как влияет форма макромолекул на свойства полимера
Зависимость механических свойств полимеров от химического строения, состава и надмолекулярной структуры
Реализация при определенной температуре физического состояния полимера с присущим ему комплексом механических свойств изменение состояния с изменением температуры и особенности механического поведения в определенном состоянии определяются, в первую очередь, химическим строением и свойствами составляющих полимер макромолекул:
Выше уже отмечалось различие в реализующихся физических состояниях линейных и пространственных полимеров и их различное поведение в высокоэластическом состоянии. Появление поперечных связей между макромолекулами приводит к образованию полимерного каркаса и вызывает понижение температуры стеклования, в случае достаточно частых поперечных связей настолько резкое, что полимер может перейти из вязкотекучего состояния не только в высокоэластическое, но и непосредственно в стеклообразное (отверждение некоторых термореактивных смол). В стеклообразном состоянии влияние полимерного каркаса проявляется особенно сильно при больших напряжениях (приводит к подавлению вынужденной высокоэластичности). Реализация у линейных полимеров вязкотекучего состояния определяет их термопластичность — способность к многократному размягчению.
Следует отметить, что полимерный каркас может образоваться не только за счет химических связей, но также благодаря присутствию в полимерной цепи участков, между которыми существует сильное межмолекулярное взаимодействие. При этом достигается термолабильность поперечных связей между макромолекулами.
Примером таких материалов являются термоэластопласты — полимеры, обладающие свойствами эластомеров и термопластичностью, например, блоксополимеры эластомеров со стиролом, блоксополимеры, имеющие кристаллизующиеся и некристаллизующиеся участки, и некоторые полиуретаны, у которых роль термолабильных узлов играют сегрегированные диизоцианатные блоки.
К образованию полимерного каркаса может приводить также введение в полимерную цепь кислотных групп с последующей нейтрализацией их ионами металлов.
Термодинамическая гибкость макромолекул является необходимым условием проявления высокоэластичности. Однако для реализации этого состояния необходима также достаточная кинетическая (механическая) гибкость, зависящая от межмолекулярного взаимодействия и растущая с ростом температуры. Все эластомеры являются гибкоцепными полимерами. Жесткоцепные полимеры и гибкоцепные при достаточно сильном межмолекулярном взаимодействии являются пластиками.
Сочетание значительной жесткости со способностью к большим деформациям реализуется при наличии между жесткими участками гибких сочленений (некоторые полиимиды и гетерополиарилены).
Стереорегулярность строения в ряде случаев необходимое условие реализации кристаллического состояния. Регулярность строения макромолекулы может оказать решающее влияние на механические свойства полимера. Так, атактический полипропилен является эластомером, а изотактический полипропилен кристаллизуется и обладает волокнообразующими свойствами.
Зависимость механических свойств полимеров от молекулярной массы.
Механические свойства полимерных материалов существенно зависят от вводимых в них добавок:
(см. Ингредиенты полимерных материалов).
Даже при небольших количествах добавок изменение механических свойств может быть очень сильным, как, например, в случае введения сшивающих агентов, вызывающих образование поперечных связей между макромолекулами.
Наполнение полимеров различными веществами органического и неорганического происхождения в количествах, достигающих более 50% (по массе), а иногда и 90%, приводит к получению композиционно неоднородных материалов с самыми разнообразными механическими свойствами.
Наполнение пластмасс волокнистыми материалами является наиболее эффективным способом получения жестких (высокомодульных) и высокопрочных материалов. Пластик на основе волокна бора, например, почти не уступает по прочности стали, имея в 4 раза меньшую плотность. Особенностью армированных материалов является то, что прочность и модуль при сдвиге для них может быть более чем на порядок меньше прочности и модуля при растяжении.
При заданных химическом строении и составе механические свойства пластиков сильно зависят от реализующейся надмолекулярной структуры, что обусловливает зависимость механических свойств полимеров от условий получения, переработки и последующей обработки полимерного материала. Наиболее подробно изучено влияние особенностей сферолитной структуры на механические свойства кристаллических полимеров. Влияние надмолекулярной структуры на механические свойства аморфных полимеров пока практически не изучено, хотя сам факт такого влияния несомненен.
В таблице 1 приведены для сравнения механические характеристики некоторых полимерных материалов. Данные взяты из разных источников. Таблица носит не справочный, а иллюстративный характер.
Таблица 1: Механические характеристики некоторых полимерных материалов при комнатной температуре
* При 300%-ном растяжении.
