Полимеры

Полимеры — высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из огромного количества молекул низкомолекулярных соединений (мономеров), соединенных друг с другом силами ковалентных связей в макромолекулы.

Макромолекулы во много тысяч раз превышают размеры обычных молекул. Так, молекула воды состоит из трех атомов, а ее молекулярная масса равна 18 ед.; молекула силикальцита состоит из пяти атомов, а ее молекулярная масса равна 100 ед. Молекулы полимеров содержат сотни тысяч атомов, а их молекулярная масса достигает десятков и сотен тысяч единиц и более. Например, молекула целлюлозы (природный полимер) построена из 1 200 000 атомов с молекулярной массой 300 000 ед., у искусственного полимера полиэтилена молекулярная масса колеблется в пределах от 10 000 до 40 000 ед.

Полимеры разделяют на органические и неорганические. Главным отличием органических полимеров является наличие в их молекулах атомов углерода, которых в молекулах неорганических полимеров нет. В строительстве наибольшее распространение получили искусственные органические полимеры.

В большинстве случаев органические полимеры содержат многократно повторяющиеся структурные элементарные звенья — мономеры.

Основная цепь у макромолекул полимеров обычно состоит из атомов углерода (карбоцепные полимеры). Например, полиэтилен (—СН2—СН2—)„:

Индекс п обозначает число повторяющихся звеньев мономеров, входящих в состав полимера:

где М — молекулярная масса полимера; т — то же мономера.

Иногда цепь полимера состоит из атомов углерода, чередующихся с атомами других элементов: кислорода, хлора, серы, азота, фосфора. Такие полимеры называются гетероцепными (ненасыщенные полиэфиры, полиамиды).

Ненасыщенные полиэфиры выпускаются промышленностью в виде полиэфирных смол, используемых при производстве стеклопластиков, лаков, клеев.

Полиамиды — синтетические полимеры, содержащие повторяющиеся группы (—СО—NH—) в основной цепи макромолекулы. Применяются при производстве пленок, синтетических волокон, клеев.

В основную цепь макромолекулы полимера могут включаться атомы кремния, алюминия, титана, никеля, отсутствующие в природных соединениях. Такие полимеры называются элементоорганическими. Так, например, соединения типа

имеют в макромолекуле кремний-кислородные связи, именуемые силоксановыми.

По строению молекул органические полимеры могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми (трехмерными). При линейном строении все молекулы вытянуты в виде цепей, в которых молекулы мономера, являющиеся исходным низкомолекулярным соединением, химически связаны между собой. Разветвленные макромолекулы характеризуются наличием мономерных звеньев, ответвленных от основной цепи полимера. Сетчатые (пространственные) макромолекулы характеризуются химической «сшивкой» отдельных линейных

Строение молекул полимеров

Рис. 9.1. Строение молекул полимеров: а — линейная структура; б — разветвленная структура; в — структура пространственного полимера

или разветвленных цепей полимера поперечными связями (рис. 9.1).

Органические полимеры в твердом состоянии обычно имеют аморфную структуру. Однако некоторые полимеры в твердом состоянии характеризуются кристаллической или аморфнокристаллической структурой.

Основными видами сырья для производства полимеров служат природные и нефтяные газы, аммиак, каменный уголь, древесина и др.

В зависимости от способа получения полимеры разделяют на две группы: полимеризационные (термопласты) и по- ликонденсационные (реактопласты).

Полимеризационные полимеры получают полимеризацией исходных мономеров путем соединения элементарных звеньев мономера в длинные цепи. Поскольку при полимеризации мономеров атомы и их группировки не отщепляются, то побочных продуктов в реакциях не образуется, а химический состав мономера и полимера остается одинаковым. В полимеризации могут участвовать два и более мономера, тогда ее называют со- полимеризацией, а продукт — сополимером.

При поликонденсации протекают более сложные химические реакции, в результате которых образуется не только основной продукт, но и побочные соединения (вода, спирт и др.), так что химический состав получаемого сополимера всегда будет отличаться от химического состава исходных продуктов поликонденсации.

По мере протекания процессов полимеризации и поликонденсации растет число атомов в образуемых макромолекулах и молекулярная масса формирующихся полимеров.

Все синтетические высокомолекулярные соединения, полученные полимеризацией или поликонденсацией (за исключением эфиров целлюлозы и каучуков), принято называть синтетическими смолами.

По отношению к нагреванию синтетические смолы делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактоп ласты).

Термопластичными смолами (термопластами) называют смолы, которые при нагревании размягчаются с последующим плавлением, а при охлаждении снова затвердевают. Такое свойство термопластов обусловлено линейным строением их макромолекул.

Аморфные термопластичные полимеры в зависимости от температуры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Переходы от одного состояния в другое хорошо иллюстрируются термомеханической кривой (рис. 9.2).

На начальном участке (I) до температуры стеклования Тс деформации от приложенной нагрузки незначительны и мало изменяются с повышением температуры. Однако после дости-

Классическая форма термомеханической кривой

Рис. 9.2. Классическая форма термомеханической кривой с — температура стеклования; Тт — температура текучести) жения температуры Тс деформации резко возрастают, а затем стабилизируются и остаются примерно одинаковыми до температуры текучести ТТ (участок И). При дальнейшем повышении температуры снова наблюдается интенсивное увеличение деформаций, что приводит к разрушению полимеров (участок III).

