Властивості полімерів

Лінійні полімери мають специфічний комплексом фізико-хімічних і механічних властивостей. Найважливіші з цих властивостей: здатність утворювати високоміцні анізотропні високоорієнтованих волокна і плівки, здатність до великих, довгостроково розвиваються оборотним деформаціям; здатність у високоеластичному стані набухати перед розчиненням; висока в'язкість розчинів. Цей комплекс властивостей обумовлений високою молекулярною масою, ланцюговим будовою, а також гнучкістю макромолекул. При переході від лінійних ланцюгів до розгалужених, рідкісним тривимірним сіток і, нарешті, до густих сітчастим структурам цей комплекс властивостей стає усе менш вираженим. Сильно зшиті полімери нерозчинні, неплавкі і нездатні до високоеластічним деформацій.

Полімери можуть існувати в кристалічному та аморфному станах. Необхідна умова кристалізації - регулярність досить довгих ділянок макромолекули. У кристалічних полімерах можливе виникнення різноманітних надмолекулярних структур (фібрил, сферолітов, монокристалів, тип яких багато в чому визначає властивості полімерного матеріалу. Надмолекулярні структури в незакристалізованій (аморфних) полімерах менш виражені, ніж у кристалічних.

Незакристалізованій полімери можуть знаходитися в трьох фізичних станах: стеклообразном, високоеластичному і вязкотекучем. Полімери з низкою (нижче кімнатної) температурою переходу з стеклообразного у високоеластичний стан називаються еластомерамі, з високою - пластиками. У залежності від хімічного складу, будівлі і взаємного розташування макромолекул властивості полімери можуть мінятися в дуже широких межах. Так, 1,4.- цісполібутадіен, побудований із гнучких вуглеводневих ланцюгів, при температурі близько 20 ° С - еластичний матеріал, який при температурі -60 ° С переходить у склоподібний стан; поліметилметакрилат, побудований з більш жорстких ланцюгів, при температурі близько 20 ° С - твердий склоподібний продукт, що переходить у високоеластичний стан лише при 100 ° С. Целюлоза - полімер з дуже жорсткими ланцюгами, з'єднаними міжмолекулярними водневими зв'язками, взагалі не може існувати в високоеластичному стані до температури її розкладання. Великі розходження у властивостях полімерів можуть спостерігатися навіть у тому випадку, якщо відмінності в будові макромолекул на перший погляд і невеликі.

Полімери можуть вступати в наступні основні типи реакцій: утворення хімічних зв'язків між макромолекулами (так зване зшивання), наприклад при вулканізації каучуків, дублення шкіри; розпад макромолекул на окремі, більш короткі фрагменти, реакції бічних функціональних груп полімерів з низькомолекулярними речовинами, що не торкаються основну ланцюг (так звані полімераналогічние перетворення); внутрішньомолекулярні реакції, що протікають між функціональними групами однієї макромолекули, наприклад внутрішньомолекулярний циклізація. Зшивання часто протікає одночасно з деструкцією. Прикладом полімераналогічних перетворень може служити омилення полівтілацетата, що приводить до утворення полівінілового спирту. Швидкість реакцій полімерів з низькомолекулярними речовинами часто лімітується швидкістю дифузії останніх у фазу полімеру. Найбільш явно це виявляється у випадку зшитих полімерів. Швидкість взаємодії макромолекул з низькомолекулярними речовинами часто істотно залежить від природи і розташування сусідніх ланок щодо реагуючого ланки. Це ж відноситься і до внутрішньомолекулярним реакцій між функціональними групами, що належать одного ланцюга.

Деякі властивості полімерів, наприклад розчинність, здатність до в'язкого плину, стабільність, дуже чутливі до дії невеликих кількостей чи домішок добавок, що реагують з макромолекулами. Так, щоб перетворити лінійний полімер з розчинного в цілком нерозчинний, досить утворити на одну макромолекулу 1-2 поперечні зв'язки.

Найважливіші характеристики полімерів - хімічний склад, молекулярна маса і молекулярно-масовий розподіл, ступінь розгалуженості і гнучкості макромолекул, стереорегулярность та інші. Властивості полімерів істотно залежать від цих характеристик.

