Свойства и применение полимерных материалов

Полимерными материалами (ПМ) называются одно- или многокомпонентные системы, основу которых (матрицу) составляют высокомолекулярные соединения или полимеры. Состав ПМ весьма разнообразен и колеблется от почти индивидуальных полимеров до весьма сложных систем, включающих разнообразные компоненты, регулирующие технологические и эксплуатационные свойства материалов. К подобным компонентам относятся различные химически инертные или активные вещества: растворители, пластификаторы, загустители, красители, антипирены, антиоксиданты, термо- и светостабилизаторы, структуро- и порообразователи. Они получили название наполнителей. Поэтому большинство ПМ можно рассматривать как наполненные полимеры.

Для ПМ характерны широкие возможности регулирования состава, структуры и свойств, что не всегда может быть достигнуто в традиционных материалах (металлы, керамика, древесина). Поэтому, многовариантность свойств обусловливает весьма широкое и многообразное использование ПМ – от химических волокон и поропластов до твердого ракетного топлива.

Полимерные материалы классифицируют по области их использования и назначения, природе полимерной фазы, физическим и химическим превращениям, протекающим в ней при производстве и обработке.

По использованию и назначению ПМ делятся на:

- пластические массы (пластики) и композиты;

- эластомеры (каучуки и резины);

- химические волокна и пленки;

- полимерные покрытия, клей и герметики.

В соответствии с назначением среди них выделяют ПМ общего назначения и функциональные ПМ (фрикционные, тепло- и электроизоляционные, электропроводящие, антикоррозионные и т.п.).

По природе полимерной фазы (матрицы) ПМ делятся на:

- природные (натуральные);

- химические (искусственные и синтетические).

По характеру превращений, протекающих в полимерной фазе на стадиях производства и переработки в изделия, ПМ делятся на:

- термопластичные (под воздействием температур не меняют своих свойств);

- термореактивные (при нагревании и охлаждении изменяют структуру, теряя способность плавиться и растворяться).

ПМ отличаются от традиционных материалов, используемых человечеством с глубокой древности, комплексом особых свойств, их сочетанием, эффективностью и высокой экономичностью методов переработки в изделия, практически неограниченной и стратегически неуязвимой сырьевой базой.

Особые свойства ПМ

1. Малая плотность и, как следствие, высокий условный показатель прочности («весовая прочность») то есть отношение временного сопротивления на разрыв к плотности превышающий аналогичный показатель лучших сортов стали.

2. Стойкость к агрессивным средам, атмосферному и радиационному воздействиям.

3. Высокие радио- и электротехнические свойства, в том числе диэлектрические показатели, мало зависящие от температуры и частоты электрического поля.

4. Широкий диапазон фрикционных и антифрикционных свойств.

5. Специфические оптические свойства, способность пропускать лучи света в широком диапазоне волн, в том числе, ультрафиолетовые (70% для полиметилметакрилата против 1 – 3% для силикатного стекла).

6. Многообразие физико-механических свойств (от жестких до упругих резиноподобных материалов) и сочетание в одном материале противоположных качеств, например, твердости и гибкости («бронированные» полимеры).

К недостаткам ПМ относятся:

- низкая теплостойкость (исключая фторопласты и кремнийорганические полимеры, она не превышает 120⁰С);

- недостаточная твердость (6 – 60 кг/мм² по Бринеллю);

- ползучесть и релаксация напряжения;

- большое тепловое расширение;

- низкая теплопроводность, затрудняющая отвод тепла (в 500 – 600 раз ниже теплопроводности металлов).

Методы переработки ПМ в изделия

В отличие от переработки металлов и древесины, все методы переработки ПМ отличаются простотой, низкой энерго- и трудоемкостью, возможностью получить нужное состояние поверхности изделия без дополнительной обработки и практической безотходностью производства. Так, например, коэффициент использования материала при переработке ПМ достигает 0,95 – 0,98 в то время как при литье он составляет 0,6 – 0,8, а при механической обработке металлов всего 0,2 – 0,6. Поэтому, процессы изготовления изделий из ПМ являются наиболее экономичными.

Сырьевая база ПМ

ПМ производят из простых органических соединений – мономеров, источником которых являются широко распространенные и доступные виды сырья: ископаемые угли, нефть, газ, воздух и известь. Таким образом производство ПМ и изделий из них практически ограничено только уровнем развития химической и нефтехимической промышленности.

Перечисленные выше преимущества ПМ по сравнению с традиционными материалами обусловили все возрастающие масштабы и опережающий рост их производства по сравнению с производством металлов.

