Глава 9. Неметаллические материалы

Неметаллические материалы находят все возрастающее применение в различных отраслях техники. Достаточная прочность, жесткость, эластич­ность при низкой плотности, химическая стойкость во многих агрессивных средах, уровень диэлектрических свойств при их технологичности делают неметаллические материалы незаменимыми.

По происхождению неметаллические материалы различают природ­ные, искусственные и синтетические. К природным, например, относятся такие органические материалы, как натуральный каучук, древесина, смо­лы (янтарь, канифоль), хлопок, шерсть, лен и др. Неорганические при­родные материалы включают графит, асбест, слюду и некоторые горные породы. Искусственные органические материалы получают из природ­ных полимерных продкутов (вискозное волокно, целлофан, сложные и простые эфиры, целлюлозы). Синтетические материалы получают из простых низкомолекулярных соединений.

Именно в искусственных и синтетических материалах возможно проек­тировать и комбинировать свойства исходных веществ с целью получения

заданных сввйтв конечного продукта и готовых изделий. В результате синте­тические неметаллические материалы вытесняют природные и являются наиболее распространенными.

Основы структурной теории химического строения органических соедине­ний заложил великий русский химик А. М. Бутлеров (1826—1886 гг.). На осно­вании исследований Г. С. Петрова (1907—1914 гг.) стало возможным промыш­ленное производство первых синтетических фенопластов. Цепная полимеризация стала возможна в результате разработки Н. Н. Семеновым (1930—1940 гг.) тео­рии цепных реакций.

Большой вклад в развитие физики и химии полимеров внесли отечест­венные ученые П. П. Кобеко, В. А. Каргин, А. П. Александров, С. С. Медве­дев и др. Важны заслуги в развитии химии кремнийорганических полимеров К. А. Андрианова.

9.1. Полимеры 9.1.1. Молекулярная структура полимеров

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев, представляющих собой одинаковую группу атомов. Молекулярная масса таких молекул со­ставляет от 500 до 1 000 000.

сегмент

боковые группы н и снзн

сн,„ с-?-н

Н

Н т? I н СН3Н г

с-с-с-с сн,н н н ^

главная цепь Рис. 9.1. Схема строения линейной макромолекулы

звено

В молекулах поли­меров различают глав­ную цепь, построенную из большого числа ато­мов. Боковые цепи име­ют значительно мень­шую протяженность. Схема строения линей­ной макромолекулы приведена на рис. 9.1. В боковых цепях замести­телями атома водорода могут быть химические радикалы -СН₃; -СзН; -СбН₅ или функциональные группы -СООН; -ОН; -NH₂ и др.

Полимеры, главная цепь которых содержит одинаковые атомы, на­зывают гомоцепными, а если атомы углерода — карбоцепными. Полиме­ры, в главной цепи которых содержатся различные атомы, называют ге-тероцепными. Например, полиформальдегид, содержащий в главной це­пи гетероатом кислорода,

н

4-0-

_ н J„

а также полиамиды (капрон, найлон), имеющие в главной цепи амидную группу

О

-ч-

Н содержащую в главной цепи гетероатом азота. Полимеры, содержащие в главной цепи помимо атомов углерода другие атомы, отличаются от карбо-цепных полимеров более широким диапазоном свойств.

Атомы главной цепи связаны прочной химической ковалентной связью, энергия которой составляет 330—360 кДж/моль.

По форме макромолекулы полимеров делят на линейные, разветвлен­ные, плоские, ленточные, пространственные или сетчатые (рис. 9.2). Линей­ные макромолекулы полимера — длинные зигзагообразные и скрученные в

Рис. 9.2. Формы макромолекул полимеров:

а — линейная; б — разветвленная, в — лестничная; г — сетчатая; д — пространственная; е —