Файл: Вуколов В.М. Детали из пластмасс в пневмогидравлических системах.pdf

ГЛАВА II

ПОЛИМЕРЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

ВАРМАТУРЕ ПНЕВМОГИДРОСИСТЕМ

§7. Особенности структуры полимера

Вэтом разделе даны краткие общие сведения о пластмассах, используемых в арматуре пневмогидросистем.

П л а с т м а с с а м и называются материалы органического и неорганического происхождения, в состав которых входят веще­ ства с большим молекулярным весом (высокомолекулярные), обладающие на определенной стадии переработки пластичностью и текучестью. Пластмассы состоят из собственного пластика (смолы), играющего роль связующего вещества, и наполнителя, вводимого с целью повышения физико-механических свойств изделия. Напол­ нителями служат волокнистые вещества (древесные опилки, бу­ мага, фанерный шпон, ткань, асбест, отходы хлопка и т. д.) или порошкообразные материалы; иногда пластмассы (например, по­ лиамиды) вообще не содержат наполнителя. В состав пластмасс могут входить также следующие вещества: 1) пластификаторы, понижающие температуру размягчения и повышающие пластич­ ность; 2) красители; 3) стабилизаторы, способствующие сохране­ нию пластиками основных свойств; 4) специальные вещества (например, светящиеся составы).

В качестве связующего материала чаще всего применяются синтетические смолы с молекулярным весом свыше 1000, реже — естественные смолы (пек, шелак и др.).

Характер применяемой смолы и наполнителей определяет основные свойства пластмасс: электроизоляционные, антифрик­ ционные, водостойкие, фрикционные и т. п. В зависимости от типа применяемой смолы все пластмассы делятся на две группы: термореактивные и термопластичные.

Т е р м о р е а к т и в н ы е пластмассы (реактопласты) под действием тепла и давления плавятся, текут, заполняя металли­ ческую пресс-форму для оформления изделия, а затем под дей­ ствием тех же факторов переходят в твердое неплавкое состояние. Для термореактивных пластмасс этот процесс необратим: однажды

42

переработанная в изделие термореактивная пластмасса вторично

действием тепла и давления заполняют форму и затвердевают в ней при охлаждении. Процесс этот может быть повторен.

Из всех видов пластмасс широкое применение в пневмогидравлических системах имеют полимеры. Исходные вещества, из которых образуются полимеры, представляют собой мономеры, т. е. состоят из простых молекул. В отличие от низкомолекуляр­ ных соединений, свойства которых в основном определяются их химическим составом, свойства полимеров, кроме химического состава, характеризуются их молекулярным весом, формой мо­ лекул, типом связей между молекулами, полидисперсностью. Особое влияние на свойства полимеров оказывает молекулярный вес, понятие которого в химии высокомолекулярных соединений резко отличается от понятия молекулярного веса низкомолекуляр­ ных соединений.

Молекулярный вес низкомолекулярных соединений — кон­ станта, характеризующая данное химическое соединение. Моле­ кулярный вес высокомолекулярных соединений является вели­ чиной среднестатической. Для характеристики высокомолекуляр­ ных соединений используют понятие среднего молекулярного веса. При повышении среднего молекулярного веса полимера до известного предела увеличивается механическая прочность, повышается эластичность и т. п.

Средний молекулярный вес не определяет всего комплекса свойств полимера. Такие свойства, как устойчивость к действию химических реагентов, высоких температур, диэлектрические свойства и др., зависят от химического строения полимеров, степени отверждения (защитности).

На свойства полимеров оказывает влияние и характер связи между элементарными звеньями макромолекул и их форма. Чем более вытянута и менее разветвлена макромолекула поли­ мера, тем выше вязкость, меньше растворимость полимера и больше его прочность. Свойства полимеров зависят и от строе­ ния, так как полимеры могут находиться в аморфном или кристал­ лическом состоянии или содержать аморфные и кристаллические фазы. Полимерам кристаллического строения свойственны более высокая температура плавления, механические и химические свойства.

