Общие свойства полимеров

Полимеры обладают рядом положительных свойств: малой плот­ностью, высокой прочностью и эластичностью, газо- и водоне­проницаемостью, низкой теплопроводностью, высокой химиче­ской стойкостью, легкостью механической обработки, способно­стью склеиваться и свариваться. Вместе с тем им присущи и недо­статки: низкая теплостойкость, низкая твердость, высокое тепло­вое расширение, повышенная ползучесть, относительно быстрое старение, горючесть.

Старение полимеров. В процессе эксплуатации изделий из поли­мерных материалов происходит их постепенное старение под дей­ствием теплоты, света, ионизирующего излучения, механических напряжений, воды, кислорода и других химических веществ. Ста­рение заключается в разрыве связей основной цепи макромолеку­лы и понижении молекулярной массы, что может сопровождать­ся изменением химического состава. Разрыв макромолекул в при­сутствии кислорода воздуха способствует возникновению свобод­ных радикалов, которые инициируют цепной процесс окисли­тельной деструкции. Полимеры, содержащие в цепи двойные свя­зи, быстрее подвергаются деструкции, чем предельные.

Стабилизация полимеров. С целью замедления старения поли­меров к ним добавляют стабилизаторы: антиоксиданты (ингиби­торы термоокислительной деструкции), фотостабилизаторы (по­вышают устойчивость полимеров к фотохимической деструкции), антирады (тормозят старение полимеров под влиянием радиоак­тивных излучений), пассиваторы (снижают химическую активность полимеров) и др.

С помощью антипиренов пластмассы делают трудногорючими. При удалении источника пламени их горение прекращается. Такие материалы называются самозатухающими.

Высокоэластичность. Жидкое состояние полимеров называется вязкотекучим, так как вязкость полимерных расплавов велика из-за взаимного зацепления молекул. Вязкотекучее состояние возни­кает при нагревании линейных полимеров выше их температуры размягчения t_р. В этом состоянии полимеры имеют аморфное стро­ение структура а), деформации их необратимы. При приложении постоянной силы они текут, но довольно медленно.

Если соединить цепи полимерного расплава сшивками, то они не смогут перемещаться относительно друг друга и течение станет невозможным. С другой стороны, подвиж­ность цепей между сшивками не ограничена и свернутые участки цепи могут распрямляться при растяжении, обеспечивая исклю­чительно большие обратимые деформации, называемые высоко­эластическими. Сцепление полимерных цепей в высокоэластиче­ском состоянии вещества, исключающее его течение, не обяза­тельно должно быть связано с химическими связями между мак­ромолекулами. Роль сшивок могут играть зародыши кристалличе­ской фазы, механические зацепления мо­лекул или небольшие застеклованные области.

При понижении температуры ниже температуры стеклования t„ или температуры кристаллизации t_Kp полимеры переходят из высокоэластического в твердое состояние, в котором они могут иметь стеклообразную е) или частично-кри­сталлическую структуру. В стеклообразной структуре с кристаллические области (кристаллиты) разделены аморфными прослойками. Чисто кристаллическое состояние d) для полимеров не характерно.

Не кристаллизуются (даже частично) статистические сополи­меры, а также атактические полимеры, у которых в цепи случай­ным образом чередуются звенья разных пространственных кон­фигураций. Изотактические гомополимеры, содержа­щие звенья только одной конфигурации, легко кристаллизуются.

Соотношение между этими видами деформаций зависит от тем­пературы. Температурный интервал по оси абсцисс ог­раничен температурой хрупкости t_xp, ниже которой гибкость мак­ромолекул не проявляется, и температурой перехода в состояние ньютоновской жидкости t_н. Высокоэластическая деформация име­ет место в интервале температур стеклования t_ст и размягчения t_p. В этом интервале полимеры характеризуются очень высокими об­ратимыми деформациями. Их относительное удлинение достигает 1000 %, а модуль упругости низкий — 0,1...0,3 МПа. Для низко­молекулярных веществ е_вэ = 0 и t_CT = t_p. Для сравнения: модуль упругости стали составляет 10⁵...10⁶ МПа; оконного стекла — 10⁴... 10⁵ МПа; полимерных стекол — 10³... 10⁴ МПа; частично-кри­сталлических полимеров — 10²... 10³ МПа.

Различие между эластомерами (искусственными каучуками) и пластомерами (полимерами, не проявляющими высокоэластичности) заключается в уровне их температуры стеклования.

Видно, что температурный интервал высокоэлас­тического состояния искусственных каучуков приходится на обыч­ные температурные условия, а у пластомеров он находится выше 80... 140 ⁰С.