პოლიმერული მატრიცები
პოლიმერული მატრიცები – პოლიმერი (ბერძ. polymers მრავალგვარი < poly- ბევრი და -mer ნაწილი) არის მაღალმოლეკულური მასის ქიმიური ნაერთი, რომლის მოლეკულები შედგება განმეორებადი მრავალრიცხოვანი რგოლებისაგან. პოლიმერი შეიძლება იყოს არაორგანული, ორგანული, ამორფული ან კრისტალური ნივთიერებების სახით, შედგენილი „მონომერული ჯაჭვის რგოლებისგან“, რომლებიც დაკავშირებული არიან ქიმიური ან კოორდინაციული ბმებით და ქმნიან გრძელ მაკრომოლეკულას. მონომერული რგოლების რაოდენობა პოლიმერში (პოლიმერიზაციის დონე) უნდა იყოს საკმარისად დიდი (წინააღმდეგ შემთხვევაში ნაერთი წარმოადგენს ოლიგომერს [ბერძ. oligos მცირე, პატარა და meros ნაწილი – დაბალი მოლური მასის პოლიმერი (ჩვეულებრივ არაუმეტეს რამდენიმე ათასეულისა), რომლებშიც ჯერ კიდევ არ დაწყებულა მაკრომოლეკულების მოქნილობასთან დაკავშირებული სპეციფიკური თვისებების გამოვლენა. გადამუშავების პროცესში ოლიგომერებისგან მიიღება მაღალმოლეკულური პოლიმერები]. მოლეკულა რომ პოლიმერს მივაკუთვნოთ, ხშირ შემთხვევაში რგოლების რაოდენობა შეიძლება საკმარისად ჩავთვალოთ, თუკი მორიგი მონომერული რგოლის დამატებისას ნივთიერების მოლეკულური თვისებები არ იცვლება. როგორც წესი, პოლიმერის მოლეკულური მასა რამდენიმე ათასიდან რამდენიმე მილიონამდე აღწევს. შესაბამისად, მაღალი მოლეკულური მასა იძლევა უნიკალურ ფიზიკურ თვისებებს, როგორიცაა სიბლანტე, ბლანტდრეკადობა, მინის წარმოქმნა და მიდრეკილება ნახევრდკრისტალური სტრუქტურების (და არა კრისტალების) შექმნისადმი. მექანიკური სიმტკიცის, ელასტიკურობის, ელექტროსაიზოლაციო და სხვა ძვირფასი თვისებების გამო პოლიმერისგან დამზადებულ ნაწარმს იყენებენ მრეწველობაში, მშენებლობაში, ყოფაცხოვრების მრავალ სფეროში და სხვ. პოლიმერები ნივთიერებებია, რომელთაც ერთნაირი ქიმიური შედგენილობა აქვთ, მაგრამ განსხვავდებიან მოლეკულაში ატომების სხვადასხვა რაოდენობით. პოლიმერული მატრიცა კომპოზიტურ მასალას ანიჭებს მონოლითურობასა და აუცილებელ ფორმას. აერთიანებს მაარმირებელ ბოჭკოებს ერთ მთლიანად და კომპოზიტს აძლევს საშუალებას მიიღოს გაჭიმვის, კუმშვის, ღუნვის, ძვრის ძაბვები. გარდა ამისა მატრიცა მონაწილეობს კომპოზიტის მზიდუნარიანობის ჩამოყალიბებაში და უზრუნველყოფს ძალვების გადაცემას ბოჭკოებისათვის. მატრიცის პლასტიკურობის გამო არ ხდება ნაკეთობაში დეფექტების ირგვლივ ძაბვების კონცენტრაცია (ხდება ძაბვების გადანაწილება), რაც დადებითად მოქმედებს მზიდუნარიანობაზე. პოლიმერულ მატრიცაზეა დამოკიდებული კომპოზიტური მასალის თბო- და ტენმედეგობა, აგრეთვე მედეგობა აგრესიული გარემოს მიმართ, სიმტკიცის, დიელექტრიკული და სხვა თვისებები. ყოველივე ზემოთ ჩამოთვლილის გამო, კომპოზიტში მატრიცას შეარჩევენ ნაკეთობის საექსპლუატაციო პირობების მიხედვით.