Читайте также:
Как влияет форма макромолекул на свойства полимера
Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа повторяющихся звеньев.
Вследствие большой молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают специфические свойства и их выделяют в особую группу соединений.
р азличают неорганические, органические и элементорганические полимеры. о рганические полимеры подразделяются на природные и синтетические. м ы рассматриваем органические синтетические полимеры.
В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул:
Элементные составы полимеров и исходных веществ не совпадают, за счет образования низкомолекулярных продуктов.
на 1 этапе синтезируется олигомер линейной структуры
Линейные полимеры образуются при полимеризации мономеров или линейной поликонденсации.
С етчатые полимеры образуются в результате сшивки цепей при вулканизации.
Форма макромолекул влияет на структуру и свойства полимеров.
В линейных и разветвленных макромолекулах, атомы или группы атомов могут вращаться вокруг ординарных связей, постоянно изменяя свою пространственную форму. Это свойство обеспечивает гибкость макромолекул, и они могут изгибаться, скручиваться, распрямляться. Поэтому для линейных и разветвленных полимеров характерно высокоэластичное состояние, они обладают термопластическими свойствами : размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении без химических превращений.
При разветвлении эластические термопластические свойства становятся менее выраженными, а при образовании сетчатой структуры термопластичность теряется. Уменьшение длины цепей ведет к уменьшению эластичности полимеров, например, при переходе от каучука к эбониту.
Линейные полимеры могут иметь регулярную и нерегулярную структуру.
Полипропилен нерегулярной структуры.
Полипропилен регулярной структуры.
Обычно большинство полимеров находится в аморфном состоянии. Но некоторые могут иметь кристаллическую структуру. Кристаллизоваться могут лишь стереорегулярные полимеры.
При низкой температуре полимер находится в стеклообразном состоянии и ведет себя как твердое тело.
Химические свойства полимеров зависят от их состава, молекулярной массы и структуры, вследствие наличия двойных связей и функциональных групп. Отдельные макромолекулы могут ² сшиваться ² поперечными связями. Это процесс вулканизации и перевод линейных макромолекул термореактивных полимеров в сетчатые структуры.
К реакциям взаимодействия функциональных групп с низкомолекулярными веществами относятся галогенирование, гидролиз и д.р.
Механические свойства полимеров определяются элементным составом, молекулярной массой, структурой и физическим состоянием макромолекул.
С ростом молекулярной массы механическая прочность возрастает, а также при переходе от линейных к разветвленным и далее к сетчатым структурам.
Электрические свойства полимеров. Вещества делятся на диэлектрики, полупроводники и проводники.
Диэлектрики применяются в электротехнике и радиотехнике как материалы различных электротехнических изделий, защитных покрытий кабелей, проводов, изоляционных эмалей ионы и лаков.
2. Полимерные пленки получают продавливанием через фильеры с щелевидными отверстиями или нанесением на движущую ленту. Их используют как электроизоляционный и упаковочный материал, основы магнитных лент.
4. Клеи, композиции способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями клеевой прослойкой.
1. Полиэтилен устойчив к агрессивной среде, влагонепроницаем, является диэлектриком. Из него изготавливают трубы, электротехнические изделия, детали радиоаппаратуры, изоляционные пленки, оболочки кабелей телефонных и силовых линий.
7. Полиамид – обладает высокой прочностью, износостойкостью, высокими диэлектрическими свойствами.
8. Синтетические каучуки (эластомеры).
Морозостойкость полиизобутилена зависит от его молекулярного веса, чем вес больше, тем полиизобутилен морозоустойчивее.
В чистом виде или в композициях полиизобутилен применяют для изготовления изоляционных лент; изоляции высокочастотных кабелей (в композициях с полиэтиленом); уплотнителей; изоляционных заливочных компаундов; клеящих материалов.
Вследствие холодной текучести полиизобутилена для изоляции высокочастотных кабелей применяется резиноподобная смесь из 90% полиизобутилена и 10% полистирола с прослойкой полистирольной пленки (стирофлекса). Эта смесь имеет высокие электрические свойства при повышенной влажности.
Молекула стирола несколько несимметрична, что обусловлено наличием в нем фенольных групп.
Стирол токсичен, вызывает раздражения кожи, глаз и органов дыхания. Пыль полистирола образует с воздухом взрывоопасные концентрации.
