Термомеханические свойства полимера

Содержание

 

Введение

1. Общая характеристика полимеров

1. Понятие полимеров

2. Классификация
3. Свойства и важнейшие характеристики

2. Термомеханические свойства полимеров
3. Особенности строения и свойства
4. Получение полимеров

Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Знакомство со свойствами многих материалов в окружающем нас мире позволяет говорить об их необычности. Если металлы со свойственной им высокой прочностью и пластичностью являются для нас привычными, то имеется значительная группа материалов, поражающая необычным сочетанием свойств разнородных материалов.

Неметаллические материалы – это органические, и неорганические полимерные материалы: различные виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также графит, стекло, керамика. В качестве конструкционных материалов они служат важным дополнением к металлам, в некоторых случаях с успехом заменяют их, а иногда сами являются незаменимыми. Достоинством неметаллических материалов являются такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Также следует отметить их технологичность и эффективность при использовании. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5–6 раз ниже, они в 4–5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непрерывно возрастает использование неметаллических материалов в машиностроении автомобилестроении, авиационной, пищевой, холодильной и криогенной технике и др.

 Двигатели внутреннего  сгорания из керамики обходятся  без водяного охлаждения, что  невозможно при изготовлении  их из металла; обтекатели ракет  делают только из неметаллических  материалов (графит, керамика). Трудно  представить домашнюю утварь, аудио- и видеотехнику, компьютеры, спортивное  снаряжение, автомобили и другую  технику без неметаллических  материалов – пластмассы, ламината, керамики, резины, стекла и др.

 Основой неметаллических  материалов являются полимеры, главным  образом синтетические. Создателем  структурной теории химического  строения органических соединений  является А. М. Бутлеров

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Общая характеристика полимеров

 

1. Понятие полимеров

 

Полимерами называются высокомолекулярные химические соединения, состоящие из многочисленных элементарных звеньев (мономеров), представляющих собой одинаковую группу атомов и связанных между собой химическими связями.

 Макромолекулы представляют  собой длинные цепи из мономеров, что определяет их большую  гибкость. Отдельные атомы в мономерах  соединены между собой довольно  прочными ковалентными химическими  связями. Между макромолекулами  полимеров действуют значительно  более слабые физические связи. Молекулярная масса их составляет  от 5000 до 1000000. При таких больших  размерах макромолекул свойства  веществ определяются не только  химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением  и строением.

Полимерные молекулы представляют собой обширный класс соединений, основными отличительными характеристиками которых являются большая молекулярная масса и высокая конформационная гибкость цепи. Можно с уверенностью сказать, что и все характеристические свойства таких молекул, а также связанные с этими свойствами возможности их применения обусловлены вышеуказанными особенностями.

 Большой интерес, таким  образом, представляет исследование  возможности априорного предсказания  химического и физического поведения  полимера на основании анализа  его строения. Такую возможность  предоставляют методы молекулярной  механики и молекулярной динамики, реализованные в виде компьютерных  расчетных программ.

 

 

2. Классификация

 

Классифицируются полимеры по различным признакам: составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву и т.д.

По происхождению полимеры делятся на: природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен, полипропилен,  феноло-формальдегидные смолы. Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов  (линейные полимеры, например каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например, поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза). Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными.

 Полимеры, макромолекулы  которых содержат несколько типов  мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блок-сополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.

 Полимеры, в которых  каждый или некоторые стереоизомеры  звена образуют достаточно длинные  непрерывные последовательности, сменяющие  друг друга в пределах одной  макромолекулы, называются стереоблок-сополимерами.

 В зависимости от  состава основной (главной) цепи, полимеры  делят на: гетероцепные,  в основной  цепи которых содержатся атомы  различных элементов,  чаще всего  углерода,  азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее распространены  карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен. Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевиноформальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими. Отдельную группу полимеров образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.

По форме макромолекул полимеры делят на линейные (цеповидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестничные), пространственные или сетчатые. Линейные макромолекулы полимера представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки (рис. 1, а).

 Гибкие макромолекулы  с высокой прочностью вдоль  цепи и слабыми межмолекулярными  связями обеспечивают эластичность  материала, способность его размягчаться  при нагреве, а при охлаждении  вновь затвердевать (полиэтилен, полиамиды  и др.).

Разветвленные макромолекулы (рис. 1, б), являясь также линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен).

