НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Кроме металлов для изготовления различных технических изделий в настоящее время используют разные не металлические материалы:

· Полимеры

· Неорганическое стекло

· Ситалл

· Керамика: углеродная, графитовая, сверхтвердая, пористая, порошковая

· Композиционные материалы и др.

Полимеры - высокомолекулярные вещества с очень большой молекулярной массой (10⁵ – 10⁷)

Основа структуры полимеров – макромолекулы.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоит из атомов, соединённых между собой химическими связями.

Число атомов в молекулах – от 2 до 100 и до 1000. Наиболее общие характеристики молекул – молекулярная масса, состав и структурная формула, которая указывает последовательность химических связей.

Макромолекула (молекулярный полимер вещества) – состоит из 1000 и более повторяющихся единиц (одинаковые или близкие по строению группы атомов)

Химическое строение макромолекулы практически соответствует химическому строению структурной единицы.

Элементы макромолекулы – основная цепь, составное звено, боковые группы.

Основная цепь полимера – последовательность химически связанных атомов, длина которой значительно превосходит длину боковых групп.

Составное звено – выделяемая группа атомов, с помощью которой можно описывать строение всей цепи макромолекул. Если число составных звеньев в макромолекулы ПМ:

Боковые группы (радикалы)

· Могут быть атомы (водород, галогены);

· Группы атомов (-ОН; -СN; - С₆Н₅ и т.д.);

· Отрезки полимерных молекул, разной длины

Боковые группы могут располагаться вдоль основной цепи беспорядочно или иметь упорядоченную расстановку. Таки полимеры называются регулярными.

Полимер- вещество, которое характеризуется многократным повторением одного или более составных звеньев, которые соединены между собой в количестве достаточном для проявления комплекса свойств, который остается практически неизменным при добавлении или удалении одного, или нескольких составных звеньев.

Схема №1. Строение полимерной макромолекулы полимера.

По химическому составу основной цепи полимеры делят на:

· Органические

· Элементорганические

· Неорганические

В органических полимерах (карбоцетных), например, каучуках, основная цепь образованна углеродными атомами. Кроме –С, в ней могут быть атомы: -О, -Р, -F, -Сl, -S.

Атомы –О – способствуют гибкости цепи.

-Р, -Сl – повышают огнестойкость.

-F – высокая химическая стойкость.

-S – предаёт газонепроницаемость.

Элементоорганические (гетероцепные) полимеры, кроме –С содержат в основной цепи атомы не органических элементов (кремний, титан, алюминий и т.д.), которые сочетаются с органическими радикалами: - СН₃, - С₆Н₅, - СН₂. И т.д. Неорганические атомы в основной цепи существенно влияют на свойства полимеров: увеличивают теплостойкость и т.д. Органические радикалы в таких элементах придают материалу прочность и эластичность. В природе элементорганические полимеры не встречаются – их получают искусственным путём (пример: кремнийорганические соединения).

Неорганические полимеры - полимеры, в основной цепи которых нет атомов –С, а также они не имеют боковых органических групп. Их основная цепь состоит из оксидов кремния, алюминия, магния, кальция и т.д. Исключение – некоторые модификации –С, которые представляют собой карбоцетные неорганические полимеры (графит). Неорганические полимеры имеют большую плотность и высокую длительную теплостойкость. Не существуют в высокоэластичном состоянии. Хрупкие, плохо переносят динамические нагрузки. Могут иметь природное происхождение (асбест) или искусственное (керамика).

Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по хим. Составу составных звеньев – мономеры. Или разных – сополимеры. Для многих синтетических сополимеров характерно случайное распределение звеньев.

ВНУТРИ- И МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ПОЛИМЕРАХ.

Способность элемента к образованию полимеров связанна с его положением в периодической таблице и зависит от величины энергии связи между атомами данного химического элемента.

Если энергия связи будет меньше 155 кДж/моль – полимер не образуется. Так как макромолекулы разрушаются при комнатной температуре в результате термической деструкции. Гомоцентные полимеры, состоящие из однотипных звеньев, могут образовывать химические элементы, которые находятся в периодической системе между металлами и низкомолекулярными веществами. Это бор, углерод, кремний, фосфор, сера, германий, мышьяк, селен, олово, сурьма, теллур, висмут, полоний.

Таблица № 1 Энергии связей одинаковых химических элементов

С увеличением энергии связи возрастает способность к образованию больших макромолекул. Поэтому (С-С имеет набольшую связь) карбоцетные полимеры составляют наиболее многочисленный класс высокомолекулярных соединений. В таких полимерах основная цепь макромолекулы состоит из –С, которые связаны ковалентными связями.

