Национальная металлургическая акдемия Украины

Национальная металлургическая акдемия Украины

Опорный конспект

по учебной дисциплине

 

«Неметаллические материалы»

 

Направление		Инженерное материаловедение
Специальность	7.090404	Металловедение Прикладное материаловедение Композиционные та порошковые материалы, покрытия

 

Разработал: к.т.н., доц. Власова Е.В.

 

Днепропетровск,

 

 

Дисциплина «Неметаллические материалы»

Лекция 1

План лекции:

 

1. Общие сведения о неметаллических материалах.

2. Понятие о неметаллических материалах. Классификация полимеров.

3. Особенности свойств полимерных материалов.

4. Полімери. Класифікація полімерів. Особливості будови та властивостей полімерних матеріалів

 

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органического и неорганического происхождения:

1. различные виды пластмасс,

2. композиционные материалы на неметаллической основе,

3. каучуки и резины,

4. клеи,

5. герметики,

6. лакокрасочные покрытия,

7. графит,

8. стекло,

9. керамика.

К природным полимерам относится многочисленная группа веществ животного и растительного происхождения (хлопок, шелк, кожа, натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит).

Особое значение имеют синтетические полимеры, которые и являются основой неметаллических материалов. Синтетические полимеры получают синтезом низкомолекулярных веществ, и они являются продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев.

Обладая рядом ценных свойств, не присущих металлическим материалам, полимерные материалы являются хорошим дополнением к металлам, а в ряде случаев могут быть их полноценными заменителями.

Согласно данным ООН использование неметаллических материалов в мировой экономике по отношению ко всем материалам составляет 7.5%. Такие их свойства, как: - достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Так же следует отметить их технологичность и эффективность при использовании. Эти материалы находят все большее применение в различных отраслях машиностроения.

Для успешного использования материалов на основе полимеров необходимо хорошо представлять особенности их строения, обусловленные этим, своеобразие свойств. Механическое перенесение закономерностей, определяющих поведение металлических материалов под нагрузкой. На полимерные материалы приводит к грубым ошибкам.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является А.М. Бутлеров. Промышленное производство первых пластмасс (фенопластов) – результат работ, проведенных в 1907-1914 г. Петровым Г.С.. В 1932 г. Лебедевым С.В. впервые в мире осуществлен промышленный синтез каучука. В области создания полимерных материалов большой вклад внесен многими видными учеными химии и физики полимеров.

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров). Характерной особенностью молекул полимеров является их большой молекулярный вес и размеры. От 5000 до 100 000.Свойства полимерных веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

Макромолекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Длина цепи в несколько тысяч раз больше их поперечного сечения, поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость (которая ограничена размером сегментов – жестких участков, состоящих из нескольких звеньев). Гибкость макромолекул – это еще одна отличительная особенность полимеров.

Гибкость обусловлена устойчивостью молекулы при поворотах отдельных звеньев молекулы, относительно валентных связей, благодаря чему возможен переход молекулы из одной формы в другую без разрушения связей между звеньями.

Эта возможность реализуется благодаря специфическому характеру связей между частицами в полимерном теле.

Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической (ковалентной) связью. Энергия химических связей составляет 330 –360 кДж/моль. Силы межмолекулярного взаимодействия, имеют обычно физическую природу и энергия таких связей значительно меньше (5-40 кДж/моль). Возможны и другие виды связи. Однако во всех случаях характерные свойства полимеров реализуются только тогда, когда силы межмолекулярного взаимодействия остаются значительно меньше сил внутримолекулярного взаимодействия.

Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому строению мономеров (полимеры) или разнородных звеньев (сополимеры).

Большое значение имеет стереорегулярность полимера, когда все звенья и заместители расположены в пространстве в определенном порядке. Это придает материалу повышенные физико-механические свойств (по сравнению с нерегулярными полимерами).

Таким образом, при оценке свойств полимеров необходимо учитывать две структурные единицы: а) цепную макромолекулу и б) звенья, из которых она построена. Особенностью полимера является то, что эти единицы выступают в той или иной степени независимо друг от друга. Это является характерным только для полимерного материала и обуславливает возникновение своеобразного комплекса свойств этих материалов.