У термопластичных смол есть преимущества и недостатки.

Преимущества: небольшая плотность (1...2 г/см3), низкая теплопроводность, высокая химическая стойкость. Большинство термопластичных смол устойчивы к воздействию кислот, щелочей, воды и водных растворов различных солей.

Недостатки: низкая теплостойкость, малый модуль упругости, хрупкость при температуре ниже температуры хрупкости. Большая ползучесть термопластичных полимеров ограничивает их применение в строительстве в качестве конструкционных материалов.

К термопластичным смолам относятся:

  • ? полиэтилен (—СН2—СН2—)п;
  • • полипропилен (—СН2—СН—СН3—)п;
  • ? полиизобутилен (—СН2—С(СН3)2—)л;
  • ? поливинилхлорид (—СН2—СНС1—)л;
  • ? полистирол (—СН2—СНС6Н5)2—)га;
  • ? полиамидные смолы.

Физико-механические свойства некоторых термопластичных смол приведены в табл. 9.1.

Термореактивные смолы (реактопласты) при нагревании способны перейти в пластическое состояние только один раз. При этом при повышенных температурах происходит «сшивка» линейных молекул в поперечном направлении прочными химическими связями — образуется сетчатая структура. С образованием такой структуры свойства реактопластов существенно изменяются: они теряют способность растворяться в растворителях и переходить при повторном нагревании в пластическое состояние, т.е. размягчаться.

Физико-механические свойства термопластичных смол

472 9. Полимерные материалы и изделия в дорожной отрасли

Смола

Средняя плотность, кг/м3

Теплостойкость по Мартенсу, °С

Морозостойкость, °С

Электрическая прочность, кВт/мм

Предел прочности, кгс/см2 (МПа)

Относительное удлинение при разрыве, %

Удельная ударная вязкость, Дж/м2

Твердость по Бринеллю

К

я

5S « Ен О

я

а

ей

К

0>

Я

Ен

ей

*

о

ей

К

VO

5

Рн

СО

Я

ей

Я

Полиэтилен

высокого

давления

925

60

-70

45...60

  • 130...160
  • (13...16)
  • 145
  • (145)

170(17)

150...600

Не

разруша

ются

13

Полипро

пилен

910

100...110

-35

30...32

320(32)

600...700 (60...70)

800...1100 (80...110)

До 650

16

Полистирол

50

75...80

-25

20...40

350...400 (35...40)

  • 1000
  • (ЮО)
  • 600...850
  • (60...85)

1...4

5...15

5...20

Полиамиды

1140

50...55

-45

30

600...650 (60...65)

700...900 (70...90)

  • 700...900
  • (70...90)

200

100...160

10...12

Термореактивные смолы характеризуются большой твердостью, теплостойкостью и незначительными деформациями под действием постоянной статической нагрузки.

Чем более «густой» является пространственная сетка, т.е. чем больше поперечных «сшивок» макромолекул в единице объема, тем выше жесткость и конечный модуль упругости и меньше вероятность проявления ползучести от внешних нагрузок.

Существуют следующие виды термореактивных смол:

  • ? фенолоформальдегидные;
  • ? карбамидные;
  • ? эпоксидные;
  • ? полиэфирные;
  • ? кремнийорганические.

Физико-механические свойства некоторых термореактивных смол приведены в табл. 9.2.

Основными техническими характеристиками полимеров являются:

  • ? температуры размягчения, стеклования, текучести;
  • ? механические свойства (прочность, деформативность, поверхностная твердость);
  • ? химические свойства (атмосферостойкость, сопротивляемость деструкции в химически агрессивных средах).

Каждое из этих свойств определяется по стандартным методам в лабораторных практикумах.

Полимеры, с позиций строительных материалов, обладают рядом положительных свойств и недостатков.

Положительные свойства: малая плотность; низкая теплопроводность; высокие химическая и атмосферостойкость; высокая прочность.

К недостаткам можно отнести: низкую теплостойкость; малую поверхностную твердость; невысокий модуль упругости; значительную ползучесть; склонность к старению; высокую стоимость.

Физико-механические свойства термореактивных смол

Смола

Плотность, г/см3

Теплостойкость по Мартенсу, °С

Электрическая прочность, кВт/мм

Предел прочности, кгс/см2 (МПа)

Удельная ударная вязкость, Дж/м2

Удлинение, %

Ф

Я

я

ф

S

я

Е-

Ф

Я

Рч

я

Я

Ф

Я

н

я

*

о

я

я

VO

я

Рн

СО

Я

Я

я

Фенолоформальде- гидные (резольные)

1,25

80...110

10...20

250...500 (20...50)

700...1500 (70...150)

40...1000 (4...100)

13

Мочевиноформаль- дегидные (карбамидные)

1,45

70...100

12...16

120...500 (12...50)

800...1100 (80...110)

300...600 (30...60)

16

Эпоксидные

1,2

60...140

11...30

400...800 (40...80)

700...1600 (70...160)

600...1300 (60...130)

10...25

2,5...8

Полисилокса- новые (кремний- органические)

1,6...2,1

280...350

15...20

4000...6000 (400...600)

474 9. Полимерные материалы и изделия в дорожной отрасли

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >