Полимеры и полиуретаны компазиционных материалов

Федеральное государственное  образовательное учреждение

высшего профессионального  образования 

«Ижевский государственный  технический университет имени  М.Т.Калашникова»

(ФГБО ВПО «ИжГТУ  имени М.Т.Калашникова»)

Кафедра «                     »

Задание 1.

Вариант 8.

Выполнил                                                                                      

                                                                                                  

Проверил                                                                                  

Ижевск 2013

 

Содержание

Задание                                                                                                 3

1.Полимеры                                                                                         4

2.Полиамидные компоненты                                                           5

3.Полиуретановые компоненты                                                      7

4.Характеристики полимеров                                                           9

5.Определение вязкости                                                                     12

6.Полимерные связующие                                                                 14

7.Определение  индекса текучести расплава                                  15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 1.

Полимеры. Полиамидные  и полиуретановые компоненты этих полимеров. Характеристики этих полимеров.  Определение  вязкости. Полимерные связующие. Определение  индекса текучести расплава.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ПОЛИМЕ́РЫ (от поли... и греч. meros — доля, часть), вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев; молекулярная масса полимеров может изменяться от нескольких тысяч до многих миллионов. По происхождению полимеры делят на природные, или биополимеры (напр., белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук), и синтетические (напр., полиэтилен, полиамиды, эпоксидные смолы), получаемые методами полимеризации и поликонденсации. По форме молекул различают линейные, разветвленные и сетчатые полимеры, по природе — органические, элементоорганические, неорганические полимеры. Для линейных и разветвленных полимеров характерен комплекс специфических свойств, напр. способность образовывать анизотропные волокна и пленки, а также существовать в высокоэластичном состоянии. Полимеры — основа пластмасс, химических волокон, резины, лакокрасочных материалов, клеев, ионитов. Из биополимеров построены клетки всех живых организмов. Термин «полимеры введен Й. Я. Берцелиусом в 1833.

ПОЛИМЕ́РЫ (от греч. polymeros —  состоящий из многих частей, многообразный), вещества, молекулы которых (см. Макромолекулы) состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев — мономеров. Молекулярная масса полимеров достигает 106, а геометрические размеры молекул  могут быть настолько велики, что  растворы этих веществ по свойствам  приближаются к коллоидным системам. Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных  и (или) координационных валентностей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Полиамиды – синтетические термопластичные полимеры конструкционного назначения. К конструкционным или инженерно-техническим полимерам принято относить те полимерные материалы, которые обеспечивают работоспособность деталей при повышенных механических и тепловых нагрузках, имеют высокие электроизоляционные характеристики и доступные цены: полиамиды, полиформальдегид, полибутилентерефталат, полиэтилентерефталат, поликарбонат, АБС-пластики. Полиамиды – наиболее востребованные среди них.

 Отличительной чертой  полиамидов является наличие  в основной молекулярной цепи  повторяющейся амидной группы  –C(O)–NH–. Различают алифатические  и ароматические полиамиды. Известны  полиамиды, содержащие в основной  цепи как алифатические, так  и ароматические фрагменты. 

 Обычное обозначение  полиамидов на российском рынке  ПА или PA. В названиях алифатических  полиамидов после слова «полиамид»  ставят цифры, обозначающие число  атомов углерода в веществах,  использованных для синтеза полиамида.  Так, полиамид на основе ε-капролактама  называется полиамидом-6 или PA 6. Полиамид  на основе гексаметилендиамина  и адипиновой кислоты – полиамидом-6,6 или PA 66 (первая цифра показывает  число атомов углерода в диамине,  вторая – в дикарбоновой кислоте). Помимо обычных обозначений для  полиамидов могут использоваться  и названия торговых марок:  капрон, нейлон, анид, капролон, силон,  перлон, рильсан.

 Из всего многообразия  полиамидов наибольшее промышленное  значение имеют:

PA 6 – Полиамид 6, поликапроамид,  капрон;

PA 66 – Полиамид 66, полигексаметиленадипамид;

PA 610 – Полиамид 610, полигексаметиленсебацинамид;

PA 612 – Полиамид 612;

PA 11 – Полиамид 11, полиундеканамид;

PA 12 – Полиамид 12, полидодеканамид; 

PA 46 – Полиамид 46;

PA 69 – Полиамид 69;

PA 6/66 (PA 6.66) – Полиамид 6/66 (сополимер);

PA 6/66/610 – Полиамид 6/66/610 (сополимер).

 Широкое применение  находят и стеклонаполненные  полиамиды, представляющие собой  композиционные материалы, состоящие  из полиамидов, наполненных короткими  отрезками комплексных стеклянных  нитей, выпускаемые в виде гранул  неправильной цилиндрической формы.

 В зависимости от  марки применяемого полиамида  и длины стеклянной нити в  грануле, стеклонаполненные полиамиды  выпускаются следующих марок:

 ПА 6-СВ-30, ПА 6-12-КС, ПА 6-210-КС, ПА 6-211-КС, ПА 6-130-КС

 Обозначение марок  стеклонаполненных полиамидов состоит  из:

 наименование материала  «полиамид» – ПА;

 краткого цифрового  обозначения марки исходного  полиамида: 6, 6-210, 6-211, 6-130, 6-12;

 КС (ДС) – условное  обозначение длины гранулы: КС  – до 5 мм, ДС – от 5 до 7,5 мм;

 СВ-30 – процентное  содержание наполнителя.

 При выпуске модифицированного  материала тип модификатора указывается  в скобках после обозначения  марки.

 Пример условного обозначения  полиамида стеклонаполненного первого  сорта на основе полиамида  марки 6-210 наполненного короткими  отрезками стеклянных нитей: Полиамид  Стеклонаполненный ПА6-210-КС, СОРТ 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

3.ПОЛИУРЕТАНЫ- гетероцепные полимеры, содержащие незамещенные и(или) замещенные уретановые группы —N(R)—С(О)О— (R = Н, алкил, арил или ацил). Кол-во уретановых групп зависит от мол. массы полиуретана и соотношения исходных компонентов. В зависимости от природы последних в макромолекулах полиуретанов могут содержаться и др. функц. группы: простые эфирные и сложноэфирные (полиэфир-уретаны), мочевинные (полиуретанмочевины), изоциан-уратные (полиуретанизоцианураты), амидные (поли-амидоуретаны), двойные связи (полидиенуретаны), к-рые наряду с уретановой группой определяют комплекс св-в полимеров. Известны линейные и сетчатые полиуретаны, а также уретансодержащие взаимопроникающие полимерные сетки и уретанфункцион. олигомеры.

Получение. Осн. традиц. способ синтеза полиуретанов, используемый в пром-сти,-взаимод. соединений, содержащих изоцианат-ные группы, с би- и полифункцион. гидроксилсодержащими производными:

R-алкилен, арилен; R'-алкилен,  остаток олигогликолей, полиэфиров

При эквимолярном соотношении  двух бифункцион. компонентов синтеза  образуются линейные полиуретаны. Однако получение полиуретанов, не содержащих поперечных связей, не представляется возможным из-за высокой реакц. способности  изоцианатной группы по отношению к  любым соед. и группам, содержащим активный атом водорода (вода в компонентах  и окружающей среде, уретановые группы в образующейся цепи). Поэтому т. наз. линейные полиуретаны следует  рассматривать как слаборазветвленные полимеры.

Сетчатые полиуретаны  получаются в след. случаях: 1) по крайней  мере один из компонентов синтеза  имеет функциональность более двух (образуются уретановые поперечные связи); 2) наряду с двумя основными компонентами синтеза используют агенты удлинения  и структурирования (строение хим. поперечных связей определяется природой агентов  структурирования: в случае триодов  образуются уретановые группы, в присут. воды, диаминов - биуретовые, карбоксилсодер-жащих  соед.- амидные, серы - полисульфидные); 3) в макромолекулы полиуретанов в ходе синтеза вводят функц. группы, содержащие активный атом водорода, напр. мочевинные, и используют изоцианатный компонент в избытке по отношению  к гидроксилсодержащему (биуретовые поперечные связи); 4) проводят циклотримеризацию изоцианатных групп в присут. специфич. катализаторов, в результате чего образуется узел сшивания - изоциануратный цикл.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Важнейшие характеристики  полимеров — химический состав, молекулярная масса ММ и молекулярно-массовое распределение ММР, степень разветвленности и гибкости макромолекул, стереорегулярность (см. Стереорегулярные полимеры) и др. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

Количество химических звеньев  в макромолекуле определяет ее протяженность  и называется степенью полимеризации n. Например, молекула полиэтилена (-СН2-СН2-)n состоит из n химических звеньев  этилена СН2=СН2. Произведение молекулярной массы М химического звена  на степень полимеризации представляет собой молекулярную массу ММ макромолекулы. В зависимости от значений М и n молекулярная масса полимеров может  изменяться в весьма широких пределах от 3.102 до 2.106 единиц.

В зависимости от величины молекулярной массы макромолекул одного и того полимера условно различают:

Мономер — низкомолекулярный исходный продукт;

Олигомеры — полимеры с  ММ < 540, представляют собой низкомолекулярный  продукт полимеризации или поликонденсации. Свойства олигомеров существенно зависят  от молекулярной массы и, следовательно, от степени полимеризации.

Полимеры имеют молекулярную массу 5.103 < ММ < 5.105. К этой группе принадлежит абсолютное большинство  разновидностей полимеров. Свойства полимеров  от числа мономерных звеньев в  цепи зависят значительно меньше, чем у олигомеров.

Сверхвысокомолекулярные полимеры имеют ММ > 5.105.

Молекулярный уровень  характеризует химическое строение макромолекул, в целом определяемое химической природой мономерных звеньев и типами межмономерных связей.

В отличие от простых веществ  полимер состоит из множества  макромолекул, молекулярная масса которых  различается. Поэтому полимеры характеризуются  средним значением ММ. Т. е. полимер  полимолекулярен. В связи с этим при описании физико-химических свойств  полимеров значение их молекулярной массы дается в сравнительно широких  пределах. Так, например, для полиэтилена  низкой плотности приводятся значения (1,9-4,8).104. Молекулярно-массовое распределение (ММР) отражает неоднородность полимера по размерам цепей и, следовательно, по молекулярной массе составляющих его макромолекул. Чем ближе ММР к единице, тем однороднее по величине молекулы полимера.

Основные физические параметры  полимеров (прочность, теплопроводность, дилатометрические характеристики, характеристические температуры) практически  не зависят от молекулярной массы. Молекулярная масса полимеров влияет на реологические  показатели их расплавов, на термодеформационные  и ряд эксплуатационных свойств. Кроме того, она существенно зависит  от способа получения полимеров, то есть от оборудования и технологии их синтеза.

По строению макромолекулы  подразделяются на линейные, схематически обозначаемые -А-А-А-А-А-, (например, каучук натуральный); разветвленные, имеющие  боковые ответвления (например, амилопектин); и сетчатые или сшитые, если соседние макромолекулы соединены поперечными  химическими связями (например, отвержденные эпоксидные смолы). Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластическим деформациям.

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие  из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные  волокна и пленки, способность  к большим, длительно развивающимся  обратимым деформациям, способность  в высокоэластическом состоянии  набухать перед растворением; высокая  вязкость растворов. Этот комплекс свойств  обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул.

Полимеры, молекулы которых  состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами, например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза. Полимеры, макромолекулы которых  содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные  последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы  одного химического строения могут  быть присоединены одна или несколько  цепей другого строения. Полимеры, в которых каждый или некоторые  стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.

Физическая организация  макромолекул полимеров формирует  важнейшие понятия, определяющие доминантные  особенности полимеров, а именно термопластичность и термореактивностъ.

Полимеры линейные и разветвленные  образуют класс термопластических  полимеров или термопластов, а  пространственные — класс термореактивных  полимеров или реактопластов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ВЯЗКОСТИ.

Вязкость является одним  из важнейших свойств полимеров. В соответствии с наиболее популярным определением, вязкость – это свойство жидкости сопротивляться ее движению, т.е. вязкость полимеров зависит  от строения молекул полимера, межмолекулярных  связей, скорости сдвига и свойств  различных наполнителей, которые  могут входить в состав полимера. Для всех видов полимеров различают  динамическую и кинематическую вязкость, которая связана с молекулярно-массовыми  характеристиками материала.

В настоящее время существует множество теорий и зависимостей для определения вязкости полимеров, но, чаще всего, для определения вязкости конкретного полимерного материала  необходимо проводить целый ряд  измерений, на основе которых выводится  аналитическая зависимость или  строится таблица вязкости. Как правило, вязкость полимеров представляется в виде таблицы, где ее значения приведены в зависимости от температуры.

Понятие вязкости полимера часто применяют при разработке экструзионных головок для агрегатов, предназначенных для получения  полимерных материалов. В случае если для изготовления полимеров используются вещества с различной вязкостью, для однородного смешения пластической массы необходимо добавление смазок или низкомолекулярных компонентов, что ведет к снижению давления в канале и получению полимерного  материала с равномерной структурой.

Еще одним параметром, который  используется для описания свойств  полимеров, является характеристическая вязкость. Под характеристической вязкостью  понимаются изменения вязкости раствора при добавлении в него полимера. Характеристическая вязкость вычисляется  с помощью метода экстраполяции  на основе данных, полученных в результате вискозиметрии при нулевой концентрации полимера.