Плотность – 1,05 г/см 3
Полистирол – химически стоек, на него не действуют концентрированные кислоты ( HNO 3 – исключение) и щелочи, он растворяется в эфирах, кетонах, ароматических углеводородах и не растворяется в спиртах, воде, растительных маслах.
Степень полимеризации зависит от условий. Можно получить полимер с молекулярной массой до 600000. Это будут твердые полимеры. Применение находят полимеры с М.М. от 40000 до 150000. При нагреве 180 – 300 ºС возможна деполимеризация. Электрические свойства также зависят от метода полимеризации и наличия полярных примесей, особенно эмульгаторов.
Изделия из полистирола производят прессованием и литьем под давлением. Из него изготавливают: пленку (стирофлекс), ламповые панели, каркасы катушек, изоляционные детали переключателей, изоляторы антенн; пленки для конденсаторов и др. Полистирол в виде лент, шайб, колпачков применяется для изоляции высокочастотных кабелей.
Полихлорвинил – термопластичное синтетическое высокополимерное соединение с линейной структурой молекул несимметричного строения. Резко выраженная асимметричность и полярность полихлорвинила связана с хлором.
Молекула полихлорвинила имеет вид
Полихлорвинил малогигроскопичен, изменение диэлектрических свойств во влажной атмосфере незначительно.
Изделия изготовляют путем прессования, литьем под давлением, штамповкой, формованием.
Полихлорвинил применяется в виде пластмасс различной эластичности, в виде лаков для защитных покрытий. Он химически стоек против воздействия щелочей, кислот, спирта, бензина и минеральных масел. Сложные эфиры, кетоны, ароматические углеводороды частично растворяют его или вызывают набухание.
Полихлорвинил применяется в электропромышленности в следующих изделиях:
а) аккумуляторные банки;
б) шланги для электроизоляции и химзащиты;
в) изоляция телефонных проводов и кабелей (заменитель свинца);
г) изоляционные прокладки, втулки и др. изделия.
Не применяется в высокочастотных цепях в качестве диэлектрика из-за высоких диэлектрических потерь (высокая проводимость), и при температурах выше 60-70 ºС.
Поливинилацетат – полимеры жидкого винилацетата, получаемого в результате химического взаимодействия ацетилена ( C 2 H 2) и уксусной кислоты:
Материал поливинилацетат – бесцветный, без запаха, занимает среднее место между смолами и каучуками. Свойства его зависят от степени полимеризации. М.М. от 10000 до 100000. Температура размягчения равна 40 – 50 °С.
Высокополимерные продукты при 50 – 100 °С становятся каучукоподобными, а при отрицательных температурах – твердыми, достаточно эластичными.
Все полимеры обладают светостойкостью, даже при 100 °С. При нагревании поливинилацетат не деполимеризуется до мономера, а разлагается с отщеплением уксусной кислоты. Не воспламеняется. Это полярный полимер. Растворим в эфирах, кетонах (ацетон), метиловом ( CH 3 OH ) и этиловом ( C 2 H 5 OH ) спиртах, не растворим в бензине. В воде слегка набухает, но не растворяется.
Применяется главным образом, для производства безосколочного стекла » триплекс «. Применяется в электроизоляционной технике. Лаки на его основе ценятся за хорошие электроизоляционные свойства, эластичность, светостойкость, бесцветность.
Полиметилметакрилат (органическое стекло, плексиглас) – большая группа высокополимерных эфиров метакриловой кислоты, имеющих большое техническое применение
В электропромышленности применяется как вспомогательный материал.
Получается при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты (метилметакрилат) в присутствии инициатора.
При 573 К полиметилметакрилат деполимеризуется с образованием исходного мономера метилметакрилата.
По составу от поливинилацетата отличается наличием метильной группы в боковой цепи вместо водорода и наличием валентной связи углерода главной цепи с эфирной группой не через кислород, а через углерод.
Применяется как конструкционный, оптический и декоративный материал, окрашиваемый анилиновыми красителями в различные цвета. Из него изготовляют корпуса и шкалы приборов, прозрачные защитные стекла и колпаки, прозрачные детали аппаратуры и др. Органическое стекло легко обрабатывается: сверлится, пилится, обтачивается, шлифуется, полируется. Хорошо гнется, штампуется и склеивается растворами полиметилметакрилата в дихлорэтане.
Линейный полимер несимметричной структуры. Наличие группы ОН в каждом звене цепи определяет высокую гигроскопичность и полярность спирта. Растворяется только в воде. Имеет ρ = 10 7 Ом·см. Используется как вспомогательный материал при изготовлении печатных радиосхем.