Значительное влияние на свойства полимерного материала оказывает степень упорядоченности цепных макромолекул в конденсированной фазе. В расплавленном состоянии цепные макромолекулы всегда более упорядочены, чем молекулы низкомолекулярной жидкости. Степень порядка в упорядоченном полимере (в ориентированном или закристаллизованном состоянии) всегда меньше, чем в кристалле соответствующего низкомолекулярного вещества. Это связано с трудностью правильной упаковки в кристаллическую решетку громоздких цепных молекул полимерного материала.

Работами академика В.А. Каргина и его школы установлено, что формирование структуры полимера протекает только после известного упорядочения макромолекул уже в расплавленном состоянии.

 

В большинстве случаев макромолекулы группируются в линейные агрегаты – пачки (рис. 1).

а – объединение макромолекул в пачки,

б – пачка с аморфным участком,

с– аморфный участок пачки

Рис. 1.1 Схематическое строение пачки

 

Из таких пачек строятся все более сложные структуры. Расположение макромолекул в полимерном материале называется надмолекулярной структурой полимера.

При кристаллизации имеет место агрегирование пачек в ленты, фибриллы, из которых в свою очередь образуются пластины, сферолиты и в конечном счете дендриты. Надмолекулярные структуры одного и того же полимера могут быть весьма разнообразны. Поэтому и свойства кристаллического полимера не являются постоянными.

которых, в свою очередь, образуются пластины, сферолиты и, в конечном счете, дендриты (рис. 1.2.).

Рис. 1.2 Схемы надмолекулярных структур полимеров: а –пластинчатого единичного кристалла, б –сферолита; в –фибриллы, состоящей из трех микрофибрилл

 

На рис. 1.3 приведены последовательные стадии структурообразования в хлорпреновом каучуке.

 

 

а б в г

а – исходная некристаллическая структура;

б – образование пучка фибрилл;

в – формирование сферолитов;

г– множество сферолитов

Рис. 1.3 Развитие кристаллической структуры хлоропренового каучука

Рис.1.3, а показана полосчатая структура, характерная для аморфного состояния; на 1.3, б видно образование пучка фибрилл; на 1.3, в полное превращение полосчатой структуры в фибриллярную и возникновение пока еще не совсем оформившегося сферолита; на 1.3, г множество сферолитов, из которых образовались дендриты.

Надмолекулярные структуры одного и того же полимера могут быть весьма разнообразны. Поэтому и свойства кристаллического полимера не являются постоянными. При длительном хранении, эксплуатации и переработке, надмолекулярные структуры могут претерпевать изменения.

 

 

А теперь, прошу Вас ответить на вопрос:

В чем принципиальное различие в процессах кристаллизации полимеров и металлов?

ОТВЕТ:

1. В характере роста кристаллов. Для металлов рост кристаллов происходит путем присоединения атомов из жидкости к зародышу; у полимерных материалов – присоединением целых пачек из макромолекул к растущему кристаллу. Правильно. От этого зависит скорость процесса, величина и форма, образующихся кристаллов.

2. В скорости роста кристаллов; у металлов она более высокая. Действительно диффузионная подвижность атомов металла выше, чем у макро молекул. Но это не основное отличие.

5. В величине образующихся кристаллов. Величина кристалла – не принципиальное отличие. В отдельных случаях можно и при кристаллизации металла получить крупные кристаллы.

 

Классификация полимеров.

Полимеры классифицируют по различным признакам (составу, форме макромолекулы, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву и т.д.). Итак, первый вид классификации – по составу.

Все полимеры по составу подразделяются на:

1. органические;

2. элементоорганические;

3. неорганические.

Характеристика соединений.

Органические полимеры составляют наиболее значительную группу соединений. Это смолы и каучуки. Если основная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то их называют карбоцепными полимерами. В гетероцепных полимерах в основной цепи присутствуют кроме углерода атомы других элементов, и это влияет на свойства полимера.

Так, наличие в макромолекулах атомов:

1. 1. кислорода - повышает гибкость цепи;

2. фосфора и хлора – повышает огнестойкость;

3. серы придают газонепроницаемость;

4. фтора /даже в виде радикала/ сообщают полимеру химическую стойкость.

Элементоорганические соединени я содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами (CH₃, C₆H₅, CH₂). Радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неорганические атомы – повышенную теплостойкость.

