Будова полімерів

Полімери як конструкційні матеріали в сучасної техніці займають найважливіше місце поряд із металами, і область їхнього застосування невпинно розширюється. Фізико-механічні властивості полімерів відрізняються від властивостей кристалічних тіл, розглянутих у попередньому параграфі. Розглянемо особливості будови і властивості полімерів.

Полімери складаються з величезних молекул, що утворяться в результаті з’єднання невеличких груп атомів, частіше усього атомів: вуглецю і водню. Молекули можуть мати лінійну або просторову структуру (рисунок 2.7). В залежності від форми і розмірів молекули полімеру властивості його можуть змінюватися в дуже широких межах. Лінійні полімери мають лінійні молекули, зв'язані між собою силами Ван - Дер - Ваальса. При підвищенні температури такі полімери легко розм'якшуються і переходять у рідкий стан, причому зміна властивостей відбувається поступово (відсутній фазовий перехід першого роду – плавлення). Взаємне розміщення молекулярних ланцюгів не є зовсім випадковим. Полімерний матеріал містить надмолекулярні утворення у вигляді глобул, пачок ланцюгів, окремих кристалів і тд. Так, лінійні полімери при кімнатній температурі мають або цілком аморфну структуру, або, рідше, частково кристалічну. Кристалічні області дуже малі - 0,01…0,1 мкм (розміри зерен у металах: 1…10000 мкм). У межах таких областей молекули розташовані в правильному тривимірному порядку. Кристалічні області оточені аморфною матрицею, де молекули розташовані безладно і переплетені.

Рисунок 2.7 - Будова високомолекулярних з’єднань:а - лінійна; б - розгалужена; в - сітчаста (просторова)

Прикладом майже цілком кристалічного полімеру є політетрафторетилен (фторопласт). Лінійні полімери є основою термопластів, що легко оброблюються тиском при температурах 300…400^оС. Крім політетрафторетилену до термопластів відносяться полівінілхлорид, нейлон, поліетилен, полістирол і інші. До полімерних матеріалів відноситься і дерево, яке є лінійним полімером - целюлозою. Споживання дерева в промисловості (крім дров) перевищує споживання сталі.

Полімери з замкнутою просторовою сітчастою структурою складають основу термореактивних пластиків. Прикладом можуть служити фенолформальдегідні пластики. Застосовуються термореактивні пластики рідше, ніж термопласти.

Дуже важливою групою полімерів є каучуки, особливо синтетичні, що називають еластомерами.

Основні переваги полімерних матеріалів - їх порівняно низька вартість, економічність і технологічність виготовлення деталей із них.

Основна недолік полімерів – помітне погіршення фізичних властивостей з часом, особливо під впливом температури, ультрафіолетового й іонізуючого проміння, і навколишнього середовища (кисень, азот, вода). Крім того, потрібно враховувати, що механічні властивості полімерів відрізняються від властивостей металів. Полімери не підпорядковуються закону Гука. Еластоміри здатні до пружної деформації порядку 1000 %, інші полімери - до 1 %, при цьому залежність деформації від напруження нелінійна. Для полімерів не можна визначити модуль пружності як постійну величину - характеристику матеріалу. Проте використовуються різноманітні "умовні" модулі пружності, які, природно, залежать від напруги (або деформації), а, крім того, від температури і швидкості деформації. Модулі пружності полімерів багато менші, чим у металів.

Полімери виявляють помітну повзучість при кімнатній температурі (тобто вони здатні до безперервної деформації без збільшення навантаження). При пружній деформації полімерів спостерігається гістерезис за рахунок значного внутрішнього тертя. Полімери є, як правило, гарними ізоляторами тому на їхній поверхні, особливо при терті, можуть накопичуватись значні електричні заряди. Теплопровідність полімерів також нижча, що погіршує умови тепловідводу при терті в порівнянні з металевими поверхнями. Для збільшення теплопровідності в композиційні полімерні матеріали вводять металеві частинки. Наприклад, фрикційні матеріали ретинакси (ФК-24А і ФК-16Л), які широко використовуються в гальмівних механізмах, містять в своєму складі латунь у вигляді коротких дротин.