Устойчив против плесени и бактерий. Хороший материал для изготовления масл о- и бензоустойчивых мембран, шлангов, панелей. Прогрев при 170 °С в течение 3 – 5 часов повышает водостойкость и уменьшает растворимость поливинилового спирта.
Олигомеры – химические соединения со средним молекулярным весом (менее 1000), большим по сравнению с мономерами и меньшим по сравнению с полимерами. Основное их свойство – способность к полимеризации за счет ненасыщенных связей, обуславливающих пространственную или линейную структуру готового продукта. При полимеризации не выделяются низкомолекулярные продукты, поэтому изоляция, полученная методом заливки олигомерами, отличается монолитностью, без пустот и пор. Они не требуют для полимеризации особых условий (высокого давления, температуры, среды и т.д.).
Промышленностью выпускаются полиэфирные, полиуретановые, кремнийорганические олигомерные соединения и их модификации.
Феноло-формальдегидные смолы (бакелиты) получаются в результате конденсации водного раствора фенола С6Н5ОН или крезола – С6Н4СН3ОН с формалином (водным раствором формальдегида, СН2О ) в присутствии катализаторов.
В зависимости от соотношения реагирующих компонентов и катализатора различают два класса феноло-формальдегидных смол:
Резолы при нагревании переходят из начального состояния (стадия А) в промежуточную форму резитол (стадия В) и в окончательную модификацию, неплавкий и нерастворимый продукт резит (стадия С).
Образование фенолформальдегидных смол:
Структура полимеризационного бакелита в стадии С до сих пор неизвестна. Но известно, что смола имеет пространственный рост молекул. Этим объясняется ее термореактивность.
Бакелитовая смола – полярный диэлектрик, ( ε зависит от температуры и частоты (Гц)).
Применяются бакелитовые смолы в производстве электроизоляционных лаков и антикоррозийных покрытий, в производстве слоистых пластиков и т.д.
Изделия из фенопластов отличаются стабильностью свойств. Они работают длительно при 130-215 °С. Допустимые рабочие температуры зависят от типа наполнителя. Фенопласты с неорганическими носителями имеют более высокие температуры.
б) Слоистые пластики – группа пластмасс, получаемая из волокнистой основы, расположенной послойно и пропитанной синтетическими смолами. В качестве основы применяют целлюлозу, бумагу, хлопчатобумажные ткани и ткани из стекловолокна.
Гетинакс электротехнический – слоистый прессматериал, состоящий из целлюлозной пропитанной изоляционной бумаги, обработанной смолой.
Гетинакс выпускается разных марок:
А и Б – для работы в трансформаторном масле, с повышенной электрической прочностью;
В, Д – для работы в воздухе и трансформаторном масле, обладают повышенной механической прочностью;
Г – для аппаратуры, работающей при повышенной влажности;
Вс – светопроницаемый для работы на воздухе;
Текстолит листовой электротехнический – прессованный материал, состоящий из нескольких слоев хлопчатобумажной или стеклянной ткани, пропитанной термореактивной смолой феноло–формальдегидного типа.
Применяется для изготовления деталей, работающих в условиях ударных нагрузок или нагрузок с истиранием.
Карбамидные (мочевино-формальдегидные) смолы – получаются при реакции конденсации мочевины ( NH 2)2 CO с формальдегидом CH 2 = O в присутствии щелочей:
Структурная формула смолы:
Это полярные высокомолекулярные соединения. В зависимости от условий мочевино–формальдегидные смолы могут быть водорастворимые и водонерастворимые. Отличаются термореактивностью и способностью переходить при нагревании в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние. Подобно резолам из них можно получать изделия подобные бакелитовым смолам.
Прессовочные порошки аминопластов представляют собой композиции из мочевино–формальдегидной смолы, целлюлозы, красителей и смазочного вещества, прессующихся в нагретых пресс–формах с образованием твердых изделий.
Из карбамидных смол с минеральными наполнителями получают искростойкие пластмассы, применяемые в дугогасильных камерах низковольтных и высоковольтных выключающих устройств.
Из мочевино–формальдегидной смолы изготовляют прозрачные шкалы и органические стекла.
· полиамидные смолы и т. п.
Эти смолы менее хрупки, чем бакелитовые, обладают высокой ударной вязкостью, поэтому можно прессовать без наполнителя, что и снижает гигроскопичность.