В природе таких соединений нет. Представители таких соединений – это кремнийорганические.

Неорганические полимеры – это силикатные стекла, керамика, слюда,. асбест. В их составе нет углеродного скелета, а основу составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция.

Неорганические полимеры отличаются более высокой плотностью,высокой длительной теплостойкостью. Однако стекла и керамика хрупкие, плохо выносят динамические нагрузки. К неорганическим полимерам относят графит, представляющий собой карбоцепной полимер.

По форме макромолекул полимеры делят на:

1. линейные (цеповидные);

2. разветвленные;

3. плоские;

4. ленточные (лестничные);

5. пространственные или сетчатые.

По форме макромолекул полимеры делятся на:

· линейные (цеповидные);

· разветвленные;

· плоские;

· ленточные (лестничные);

· пространственные или сетчатые (рис. 1.4).

 

а – линейная; б – разветвленная; в – лестничная;

г – пространственная, сетчатая; д – паркетная

Рис. 1.4 Формы макромолекул полимеров

 

Линейные макромолекулы полимера представляют собой длинные, зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки.

Гибкие макромолекулы с высокой прочностью вдоль цепи и слабыми межмолекулярными связями обеспечивают эластичность материала, способность его размягчаться при нагреве, а при охлаждении вновь затвердевать(полиэтилен, полиамиды и др.).

Разветвленные макромолекулы, являясь также линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковки (полиизобулитен).

Макромолекула лестничного полимера состоит из двух цепей, соединенных химическими связями. Лестничные полимеры имеют более жёсткую основную цепь и обладают повышенной теплостойкостью, большей жёсткостью, они нерастворимы в стандартных органических растворителях (кремнийорганические полимеры).

Пространственные или сетчатые полимеры образуются при соединении («сшивке») макромолекул между собой в поперечном направлении прочными химическими связями непосредственно или через химические элементы или радикалы. В результате образуется сетчатая структура с различной густотой сетки. Редкосетчатые (сетчатые) полимеры теряют способность растворятся и плавится, они обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые (пространственные) полимеры отличаются твёрдостью, повышенной теплостойкостью, нерастворимостью. Пространственные полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических материалов. К сетчатым полимерам относятся также пластинчатые (паркетные) полимеры (графит).

По фазовому состоянию полимеры подразделяют на:

1. амфорные;

2. кристаллические.

Впервые в работах В. А. Каргина, А. И, Китайгородского и Г. Л. Слонимского (1957 г.) показано, что макромолекулы в полимерах расположены не хаотично, а имеют упорядоченное взаимное расположение. Структуры, возникающие в результате различной укладки молекул, называют надмолекулярными. Упорядоченность в структурообразовании определяется гибкостью линейных и разветвленных макромолекул, способностью их менять форму, перемещаться по частям; большое влияние оказывает жёсткость цепи и силы межмолекулярного притяжения. Впоследствии эти представления получили дальнейшее развитие. Однако вопрос о надмолекулярных структурах в амфорных полимерах окончательно не сформулирован.

Амфорные полимеры однофазны, и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачка состоит из многих рядов макромолекул, расположенных последовательно друг за другом. Пачки способны перемещаться относительно соседних элементов, так как они являются структурными элементами.

Некоторые амфорные полимеры могут быть также построены из свёрнутых в клубки цепей, так называемый глобул. Глобулярная структура полимеров дает невысокие механические свойства (хрупкое разрушение по границам глобул). При повышенных температурах глобула разворачивается в линейных образования, способствующие повышению механических свойств полимеров. Структуры в этих полимерах флуктуационны, термодинамически нестабильны и характеризуются относительно небольшим временем жизни.

Кристаллические полимеры образуются в случае, если их макромолекулы достаточно гибкие и имеют регулярную структуру. Тогда при соответствующих условия возможны фазовый переход внутри пачки и образование пространственных решёток кристаллов.

Гибкие пачки складываются в ленты путём многократно поворота пачек на 180^о. Затем ленты, соединяясь друг с другом своими плоскими сторонами, образуют пластины. Эти пластины наслаиваются, в результате чего получается правильные кристаллы.