Так уже в период 70 – 90-х годов XX столетия производство ПМ увеличилось на 180%, тогда как производство стали выросло всего на 23%. Эта разница в темпах роста производства ПМ и металлов продолжает увеличиваться, что свидетельствует об определенной исчерпаемости потребления мировым народным хозяйством черных металлов и все возрастающей потребности его в ПМ. В результате, уже к 1975 г. в структуре общего потребления конструкционных материалов черные металлы составляли 63,7%, цветные металлы 6,3% и полимерные материалы около 30%.

Вследствие низкой себестоимости, экономии трудовых затрат при производстве готовой продукции и эффективности использования ее, потребителями ПМ стали практически все отрасли промышленности и народного хозяйства. Кним относятся:

- общее машиностроение (крупногабаритные элементы конструкций, трубы и детали арматуры, зубчатые колеса, ролики, подшипники, тормозные накладки, электроизоляционные детали и др.);

- авиастроение (силовые элементы летательных аппаратов, теплозащитные покрытия, подвесные топливные баки, элементы остекления, звуко- и теплопоглощающие панели, амортизаторы, шины, герметики швов, клеи и лакокрасочные материалы);

- автомобилестроение (кузова и кабины, тепло- и звукоизоляционные и декоративные детали, элементы двигателя и шасси, шланги и трубопроводы, наполнители сидений, детали остекления и осветительных приборов, шины, маслостойкие детали системы подачи топлива и тормозной системы, лакокрасочные материалы);

- электротехника и радиоэлектроника (изоляция электрических машин, аппаратов и кабельных изделий, в том числе, электродвигателей и генераторов, трансформаторов, коммуникационной аппаратуры, конденсаторы, магнитодиэлектрики, полупроводники, компаунды для заливки микросхем, клеи)

- железнодорожный транспорт (конструкционные элементы вагонов, фрикционные, уплотняющие и амортизационные детали, наполнители и облицовка сидений, прокладки для сцепления рельсов со шпалами, светофоры, изоляторы контактных сетей);

- судостроение (корпуса судов в целом и отдельные судовые конструкции, уплотнительные материалы для тепло-, звуко- и виброизоляции, прокладки, герметики, клеи, мастичные противоскользящие покрытия, лакокрасочные материалы);

- строительство (конструкционные элементы зданий, санитарно-техническое оборудование, стеновые панели и перегородки, кровельные материалы, покрытия полов, дверные и оконные переплеты, трубопроводы, тепло- и звукоизоляционные материалы);

- сельское и водное хозяйство (пленки и элементы конструкций для культивационных сооружений, материалы для мульчирования почвы, водорастворимые пленки для посева и дражирования семян, структурообразователи почв для защиты от коррозии и аккумуляции влаги, упаковочный материал, противофильтрационные экраны в мелиорации, водоснабжении, трубопроводы, облицовка каналов);

- пищевая промышленность (конструкционные материалы и покрытия пищевых машин, тароупаковочные материалы, консервные лаки и эмали, иониты для обработки молока);

- медицина (изделия медицинской техники, детали восстановительной хирургии из биоинертных и биоассимилируемых полимеров, функциональные узлы аппаратов искусственного кровообращения, вживляемые стимуляторы сердечной деятельности, крове- и плазмозаменители, пролонгаторы действия лекарственных препаратов и полимерные лекарственные вещества).

Потребление ПМ в различных отраслях народного хозяйства неравноценно. Наиболее эффективно использование ПМ в машиностроении, где 1 т ПМ заменяет 5 – 6 т черных и цветных металлов и 3 – 3,5 т древесины, а экономия трудовых затрат достигает 800 человеко-часов на 1 т ПМ. Наиболее высок удельный вес ПМ в электротехнике и электронике, потребляющих около 50% всех ПМ, используемых в машиностроении. В электротехнике с использованием ПМ производится 80%, а в приборостроении до 95% всей выпускаемой продукции

Внедрение ПМ не только положительно сказывается на состоянии уже существующих традиционных отраслей народного хозяйства. Оно вызвало также качественный скачок в развитии техники и технологии, определило технический прогресс в современном машиностроении, ракетной и атомной промышленности, в самолетостроении, телевидении, радиоэлектронике, восстановительной хирургии и медицине в целом и др.

Контрольные вопросы

1. Производства каких продуктов относятся к основному органическому синтезу?

2. Что является сырьем для производства основного органического синтеза?

1. Какие системы относятся к группе полимерных материалов (ПМ) и на какие виды они подразделяются?

2. Перечислите особые качества ПМ, обусловившие их широкое использование.

3. Какими свойствами обладают полимеры, составляющие основу ПМ?