Полимерные материалы. Строение, свойства и применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

обособленное структурное подразделение

«ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ»

Факультет «Самолетостроительный»

Кафедра «Самолетостроение»

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №1 по дисциплине «Материаловедение» на тему: Полимерные материалы. Строение, свойства и применение

Составил

Группа: АСВсв-21

Специальность 24.05.07 «Самолето- и вертолетостроение»

Ульяновск 2017

Лабораторная работа № 1

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ.

Цель работы: изучение структуры, строения, классификации, свойств и области применения полимерных материалов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Полимерами называют вещества с большой молекулярной массой (от 5000 до 1000000), у которых молекулы состоят из мономеров - макромолекул с ковалентными связями.

1. Структура и строение полимеров.

Под структурой полимеров понимают взаимное расположение в пространстве макромолекул, образующих полимер. Общая структура полимера складывается из молекулярной и надмолекулярной структур - взаимной укладки молекул в полимерном веществе.

В соответствии с молекулярной структурой полимеры делятся на три группы:

- линейные полимеры - соединения, макромолекулы которых представляют собой длинные цепи, связанные между собой Ван-дерваальсовыми силами молекулярного взаимодействия;

- разветвлённые (привитые) полимеры, образованные цепями с боковыми ответвлениями (число ответвлений и их длина различны); к ним относятся гребнеобразные, звездообразные полимеры;

- сшитые (сетчатые) полимеры состоят из макромолекул, образующих пространственную сетку, охватывающую весь образец; среди них различают густо- и редкосшитые, резко различающиеся по своим свойствам; к сшитым относят лестничные полимеры.

Строение полимеров.

В зависимости от размещения групп вдоль главной оси полимеры делятся:

- на регулярные ( с упорядоченным расположением групп);

- нерегулярные ( с неупорядоченным расположением групп).

2. Классификация полимеров.

Существует несколько видов классификации полимерных материалов (рис. 1.1).

По химическому составу полимерные материалы делятся на органические, элементоорганические и неорганические.

Органическими полимерами являются смолы и каучуки. Молекулярная цепь этих материалов образована атомами углерода с возможными примесями серы, фосфора, хлора и др.

Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи неорганические атомы, сочетающиеся с органическими. К этой группе относятся кремнийорганические соединения.

К неорганическим полимерам принадлежат керамика, слюда, асбест, силикатные стёкла. Их основу составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др.

Рис. 1.1. Общая классификация полимеров

По фазовому состоянию полимерные материалы подразделяются на аморфные и кристаллические.

Аморфные полимеры построены цепных молекул, собранных в пачки или глобули (свёрнутые в клубки цепи), являющиеся структурными элементами.

Кристаллические полимеры образованы кристаллами правильной формы, которые получаются путём перестройки внутри пачки в определённом интервале температур.

По механизмам поляризации молекул полимеры делятся на полярные и неполярные.

Неполярные полимеры (нейтральные диэлектрики) состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают и их электрический момент равен нулю. Свойства этих материалов мало изменяются под воздействием температуры; они, как правило, морозоустойчивы. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др.

Полярные (дипольные) полимеры состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. При замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или неуглеводородными радикалами получаются полярные вещества. Полярные полимеры обладают повышенной жёсткостью и теплостойкостью, высокой адгезионной способностью, пониженной морозостойкостью. К ним относятся феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.

По физико-механическим свойствам полимеры классифицируют на пластики (пластмассы) и эластики (эластомеры).

Пластики бывают жёсткие, полужёсткие и мягкие. Жёсткие пластики - твёрдые упругие материалы аморфной структуры с высоким модулем упругости (свыше 1000 МПа) и малым удлинением при разрыве, сохраняющие свою форму при внешних напряжениях в условиях нормальной или повышенной температуры.

Полужёсткие пластики - твёрдые упругие материалы кристаллической структуры со средним модулем упругости (выше 400 МПа), высоким относительным и остаточным удлинением при разрыве, причём остаточное удлинение обратимо и полностью исчезает при температуре плавления кристаллов.

Мягкие пластики - мягкие и эластичные материалы с низким модулем упругости (ниже 20 МПа), поддающиеся значительным деформациям при растяжении, причём вся деформация или большая её часть исчезает при нормальной температуре с большой скоростью (практически мгновенно).

По строению полимерной цепи различают полимеры карбоцепные и гетероцепные.

В карбоцепных полимерах цепь состоит только из атомов углерода.

В гетероцепных в состав цепи кроме углерода входят кислород, азот и другие элементы. полимер термопластичный газонаполненный эластомер

По отношению к нагреву полимеры делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные способны многократно размягчаться при нагреве и твердеть при охлаждении без изменения свойств.

Термореактивные при нагреве остаются твёрдыми вплоть до полного термического разложения.

3. Получение полимеров

Полимеры получают в результате реакций полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация - процесс соединения друг с другом большого числа молекул мономера за счёт кратных связей или раскрытия циклов, содержащих гетероатомы (O, N, S). При полимеризации обычно не происходит образования низкомолекулярных побочных продуктов, вследствие чего полимер и мономер имеют один и тот же элементный состав.

Поликонденсация - процесс соединения друг с другом молекул одного или нескольких мономеров, содержащих две и более функциональные группы (OH, CO, COC, NHS и др.), способные к химическому взаимодействию, при котором происходит отщепление низкомолекулярных продуктов. Полимеры, получаемые поликонденсационным способом, по составу не соответствуют исходным мономерам.

