Полимеры. 
Особые свойства полимеров

Полимемры (греч. рплэ- —много; мЭспт —часть).

Полимерами называются высокомолекулярные химические соединения, состоящие из многочисленных элементарных звеньев (мономеров), представляющих собой одинаковую группу атомов и связанных между собой химическими связями.

Макромолекулы представляют собой длинные цепи из мономеров, что определяет их большую гибкость. Отдельные атомы в мономерах соединены между собой довольно прочными ковалентными химическими связями. Между макромолекулами полимеров действуют значительно более слабые физические связи. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1 000 000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

Полимер — это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико (в ином случае соединение будет называться олигомером). Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются. Как правило, полимеры — вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей — реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвлённым, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трёхмерными структурами.

В строении полимера можно выделить мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (—СН2—CHCl—)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Особые механические свойства.

• · эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
• · малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
• · способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

• · высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
• · растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

· способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

• · Органические полимеры.
• · Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель — кремнийорганические соединения.

Следует отметить, что в технике полимеры часто используются как компоненты композиционных материалов, например, стеклопластиков. Возможны композиционные материалы, все компоненты которых — полимеры (с разным составом и свойствами).

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвлённые (частный случай — звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.

Полимеры подразделяют по полярности (влияющей на растворимость в различных жидкостях). Полярность звеньев полимера определяется наличием в их составе диполей — молекул с разобщённым распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных звеньях дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются. Полимеры, звенья которых обладают значительной полярностью, называют гидрофильными или полярными. Полимеры с неполярными звеньями — неполярными, гидрофобными. Полимеры, содержащие как полярные, так и неполярные звенья, называются амфифильными. Гомополимеры, каждое звено которых содержит как полярные, так и неполярные крупные группы, предложено называть амфифильными гомополимерами.

По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Термореактивные полимеры при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путём сшивки (например, вулканизация) цепных полимерных молекул. Упругие свойства термореактивных полимеров выше, чем у термопластов, однако, термореактивные полимеры практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения.

Полярные термопласты имеют повышенные значения диэлектрической проницаемости и высокие диэлектрические потери, которые существенно зависят от температуры и частоты напряжения. Значения электрической прочности и удельного объемного сопротивления и них ниже, чем у неполярных материалов.

Эти полимеры являются низкочастотными диэлектриками и применяются в электроустановках, работающих при постоянном напряжении или в области низких частот. Для них характерны следующие электрические характеристики: =1011−1014 Ом*м; = 3 — 3.6; tg = 10−2; Епр до 40 кВ/мм при толщине до 1 мм; у пленок толщиной 0.02 — 0.1 мм Епр имеет значения до 180 кВ/мм и выше. У слабополярных термопластов удельное сопротивление выше, а диэлектрические потери ниже.

К полярным термопластам относятся поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат, полиамидные смолы. Для них характерна дипольно-релаксационная поляризация, поэтому они обладают пониженными электроизоляционными свойствами и применяются на низких частотах:

• * е = 4…7;
• * с = 1010…1013 Ом· м;
• * tgд = 0,01…0,1 (при f = 106 Гц);
• * Епр = 15…50 МВ/м.

К неполярным полимерам с малыми диэлектрическими потерями относятся полистирол, полиизобутилен, полипропилен, политетрафторэтилен, полиэтилен. Эти полимеры имеют наибольшее техническое значение из материалов, получаемых полимеризацией.

Пластмассы это композиционные материалы на основе полимеров, изделия из которых получают пластическим деформированием или литьем под давлением.

Основные компоненты пластмасс: наполнитель и связующее.

Наполнители:

* порошковые: каолин, слюда, кварцевый песок, асбестовая мука, древесная мука, тальк и др.;

* волокнистые: хлопковое волокно, стекловолокно, углеволокно, асбоволокно;

* слоистые: бумага, хлопчатобумажная ткань, стеклоткань, асботкань.

В качестве связующего используются линейные или пространственные полимеры смолы.

Кроме того, в пластмассы добавляют вспомогательные вещества: отвердители, пластификаторы, стабилизаторы, красители др.

Пластмассы с порошковым наполнителем называют пресспорошками, с волокнистым волокнитами, а со слоистым слоистыми пластиками.

Термопластичные пластмассы изготовляют на основе линейных смол (полиамидных, полиуретановых, полиэфирных и др.). Они пластичны, обладают высокой технологичностью. Изделия получают литьем под давлением.

Термореактивные пластмассы производят на основе смол с пространственной сетчатой структурой (эпоксидных, фенолформальдегидных (бакелит С), анилинформальдегидных, кремнийорганических и др.). Термореактивные пластмассы отличаются повышенной твердостью и прочностью. Чаще всего изделия изготовляют путем горячего прессования на гидравлических прессах при давлении 10…12 МПа. Исходное сырье тщательно измельчают и перемешивают. Пресс-форма подогревается, так как процесс полимеризации и отвердения пластмассы обычно требует повышенной температуры (более 60°С).

