Полимеры.

К неметаллическим материалам, применяемым в машиностроении и приборостроении, относятся полимеры, пластмассы, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, графит, стекло, керамика, клеи, герметики [2], смазочно- охлаждающие и рабочие жидкости, лакокрасочные покрытия.

Полимеры- это вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Число мономерных единиц в молекуле называется степенью полимеризации. Молекулярная масса составляет 5*10³... 10⁶ .

Полимеры разделяются на линейные и трехмерные. Линейные- построены из линейных молекул или полимерных цепей. Трехмерные состоят из молекул, соединенных между собой химическими связями (поперечными связями). С увеличением числа поперечных связей повышается прочность полимера и ухудшается растворимость.

Макромолекулам полимеров свойственна гибкость, разнообразность форм. Они могут быть линейные, плоские, цеповидные, разветвленные и т.п.

Полимеры могут быть натуральными и синтетическими.

К натуральным полимерам относятся: натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит.

Синтетические полимеры наиболее распространены. Они подразделяются на: органические, элементоорганические, неорганические.

Органические полимеры- смолы, каучуки.

Элементоорганические полимеры содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами (CН₃, С₆Н₅, СН₂). Радикалы дают прочность и эластичность, а неорганические элементы- повышенную теплостойкость. Пример- кремнийорганические полимеры.

Полимеры, главная цепь которых состоит только из атомов углерода, называют карбоцепными.

Неорганические полимеры. Обычно их основу составляют оксиды Si, Al, Mg. Примеры: силикатное стекло, асбест, керамика, слюда, графит. Эти полимеры отличаются более высокой плотностью, теплостойкостью, но они плохо переносят динамические нагрузки.

Используют также сочетание различных групп полимеров. Так, стеклопластики это композиционные материалы.

По фазовому состоянию полимеры могут быть аморфными или кристаллическими.

Аморфные полимеры однофазны и состоят из цепных молекул, собранных в пачки. Структуры в этих полимерах термодинамически нестабильны и характеризуются малым временем жизни.

Кристаллические полимеры образуются, если их макромолекулы достаточно гибки и имеют регулярную структуру. Тогда гибкие пачки складываются в ленты путем многократного поворота пачек на 180°. Затем ленты, соединяясь друг с другом своими плоскими сторонами, образуют пластины, которые, наслаиваясь друг на друга, образуют правильные кристаллы.

Кристаллические структуры дискретны, термодинамически стабильны, длительность жизни их высока. Они более жестки, тверды и теплостойки.

По полярности полимеры подразделяются на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием диполей- разобщенных центров распределения положительных и отрицательных зарядов. В неполярных полимерах дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются.

Неполярные полимеры это высококачественные высокочастотные диэлектрики, обладающие хорошей морозостойкостью.

Полярные полимеры имеют хорошую жесткость, теплостойкость, но пониженную морозостойкость.

Полимеры могут быть термопластичными и термореактивными.

Термопластичные полимеры имеют линейную структуру. Они при нагреве размягчаются, плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Здесь не участвуют химические реакции. Примером является полиетилен.

Термореактивные полимеры сначала при нагреве размягчаются, затем из-за химических реакций необратимо затвердевают (образуется пространственная (сшитая) структура), и остаются твердыми. Такое состояние термостабильное. К таким полимерам относится фенолоформальдегидная смола.

Некоторые механические характеристики полимеров приведены на рис. 3.1

Видно, что у стеклообразного полимера (рис. 3.1,а) по мере удлинения напряжение сначала линейно растет (зона I). По достижению предела вынужденной эластичности при дальнейшем удлинении происходит некоторое снижение напряжения. Здесь находится зона II высокоэластичной деформации. Последующий рост удлинения вызывает катастрофический рост напряжений. На рис. 3.1,б показана диаграмма растяжения полимера с плотной сетчатой структурой, содержащая зоны упругой и нелинейной деформации. График, приведенный на рис. 3.1,в, иллюстрирует особенности изменения напряжения в кристаллическом линейном полимере. Для некоторых полимеров характерна гистерезисная петля (рис.3.1,г), приводящая во время деформаций к нагреву материала. Если полимер растянуть и оставить в этом состоянии, то через некоторое время произойдет самопроизвольное снижение напряжений, так называемое явление релаксации (рис. 3.1,д). Время релаксации может составлять от нескольких микросекунд до месяца. Под действием постоянной нагрузки у полимера может самопроизвольно меняться длина (рис. 3.1,е).

Рис.3.1 Механические характеристики полимеров:

а)-стеклообраз-ный полимер (s_э- предел вынуж-денной эластич-ности);

б) - полимер с плотной сетчатой структурой;

в) – кристалли-ческий линей-ный полимер;

г)- петля меха-нического гисте-резиса;

д) релаксация напряжения (1- сетчатый полимер, 2- линейный полимер);

е)- зависимость относительного удлинения от времени.

Причина выше описанных особенностей обусловлена тем, что под действием приложенных напряжений происходит распрямление и раскручивание молекулярных цепей, перемещение структур и т.п., на что требуется определенное время.

Под действием сложных химических, физических процессов при эксплуатации и хранении происходит разрушение химических связей, ведущее к самопроизвольному необратимомуе изменению важнейших технических характеристик полимеров- это деструкция. Существуют следующие виды деструции: фотохимическая, радиационная, механическая, химическая, биологическая. Деструкция обычно приводит к старению полимера.

Причиной являются: свет, теплота, кислород, озон, многократные деформации.

Под действием радиации в полимере происходит ионизация и возбуждение атомов, которое сопровождается разрывом химических связей и образованием свободных радикалов. Наиболее устойчивы к радиации полистиролы. Радиационная стойкость полимера выражается дозой поглощенного излучения.