Характеристическая вязкость полимера рассматривается для предельного  разбавленного раствора, в котором  отсутствует взаимодействие между  макромолекулами, фактически, характеристическая вязкость полимера связана только с  вращательным движением молекулы в  потоке, а также упруго-вязкими  деформациями, которые могут происходить  с молекулами полимера.

Рост характеристической вязкости полимера зависит от целого ряда параметров, включая тип полимера и тип растворителя. Измерения  характеристической вязкости полимеров позволяет судить как о гибкости макромолекул, так и о взаимодействие полимера с низкомолекулярными растворителями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.ПОЛИМЕРНЫЕ СВЕЗУЮЩИЕ.

Полимерные связующие  — это синтетические или природные  органические вещества, способные самопроизвольно  или под действием различных  факторов (веществ-отвердителей, температуры  и др.) переходить из жидкого состояния  в твердое, и как в жидком состоянии, так и после отвердевания имеющих  хорошую адгезию к другим материалам. Полимерные связующие в исходном состоянии могут быть высокомолекулярными  веществами, веществами со средней  молекулярной массой (в пределах 100...1000) — так называемыми олигомерами  или низкомолекулярными мономерными  веществами. Однако все они в процессе отвердевания переходят в высокомолекулярные полимерные вещества.

Основной вид полимерных связующих — синтетические полимеры, получаемые из низкомолекулярных продуктов (мономеров) полимеризацией или поликонденсацией. Среди синтетических полимеров  отдельную группу составляют каучуки  и каучукоподобные полимеры, характеризующиеся  очень большой деформативностью и высокозластичными свойствами, из-за чего их называют эластомерами.

Природные смолы и высокомолекулярные вещества применяют как в естественном состоянии, так и после химической модификации, придающей им необходимые  свойства — модифицированные природные  полимеры.

В зависимости от отношения  к нагреванию и потенциальной  способности к укрупнению (сшивке) молекул различают термопластичные  и термореактивные полимерные вещества.

Термопластичные вещества при  нагревании переходят из твердого состояния  в жидкое (плавятся), а при охлаждении вновь затвердевают, причем такие  переходы могут повторяться много  раз. Термопластичность объясняется  линейным строением молекул, их химической инертностью и довольно слабым межмолекулярным  взаимодействием.

 

 

 

 

 

7.ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ИНДЕКСА ТЕКУЧЕСТИ РАСПЛАВА.

Показатель текучести  расплава полимерного материала это масса полимера в граммах, выдавливаемая через капилляр при определенной температуре и определенном перепаде давления за 10 минут. Определение величины показателя текучести расплава производят на специальных приборах, называемыхкапиллярными вискозиметрами. При этом размеры капилляра стандартизованы: длина 8,000+0,025 мм; диаметр 2,095+0,005 мм; внутренний диаметр цилиндра вискозиметра составляет 9,54+0,016 мм. Не целочисленные значения размеров капилляров связанны с тем, что впервые методика определения показателя текучести расплава появилась в странах с английской системой мер.

Условия, рекомендуемые для  определения показателя текучести  расплава, регламентируются соответствующими стандартами. ГОСТ 11645-65 рекомендует  нагрузки 2,16 кг, 5 кг и 10 кг и температуры, кратные 10°C. ASTM 1238-62T (США) рекомендует  температуры от 125°C до 275°C и нагрузки от 0,325 кг до 21,6 кг. Наиболее часто показатель текучести расплава определяют при  температуре 190°C и нагрузке 2,16 кг.

Величина показателя текучести  для различных полимерных материалов определяется при различных нагрузках  и температурах. Поэтому надо иметь  в виду, что абсолютные величины показателя текучести сравнимы лишь для одного и того же материала. Так, например, можно сравнивать величину показателя текучести расплава полиэтилена  низкой плотности различных марок. Сравнение же величин показателей  текучести полиэтилена высокой  и низкой плотности не дает возможности  непосредственно сопоставить текучесть  обоих материалов. Поскольку первый определяется при нагрузке в 5 кг, а  второй при нагрузке в 2,16 кг.

Следует отметить, что вязкость расплавов полимеров существенно  зависит от приложенной нагрузки. Так как показатель текучести  того или иного полимерного материала  измеряют лишь при одном значении нагрузки, то этот показатель характеризует  только одну точку на всей кривой течения  в области относительно низких напряжений сдвига. Поэтому полимеры, несколько  различающиеся по разветвленности  макромолекул или по молекулярной массе, но с одинаковым показателем текучести  расплава, могут вести себя по-разному  в зависимости от условий переработки. Однако, несмотря на это, по показателю текучести расплава для многих полимеров устанавливают границы рекомендуемых технологических параметров процесса переработки. Значительное распространение этого метода объясняется его быстротой и доступностью.