Конспект по химии на тему «Полимеры, их значения. Строение полимеров»
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Полимеры, их назначения. Строение полимеров
Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа повторяющихся звеньев.
Вследствие большой молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают специфические свойства и их выделяют в особую группу соединений.
Р азличают неорганические, органические и элементорганические полимеры. О рганические полимеры подразделяются на природные и синтетические. М ы рассматриваем органические синтетические полимеры.
10.1. Методы получения полимеров
В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул:
Элементные составы полимеров и исходных веществ не совпадают, за счет образования низкомолекулярных продуктов.
NH 2 CO NH CH 2 OH CH 2 O CH 2 OH NH CO NH CH 2 OH
2 CH 2 OH NH CO NH CH 2 OH
H 2 O + CH 2 OH NH CO NH CH 2 O CH 2 NH CO NH CH 2 OH
на 1 этапе синтезируется олигомер линейной структуры
10.2. Строение полимеров
10.2.1. Форма и структура макромолекул полимеров
Линейные полимеры образуются при полимеризации мономеров или линейной поликонденсации.
Разветвленные полимеры могут образоваться как при полимеризации, так и при поликонденсации. Разветвление полимеров может быть вызвано при росте боковых цепей, передачей цепи на макромолекулу, физическими воздействиями облучение на смесь полимера и мономеров.
С етчатые полимеры образуются в результате сшивки цепей при вулканизации.
Форма макромолекул влияет на структуру и свойства полимеров.
В линейных и разветвленных макромолекулах, атомы или группы атомов могут вращаться вокруг ординарных связей, постоянно изменяя свою пространственную форму. Это свойство обеспечивает гибкость макромолекул, и они могут изгибаться, скручиваться, распрямляться. Поэтому для линейных и разветвленных полимеров характерно высокоэластичное состояние, ониобладают термопластическими свойствами размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении без химических превращений.
При разветвлении эластические термопластические свойства становятся менее выраженными, а при образовании сетчатой структуры термопластичность теряется. Уменьшение длины цепей ведет к уменьшению эластичности полимеров, например, при переходе от каучука к эбониту.
Линейные полимеры могут иметь регулярную и нерегулярную структуру.
Полипропилен нерегулярной структуры.
Полипропилен регулярной структуры.
10.2.2. Кристаллическое состояние полимеров
Обычно большинство полимеров находится в аморфном состоянии. Но некоторые могут иметь кристаллическую структуру. Кристаллизоваться могут лишь стереорегулярные полимеры.
Свойства кристаллических и аморфных полимеров различаются. Аморфные полимеры характеризуются областью температур размягчения, т.е. постепенно переходят из твердого состояния вжидкое, а кристаллические полимеры – температурой плавления.
10.2.3. Физические состояния аморфных полимеров
При низкой температуре полимер находится в стеклообразном состоянии и ведет себя как твердое тело.
10.3. Свойства полимеров
Химические свойства полимеров зависят от их состава, молекулярной массы и структуры, вследствие наличия двойных связей и функциональных групп. Отдельные макромолекулы могут сшиваться поперечными связями. Это процесс вулканизации и перевод линейных макромолекул термореактивных полимеров в сетчатые структуры.
К реакциям взаимодействия функциональных групп с низкомолекулярными веществами относятся галогенирование, гидролиз и д.р.
Механические свойства полимеров определяются элементным составом, молекулярной массой, структурой и физическим состоянием макромолекул.
С ростом молекулярной массы механическая прочность возрастает, а также при переходе от линейных к разветвленным и далее к сетчатым структурам.
Стереорегулярные структуры имеют большую прочность, чем полимеры с разупорядоченной структурой. Самая высокая прочность у полимеров наблюдается в кристаллическом состоянии. Механическую прочность можно повысить добавлением наполнителей сажи, мела, армированием стекловолокном.
Электрические свойства полимеров. Вещества делятся на диэлектрики, полупроводники и проводники.
Внешнее электрическое поле поляризует диэлектрики, т.е. определенно ориентирует молекулы. Внутри возникает собственное электрическое поле, которое ослабляет воздействие внешнего поля. Характеризуется это диэлектрической проницаемостью. При высоком напряжении внешнего электрического поля диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Это напряжение называется напряжением пробоя, а отношение напряжение пробоя к толщине диэлектрика электрической прочностью.