5. Використання полімерів.

Сьогодні можна говорити щонайменше про чотири основні напрямки використання полімерних матеріалів у сільському господарстві. І у вітчизняній і у світовій практиці перше місце належить плівкам. Завдяки застосуванню мульчуючій перфорованої плівки на полях врожайність деяких культур підвищується до 30%, а терміни дозрівання прискорюються на 10-14 днів. Використання поліетиленової плівки для гідроізоляції створюваних водоймищ забезпечує істотне зниження втрат запасається вологи. Укриття плівкою сінажу, силосу, грубих кормів забезпечує їх кращу схоронність навіть у несприятливих погодних умовах. Але головна область використання плівкових полімерних матеріалів у сільському господарстві - будівництво та експлуатація плівкових теплиць. В даний час стало технічно можливим випускати полотнища плівки шириною до 16 м, а це дозволяє будувати плівкові теплиці шириною в підставі до 7,5 і довжиною до 200 м. У таких теплицях можна всі сільськогосподарські роботи проводити механізовано, більше того, ці теплиці дозволяють вирощувати продукцію цілий рік. У холодну пору теплиці обігріваються знов-таки за допомогою полімерних труб, закладених у грунт на глибину 60-70 см.

З погляду хімічної структури полімерів, використовуваних у тепличних господарствах такого роду, можна відзначити переважне використання поліетилену, непластифікованого полівінілхлориду й у меншій мері поліамідів. Поліетиленові плівки відрізняються кращою світлопроникністю, кращими властивостями міцності, але гіршої погодостійкістю і порівняно високими тепловтратами. Вони можуть справно служити лише 1-2 сезону. Поліамідні і інші плівки поки застосовуються порівняно рідко.

Інша область широкого застосування полімерних матеріалів у сільському господарстві - меліорація. Тут і різноманітні форми труб і шлангів для поливу, особливо для самого прогресивного в даний час краплинного зрошення; тут і перфоровані пластмасові труби для дренажу. Цікаво відзначити, що термін служби пластмасових труб у системах дренажу, напри заходів, в республіках Прибалтики в 3-4 рази довше, ніж відповідних керамічних труб. До того ж використання пластмасових труб, особливо з гофрованого полівінілхлориду, дозволяє майже повністю виключити ручну працю при прокладці дренажних систем.

Два інших головних напрямки використання полімерних матеріалів у сільському господарстві - будівництво, особливо тваринницьких приміщень, і машинобудування. Починаючи з 1975 року весь велика рогата худоба, а також вівці і кози в державних господарствах Чехословаччини повинні носити у вухах своєрідні сережки - пластмасові таблички із зазначенням основних даних про тварин. Ця нова форма реєстрації тварин повинна замінити застосовувалося раніше таврування, що визнано фахівцями негігієнічним. Мільйони пластмасових табличок повинні випускати артілі місцевої промисловості.

Комплексну задачу очищення стічних вод целюлозно-паперового виробництва та одночасного виробництва кормів для тваринництва вирішили фінські вчені. Спеціальну культуру мікробів вирощують на відпрацьованих сульфітний луг у спеціальних ферментаторах при 38 ° С, одночасно додаючи туди аміак. Вихід кормового білка становить 50-55%; його з апетитом поїдають свині і домашня птиця.

Традиційно прийнято багато спортивних заходів проводити на майданчиках з трав'яним покриттям. Футбол, теніс, крокет... На жаль, динамічний розвиток спорту, пікові навантаження біля воріт або біля сітки приводять до того, що трава не встигає підрости від одного змагання до іншого. І ніякі хитрування садівників не можуть з цим впоратися. Можна, звичайно, проводити аналогічні змагання на майданчиках, скажімо, з асфальтовим покриттям, але як же бути з традиційними видами спорту? На допомогу прийшли синтетичні матеріали. Полиамидную плівку товщиною 1 / 40 мм (25 мкм) нарізають на смужки шириною 1,27 мм, витягають їх, звиваються, а потім переплітають так, щоб отримати легку об'ємну масу, що імітує траву. Щоб уникнути пожежі до полімеру загодя додають вогнезахисні засоби, а щоб з-під ніг у спортсменів не посипалися електричне іскри - антистатик. Килимки з синтетичної трави наклеюють на підготовлену підставу - і ось заст готовий трав'яний корт або футбольне поле, чи інша спортивна площадка. А в міру зносу окремі ділянки ігрового поля можна замінювати новими килимками, виготовленими за тією ж технологією і того ж зеленого кольору.

