ПОЛИМЕ́РНЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ
-
Рубрика: Химия
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ПОЛИМЕ́РНЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ, многокомпонентные материалы на основе природных (натуральных и химически модифицированных) или синтетич. органич. высокомолекулярных соединений. Наряду с металлич. и неметаллич. неорганич. материалами являются основой совр. материального произ-ва и широко используются во всех отраслях техники и технологии, в т. ч. в микро- и наносистемной технике и технологии, строительстве, медицине, с. х-ве, быту и спорте, в произ-ве тары, упаковки, одежды, обуви и др. товаров общего и спец. назначения.
П. м. отличаются широкими возможностями выбора и регулирования состава, структуры и свойств, способов и условий получения, переработки, обработки и применения. Осн. достоинства П. м.: низкая стоимость, сравнит. простота, высокая производительность, малое количество отходов и невысокая энергоёмкость процессов получения, переработки и обработки, низкая плотность (850–1800 кг/м3), высокая стойкость к агрессивным средам (в т. ч. способность сохранять свойства при длительном воздействии бензина или/и масел – бензо- и маслостойкость), атмосферным и радиац. воздействиям и ударным нагрузкам, низкая теплопроводность, высокие оптич., радио- и электротехнич. свойства, хорошие адгезионные свойства. Недостатки П. м.: низкая жёсткость, тепло- и термостойкость, большое тепловое расширение, склонность к ползучести и релаксации напряжений, растрескивание под напряжением; для мн. П. м. – горючесть, невозможность биодеградации. При использовании П. м. затраты энергии уменьшаются до 40% по сравнению с альтернативными вариантами, расход сырья и произ-во отходов – до 70%, загрязнение воды – до 90%.
К осн. типам П. м. относятся материалы общетехнич. назначения: пластические массы (в т. ч. пенопласты и армированные пластики), каучуки синтетические, резины и резино-технич. материалы, лакокрасочные материалы и лакокрасочные покрытия, полимерные клеи синтетические, компаунды полимерные, герметики, полимербетон, а также синтетич. волокнистые, плёночные, листовые и профилиров. материалы – жгуты, нити, ткани, ленты, нетканые материалы, плёнки, листы, трубы, профили, кожа, бумага и т. п. К П. м. спец. (функционального) назначения относятся трибологические (фрикционные материалы и антифрикционные материалы), теплоизоляционные материалы, электроизоляционные материалы, электропроводящие полимеры, интеллектуальные материалы (в т. ч. биомиметики), термо-, электро-, магнито-, механо- и оптически активные, фоточувствительные, абляционные, с эффектом памяти формы и т. п. материалы.
В зависимости от типа полимерного компонента П. м. подразделяются на два принципиально разл. класса: термопластичные и термореактивные (отверждающиеся, вулканизующиеся, сшиваемые или высыхающие). Основой термопластичных П. м. являются природные, модифицированные или синтезированные в условиях химич. произ-ва аморфные, аморфно-кристаллич. и жидкокристаллич. олигомеры и полимеры, статистич., чередующиеся, блок- и привитые сополимеры с линейной и разветвлённой формой макромолекул, а также их растворы, смеси или сплавы, претерпевающие в процессе переработки и обработки материала только обратимые физич. превращения (плавление – кристаллизация, растворение – расслоение, пластификация – антипластификация, размягчение – стеклование). Термопластичные П. м. способны претерпевать химич., термо- и радиационно-химич. превращения (деструкцию, сшивание, прививку, полимераналогичные превращения и т. п.) только в виде побочных реакций или при дополнит. модифицировании и обработке. В произ-ве термопластичных П. м. используются гл. обр. синтетич. полимеры на основе мономеров, получаемых из невозобновляемого сырья, в первую очередь нефти и газа. К ним относятся карбоцепные полимеры на основе мономеров винилового ряда: полиолефины (в осн. разл. типы полиэтилена и полипропилена), поливинилхлорид, полистирол, поливинилацетат и поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и полиакрилаты, фторопласты, полиакриламид, поливинилпирролидон, ионсодержащие термопластичные полимеры (иономеры) и др.; гетероцепные полимеры – полиацетали (полиформальдегид), алифатич. и ароматич. полиэфиры простые и полиэфиры сложные (полиэтиленоксид, полипропиленоксид, полифениленоксиды, полисульфоны, поликетоны, полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат, поликарбонаты и др.); алифатич. и ароматич. полиамиды, термопластичные полиимиды и полиуретаны, а также статистич. и чередующиеся сополимеры вышеназванных мономеров, их блок- и привитые сополимеры, смеси и сплавы полимеров, в частности разл. макро- или микрогетерогенные термопластичные полимер-полимерные композиции (напр., ударопрочный полистирол, АБС-пластик, термоэластопласты и др.).
В настоящее время всё большее внимание уделяется термопластичным П. м. на основе биополимеров, разработка и применение которых способствуют решению двух важнейших проблем совр. материального произ-ва: нахождение возобновляемых источников сырья и утилизация использованных материалов путём биодеградации (компостирования). Наиболее перспективны химически модифицированные целлюлоза, крахмал и др. полисахариды, белки, бактериальные алкиловые эфиры полигидроксикислот. Биополимеры подвергают также разложению до мономеров, которые ферментативным синтезом превращают в новые полимеры (напр., из крахмала получают полилактаты).
