665

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Н.М.ЧЕРНОВ

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК 2007

ВВЕДЕНИЕ

Неметаллические материалы — это разнообраз-

ные по происхождению, составу и свойствам материалы, не относящиеся к классу металлов.

Они широко применяются в машиностроении, при ремонте и эксплуатации машин.

По происхождению неметаллические материалы различаются на природные (древесные, шерсть, мел, графит, натуральный каучук и др.); искусственные, полученные химической модификацией или в результате технологической переработки (вискозное полотно, целлюлоза, цемент, стекло, керамика и др.); синтетические, полученные синтезом низкомолекулярных веществ (полиэтилен, полиамид, фенолформальдегидные смолы и др.).

По составу неметаллические материалы подразделяют на неорганические и органические.

Из химических элементов в твердом состоянии к неметаллам относятся: бор (В), углерод (С), кремний (Si), фосфор (Р), сера (S), мышьяк (As), селен (Se), бром (Br), теллур (Те), йод (I), астат (At).

По свойствам неметаллические материалы можно разделить на следующие классы: стекло, керамика, пластмассы, эластомеры и композиционные материалы с полимерной матрицей.

За 5–10 тыс. лет до н. э. доля потребления пластиков, эластомеров, керамики и стекла составляла 90 %, а металлов

икомпозитов — 10 %.

Вконце XIX в. доля потребления металлов увеличилась до 65–70 %, в середине ХХ в. она возросла до 85 %, а в 1990 г. упала до 65 %.

К 2020 г. доля металлов, без сокращения объема их производства, составит не более 25 % от общего объема потребления конструкционных материалов (см. рисунок).

4

Доля металлов в общем объеме потребления конструкционных материалов с начала производственной деятельности человека: 1 — металлы; 2 — неметаллические материалы и композиты

ГЛАВА 1. ПОЛИМЕРЫ

1.1. Общие сведения об органических соединениях

Органические соединения состоят из углеводородов и их производных. Их свойства объясняются исключительной способностью атомов углерода соединяться друг с другом в линейные и разветвленные устойчивые цепи и циклы, а также образовывать соединения со многими элементами периодической системы — водородом, кислородом, азотом, галогенами, серой и т.д.

Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуяуглеродные цепипрактически неограниченной длины:

| | | | |

…— С — С — С — С — С —…

| | | | |

Примерами углеродистых цепей, содержащих два и три атома углерода, могут служить углеводороды этан (С2Н6) и пропан (С3Н8). Строение их может быть представлено

Увеличение углеродистой цепи на один атом углерода приводит к изменению состава молекул на группу СН2. Ряд

5

соединений, в которых каждый последующий член отличается от предыдущего на группу СН2, называется гомологическим рядом, а его члены по отношению друг к другу являются гомологами. Гомологические ряды объединяют органические соединения с общими химическими свойствами.

Химическая связь между атомами углерода в органических соединениях может осуществляться одной, двумя или тремя общими парами электронов. Такие связи называются соответственно простой, двойной или тройной и могут быть схематично представлены следующим образом:

Простейшие соединения, содержащие простую связь, — этан, двойную связь, — этилен, и тройную, — ацетилен:

Углеводороды, содержащие двойные и тройные связи,

называются непредельными или ненасыщенными.

В молекуле могут быть две или несколько двойных связей, чередующихся с одинарными. Такие системы называются сопряженными:

\/

С= С — С = С

/\

Примером может служить бутадиен или дивинил

СН2 = СН — СН = СН2.

К системам с сопряженными связями относится бензол. Все атомы углерода в молекуле бензола расположены в вершинах правильного шестиугольника и связаны друг с другом и с атомами водорода.

6

СН

//\

Бензольное ядро изображают упрощенно в виде шестиугольника, в котором символы С и Н, относящиеся к кольцу, не записывают:

Непредельные углеводороды, содержащие в моле-

куле одну двойную связь, называются этиленовыми или олефинами. Они отвечают общей формуле СnH2n, где n — число атомов углерода.

