Классификация и свойства полимеров

Основой пластмасс являются высокомолекулярные соединения, которые состоят из гигантских молекул. Такие вещества называются полимерами, а исходные низкомолекулярные продукты, используемые для получения полимеров, называются мономерами.

Отличительной особенностью строения полимеров является наличие цепных молекул - макромолекул, в которых последовательно связано большое количество атомных группировок, называемых звеньями, В группировках атомы соединяются очень прочными химическими связями, действующими на расстоянии 1,0...1,5 Å (один ангстрем равен 10^-10 м или одной десятимиллионной мм). Между звеньями (цепями) на расстоянии 3...4 Å действуют значительно более слабые (ван-дер-ваальсовые связи, имеющие электрическую природу) межмолекулярные силы. Прочностью этих связей и плотностью их в единице объема, в конечном счете, и определяется прочность высокомолекулярных систем.

Пластмассы различаются.

1. По строении макромолекул:

· линейные,

· разветвленные,

· сетчатые пространственные.

У линейных полимеров макромолекулы представляют собой длинные зигзагообразные цепи длиной до 1,27-10 Å (0,127 мм).

Разветвленные пластмассы состоят из макромолекул с боковыми ответвлениями, число и длина которых могут варьироваться в широких пределах.

Сетчатые пластмассы построены из длинных цепей, соединенных друг с другом в трехмерную сетку поперечными химическими связями.

Следует отметить, что любой полимер неоднороден по молекулярной массе (полимолекулярен), то есть наряду с очень большими молекулами в полимере могут быть и молекулы средних и малых размеров.

2. По способу получения на изготовленные:

· полимеризацией

· поликонденсацией

При полимеризации молекулы мономера соединяются между собой в длинные цепные молекулы без выделения побочных продуктов, Например, этилен (мономер) под воздействием высокой температуры и давления превращается в полиэтилен (полимер), молекулы которого состоят из многократно повторявшихся остатков мономера - этилена (-СН₂-СН₂-)_n. Если полимеризуются два или большее число мономеров разного строения, то этот процесс называется сополимеризация (или совместная полимеризация), в результате которой образуется сополимер.

Принципиально отличается от полимеризации процесс получения полимеров поликонденсацией, при котором соединение молекул одинакового или различного строения сопровождается выделением простейших низкомолекулярных продуктов. Например, при поликонденсации дикарбоновых кислот с диаминами получаются полиамиды.

3. По поведению при тепловой обработке:

· термопластичные (термопласты)

· термореактивные (реактопласты)

Термопласты при нагреве до определенной температуры не претерпевают коренных химических изменений. Они могут многократно нагреваться в указанном интервале температур, а затем возвращаться в исходное состояние. К термопластам относится большинство полимеризационных пластмасс.

Реактопласты под воздействием температуры подвергаются необратимым изменениям в результате соединения макромолекул друг с другом поперечными химическими связями с образованием трехмерных (пространственных) сеток. Изделия из реактопластов при нагреве не размягчаются и не.могут подвергаться повторной переработке.

Полимерные вещества могут находиться только в твердом и жидком (точнее вязкотекучем) состояниях и не могут быть переведены в газообразное состояние.

Пластмассы могут находиться как в аморфном, так и в кристаллическом состояниях. Если макромолекулы перепутаны и не имеют определённой ориентации, полимер находится в аморфном состоянии. На участках, где наблюдается направленность макромолекул, они находятся в кристаллическом состоянии. Многие пластмассы ни при каких обстоятельствах не проявляют склонности к кристаллизации. Кристаллические же пластмассы не бывают закристаллизованы полностью, обычно они содержат и аморфную фазу.

Часто в полимер с различными целями вводят добавки: стабилизаторы, пластификаторы, красители и наполнители.

· Стабилизаторы служат для повышения стойкости полимеров при воздействии различных факторов: света, повышенной температуры и других. Обычно они предупреждают развитие цепной реакции разложения полимеров, обеспечивая тем самым долговечность пластмасс.

· Пластификаторы вводят для придания им пластичности и расширения интервала высокоэластического состояния (уменьшения температуры стеклования). Пластификаторы облегчают переработку полимерных материалов, улучшают их морозостойкость, в качестве пластификаторов применяют вещества, которые хорошо совмещаются с полимерами, обладают малой летучестью и высокой термо- и светостойкостью.

· Красители служат для придания пластмассам практически любого цвета как на поверхности, так и по всей толщине изделия.

Наполнители - вещества (главным образом, тонкодисперсные порошкообразные и волокнистые), которые вводят в состав пластмасс с целью облегчения переработки, придания необходимых свойств, а также удешевления. Наполнители, улучшающие какое-либо свойство полимерного материала, называют активными или усиливающими; не изменяющими свойств - инертными; волокнистые наполнители называют также армирующими.

В качестве наполнителей для пластмасс применяют древесную муку хлопковые очесы, асбест, стекловолокно и другие вещества.

Следует подчеркнуть, что свойства пластмасс определяются, главным образом, их основой - полимером.

Свойства пластмасс резко отличаются от свойств металлов в процессе их деформирования. В частности, пластмассы имеют сравнительно маленькую твердость и у них отсутствует зависимость между твердостью и прочностью при растяжении, характерная для стали.

Любой аморфный полимер в зависимости от температуры может находиться в трех состояниях, которые принято называть физическими состояниями: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Стеклообразное состояние характеризуется наличием колебательного движения атомов, входящих в состав цепи около положения равновесия, а колебания звеньев и перемещение цепи как единого целого практически отсутствуют.

Высокоэластическое состояние характеризуется наличием колебательного движения звеньев и групп звеньев, вследствие чего цепь полимера может распрямляться под воздействием нагрузки и возвращаться в первоначальное состояние после ее снятия, так как звенья связаны в цепи.

При вязкотекучем состоянии макромолекулы полимера путем последовательного перемещения передвигаются относительно друг друга.

При нагревании полимера сначала появляются колебания звеньев, а при более высоких температурах движение цепей. Следовательно, при повышении температуры полимер переходит из стеклообразного состояния сначала в высокоэластическое, а затем в вязкотекучее состояние.

Переход полимера из одного физического состояния в другое происходит не при какой-то определенной температуре, а в некотором интервале температур. Средние температуры областей перехода называются температурами перехода.

Температура перехода из стеклообразного состояния в высокоэластическое называется температурой стеклования - Тс, а температура перехода из высокоэластического в вязкотекучее - температурой текучести Т_т.