Физико-механические свойства полимеров и пластических масс изготовленных на основе полимерных материалов
Лекция №7.
Физико-механические свойства полимеров и пластических масс (пластмасс) изготовленных на основе полимерных материалов.
Наиболее важные механические свойства пластмасс (гибкость, пластичность, эластичность) происходят из-за наличия в них высокомолекулярных (полимерных) химических соединений (молекулярный вес 104-106 и более атомных единиц). Таким образом, молекула полимера состоит как минимум из 104 атомов. Основным полимерообразующим атомом, благодаря своим уникальным химическим свойствам, является углерод. Важность высокомолекулярных углеродных соединений можно понять хотя бы из того, что всё живое на земле состоит из этих соединений, а генетический код записан с их помощью. Кстати, многие неорганические материалы – силикаты, содержащие SiO2 фактически (по строению) являются неорганическими полимерами (таким образом, даже бетон во многом обязан своими свойствами неорганическим полимерам). Не даром в некоторых фантастических произведениях предполагается, что на горячих планетах живые организмы состоят из кремниевых полимеров. Компьютерные микросхемы уже сейчас состоят в основном из кремния!!!, а архитектура и система обмена данными в компьютере моделирует работу человеческого мозга. Но различие механических свойств достаточно велико: силикаты – твёрдые, хрупкие, термостойкие, органические полимеры – мягкие, гибкие, не термостойкие соединения. Склонны к образованию больших молекул (то-есть, образуют между собой прочную химическую связь) атомы серы, фосфора, селена, теллура, поэтому эти вещества имеют очень много кристаллических модификаций, но их число не сравнимо с количеством соединений образуемых углеродом. Объём литературы по органической (углеродной химии) сравним с объёмом по химии всех остальных соединений!!! Давайте поближе познакомимся со свойствами углеродных полимеров.
Главная особенность любого полимерного вещества, определяющая его физические свойства, состоит в наличии двух типов связей, резко отличающихся по своей природе и энергии. Атомы в полимерной цепочке связаны химическими связями в десять-сто раз более прочными, чем связи между цепочками. Если связи между цепочками становятся такими же прочными (вулканизированные, сшитые полимеры), то вещество становится твёрдым и хрупким (сравните: эбонит и резина имеют почти одинаковый химический состав). Другой важной особенностью полимеров является линейной или близкое к линейному строение молекулы полимера, как мы увидим далее практически все механические свойства полимеров определяются именно этим строением. Органические полимеры в соответствии с принятой классификацией можно разделить на следующие классы:
Полиэтилен, полипропилен – самые массовые полимеры сравнительно легко получаемые, идут на изготовление тары, плёнок.
Полиизопрен – изготовление искусственных кож, резино-технических изделий.
Хлорсодержащие полимеры – прочные, термостойкие соединения используются в кабельной промышленности и в других изделиях, где требуется огнестойкость. Но при высокой температуре может происходить разложение этих полимеров с образованием очень вредных соединений, поэтому в кабельной промышленности начинают использовать кремний органические полимеры. Кремний-органика, к сожалению, практически не поддаётся вторичной переработке, а это свойство является очень важным для широкого применения материалов.
Рекомендуемые материалы
Вот, например, полимеры состоящие из чередования двух разных молекул и поэтому называемые сополимерами, используемые для изготовления автомобильных покрышек:
Вот образцы природных полимеров, лёгкое различие в строении приводит к тому, что крахмал усваивается организмом, а целлюлоза - нет.
Природные полимеры хитин и коллаген являются важнейшими компонентами скелета и мышц живых организмов, а целлюлоза и лигнин – строительный материал растительного мира.
Химические свойства: термостойкость, взаимодействие с различными жидкостями, газопроницаемость определяется химическими свойствами мономеров, из которых состоит полимер (например плёнка полимера проницаемая для водорода и азота, может не пропускать углекислый газ и наоборот). Полимеры, имеющие в своём составе полярные группы: OH, COOH, COH, CNH2 растворимы в полярных растворителях и могут взаимодействовать с водой. Отсюда следует, что кислоты лучше хранить в полиэтиленовых или полипропиленовых емкостях.
Механические свойства.
Экспериментально было установлено, что модуль упругости полимеров (высокоэластичном состоянии) в десятки-сотни тысяч раз меньше модуля упругости металлов или керамических материалов и сравним с модулем упругости газов. Это навело учёных на мысль, что внутреннее строение полимерного материала следующее: редкие (неподвижные) точки связи полимерных молекул, между которыми почти свободно перемещаются большие фрагменты макромолекул.
Эти, легко передвигающиеся фрагменты оказывают такое же давление на внешние слои материала, как молекулы газа на стенки резервуара. Поэтому модуль упругости полимеров возрастает с увеличением температуры (так же как и у газов), все другие материалы наоборот становятся мягче с повышением температуры. Если мы с помощью химических реагентов увеличим концентрацию точек сшивки, то получим более твёрдое менее растяжимое вещество и в пределе очень большой концентрации точек сшивки получаем обычное твёрдое хрупкое вещество.
Также как и газ с понижением температуры превращается в жидкость, так и молекулы полимера переходят из полностью неупорядоченного состояния в стеклообразное или кристаллическое состояние. В кристаллическом состоянии все молекулы расположены упорядоченно и обездвижены, а значит в таком состоянии полимерное вещество полностью похоже на обычные твёрдые тела. В стеклообразном состоянии молекулы расположены неупорядоченно, но сильно обездвижены. В таком состоянии полимер может быть твёрдым, но обладать высокоэластическими свойствами (испытывать большие деформации без разрушения). Физическое состояние стеклообразных (аморфных) линейных полимеров описывается термомеханической кривой (деформация происходит при приложении некой стандартной нагрузки):
Информация в лекции "3 - Скелет туловища и череп" поможет Вам.
Из этого графика следует, что при температурах ниже температуры стеклования Tc, при воздействии нагрузки вещество испытывает небольшую деформацию. При повышении температуры выше Tc деформация при той же нагрузке увеличивается в десятки раз. При повышении температуры выше Tт (температура текучести) деформация становится бесконечно большой, то есть вещество начинает течь.
Кроме того, необходимо понимать, что все выше перечисленные свойства происходят из-за подвижности фрагментов макромолекул между точками сшивки. Движения фрагментов происходят с быстрой, но конечной скоростью. И значит, наши рассуждения применимы, когда нагрузка изменяется достаточно медленно (для каждого полимера эта скорость устанавливается экспериментально). При быстрых изменениях силы нагружения полимер может оказаться хрупким при температурах, при которых он, казалось бы должен находится в высокоэластичном состоянии. Этот факт необходимо учитывать при практическом применении полимерных конструкций. Зависимость деформации от времени t (при приложении постоянной нагрузки описывается формулой) :
где t - время релаксации фрагментов макромолекул.
Литература.
- А.А.Тагер “Физико-химия полимеров”, Госхимиздат, М. 1963 г. 527 с.