4. Пластмассы

Пластические массы (пластмассы) - это искусственные материалы, основой которых (связующим) являются полимеры.

К особенностям пластмасс относят малую плотность, низкую теплопроводность, значительное тепловое расширение, хорошие электроизоляционные свойства, высокую химическую стойкость, фрикционные и антифрикционные свойства. Отличительной особенностью этих материалов являются хорошие технологические свойства.

Классификация пластмасс:

По структуре пластмассы делят на гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные).

По составу пластики подразделяют на ненаполненные, газонаполненные, наполненные.

Ненаполненные пластмассы состоят из полимера, иногда из красителя, пластификатора и стабилизатора.

В газонаполненные кроме указанных материалов входят также воздух или другой газ путём использования добавок газообразующих или воздухововлекающих веществ.

Наполненные пластики состоят из полимера и наполнителя. Эти материалы наиболее часто используют для изготовления пластмассовых строительных материалов и изделий.

По назначению пластмассы подразделяют на группы:

- конструкционные, отличающиеся высокими механическими свойствами (полистирол, фенопласты, стеклопластики и др.);

- электроизоляционные, обладающие хорошими диэлектрическими свойствами (полиэтилены, полистирол, фторопласты, гетинакс, текстолит и др.);

- фрикционные пластмассы, обладающие в условиях сухого трения высокими значениями коэффициента трения и износостойкостью (асбоволокниты, асботекстолиты и др.);

- антифрикционные, имеющие малый коэффициент трения и высокую износостойкость (фторопласт-4, капрон, лавсан и др.);

- тепло- и звукоизоляционные пластмассы, отличающиеся низким коэффициентом теплопроводности и высокой звукопоглощающей способностью (пенополистирол, пенополиуретан и др.);

- светотехнические и оптические, устойчивые к действию света и обладающие высокими оптическими свойствами (полиметилакриалат т др.);

- декоративные, применяющиеся для отделки мебели транспортных салонов и т.п. (гетинакс, полистирол и др.).

Данная классификация в значительной мере условна, т.к. одна и та же пластмасса может использоваться в разном качестве.

В зависимости от отношения связующего к повторному нагреву пластмассы, подобно полимерам, делятся на термопласты (термопластичные пластмассы) и реактопласты (термореактивные пластмассы).

По совокупности свойств пластические массы делятся на термопласты, реактопласты, газонаполненные пластмассы и эластомеры.

1. Термопласты

Термопласты - это материалы, обладающие способностью размягчаться при повышении температуры, превращаясь в вязкую жидкость, и затвердевать при понижении температуры, сохраняя свои первоначальные свойства. В нагретом состоянии им придаётся под давлением определённая форма, сохраняемая при охлаждении. Основа термопластов - полимеры с линейной или разветвлённой структурой.

Область применения термопластов:

ПЭВД, ПЭНД - трубы литые и прессованные детали, плёнки, защитные покрытия.

Полипропилен - аналогично полиэтиленам, также в бытовой технике, контейнеры, посуда и др.

Полистирол - товары бытового назначения: игрушки, панели приборов и т.п., в электротехнике - в производстве конденсаторов.

Фторопласт-4 - электротехнические детали, трубы, вентили, манжеты и др.

Фторопласт-3 - трубы, клапаны, штанги, защитные покрытия металлов, низкочастотные диэлектрические изделия.

Поливинилхлорид - уплотнители пневмо- и гидроситем, изоляция проводов, кабелей и др.

Полиформальдегид - зубчатые колёса, подшипники, клапаны и другие детали машин.

Полиметилметакрилат (оргстекло) - в авиастроении: стёкла вертолётов и др., светотехнические детали, линзы и т.п.

2. Реактопласты

Термореактивные материалы (реактопласты) при нагревании переходят в неплавкое, нерастворимое твёрдое состояние и необратимо утрачивают свойства плавиться. Это многокомпонентные материалы, в состав которых входят смолы, наполнители, пластификаторы, ускорители или замедлители, отвердители, красители, растворители. Основной компонент термореактивных пластмасс - смолы (высокомолекулярные органические соединения), вследствие чего реактопласты отличаются повышенной прочностью, способны работать при повышенных температурах до 350 °С.

Область применения реактопластов:

Порошковые - несиловые изделия электротехнического назначения: ремонт изношенных деталей путём заливки смолой.

Волокниты - детали общетехнического назначения, втулки, фланцы и т.п.

Асбоволокнит - тормозные устройства, кислотоупорные ванны, трубы и т.д.

Стекловолокнит - силовые электротехнические детали, детали машин: золотники, уплотнения и т.д.

Гетинакс - облицовка транспортных средств, вагонов, изготовление печатных схем в радиотехнике.

Текстолит - детали машин: корпусные, шестерни, подшипники и др.

Асботекстолит - Тормозные и фрикционные устройства, лопатки ротационных бензонасосов, детали теплозащиты и теплоизоляции.

ДСП - аналогично текстолитам.

Стеклотекстолит - крупные детали машин, применяемые в судо-, авиастроении и радиотехнике.

СВАМ - силовые изделия и несиловые изделия: корпуса, трубы, кожухи, ограждения и др.

Размещено на Allbest.ru