В том случае, когда образование из более мелких структурных элементов правильных объёмных кристаллов затруднено, возникают сферолиты. Сферолиты состоят из лучей, образованных чередованием кристаллических и амфорных участков. В процессе ориентации гибкоцепных полимеров получаются фибриллярные структуры, состоящие из микрофибрилл. Между кристаллитами находятся амфорные участки.

Кристаллические структуры являются дискретными, организованными, термодинамически стабильны. В отсутствии внешних силовых полей время жизни (полиэтилен, полипропилен, полиамиды и др.). Кристаллизация происходит в определенном интервале температур. В обычных условиях полной кристаллизация не происходит, и структура получается двухфазной. Кристалличность сообщает полимеру жёсткость и твердость, а также теплостойкость. При длительном хранении, эксплуатации и переработке надмолекулярные структуры могут претерпевать изменения.

По полярности полимеры подразделяют на:

1. полярные;

2. неполярные.

Полярность определяется наличием в их составе диполей – разобщенных центров распределения положительных и отрицательных зарядов. Первым условием полярности является присутствие в полимере полярных связей (группировок – CI, - F, - OH), вторым – несимметрия в их структуре. По полярности связи C – H < C – N < C – O < C – F < C – CI. В неполярных полимерах дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются.

Неполярные полимеры (на основе углеводов) являются высококачественным высокочастотными диэлектриками, они обладают хорошей морозостойкостью. Полярность сообщает полимерам жёсткость, тёплостойкость, но морозостойкость у полярных материалов низкая.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на:

1. термопластичные;

2. 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 протекание химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твёрдыми. Отверждение полимера называется термостабильным.

 

 

Дисциплина «Неметаллические материалы»

Лекция 2.

 

Тема. Особенности свойств полимерных материалов

План.

 

1.Характеристика физических состояний полимерного материала.

2.Термомеханическая кривая.

3.Ориентационное упрочнение полимеров.

4.Релаксационные свойства полимеров.

5.Старение полимеров.

6.Радиационная стойкость полимеров.

7.Вакуумстойкость полимеров.

8.Абляция.

9.Адгезия.

 

Особенности строения полимеров оказывают большое влияние на их физико-механические и химические свойства.

Вследствие высокой молекулярной массы они не способны переходить в газообразное состояние, при нагреве образовывать низковязкие жидкости, а термостабильные даже не размягчаются.

С повышением молекулярной массы уменьшается растворимость.

Механические свойства полимеров (упругие, прочностные) зависят от их структуры, физического состояния, температуры.

Полимеры могут находиться в трех физических состояниях:

1. стеклообразном;

2. высокоэластическом;

3. вязкотекучем.

Рассмотрим каждое из этих состояний.

Стеклообразное состояние – твердое, аморфное (атомы, входящие в состав молекулярной цепи, совершают колебательное движение около положения равновесия; движения звеньев и перемещения макромолекул не происходит).

Высокоэластическое состояние характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках (колеблются звенья, и макромолекула приобретает способность изгибаться). Это состояние присуще только высокополимерам.

Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние, но отличается от него очень большой вязкостью (подвижна вся макромолекула).

С изменением температуры линейный или разветвленный полимер может переходить из одного физического состояния в другое..

Полимеры с пространственной структурой находятся только в стеклообразном состоянии. Редкосетчатая структура позволяет получать полимеры в стеклообразном и высокоэластическом состояниях. Различные физические состояния полимера обнаруживаются при изменении его деформации с температурой.

Графически зависимость деформации, развивающейся за определенное время при заданном напряжении, от температуры описывается так называемой термомеханической кривой. На рис. 1.5 изображены термомеханические кривые характерные для полимеров различного строения.

t_с, t_к., t_т, t _х – температуры стеклования, кристаллизации, начала вязкого течения и начала химического разложения, соответственно;

І, ІІ, ІІІ участки стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего состояний, соответственно;

Рис. 1.5 Термомеханические кривые полимеров:

1 – некристаллического линейного, 2 – кристаллического; 3 – редкосетчатого.

На кривых имеются три участка, соответствующие трем физическим состояниям. Средние температуры переходных областей называются температурами перехода. Линейный некристаллизующийся полимер (кривая1) при температуре, t _хр – становится хрупким. Около точки _., t_т кроме упругой и высокоэластической деформации возникает и пластическая.

