Полимерные конструкционные материалы (структура, свойства, применение)

УДК 620.2
ББК 30.37

Б72

Рецензенты:

В.А. Кузнецов — профессор, доктор технических наук,
заведующий кафедрой «Технология конструкционных материалов»
Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ);
А.И. Крашенинников — профессор, доктор химических наук,
профессор кафедры «Материаловедение и технологии материалов
и покрытий» Московского государственного университета
приборостроения и информатики

Бобович Б.Б.

Б72
Полимерные конструкционные материалы (структура, свойства,

применение) : учебное пособие / Б.Б. Бобович. — М. : ФОРУМ :
ИНФРАМ, 2019. — 400 с. — (Высшее образование. Бакалавриат).

ISBN 9785911349110 (ФОРУМ)
ISBN 9785160099590 (ИНФРАМ)

В учебном пособии рассмотрены структура и свойства органических

и неорганических полимерных конструкционных материалов. Даны характеристики пластмасс, резин, армированных пластиков, клеев, герметиков,
текстильных и лакокрасочных материалов, а также керамик, стекол, ситаллов и др. Рассмотрены способы переработки и области применения полимерных конструкционных материалов, даны рекомендации по выбору материалов с учетом конструкции и условий эксплуатации изготавливаемых
из них изделий.

Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлениям подготовки: 23.03.02 «Наземные транспортнотехнологические комплексы» (бакалавриат); 23.03.03 «Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов» (бакалавриат);
23.04.02 «Наземные транспортнотехнологические комплексы» (магистратура), а также обучающихся по другим направлениям и изучающим дисциплины «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов». Может быть полезно аспирантам и специалистам, занимающимся
разработкой и производством машиностроительной продукции.

УДК 620.2
ББК 30.37

ISBN 9785911349110 (ФОРУМ)
ISBN 9785160099590 (ИНФРАМ)

© Бобович Б.Б., 2016
© Издательство «ФОРУМ», 2016

Список принятых сокращений
названий полимеров

АБС
—
сополимер акрилонитрила, стирола с бутадиеновым
или бутадиенстирольным каучуком
ДСТ30
—
дивинилстирольный термоэластопласт с 30 % блоков
стирола
КС
—
кремнийорганические смолы
НПС
—
ненасыщенные полиэфирные смолы
ПА
—
полиамиды
ПАР
—
полиарилаты
ПАц
—
полиацетали
ПБТ
—
полибутилентерефталат
ПВА
—
поливинилацетат
ПВХ
—
поливинилхлорид
ПИ
—
полиимиды
ПК
—
поликарбонаты
ПММА
—
полиметилметакрилат
ПП
—
полипропилен
ППС
—
пенополистирол
ППУ
—
пенополиуретан
ПС
—
полистирол
ПСФ
—
полисульфон
ПТФЭ
—
политетрафторэтилен
ПУ
—
полиуретаны
ПФ
—
полиформальдегид
ПФО
—
полифениленоксид
ПЭ
—
полиэтилен
ПЭВП
—
полиэтилен высокой плотности (низкого давления)
ПЭНП
—
полиэтилен низкой плотности (высокого давления)
ПЭСД
—
полиэтилен среднего давления

ПЭТФ
—
полиэтилентерефталат
СВМПЭ —
сверхвысокомолекулярный полиэтилен
СКД
—
синтетический каучук полибутадиеновый
СКИ
—
синтетический каучук полиизопреновый
СКН18, СКН26 и т. д. — синтетический каучук
бутадиеннитрильный с указанным содержанием нитрила
акриловой кислоты в макромолекуле (в %)
СКС30, СКМС30 — синтетический каучук бутадиенстирольный
и бутадиенметилстирольный с 30 % стирола в макромолекуле
СКТВ
—
синтетический каучук метилвинилсилоксановый
СКУ
—
синтетический каучук полиуретановый
СКЭП
—
синтетический каучук этиленпропиленовый
СКЭПТ
—
синтетический каучук этиленпропиленовый тройной
УПС
—
ударопрочный полистирол
ФН
—
фенилон
ФФС
—
фенолформальдегидные смолы
ХПЭ
—
хлорированный полиэтилен
ЭС
—
эпоксидные смолы

