Полимерные материалы.

Полимерные материалы (пластмассы, композиты, пластики) - это композиции определённого состава, получаемые из мономеров, олигомеров, полимеров с введением при их изготовлении либо в процессе формирования изделия различных компонентов (ингредиентов) для целенаправленного придания свойств как материалу, так и изделию из него.

В полимерный материал могут входить одновременно или в различном состоянии: связующее (полимерная матрица), наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, сшивающие агенты (отвердители), структурообразователи, порообразователи, смазки, антипирены, антистатики, антимикробные агенты и другие компоненты, придающие специфические свойства композиции в целом.

Связующее в пластической массе или полимерная матрица в полимерном материале (изделия) удерживает все ингредиенты композиции в форме и размерах, полученных после её переработки. Связующим (полимерной матрицей) могут быть индивидуальные полимеры. Помимо основного компонента связующего - мономера, чаще олигомера, полимера или их сочетания - в него вводят различные органические соединения, изменяющие (модифицирующие) свойства компонентов связующего на стадии изготовления полимерного материала или при его переработке в изделия.

Модифицирование проводят либо без химических превращений основного полимера путём изменения условий производства полимерного материала или введением малых количеств неполимерных веществ (структурная модификация), либо в результате химических реакций, как на стадии синтеза (сополимеризация, полимеризационное наполнение и др.), так и путём химических превращений уже синтезированных олигомеров и полимеров (химическая модификация).

Наполнители - это твёрдые, жидкие, газообразные органические и неорганические вещества, вводимые в мономер, олигомер или полимер с целью снижения стоимости изделия с одновременным улучшением эксплуатационных параметров пластических масс, ведущих к расширению областей их применения. Химическая природа, физическое строение и форма наполнителя определяют механические, электрические и химические свойства полимеров, а также их водо-, термо- и теплостойкость. Наполнители в значительной степени влияют и на технологический процесс производства пластической массы, и на способы её переработки в изделия.

Наполнители в зависимости от химической природы и активности поверхности разделяют на органические и неорганические, природные и синтетические, активные м неактивные, а в зависимости от формы и структуры - на порошкообразные (дисперсные), волокнистые и листовые.

В производстве полимерных композиционных материалов наибольшее применение находят порошкообразные наполнители различных форм: кубической - полевой шпат, кальциты; сферической - искусственные микросферы, стеклосферы; игольчатой - древесная мука, силикат кальция; чешуйчатой - тальк, графит, каолин, гидроокись алюминия; в виде параллелепипеда - полевой шпат, оксиды кремния, бария, сочетание которых между собой может быть самым разнообразным.

Из волокнистых наполнителей широкое распространение получили хлопковые очёсы, короткие целлюлозные, асбестовые, стеклянные, а также углеродные, борные, металлические волокна.

Из листовых наполнителей применяют бумагу, различные ткани (стеклохлопчатобумажные, боро-, органоткани и др.), ленты, например из металлической фольги.

Пластификаторы - это продукт (вещества), вводимые в мономер, олигомер с целью повышения эластичности и пластичности, а также облегчения диспергирования в композиции сыпучих компонентов, например, порошкообразных наполнителей. Пластификаторы понижают температуру переработки и могут придавать материалу такие свойства, как свето-, термо- и морозостойкость, негорючесть.

Известно свыше 500 наименований пластификаторов, применяется около 100. Важнейшими из них являются эфиры алифатических или ароматических кислот и алифатических спиртов, эфиры гликолей и эфиры фосфорной кислоты, эпоксидированные соединения, полиэфиры, хлорированные соединения и др.

Стабилизаторы (антиоксиданты, термо-, светостабилизаторы, противоутомители) - вещества, повышающие устойчивость мономеров, олигомеров или полимеров к действию кислорода, особенно при повышенных температурах в условиях производства, переработки и хранения - эксплуатации полимерных материалов. Различают окрашивающие и неокрашивающие антиоксиданты, среди которых наибольшее применение находят неозон, нонокс, диафен, алкофены и др.

