Композиции полимеров

12 Апреля в 9:23 3210 0


Полимеры редко используются в чистом виде по тем же самым причинам, по которым чистые металлы редко используются по сравнению со сплавами. Вместо использования полимера в чистом виде, проводятся различные модификации их состава для улучшения свойств полимеров.

 

Об одной из таких модификаций уже упоминалось, когда рассматривалось сшивание полимерных цепей для получения термореактивных полимеров из термопластичных. Поскольку термореактивные полимеры не могут размягчаться и принимать нужную форму, она должна быть придана материалу до проведения сшивания, и это налагает серьезные ограничения на технологию изготовления изделия. Существуют другие технологические методы изготовления полимерных изделий, такие, как смешивание, сополимеризация и получение композитов.

 

Смешивание

 

Смешивание — это процесс, наиболее часто используемый для изготовления термопластичных полимеров. Он представляет собой смешивание двух или большего числа полимеров перед тем, как придать полимерному изделию заданную форму. Свойства смешанного полимера обычно находятся где-то посередине между свойствами составляющих его компонентов. Так как смешиваемые полимеры должны обладать способностью к смешиванию (то есть, свободно совмещаться друг с другом), их химические составы должны быть схожими. Это налагает ряд ограничений на изменение свойств, которое можно было бы получить путем проведения процесса смешивания.

 

Сополимеры

 

Альтернативой смешиванию является процесс, называемый сополимеризацией. Сополимеризация — соединение двух полимеров в процессе их совместной полимеризации. Например, если мономер А и мономер В смешать перед полимеризацией, то они будут сополимеризоваться с образованием полимерных цепей, состоящих как из элементарных звеньев А, так и из звеньев В. Последовательность соединения исходных мономеров, образующих полимер, может быть произвольной, и в этом случае будет образовываться неупорядоченный (атактический) сополимер, молекулярная цепь которого приведена ниже:

 

-А-А-А-А-В-В-А-В-А-В-В-В-А-А-В-В-А-В-

 

Если мономеры более склонны к самополимеризации, чем к совместной полимеризации, это приведет к образованию блок-сополимера, в макромолекулах которого соединены блоки каждого гомополимера:

 

-А-А-А-В-В-В-В-А-А-А-В-В-В-

 

 В таких системах можно получать полимеры со свойствами, существенно отличающимися от свойств гомополимеров в отдельности. Например, один исходный полимер может быть совершенно жестким, а другой — очень гибким. Получение блок-сополимера позволит регулировать степень жесткости конечного материала за счет регулирования длины блоков и относительного количества каждого полимера в композиции.

 

Примером блок-сополимера является АБС (акрилонитрилбудадиенстирол), полученный из смеси трех полимеров. Акрилонитрил и стирол сополимеризуются, образуя стекловидный блок-сополимер, и одновременно бутадиен образует сферические эластомерные глобулы, связанные с жесткой полимерной матрицей. Хотя этот материал имеет более низкую жесткость и сопротивление крипу, чем полистирол, он обладает значительно большей прочностью и упругостью, что позволяет его рассматривать в качестве конструкционного материала для производства корпусов автомобилей.

 

Пластификаторы

 

Если вещество с низким молекулярным весом добавить в полимер, то это приведет к снижению температуры стеклования и модуля упругости материала. Эти вещества, называемые пластификаторами, уменьшают силы притяжения между цепями полимеров, благодаря чему цепи становятся более гибкими, и могут скользить относительно друг друга при температурах более низких, чем температура их стеклования. Таким образом, введение пластификатора снижает температуры стеклования материала Тс.

 

При добавлении достаточного количества пластификатора, хрупкий полимер может превратиться в мягкий, гибкий и вязкий.

 

Обычно пластификаторы добавляют в полимеры для улучшения их текучести (и, следовательно, технологичности), а также для снижения хрупкости материала. В качестве примера можно привести поливинилхлорид, который в чистом виде является очень жестким полимером, однако добавка пластификатора позволяет превратить его в гибкий материал, пригодный для изготовления шлангов.

 

Основным требованием, которому должен отвечать пластификатор, является его совместимость с полимером, и постоянство действия. Совместимость означает, что пластификатор должен обладать способностью к смешиванию с полимером, и необходимым условием этого является одинаковый порядок сил межмолекулярного взаимодействия в полимере и пластификаторе.

 

Для того, чтобы пластификатор действовал постоянно и не мог с легкостью выделяться из материала, он должен иметь низкое давление паров и низкую скорость диффузии через полимер.