Сырьевой базой для получения синтетических полимеров являются уголь, торф, нефть, попутные нефтяные газы, а также древесина и отходы сельского хозяйства. Производят эти продукты при коксовании каменных и бурых углей, при крекинге нефти и сухой перегонке дерева, при сбаживании и гидролизе отходов сельского хозяйства (кукурузные початки, солома), камыша. Эти материалы часто оказываются отходами основного производ­ ства.

43

Получают полимеры из особых исходных органических про­ дуктов — мономеров — химических соединений, отдельные мо­ лекулы которых благодаря наличию двойных или тройных связей способны соединяться между собой, образуя молекулы удвоенного (димер), утроенного (тример) или многократно увеличенного (полимер) молекулярного веса. Полимеры синтезируют двумя основными методами: полимеризацией и поликонденсацией.

П о л и м е р и з а ц и я в простейшем ее виде заключается в том, что молекулы мономеров соединяются между собой с обра­ зованием длинных цепочек молекул полимера. Если хотят ука­ зать, что молекулы полимера имеют очень большие относительно молекул мономера размеры, то продукты полимеризации назы­ вают высокополимерами. При полимеризации химический состав полимера соответствует химическому составу исходного мономера. Современное состояние химии высокополимеров позволяет полу­ чать полимеры с заданными свойствами или предопределять свойства получаемого полимера.

П о л и к о н д е н с а ц и я представляет собой химический процесс получения высокомолекулярных органических соеди­ нений — смол из различных низкомолекулярных исходных ве­ ществ, сопровождающийся отщеплением побочных продуктов (воды, спирта, хлористого водорода и т. д.).

Полимеры в зависимости от физико-механических характери­ стик могут служить конструкционным материалом при проекти­ ровании гидравлических и пневматических систем. Однако в пневмогидравлических системах высокого давления в качестве уплотнительных устройств рекомендуется применять полиэтилен, капролон, полиамид П-68, . полиформальдегид, полипропилен, фторопласт-4, ленту ФУМ, некоторые виды герметиков.

Выделение полимеров в отдельную группу веществ обуслов­ лено наличием у них ряда характерных свойств. Отличие поли­ меров от низкомолекулярных соединений особенно резко обнару­ живается в механических свойствах как их самих, так и их рас­ творов. Действительно, для твердых тел характерны большие прочности при очень малых величинах обратимых деформаций. Для жидкостей, наоборот, свойственна способность к неограни­ ченной деформации при отсутствии ощутимой прочности. Наряду с этим мы знаем ряд материалов, механические свойства которых являются сочетанием свойств твердых тел и жидкостей. Они прочны и способны к значительным обратимым (высокоэластичным) деформациям. Это очень многочисленная группа веществ, к кото­ рой относятся и полимеры.

Полимеры отличаются ярко выраженной способностью к обра­ зованию волокон и пленок, а их растворы — повышенной вяз­ костью.

Полимерные вещества состоят из очень больших линейных или разветвленных молекул, получивших название макромолекул; в ряде случаев весь образец полимера является единой простран­

44

ственной макромолекулой. В результате исследований молеку­ лярного строения частиц полимеров стало известно, что полимеры состоят из больших цепных молекул, образованных из многих химических групп (звеньев). Звенья могут быть одинаковыми и различными. Последние распадаются на два или большее коли­ чество типов. Цепные молекулы с различными химическими груп­ пами образуются из регулярно или нерегулярно чередующихся звеньев различных видов. По структурной схеме они делятся на

разветвленные и связанные в неправильные пространственные сетки.

Характерным для полимеров является наличие длинных мо­ лекул с резким различием характера связей вдоль цепи и между цепями. Особенно следует подчеркнуть отсутствие изолированных цепных молекул. Таким образом, молекула полимера всегда находится во взаимодействии с окружающей средой. Поэтому для характеристики полимера недостаточно указания типа связей вдоль цепи — необходимо еще иметь сведения о природе меж­ молекулярного взаимодействия. Нужно учитывать, что харак­ терные свойства полимеров могут быть реализованы только тогда, когда связи вдоль цепи намного прочнее поперечных свя­ зей, образующихся вследствие межмолекулярного взаимодей­ ствия любого происхождения [28].

