2. Пластмассы как конструкционный материал

   1. Состав и структура пластмасс

Основой пластмасс являются полимеры - высокомолекулярные соединения, которые образуются путем последовательного присоединения друг к другу низкомолекулярных веществ - мономеров. Количество мономеров, составляющих полимер, может насчитывать от десятка до сотен тысяч.

Процесс присоединения мономеров в полимер называют синтезом. Если при синтезе не выделяются низкомолекулярные попутные продукты (спирт, вода), такой процесс называют полимеризацией в противном случае - поликонденсацией. Синтез проходит под действием различных факторов: высокого давления, температуры, облучения и др.

Объединение мономеров в полимер проходит по трем схемам:

• линейная - соединение звеньев последовательное;

• разветвленная - присутствуют небольшие локальные разветвления в виде боковых звеньев;

• сетчатая - это пространственная система линейных звеньев.

Рис. 4 Схемы образования полимеров

а) - линейная; б) - разветвленная; в) - сетчатая.

По происхождению полимеры бывают:

1. Природные - целлюлоза, каучук, белки, природные смолы (поскольку основой древесины является целлюлоза, поэтому ее можно отнести к естественному полимера);

2. Синтетические - все остальные: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, поливинилацетат, синтетические смолы и тому подобное.

Название полимер обычно получит из названия того мономера, из которого он был получен. Так, например, полиэтилен получают из этилена, поливинилхлорид из винилхлорида, полистирол из стирола и т.д. Иногда название полимера образуется в зависимости от вида реакционно-химических групп, соединяющих молекулы мономеров - полиамиды. полиэфиры.

Чистые полимерные материалы, а также полимеры в сочетании с вспомогательными веществами, используются для изготовления конструкционных материалов - пластиков (пластмасс). Части пластмассы представляют собой многокомпонентные смеси. В их состав уходят:

1. Вяжущие вещества - это основной (иногда единственный) компонент пластмасс. Чаще всего это синтетические смолы, хотя могут использоваться и природные вяжущие, например, эфиры целлюлозы, природные смолы;

2. Наполнители - компоненты, вводят в пластмассы с целью улучшения механических и технологических свойств - повышение теплостойкости, снижения стоимости. Наполнители бывают неорганического и органического происхождения и вводятся в материал в виде порошков, волокон или листов (древесная мука, цемент, стеклянные и асбестовые волокна, бумага, хлопчатобумажные и стеклянные ткани);

3. Модифицирующие добавки. При формировании полимера обязательными добавками являются затвердители. Кроме того, могут использоваться ускорители (вещества, ускоряющие синтез), катализаторы (вещества, не принимают непосредственного участия в процессе твердения, однако необходимы для протекания химических реакций), пластификаторы (вещества, которые уменьшают хрупкость готового материала), ингибиторы (вещества , замедляющие процесс схватывания), другие добавки;

4. Красители. Окраска пластмасс осуществляется путем введения красителей в массу материала. Заданный рисунок и цвет можно получить, нанеся его на внешний слой листового наполнителя (бумага, ткань).

5. Порообразователи - это добавки, которые применяют для получения газонаполненных пластмасс - пенопластов.

В зависимости от реакции пластмасс на нагрев их разделяют на две группы:

1. Термопластичные – при нагревании размягчаются и становятся пластичными, а при охлаждении снова затвердевают. Такой процесс может повторяться, не изменяя химические свойства материала. В эту группу входят и полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, оргстекло, др.;

2. Термореактивные – при нагревании переходят в неплавкое, нерастворимый твердое состояние и окончательно теряют свойство плавиться. Иначе говоря, термореактивные смолы переходят из вязко-текучего в твердое состояние только один раз. Это пластмассы на основе фенолоформальдегидных, эпоксидных, полиэфирных смол.

Физико-механические свойства пластиков зависят от свойств их составляющих. Кроме того, большое влияние на работу пластиков имеет размещение волокон наполнителя по отношению к расчетным усилиям, возникающих в материале. В зависимости от этого фактора выделяют следующие структуры пластиков (рис. 5):

• Однонаправленная (ОС) - волокна ориентированы только в направлении расчетного усилия, чем обеспечивается высокая прочность в заданном направлении (рис. 5, а);

• Продольно-поперечная (ППС) - направление волокон совпадает с направлением расчетных напряжений (рис. 5, б);

• Косо-поперечная (КПС) - волокна ориентированы под углом к расчетным напряжений, материал при этом лучше воспринимает касательные напряжения (рис. 5, в);

• Комбинированная (КС) - обеспечивает повышенную прочность материала в одном направлении и равнопрочность во всех других (почти изотропный материал) (рис. 5, г);

• Равномерная (РС) - основой является рубленые хаотично размещены волокна (характерна только для стеклопластиков, рис. 5, д).

Рис. 5. Схемы армирования пластмасс

а) однонаправленная; б) продольно-поперечная; в) косо-поперечная; г) комбинированная; д) равномерная.