Термомеханические свойства

Полимеры при нагреве ведут себя по-разному. Полимеры с ли­нейными и разветвленными макромолекулами пластичны, спо­собные размягчаться при повышении температуры и затвердевать при охлаждении, называются термопластами. Свойства термопла­стов обратимы при повторном нагреве. Обратимость свойств, до­статочно низкая прочность (1-10 МПа) термопластов обусловлены слабыми межмолекулярными силами связи. Структура таких полимеров может быть аморфной, частично кристаллической и кри­сталлической. Изделия из термопластов способны перераба­тываться.

Термореактивные полимеры на начальной стадии нагрева, имея линейную структуру, размягчаются, а затем затвердевают в ре­зультате протекания химических реакций и образования простран­ственной структуры.

Изделия из термореактивных полимеров при повторном на­греве не размягчаются и не могут повторно перера­батываться.

Различие в физическом или фазовом состоянии полимеров об­наруживается на термокинетических кривых, отображающих из­менение деформации материала пластика в результате приложе­ния постоянной нагрузки при нагреве с постоянной скоростью. На кривых можно выделить три участка, соответствующих трем физическим состояниям (рисунок 12.5, а). В области А полимер нахо­дится в твердом аморфном стеклообразном состоянии. Атомы и молекулы полимера, имеющего температуру, меньшую температу­ры стеклования t совершают только тепловые колебательные дви­жения около своих равновесных положений. Материалу при де­формировании присущи упругие свойства. При температуре ниже температуры хрупкости t полимер становится хрупким и его разрушение связано с разрывом химических связей в макромо­лекуле. Повышение температуры полимера выше t_c увеличивает в нем частоту тепловых колебаний атомов, и отдельные сегменты макромолекул перемещаются, скрученные участки макромолекул выпрямляются. Макромолекулы ориентируются в направлении действия приложенного напряжения. Материал деформируется упруго.

а — некристаллический линейный полимер; б — кристал­лизирующийся полимер с различ­ными температурами плавления кристаллической составляющей(1 – t_c < t_пл < t_т; 2 – t_пл > t_т) сетчатый (1) и редкосетчатый (2) полимеры

Рисунок 11.5 – Термомеханические кривые

После снятия нагрузки макромолекулы под действием сил межмолекулярного взаимодействия принимают первоначальную форму. Материал находится в высокоэластическом состоя­нии. Для полимеров, например резины, находящихся в высоко­эластическом состоянии, обратимая деформация может достигать 500-800 %. Вблизи температуры текучести t_т возможна и плас­тическая деформация. При температуре выше t_т материал пере­ходит в вязкотекучее состояние. Отдельные звенья (сегменты) мак­ромолекул постепенно поворачиваются, и целые макромолекулы получают подвижность. Полимер переходит в вязкотекучее со­стояние. В этом состоянии полимеры перерабатывают в изделия.

Вид термомеханических кривых полимеров зависит от степе­ни их кристалличности, температуры кристаллизации и степени сшитости макромолекул.

Полимеры, с кристаллической составляющей в структуре, сохра­няют твердость до температуры плавления t_njI кристаллической составляющей (рисунок 12.5, б). В этом случае имеет суженную об­ласть полимер С, если t_c < t_пл < t_т. В полимере же, у которого t_пл > t_т (рисунок 12.5, кривая 2), область С отсутствует, и он из твердого состо­яния переходит в вязкотекучее.

Пластмассы

Пластмассы (пластики) представляют собой органические ма­териалы на основе полимеров, способные при нагреве размягчать­ся и под давлением принимать определенную устойчивую фор­му. Простые пластмассы состоят из одних химических полимеров. Сложные пластмассы помимо полимеров включают добав­ки: наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, ката­лизаторы и др.

Наполнители в пластмассы вводят в количестве 40-70 % для по­вышения твердости, прочности, жесткости, а также придания осо­бых специфических свойств, например фрикционных, антифрик­ционных и др. Наполнителями могут быть ткани, а также порош­кообразные и волокнистые вещества.

Пластификаторы (стеарин, олеиновая кислота, дибутилфталат) повышают эластичность, пластичность и облегчают обработку пласт­масс. Их содержание колеблется в пределах 10-20 %.

Отвердители (амины) и катализаторы (перекисные соедине­ния) в количестве нескольких процентов вводят в пластмассы для отвердения, т. е. создания межмолекулярных связей и внедрения молекул отвердителя в общую молекулярную сетку.

Красители (минеральные пигменты, спиртовые растворы орга­нических красок) придают пластмассам определенную окраску и снижают их стоимость. Состав компонентов, их сочетание и ко­личественное соотношение позволяют изменять свойства пласт­масс в широких пределах.

Классификация

Пластмассы классифицируют по следующим признакам.

1. По виду наполнителя: с твердым наполнителем; с газообразным наполнителем.

Твердые наполнители выпускают в виде порошков, (графит, дре­весная мука, кварц, гипс и др.), волокон (очесы хлопка и льна, волокна из стекла и асбеста), слоистых материалов (хлопчатобу­мажная, стеклянная, асбестовая ткани, бумаги).

2. По реакции связующего полимера к повторным нагревам: термопластичные и термореактивные. Термопластич­ные пластмассы на основе термопластичного полимера размягча­ются при нагреве и затвердевают при последующем охлаждении. Чаще это чистые полимеры или композиции полимеров с пласти­фикаторами, противостарителями. Термопласты отличаются низ­кой усадкой (1-3 %). Для них характерны малая хрупкость, боль­шая упругость и способность к ориентации.

Термореактивные пластмассы на основе термореактивных по­лимеров (смол) после тепловой обработки — отвердения — пере­ходят в термостабильное состояние. Термореактивные пластмассы отличаются хрупкостью, имеют большую усадку 10-15 % и содер­жат в своем составе наполнители.

3. По применению пластмассы можно подразделить: на конструкционные — для силовых деталей и конструкций, для несиловых деталей; прокладочные, уплотнительные; фрикци­онные и антифрикционные; электроизоляционные, радиопрозрачные; теплоизоляционные; стойкие к воздействию огня, масел, кис­лот; облицовочно-декоративные.

Один и тот же пластик часто обладает свойствами, характер­ными для нескольких групп. Например, текстолит может быть одновременно конструкционным, электроизоляционным и про­кладочным материалом.