Строение полимеров

 

Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из очень длинных цепочек атомов, называемых макромолекулами. Они состоят из многократно повторяющихся одинаковых звеньев – мономеров. Макромолекула может состоят от тысяч до миллионов атомов. Внутри молекулярной цепи атомы связаны весьма прочными ковалентными свя­зями. Между собой моле­кулы связаны сравнительно слабыми поляризационными сила­ми.

Из-за такого строения полимеров обладают малой плотностью и прочностью по сравнению с металлами, и многие легко плавятся при нагреве.

Полимеры различают по структуре молекул (Рис.54.):

1. Линейные, молекулы которых образуют длинные линии, цепочки.
2. Разветвленные – молекулярная цепочка разветвляется, образует многочисленные ответвления, по строению напоминая дерево.
3. Ленточные – атомы образуют ленточную или лестничную структуру.
4. Плоские – атомы соединяются между собой в плоскости, образуя атомные слои.
5. Пространственные – атомы объединяются в пространственную структуру, наподобие атомов кристаллов.

Полимеры с линейной структурой легкоплавки, эластичны, мягкие, они как правило растворимы в органических жидкостях. Это происходит из-за того, что молекулы соседних цепочек достаточно легко могут скользить друг относительно друга. Разветвленная, ленточная или плоская структура молекул увеличивает прочность и теплостойкость материала. Полимеры с пространственной структурой обладают наибольшей твердостью и прочностью. Они стойки к нагреву и органическим растворителям.

По электрическим свойствам молекул полимеры делятся на полярные и неполярные.

Полярные имеют дипольные моменты молекул или групп атомов, которые способствуют поляризации в электрическом поле. Следующие атомные группы расположены в порядке возрастания полярности или дипольного момента:

CH < CN < CO < СF < CCl

В неполярных материалах молекулы не имеют дипольного момента.

Полярные полимеры имеют более высокие механические свойства, чем неполярные. Они обладают большей твердостью, механической прочностью и эла­стичностью, характеризуются хорошей химической стойкостью. Эти материалы притягивают влагу и полярные примеси, поэтому труднее поддаются очистке.

По электрическим свойствам неполярные полимеры – лучшие диэлектрики. Они имеют большее электрическое сопротивление, меньшие диэлектрические потери, чем полярные, могут работать при высоких и сверх­высоких частотах.

 

По отношению к нагреву полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные

Термопластичные полимеры при нагреве постепенно размягчаются и переходят сначала в вязкое состояние, а потом в жидкое. При охлаждении процесс протекает в обратном направлении вплоть до твердого состояния. Повторный нагрев переводит полимер снова в жидкое состояние.

В термореактивных полимерах при нагревании протекают химические реакции, которые приводят к образованию дополнительных связей между атомами. Вследствие этого свойства материала изменяются необратимо, он затвердевает и при повторном нагреве уже не размягчается. При сильном нагреве может обугливается или разрушаться. В органических растворителях термореактивные полимеры как правило нерастворимы.

 

· Термомеханическая кривая полимера

Если термопластичный полимер подвергнуть постоянной механической нагрузке, то он будет деформироваться.

При низкой температуре полимер испытывает упругую деформацию на небольшую величину. При нагреве деформация будет увеличиваться. Чем выше температура – тем больше деформация. Таким образом получится график зависимости деформации о температуры, называемый термомеханической кривой полимера.

На графике зависимости можно выделить три основных участка (Рис.55.), соответствующие разным состояниям полимера:

1. Стеклообразной состояние (СС) – на этом участке полимер деформируется на небольшую величину и ведет себя как хрупкое тело, трескается при больших нагрузках.
2. Высокоэластичное состояние (ВЭС) – здесь деформация возрастает во много раз, полимер ведет себя как эластичное упругое тело.
3. Вязкотекучее состояние (ВТС). При дальнейшем увеличении температуры полимер постепенно размягчается, деформация может увеличиваться до бесконечности. Полимер ведет себя как вязкая жидкость.

Такая кривая типична для линейных полимеров и слабо разветвленных полимеров, которые не сшиты поперечными межатомными связями.

В состав полимеров часто добавляют компоненты, которые улучшают свойства материалов. Рассмотрим их вкратце.

 

1. Стабилизаторы

Полимеры – аморфные, термодинамически неустойчивые материалы, поэтому их свойства с течением времени изменяются. Ухудшается пластичность, возрастает твердость, появляется хрупкость и т.д. Такой процесс называют старением полимера. Для замедления старения в полимер добавляют специальные вещества, называемые стабилизаторами.

1. Наполнители – вещества добавляемые в полимерные композиции.

Например, порошковые наполнители: мел, каолин, оксиды TiO₂, SiO₂, древесная мука. Их доля может достигать десятков процентов. Их применяют для снижения стоимости материала, плотности , повышения прочности, упругости и пр. Можно придать специальные качества материалу несвойственные полимеру, например электропроводность, ферромагнетизм. Возможно повышение или понижение теплопроводности, снижение усадки, улучшение звукоизоляции и т. д.

 

1. Пластификаторы - вещества, добавляемые в полимерные материалы для повышения пластичности, эластичности, уменьшения хрупкости при охлаждении или морозостойкости, для улучшения формуемости при прессовании, штамповке.

 

1. Специальные добавки

Например красители, для улучшения внешнего вида изделий. Иногда добавляют смазки, чтобы полимеры не прилипали к формующему оборудованию.

Для материалов используемых в электротехнике применяют специальные добавки для снижения горючести или дугогасящие добавки. Эти вещества при нагреве выделяют газ, прекращающий или затрудняющий горение (фосфорно­кислый аммоний, трехокись сурьмы, перхлорвинил и т. п.).