В технике полимеры нашли широкое применение в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов. В электро­изоляционной технике полимерные материалы являются одними из главенствующих. Они широко используются в производстве разно­образных по конструкции и назначению электрических конденсато­ров, проводов, кабелей и других изделий. На их основе получены также материалы, обладающие полупроводниковыми и магнитными свойствами, которые, однако, еще широко не вышли за пределы ла­бораторных испытаний.

По строению и особенностям свойств полимеры нельзя строго отнести к телам аморфным или кристаллическим, поскольку они облада­ют рядом качественных признаков, присущих только им: большой протяженностью молекул, их высокоасимметричностью, цепным строением и гибкостью. На основании этих признаков полимеры выделены в самостоятельный класс материалов. Молекулы полиме­ров – макромолекулы или молекулярные цепи, построены из много­кратно повторяющихся химических звеньев. Количество химических звеньев в макромолекуле определяет ее протяженность и называется степенью полимеризации (п).

Характерными особенностями молекул полимеров являются их большая молекулярная масса и размеры. В зависимости от формы и строения макромолекул полимеры могут быть линейными, разветвленными, сетчатыми (рис. 1.8). Звенья цепных макромолекул по составу могут быть полностью идентичны или разные.

Особенностью цепных молекул является их гибкость, которая обусловлена устойчивостью молекулы при поворотах отдельных частей (звеньев) молекулы относительно валентных связей, благодаря чему возможен переход молекулы из одной конформации (формы) в другую без разрушения связей между звеньями молекулы. Эта возможность реализуется благодаря специфическому характеру связей между частицами в полимерном теле. Между звеньями макромолекул и между атомами в звеньях существует ковалентный характер связи.

При оценке свойств полимерного материала необходимо учитывать две структурные единицы:

1) цепную макромолекулу;

2) звенья, из которых она построена.

Особенностью полимера является то, что эти единицы выступают в известной степени независимо друг от друга. Это является характерным только для полимерного материала и обусловливает возникновение своеобразного комплекса свойств этих материалов.

Ввиду малой подвижности макромолекул полимеры можно весьма легко переохладить до нормальной температуры без их кристаллизации. В этом случае они переходят в стеклообразное состояние.

Рис. 1.8. Строение макромолекул полимеров:

а – линейных; б – разветвленных; в – сетчатых

Релаксационными называются процессы перехода системы из неравновесного в равновесное состояние, они протекают во времени при воздействии на систему силового поля. Большие размеры и гибкость макромолекул, в первую очередь, оказывают чрезвычайно большое влияние на релаксационные процессы в полимерном материале.

За характеристику полимерного тела, находящегося под нагрузкой, принимают величину деформации, развивающуюся при данной температуре за определенное время и при заданном значении деформирующего напряжения.

График изменения деформации полимеров в зависимости от температуры при воздействии на систему силового поля называется термомеханической кривой. На рис. 1.9, а приведена термомеханическая кривая, характерная для некристаллических (аморфных) полимерных материалов. На рис. 1.9, б показано изменение модуля упругости для таких полимеров от изменения температуры.

Температуры Т_с и Т_т разделяют кривую на три части:

1) При Т < Т_с реализуется лишь тепловое движение атомов. Устранение деформирующей нагрузки практически моментально приводит к восстановлению исходного состояния и размеров тела. Рост нагрузки после достижения предельной упругой деформации приводит к хрупкому разрушению тела. Это происходит, когда температура ниже Т_k (см. рис. 1.9, б) или когда нагружение производится с большой скоростью. Такое поведение полимера соответствует стеклообразному состоянию материала (см. рис.1.9, а, б, состояние 1). Упругие деформации составляют 2…5 %.

