НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы и пластмассы, резины, клеи и герметики, лакокрасочные материалы, прокладочные материалы, стекло, волокнистые (древесные) материалы.

Полимерные материалы и пластмассы

Общая характеристика полимерных материалов (полимеров)

Полимеры — высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Их молекулярная масса составляет 105...107. Следовательно, свойства полимера определяются не только его химическим составом, но и строением, и взаимным расположением молекул. Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул различают полимеры линейные, разветвленные, плоские ленточные, плоские сетчатые, слоистые и пространственные (рис. 7.1).

Форма макромолекул

Рис. 7.1. Форма макромолекул

Гибкие длинные линейное макромолекулы обладают высокой прочностью вдоль цепи и слабыми молекулярными связями, что обеспечивает их эластичность, способность размягчаться при нагреве и затвердевать при охлаждении (полиэтилен, полиамид). Разветвленные молекулы отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен). Плоские ленточные молекулы состоят из двух цепей, соединенных химическими связями. Они обладают повышенной теплостойкостью и большей жесткостью. Пространственные молекулы образуются при соединении молекул между собой прочными химическими связями. Образуется сетчатая структура с различной густотой сетки. Молекулы с редкой сеткой (сетчатые) теряют способность растворяться и плавиться, но обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые молекулы (пространственные) отличаются твердостью и большой теплостойкостью. Эти полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических материалов.

Аморфные полимеры строятся из цепных молекул и собраны в пачки. Пачки являются структурными элементами и могут перемещаться относительно соседних элементов. Некоторые аморфные полимеры состоят из цепных молекул, свернутых в клубки (глобулы). Такая структура дает низкие механические свойства (хрупкое разрушение по границам глобул). При повышении температуры глобулы могут разворачиваться, что повышает механические свойства.

Квазикристаллические полимеры (квази — как бы) образуются только из достаточно гибких макромолекул с регулярной структурой. В этом случае возможно образование пространственных решеток внутри пачки. Гибкие пачки складываются в ленты, многократно поворачиваются на 180 °С и образуют пластины (рис. 7.2, а). Пластины, наслаиваясь друг на друга, образуют правильные кристаллы. При затруднении наслоения образуются сферолиты (рис. 7.2, б), состоящие из лучей, с чередованием кристаллических и аморфных зон. Кристаллические участки состоят из микрофибрилл (рис. 7.2, в).

Структура квазикристаллических полимеров

Рис. 7.2. Структура квазикристаллических полимеров: а — пластина; б — сферолит; в — микрофибрилла

По отношению к нагреву полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры имеют линейную или разветвленную структуру молекул. При нагреве они размягчаются, могут плавиться, при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим.

Термореактивные полимеры в начальной стадии образования имеют линейную структуру. При нагреве они размягчаются. Далее образуется пространственная структура, полимер получает термостабильное твердое состояние.

Особенности строения полимеров определяют их свойства. Высокая молекулярная масса приводит к невозможности перехода в газообразное состояние или образованию низковязких жидкостей. Термостабильные полимеры не размягчаются. Полимеры могут находиться в трех стабильных состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем.

Стеклообразное — твердое аморфное состояние, где нет движения звеньев и перемещения макромолекул. Высокоэластичное состояние характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы под действием незначительных нагрузок. Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние с большой вязкостью.

Полимеры стареют (самопроизвольно и необратимо изменяются их важнейшие механические свойства) под воздействием света, кислорода (озона), влажности, теплоты, длительного хранения. Процессы старения ускоряются под воздействием механических напряжений. Сущность старения заключена в сложной цепной реакции с образованием свободных радикалов (реже ионов), сопровождаемой деструктуризацией. Наиболее устойчивы к воздействию высоких атмосферных температур и влаги полиэтилен, политетрафторэтилен, полиамидные волокна. Для замедления старения в полимеры добавляют стабилизаторы (органические вещества, антиоксиданты). Например, срок службы полиэтилена, стабилизированного сажей, увеличивается до 5 лет, поливинилхлорид имеет срок службы до 25 лет.

 
Посмотреть оригинал