Сшивающие агенты (отвердители, вулканизирующие агенты) - вещества, создающие в полимерной матрице композиционного материала на определённой стадии его производства, чаще всего при изготовлении изделия, химические связи между макромолекулами с целью повышения прочности, тепло- и химстойкости и других свойств. Условно сшивающие агенты разделяют на отвердители для пластических масс и вулканизирующие агенты для каучуков. К отвердителям относят алифатические и ароматические амины, низкомолекулярные полиамиды, ангидриды кислот, полиизоцианаты, гексаметилентетраамин, алкоксисиланы, активные растворители - фурфурол и фуриловый спирт, стирол и др.; к вулканизирующим агентам - серу, органические ди- и полисульфиды, органические перекиси, диамины, производные хинона, алкилфенолоформальдегидные смолы, диизоцианаты, окислы металлов и др.

Структурообразователями называют вещества, вводимые в полимерные материалы для получения полимерной матрицы с определённой структурой. К таким веществам относятся тонкодисперсные порошки окислов, нитридов металлов, карбиды, соли органических кислот, поверхностно-активные вещества (ПАВ), вводимые в количестве 0,1...1,0% от массы полимера. Выполняя роль центров кристаллизации и (или) понижая поверхностное натяжение на границе фаз, эти добавки способствуют улучшению прочностных, химических и других свойств полимерных материалов.

Смазки (парафины, воска, стеараты) предохраняют от прилипания полимера к поверхностям формирующего оборудования, способствуя диспергированию ингредиентов в материале.

Антистатики (различные группы ПАВ, добавляемые в количестве до 1% от массы полимера) предотвращают возникновение и накопление статического электричества на изделиях из полимерных материалов.

Антипирены (галогеносодержащие соединения, производные фосфора, соединения сурьмы, изоцианаты) снижают горючесть материала, затрудняя воспламенение и распространение пламени.

Порообразователи - вспенивающие вещества, используемые для образования в полимере или полимерном материале замкнутых, не сообщающихся (пенопласт) или сообщающихся (поропласт) между собой пор, что ведёт к существенному снижению плотности материала.

Порообразователями могут быть органические и неорганические жидкие и твёрдые вещества, разлагающиеся при нагревании с выделением CO₂, NH₂, N₂ (химические), либо воздух, N₂, CO₂, NH₂, H₂ в виде газов, вводимых в композицию под давлением; легкокипящие, но не разлагающиеся при нагревании жидкости (метиленхлорид, пектан, гектан и др.) и водо-растворимые соли (KCl, NaCl и др.), вымываемые из изделия (физические порообразователи).

Антисептики (доли процента органических соединений Sn, As, Hg, бромированных салициламидов, меркаптанов) в полимерном материалу затрудняют появление и распространение микроорганизмов.

Красители (органические и неорганические пигменты) вводятся в полимерные матариалы для придания им цвета и товарного вида и должны обладать высокой степенью дисперсности, свето-, термо- и атмосферостойкостью, стойкостью к воздействию агрессивных сред (кислот, щелочей и др.) и отсутствием склонности к миграции на поверхность изделия.

Полимерные строительные материалы - это чаще всего многокомпонентные системы, основным отличительным признаком которых является вид связующего - полимера. Однако в определённых условиях используются так называемые комополимерные материалы - полимеры, не содержащие каких-либо модифицирующих добавок. Перечень этих материалов и области их использования довольно значительны.

При попытках классифицировать существующий массив полимерных материалов, всегда возникают трудности, связанные с поливариантностью их состава и структуры и отсюда практически неограниченным набором - сочетанием свойств конечных продуктов и изделий из них.

На практике и в литературе используют несколько способов разделения полимерных материалов, основу которых составляют:

· происхождение - природные, искусственные, синтетические;

· механизм синтеза - полимеризационные, поликонденсационные;

· способ синтеза - суспензионные, эмульсионные, блочные или массовые;

· поведение при воздействии высоких температур - термопласты, реактопласты;

· химическое строение - органические и неорганические или карбоцепные, гетероцепные, элементоорганические и неорганические;

· конечный продукт - олигомеры, полимеры, пластические массы или полимерные материалы;

· величина деформационных характеристик - жёсткие, полужёсткие, мягкие и эластичные;

· область применения - так называемые потребительские ряды - самый широкий спектр для классификации.