Главная особенность любого полимерного вещества, опреде­ ляющая его физические свойства, состоит в наличии двух типов связей, резко отличающихся по своей природе и энергии. Атомы в цепи соединены химическими связями, энергия которых состав­ ляет сотни больших калорий, а сами цепи между собой объеди­ нены значительно более слабыми межмолекулярными силами [54].

Поскольку большинство высокомолекулярных веществ в обыч­ ных условиях можно считать с точки зрения фазового состояния жидкостями, остановимся несколько подробнее на различных формах аморфного состояния этих веществ. Аморфные высоко­ молекулярные вещества с линейными молекулами в зависимости от условий могут находиться в трех физических состояниях — стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Молекулярные силы, действующие между отдельными атомами

иих группами, препятствуют изменению формы макромолекул. На способность макромолекул перемещаться относительно друг друга сильно влияет температура, поскольку с повышением температуры увеличивается как вероятность тепловых толчков, так и их энергия. Поэтому с повышением температуры легче изме­ няется взаимное расположение соседних молекул или их участков

ичаще происходят акты перемещения. Иначе говоря, скорость перемещения макромолекул определяется соотношением энергии взаимодействия с энергией их теплового движения. При низких температурах, когда энергия теплового движения значительно ниже энергии взаимодействия макромолекул друг с другом, скорость перемещения становится ничтожно малой и молекуляр-

45

яые цепи не могут менять ни своей конформации, ни взаимного расположения. Так как в этом состоянии высокомолекулярные вещества сходны со стеклом, также имеющим аморфную струк­ туру и обладающим обычной упругостью, это состояние назы­ вается с т е к л о о б р а з н ы м .

При высоких температурах, когда энергия теплового движе­ ния велика по сравнению с энергией взаимодействия макромоле­ кул, возможно сравнительно легкое перемещение молекул отно­ сительно друг друга. В этих условиях высокомолекулярное веще­ ство под действием внешних сил способно течь, отчего это состоя­ ние называется в я з к о т е к у ч и м . Эта способность высоко­ молекулярных веществ используется в технике для формования

вого движения близка к энергии взаимодействия макромолекул, возможно изменение взаимного расположения отдельных частей молекулярных цепочек, но не макромолекул в целом, т. е. под влиянием внешней силы может происходить распрямление моле­ кул, но не сдвиг их по отношению друг к другу. В данном виде высокомолекулярные вещества способны проявляться каучуко­ подобную эластичность, от чего это состояние и названо высоко­ эластичным.

Таким образом, релаксационные явления, течение или эласти­ ческая деформация образца высокополимера, имеют тепловую природу. Причем переход от высокоэластического к стеклообраз­ ному состоянию высокомолекулярных веществ совершается в не­ котором температурном интервале. Также плавно совершается и переход от высокоэластического состояния к вязкотекучему. Кроме того, пределы температуры стеклования и текучести, могут изменяться и в зависимости от метода определения этих величин. Поэтому всегда надо указывать способ, которым пользовались при нахождении температур стеклования и текучести. Условно выбранная «средняя» температура перехода высокоэластического состояния в стеклообразное обычно называется температурой стеклования Тс.

Аналогично установленная температура перехода высокоэла­ стического состояния в вязкотекучее называется температурой текучести Т т. Так как в вязкотекучем состоянии становится возможным перемещение целых молекул по отношению друг к другу, температура текучести зависит от длины молекулы и тем больше, чем длиннее молекула или выше молекулярный вес этого вещества.

Высокомолекулярные материалы, обладающие высокой элас­ тичностью, проявляют это свойство в достаточно широком диапа­ зоне температур, причем обычные комнатные температуры лежат в пределах этого диапазона. Следовательно, у всех высокоэластичческих материалов, применяемых.в машиностроении, температуры стеклования должны лежать значительно выше комнатной тем­

46