2) Нагружение при Т > Т_с (см. рис. 1.9) происходит в условиях, когда подвижностью обладают звенья и сегменты молекул. Под действием напряжений, кроме упругой деформации, происходит выпрямление участков-сегментов макромолекул без того, чтобы молекула в целом переместилась в новое положение. Достигаемые деформации в этих условиях могут быть очень велики. Устранение деформирующей силы приводит к обратному скручиванию молекул и восстановлению размеров тела. Это происходит со скоростью, которая определяется временем релаксации этого процесса при данных условиях. Время релаксации этих процессов может быть весьма большим. Поведение линейного полимерного тела в таких условиях соответствует высокоэластичному состоянию полимера (см. рис. 1.9, а, состояние 3).

3) Деформация, когда Т > Т_т (рис. 1.9, а), происходит в условиях подвижного состояния целых макромолекул. Под нагрузкой макромолекулы перемещаются друг относительно друга. За счет этого достигается остаточная деформация, которая остается после устранения действующей нагрузки. Поведение полимера в этих условиях соответствует вязко-текучему состоянию (см. рис. 1.9, а, состояние 4).

Рис. 1.9. Термомеханическая кривая некристаллических полимеров (а) и зависимость модуля упругости от температуры для некристаллического полимера (б) (состояния:

1 – стеклообразное, 2 – переходное, 3 – высокоэластическое, 4 – вязкотекучее)

Температуры Т_с и Т_т являются важными характеристиками линейных полимеров. Каждому из этих состояний соответствует область технического применения полимеров. Например:

· производство волокон, конструкционных деталей требует полимеров в стеклообразном состоянии;

· резиновая промышленность – полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии в возможно более широком интервале температур.

Все процессы переработки полимеров требуют перевода их в текучее состояние, достигаемое либо повышением температуры, либо переводом полимера в раствор.

Пластмассами (пластиками) называются твердые, прочные и упругие материалы, получаемые на основе полимерных соединений. Чаще всего они формуются в изделия методами, основанными на использовании их пластических деформаций. Свойства полимеров, являющихся основой пластмасс, определяют свойства и технологический процесс производства пластмассовых изделий. При разработке технологического процесса следует учитывать влияние на полимеры воздействия теплоты. Пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные по реакции на теплоту.

К термопластичным пластмассам относятся пластмассы с линейной или разветвленной структурой полимеров, свойства которых обратимо изменяются при многократном нагревании и охлаждении.

Если в процессе термического воздействия возникают реакции химического связывания цепных молекул друг с другом с образованием полимера сетчатого строения (термоактивные пластмассы), то такие пластмассы не могут переходить в пластичное состояние при изменении температуры без нарушения их пространственных связей.

При изготовлении изделий из термореактивных пластмасс следует учитывать их большую усадку (10…18 %). Для снижения усадки и повышения механических свойств в состав пластмасс вводят наполнители, которые могут быть:

1) порошковыми (древесная мука, асбестовая мука, кварцевая мука и т.д.);

2) волокнистыми (хлопковые очесы, асбестовое волокно, стекловолокно);

3) листовыми (бумага, хлопчатобумажная ткань, стеклоткань, асбестовая ткань, древесный шпон).

Подбором наполнителей можно изменить и другие свойства пластмасс (коэффициент трения, электроизоляционные свойства, прочность, теплостойкость и т.п.). Для уменьшения возможной в процессе деформирования окислительной или термической деструкции в состав пластмасс вводят стабилизаторы, противоокислители.

Так как температура перехода в вязкотекучее состояние термопластичных полимеров обычно ниже температуры их термической деструкции, то основным и наиболее простым способом производства изделий из таких полимеров является пластическая деформация при повышенных температурах.

При создании комбинированных пластмасс (композитов) не обязательно, чтобы полимерные компоненты были термодинамически совместимы. Достаточно, если они будут «эксплуатационно совместимыми».

В зависимости от методов переработки пластмассы разделяются на литьевые (обычно термопласты), штамповочные (листовые термопласты), прессовочные (преимущественно термореактивные пластмассы).

По типу применяемых наполнителей пластмассы подразделяются на пресс-порошки, волокнистые (волокниты) и слоистые пластики.