10.2.1. Будова та структура пластичних мас

Пластмасами називають матеріали, основу яких складають синтетичні чи природні високомолекулярні сполуки (високо-полімери), які здатні під впливом нагрівання та тиску формува­тися і при охолодженні зберігати заздалегідь придбану форму. Пластмаси є найважливішим конструкційним матеріалом, вони широко застосовуються в народному господарстві, у тому числі у всіх галузях машинобудування і приладобудування, в будівництві, побуті, тощо.

Пластмаси за своїми властивостями дуже різноманітні, в тому числі високоміцні, напівпровідникові, струмопровідні, магнітні, фрікційні, антифрикційні та ін. Ці матеріали замінюють у ряді випадків метали, які здебільшого дорожчають. Крім того, багато пластмас є унікальними за своїми властивостями. В останні роки виробництво пластмас бурхливо розвивається.

Полімери. Синтетичними матеріалами називають речовини, що одержані синтезом (сполученням) простих органічних і неор­ганічних речовин. У пластмасах початковими бувають в основ­ному прості органічні речовини.

Прикладом такої простої речовини може служити етилен У результаті полімеризації етилену одержують синтетичний продукт — поліетилен (- СН-) (полі — від грецьк. "багато"). Наведена формула і є формулою макромолекули поліетилену. Речовина поліетилену складається з безлічі таких макромолекул.

428

Макромолекули складаються з великої кількості елементар­них структурних ланок, з'єднаних хімічними зв'язками в тієї чи іншої будові. Ці ланцюги і складають макромолекули. Кількість ланок у кожній молекулі може змінюватися в широких межах і тому молекулярна вага окремих молекул може також змінювати­ся; цю особливість полімерів називають полідисперсністю.

У залежності від величини молекули змінюються властивості речовини. Наприклад, якщо молекула складається з двох елемен­тарних ланок

СН = СН, то речовина являє собою безбарвний газ (етилен). Якщо в молекулі 20 таких елементарних ланок, то утвориться рідина; якщо ланок буде 1500...2000, вийде еластич­ний гнучкий пластик — поліетилен, з якого роблять плівки, м'які труби; якщо ж число ланок збільшується до 5000...6000, то утво­риться жорсткий, твердий поліетилен.

Коефіцієнт полімеризації п (число елементарних ланок у мо­лекулі) різних високомолекулярних речовин складає величину від декількох тисяч до декількох десятків, а іноді і сотень тисяч.

До складу ланцюгів макромолекул інших речовин крім вугле­цю і водню можуть входити також атоми кисню, азоту, сірки та інших елементів. Змішоючи сполуку вихідних речовин і послі­довність чергування атомів у ланцюгах, можна змінювати власти­вості полімерів і одержувати з них вироби пружні і гнучкі чи тверді. Вироби крім складу полімеру і коефіцієнта полімерізації на його властивості також впливають структурні особливості, вид молекулярного ланцюга. А саме від виду ланцюга полімеру зале­жать такі властивості, як розчинність, пластичність, здатність при нагріванні переходити у в'язко текучий стан, адгезійна здатність.

Різні полімери мають структуру трьох видів: лінійного лан­цюга, розгалуженого ланцюга і сітчасту (просторову) структуру.

На рис. 10.1 кружальцями позначено структурні елементарні ланки. Ці ланки зв'язані між собою первинними силами головних валентностей; такі зв'язки найбільш міцні. Взаємне притягнення молекул обумовлене вторинними силами, вони в кілька десятків разів менше первинних. Тому структура лінійного ланцюга (рис. 10.1, а) макромолекул визначає міцність полімерів (від вторин­них зв'язків). Структура рогалуженого (рис. 10.1, б) характерна тим, що бічні групи збільшують відстань між окремими ланцюга­ми, що визначає меншу (у порівнянні зі структурою ланцюга) ме­ханічну міцність, кращу розчинність і термопластичність поліме­ру. Сітчаста (просторова) структура (рис. 10.1, в) характери-

429

зується наявністю поперечних зв'язків між лінійними ланцюгами молекул (ці ланцюги як би зшиті). Частота цих зв'язків визначає властивості полімеру: якщо зв'язки розташовані рідко, то сітчас­тий полімер набухає в розчинниках і розм'якшується при нагріванні, якщо зв'язки частіші — полімер не розчинний і не плавкий, він міцний, твердий і тендітний.

Полімери можуть бути кристалічної й аморфної будови. Під кристалічною будовою розуміють рівнобічне розташування лан­цюгових молекул у полімері (ділянки 1 на рис. 10.2); аморфна будівля полімерам додає хаотичне розташування ланцюгів (ділян­ки 2). Кристалічна будова визначає анізотропність полімерів.

Стосовно нагрівання полімери поділяють на три групи: тер­мореактивні, термопластичні і термостабільні. Термореактивні полімери при нагріванні переходять у грузло-текучий стан, а потім при тій же температурі в результаті хімічної взаємодії твердіють і стають нерозчинними, Термопластичні полімери при нагріванні здобувають пластичність, а при охолодженні знову переходять у пружно-твердий стан. Термостабільні полімери при нагріванні зберігають свої фізико-механічні властивості аж до температури їхнього термічного розкладання.

По сполуці пластмаси поділяють на прості і композиційні. Прості пластмаси складаються тільки з одного виду полімеру, наприклад, поліетилен, полістирол та ін. Композиційні пластма­си — багатокомпонентні; крім полімеру вони містять наповню­вачі, пластифікатори, барвники.

Наповнювачі. За сполуками їх поділяють на органічні і неорга­нічні, а за структурою — на волокнисті і зернисті (іноді порошкові).

430

За наповнювачів при виробництві пластмас застосовують де­ревне борошно, целюлозу, деревну шпону (тонкі аркуші), бавов­няні очоси, бавовняні тканини, тканини із синтетичних волокон, органічні наповнювачі; азбестове волокно і тканину, скляне во­локно, склотканину, коротко волокнистий азбест (як порошко­вий наповнювач), каолін, слюду, кварцове борошно, тальк, вап­но, кізельгур і інші — неорганічні наповнювачі.

Наповнювачі в складі пластмас поліпшують їхні механічні властивості, крім того, вони відносно дешеві, і відповідно знижу­ють вартість виробів.

Органічні наповнювачі добре просочуються полімерами. Во­локнисті наповнювачі укріплюють вироби на розривання і удар­ний вигин. Неорганічні порошкові наповнювачі поліпшують во­достійкість, теплостійкість і твердість виробів, зменшують їхню шпаруватість, гігроскопічність.

Пластифікатори. Пластифікатори, що додаються до термопла­стичних смол, знижують температуру їхнього розм'якшення, а це сприяє їхньому формуванню. Як пластифікатори застосовують найчастіше низькомолекулярні висококиплячі рідини: складні ефі­ри, хлоровані вуглеводи, тощо. При поглинанні пластифікаторів полімери набухають, при цьому молекулярні шари пластифікатора розташовуються навколо ланцюгових макромолекул і послабля­ють зв'язки між ними. Цим з'ясовується зниження температури розм'якшення і твердіння полімеру, тобто переходу зі склоподібно­го стану в в'язкотекуче при нагріванні і навпаки при охолодженні.