По строению основного звена макромолекул, карбоцетные полимеры делят на:

1. Полимеры с линейными звеньями. Их рассматривают как производные макромолекул с полиметильной цепью: -СН₂-СН₂-… К ним относятся:

1. Полиэтилен (ПЭ) -СН₂-СН₂-…;

2. Поливинилхлорид (ПВХ) -СН₂-CH-Cl-…;

3. Полистирол …-СН₂-CH(C₆H₅)-… и др.

2. Полимеры с циклами в звеньях (циклоцепные):

1. с циклами в звене (бензольными и т.д.);

2. с конденсированными звеньями лестничной структуры.

Конденсированные звенья – звенья, в которых 2 и более колец имеют общие атомы.

3. с конденсируемыми звеньями паркетной структуры.

Рис. 1 Строение циклоцентных полимеров.

В гетероцентных полимерах энергия связи между атомами разных химических элементов во многих случаях больше, чем между атомами одного элемента.

Таблица №2 Энергия связи между разными химическими элементами.

Гетероцентные полимеры- в основной цепи содержат атомы –О, -N, и др. Стабильность связи в полимерах с неорганическими цепями макромолекул тем выше, чем меньше ионность таких связей. Ионность связи можно определить по данным элекроотрицательности элементов. Если разность в электроотрицательности составит 1,9, то такая связь на 50% имеет ионный характер. Если разность меньше 1,9, то связь преимущественно ковалентная.

По строению основного звена макромолекул гетероцентных полимеров так же делят на полимеры с линейными звеньями и включенные циклы в звене

В макромолекулах реализуются следующие виды связей

1) ковалентная и водородная между атомами основной цепи

2) Вандерваальсное соединение или же силами Ван-дер-Ваальса – между атомами основной цепи и боковыми группами; между макромолекулами в целом.

Межмолекулярное взаимодействие

Между макромолекулами действуют более слабые силы, межмолекулярные не химические взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса). Суммарная энергия такого взаимодействия складывается из энергии дисперсного ориентационного и индукционного взаимодействия.

Величина энергии связи (Е_св) составляет 42;21;2,1 кДЖ/моль, т.е. значительно меньше энергии ковалентной (Е_ков) связей, действующих в основной цепи макромолекул.

Вклад каждого вида взаимодействия в суммарную величину сил Ван-дер-Ваальса зависит от природы полимера. У полимера со слабыми полярными макромолекулами основными силами будут силы дисперсного взаимодействия.

С увеличением полярности макромолекул все больше значения преобладает силы ориентационного взаимодействия. В ряде полимеров: целлюлоза, полиамиды и т.д. могут образовываться водородные связи между двумя электроотрицательными атомами (N,O,F) и возникают через водородный атом.

Е_св водорода 17:- 50 кДж/моль

Она больше сил Ван-дер-Ваальса.

Поэтому полимеры с Н-Н (водородной связью) имеют более высокие физические свойства. Меры интенсивности межмолекулярного взаимодействия полимеров определяется плотностью энергии Когезии: Дж/см³. Она равна работе удаления взаимодействующих молекул на бесконечно большое расстояние друг от друга. В зависимости от интенсивности межмолекулярного взаимодействия и гибкости макромолекул, все полимеры делятся на эластомеры, пластические массы, волокна.

Эластомеры - это полимеры со слабым межмолекулярным взаимодействием и плотностью энергии Когезии менее 320 Дж/см³

Пластические массы - это полимеры с межмолекулярным взаимодействием с плотностью энергии Когезии менее 320:- 420 Дж/см³

Волокна - это полимеры с плотностью энергии Когезии менее 480:-1000 Дж/см³

Некоторые полимеры занимают промежуточное положение и могут использоваться как пластические массы и волокна, или эластомеры и пластические массы.

Таблица № 3 Виды материалов на основе разных полимеров

Полимеры, из статистического характера большинства процессов их синтеза, состоят из макромолекул разной длины и с разной молекулярной связью. Т.Е. являются веществами полимолекулярными, полидисперсными. Полидисперсные полимеры описываются в функциях молекулярно-массового распределения, т.е. чем сильнее различаются по молекулярной массе отдельные макромолекулы полимера, тем больше его полидисперсность и шире молекулярно-массовое распределение.

В зависимости от типа полимера, условий его использования, его эксплуатации – изменяют широту молекулярно-массового распределения.

Пример: эластомеры – стремятся получить широкое распределение

Волокна- более узкое.

ЛЕКЦИЯ II.