4
Список принятых сокращений названий полимеров

Предисловие

Конструкционные материалы являются вещественной основой
всех машин и механизмов наземных транспортных машин, летательных аппаратов и судов, зданий и сооружений, средств связи, предметов домашнего обихода, одежды, обуви и т. д.
Создание современной техники возможно только при условии
производства конструкционных материалов, обеспечивающих выполнение новых требований к их свойствам. К таким материалам относятся, прежде всего, полимерные материалы на основе органических и неорганических полимеров: пластмассы, резины, клеи, керамики, стекла и других.
Академик В.А. Легасов еще в 1987 г. писал, что наступает эра новых неметаллических материалов. Однако, несмотря на активное
развитие производства полимерных материалов органической и неорганической природы, современные учебники по материаловедению посвящены, в основном, изучению структуры и свойств металлов и их сплавов. Неметаллические материалы рассматриваются в
них вскользь и не всегда достоверно, подчас без учета современных
достижений наук о полимерах.
Необходимы изменения содержания учебных курсов «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов» и других
дисциплин, преподаваемых в высшей школе. Новые знания о структуре, свойствах, технологиях переработки и применении полимерных
конструкционных материалов (пластмасс, резин, клеев, керамик и
др.) нужны будущим конструкторам, технологам, другим специалистам, деятельность которых будет связана с созданием и эксплуатацией новой техники.
Настоящее учебное пособие должно помочь студентам машиностроительных вузов получить современные знания о строении, свойствах и применении полимерных конструкционных материалов.

Введение

Материаловедение — наука о методах исследования и создания
материалов с заданными свойствами, которые достигаются оптимизацией состава, структуры и способов их переработки.
История человечества есть и история материаловедения. В его
развитии были каменный, бронзовый, железный века. XX век считают веком полимеров, а наступивший XXI век многие ученые считают
веком керамик.
Первые орудия труда, одежду, жилище человек делал из природных материалов: камня, дерева, шкур животных.
Стремление человечества к удовлетворению растущих потребностей привело к созданию искусственных материалов: керамики, а затем и металлов. Создание новых материалов со свойствами, которых
не было у природных, позволяло решать и новые технические и технологические задачи, конструировать изделия с принципиально новыми
техническими и эстетическими свойствами. В свою очередь, развитие
новой техники, строительства, транспорта выдвигало новые требования к материалам для решения возникавших технических задач.
Можно с уверенностью утверждать, что без постоянного развития
материаловедения, без создания конструкционных материалов с новыми технологическими и эксплуатационными характеристиками
технический прогресс невозможен.
Так, создание современных персональных компьютеров и мощных вычислительных машин, средств телекоммуникаций не было бы
возможным без разработки полупроводниковых, жидкокристаллических и керамических материалов.
Атомная энергетика не могла бы появиться без разработки радиационно устойчивых материалов.
Без новых полимерных композиционных материалов (пластмасс,
резин, клеев, термостойкой керамики) было бы невозможно создание
современных автомобилей, летательных аппаратов, космической и
военной техники.

Развитие строительства и транспорта также невозможно без новых
полимерных материалов. Современные полимеры определяют новые
возможности развития медицины и медицинский техники, в том числе ортопедии и стоматологии. Перечень отраслей народного хозяйства, нуждающихся в новых материалах, можно было бы продолжить.
Очевидно, что развитие современной экономики находится в прямой
зависимости от их создания и производства. Если раньше о пластмассах можно было говорить как о заменителях традиционных металлических материалов, то сегодня они сами стали незаменимыми.
Победить в конкурентной борьбе могут только те фирмы и те
страны, которые активно используют принципиально новые материалы, обладающие уникальными свойствами и позволяющие создавать технику и товары массового потребления с новыми эксплуатационными характеристиками.
Современное материаловедение, решая задачи создания новых
материалов, опирается на результаты фундаментальных исследований естественных наук: химии, физики, математики и других. Сегодня стало возможно конструировать с помощью нанотехнологий материалы с заданными свойствами путем регулирования их микроструктуры на молекулярном уровне.
Темпы роста объемов производства новых материалов с высокой
долговечностью, функциональностью, специальными свойствами составляют около 5 % в год, а по отдельным новейшим материалам они
существенно выше.
Подавляющее большинство новых конструкционных материалов
имеет полимерную природу. Это легко проверить, если заглянуть в
салоны автомобилей «Москвич401» и «Мерседес 600» и сравнить их
интерьер и оборудование. Общее количество различных химических
соединений и веществ превышает 405 млн. Среди них низкомолекулярные соединения составляют менее 1,4 % (см. табл.).
Широкую номенклатуру высокомолекулярных соединений составляют полимеры органической природы, т. е. вещества на основе
углерода. Сейчас в мире производится более 580 млн т. органических
полимеров (пластиков, каучуков, резин, волокон, пленок, композиционных и наполненных полимеров). Если это количество пересчитать с массы на объем, то общий объем мирового производства полимеров составляет примерно 520—530 млн м3. Для сравнения можно
сказать, что стали сейчас производится около 300—350 млн м3 в год,
а цветных металлов — 30—35 млн м3 в год. Таким образом, сейчас поВведение
7