 

Примером использования пластификаторов в стоматологии является процесс изготовления мягких подкладок под съемные зубные протезы, при проведении которого дибутилфталат смешивают с полиметил- или полиэтилметакрилатом.

 

Композиты

 

Композитом называется комбинация материалов, в которой каждый компонент сохраняет свои индивидуальные физические свойства. Или, что более важно, композит — это материал, состоящий из нескольких фаз, имеющий улучшенные свойства по сравнению со свойствами каждой из фаз в отдельности.

 

В композитах, состоящих из двух компонентов, выделяют две фазы — матрицу и наполнитель, при этом, матрица является тем компонентом, который связывает между собой частицы наполнителя. Прекрасными примерами природных композитов являются эмаль и дентин: они состоят из органической матрицы (коллагена, протеинов, воды) и неорганического наполнителя (гидроксилапатита).

 

Можно создать великое множество разных по структуре композитов, простейшая классификация которых приведена на схеме, представленной на Рис. 1.6.9. У наполненных композитов (с порошкообразными частицами наполнителя) матрица может быть как термопластичным, так и термореактивным полимером. Частицы наполнителя могут быть введены в состав такого композита лишь для снижения его себестоимости, или выполнять какую-то особую роль, например, для придания окраски бесцветному полимеру. Однако чаще, их используют для повышения механической прочности полимерных материалов. Например, включение стекла в состав полимера увеличивает жесткость материала, а в некоторых случаях повышает его механическую прочность.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.6.9.jpg

Рис. 1.6.9. Классификация композитных материалов (композитов). ( Упрощенная схема по данным Callister WD (1994) Materials science and engineering an introduction. John Wiley&Sons, New York 1994)

 

Текучесть эластомерных оттискных материалов можно регулировать путем введения определенных количеств наполнителя. Форма и распределение частиц наполнителя играют немаловажную роль в модификации (изменении) свойств полимерных материалов. В полимер можно вводить не только частицы наполнителя, но и волокна или усы ( монокристаллические образования). Введение волокон в полимерную матрицу может оказать серьезное влияние на свойства конечного композита. Продуманное армирование полимерной матрицы волокнами приводит к значительному увеличению прочности и жесткости материала, и, в то же самое время, позволяет сохранить его низкий вес. Усы — это очень тонкие кристаллы, обладающие предельно высоким соотношением между своей длиной и диаметром. Примером усов являются кристаллы фторканазита, изображенные на Рис. 1.6.10. Типичные значения пределов прочности на растяжение усов и волокон из разных материалов представлены в Таблице 1.6.2. Волокна могут быть короткими или длинными, их можно распределить в полимерной матрице самыми разными способами в зависимости от тех свойств, которые требуется получить (Рис. 1.6.11).

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.6.10.jpg

Рис. 1.6.10. Кристаллы фторканзита при большом увеличении

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.6.11.jpg

Рис. 1.6.11. Схематичное представления типов армирующих волокон: (а) непрерывные волокна; (Ь) короткие однонаправленные волокна; (с) беспорядочно расположенные короткие волокна

 

Примерами полимеров, армированных тканными или сетчатыми материалами, являются слоистые пластики, материалы, составленные из листов, уложенных один на другой, каждый из которых состоит из расположенных в определенном направлении волокон. Такие композиты, (точнее слоистые пластики, например, текстолиты или стеклопластики), обладают высокой прочностью в разных направлениях (Рис. 1.6.12).

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.6.12.jpg 

 Рис. 1.6.12. Структура армированных слоистых пластиков; тонкие листы армирующих волокон с разным направлением, уложенные друг на друга

 

Таблица 1.6.2 Прочность при растяжении волокон и усов

 stomatologicheskoe_materialovedenie_table_1.6.2.jpg

В стоматологии чаще всего применяются порошкообразные наполнители. Двумя самыми важными областями использования порошкообразных наполнителей являются оттискные материалы и композиты на полимерной основе для пломбирования или реставрации зубов. Интерес к применению композитов растет, не только в качестве пломбировочных материалов, но и для изготовления полимерных мостовидных протезов, армированных стекловолокном, а также, эндодонтических культевых вкладок.

 

Клиническое значение

 

Полимеры - группа материалов многоцелевого назначения. При комнатной температуре они могут быть жидкими и твердыми, хрупкими или эластичными в зависимости от своего химического состава и строения. 

Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт
Похожие статьи
показать еще
 
Стоматология и ЧЛХ