры нагрева полимеры могут находиться в одном из трех физических состоянии:стеклообразном, высокоэластическом или вязкотекучем.

Стеклообразное состояние характеризуется колебательными движениями лишь атомов, входящих в состав мономеров. Ни звенья, ни макромолекулы полимера не перемещаются. Это состояние присуще всем полимерам, а полимеры с пространственной структурой бывают только в стеклообразном состоянии. Преиму-щественная деформация полимеров в этом состоянии—упругая.

Высокоэластическое состояние обеспечивается за счет колебания звеньев и изгибов макромолекул, что может привести к значительным обратимым изменениям формы полимера за счет совместных упругих и высокоэластических деформаций. Подобное состояние достигается у ли­нейных, разветвленных и редкосетчатых (типа резин) полимеров.

Вязкотекучее состояние (жидкое состояние) наблюдается у линейных или разветвленных полимеров за счет высокой подвиж-ности макромолекул. В вязкотекучем, пластическом состоянии проводится переработка полимеров и материалов на их основе в изделия.

Полимеры в высокоэластическом или вязкотекучем состоянии подвергают медленному растяжению. При этоммакромолекулы приобретают направленную ориентацию и упорядоченную структуру, что в свою очередь, приво­дит к повышению прочности и упругости полимеров.

Полимеры подвержены тепловому, световому, озонному или атмосферному старению—процессу самопроизвольных необратимых изменений свойств полимеров. При этом полимеры либо размяг-чаются, либо повышают свою твердость и хрупкость.