საერთოდ, რაოდენობრივად რაც ნაკლებია შემკრავი (იმავემატრიცა, იმავეფისი) კომპოზიტში (სრული გაჟღენთვის პირობიდან), მით მეტია მზა პროდუქციის სიმტკიცე და ნაკლებია მისი წონა.
პოლიმერულ კომპოზიტებში მატრიცულ მასალებად გამოიყენება თერმორეაქტიული და თერმოპლასტიკური შემკვრელები (პლასტმასები).
სარჩევი |
თერმორეაქტიული პლასტმასი
(რეაქტოპლასტი) პლასტმასის ისეთი სახეობაა, რომელიც პლასტიკურობას იღებს მხოლოდ დამზადების პროცესში და გაცივებისას მყარდება, ხოლო ხელმეორედ გახურებისას ინარჩუნებს სტრუქტურასა და ფორმას თვით დაშლისა და წვის პროცესშიც კი, ანუ ხელმეორედ გახურებისას აღარ გადადის პლასტიკურ მდგომარეობაში.
არსებობს მაღალი სიმტკიცის თერმოპეაქტიული პლასტმასის შემდეგი ჯგუფები: ფენოპლასტი (ფენოლფორმალდეჰიდური ფისის საფუძველზე), ამინოპლასტი (შარდოვანა და მელამინოფორმალდეჰიდური ფისის საფუძველზე), ეპოქსიპლასტი (ეპოქსიდური ფისის საფუძველზე), ეთეროპლასტი (აკრილური ოლიგომერების საფუძველზე), იმიდოპლასტი (ოლიგომიდების საფუძველზე). მსუბუქი თერმორეაქტიული პლასტმასის ყველაზე გავრცელებული მასალებია ქაფფენოპლასტი და ქაფპოლიურეთანი.
თერმოპეაქტიული პლასტმასის დადებითი თვისებებია: მაღალი სიმტკიცე (50-100 მპა), რომელიც ზოგი ტიპის პლასტმასისთვის აღემატება ფოლადის სიმტკიცეს (1000 მპა); მცირე სიმკვრივე, რომელიც იცვლება 20 კგ/მ3-დან (ქაფპლასტი)2000 კგ/მ3-მდე (მინაპლასტიკი); ელექტრომაგნიტური სხივების დაუბრკოლებელი გატარება; ანტიმაგნიტურობა, მაღალი ელექტროიზოლაცია, ქიმიური და ბიომედეგობა, გადამუშავების სიმარტივე, ელემენტისათვის სხვადასხვა ფორმის მიცემის შედარებითი სიადვილე, აფსკებისა და ქსოვილების წარმოება, წებოვანი და შედუღებით შეერთების განხორციელების სიმარტივე და სხვ. ტექნოლოგიური თვისებების რეგულირებისთვის ფართოდ გამოიყენება გამხსნელი, გამამყარებელი და საპოხი მასალები, აგრეთვე პლასტიფიკატორები და ელასტიკურობის მიმნიჭებელი დანამატები. კომპოზიტებში გამოყენებული თერმორეაქტიული შემკვრელი წარმოადგენს ადვილადხსნად პროდუქტებს (ფისებს), რომლებსაც თვისება აქვთ გაცხელებისას გამამყარებლებისა და კატალიზატორების ზემოქმედებით მიიღოს შეუქცევადი ბადისებრი სტრუქტურა. თერმორეაქტიულ პოლიმერულ მატრიცებში ფართოდ გამოიყენება ფენოლფორმალდეჰიდური, პოლიეთერული, სილიციუმორგანული, ეპოქსიდური შემკვრელები (ფისები), აგრეთვე შემკვრელი ციკლური ოლიგომერების საფუძველზე (პოლიიმიდური).