Кристаллические полимеры (кривая 2) ниже температуры плавления – кристаллизации t_к являются твердыми, при t_к кристаллическая часть плавиться и почти скачкообразно их термомеханическая кривая достигает участка кривой 1, соответствующего высокоэластической деформации, как у некристаллического полимера. Редкосетчатые полимеры (типа резин) имеют термомеханическую кривую типа 3. Узлы сетки препятствуют относительному перемещению полимерных цепей. При повышении температуры вязкого течения не наступает, расширяется высокоэластическая область и ее верхней границей становится температура химического разложения полимера –(t_х).

Одними из основных характеристик полимеров являются температурные переходы (t_с и t_т).

Диаграммы растяжения имеют вид, показанный на рисунке 1.6.

 

1 — материал имеет предел текучести;

2 — материал не имеет предела текучести;

а — участки прямолинейного направления кривой в начале кривой «нагрузка-удлинение»;

S — предел текучести;

x — отрезок на оси удлинения для определения условного предела текучести;

S_x — условный предел текучести.

Рисунок 1.6 Вид диаграмм растяжения полимерных материалов

А) стеклообразного полимера (σ_вын.эл. - предел вынужденной эластичности 1–область упругих деформаций, 2 -область высокоэластической деформации)

Б) полимер с плотной сетчатой структурой.

В) кристаллический линейный полимер.

1 – удлинение пропорционально действующей силе;

2 – возникает «шейка» удлинение возрастает при постоянном значении силы до значительной величины; удлинение осуществляется за счет более толстой части образца;

3- после того, как весь образец превратился в шейку, процесс переходит в 3 стадию, которая заканчивается разрывом.

Ориентационное упрочнение.

Полимеры как в кристаллическом, так и в стеклообразном состоянии могут ориентированы. Процесс осуществляется при медленном растяжении полимеров, находящихся в высокоэластическом или вязкотекучем состоянии. Макромолекулы и элементы надмолекулярных структур ориентируются в силовом поле, приобретают упорядоченную структуру, по сравнению с неориентированными. После того, как достигнута необходимая степень ориентации, температура снижается ниже t_с и полученная структура фиксируется. Процесс ориентации сопровождается повышением прочности, материал приобретает анизотропию свойств. Прочность при разрыве в направлении ориентации увеличивается в 2-5 раз. В перпендикулярном направлении прочность уменьшается и составляет 30-50%

прочности исходного материала.

Различают одноосную ориентацию и многоосную, проводимую одновременно в нескольких направлениях. Первую применяют для получения волокон, труб, вторую – для получения пленок.

 

Cтарение полимеров.

Под старением полимерных материалов понимается самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале при эксплуатации и хранении. Причинами старения являются свет, теплота, кислород, озон и другие немеханические факторы. Старение ускоряется при многократных деформациях; менее существенно на старение влияет влага. Различают старение тепловое. Световое, озонное и атмосферное.

Испытание на старение проводится как в естественных условиях, так и искусственными ускоренными методами. Атмосферное старение проводится в различных климатических условиях в течении нескольких лет. Тепловое старение происходит при температуре 50^о С ниже температуры плавления (разложение) полимера. Продолжительность испытания определяется временем, необходимым для снижения основных показателей на 50% от исходных.

Сущность старения заключается в сложной цепной реакции, протекающий с образованием свободных радикалов (реже ионов), которая сопровождается деструкцией и структурированием полимера. Обычно старение является результатом окисления полимера атмосферным кислородом. Если преобладает деструкция, то полимер размягчается, выделяются летучие вещества (например, натуральный каучук). При структурировании повышаются твёрдость, хрупкость, наблюдается потеря эластичности (бутадиеновый каучук, полистирол). При высоких температурах (200 – 500^о С и выше) происходит термическое разложение органических полимеров, причём пиролиз полимеров. сопровождаемый испарением летучих веществ, не является поверхностным явлением, а во всём объёме образца образуются молекул, способные испаряться.