Основой термореактивных П. м. являются полимеробразующие (пре- или форполимерные) композиции, необратимо превращающиеся в нерастворимую и неплавкую сетчатую или полициклическую (лестничную) молекулярную структуру непосредственно в материале или изделии в результате сложных химич. и физич. превращений в процессе получения, переработки и обработки материала. В качестве полимеробразующей основы термореактивных П. м. наиболее широко используют реакционноспособные мономеры, олигомеры, полимеры и их сложные смеси, содержащие ненасыщенные и циклич. группы и превращающиеся в полимерную структуру по реакциям свободнорадикальной или ионной цепной полимеризации и полиприсоединения (ступенчатой полимеризации) непосредственно под действием тепла, ультрафиолетовых и др. излучений или в присутствии инициаторов, катализаторов, спец. реакционноспособных соединений (отвердителей) без выделения низкомолекулярных веществ и со сравнительно небольшой химич. усадкой (контракцией). К таким системам относятся ненасыщенные олигомеры и полимеры: полиэфирные смолы, олигомеры виниловых эфиров, эпоксидные смолы, жидкие каучуки и т. п. Важным классом полимеробразующей основы совр. термореактивных П. м. являются преполимеры ароматич. полиимидов (полиамидокислоты и их эфиры), превращающиеся в термо- и теплостойкие полимеры в результате реакции внутримолекулярной циклизации (имидизации), протекающей по ступенчатому механизму поликонденсации с выделением низкомолекулярных продуктов. По механизму поликонденсации с выделением низкомолекулярных веществ отверждаются также термореактивные П. м. на основе старейших типов реакционноспособных преполимеров – феноло-формальдегидных смол, мочевино-формальдегидных смол и меламино-формальдегидных смол. В качестве полимеробразующей основы совр. термореактивных П. м. используются также разл. олигомер-олигомерные и олигомер-полимерные смеси, в т. ч. на основе термопластичных полимеров и в виде взаимопроникающих сеток в отверждённом состоянии. Состав полимеробразующих композиций, способ и условия их превращения из вязкотекучего в высокоэластическое или стеклообразное состояние (отверждение, вулканизация, сшивание, высыхание) определяются типом П. м. и требованиями, предъявляемыми к его технологич. и эксплуатац. свойствам. Химич. превращения и изменения молекулярной структуры таких композиций при отверждении обычно сопровождаются необратимым молекулярно-топологич. превращением (гелеобразованием) и замедлением молекулярного теплового движения вплоть до стеклования с потерей текучести и растворимости и резким изменением всех др. свойств.
Для снижения стоимости и вредного воздействия на окружающую среду, улучшения и регулирования внешнего вида, технологич. и/или эксплуатац. свойств термопластичных и термореактивных П. м. на стадии приготовления отд. компонентов, материала или полуфабриката (премиксов и препрегов, пресс-порошков, клеёв, лаков и т. п.) в полимерную или полимеробразующую основу вводят растворимые химически инертные или активные модификаторы – пластификаторы, мягчители, смазки, разбавители, загустители, структурообразователи, пигменты и красители, биоциды, антистатики, антипирены, антиоксиданты или противостарители, термо- и светостабилизаторы, ПАВ, порообразователи, противофальсифицирующие и др. добавки, а также нерастворимые компоненты (дисперсные наполнители или заполнители).
Вследствие многокомпонентности состава и сложной фазовой морфологии практически все П. м. в широком смысле относятся к композиционным материалам. В узком понимании – к полимерным композиц. материалам относят только армированные в одном, двух или трёх направлениях непрерывными волокнистыми системами (жгутами, лентами, тканями, неткаными материалами и т. п.), в первую очередь совр. однонаправленные, двух- и трёхмерные (слоистые и объёмно-армированные) стеклопластики, углепластики и органопластики, а также классич. армированные пластики (волокниты, слоистые материалы, гетинакс, текстолит), в которых осн. несущую функцию выполняет армирующая система, а полимерное связующее (матрица) обеспечивает сплошность материала, связь и совместное действие армирующих элементов (перераспределение напряжений между ними), защиту от внешних воздействий, а также выполняет ряд др. вспомогат. или спец. функций.
С помощью глубоких термохимич. превращений полимерной основы из заготовок П. м. получают жаростойкие неорганич. материалы, напр. из графитопластов – углеграфитовые материалы, из армированных углепластиков – углерод-углеродные композиц. материалы. Структуру и свойства П. м. регулируют не только изменением типа, количества и характера распределения компонентов и фаз и химич. модифицированием, но и условиями термич. и механич. воздействия при переработке в изделия, а также условиями их последующей поверхностной или объёмной обработки (отжига, закалки, ориентац. вытяжки, УЗ-воздействия, обработки пучками высокой энергии).
Способы и условия переработки (формования, нанесения на поверхность, вспенивания и т. п. процессов), последующей термич., термохимич., механич. обработки и соединения П. м. определяются типом материала (термопластичный или термореактивный) и типом исходного полуфабриката (в виде порошка, таблеток, гранул, плёнок, прутков, растворов, дисперсий и т. п.). В случае полимерных композитов важнейшее значение при переработке имеют форма армирующего наполнителя (жгуты, нити, ленты, ткани, нетканые материалы, объёмные структуры), тип и состояние термореактивной или термопластичной матрицы и предварительно пропитанных ею армирующих систем – препрегов (см. Пластических масс переработка). Соединение П. м. между собой и с др. материалами наиболее легко осуществляется механич. способами или склеиванием, требующим спец. клеёв и подготовки поверхностей. Способностью к сварке и повторному формованию обладают только термопластичные П. м. Отходы П. м. должны подвергаться переработке и утилизации с использованием пиролиза, гидролиза, гликолиза и др. замкнутых процессов, т. к. при сжигании П. м. выделяются токсичные продукты (см. Пластических масс утилизация).
Испытания П. м. в процессах их произ-ва от исходного сырья до готовой продукции или товара играют определяющую роль в обеспечении жизненного цикла изделий и имеют существенные отличия как от альтернативных типов материалов, так и для каждого собств. типа на разл. стадиях их произ-ва, переработки, обработки и эксплуатации.