 Макромолекула лестничного  полимера (рис. 1, в) состоит из двух  цепей, соединенных химическими  связями. Лестничные полимеры имеют  более жесткую основную цепь  и обладают повышенной теплостойкостью, большей жесткостью, они нерастворимы в стандартных органических растворителях (кремнийорганические полимеры).

 

 Пространственные полимеры  образуются при соединении («сшивке») макромолекул между собой в  поперечном направлении прочными  химическими связями непосредственно  или через химические элементы  или радикалы. В результате образуется  сетчатая структура с различной  густотой сетки. Редкосетчатые (сетчатые) полимеры (см. рис. 1, д) теряют способность растворяться и плавиться, они обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые (пространственные) полимеры (см. рис. 1, г) отличаются твердостью, повышенной теплостойкостью, нерастворимостью. Пространственные полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических материалов. К сетчатым полимерам относятся также пластинчатые (паркетные) полимеры (рис. 1, е).

 

Рис. 1. Формы макромолекул полимеров

 

 

3.  Свойства и важнейшие характеристики

 

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств:

1.Способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки;

2.Способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям;

3.Способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением;

4. Высокая вязкость растворов.

 Этот комплекс свойств  обусловлен высокой молекулярной  массой, цепным строением, а также  гибкостью макромолекул. При переходе  от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам  этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластичным деформациям.

 Полимеры могут существовать  в кристаллическом и аморфном  состояниях. Необходимое условие  кристаллизации - регулярность достаточно  длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах  возможно возникновение разнообразных  надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов), тип которых  во многом определяет свойства  полимерного материала. Надмолекулярные  структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

 Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой - пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеров могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 °С - эластичный материал, который при температуре -60 °С переходит в стеклообразное состояние. Полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластичное состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном  состоянии  до  температуры  ее  разложения.  Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении  макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол - кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 °С, а нестереорегулярный вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80 °С.

 Важнейшие характеристики  полимеров - химический состав, молекулярная  масса и молекулярно-массовое  распределение, степень разветвленности  и гибкости макромолекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Термомеханические свойства  полимеров

 

Особенности строения полимеров оказывают существенное влияние на их физико-механические и химические свойства. Вследствие высокой молекулярной массы они не способны переходить в газообразное состояние. Неспособны при нагревании образовывать низковязкие жидкости, а некоторые, обладающие термостабильной пространственной структурой, даже не размягчаются. С повышением молекулярной массы уменьшается их растворимость. При молекулярной массе (300-400)·103 и низкой плотности полимеры растворимы в растворителях, процесс протекает медленно, через стадию набухания, при этом образуются очень вязкие растворы. Если молекулярная масса достаточно велика или присутствуют высокополярные группы, то полимер становится нерастворимым ни в одном из органических растворителей.

Механические свойства полимеров (упругие, прочностные) зависят от структуры полимера, его физического состояния, температуры и т.д.

Полимеры могут находиться в трех физических состояниях:

- стеклообразном;

- высокоэластичном;

- вязкотекучем.

Стеклообразное состояние – твердое, аморфное. Атомы, входящие в состав молекулярной цепи, совершают колебательное движение около положения равновесия; движения звеньев и перемещения макромолекул не происходит.

Высокоэластичное состояние присуще только высокополимерам, характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках (происходит колебания звеньев и макромолекула приобретает способность изгибаться).

Вязкотекучее состояние подобно жидкому, но отличается от нее большей вязкостью. При этом подвижна вся макромолекула. С изменением температуры линейные и разветвленные полимеры могут переходить из одного физического состояния в другое.

Полимеры с пространственной структурой находятся только в стеклообразном состоянии.

Редкосетчатая структура позволяет получать полимеры в стеклообразном и высокоэластичном состоянии.

Различные физические состояния полимера обнаруживаются при изменении деформации с температурой. Графическую зависимость деформации, развивающейся за определенное время при заданном напряжении, от температуры называют термомеханической кривой (Приложение рис. 51). Кривая имеет три характерных участка, соответствующих трем физическим состояниям. Переход из одного состояния в другое происходит в некотором диапазоне температур. Средние температуры для переходных областей называют температурами перехода. Температура перехода из стеклообразного состояния (и обратно) называется температурой стеклования ТС; температура перехода из высокоэластичного состояния в вязкотекучее (и обратно) – температурой текучести ТТ. Область І является областью стеклообразного состояния полимера; между ТС и ТТ находится область ІІ – высокоэластичного состояния; за точкой ТТ – область ІІІ – вязкотекучего состояния.