Проте - головний споживач чи ледве не всіх матеріалів, вироблених у нашій країні, в тому числі і полімерів це промисловість. Використання полімерних матеріалів у машинобудуванні росте такими темпами, які не знають прецеденту у всій людській історії. Приміром, у 1976 1. машинобудування нашої країни спожило 800000 т пласт мас, а в 1960 р. - всього 116 000 т. При цьому цікаво відзначити, що ще десять років тому в машинобудування направлялося 37-38% усіх випускаються в нашій країні пластмас, а 1980 р. частка машинобудування у використанні пластмас знизилася до 28%. І справа тут не в тому, що могла б знизиться потреба, а в тому, що інші галузі народного господарства стали застосовувати полімерні матеріали в сільському господарстві, у будівництві, у легкій і харчовій промисловості ще більш інтенсивно.

При цьому доречно відзначити, що в останні роки трохи змінилася і функція полімерних матеріалів у будь-якій галузі. Полимерам стали довіряти усе більш і більш відповідальні задачі. З полімерів стали виготовляти усе більше щодо дрібних, але конструктивно складних і відповідальних деталей машин і механізмів, і в той же час все частіше полімери стали застосовуватися у виготовленні великогабаритних корпусних деталей машин і механізмів, що несуть значні навантаження. Нижче буде докладніше розказано про застосування полімерів в автомобільній і авіаційній промисловості, тут же згадаємо лише один примітний факт: кілька років тому по Москві ходив цельнопластмассовий трамвай. А от інший факт: чверть усіх дрібних судів - катерів, шлюпок, човнів - тепер будується з пластичних мас.

До недавніх пір широкому використанню полімерних матеріалів у машинобудуванні перешкоджали два, здавалося б, загальновизнаних недоліку полімерів: їх низька (у порівнянні з марочними сталями) міцність і низька теплостійкість. Рубіж міцносних властивостей полімерних матеріалів удалося перебороти переходом до композиційних матеріалів, головним чином скло й вуглепластика. Так що тепер вираження "пластмаса міцніша стали" звучить цілком обгрунтовано. У той же час полімери зберегли свої позиції при масовому виготовленні величезного числа тих деталей, від яких не потрібно особливо висока міцність: заглушок, штуцерів, ковпачків, рукояток, шкал і корпусів вимірювальних приладів. Ще одна область, специфічна саме для полімерів, де чіткіше всього виявляються їх переваги перед будь-якими іншими матеріалами, - це область внутрішньої і зовнішньої обробки.

Те ж саме можна сказати і про машинобудування. Майже три чверті внутрішньої обробки салонів легкових автомобілів, автобусів, літаків, річкових і морських судів і пасажирських вагонів виконується нині з декоративних пластиків, синтетичних плівок, тканин, штучної шкіри. Більше того, для багатьох машин і апаратів тільки використання антикорозійної обробки синтетичними матеріалами забезпечило їх надійну, довгострокову експлуатацію. Приміром, багаторазове використання виробу в екстремальних фізико-технічних умовах (космосі) забезпечується, зокрема, тим, що вся його зовнішня поверхня покрита синтетичними плитками, до того ж приклеєними синтетичним поліуретановим або поліепоксидною клеєм. А апарати для хімічного виробництва? У них усередині бувають такі агресивні середовища, що ніяка марочна сталь не витримала б. Єдиний вихід - зробити внутрішнє облицювання з чи платини з плівки фторопласта. Гальванічні ванни можуть працювати тільки за умови, що вони самі і конструкції підвіски покриті синтетичними смолами і пластиками.