Большинство полимеров относится к диэлектрикам и определяются эти свойства наличием полярных групп в макромолекулах Cl ˉ OH ˉ COOH ˉ и т.п. они ухудшают их диэлектрические свойства. Полимеры, не имеющие этих групп: фторопласт, полиэтилен хорошие диэлектрики. Увеличение молекулярной массы улучшает диэлектрические свойства. При переходе отстеклообразного к высокоэластичному и вязкотекучему состояниям удельная электрическая проводимость возрастает. Для улучшения диэлектрических свойств необходимо удалять из полимеров ионы и примеси. OH ˉ обуславливает гидрофильность полимеров. Они поглощают воду. В результате чего увеличивается электропроводность. OH ˉ необходимо связывать между собой или с другими группами.
Диэлектрики применяются в электротехнике и радиотехнике как материалы различных электротехнических изделий, защитных покрытий кабелей, проводов, изоляционных эмалей ионы и лаков.
10.4. Применение полимеров
10.4.1. Материалы, получаемые на основе полимеров
1. На основе полимеров получают волокна путем продавливания растворов или расплавов через фильеры с последующим затвердеванием это полиамиды, полиакрилонитрилы и др.
2. Полимерные пленки получают продавливанием через фильеры с щелевидными отверстиями или нанесением на движущую ленту. Их используют как электроизоляционный и упаковочный материал, основы магнитных лент.
3. Лаки растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях.
4. Клеи, композиции способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями клеевой прослойкой.
6. Композиты композиционные материалы полимерная основа, армированная наполнителем.
10.4.2. Области применения полимеров
1. Полиэтилен устойчив к агрессивной среде, влагонепроницаем, является диэлектриком. Из него изготавливают трубы, электротехнические изделия, детали радиоаппаратуры, изоляционные пленки, оболочки кабелей телефонных и силовых линий.
2. Полипропилен механически прочен, стоек к изгибам, истиранию, эластичен. Применяют для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков и др.
3. Полистирол устойчив к действию кислот. Механически прочен, является диэлектриком Используется как электроизоляционный и конструкционный материал в электротехнике, радиотехнике.
4. Поливинилхлорид трудногорюч, механически прочен, электроизоляционный материал.
7. Полиамид – обладает высокой прочностью, износостойкостью, высокими диэлектрическими свойствами.
8. Синтетические каучуки (эластомеры).
9. Фенолформальдегидные смолы основа клеев, лаков, пластмасс.
10.5. Органические полимерные материалы
10.5.1. Полимеризационные термопластичные смолы
Полиизобутилен продукт полимеризации газа изобутилена. Структурная формула:
Морозостойкость полиизобутилена зависит от его молекулярного веса, чем вес больше, тем полиизобутилен морозоустойчивее.
В чистом виде или в композициях полиизобутилен применяют для изготовления изоляционных лент; изоляции высокочастотных кабелей (в композициях с полиэтиленом); уплотнителей; изоляционных заливочных компаундов; клеящих материалов.
Вследствие холодной текучести полиизобутилена для изоляции высокочастотных кабелей применяется резиноподобная смесь из 90% полиизобутилена и 10% полистирола с прослойкой полистирольной пленки (стирофлекса). Эта смесь имеет высокие электрические свойства при повышенной влажности.
Молекула стирола несколько несимметрична, что обусловлено наличием в нем фенольных групп.
Стирол токсичен, вызывает раздражения кожи, глаз и органов дыхания. Пыль полистирола образует с воздухом взрывоопасные концентрации.
Плотность – 1,05 г/см 3
ρ , Ом·см, 10 14 – 10 17
Полистирол – химически стоек, на него не действуют концентрированные кислоты ( HNO 3 – исключение) и щелочи, он растворяется в эфирах, кетонах, ароматических углеводородах и не растворяется в спиртах, воде, растительных маслах.
Степень полимеризации зависит от условий. Можно получить полимер с молекулярной массой до 600000. Это будут твердые полимеры. Применение находят полимеры с М.М. от 40000 до 150000. При нагреве 180 – 300 ºС возможна деполимеризация. Электрические свойства также зависят от метода полимеризации и наличия полярных примесей, особенно эмульгаторов.
Изделия из полистирола производят прессованием и литьем под давлением. Из него изготавливают: пленку (стирофлекс), ламповые панели, каркасы катушек, изоляционные детали переключателей, изоляторы антенн; пленки для конденсаторов и др. Полистирол в виде лент, шайб, колпачков применяется для изоляции высокочастотных кабелей.