თერმოპლასტიკური პლასტმასი
პლასტმასის ისეთი სახეობაა, რომელიც გახურებისას რბილდება, ხოლო გაცივებისას გადადის მყარ მდგომარეობაში. ასეთი პლასტმასა ადვილად ჯირჯვდება და იხსნება სხვადასხვა ორგანულ გამხსნელში. მშენებლობაში გამოყენებული თერმოპლასტიკური პლასტმასის სახეებია: პოლიმეთილმეტაკრილატი (ორგანული მინა, პლეკსიგლასი), ვინიპლასტი, პოლისტირენი, პოლიეთილენი, დაბალი და მაღალი სიმკვრივის პოლიეთილენი, ნეილონი, აცეტილცელულოზა, პოლივინილაცეტატი, აცეტალთანაპოლიმერი, პოლიტეტრაფთორეთილენი, აკრილნიტრილბუტადიენსტირენი, პოლივინილფთორიდი, პოლიკარბონატი, ეთილცელულოზა და სხვ. კომპოზიტებში გამოყენებული თერმოპლასტიკური შემკვრელი წარმოადგენს მაღალმოლეკულურ ხაზოვან პოლიმერებს (ბოჭკო, აფსკი, ფხვნილი), რომლებიც გახურებისას ლღვება, ხოლო გამყარებისას იბრუნებს თავდაპირველ თვისებებს.
პოლიეთერული ფისი
პოლიეთერული ფისი წარმოადგენს გაჯერებულ რთულ ეთერს, მათ ნარევს ერთმანეთში ან დაბალმოლეკულურ მონომერებთან. შემკვრელები პოლიეთერული ფისის საფუძველზე მყარდება როგორც ოთახის, ისე მაღალ ტემპერატურაზე. პოლიეთერებს მყარ მდგომარეობაში ახასიათებთ მაღალი მედეგობა წყლის, მინერალური ზეთების, არაორგანული მჟავების, ორგანული გამხსნელების მიმართ; კარგი დიელექტრიკული თვისებები. პოლიეთერული შემკვრელები სხვა მასალებისგან განსხვავებით, გამოირჩევა პოლიმერის დაბალი სიბლანტით, გამყარებით ტემპერატურის ფართო ინტერვალში, სხვა ფისებით მოდიფიცირების სიმარტივით და სხვ. უარყოფითი თვისებებია: მყარ მდგომარეობაში მექანიკური მახასიათებლების დაბალი დონე; მცირე ადჰეზია შემვსებთან; შემკვრელის დაბალი ცხოველუნარიანობა; დიდი ჯდენადობა გამყარებისას; ტოქსიკური მონომერების (მაგ., სტირენი) არსებობა შედგენილობაში და სხვ.
სილიციუმორგანული ფისები
მკვეთრად განსხვავდება სხვა შემკვრელებისგან მუშაუნარიანობით ტემპერატურის ფართო დიაპაზონში (200-350°C), მდგრადობით ორგანული გამხსნელებისა და მინერალური მჟავების მიმართ, მაღალი დიელექტრიკული თვისებებით. უაყოფითი თვისებებია: დაბალი მექანიკური მახასიათებლები 100°C ტემპერატურაზე ქვევით, ფორმაწარმოქმნისას შედარებით მაღალი წნევის საჭიროება, გამყარების დიდი დრო და სხვ.
