Лекция 2. Химические основы совершенствования материалов Давыдов Виктор Николаевич проф. каф. экологического менеджмента ИНЖЭКОН

Материалы Материал – твердое вещество или компо- зиция в виде (или форме), пригодном для получения деталей и изделий. Материаловедение – раздел знаний, посвященный структуре, свойствам, получению и применению материалов

Зависимость свойств от химического состава и строения материала Свойства материала определяются его химичес- ким составом и строением – краеугольная идея материаловедения. Поэтому для изменения свойств изделия необхо- димо изменить химический состав и строение материала, из которого это изделие изготовле- но.

История цивилизации во многом связана с использованием определенных материалов Каменный век, 1,8 млн лет до н.э.-конец 3 тыс. д.н.э. Бронзовый век, конец 3 – начало 1 тыс. д.н.э. Железный век, начало 1 тыс. д.н.э.- начало нашей эры Полиматериальный век?

Инновация – применение нового материала Форд использовал в своих автомобилях ванадиевую сталь, которая была более прочной и стойкой к истиранию. Благодаря этому удалось уменьшить массу автомобиля и создать его массовую модель.

Поэтапная линия развития материалов 1. Тривиальный материал (материал, который может выполнять простейшую функцию (механическую, элект- рическую, тепловую, оптическую, магнитную и т. д.). 2. Остроумный материал (материал, который реагирует на воздействие одного типа проявлением свойств другого типа. Например, пироэлектрические материалы могут создавать электрическое поле при нагревании, пьезоэлек- рические – под давлением. Используют в качестве эле- ментов датчиков. 3. Интеллектуальный материал (материал, который, помимо функции привода, контроля или интеллекта, име- ют функцию воздействия). 4. Мудрый материал (материал, который имеет функ- цию автоматической остановки своего действия, когда дальнейшее действие может повредить человеку).

Высокомолекулярные соединения (ВМС) Вещества, состоящие из молекул больших размеров, обладающие большой (от сотен до миллионов ) относительной молекулярной массой называются высокомолекулярными. Различают ВМС: 1.Полимерного строения; 2.Неполимерного строения.

Полимеры и олигомеры Вещества полимерного строения (полимеры) – состоят из молекул, характеризующихся много- кратным повторением одного или более состав- ных звеньев и обладают такими свойствами, что они остаются практически неизменными при до- бавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев. Вещества неполимерного строения (олигомеры) также включают определенное число (не более 100) повторяющихся составных звеньев, но любое изме- нение их числа приводит к изменению свойств.

Полимеры Свойства определяются размером и строением макромолекул. -[-СЗ-] n - СЗ – составное звено; n – степень полимеризации.

Классификации полимеров По типу составных звеньев: 1.Неорганические; 2.Органические; 3.Элементоорганические.

Неорганические полимеры Самые распространенные – природные силикаты и алюмосиликаты, составляющие основу земной коры:

Органические полимеры Основа большинства пластических масс. Полиэтилен – один из наиболее распространенных промышленных полимеров. Обладает высокой химической стойкостью, водо- и газонепроницаемостью. Используется как электроизолятор, для производства упаковочных пленок, шлангов... Недостатки: низкая прочность, устойчивость к свету, растворителям (бензин).

Элементоорганические полимеры Содержат в составных звеньях макромолекул наряду с углеводородными группами неорганические фрагменты. Различают элементоорганические полимеры: 1)с основными цепями, содержащими атомы других элементов, обрамленными органическими группами; 2)с основными цепями, содержащими чередующиеся ато- мы углерода и других элементов; 3)с углеродными основными цепями, обрамленными элементоорганическими группами. Фторопласт

Классификации полимеров По происхождению: 1.Природные (натуральный каучук, белки); 2.Модифицированные (измененные природные, например, резина); 3.Синтетические (полученные из низкомо- лекулярных веществ путем синтеза, полиэ- тилен и др.).

Классификации полимеров По строению: 1.Линейные; 2.Разветвленные; 3.Лестничные; 4.Трехмерные сшитые.

Строение макромолекул

Классификации полимеров По отношению к нагреванию: 1.Термопластичные; 2.Термореактивные.

Термопластичные полимеры Линейные полимеры (полиэтилен, поливинил- хлорид, полистирол), способные обратимо раз- мягчаться при нагреве и отверждаться при ох- лаждении, сохраняя основные свойства. Переход в пластичное состояние связан с тем, что межмолекулярные и водородные связи между цепями полимеров разрываются при умеренном повышении температуры.

Термореактивные полимеры Пространственные полимеры с жестким каркасом, которые будучи отверждены, не переходят при нагреве в пластичное состояние. При повышении температуры они претерпевают деструкцию (химическое разложение) и загораются (карбамидные полиме- ры, фенолформальдегидные и эпоксидные смолы). Ковалентные связи между цепями этих полимеров имеют прочность того же порядка, что и прочность связей внутри цепи. Поэтому повышение температуры приводит к разрыву связей не только между цепями, но и внутри цепей, то есть к необратимой деструкции термореактивных полимеров.

Классификации полимеров По типу химической реакции, используемой для полу- чения: 1.Полимеризационные; 2.Поликонденсационные. Полимеризация – процесс образования макромолекул из молекул низкомолекулярного вещества (мономера), содер- жащего кратные связи. Поликонденсация - процесс образования макромолекул из молекул низкомолекулярного вещества (мономера), содержащих две или более функциональных групп, сопро- вождающийся выделением воды, аммиака или др. веществ.

Органические полимеры 1.Полимеризационные смолы (получают- ся полимеризацией этиленовых углеводо- родов и их производных); 2. Конденсационные смолы (получаются поликонденсацией разнообразных мономе- ров).

Полимеризационные смолы Полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинил- хлорид, полиакрилаты, каучуки и др. Полипропилен Получается при полимеризации пропилена:

Сферы использования полипропилена Производство электроизоляции, труб, шлангов, шестерен, высокопрочного и химически стойкого волокна для производства канатов и рыболовных сетей. Пленки из полипропилена используют для упаковки пищевых продуктов. Температурный интервал использования: С С

Конденсационные смолы Полимеры, получаемые при реакциях поликонденсации: фенолформальдегидные, полиэфирные, полиамидные смолы, полиуретаны и др.

Капрон Получается при поликонденсации аминокапроновой кислоты:

Пластмассы Пластическими массами называют композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолнистые наполнители, пигменты и другие сыпучие компоненты и обладающие пластичностью на определенном этапе производства, которая полностью или частично теряется после отверждения полимера. Некоторые строительные пластмассы целиком состоят из полимера ( например, органическое стекло: полиметилметакрилат, полиэтилен). Роль связующего в пластмассах выполняет полимер.

Шинная резина В начале 1990-х годов началось производство резины для автомобильных шин с использова- нием в качестве наполнителей технического углерода и оксида кремния. Введение оксида кремния позволило повысить сцепление шин с мокрой дорогой. Связать оксид кремния с бутадиенстирольным каучуком удалось введением органосиланов.

Темы коротких сообщений 1.Кевлар – химический состав, производство, применение. 2. Дурацкая замазка (хэндгам) – химический состав, производство, применение. 3. Пьезоэлектрические материалы– химический состав, производство, применение. 4. Химическая история жевательной резинки.

Благодарю за внимание!