Глава 1. Кристаллическое строение металлов (стр. 13 )

Рис. 9.4. Поливиничхлорид

Рис. 9.5. Полистирол

Рис. 9.6. Политетрафторэтилен

Рис. 9.7. Нейлон 6

Рис. 9.8. Нейлон II

Рис. 9.10. Полиоксиметилен (ацеталь гомополимер)

Рис. 9.9. Нейлон 6.6

Рис. 9.11. Полисульфид

Рис. 9.12. Полиэтилентерефталат

Рис. 9.13. Поликарбонат

Рис. 9.14. Меламин-формальдегид

Рис. 9.15. Цисполисопрен, цепь натурального каучука до вулканизации

Рис. 9.16. Вулканизированный каучук, связанные серой полисопреновые цепи

Структура и свойства полимеров

Рассмотрим методы, которыми могут быть изменены свойства полимерных материалов.

1. Увеличение длины молекулярной цепи у линейного полимера. При этом возрастает предел прочности на растяжение и жесткость, поскольку чем длиннее цепи, тем легче становится образование сплетений, и настолько же затрудняется движение цепей.

2. Введение больших боковых ветвей в линейные цепи. Это увеличивает предел прочности на растяжение и жесткость, поскольку боковые ветви препятствуют движению цепей.

3. Создание разветвлений в линейной цепи. Это увеличивает предел прочности на растяжение и жесткость, поскольку разветвления препятствуют движению цепей.

4. Введение больших групп в цепи. Это уменьшает способность цепи к гибкости и тем самым увеличивает жесткость.

5. Сшивание цепей. Большее уменьшение сшивания сильнее препятствует движению цепи, и, следовательно, получается более жесткий материал.

6. Введение жидкости между цепями. Добавка жидкостей, тепловых пластификаторов, которые заполняют некоторое пространство между полимерными цепями, облегчает движение цепей и таким образом увеличивает гибкость.

7. Методы, делающие некоторый материал кристаллическим. У линейных цепей возможно уменьшение кристалличности. Это можно контролировать. Большее уменьшение кристалличности сильнее уплотняет материал и делает выше его предел прочности на растяжение и жесткость.

8. Включение наполнителей. На свойства полимерных материалов можно воздействовать введением наполнителей. Таким образом, например, могут быть увеличены модули растяжения и напряжения при встраивании в полимеры стеклянных волокон. Графит как наполнитель может уменьшать сцепление цепей.

9. Ориентация. Растяжение или внесение деформации сдвига во время изготовления могут приводить в полимерных материалах к подходящему выстраиванию цепей в линию в особом направлении. Свойства в этом направлении будут тогда отлчаться от свойств в поперечном направлении.

10. Сополимеризация. Комбинирование двух или более мономеров в отдельную полимерную цепь будет изменять свойства полимера, которые зависят от соотношения компонентов.

11. Смешивание. Добавление двух или более полимеров в форму материала будет влиять на свойства; свойства нового полимера будут зависеть от соотношения материалов.

9.3. КЛЕИ

Клеи — растворы, иногда расплавы как природных, так и искусственных высокомолекулярных веществ, применяют в приборостроении для соединения деталей, изготовленных из разнообразных материалов: пластмасс, металлов, бумаги, ткани, керамики, силикатного стекла, слюды, резины. Могут быть соединены как однотипные, так и разнотипные материалы. В качестве примеров: при изготовлении тензодатчиков и при их наклейке; для приклеивания втулок с кернами к рамке; склеивания каркаса катушек, приклеивания стекла к оправке и полюсных наконечников к магниту. При изготовлении резинометаллических деталей, служащих для крепления точных приборов в целях предохранения от вибрации; при изготовлении электровакуумных ламп — для крепления витков рамочных сеток подогревателей катода; в пьезоэлементах для наклейки пьезокерамики на поверхности металлических корпусов; в полупроводниках для присоединения металлических выводов и в других случаях.

В приборостроении также широко применяют липкие ленты как электроизолирующие, герметизирующие и предохраняющие, например полиизобутиленовые электроизолирующие ленты; полихлорвиниловые и полиэтиленовые антикоррозионные пленки; пенополиуретановые пленки для защиты приборов от вибрации и т. д.

Клеевые соединения по сравнению с механическими соединениями — сваркой, пайкой, заклепкой и винтовыми соединениями — имеют следующие преимущества: возможность соединения самых разнообразных материалов; относительная простота и дешевизна технологии склейки; нет ослабления соединяемых деталей с отверстиями под заклепки, винты и т. д.; снижение веса конструкций, так как клеевые соединения позволяют применять более тонкие листы, и отсутствуют соединительные детали (винты, заклепки и т. д.); стойкость к коррозии, хорошие диэлектрические свойства, герметичность соединении и т. д.