лимеров и композиционных материалов производится столько же,
сколько чугуна, проката, стали и цветных металлов вместе взятых. За
период с 1990 по 2010 г. производство полимеров возросло в два раза,
а производство металлов — только в полтора раза. Из полимеров изготавливают важнейшие конструкционные материалы: пластмассы,
каучуки, смолы, волокна, текстильные материалы (ткани, ковры,
трикотаж, нетканые полотна и т. п.), пленки, искусственные кожи,
лакокрасочные материалы, клеи и герметики. Объем производства
только пластмасс составляет более 120 млн т в год.
Но помимо углерода существуют другие химические элементы,
способные образовывать высокомолекулярные соединения. Эти элементы являются основой неорганических полимерных материалов.
К ним относятся такие конструкционные материалы, как цементы,
стекла, многие виды керамик и др. Объем производства неорганических полимерных материалов в 100 раз выше объема производства
материалов на основе органических полимеров.
Опережающее развитие синтеза и исследования свойств неорганических полимеров благодаря их уникальным свойствам и неисчерпаемости сырьевых источников позволяет считать, что мы стоим на
пороге материаловедческой революции, заключающейся в бурном
развитии технологии неорганических полимеров со свойствами, которые позволят создать совершенно новые транспорт, другие машины,
приборы, электронную технику, средства связи и т. д.

8
Введение

Таблица. Классы химических соединений

Классы соединений
Количество

единиц
%

Низкомолекулярные
5 475 000
1, 35

В том числе
неорганические
органические
164 250
5 310 750
0,04
1,31

Высокомолекулярные
400 000 000
98,65

×àñòü 1
ÎÐÃÀÍÈ×ÅÑÊÈÅ
ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ

Глава 1
ХАРАКТЕРИСТИКА И СТРОЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ

Вещества состоят из атомов. Строение атомов, образованных ими
молекул, а также взаимодействие между ними определяют все свойства
веществ. Углерод и азот, находящиеся в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева рядом и имеющие атомные массы,
различающиеся на две единицы, имеют разные свойства (табл. 1.1).
Более того, даже вещества, образованные одним и тем же химическим элементом, но имеющие разное физическое строение, также
имеют различные свойства. Так, графит и алмаз, состоящие из углерода, абсолютно не похожи друг на друга благодаря различному
строению кристаллов, образованных им. Неудивительно, что вещества, образованные разными химическими элементами и имеющие разное строение, обладают и разными свойствами.
Свойства полимеров, состоящих из длинных макромолекул с разветвленной структурой, определяются уже не только строением составляющих их атомов, но и строением звеньев и цепей, их размерами и конфигурацией, а также взаимодействием между ними.
Различие в свойствах предоставляет широкие возможности при
выборе материала для изготовления изделия с учетом эксплуатационных нагрузок и возможных технологий его изготовления. Из рис. 1.1
видно, как поразному ведут себя сталь и поливинилхлорид при растяжении.

Сталь обладает линейной упругостью, а поливинилхлорид ведет
себя как нелинейное вязкоупругое тело. У этих материалов не только
разные значения предела прочности при разрыве, но и разные значения предела текучести, различные способности к деформированию
и т. д.
Разница в свойствах различных материалов составляет несколько
порядков. Так, прочность сортовой стали превосходит аналогичный
показатель для пенополиуретана в десятки тысяч раз, модуль упругости при растяжении алмаза больше этого показателя для эластичной

10
Часть 1. Органические полимерные материалы

Таблица 1.1. Влияние природы атомов на свойства веществ

Свойства вещества
Химический элемент

углерод (С)
азот (N)

Атомный номер
6
6
7

Атомная масса
12
12
14

Вещество
Графит
Алмаз
Газ

Физическое состояние
при нормальных условиях
Твердое
Твердое
Газообразное

Плотность, г/см3
2,23
3,20
1,25 ⋅ 10−3

Температура плавления, °C
—
—
—210

Температура кипения, °C
2000 (возгонка)
—
—195,8

Твердость по шкале Мооса
1—2
10
—

Электропроводность
Проводник
Диэлектрик
—

Рис. 1.1. Диаграммы растяжения стали и непластифицированного ПВХ