Свойства пластмасс зависят от свойств связующего и наполнителя.

Связующее должно обеспечить хорошие адгезионную и когезионную прочность, влагостойкость, теплостойкость и высокие электрические свойства. Теплостойкость связующего определяет допустимую рабочую температуру пластмасс:

• * на эпоксидной смоле до 200 °C;
• * на фенолформальдегидной смоле до 250 °C;
• * на кремнийорганической смоле до 370 °C.

Кремнийорганическая смола, обладая высокой теплостойкостью, имеет слабую адгезию к наполнителю, поэтому пластмассы на её основе обладают невысокой прочностью.

Гетинамкс —электроизоляционный слоистый прессованный материал, имющий бумажную основу, пропитанную фенольной и эпоксидной смолой.

В основном используется как основа заготовок печатных плат. Материал обладает низкой механической прочностью, легко обрабатывается и имеет относительно низкую стоимость. Широко используется для дешёвого изготовления плат в низковольтной бытовой аппаратуре, т.к. в разогретом состоянии допускает штамповку, благодаря чему получается плата любой формы вместе со всеми отверстиями.

Из-за низкой огнеупорности в настоящее время гетинакс не используется в ответственных электронных устройствах. Вместо него применяются текстолиты (чаще всего — стеклотекстолит), которые превосходят гетинакс по огнеупорности, прочности, сцеплению с фольгой и ряду других параметров, важных для электроники.

Тормозная колодка представляет из себя металлическую пластинку, являющуюся основой, на которой закреплена фрикционная накладка. Колодка с накладкой повторяют форму поверхности, к которой они прижимаются — диска (плоскость трения прямая) или барабана (плоскость трения дугообразная). Закреплена накладка на основе заклепками или специальным клеем. Кроме того, на некоторых автомобилях предусмотрена установка в колодке датчика её износа.

В состав современной фрикционной накладки входят керамика, специальные смолы, синтетический каучук, органические и минеральные волокна, наполнители и модификаторы. Состав фрикционных материалов довольно сложен, и у каждой фирмы-изготовителя тормозных колодок он свой. Дело в том, что при торможении колодки очень сильно нагреваются, порой до тысячи градусов. При этом они должны уверенно переносить такие экстремальные температуры, не разрушаться и не терять при этом своих фрикционных свойств.

Фторопласт 4 (фторопласт ф-4) — материал, полученный химическим путем. Фторопласт представляет собой высокомолекулярный кристаллизованный полимер. Этот материал обладает почти абсолютной химической стойкостью. Сочетание уникальных физических, химических, электроизоляционных, антифрикционных и многих других свойств, которыми обладает фторопласт 4, делает его уникальным материалом.

Особенности фторопласта 4:

• · Фторопласт 4 обладает чрезвычайно высокой химической стойкостью (это объясняется высоким экранирующим эффектом электроотрицательных атомов фтора), а также стойкостью ко всем минеральным и органическим кислотам, щелочам, органическим растворителям, окислителям, газам и другим агрессивным средам;
• · Разрушить полимер в состоянии лишь расплав щелочных металлов, элементарный фтор и трехфтористый хлор при высоких температурах;
• · Фторопласт 4 обладает способностью не смачиваться водой и не подвергаться воздействию воды при самом длительном испытании;
• · Этот материал демонстрирует исключительно высокие диэлектрические показатели, обусловленные неполярностью полимера;
• · Полимер имеет низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости;
• · У фторопласта 4 исключительно высокая стойкость к вольтовой дуге;
• · Электрическая прочность полимера на образцах толщиной 1 мм — не менее 55 кВ/мм;
• · Абсолютная стойкость в тропических условиях, фторопласт не повреждается грибками;
• · Полимер обладает способностью оставаться прочным, стабильным и абсолютно работоспособным в интервале температур от -269 до +260 °С;
• · Температура плавления фторопласта 4 — около +327 °С, выше которой исчезает кристаллическая структура и он превращается в аморфный прозрачный материал, не переходящий из высокоэластичного в вязкотекучее состояние даже при температуре разложения (+415 °С);
• · Фторопласт используется как антиадгезионный материал благодаря крайне низкой поверхностной энергии;
• · Фторопласт устойчив к сорбции веществ и нарастанию на его поверхности различных отложений;
• · Полимер способен пропускать УФ-лучи и обладает высокой стойкостью к окислению;
• · Исключительная стойкость ф-4 к гидролизу;
• · Материал устойчив к старению в обычных условиях, гарантийный срок сохранения показателей качества более 20 лет. Фторопласт 4 обладает высокими антифрикционными свойствами, исключительно низким коэффициентом трения (в определенных условиях и парах коэффициент трения до 0,02).

Для изделий, работающих под нагрузкой (например, подшипниках), создаются наполненные композиции, содержащие графитированный уголь, кокс, стекловолокно, дисульфид молибдена.