Состав и структура синтетических полимерных материалов

Как уже отмечалось, высокомолекулярные соединения состоят из повторяющихся атомных групп мономеров, число которых в молекуле полимера может колебаться от десятков до сотен и тысяч единиц. От числа атомных групп зависит длина макромолекул полимера и соответственно изменяются его физико-механические свойства. При увеличении числа атомных групп (это называется степенью полимеризации) полимер из текучего (жидкого) состояния переходит в вязкое (аморфное) и твердое (кристаллическое). Чем больше число атомных групп, тем жестче полимер. Степень полимеризации полимера зависит от технологии его изготовления — величины давления, температуры, наличия и типа катализатора и т. д. Если в процессе синтеза полимера не выделяется побочных продуктов реакции, а молекулы мономера в неизмененном виде становятся звеньями молекулярной цепи полимера, процесс синтеза называется полимеризацией и полученный полимер по своему химическому составу не отличается от исходных мономеров. Процесс синтеза полимера, при котором выделяются низкомолекулярные продукты (вода, спирт, аммиак и т. п.), называется поликонденсацией. При этом в реакцию могут вступать как одинаковые молекулы (процесс гомополиконденсации), так и различные молекулы (процесс гетерополиконденсации), а звеньями макромолекул полимера становятся продукты распада молекул мономеров.

Продуктом процесса гомополиконденсации можно назвать полиамидную смолу, применяемую для изготовления капрона (волокон, тканей). Продуктом процесса гетерополиконденсации являются большинство синтетических смол: фенолоформальдегидные, мочевиноформальдегидные, эпоксидные, полиуретановые, полиэфирные и др. Ярким примером зависимости свойств полимера от его степени полимеризации служат полиэфирные смолы, которых имеется три вида: алкидные, ненасыщенные и волокнообразующие. Алкидные — жидкие, ненасыщенные полиэфиры — аморфные, а третий вид имеет кристаллическую структуру, благодаря чему из них получают волокна (терилен, лавсан). Многие полимеры обладают свойством изменять свое физическое состояние в зависимости от различных факторов.


Физическое состояние и свойства пластмасс зависят от их макро- и микростроения и состава. Известны три типа микроструктур полимерных макромолекул (рис. 12): линейная (цепная), в которой каждое звено связано валентными связями с двумя соседними звеньями макромолекулы; разветвленная, имеющая локальные ответвления в виде небольших боковых цепей, несоединенных друг с другом; сетчатая (объемная, или трехмерная), представляющая собой пространственную систему линейных цепей, связанных друг с другом по'перечными химическими связями.

Полученные таким образом чистые полимерные материалы используются для изготовления конструкционных материалов — пластиков. Это композиционные материалы на основе облагороженной древесины (древесные пластики и ДПМ) и армированные пластмассы (стеклопластики, асбопластики, текстолиты, армированные пленки и т. п.). Наибольший практический интерес представляют древесные пластики и стеклопластики. Материалы из них получили название композиционных, так как они многокомпонентны и состоят из связующего и наполнителя, а также из различных добавок для придания им специальных свойств. В качестве связующего используются разнообразные синтетические смолы, а наполнителем служат древесные и стекловолокнистые материалы. В древесных пластиках наполнителем служат тонкие древесные листы (шпоны), а в стеклопластиках — стеклянные непрерывные нити, рубленое волокно, ткани, стекложгуты, стеклорогожи и т. п.

Физико-механические свойства древесных пластиков и стеклопластиков обусловлены свойствами составляющих их компонентов и зависят от их макростроения, под которым подразумеваются схемы размещения наполнителя (армирования) в связующей матрице. В зависимости от направления волокон древесины в шпонах или расположения стеклонитей относительно расчетных напряжений, возникающих в материале при его эксплуатации, различают следующие схемы структур армирования (рис. 13): однонаправленная структура (ОС), когда волокна ориентируются только вдоль расчетного усилия; этим обеспечивается высокая прочность материала в заданном направлении; продольно-попе речная структура (ППС), когда направления волокон совпадают с направлениями расчетных напряжений; при этом соотношение армирования в ортогональных направлениях может быть различным (от 1:1 до 1:20 и более) в соответствии с напряженным состоянием материала; косопоперечная структура (КПС), когда волокна сориентированы под углом к векторам расчетных напряжений; этим достигается лучшая работа материала на касательные напряжения к плоскости листа; комбинированные структуры (КС), обеспечивающие повышенную прочность материала в каком-либо направлении и равно-прочность во всех направлениях (изотропный в плоскости материал); равномерная структура (PC) на основе рубленого хаотично ориентированного волокна; применяется только для получения стеклопластиков.

Пластики, как правило, многослойны. В стеклопластиках слои могут армироваться по одной или по разным схемам структур. Кроме этого, отдельные слои армирования могут быть выполнены с переплетением и без переплетения нитей, от чего меняется текстура каждого слоя. Поэтому для большей определенности стеклопластики дополнительно характеризуются строением текстурных слоев. Могут быть такие текстуры: тканевая, когда в качестве наполнителя используются стеклоткани; отечественной промышленностью выпускаются разнообразные по свойствам и структуре стеклоткани; строчная, в которой в качестве наполнителя используются отдельные волокна или пряди и жгуты с различным количеством волокон и с различным их переплетением; плетеная, когда в каждом слое волокна или нити переплетены между собой различным образом; хаотичная — на основе рубленого волокна.


При применении стекловолокнистых материалов армирование по той или иной схеме может быть выполнено с переплетением отдельных слоев стеклянными нитями — так называемое прошивное армирование. Тогда к обозначениям схем добавляется индекс П (например ОС.П, ППС.П и т. д.).

Характер анизотропии механических свойств стеклопластика зависит от относительного количества перекрещивающихся нитей в слое, а древесных пластиков — от относительного количества перекрещивающихся волокон древесины в шпонах. Для учета этого фактора вводится показатель анизотропии, представляющий отношение числа нитей или площади сечения их (или волокон древесины) i-го направления (например, вдоль расчетного усилия) к общему числу нитей или их площади (площади волокон древесины) в данном поперечном сечении материала.

Характеристикой макростроения стеклопластиков является процентное содержание стекловолокна в общем объеме материала, от чего также существенно зависят его механические свойства. В большой степени свойства композиционных материалов зависят от толщины элементарных слоев. Поэтому для них введен структурный показатель, представляющий собой относительную толщину отдельных слоев по сравнению с толщиной материала.

Кроме связующего и наполнителей в композиционных материалах Для придания им тех или иных свойств могут присутствовать различные добавки: гипс, сажа, цемент, красители и т. п.