Полимерные материалы

Неметаллические материалы

Неметаллические конструкционные материалы включают органические и неорганические вещества с однофазной полимерной структурой, а также с гетерофазной – композиционной структурой.

Полимерные материалы обладают молекулярным строением, где множество элементарных звеньев-мономеров, состоящих из отдельных атомов или групп атомов, соединены в цепочки – макромолекулы. Они имеют значительную длину, достигающую 0.1 мкм, и большую молекулярную массу, составляющую от 5000 до 1000000, что придает полимерным материалам своеобразные свойства. Полимерную структуру образуют молекулярные цепочки с различной конфигурацией, различным числом атомов и плотностью их упаковки, что оказывает наибольшее влияние на свойства полимерных материалов.

К л а с с и ф и к а ц и я п о л и м е р о в учитывает природу атомов и параметры молекулярной структуры, что позволяет разделить полимерные материалы на классы по нескольким основным признакам.

По природе атомов:

1. Естественные – каучук, слюда, кварц и др.

2.Искусственные – полиэтилен, полиамиды, полиэфирные, эпоксидные смолы, получаемые с помощью реакции полимеризации, когда мономеры одного вещества соединяются в макромолекулы нового вещества без выделения каких-либо побочных продуктов. Если при этом выделяются побочные продукты, то реакция называется поликонденсацией.

По составу макромолекул:

1.Органические, к которым относятся углеродосодержащие соединения (за исключением некоторых простых).

При наличии в основной молекулярной цепи только углеродных атомов полимеры называются карбоцепными, присутствие в этой цепи атомов также и других элементов (O, N, S, F) сильно меняет свойства полимеров, они относятся к гетероцепным.

2.Элементоорганические, имеющие в основной цепи неорганические атомы (Si, Ti, Al) в сочетании с углеводородными радикалами (CH₂, CH₃, C₆H₅).

3.Неорганические, включающие графит, стекло и керамику, в которых молекулярная цепь состоит из атомов Si, Al, Ca, Mg с атомами О –кислородсодержащие, либо других элементов (С, N, B, Si, S, P) – бескислородные.

По форме макромолекул:

1. Линейные, характеризуемые зигзагообразными или спиральными цепочками, обладающие гибкостью за счет самих макромолекул и эластичностью благодаря слабым межмолекулярным связям (полиэтилен, полиамиды, каучук).

2. Разветвленные, имеющие боковые короткие ответвления цепочек и невысокую плотность структуры с большой эластичностью (полиизобутилен).

3. Лестничные, у которых макромолекула состоит из двух цепочек, соединенных поперечными химическими связями, придающими повышенную жесткость (кремнийорганические полимеры).

4. Пространственные,с расположением молекулярной цепочки и попе­речных связей в определенном объеме, за счет чего образуется сетчатая структура и повышается прочность (эпоксидные смолы, стекло, керами­ка).

По полярности структуры:

1. Неполярные, имеющие равномерное распределение заряженных час­тиц (электронов, ионов, радикалов), которые могут служить высоко­частотными (радиотехническими) диэлектриками и характеризуются невы­сокими механическими свойствами (полиэтилен, полистирол, фторопласт-4).

2. Полярные, отличающиеся направленным смещением заряженных ча­стиц в структурных образованиях, что придает им свойства низкочас­тотных (электротехнических) диэлектриков (поливинилхлорид, полиамиды, фторопласт-3).

По фазовому состоянию:

1. Аморфные, содержащие молекулярные цепочки, собранные в много­рядные структурные образования – пачки либо свернутые в глобулы (полистирол, органическое и неорганическое стекло).

2. Кристаллические, в которых структурные пачки могут складывать­ся в упорядоченные упаковки так, что структура приобретает частич­но или полностью кристаллическое строение, чем повышается прочность и термостойкость (полиамиды, полиформальдегиды, графит, ситаллы).

3.Жидкокристаллические, обладающие промежуточными характеристиками структурного состояния и свойств.

По влиянию нагрева:

1. Термопластичные (термопласты), способные многократно размяг­чаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, воспроизводя свои свойства (полиэтилен, полиамиды, органическое стекло).

2. Термореактивные (реактопласты), приобретающие при первичном нагревании химические поперечные связи с образованием пространствен­ной структуры и необратимым затвердеванием (феноло-формальдегидные, карбамидные, эпоксидные смолы).

Физическое состояние полимерных материалов может быть стекловид­ным, высокоэластичным и вязкотекучим. При изменении температуры по­лимеры с линейной или разветвленной структурой могут переходить из одного состояния в другое. Это связано с изменением плотности упа­ковки молекул, которая оценивается свободным объемом материала, т.е. относительной разностью между его действительным удельным объемом и теоретическим удельным объемом при возможной наиболее плотной упаковке. Стекловидное состояние обусловлено величиной свободного объема менее 2,5 %, если оно составляет 2,5 %, то состояние соответствует высокоэластичному, при значениях свободного объема более 2,5 % мате­риал проявляет свойства вязкотекучести.

В стекловидном состоянии материалы имеют аморфную структуру, и воздействие механической нагрузки вызывает упругие смещения атомов без перемещения молекул. Высокоэластичное состояние обусловлено воз­можностью изгиба молекул под нагрузкой, если молекулы могут переме­щаться, то материал становится вязкотекучим.

Жидкие кристаллы характеризуются наличием жидкой молекулярной структуры с упорядоченным расположением молекул, что придает жидким кристаллам состояние промежуточное между кристалличес­ким твердым телом и обычной жидкостью с беспорядочным расположением молекул. Это связано с присутствием в молекулах жидких кристаллов разноименных зарядов, превращающих их в электрические диполи так, что жидкие кристаллы являются полярными диэлектриками.

По своей природе жидкие кристаллы чаще представляют органические вещества. При их плавлении молекулы удлиненной формы взаимодейству­ют друг с другом и занимают определенное упорядоченное положение, которое сохраняется до определенной температуры перегрева расплава. В случае превышения указанной температуры усиливаются тепловые коле­бания молекул, и происходит разупорядочивание молекулярной струк­туры. При этом увеличивается прозрачность вещества, из-за чего дан­ную температуру называют точкой просветления.

Классификация жидких кристаллов по структуре включает кристаллы первого класса, второго и третьего классов.

Первый класс кристаллов отличается расположением молекул в виде параллельных цепочек, в кристаллах второго класса удлиненные молеку­лы собраны в параллельные слои с нормальной ориентацией молекул, тре­тий класс характеризуется наличием спиральных слоев, в которых молекулы ориентированы радиально.

Упорядоченное расположение молекул создает анизотропию жидких кри­сталлов так, что их показатели вязкости, светопреломления, удельного электросопротивления, диэлектрической проницаемости и других свойств зависят от направлений их проявления по отношению к осям молекул.

При действии температуры, давления, электрического поля молекуляр­ная структура жидких кристаллов может легко изменяться, и это позво­ляет управлять их свойствами с помощью слабых воздействий. Наиболее сильно в этих условиях меняются оптические свойства кристаллов, на чем основано их широкое применение в измерительных, преобразующих, регистрирующих приборах и устройствах. Изменение свойств, обусловлен­ное перемещением молекул, происходит со значительной инерционностью, поэтому приборы на жидких кристаллах используются для контроля и ре­гулирования низкочастотных процессов.

Дата добавления: 2014-10-31