Общие сведения о полимерных материалах

Полимерными материалами называют вещества природного или искусственного происхождения, макромолекулы которых состоят из одинаковых многократно повторяющихся групп атомов, назы­ваемых мономерными (элементарными) звеньями.

Число мономерных звеньев, входящих в состав макромолекулы, может составлять от 100 до 1000. Величина молекулярной массы оказывает влияние на свойства полимеров. Так, с увеличением молекулярной массы уменьшается растворимость полимера, повышается температура его плавления, возрастает прочность и твердость. Свойства полимеров, кроме того, зависят от химического состава мономеров, формы цепей молекул и их строения (структуры полимера).

Полимеры классифицируют по ряду признаков. По происхождению полимеры подразделяются на:

- природные или натуральные (например, биополимеры - белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды);

- искусственные (получаемые химической переработкой природных полимеров, например, ацетилцеллюлоза);

- синтетические (получаемые путем синтеза низкомолекулярных веществ – мономеров).

В зависимости от строения макромолекул различают полимеры линейной, разветвленной и сетчатой структуры.

У полимеров линейной структуры макромолекулы представляют собой открытую линейную цепь (например, натуральный каучук) или вытянутые в линию последовательные циклы (например, целлюлоза). Полимеры такого вида имеют невысокую прочность, легко плавятся, растворяются в органических растворителях.

У полимеров разветвленной структуры макромолекулы имеют форму линейной цепи с ответвлениями в виде коротких ветвей. Такие полимеры, как правило, менее эластичны, при нагревании размягчаются, но трудно плавятся, в растворителях лишь набухают.

У полимеров сетчатой структуры макромолекулы получаются в результате связывания (сшивания) линейных и раз­ветвленных цепей поперечными связями (мостиками). Эти поли­меры чаще всего имеют кристаллическое строение, при повышенной температуре не плавятся, не разлагаются, не растворяются ни в каких растворителях и лишь иногда способны набухать (резина, поликонденсационные смолы).

По химическому составу макромолекул различают:

гомополимеры – полимеры, образованные из одного мономера, например, полиэтилен;

сополимеры – полимеры, образованные, по меньшей мере, из двух различных мономеров (например, бутадиен-стирольный каучук);

олигомеры – полимеры сравнительно небольшой молекулярной массы. К олигомерам относятся многие синтетические смолы - феноло-формальдегидные, эпоксидные, полиэфирные и др., а также некоторые природные вещества, например, антибиотики.

По химическому составу основной цепи полимеры делятся на:

гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов,

гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего С, N, Р, Si. Среди гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные, которые содержат в основной цепи звенья только из атомов углерода.

В зависимости от фазового состояния полимеры могут существовать в крис­таллическом, жидком (аморфном) и жидкокристаллическом (аморфно-кристаллическом) фазовых состояниях, различаю­щихся степенью упорядоченности частей макромолекул в структуре полимера.

По отношению к нагреву все полимеры подразделяются на две большие группы:

- термопластичные полимеры, которые могут размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, таким образом, их можно многократно нагревать до температуры плавле­ния и охлаждать. Такое свойство позволяет осуществлять неоднократную переработку полимеров, в том числе, используя брак и отходы. К термопластичным полимерам относятся такие, как полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид и др.

- термореактивные полимеры (реактопласты) сначала в процессе их образования при нагревании плавятся, но затем их молекулы связываются между собой и образуют пространственную структуру, полимер затверде­вает, необратимо теряя способность плавиться. К термореактивным полимерам относятся не­которые фенолоформальдегидные и другие поликонденсационные полимеры.

По назначению полимерные материалы делятся на следующие группы:

— пластические массы (пластмассы, пластики) и композиты;

— эластомеры (каучуки и резины);

— химические волокна;

— лакокрасочные материалы, полимерные покрытия и пленки;

— клеи и герметики.

Полимерные материалы отличаются от традиционных материалов, используемых человечеством с глубокой древности, комплексом особых свойств, высокой экономич­ностью методов переработки в изделия, практически неогра­ниченной сырьевой базой.

Для полимерных материалов характерны следующие положительные свойства:

- малая плотность и, как следствие, высокий условный по­казатель прочности (отношение временного сопротивления на разрыв к плотности), превы­шающий аналогичный показатель лучших сортов стали;

- стойкость к агрессивным средам, атмосферному и радиа­ционному воздействиям;

- высокие радио- и электротехнические свойства, в том чис­ле диэлектрические, мало зависящие от темпера­туры и частоты электрического поля;

- широкий регулируемый диапазон фрикционных свойств;

- специфические оптические свойства, способность пропус­кать лучи света в широком диапазоне волн, в том числе, ульт­рафиолетовые (70% для полиметилметакрилата против 1—3% для силикатного стекла);

- возможность целенаправленно изменять физико-механические и химические свойства полимеров, сочетать в одном материале противоположные качества, например, твердости и гибкости (например, композиционные материалы на основе полимеров).

К недостаткам полимерных материалов относятся:

- низкая теплостойкость (как правило, она не превышает 120°С, за исключением фторопластов и кремнийорганических полимеров;

- недостаточная твердость и прочность по сравнению с металлическими сплавами;

- ползучесть, т.е. изменение формы и прочности под механическими воздействиями, особенно при повышении температуры;

- большое тепловое расширение;

- низкая теплопроводность, затрудняющая отвод тепла, однако, с другой стороны, придающая полимерам хорошие теплоизоляционные свойства;

- склонность к старению, т.е. к деструктивному разрушению с течением времени и ухудшению показателей физико-механических свойств.

Тем не менее, использование современных полимерных материалов позволяет сни­зить материалоемкость продукции за счет замены традиционных конструкционных материалов. Технически возможное и экономически целесообразное применение полимеров вместо металлических сплавов позволяет достичь значительной экономии капитальных затрат, т.к. для производства пластмасс требуются значительно меньшие капиталовложения, чем для производства эквивалентного объема металлов, особенно тяжелых цветных. Особенно эффективна замена полимерами тяжелых цветных металлов, коррозионно-стойкой стали, ценных сортов древесины в различных областях.

В последнее время расширяется использование нефтехимического сырья для про­изводства полимеров, синтезируются новые виды полимеров и сополимеров с улучшенными свойствами, в том числе с использованием радиационно-химической технологии, создаются полимеры с уникальными свойствами, например, для мембранной технологии.

Использование полимеров в качестве матрицы для композитов обеспечивает получение конструкционных материалов, превосходящих по своим прочностным, физико-химическим свойствам традиционные материалы. В производство и переработку полимеров внедряются автоматизированные поточ­ные линии, расширяется производство изделий из полимерных материалов с робототехнических комплексов и высоко­производительных агрегатов, повышается качество выпускаемых изделий.