Неметаллические материалы

Неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стекло, клей, лакокрасочные покрытия, древесина, ткань и др.) в качестве конструкционных материалов служат важным дополнением к металлам, в ряде случаев с успехом заменяют их, а иногда неметаллические материалы сами являются незаменимыми. Двигатели внутреннего сгорания из керамики обходятся без водяного охлаждения, что невозможно при изготовлении их из металла; обтекатели ракет делают только из неметаллических материалов (графита, керамики). Трудно представить домашнюю утварь, аудио- и видеотехнику, компьютеры, спортивное снаряжение, автомобили и другую технику без неметаллических материалов - пластмасс, ламинатов, керамики, резины, стекла и др.

Достоинством неметаллических материалов является сочетание требуемого уровня химических, физических и механических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий сложной конфигурации. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5-6 раз ниже, и они в 4-5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непременно возрастает использование неметаллических материалов в машиностроении, автомобилестроении, авиационной, пищевой, холодильной и криогенной технике и др.

Пластмассы

Пластическими массами (пластмассами) называют материалы, основу которых составляют высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа низкомолекулярных соединений (мономеров) одинакового строения, связанных между собой силами главных валентных связей. Соединения, большие молекулы (макромолекулы) которых состоят из одинаковых структурных звеньев, называют полимерами.

Отдельные атомы в мономерах соединены между собой довольно прочными ковалентными химическими связями. Между макромолекулами полимеров действуют значительно более слабые физические связи. например, мономеры этилена С₂Н₂ или хлорвинила С₂Н₂Cl после разрыва двойных ковалентных связей и образования одинарных молекул (меров) создают цепь из мономеров, т.е. полимеры, которые называются соответственно полиэтилен и поливинилхлорид (рис. 19).

Особенностью молекул полимеров является их большая молекулярная масса (М > 5 × 10³). Макромолекулы представляют собой длинные цепи из мономеров, что определяет их большую гибкость.

Различают природные и искусственные (или синтетические) полимеры. К полимерам, встречающимся в природе, относятся натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, шерсть и т.д. Однако ведущее место занимают синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений.

Для получения материалов с заданными свойствами в технике часто используют не отдельные полимеры, а их сочетания с другими материалами как органического, так и неорганического происхождения (металлопласты, пластмассы, полимербетоны, стеклопластики и др.).

Своеобразие свойств полимеров обусловлено их структурой. Различают следующие типы полимерных структур: линейную, линейно-развет-вленную, лестничную и пространственную с громоздкими молекулярными группами и специфическими геометрическими построениями (рис. 20).

Для макромолекул полимеров с линейной структурой (рис. 20, а) характерна высокая гибкость, что обеспечивает эластичность и отсутствие хрупкости в твердом состоянии. Полимеры с линейно-разветвленной структурой помимо основной цепи имеют боковые ответвления (рис. 20,

К типичным полимерам с линейной структурой относится полиэтилен, с линейно-разветвленной - полиизобутилен и полипропилен:

Здесь в скобках приведена химическая структура звена, а индекс n указывает степень полимеризации.

Молекула полимера с лестничной структурой (рис. 2, в) состоит из двух цепей, соединенных химическими связями. Полимеры с лестничной структурой, к которым относятся, например, кремнийорганические полимеры, характеризуются повышенной термостойкостью, жесткостью, они не растворимы в органических растворителя.

Полимеры с пространственной структурой (рис. 2, г) образуют при соединении макромолекул между собой в поперечном направлении прочные химические связи. В результате образуется сетчатая структура с различной густотой сетки или пространственная сетчатая структура.

Полимеры с пространственной структурой обладают большей жесткостью и теплостойкостью, чем полимеры с линейной структурой. Полимеры с пространственной структурой являются основой конструкционных неметаллических материалов.

В зависимости от того, как ведут себя полимеры при нагреве, они делятся на термопластичные и термореактивные.

Линейные и разветвленные полимеры, как правило, плавятся или размягчаются при нагревании. Такие полимеры называют термопластичными (термопластами). При охлаждении термопласты вновь переходят в твердое состояние. При этом материал не претерпевает химических превращений, что делает процесс плавления - затвердевания полностью обратимым. К термопластам относятся полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.

Термореактивные полимеры сначала имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем в результате протекания химических реакций приобретают пространственную структуру и превращаются в твердое вещество, сохраняя и в дельнейшем высокую твердость. Последующий нагрев не размягчает их и может привести только к их разложению. Готовый термореактивный полимер не плавится и не растворяется, поэтому в отличие от термопластичного не может подвергаться повторной переработке. К термореактивным полимерам относятся феноло-формальдегидная, кремнийорганическая, эпоксидная и другие смолы.

По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. В молекулах неполярных полимеров центры тяжести разноименных зарядов совпадают. У полярной макромолекулы центр тяжести электронов сдвинут в сторону более электроотрицательного атома и центры тяжести разноименных зарядов не совпадают.

Неполярные полимеры имеют симметричное расположение функциональных групп и дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются.

Полимеры в зависимости от расположения и взаимосвязи макромолекул могут находиться в аморфном (с неупорядоченным расположением молекул) или кристаллическом (с упорядоченным расположением молекул) состоянии. При переходе полимеров из аморфного состояния в кристаллическое повышается их прочность и теплостойкость.

В зависимости от температуры нагрева полимеры могут находиться в одном из трех физических состояний: стеклообразном, высокоэластичном 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. Преимущественная деформация полимеров в этом состоянии - упругая.

Высокоэластичное 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 подвижности макромолекул. В вязкотекучем, пластическом состоянии проводится переработка полимеров и материалов на их основе в изделия.

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

Полимеры с линейной, разветвленной и редкосетчатой структурой (термопласты) могут находиться в стеклообразном и высокоэластическом состояниях, а с пространственной (термореактивные) только в стеклообразном.

Исходя из такой зависимости деформации и физического состояния полимеров от температуры, пластмассы перерабатывают в изделия различными способами в вязкотекучем, высокоэластичном, жидком и твердом состояниях, а также производят сварку и склеивание.

Полимеры или пластмассы на их основе используются в твердом состоянии при температурах ниже t_с (температура стеклования). При температуре ниже t_хр (температура охрупчивания) полимер переходит в хрупкое состояние. Формообразование изделий из полимеров или пластмасс проводят в температурной области вязкотекучего состояния. Кристаллические полимеры с аморфной составляющей до температуры плавления (кристаллизации) t_к находятся в твердом состоянии, при t_к кристаллическая составляющая полимера плавится и переходит в высокоэластическое состояние аналогично некристаллическим полимерам. Выше температуры t_т (температуры начала вязкого течения) аморфные и кристаллические полимеры находятся в вязкотекучем (гелеобразном) состоянии.

У редкосетчатых полимеров (типа резины) при повышении температуры вязкое течение не наблюдается. Верхней границей их высокопластического состояния является температура t_х (температура начала химического разложения).

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

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

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

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: