§ 23. Полимерные материалы

Определения и обозначения

Полимерный материал — материал, основу которого составляют природные или синтетические полимеры. Полимер состоит из очень больших молекул — макромолекул, построенных из повторяющихся звеньев. Длина и форма цепей, а также их взаимодействие влияют на прочность, гибкость и другие свойства. Это определение помогает не сводить разнообразные материалы к одному виду пластмассы.

Пластмасса — материал на основе полимера, которому при изготовлении придают нужную форму формованием. Кроме полимерной основы в неё могут входить наполнители, красители и пластификаторы. Наполнитель способен менять прочность и стоимость, а пластификатор обычно делает материал более гибким. Поэтому свойства готовой пластмассы определяются не только самим полимером.

Термопластичный полимер — полимер, который при нагревании размягчается, а при охлаждении снова затвердевает. Изменение состояния происходит обратимо, если материал не разлагается и его состав не меняется. Благодаря этому изделие можно повторно нагреть и придать ему другую форму. Такое поведение удобно при формовании и переработке.

Реактопласт — полимерный материал, который после отверждения при нагревании повторно не размягчается. При отверждении между цепями возникают связи, образующие пространственную структуру. Она не позволяет макромолекулам свободно перемещаться, как в размягчённом термопласте. Поэтому реактопласт сохраняет форму при нагревании, но его нельзя переплавить обычным способом.

Как это устроено

Свойства материала начинаются со строения его макромолекул. Длинные цепи могут перепутываться, а силы притяжения между ними затрудняют взаимное перемещение; чем сложнее цепям сдвинуться относительно друг друга, тем труднее растянуть или разрушить материал. Если цепи могут менять положение, материал легче деформируется и может быть гибким. Поэтому один и тот же общий класс веществ включает и жёсткие, и эластичные материалы.

Добавки нужны, чтобы приспособить полимер к конкретному изделию. Наполнители вводят для изменения прочности, жёсткости, массы или стоимости, а красители — чтобы получить нужный цвет. Пластификаторы уменьшают жёсткость материала и облегчают его формование, потому что повышают подвижность полимерных цепей. Действие добавок зависит от их состава и количества: они не обязательно улучшают все характеристики одновременно.

Разница между термопластами и реактопластами объясняется тем, как связаны их макромолекулы. В термопластах при нагревании ослабевает взаимодействие между цепями, и они получают возможность перемещаться; при охлаждении подвижность уменьшается, материал твердеет. В реактопластах отверждение создаёт связи между цепями и закрепляет их в общей пространственной сетке. Поэтому нагревание не возвращает такой материал в текучее состояние, а при чрезмерной температуре он может разрушаться.

Волокна получают так, чтобы полимерные цепи были вытянуты и ориентированы вдоль нити. Такое расположение помогает материалу выдерживать растяжение, поэтому из волокон делают нити, ткани, канаты и другие изделия. Резиновые материалы, напротив, должны заметно растягиваться и затем возвращаться к исходной форме. Эластичность возникает благодаря строению полимера и обработке, которая не даёт цепям разойтись необратимо при деформации.

Полимерные материалы удобны, потому что многие из них имеют небольшую массу, не подвержены обычной коррозии и легко принимают сложную форму. Эти свойства позволяют производить детали для техники, быта и строительства. Но прочность и химическая стойкость зависят от конкретного полимера: некоторые вещества или условия могут его повреждать. Долговечность полезна для изделия, но после выбрасывания она затрудняет исчезновение отходов, поэтому важны раздельный сбор и переработка.

Виды полимерных материалов: свойства и применение

В таблице сравниваются материалы по строению или способу обработки, характерным свойствам и примерам использования. Сначала определите, какие условия важны для изделия: нагревание, растяжение, требуемая прочность или масса. Затем сопоставьте требования с особенностями материала; конкретные характеристики могут различаться у разных полимеров одного вида.

Разбор задач

Задача 1. Определите тип материала, который размягчается при нагревании и снова затвердевает при охлаждении. Нужно распознать не название конкретного изделия, а характерное поведение полимера. Важно проверить, обратимо ли изменение формы при обычном нагревании и охлаждении.

1. Сопоставляем условие с признаком термопластичного полимера: он размягчается при нагревании.
2. Проверяем вторую часть описания: после охлаждения он снова твердеет, то есть изменение обратимо.
3. Отличаем это поведение от реактопласта, который после отверждения не переходит при нагревании в текучее состояние.

