§ 7. СОСТАВ И СТРУКТУРА СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Как уже отмечалось, высокомолекулярные соединения состоят из
повторяющихся атомных групп мономеров, число которых в молекуле полимера
может колебаться от десятков до сотен и тысяч единиц. От числа атомных
групп зависит длина макромолекул полимера и соответственно изменяются
его физико-механические свойства. При увеличении числа атомных групп
(это называется степенью полимеризации) полимер из текучего (жидкого)
состояния переходит в вязкое (аморфное) и твердое (кристаллическое). Чем
больше число атомных групп, тем жестче полимер. Степень полимеризации
полимера зависит от технологии его изготовления — величины давления,
температуры, наличия и типа катализатора и т. д. Если в процессе синтеза
полимера не выделяется побочных продуктов реакции, а молекулы мономера в
неизмененном виде становятся звеньями молекулярной цепи полимера,
процесс синтеза называется полимеризацией и полученный полимер по своему
химическому составу не отличается от исходных мономеров. Процесс синтеза
полимера, при котором выделяются низкомолекулярные продукты (вода,
спирт, аммиак и т. п.), называется поликонденсацией. При этом в реакцию
могут вступать как одинаковые молекулы (процесс гомополиконденсации),
так и различные молекулы (процесс гетерополиконденсации), а звеньями
макромолекул полимера становятся продукты распада молекул мономеров.
Продуктом процесса гомополиконденсации можно назвать полиамидную смолу,
применяемую для изготовления капрона (волокон, тканей). Продуктом
процесса гетерополиконденсации являются большинство синтетических смол:
фенолоформальдегидные, мочевинофор-мальдегидные, эпоксидные,
полиуретановые, полиэфирные и др. Ярким примером зависимости свойств
полимера от его степени полимеризации служат полиэфирные смолы, которых
имеется три вида: алкидные, ненасыщенные и волокнообразующие. Алкидные —
жидкие, ненасыщенные полиэфиры — аморфные, а третий вид имеет
кристаллическую структуру, благодаря чему из них получают волокна (терилен,
лавсан). Многие полимеры обладают свойством изменять свое физическое
состояние в зависимости от различных факторов.
Физическое состояние и свойства пластмасс зависят от их макро-и
микростроения и состава. Известны три типа микроструктур полимерных
макромолекул (рис. 12): линейная (цепная), в которой каждое звено
связано валентными связями с двумя соседними звеньями макромолекулы;
разветвленная, имеющая локальные ответвления в виде небольших боковых
цепей, несоединенных друг с другом; сетчатая (объемная, или трехмерная),
представляющая собой пространственную систему линейных цепей, связанных
друг с другом по'перечными химическими связями.
Полученные таким образом чистые полимерные материалы используются для
изготовления конструкционных материалов — пластиков. Это композиционные
материалы на основе облагороженной древесины (древесные пластики и ДПМ)
и армированные пластмассы (стеклопла-стики, асбопластики, текстолиты,
армированные пленки и т. п.). Наибольший практический интерес
представляют древесные пластики и стеклопластики. Материалы из них
получили название композиционных, так как они многокомпонентны и состоят
из связующего и наполнителя, а также из различных добавок для придания
им специальных свойств. В качестве связующего используются разнообразные
синтетические смолы, а наполнителем служат древесные и стекловолокнистые
материалы. В древесных пластиках наполнителем служат тонкие древесные
листы (шпоны), а в стеклопластиках — стеклянные непрерывные нити,
рубленое волокно, ткани, стекложгуты, стеклорогожи и т. п.
Физико-механические свойства древесных пластиков и стеклопластиков
обусловлены свойствами составляющих их компонентов и зависят от их
макростроения, под которым подразумеваются схемы размещения наполнителя
(армирования) в связующей матрице. В зависимости от направления волокон
древесины в шпонах или расположения стеклонитей относительно расчетных
напряжений, возникающих в материале при его эксплуатации, различают
следующие схемы структур армирования (рис. 13): однонаправленная
структура (ОС), когда волокна ориентируются только вдоль расчетного
усилия; этим обеспечивается высокая прочность материала в заданном
направлении; продольно-поперечная структура (ППС), когда направления
волокон совпадают с направлениями расчетных напряжений; при этом
соотношение армирования в ортогональных направлениях может быть
различным (от 1 : 1 до 1 : 20 и более) в соответствии с напряженным
состоянием материала; косопоперечная структура (КПС), когда волокна
сориентированы под углом к векторам расчетных
напряжений; этим достигается лучшая работа материала на касательные
напряжения к плоскости листа; комбинированные структуры (КС),
обеспечивающие повышенную прочность материала в каком-либо направлении и
равно-прочность во всех направлениях (изотропный в плоскости материал);
равномерная структура (PC) на основе рубленого хаотично ориентированного
волокна; применяется только для получения стеклопластиков.
Пластики, как правило, многослойны. В стеклопластиках слои могут
армироваться по одной или по разным схемам структур. Кроме этого,
отдельные слои армирования могут быть выполнены с переплетением и без
переплетения нитей, от чего меняется текстура каждого слоя. Поэтому для
большей определенности стеклопластики дополнительно характеризуются
строением текстурных слоев. Могут быть такие текстуры: тканевая, когда в
качестве наполнителя используются стеклоткани; отечественной
промышленностью выпускаются разнообразные по свойствам и структуре
стеклоткани; строчная, в которой в качестве наполнителя используются
отдельные волокна или пряди и жгуты с различным количеством волокон и с
различным их переплетением; плетеная, когда в каждом слое волокна или
нити переплетены между собой различным образом; хаотичная — на основе
рубленого волокна.
При применении стекловолокнистых материалов армирование по той или иной
схеме может быть выполнено с переплетением отдельных слоев стеклянными
нитями — так называемое прошивное армирование. Тогда к обозначениям схем
добавляется индекс П (например ОС.П, ППС.П и т. д.).
Характер анизотропии механических свойств стеклопластика зависит от
относительного количества перекрещивающихся нитей в слое, а древесных
пластиков — от относительного количества перекрещивающихся волокон
древесины в шпонах. Для учета этого фактора вводится показатель
анизотропии, представляющий отношение числа нитей или площади сечения их
(или волокон древесины) i-го направления (например, вдоль расчетного
усилия) к общему числу нитей или их площади (площади волокон древесины)
в данном поперечном сечении материала.
Характеристикой макростроения стеклопластиков является процентное
содержание стекловолокна в общем объеме материала, от чего также
существенно зависят его механические свойства. В большой степени
свойства композиционных материалов зависят от толщины элементарных
слоев. Поэтому для них введен структурный показатель, представляющий
собой относительную толщину отдельных слоев по сравнению с толщиной
материала.
Кроме связующего и наполнителей в композиционных материалах Для придания
им тех или иных свойств могут присутствовать различные добавки: гипс,
сажа, цемент, красители и т. п.
Рис. 12. Микроструктура полимерных макромолекул:
а — цепная; б — разветвленная; в — сетчатая (объемная)
Рис. 13. Схемы армирования:
а — однонаправленная; б — продольно-поперечная; в — косоперекрестная; г
— комбинированная; д — равномерная на основе рубленого волокна