Структура и строение пластических масс.

Пластические массы (пластмассы) - неметал­лические композиционные материалы на основе полимеров (смол), способные под влиянием нагревания и давления формироваться в изделия и устойчиво сохранять в результате охлаждения или отверждения приданную им форму.

Для пластмасс характерны малая плотность, высокая устойчивость против коррозии, в боль­шинстве случаев низкий коэффициент трения, высокие электроизоляционные, теплоизоляцион­ные и демпфирующие свойства, декоративность. Их недостатки — низкие теплостойкость и теп­лопроводность, гигроскопичность, склонность к старению и снижению прочностных свойств под воздействием температуры; времени и различных сред. Основу пластмасс составляют полимеры, от типа и количества которых зависят физиче­ские, механические и технологические свойства пластмасс.

Полимеры— это высокомолекулярные соединения (рис. 7.1), имеющие линейную (а), разветвленную (б) или пространственную (в) структуру. Молекула полимера — это длинная цепь, состоящая из отдельных звеньев (рис. 7.2), однотипных по химическому составу и строению (гомополимер) или разнотипных (сополимер). Полимер, у которого макромолекулы состоят из разнородных относительно крупных звеньев (ос­колков макромолекул), называют блок-сополи­мером. Если к макромолекулам прививаются «боковые» отростки макромолекул другого ве­щества, то получаются привитые сополимеры. Создавай привитые сополимеры, можно полу­чать материалы с новыми, заранее заданными свойствами.

Рис. 7.1. Структура полимеров

А – линейная, б – разветвленная, в - пространственная

Полимеры могут находиться в аморфном и кристаллическом состояниях. При переходе по­лимера из аморфного в кристаллическое состоя­ние существенно меняются его физико-механиче­ские свойства, повышается прочность и тепло­стойкость. Под действием теплоты аморфные полимеры переходят из твердого (стеклообраз­ного) состояния в высокоэластичное и вязкотекучее состояние (рис. 7.1). Из термомеханической кривой аморфного полимера видно, что в темпе­ратурной зоне I вещество находится в стекло­образном состоянии, деформация е мала и уве­личивается пропорционально температуре. Выше температуры стеклования t_c полимер становится высокоэластичным (зона II), а выше температуры текучести t_Т — вязкотекучим (зона III). Теплостойкость полимерного ма­териала характеризуется температурой стеклова­ния t_c. Знание температур стеклования и теку­чести позволяет обоснованно назначать темпе­ратурные интервалы формования изделий из по­лимеров.

Для кристаллических полимеров термомеха­нические кривые имеют иной вид, чем для аморфных полимеров. Некоторые полимеры с увеличением температуры разлагаются, не пере­ходя в вязкотекучее состояние.

Линейные и разветвленные поли­меры служат основой термопластичных пласт­масс (термопластов). Макромолекулы линейных полимеров представляют собой цепи, имеющие длину, в сотни и тысячи раз превышающую раз­меры поперечного сечения. При разветвленной структуре полимера макромолекулы имеют боковые ответвления, длина и число которых мо­гут быть различными.

Полимеры, способные образовывать пространственные структуры, служат основой термореактивных пластмасс (реактопластов). Пространственные структуры получаются из отдельных линейных цепей полимеров в ре­зультате возникновения поперечных связей. При этом полимер становится полностью неплавким и нерастворимым. При редких связях возможно некoтоpоe набухание под воздействием растворителя и незначительное размягчение при нагреве.

Полимеры с течением времени могут значи­тельно изменять свои свойства и стареть. При этом снижается механическая прочность, уменьшается эластичность, повышается хрупкость. Старение полимеров происходит в результате физико-химических процессов, в основном деструкции — разрыва химических связей в основной цепи макромолекул. Деструкцию полимеров вызывает нагрев, воздействие окислительных реагентов, облучение и т. д.

Механическая деструкция происходит при {стирании и разрыве полимерных материалов. Термическая деструкция зависит от структуры полимера и приводит к его распаду на исходные мономеры. Химическая деструкция возникает год влиянием кислорода воздуха и может уско­ряться под действием света.