Широко застосовуються полімерні матеріали й у такій галузі народного господарства, як приладобудування. Тут отриманий найвищий економічний ефект у середньому в 1,5-2,0 рази вище, ніж в інших галузях машинобудування. Пояснюється це, зокрема тим, що велика частина полімерів переробляється в приладобудуванні самими прогресивними способами що підвищує рівень корисного використання (і безвідходність отходности) термопластів, збільшує коефіцієнт заміни дорогих матеріалів. Поряд з цим значно знижуються витрати живої праці. Найпростішим і дуже переконливим прикладом може служити виготовлення друкованих схем: процес, не мислимий без полімерних матеріалів, а з ними і цілком автоматизований.

Майже повну автоматизацію забезпечило застосування полімерів у виробництві гальмових систем для транспорту. Неспроста практично усі функціональні деталі гальмових систем для автомобілів і близько 45% для залізничного рухомого складу робляться із синтетичних прес-матеріалів. Близько 50% деталей обертання і зубчастих коліс виготовляється з міцних конструкційних полімерів. В останньому випадку можна відзначити дві різних тенденції. З одного боку, все частіше з'являються повідомлення про виготовлення зубчастих коліс для тракторів з капрону. Уривки рибальських мереж, старі панчохи і путанку капронових волокон переплавляють і формують у шестірні. Ці шестірні можуть працювати майже без зносу в контакті зі сталевими, вдобавок така система не потребує змащення і майже безшумно. Інша тенденція - повна заміна металевих деталей у редукторах на деталі з вуглепластиків. У них теж відзначається різке зниження механічних втрат, довготривалість терміну служби.

Виготовлення металорізального інструмента. У міру розширення використання міцних сталей н сплавів усе більш тверді вимоги пред'являються до обробного інструменту. І тут теж на виторг інструментальнику і верстатникові приходять пластмаси. Але не зовсім звичайні пластмаси надвисокої твердості, такі, які сміють посперечатися навіть з алмазом. Король твердості, алмаз, ще не скинуть зі свого трону, але справа йде до того. Деякі окисли (наприклад з роду фіанітів), нітриди, карбіди, уже сьогодні демонструють не меншу твердість, так до того ж і велику термостійкість. Вся біда в тому, що вони поки ще більш дороги, чим природні і синтетичні алмази, так до того ж їм властивий "королівський порок" - вони здебільшого тендітні. От і приходиться, щоб удержати їх від розтріскування, кожне зернятко такого абразиву оточувати полімерним упакуванням найчастіше з фенолформальдегідних смол. Тому сьогодні три чверті абразивного інструмента випускається з застосуванням синтетичних смол.

До речі, ті ж переваги стимулюють і широке застосування полімерних матеріалів в авіаційній промисловості. Наприклад, заміна алюмінієвого сплаву графітопластіком при виготовленні предкрилка крила літака дозволяє скоротити кількість деталей з 47 до 14, кріплення - з 1464 до 8 болтів, знизити вага на 22%, вартість - на 25%. При цьому запас міцності виробу складає 178%. Лопаті вертольота, лопатки вентиляторів реактивних двигунів рекомендують виготовляти з поліконденсационних смол, наповнених алюмосилікатними волокнами, що дозволяє знизити вагу літака при збереженні міцності і надійності. По англійському патенті № 2047188 покриття несучих поверхонь літаків або лопатей роторів вертольотів шаром поліуретану товщиною всього 0,65 мм у 1,5-2 рази підвищує їхня стійкість до дощової ерозії. Жорсткі вимоги були поставлені перед конструкторами першого англо-французького надзвукового пасажирського літака "Конкорд". Було розраховано, що від тертя об атмосферу зовнішня поверхня літака буде розігріватися до 120-150 ° С, і в той же час було потрібно, щоб вона не піддавалася ерозії протягом щонайменше 20000 годин. Рішення проблеми було знайдено за допомогою поверхневого покриття захисту літака найтоншою плівкою фторопласта.

Оболонку двигуна ракет виготовляють з вуглепластика, намотуючи на трубу стрічку з вуглеволокна, попередньо просочену епоксидними смолами. Після затвердіння смоли і видалення допоміжного сердечника одержують трубу зі змістом вуглеволокна більше двох третин, досить міцну на розтягання і вигин, стійку до вібрацій і пульсації. Залишається начинити заготівлю ракетним паливом, приладити до неї відсік для приладів і фотокамер, і можна відправляти її в політ.

Поиск по сайту: