1. Полимерные композиционные материалы

Композиционными называются материалы, образованные объемным сочетанием двух или большего числа химически разнородных компонентов с четкой границей между ними. Полимерные композиционные материалы (ПКМ)- это такие композиции, где в качестве связующего выступает полимерное вещество. Другими ингредиентами обычно являются наполнители, смягчители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, смазывающие вещества, газообразователи, другие полимеры и т.д. ПКМ обычно классифицируют именно по агрегатному состоянию и геометрической форме наполнителя (рис. 1).

Порошкообразные наполнители вводят в полимеры для повышения механической прочности и твердости полимеров; снижения себестоимости полимерных материалов или придания полимерам специальных свойств (оптических, электрических, теплофизических и т.д.).

Основными причинами упрочнения полимеров частицами высокодисперсного наполнителя являются:

- затраты внешней энергии на образование большого числа микротрещин около частиц наполнителя;

- ограничение роста микротрещин и их ветвление при встрече с частицами наполнителя;

- повышение модуля упругости матрицы из-за ограничения подвижности части адсорбированных на наполнителе макромолекул.

П К М

Полимеры с твердыми наполнителями

Полимеры с жидкими

наполнителями

Смеси

полимеров

Полимеры с газообразными наполнителями

Полимеры с дисперсными наполнителями

Полимеры с растворимыми жидкостями

Гомогенные смеси

Пенопласты

Гетерогенные смеси

Поропласты

Полимеры с чешуйчатыми наполнителями

Полимеры с капсулированными

жидкостями

Полимеры с волокнистыми наполнителями

Рис. 1. Классификация ПКМ

В полимеры могут вводить наполнители, инициирующие био-, фото- и вододеструкцию (для ускорения разрушения ПКМ после использования). Это особенно важно для создания упаковочных материалов, являющихся одним из основных источников загрязнения окружающей среды. В последние годы в состав полимерных упаковочных материалов начали вводить ферментные добавки, действие которых направлено на стимуляцию биохимических превращений пищевого сырья с целью улучшения его питательной ценности, товарных, технологических и кулинарных свойств («активные упаковки»).

Обладая высокой прочностью, волокна являются наиболее эффективными армирующими усиливающими наполнителями, используемыми как для повышения прочности дешевых полимерных материалов, так и для создания принципиально новых материалов с повышенными характеристиками. Волокно - это форма материала, имеющая высокое отношение (не менее 10 - 100) продольных размеров к поперечным при небольших величинах площади поперечного сечения (до 5  10^-8 м²) и поперечного размера (около 2,5 10^-4 м). Три элемента составляют основу волокнистых композиционных материалов - матрица, волокна и граница раздела между ними. Для получения материалов с заданными физико-механическими показателями каждый из этих элементов должен обладать оптимальным сочетанием свойств, проявляющихся как индивидуально в каждом из них, так и при их совместной работе. Волокнистый наполнитель во многом определяет прочность и модуль упругости композиционных материалов, то есть обеспечивает стойкость материалов к деформированию и разрушению под действием механических сил. Матрица в волокнистом композиционном материале передает и распределяет внешнюю нагрузку между отдельными волокнами, а также поддерживает индивидуальные волокна в заданной ориентации. Матрица предохраняет волокна от истирания, действия влаги или других факторов окружающей среды и обуславливает совместное сопротивление волокон деформированию и разрушению при действии механических сил. Полимерная матрица определяет также максимально возможную температуру эксплуатации материала.

Природа границы раздела, в первую очередь адгезионное взаимодействие наполнителя и матрицы, в решающей степени определяет уровень свойств композиционных материалов и их сохранение при эксплуатации. Граница раздела должна обеспечить эффективную передачу воспринимаемой механической нагрузки, от матрицы на волокна.

Для получения полимерных материалов с новыми улучшенными свойствами и расширения ассортимента полимерных материалов полимеры могут смешиваться. Благодаря смешению удается улучшить самые разнообразные свойства полимеров: механические, реологические, теплофизические, фрикционные, диффузионные и другие. Смешение полимеров пока не имеет столь широких возможностей для изменения свойств полимеров, как химический синтез, но смешение полимеров это более простой путь создания новых полимерных материалов, чем путь химического синтеза.

Под смесями полимеров понимаются системы, полученные смешением двух или большего числа полимеров в условиях, при которых смешиваемые компоненты могут необратимо деформироваться. Эти условия включают смешение полимеров при температурах выше температуры стеклования или плавления, смешение в растворе с последующим удалением растворителя, смешение олигомеров с последующим повышением их молекулярной массы.

Смещение температуры стеклования полимеров в область более низких температур под действием введенных веществ называется пластификацией. Пластификаторы - вещества, способные смещать температуру стеклования полимеров в область более низких температур. С молекулярной точки зрения под пластификацией полимеров понимается увеличение подвижности структурных элементов полимера при введении в него специально подобранных жидкостей – пластификаторов, не взаимодействующих химически с полимером.

При растворении в полимере жидкости макромолекулы оказываются окруженными молекулами этой жидкости. Это ведет к понижению взаимодействий между макромолекулами. Кроме того, молекулы низкомолекулярной жидкости являются более подвижными и легче обмениваются местами, чем макромолекулы полимера. Снижение межмакромолекулярного взаимодействия и наличие в системе подвижного низкомолекулярного компонента ведет к повышению молекулярной подвижности всей системы. Это вызывает изменение всего комплекса свойств полимера: изменяются его прочностные, деформационные, температурные, реологические, электрические свойства во всех трех физических состояниях – стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Но критерием, определяющим наличие явления пластификации и его эффективности, является именно смещение температуры стеклования полимеров в область более низких температур.

Газонаполненные полимеры или пенопласты отличаются от невспененных материалов малым удельным весом, низкой теплопроводностью, хорошими звукоизоляционными свойствами, высокой жесткостью конструкций при их относительно малом весе, а вспененные резины мягкостью. Все эти отличительные характеристики и особенности определяют и область применения пенопластов.

Для введения газовой фазы в полимерную среду применяют следующие способы:

- смешивание полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии, с газом при низком давлении;

- насыщение полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии, с газом при высоком давлении;

- введение в полимер легкокипящей жидкости, которая при нагревании превращается в пар;

- введение в полимер веществ (газообразователей), разлагающихся при нагревании с выделением большого количества газообразных продуктов;

- совмещение компонентов, взаимодействующих между собой с выделением большого количества газообразных продуктов;

- получение заготовок прессованием из композиций, наполненных растворимыми веществами, впоследствии вымываемыми;

- спекание неуплотненных порошкообразных материалов.

ПКМ широко применяются в производстве тароупаковочных материалов. Пакеты для молока обычно изготавливаются из ПЭВД, наполненного порошкообразным диоксидом титана (титановые белила); упаковочные пленки из поливинилхлорида содержат жидкие пластификаторы; для упаковки изделий, чувствительных к ударам и вибрации применяют пенопласты; легкие и прочные баки и цистерны изготавливают из полимеров с волокнистыми наполнителями.

Лабораторная работа № 1