Для замедления процесса старения в пласт­массы добавляют различные стабилизаторы — органические вещества, которые уменьшают дей­ствие того или иного фактора. Например, амины предохраняют полимеры от окисления; сажа, поглощая свет, служит светостабилизатором и т. д.

Классификация пластмасс. В зависимости от вида связей между молекулами полимеров и их поведения при повышенных температурах пласт­массы (табл. 17) разделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопласты получают на основе поли­меров, молекулы которых связаны слабыми межмолекулярными силами. Наличие таких меж­молекулярных связей позволяет полимеру много раз размягчаться при нагревании и твердеть три охлаждении, не теряя свои первоначальные свойства. К термопластам относят полиэтилен, капрон, полиамиды; поливинилхлорид, винипласты, фторопласты, органическое стекло и др.

Рис. 7.2. Термомеханическая кривая аморфного полимера

Реактопласты получают на основе поли­меров, молекулы которых наряду с межмолекулярными силами могут связываться химически. Возникновение прочных химических связей в полимерах происходит при нагревании или при введении отверждающих добавок - отвердителей.

Отвердителями называют вещества, которые в количестве нескольких процентов вво­дят в реактопласты для соединения полимерных молекул химическими связями. В результате введения отвердителя образуется пространст­венная молекулярная сетка, а молекулы отвер­дителя становятся частями этой сетки. При воз­никновении химических связей полимер превра­щается в жесткое неплавящееся и нерастворимое вещество. Примером реактопластов могут слу­жить эпоксидные и полиэфирные смолы, фено­пласты и другие полимеры.

Пластмассы разделяют на пластики и эластики. Первые называют жесткими, они имеют незначительное относительное удлинение, вторые — мягкими, они имеют большое относи­тельное удлинение и малую упругость.

По составу пластмассы разделяют на две группы — ненаполненные и наполненные (ком­позиционные).

Ненаполненные пластмассы — это полимеры в чистом виде, например полиэтилен, полиамид, органическое стекло и др.

Наполненные пластмассы — это сложные композиции, содержащие кроме поли­мера различные добавки. Добавки позволяют из­менять свойства полимера в нужном направле­нии. К добавкам относят наполнители, пласти­фикаторы, стабилизаторы, катализаторы, краси­тели, отвердители и специальные добавки.

Наполнители упрочняют материал, удешевля­ют его и придают ему специальные свойства, на­пример повышают теплостойкость, уменьшают усадку и т. д. В качестве наполнителей исполь­зуют органические (древесная мука, целлюлоза, хлопковые очесы, хлопчатобумажная ткань, дре­весный шпон, бумага и т. д.) и неорганические (графит, тальк, асбест, кварц, слюда, стекло­волокно, стеклоткань и др.) вещества. В пласт­массе может содержаться до 70% наполнителей.

Пластификаторы облегчают переработку пластмасс и делают их более эластичными. Кро­ме того, пластификаторы увеличивают гибкость, уменьшают хрупкость и улучшают формуемость пластмасс. Пластификаторы уменьша­ют межмолекулярное взаимодействие и хорошо совмещаются с полимерами. В качестве пластификаторов исполь­зуют эфиры, дибутилфталат, касторо­вое масло и др. Их добавляют в пла­стмассы в количестве 10—20%.

Стабилизаторы — различные орга­нические вещества, способствуют предотвращению старения пластмасс и сохранению их полезных характери­стик. Отвердители ускоряют про­цессы отвердения смол и получения пластмасс. Катализаторы — ве­щества (известь, магнезия и др.), уско­ряющие отвердение пластмасс. Кра­сители—вещества (сурик, мумия, ни­грозин и др.), придающие пластмас­сам требуемый цвет. Специаль­ные добавки — вещества, которые служат для изменения или усиления какого-либо свойства. К ним относят смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кис­лота и др.), которые увеличивают текучесть, уменьшают трение между частицами композиций и устраняют прилипание к пресс-формам, веще­ства для уменьшения статических, электрических зарядов, уменьшения горючести, защиты от пле­сени и т. д.