Стабильные к термодеструкции полимеры, обладающие высокой теплотой полимеризации (полиэтилен, полифенолы), полимеры с полярными заместителями (фторполимеры). Процессы старения ускоряются под действием механических напряжений. Стойки к озону кремнийорганические соединения. В тропической атмосфере устойчивы полиэтилен, политетрафторэлитен, полиамидные волокна, неустойчивы натуральный и синтетические каучуки, вискоза, хлопчатобумажные волокна.

Для замедления процессов старения в полимерные материалы добавляются стабилизаторы (различные органические вещества), актиоксиданты (амины, фенолы и др.).

Длительность эксплуатации стабилизированных материалов значительно возрастает. Срок наступления хрупкости полиэтилена, стабилизированного сажей, составляет свыше 5 лет. Трубы из поливинилхлорида могут работать 10 –25 лет.

Радиационная стойкость полимеров.

Под действием ионизирующих излучений в полимерах происходят ионизация возбуждение, которые сопровождаются разрывом химической связи и образованием свободных радикалов. Наиболее важными являются процессы сшивания или деструкции.

При сшивании увеличивается молекулярная масса, повышаются теплостойкость и механические свойства. При деструкции, наоборот, молекулярная масса снижается, повышается растворимость, уменьшается прочность. К структурирующимся полимерам относятся полиэтилен, полипропилен, полисилоксаны, полистирол, фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, поливинилхлорид, полиамиды, поликорбонат. Наиболее устойчивое к радиации полимеры, имеющие бензольное кольцо в виде боковой группы (полистирол). Структура С₆ Н₅ – группы имеет большое число энергетических уровней, вследствие чего поглощенная энергия быстро рассеивается по всей молекуле, не вызывая химической реакции.

Деструктрурируются политетрафторэтилен, политрифторхлорэтилен, нитроцеллюза, полиметилметакрилат. Для повышения радиационной стойкости в полимеры вводят антрирады (ароматические амины, фенолы, дающие эффект рассеяния энергии).

Радиационная стойкость полимеров выражается дозой поглощенного излучения и для разных полимерных материалов.

Вакуумстойкость полимеров.

Вакуум действует на полимерные материалы по – разному. Ухудшение их свойств связано с выделением из материала различных добавок (пластификаторов, стабилизаторов) и протеканием процессом деструкции. Например, политетрафторэтилен в вакууме в основном деполимеризуется. Для резин на основе углеводородных каучуков ускоряются накопление остаточной деформации и релаксации напряжения, что уменьшает работоспособность. Для ориентированных полимеров (полиамиды, полиэтилен, полипропилен) долговечность в вакууме и на воздухе одинаковы.

Оценки вакуумстойкости даётся по газопроницаемости, по газовыделению и времени сохранения конструкционной вакуумплотности.

Газопроницаемость – техническая характеристика, определяющая поток газа или пара через уплотнитель (мембраны, диафрагмы, герметичные прокладки). На газопроницаемость влияют состав, структура полимера, а также природа газа и температура. Газопроницаемость меньше у полярных линейных полимеров, а при наличии гибких макромолекул (каучуки) она возрастает. При введении пластификаторов газопроницаемость растёт, а минеральные наполнители её снижают. На газопроницаемость влияет вид газа: для азота она меньше, чем для кислорода и особенно водорода.

Абляция. Абляция полимерных материалов – это разрушение материала, сопровождающееся уносом его массы при воздействии горячего газового потока. В процессе абляции происходит суммарное воздействие механических сил, теплоты и агрессивных сред потока. На ряду с химическими превращениями при деструкции полимеров важную роль играют процессы тепло – и массообмена.

Абляционная стойкость определяется устойчивостью материала к механической, термической и термоокислительной деструкции. На абляционную стойкость влияет также структура полимера. Материалы на основе полимеров линейного строения имеют низкую стойкость (происходит деполимезация и деструкция). Температура абляции не превышает 900^о С. Материалы на основе термостойких полимеров лестничного или сетчатого строения (фенолоформальдегидные, креймнийорганические и др.) имеют более высокуум стойкость к абляции. В них протекают процессы структурирования и обезуглероживания (карбонации). Температура абляции может достигать 3000⁰ С. Для увеличения абляционной стойкости вводят армирующие наполнители. Так, стеклянные волокна оплавляются, при этом расходуется много теплоты. Теплопроводность пластиков в сотни раз меньше, чем теплопроводность металлов, поэтому при кратковременном действии высокой температуры внутренние слои материала нагреваются до 200⁰ – 350⁰ С и сохраняют механическую прочность.