Полидихлорстирол – отличается от полистирола содержанием в каждом звене цепи двух атомов хлора и вследствие этого большой теплостойкостью, нагревостоек.
Полихлорвинил – термопластичное синтетическое высокополимерное соединение с линейной структурой молекул несимметричного строения. Резко выраженная асимметричность и полярность полихлорвинила связана с хлором.
Молекула полихлорвинила имеет вид
ε = 3,1 – 3,4 ( при 800 Гц )
Полихлорвинил малогигроскопичен, изменение диэлектрических свойств во влажной атмосфере незначительно.
Изделия изготовляют путем прессования, литьем под давлением, штамповкой, формованием.
Полихлорвинил применяется в виде пластмасс различной эластичности, в виде лаков для защитных покрытий. Он химически стоек против воздействия щелочей, кислот, спирта, бензина и минеральных масел. Сложные эфиры, кетоны, ароматические углеводороды частично растворяют его или вызывают набухание.
Полихлорвинил применяется в электропромышленности в следующих изделиях:
а) аккумуляторные банки;
б) шланги для электроизоляции и химзащиты;
в) изоляция телефонных проводов и кабелей (заменитель свинца);
г) изоляционные прокладки, втулки и др. изделия.
Не применяется в высокочастотных цепях в качестве диэлектрика из-за высоких диэлектрических потерь (высокая проводимость), и при температурах выше 60-70 ºС.
Поливинилацетат – полимеры жидкого винилацетата, получаемого в результате химического взаимодействия ацетилена ( C 2 H 2 ) и уксусной кислоты:
Материал поливинилацетат – бесцветный, без запаха, занимает среднее место между смолами и каучуками. Свойства его зависят от степени полимеризации. М.М. от 10000 до 100000. Температура размягчения равна 40 – 50 °С.
Высокополимерные продукты при 50 – 100 °С становятся каучукоподобными, а при отрицательных температурах – твердыми, достаточно эластичными.
Все полимеры обладают светостойкостью, даже при 100 °С. При нагревании поливинилацетат не деполимеризуется до мономера, а разлагается с отщеплением уксусной кислоты. Не воспламеняется. Это полярный полимер. Растворим в эфирах, кетонах (ацетон), метиловом ( CH 3 OH ) и этиловом ( C 2 H 5 OH ) спиртах, не растворим в бензине. В воде слегка набухает, но не растворяется.
Применяется главным образом, для производства безосколочного стекла » триплекс «. Применяется в электроизоляционной технике. Лаки на его основе ценятся за хорошие электроизоляционные свойства, эластичность, светостойкость, бесцветность.
Полиметилметакрилат (органическое стекло, плексиглас) – большая группа высокополимерных эфиров метакриловой кислоты, имеющих большое техническое применение
В электропромышленности применяется как вспомогательный материал.
Получается при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты (метилметакрилат) в присутствии инициатора.
При 573 К полиметилметакрилат деполимеризуется с образованием исходного мономера метилметакрилата.
По составу от поливинилацетата отличается наличием метильной группы в боковой цепи вместо водорода и наличием валентной связи углерода главной цепи с эфирной группой не через кислород, а через углерод.
Применяется как конструкционный, оптический и декоративный материал, окрашиваемый анилиновыми красителями в различные цвета. Из него изготовляют корпуса и шкалы приборов, прозрачные защитные стекла и колпаки, прозрачные детали аппаратуры и др. Органическое стекло легко обрабатывается: сверлится, пилится, обтачивается, шлифуется, полируется. Хорошо гнется, штампуется и склеивается растворами полиметилметакрилата в дихлорэтане.
Линейный полимер несимметричной структуры. Наличие группы ОН в каждом звене цепи определяет высокую гигроскопичность и полярность спирта. Растворяется только в воде. Имеет ρ = 10 7 Ом·см. Используется как вспомогательный материал при изготовлении печатных радиосхем.
Устойчив против плесени и бактерий. Хороший материал для изготовления масло- и бензоустойчивых мембран, шлангов, панелей. Прогрев при 170°С в течение 3 – 5 часов повышает водостойкость и уменьшает растворимость поливинилового спирта.