Простейшими представителями этого ряда являются эти-

Углеводороды, содержащие в молекуле две двойные связи, называются диолефинами. Их строение отвечает общей формуле СnH2n – 2. Примером могут служить бутадиен СН2 = СН — СН = СН2 и изопрен

СН3

|

СН2 = С — СН = СН2. Углеводороды, содержащие в молекуле тройную связь,

называются ацетиленовыми и отвечают общей формуле СnHn. Простейшим представителем этого ряда является ацетилен (СН СН).

Ароматические углеводороды содержат цикличес-

кую группировку — бензольное ароматическое ядро.

Производные углеводородов представляют собой вещества, молекулы которых состоят из двух частей: углеводородных остатков (их часто обозначают символом R) и групп атомов, каждая из которых обладает характерной для нее реакционной способностью. Именно эти группы в

7

большинстве химических реакций подвергаются изменению. Углеводородная часть молекулы целиком переходит во вновь образующееся соединение. Подвергающиеся изменению группы атомов получили название функциональных. Они определяют принадлежность молекулы к определенному классу соединений. Например, группа ОН является функциональной у спиртов, С = О — у альдегидов и

кетонов,

О

//

=С — у карбоновых кислот, NН2 — у аминов,

\

ОН

аатомы F, Cl, Br и I — у галогенопроизводных.

Все органические соединения делятся на классы, характеризующиеся содержанием в молекулах одинаковых функциональных групп: галогенопроизводные, кислородосодержащие (спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, органические кислоты, сложные эфиры), азотсодержащие (амины, аминокислоты) и элементорганические соединения.

1.2. Общие сведения о строении и свойствах полимеров

Полимерами называют высокомолекулярные материалы, молекулы-гиганты которых — макромолекулы — состоят из многократноповторяющихся элементарных звеньев низ- комолекулярныхвеществ—мономеров,соединенных между собой посредством ковалентной связи в длинные цепи

повторяется много тысяч раз, а основная цепь состоит из атомов углерода.

8

По химическому составу главной цепи полимеры подразделяют на гомоцепные и гетероцепные.

Вгомоцепных полимерах главная цепь макромолекулы состоит из одинаковых атомов. Если она состоит из атомов углерода, то такие полимеры называются карбоцепными.

Вполиэтилене главная цепь образована атомами углерода, а боковые ответвления (или боковые цепи) — атомами водорода:

В полиэтиленгликоле главная цепь образована атомами углерода и кислорода, а боковые ответвления — атомами водорода:

— С — С — О — С — С — О — С — С — О —

Всиликонах главная цепь образована атомами кремния

икислорода, а боковые ответвления — углеродными радикалами:

Полимеры могут быть неполярными и полярными, в них полярные связи в макромолекуле расположены соответственно симметрично или несимметрично.

По строению молекулярных цепей полимеры де-

лят на линейные, разветвленные и сетчатые (рис.1.1).

9

а)

б)

в)

Рис. 1.1. Схема строения макромолекул полимеров:

а— линейные; б — разветвленные; в — сетчатые

Клинейным относятся полимеры, макромолекулы которых не имеют разветвлений или имеют небольшие ответвления в пределах одного мономерного звена.

Разветвленными называются полимеры, макромолекулы которых имеют боковые ответвления длиной более одного мономерного звена.

Сетчатыми (сшитыми) называются полимеры, молекулы которых представляют собой гигантские трехмерные образования. Примерами таких полимеров служат фенолформальдегидные смолы.

По отношению к нагреву полимеры разделяют на

термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры можно многократно расплавлять и отверждать, при этом они не теряют своих свойств, а их химический состав остается неизменным. К таким полимерам относятся полиэтилен, полистирол и другие.

Термореактивные полимеры можно нагреть только один раз. После нагрева они отверждаются и не восстанавливают свои первоначальные свойства. К ним относятся фенолформальдегидные, эпоксидные и другие смолы.

Особенностью полимеров является их способность проявлять при деформировании эластические свойства. Кроме упругой и пластической деформации полимеры характери-

10