Адгезия. Адгезией называется слипание разнородных тел, приведённых в контакт. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием. На способности полимеров к адгезии основано их использование в качестве плёнкообразующих материалов (клеи, герметики, покрытия), а также при получении наполненных и армированных полимерных материалов должен быть пластичным, текучим (адгезив), а другой может быть твёрдым (субстрат).

Иногда при соединении одинаковых материалов возникает самослипаемость (аутогезия). Количественно адгезия оценивается удельной силой разрушения соединения, которая называется адгезионной прочностью.

Для объяснения физику – химической сущности адгезионных явлений предложены теории: адсорбции, электрическая и диффузионная. Адсорбционная теория рассматривает адгезию как чисто поверхностный процесс, аналогичный адсорбции; плёнка удерживается на поверхности материала в результате действия межмолекулярных сил.

В основе электрической теории (работы Б. В. Дерягина и Н. А. Кротовой) лежат электрические силы. Адгезия - результат действия электростатических и ван – дер - ваальсовых сил. Электростатические силы определяются двойным электрическим слоем, всегда возникающим при контакте разнородных тел.

Диффузионная теория, развиваемая С. С. Воюцким, предполагает, что при образовании связи между неполярными полимерами электрический механизм адгезии невозможен и адгезия обусловливается переплетением макромолекул поверхностных слоёв в результате их взаимодиффузии. Для получения высокой прочности необходимы, чтобы адгезив был полярным с гибкими макромолекулами. На прочность соединения влияет температура, давление, время. Большое значение имеет смачивание поверхности субстрата адгезивом.

 

ЛЕКЦИЯ 3

План.

1. Определение. Свойства пластмасс.

2. Состав. Характеристика связующих и наполнителей.

3. Классификация.

4. Область применения пластмасс.

5. Неполярные термопластичные пластики: полиэтилен, полипропилен, полистирол, фторопласт – 4.

 

1. Пластическими массами (пластмассами) обычно называют неметаллические материалы, перерабатываемые в изделия методами пластической деформации (прессование, экструзия, литье под давлением и т.д.),обладающие пластическими свойствами в условиях переработки и не обладающие этими свойствами в условиях эксплуатации, т ак как эти материалы способны при нагреве размягчаться, становится пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая потом сохраняется. Таким образом, при обычных температурах пластмассы представляют собой твердые, упругие тела.

Пластмассы - это искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. В зависимости от природы связующего переход отформованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагреве, или при последующем охлаждении.

Свойства пластмасс.

Некоторые свойства пластмасс сравним с аналогичными свойствами некоторых металлов. Плотность различных пластмасс колеблется от 0,9 до 2,2 г/см­­­­­­­­­­­­­­­_{­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­}³; имеются особые типы пластмасс (пенопласты) с плотностью 0,02 – 0,1 г/см³. В среднем пластмассы примерно в 2 раза легче алюминия и в 5-8 раз легче стали, меди и других металлов, а некоторые сорта пенопластов более чем в 10 раз легче пробки. Прочность некоторых видов пластмасс даже превосходит прочность некоторых марок стали, чугуна, дюралюминия и др.

По химической стойкости пластмассы не имеют себе равных среди металлов. Они устойчивы не только к действию влаги воздуха, но и таких сильнодействующих химических веществ, как кислоты и щелочи.

Обычно пластмассы являются диэлектриками. Отдельные сорта пластмасс представляют собой лучшие диэлектрики из всех известных в современной технике.

В настоящее время известен целый ряд пластмасс, обладающих значительной тепло- и морозостойкостью, что позволяет применять их для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур.

По своим антифрикционным свойствам многие пластмассы значительно превосходят лучшие антифрикционные сплавы металлов. Многие типы пластмасс при использовании их для подшипников не требуют смазки, другие же могут «смазываться» просто водой.

Наряду с большой механической прочностью некоторые виды пластмасс обладают прекрасными оптическими свойствами.

Обычно пластмассы имеют твердую, блестящую поверхность, не нуждающуюся в полировке, лакировке или поверхностной окраске. Внешний вид их не изменяется от обычных атмосферных воздействий.

По метода