Олигомеры – химические соединения со средним молекулярным весом (менее 1000), большим по сравнению с мономерами и меньшим по сравнению с полимерами. Основное их свойство – способность к полимеризации за счет ненасыщенных связей, обуславливающих пространственную или линейную структуру готового продукта. При полимеризации не выделяются низкомолекулярные продукты, поэтому изоляция, полученная методом заливки олигомерами, отличается монолитностью, без пустот и пор. Они не требуют для полимеризации особых условий (высокого давления, температуры, среды и т.д.).
Промышленностью выпускаются полиэфирные, полиуретановые, кремнийорганические олигомерные соединения и их модификации.
10.5.2. Термореактивные синтетические смолы
Феноло-формальдегидные смолы (бакелиты) получаются в результате конденсации водного раствора фенола С 6 Н 5 ОН или крезола – С 6 Н 4 СН 3 ОН с формалином (водным раствором формальдегида, СН 2 О ) в присутствии катализаторов.
В зависимости от соотношения реагирующих компонентов и катализатора различают два класса феноло-формальдегидных смол:
Резолы при нагревании переходят из начального состояния (стадия А) в промежуточную форму резитол (стадия В) и в окончательную модификацию, неплавкий и нерастворимый продукт резит (стадия С).
Образование фенолформальдегидных смол:
Структура полимеризационного бакелита в стадии С до сих пор неизвестна. Но известно, что смола имеет пространственный рост молекул. Этим объясняется ее термореактивность.
Бакелитовая смола – полярный диэлектрик, ( ε зависит от температуры и частоты (Гц)).
Применяются бакелитовые смолы в производстве электроизоляционных лаков и антикоррозийных покрытий, в производстве слоистых пластиков и т.д.
Изделия из фенопластов отличаются стабильностью свойств. Они работают длительно при 130-215 °С. Допустимые рабочие температуры зависят от типа наполнителя. Фенопласты с неорганическими носителями имеют более высокие температуры.
б) Слоистые пластики – группа пластмасс, получаемая из волокнистой основы, расположенной послойно и пропитанной синтетическими смолами. В качестве основы применяют целлюлозу, бумагу, хлопчатобумажные ткани и ткани из стекловолокна.
Гетинакс электротехнический – слоистый прессматериал, состоящий из целлюлозной пропитанной изоляционной бумаги, обработанной смолой.
Гетинакс выпускается разных марок:
А и Б – для работы в трансформаторном масле, с повышенной электрической прочностью;
В, Д – для работы в воздухе и трансформаторном масле, обладают повышенной механической прочностью;
Г – для аппаратуры, работающей при повышенной влажности;
В с – светопроницаемый для работы на воздухе;
Ав, Бв, Вв, Гв, Дв – для работы в радио – и телефонных установках;
Текстолит листовой электротехнический – прессованный материал, состоящий из нескольких слоев хлопчатобумажной или стеклянной ткани, пропитанной термореактивной смолой феноло–формальдегидного типа.
Применяется для изготовления деталей, работающих в условиях ударных нагрузок или нагрузок с истиранием.
Карбамидные (мочевино-формальдегидные) смолы
Карбамидные (мочевино-формальдегидные) смолы – получаются при реакции конденсации мочевины ( NH 2 ) 2 CO с формальдегидом CH 2 = O в присутствии щелочей:
Структурная формула смолы:
Это полярные высокомолекулярные соединения. В зависимости от условий мочевино–формальдегидные смолы могут быть водорастворимые и водонерастворимые. Отличаются термореактивностью и способностью переходить при нагревании в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние. Подобно резолам из них можно получать изделия подобные бакелитовым смолам.
Прессовочные порошки аминопластов представляют собой композиции из мочевино–формальдегидной смолы, целлюлозы, красителей и смазочного вещества, прессующихся в нагретых пресс–формах с образованием твердых изделий.
Из карбамидных смол с минеральными наполнителями получают искростойкие пластмассы, применяемые в дугогасильных камерах низковольтных и высоковольтных выключающих устройств.
Из мочевино–формальдегидной смолы изготовляют прозрачные шкалы и органические стекла.
полиамидные смолы и т. п.
Эти смолы менее хрупки, чем бакелитовые, обладают высокой ударной вязкостью, поэтому можно прессовать без наполнителя, что и снижает гигроскопичность.
Имеет высокую степень кристалличности (≈ 75%), что обуславливает жесткость и высокую механическую прочность. Механические свойства мало зависят от температуры в пределах от 20 до 120º и влажности. Температура размягчения равна 170 ºС, Температура плавления равна 180 ºС. Применяется для изготовления электроизоляционных деталей с высокой механической прочностью.