Неметаллические материалы
Это неорганические и органические полимерные материалы, пластмассы, композиционные материалы (на неметаллической основе), графит, стекло, керамика, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия.
Пластмассами называют материалы, основу которых составляют природные или синтетические высокомолекулярные соединения, содержащие или не содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты.
Простые пластмассы – это полимеры без добавок. К ним, например, относятся полиэтилен, полистирол. Сложные пластмассы – это полимеры с различными добавками (наполнителями, пластификаторами, стабилизаторами, отвердителями, красителями и др.).
Наполнители (порошкообразные, кристаллические, волокнистые листовые, газообразные и т.п.) в основном определяют свойства пластмасс – их прочность, интервал рабочих температур, коэффициент трения и др. Они располагаются в полимерной матрице (дисперсионной среде) и не образуют непрерывной фазы. Физически пластмассы с наполнителями представляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех направлениях) физическими макросвойствами. Наполнители в пластмассы вводят в количестве 40–70%.
Пластификаторы – это вещества, повышающие пластичность, морозостойкость и облегчающие обработку пластмасс, например стеарин, олеиновая кислота, дибутилфталат. Содержание пластификатора в составе колеблется в пределах 10-20%.
Стабилизаторы – вещества, добавляемые в пластмассу для повышения стабильности свойств при длительном хранении и эксплуатации изделий.
Отвердители – вещества, способствующие переходу некоторых видов пластмасс в химически необратимое термо-стабильное состояние. Их вводят в состав в количестве нескольких процентов.
Примерно 90% общего производства пластмасс приходится на следующие группы: полиэтилены низкой и высокой плотности, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и сополимеры стирола, полиакрилаты, полиацетали, полиамиды, простые и сложные полиэфиры, полисульфоны, фено- и аминопласты, полиэпоксиды и кремнийорганические полимеры.
Кроме твердофазных существуют газофазные наполнители. Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные системы, состоящие из твердой фазы – связующего, и газообразной фазы – наполнителя.
В зависимости от макроструктуры газонаполненные пластмассы делятся на пенопласты и поропласты. В пенопластах полимерная основа образует систему замкнутых изолированных ячеек, заполненных газом. Это жесткие материалы с плотностью 20–300 кг/м3. Замкнутая ячеистая структура придает им хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности низкий – от 0,003–0,007 Вт/(м-К).
В поропластах полимерная основа образует систему ячеек с частично разрушенными перегородками, которые сообщаются между собой. Газообразная фаза в такой системе может циркулировать. Эти материалы эластичны, их плотность составляет 25–45 кг/м3. Получают поропласты, вводя в состав композиций вещества, способные выкипать при нагреве или вымываться водой, что и приводит к образованию пор. Поропласты отличаются высокой способностью поглощать звуки (70–80%) на технических частотах.
Полимерами называют высокомолекулярные вещества (гомополимеры) с введенными в них добавками, а именно стабилизаторами, ингибиторами, пластификаторами, смазками, антирадами и т.д.
Главная особенность полимеров заключается в специфическом – цепном – строении молекул, состоящих из многократно повторяющихся структурных группировок – звеньев. Звенья представляют собой низкомолекулярные вещества – мономеры, молекулы которых способны в определенных условиях к последовательному соединению друг с другом в результате химической реакции синтеза. Таким образом, между собой звенья соединены в цепи химическими связями. Форма макромолекул полимеров может быть линейной, разветвленной и пространственной.
Соответственно полимеры с той или иной физической организацией макромолекул называются линейными, разветвленными или сетчатыми.
Физическая организация макромолекул формирует важнейшие понятия, определяющие доминантные особенности полимеров, а именно термопластичность и термореактивность.
Термопластичные полимеры (термопласты) состоят из макромолекул, соединенных между собой только физическими связями. При нагревании до температуры плавления физические связи исчезают, а химические – ковалентные – сохраняются и, следовательно, сохраняется неизменным химическое строение полимера. При охлаждении и затвердевании такого расплава физические связи и основные физические свойства вещества восстанавливаются.
Таким образом, термопласты, во-первых, допускают формование изделий из расплава с его последующим охлаждением и затвердеванием и, во-вторых, могут перерабатываться многократно. Это, в свою очередь, позволяет возвращать в производственный цикл отходы производства, изделия, утратившие потребительскую ценность, брак.
Термореактивные полимеры (реактопласты) состоят из макромолекул, соединенных поперечными ковалентными, т.е. химическими, связями. Такая сетчатая химическая структура необратима. Нагревание сетчатых полимеров приводит не к расплавлению, а к разрушению пространственной сетки, сопровождающемуся деструкцией. С практической точки зрения это означает, что реактопласты допускают лишь однократную переработку в изделия, которые формируются в результате химической реакции отверждения. Технологические и иные отходы производства практически не рециклируются.
