РАЗДЕЛ 2. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

К неметаллическим материалам относят пластмассы, древесину, клеи, резиновые, лакокрасочные, прокладочные, уплотнительные и изоляционные материалы. В машиностроении неметаллические материалы широко применяют для изготовления из них различных изделий и как заменители металлов и их сплавов. Обеспечивая необходимую механическую прочность и небольшую плотность изготовляемых из них изделий, неметаллические материалы, кроме того, придают им химическую стойкость, устойчивость к воздействию растворителей, водо-, газо- и паронепроницаемость, высокие изоляционные свойства и другие ценные качества.

ГЛАВА 8. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАСТИЧЕСКИХ МАССАХ

Структура и строение пластических масс

Пластические массы (пластмассы) – неметаллические композиционные материалы на основе полимеров (смол), способные под влиянием нагревания и давления формироваться в изделия и устойчиво сохранять в результате охлаждения или отверждения приданную им форму.

Для пластмасс характерны малая плотность, высокая устойчивость против коррозии, в большинстве случаев низкий коэффициент трения, высокие электроизоляционные, теплоизоляционные и демпфирующие свойства, декоративность. Их недостатки – низкие теплостойкость и теплопроводность, гигроскопичность, склонность к старению и снижению прочностных свойств под воздействием температуры; времени и различных сред. Основу пластмасс составляют полимеры, от типа и количества которых зависят физические, механические и технологические свойства пластмасс.

Полимеры – это высокомолекулярные соединения (рисунок 1), имеющие линейную (а), разветвленную (б) или пространственную (в) структуру.

а) линейные, б) разветвленная, в) пространственная

Рисунок 7- Структура полимеров

Молекула полимера – это длинная цепь, состоящая из отдельных звеньев (рисунок 8), однотипных по химическому составу и строению (гомополимер) и разнотипных (сополимер). Полимер, у которого макромолекулы состоят из разнородных относительно крупных звеньев (осколков макромолекул), называют блок-сополимером. Если к макромолекулам прививаются «боковые» отростки макромолекул другого вещества, то получаются привитые сополимеры. Создавая привитые сополимеры, можно получать материалы с новыми, заранее заданными свойствами.

Полимеры могут находиться в аморфном и кристаллическом состояниях. При переходе полимера из аморфного в кристаллическое состояние существенно меняются его физико-механические свойства, повышается прочность и теплостойкость.

___ А ___ А ___ А ___ А ___ А ___ А ___ В ___ В ___ А ___ А ___ В

Обычный полимер Сополимер

___ А ___ А ___ А ___ В ___ В ___ А ___ А ___ А ___ В ___ В___

Блоксополимер

___ А___ А___ А___ А___ А

В В

Привитый сополимер

А и В - звенья различных макромолекул

Рисунок 8 – Схемы строения полимеров

Под действием теплоты аморфные полимеры переходят из твердого (стеклообразного) состояния в высокоэластичное и вязкотекучее состояние (рисунок 9).

Рисунок 9 – Термомеханическая кривая аморфного полимера

Из термомеханической кривой аморфного полимера видно, что в температурной зоне 1 вещество находится в стеклообразном состоянии, деформация e мала и увеличивается пропорционально температуре. Выше температуры стеклования полимер становится высокоэластичным (зона II), а выше температуры текучести - вязкотекучим (зона III). Теплостойкость полименого материала характеризуется температурой стеклования . Знание температур стеклования и текучести позволяет обоснованно назначать температурные интервалы формования изделий из полимеров.

Для кристаллических полимеров термомеханические кривые имеют иной вид, чем для аморфных полимеров. Некоторые полимеры с увеличением температуры разлагаются, не переходя в вязкотекучее состояние.

Линейные и разветвленные полимеры служат основой термоплатичных пластмасс (термопластов). Макромолекулы линейных полимеров представляют собой цепи, имеющие длину, в сотни и тысячи раз превышающую размеры поперечного сечения. При разветвленной структуре полимера макромолекулы имеют боковые ответвления, длина и число которых могут быть различными.

Полимеры, способные образовывать пространственные структуры, служат основой термореактивных пластмасс (реактопластов). Пространственные структуры получаются из отдельных линейных цепей полимеров в результате возникновения поперечных связей. При этом полимер становится полностью неплавким и нерастворимым. При редких связях возможно некоторое набухание под воздействием растворителя и незначительное размягчение при нагреве.

Полимеры с течением времени могут значительно изменять свои свойства и стареть. При этом снижается механическая прочность, уменьшается эластичность, повышается хрупкость. Старение полимеров происходит в результате физико-химических процессов, в основном деструкции – разрыва химических связей в основной цепи макромолекул. Деструкцию полимеров вызывает нагрев, воздействие окислительных реагентов, облучение и т.д.

Механическая деструкция происходит при истирании и разрыве полимерных материалов. Термическая деструкция зависит от структуры полимера и приводит к его распаду на исходные мономеры. Химическая деструкция возникает под влиянием кислорода воздуха и может ускоряться под действием света.

Для замедления процесса старения в пластмассы добавляют различные стабилизаторы – органические вещества, которые уменьшают действие того или иного фактора. Например, амины предохраняют полимеры от окисления; сажа, поглощая свет, служит светостабилизатором и т.д.