Наряду с преимуществами метод склеивания имеет ряд недостатков: невысокая теплостойкость; склонность к старению; невысокая прочность при неравномерном отрыве; отсутствие простых и надежных ме­тодов неразрушающего контроля качества клеевых соединений.

Клеевое соединение обеспечивается за счет действия сил когезии (т. е. прочности самого клея) и адгезии (т. е. сил, действующих на поверхности раздела клея и склеиваемых материалов) и механического сцепления.

Для получения прочного клеевого соединения необходимо, чтобы силы когезии были ниже сил адгезии; при этом клеевая капля будет растекаться по поверхности материала (смачивать). Силы когезии сами по себе тоже должны быть высокие; например, клеи на основе термореактивных смол дают более прочное соединение, чем на основе термопластичных.

Существует несколько теорий адгезии, объясняющие физику склеивания: адсорбционная, диффузионная и электрическая; однако, ни одна из них не может полностью объяснить образование прочного клеевого соединения, и приемлемы для определенных случаев. Из них наибольшее распространение получила адсорбционная теория адгезии; по этой теории при контакте клея и склеиваемого материала между их молекулами возникают междумолекулярные силы трех типов: электростатическая, дисперсионная и индукционная. Наиболее важными из этих сил являются электростатические силы, возникающие в результате взаимодействия полярных молекул. Полярные молекулы благодаря не симметричному распределению электрических зарядов способны притягивать или отталкивать другие полярные молекулы; на границе раздела клей—поверхность склеиваемого материала полярные молекулы клея притягивают полярные молекулы склеиваемого материала. Этим объясняется хорошая клеящая способность клеев на основе таких полярных материалов, как полиацетаты, полиэпоксидные, фенольно-формальдегидные, полиэфирные, полиуретановые и другие смолы.

При выборе клеев для склеивания полимерных материалов необходимо учитывать степень их полярности: степень полярности клея и склеиваемого материала должна быть приблизительно одинакового порядка.

Получение клеевого соединения в случае применения клеев на основе некоторых неполярных полимеров, например, натурального каучука, объясняется диффузией подвижных макромолекул клея вглубь склеиваемых материалов.

Электрическая теория адгезии основана на явлениях контактной электризации — на границе раздела клея и склеиваемого материала за счет перетекания электронов образуется двойной электрический слой (как бы микроконденсатор), обеспечивающий прочное соединение.

На прочность клеевого соединения влияет механическое сцепление клея — создание шероховатости поверхности обеспечиваем проникновение клея в глубь склеиваемого материала, а также увеличивает площадь склеиваемой поверхности.

Отдельные компоненты клея (растворители, пластификаторы и т. д.) снижают прочность клеевого соединения.

При проектировании клеевой конструкции для получения прочного надежного соединения конструктором должны быть учтены физико-механические и физико-химические свойства клеев и склеиваемых материалов, а также технологические особенности склеенной конструкции (удобство склейки, возможность создания оснастки и другие факторы).

Клеевое соединение наиболее хорошо работает па чистый сдвиг или на равномерный отрыв; неравномерный отрыв по возможности должен быть исключен. Для получения более прочных соединении применяют клеесварочпые и клееклепаные соединения, которые хорошо работают на сдвиг, равномерный и неравномерный отрыв, вибрацию. В этих соединениях иногда силовую основу представляют сварочные или клепаные точки, разгруженные в значительной степени клеевым соединением. Иногда основой является клеевое соединение, а винты и заклепки применяют как дополнительное крепление в целях предохранения от неравномерного отрыва. Клеи в этих случаях применяют эластичные. В таких соединениях клеи могут служить еще как герметизирующий элемент и должны заполнять зазоры. Конструкции клеевых соединений показаны на рис. 1.

Требования, предъявляемые к клеям: высокая адгезия к поверхности обеих склеиваемых материалов и высокая когезия частиц самого клея; эластичность и механическая прочность; коррозионная неактивность; нетоксичность; сопротивление старению; хорошие электроизоляционные свойства; трибостойкость; водостойкость и атмосферостойкость; маслостойкость и бензостойкость; большая жизнеспособность и длительный срок храпения; технологичность (склеивание при невысоких температурах, малых давлениях и в короткие сроки); способность обеспечивать герметичность соединения.