Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 6

Доступные природные материалы использовались широко, но, с развитием техники становилось всё более очевидным, что природные материалы порой полное дерьмо. Большой разброс свойств, подверженность гниению, трудности в добыче — поэтому поиски искусственных заменителей велись и ведутся всё время. Появление синтетических материалов — это революция не только техническая, но и экономическая, политическая. Вам больше не нужны колонии чтобы покрыть свои потребности в резине. Экипировка вашего солдата стала легче в несколько раз. В этом разделе — материалы, полученные «с нуля», а не попытка улучшить природные, как в предыдущем разделе.

Многие из приведенных материалов являются полимерами — материалами с длинными молекулами, состоящими из простых однотипных кирпичиков — мономеров. Полимеры можно разделить на две большие группы по их поведению при нагреве, это термопласты и реактопласты. Термопласты при нагревании плавятся, реактопласты при нагревании разлагаются.
Соответственно гору старых пластиковых игрушек из термопластов можно переплавить в новое изделие, а гору старых изделий из реактопластов так переработать не выйдет.

Полимер может состоять из чистого мономера, а может также содержать со-полимер, который встраивается в структуру молекулы. Например есть два мономера: А и Б. Молекула полимера из чистого А будет выглядеть так:

…-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-…

Молекула полимера из сополимеров А и Б может выглядеть так:

…-А-Б-А-Б-А-Б-А-Б-А-Б-А-Б-…

Или даже так:

…-А-А-Б-Б-А-Б-Б-Б-А-А-Б-Б-…

Введение сополимера позволяет изменить свойства пластмассы. Пример — полистирол и АБС пластик. Полистирол прозрачный хрупкий пластик, введение сополимера акрилонитрила и введение добавки из полибутадиена дает на выходе ударопрочный пластик.

Иногда, может дополнительно указываться стереорегулярность полимера. Допустим у нас есть мономер -Г-, который может вставать в цепочку полимера «вверх ногами» -L-. Полимер, в цепочке которого мономеры стоят как попало называется атактическим:

…-L-Г-Г-L-Г-L-L-L-Г-Г-L-Г-…

Если в полимере все несимментричные звенья смотрят в одну сторону, такой полимер называется изотактичкским:

…-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-…

Если в полимере они чередуются, то такой полимер называется синдиотактическим:

…-L-Г-L-Г-L-Г-L-Г-L-Г-L-Г-…

Обычно, стереорегулярность влияет на важные для электроники свойства материала незначительно, поэтому не указывается.

Общие свойства полимеров

Полимеры, благодаря своей структуре из длинных молекул, обладают некоторыми общими
свойствами, которые стоит рассмотреть внимательнее.

1. Полимеры не имеют четкой температуры фазового перехода, как например металлы. Они словно карамель, с ростом температуры размягчаются, превращаясь в вязкую жидкость. Поэтому для полимеров «температура плавления» — это температура, при которой вязкость полимера уже позволяет ему течь, но это не означает, что до этой температуры он твёрдый.

Температура стеклования — это температура, ниже которой полимер из высокоэластичного состояния переходит в стеклообразное состояние, с ростом твердости и хрупкости. Представьте себе жевательный мармелад — при комнатной температуре он находится в высокоэластичном состоянии. Если его охладить ниже температуры стеклования в морозильной камере, то мармелад можно будет разбить, и осколки будут как от стекла.

Максимальная рабочая температура — температура при которой полимер может работать длительное время, без существенных изменений своих свойств. Часто с ростом температуры растет ползучесть полимера, поэтому при максимальной рабочей температуре прочностные свойства снижаются.

Указанные температуры могут отличаться при определении даже для одного и того же образца, при различии методик определения.

2. Полимеры подвежены старению и разрушению. Факторами, ускоряющими процесс старения полимера являются радиация, ультрафиолетовое излучение, высокая температура, агрессивная среда. Разные полимеры в разной степени подвержены старению, кроме того, различными добавками можно снизить скорость разрушения полимера. Так, нейлоновая стяжка на силиконовом шланге с горячей водой за пару лет потеряет эластичность и станет хрупкой, в то время как силиконовый шланг по прежнему будет мягким и гибким.

Лишь очень малое количество пластиков терпят длительный нагрев свыше 100°С — фторопласт-4, каптон, peek, силиконы. Во всех остальных случаях чем выше температура эксплуатации — тем быстрее протекают процессы старения и деструкции в полимере.

3. Полимеры проницаемы для газов и некоторых растворителей. Молекулы газа очень маленькие (чем меньше атомная масса, тем меньше размер атома, самый мерзкий в этом плане водород, он даже сквозь металлы протискивается.) поэтому могут постепенно проникать сквозь разветвленную молекулярную сеть пластика. Для предотвращения этого процесса поверхность полимера покрывают слоем металла. Обратите на это внимание при вскрытии упаковки продуктов питания. Металлизация в упаковке служит этой цели — не пропустить к продукту кислород. Металлопластиковые трубы содержат слой алюминия с той же целью — не допустить проникновение кислорода в теплоноситель, это вызывает коррозию.

Материалы на базе фенолформальдегидных смол

Фенол-формальдегидные смолы, как нетрудно понять из названия — продукт поликонденсации фенола и формальдегида. Молекулы полимера образуют разветвленную трехмерную структуру, что обуславливает механические свойства — твёрдость.

Ниже рассмотрим только фенол-формальдегидные пластмассы — фенопласты. Карбамид-формальдегидные, меламин-формальдегидные пластмассы — аминопласты, рассматривать не будем, их базовые свойства идентичны, методы обработки одинаковые, разница лишь в прочности, цвете.

Химическая структура бакелита (кусочек для примера) Полимеры с такой разветвленной беспорядочной структурой обычно твёрдые и хрупкие. Автор рисунка — Dirk Hünniger, взято из Википедии

Открыл процесс поликонденсации Лео Бакеланд — американский химик бельгийского
происхождения. Он и назвал новый материал, полученный при отверждении смолы — бакелитом.
В СССР аналогичный материал назывался «карболит» — от карболовой кислоты,
старого названия фенола.

Примеры использования фенолформальдегидных смол:

• Как самостоятельный материал в чистом виде в качестве клеев, лаков.
• С порошковыми наполнителями (придающими прочность или разбавляющими материал
• просто для экономии) и без — карболит/бакелит
• С наполнением из стекловолокна в хаотичном порядке — волокниты, например прессматериал АГ-4В
• С наполнением из слоев хлопчатобумажной ткани — Текстолиты
• С наполнением из стеклоткани — Стеклотекстолиты
• С наполнением из слоев проклееной бумаги — Гетинакс

Карболит (бакелит)

Представляет собой твёрдый термостойкий пластик. Если вы возьмете какое-либо устройство,
собранное до 1950 года, то практически все пластиковые детали в нем — это карболит.

Различные изделия из карболита — коробочка, розетка. Вилка, корпус вольтметра, гнезда, ручки регулировки.

Изделия получают как заливкой в формы, так и (чаще) прессованием порошка смолы с наполнителем в металлические формы с нагревом. При нагревании процесс полимеризации, уже частично начавшейся при производстве порошка, заканчивается, но, так как порошок в этот момент зажат под давлением в форме — то и вид конечного изделия повторяет форму. Серьезный недостаток такого метода в том, что нужно время, которое должно провести изделие в форме, чтобы набрать прочность, достаточную для раскрытия формы без разрушения, поэтому во многих задачах бакелит вытеснен термопластичными материалами, термопластавтомат может производить изделия заданной формы значительно быстрее.