ეპოქსიდური ფისები
ბევრი დადებითი თვისების გამო ყველაზე ფართოდ გამოიყენება კომპოზიტურ კონსტრუქციებში. ეპოქსიდი წარმოადგენს გაჯერებულ სამწევრა ჰეტეროციკლს [ჰეტერო (ბერძ. héteros სხვა, განსხვავებული, ორიდან ერთი) – რთული სიტყვის პირველი შემადგენელი ნაწილი (წინსართი), ნიშნავს სხვას (ჰომო-ს საპირისპირო)], რომელიც ციკლში შეიცავს ჟანგბადის ერთ ატომს. ნორმალურ პირობებში იგი არის ეთილენის ჟანგი – სითხე ეთერის სუნით, კარგად იხსნება ორგანულ გამხსნელებში, დუღილის ტემპერატურა მეტი აქვს, ვიდრე მარტივ ეთერებს, რომლებიც მოლეკულური მასით ახლოს არიან ეპოქსიდთან. ეპოქსიდური ფისების გამყარება მატრიცებში ხდება გამამყარებლისა და კატალიზატორის თანხლებით და მიმდინარეობს დაბალმოლეკულური ნივთიერებების გამოყოფის გარეშე და მცირე მოცულობითი ჯდენებით (1-5%). ეპოქსიდურ შემკვრელებს ახასიათებთ: მაღალი მექანიკური და ადჰეზიური თვისებები, რაც საშუალებას იძლევა თითქმის სრულად იქნას გამოყენებული მაარმირებელი ბოჭკოს მახასიათებლები; ტექნოლოგიურობის მაღალი მაჩვენებელი უზრუნველყოფს მაარმირებელი ბოჭკოების გაჟღენთვას, ნაკეთობის ფორმირებასა და მის საბოლოო გამყარებას. ეპოქსიდური შემკვრელების ექსპლუატაციის ტემპერატურაა 150-200°C. უარყოფით თვისებებს მიეკუთვნება დაბალი თბომედეგობა.
ოლიგოციკლური შემკვრელები
მიეკუთვნება ძირითადად პოლიიმიდების (პოლიმერების კლასი, რომელიც ძირითად ჯაჭვში შეიცავს იმიდურ ციკლებს, როგორც წესი, კონდენსირებულს არომატული ან სხვა ციკლებით) ჯგუფს. გამოიყენება მატრიცებში, რომელთა სამუშაო ტემპერატურაა 300-350°C, ხოლო ფორიანობა არ აღემატება 1-3%-ს. მათ გამოარჩევს მაღალი თბო და თერმომედეგობა, მექანიკური მახასიათებლები, წინაღობა აგრესიული გარემოს მიმართ, ზომების სტაბილურობა და სხვ. უარყოფით თვისებებს მიეკუთვნება ნაკეთობის დამზადების მნიშვნელოვანი ტექნოლოგიური სირთულეები.
ფენოლფორმალდეჰიდურ, სილიციუმორგანულ და პოლიიმიდურ შემკვრელებს აქვთ დაბალი დრეკადობის მოდული და დეფორმაციებისადმი მაღალი მდგრადობა, ხოლო სიმტკიცე სამივეს თითქმის ერთნაირი აქვს.
კონსტრუქციული მოსაზრებით პრაქტიკულად უმჯობესია თერმოპლასტიკური შემკვრელების გამოყენება, რადგან მათ არ ახასიათებთ მოცულობაში ნარჩენი ძაბვების არსებობა, რაც აადვილებს ნაკეთობის დამზადების ტექნოლოგიურ პროცესს, ამცირებს ფორმაწარმოქმნის ციკლებს და ა.შ. საბოლოო ჯამში ასეთი კომპოზიტების გამოყენება საგრძნობლად ამცირებს მზა პროდუქციის ღირებულებას. თუმცა, უნდა გავითვალისწინოთ, რომ თერმოპლასტიკური კომპოზიტების გამოყენება მიზანშეუწონელია ნორმალურზე მაღალი ტემპერატურის პირობებში.
კომპოზიტური კომპონენტების შეთავსება მატრიცაში მიმდინარეობს თხევადფაზური ან მყარფაზური მეთოდებით [ფაზა – შენადნობის სტრუქტურული მდგენელი, რომელსაც აქვს ერთგვაროვანი (ჰომოგენური) კრისტალური აგებულება და აგრეგატული მდგომარეობა, გამოყოფილი სხვა ნაწილებისაგან ზედაპირული საზღვრით, რომლის დარღვევისას შემადგენლობა და თვისებები იცვლება ნახტომისებურად].