Ответ: материал относится к термопластам. Его можно повторно нагревать и формовать, если при этом полимер не разлагается и не загрязнён.

Задача 2. Объясните, почему изделие из отверждённого реактопласта нельзя повторно расплавить и сформовать. В условии важен термин «отверждённый»: материал уже прошёл превращение, которое изменило связи между макромолекулами. Нужно связать это строение с поведением при нагревании.

1. При отверждении между цепями возникают дополнительные связи.
2. Они соединяют цепи в общую пространственную структуру и не дают им свободно перемещаться при нагревании.
3. Поэтому материал не становится текучим, как термопласт; при слишком сильном нагревании он может разрушиться вместо плавления.

Ответ: отверждённый реактопласт нельзя обычным нагреванием вернуть в состояние, пригодное для повторного формования, потому что его макромолекулы связаны в пространственную сетку.

Задача 3. Для лёгкого коррозионно-стойкого корпуса и прочной нити подберите виды полимерных материалов. При выборе корпуса нужно учитывать массу, возможность придать изделию форму и устойчивость к коррозии. Для нити главное требование — выдерживать растяжение, поэтому одинаковый материал необязательно подойдёт для обоих изделий.

1. Для корпуса выбираем пластмассу: многие пластмассы лёгкие, не ржавеют и могут формоваться в детали сложной формы.
2. Уточняем, что химическая стойкость не универсальна: пластмассу нужно подобрать с учётом веществ и температур, с которыми будет контактировать корпус.
3. Для нити выбираем волокно, поскольку ориентированные вдоль нити полимерные цепи помогают ей выдерживать растяжение.

Ответ: для корпуса подходит пластмасса с подходящей стойкостью к рабочей среде, для прочной нити — полимерное волокно. Выбор конкретного материала зависит от нагрузки и условий использования.

Типичные ошибки

Ошибка — считать все полимерные материалы пластмассами. Так думают, потому что пластмассы часто встречаются в быту и заметны вокруг нас, но полимерными материалами также являются волокна и резиновые изделия. Проверьте себя: если материал представляет собой нить или эластичное изделие, он не обязательно относится к пластмассам. Ориентируйтесь на вид материала и его назначение, а не только на полимерный состав.

Ошибка — путать термопласты и реактопласты. Оба материала могут нагреваться при изготовлении, поэтому различие легко упустить, если не учитывать, что происходит после отверждения. Проверьте себя по обратимости: термопласт размягчается и снова твердеет, а отверждённый реактопласт повторно не плавится. Не следует считать, что любой полимер при нагревании обязательно станет текучим.

Ошибка — объяснять свойства изделия только полимерной основой. Добавки могут менять гибкость, прочность, цвет и другие характеристики, поэтому изделия из одного полимера способны заметно различаться. Это заблуждение возникает, когда состав материала представляют как одно вещество. Проверьте себя: выясните, есть ли в составе пластификатор или наполнитель и какую функцию он выполняет.

Ошибка — считать химическую стойкость полимеров безусловным преимуществом. Полимеры действительно не ржавеют, как многие металлы, но отдельные вещества и условия могут их разрушать. Обобщение появляется из-за смешения устойчивости к коррозии с устойчивостью ко всем воздействиям. Проверьте себя: уточните, о каком полимере и какой среде идёт речь, а не делайте вывод обо всём классе материалов.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что полимеры состоят из макромолекул с повторяющимися звеньями, и уметь связывать строение вещества с его свойствами. Эти знания пригодятся при изучении полимеризации и поликонденсации: способы получения помогают объяснить состав полимеров. Практическое применение органических веществ показывает, почему один материал выбирают для волокна, а другой — для корпуса. Тема также связана с переработкой отходов и экологическими последствиями использования долговечных полимеров.

Что запомнить

• Свойства полимерного материала зависят от строения полимера и состава добавок.
• Термопласты размягчаются при нагревании и могут формоваться повторно.
• Отверждённые реактопласты нельзя повторно расплавить и сформовать.
• Полимерные материалы используют для изготовления пластмасс, волокон и резиновых изделий.
• Выбор материала определяется требованиями к прочности, массе, эластичности и устойчивости изделия.
• Долговечность полимеров делает важными их сбор и переработку после использования.