Строительные материалы и изделия

Общие свойства полимеров

Полимеры обладают рядом положительных свойств: малой плот­ностью, высокой прочностью и эластичностью, газо - и водоне­проницаемостью, низкой теплопроводностью, высокой химиче­ской стойкостью, легкостью механической обработки, способно­стью склеиваться и свариваться. Вместе с тем им присущи и недо­статки: низкая теплостойкость, низкая твердость, высокое тепло­вое расширение, повышенная ползучесть, относительно быстрое старение, горючесть.

Старение полимеров. В процессе эксплуатации изделий из поли­мерных материалов происходит их постепенное старение под дей­ствием теплоты, света, ионизирующего излучения, механических напряжений, воды, кислорода и других химических веществ. Ста­рение заключается в разрыве связей основной цепи макромолеку­лы и понижении молекулярной массы, что может сопровождать­ся изменением химического состава. Разрыв макромолекул в при­сутствии кислорода воздуха способствует возникновению свобод­ных радикалов, которые инициируют цепной процесс окисли­тельной деструкции. Полимеры, содержащие в цепи двойные свя­зи, быстрее подвергаются деструкции, чем предельные.

Стабилизация полимеров. С целью замедления старения поли­меров к ним добавляют стабилизаторы: антиоксиданты (ингиби­торы термоокислительной деструкции), фотостабилизаторы (по­вышают устойчивость полимеров к фотохимической деструкции), антирады (тормозят старение полимеров под влиянием радиоак­тивных излучений), пассиваторы (снижают химическую активность полимеров) и др.

С помощью антипиренов (см. подразд. 3.8) пластмассы делают трудногорючими. При удалении источника пламени их горение прекращается. Такие материалы называются самозатухающими.

Высокоэластичность. Жидкое состояние полимеров называется вязкотекучим, так как вязкость полимерных расплавов велика из - за взаимного зацепления молекул. Вязкотекучее состояние возни­кает при нагревании линейных полимеров выше их температуры размягчения /р. В этом состоянии полимеры имеют аморфное стро­ение (рис. 14.3, структура а), деформации их необратимы. При приложении постоянной силы они текут, но довольно медленно.

Рис. 14.4. Две возможные
конфигурации мономерного
звена полипропилена

Если соединить цепи полимерного расплава сшивками (рис. 14.3, структура Ь), то они не смогут перемещаться относительно друг друга и течение станет невозможным. С другой стороны, подвиж­ность цепей между сшивками не ограничена и свернутые участки цепи могут распрямляться при растяжении, обеспечивая исклю­чительно большие обратимые деформации, называемые высоко­эластическими. Сцепление полимерных цепей в высокоэластиче­ском состоянии вещества, исключающее его течение, не обяза­тельно должно быть связано с химическими связями между мак­ромолекулами. Роль сшивок могут играть зародыши кристалличе­ской фазы (рис. 14.3, структура с), механические зацепления мо­лекул или небольшие застеклованные области.

При понижении температуры ниже температуры стеклования t„ или температуры кристаллизации tKp полимеры переходят из высокоэластического в твердое состояние, в котором они могут иметь стеклообразную (рис. 14.3, структура е) или частично-кри­сталлическую (рис. 14.3, структура с) структуру. В стеклообразной структуре с кристаллические области (кристаллиты) разделены аморфными прослойками. Чисто кристаллическое состояние (рис.

14.3, структура d) для полимеров не характерно.

Не кристаллизуются (даже частично) статистические сополи­меры, а также атактические полимеры, у которых в цепи случай­ным образом чередуются звенья разных пространственных кон­фигураций (рис. 14.4). Изотактические гомополимеры, содержа­щие звенья только одной конфигурации, легко кристаллизуются.

Таким образом, деформация полимеров состоит из трех час­тей:

где £упр — упругая (обратимая) деформация, заключающаяся в изменении валентных углов и межатомных расстояний; евэ — вы­сокоэластическая деформация (тоже обратимая), связанная с из­менением конформации (формы) макромолекул, обладающих па­мятью формы; епл — пластическая (необратимая) деформация,

обусловленная беспрепятственным скольжением молекул отно­сительно друг друга.

Соотношение между этими видами деформаций зависит от тем­пературы (рис. 14.5). Температурный интервал по оси абсцисс ог­раничен температурой хрупкости txp, ниже которой гибкость мак­ромолекул не проявляется, и температурой перехода в состояние ньютоновской жидкости tH. Высокоэластическая деформация име­ет место в интервале температур стеклования /ст и размягчения /р. В этом интервале полимеры характеризуются очень высокими об­ратимыми деформациями. Их относительное удлинение достигает

1 000 %, а модуль упругости низкий — 0,1 ...0,3 МПа. Для низко­молекулярных веществ евэ = 0 и tCT = гр. Для сравнения: модуль упругости стали составляет 105...106 МПа; оконного стекла —

104.. . 105 МПа; полимерных стекол — 103... Ю4 МПа; частично-кри­сталлических полимеров — 102... 103 МПа.

Различие между эластомерами (искусственными каучуками) и пластомерами (полимерами, не проявляющими высокоэластич - ности) заключается в уровне их температуры стеклования (табл. 14.1).

Из табл. 14.1 видно, что температурный интервал высокоэлас­тического состояния искусственных каучуков приходится на обыч­ные температурные условия, а у пластомеров он находится выше

80.. . 140 °С.