Знание закономерностей влияния добавок позволяет создавать композиции с заданными свойствами, которых не имеет исходный полимер.

В этом разделе будут рассмотрены способы придания полимерным материалам специальных свойств.

Снижение горючести полимерных материалов

Горючесть материалов оценивается рядом характеристик: способностью к воспламенению, скоростью горения, составом продуктов горения, интенсивностью выделения тепла и, наконец, составом атмосферы, при котором возможно горение. Принято подразделять полимерные материалы на негорючие, трудногорючие, трудновоспламеняющиеся и легковоспламеняющиеся. Коэффициент горючести (К) у таких материалов соответственно составляет <0,1; 0,1-0,5; 0,5-2,1; >2,1. Чем выше коэффициент горючести, тем более горючим и опасным является полимерный материал. Коэффициент горючести определяется отношением количества тепла, выделившегося при сгорании образца заданной массы к количеству тепла, подведенного к нему от источника зажигания.

Состав атмосферы, при котором происходит горение, оценивают, с одной стороны, минимальной мольной концентрацией кислорода, достаточной для поддержания горения подожженного образца материала. Этот показатель называется кислородным индексом (КИ) и имеет для различных полимеров значения от 15 до 95. С увеличением КИ горючесть материала уменьшается.

С другой стороны, состав атмосферы горения оценивается выделяющимися при горении продуктами: дымом и газами, т.к. продукты горения, как правило, токсичны, а дым, к тому же, изменяет прозрачность атмосферы, что затрудняет борьбу с пожаром и эвакуацию людей из зоны возгорания полимера. Оптическая плотность дыма изменяется от 0 до 535, и с ее увеличением растет интенсивность дымовыделения.

Особо важны показатели горючести для полимерных материалов, используемых в авиации, судостроении, автомобилестроении, на железнодорожном транспорте, в строительстве и других объектах, связанных с большими потоками людей или высокой скоростью перемещения объекта в пространстве, что способствует быстрому распространению возгорания и затрудняет ликвидацию пожара.

Снижения горючести полимерных материалов можно достичь двумя путями. Первый заключается в химической модификации полимерной молекулы путем введения в полимерную цепочку некоторых химических элементов, например, хлора, брома, фосфора, азота и др. Примером может служить поливинилхлорид, в макромолекулах которого присутствует хлор. Кислородный индекс ПВХ равен 49. Другим примером может быть политетрафторэтилен (фторопласт-4), имеющий кислородный индекс 95. Для сравнения: кислородный индекс полиэтилена составляет всего 17,4.

Другим способом создания полимерных материалов с пониженной горючестью является создание полимерной композиции, имеющей в своем составе антипирены - различные добавки, понижающие горючесть. Механизм действия антипиренов заключается либо в выделении при термодеструкции продуктов, препятствующих горению, либо способствующих коксообразованию полимеров.

Широко распространено использование негорючих минеральных добавок, сохраняющих свою устойчивость при температурах вплоть до 1000 °С. К ним относятся оксиды, например, оксид сурьмы (Sb2O3), а также силикаты, графит и другие добавки. Кроме того, в качестве минеральных добавок, снижающих горючесть полимеров, используются вещества со сравнительно низкой температурой разложения. Так карбонаты, гидрокарбонаты, гидроксиды металлов при нагревании до 400 °С выделяют большие количества негорючих газов и вследствие этого снижают горючесть полимерного композита.

В качестве антипиренов используют также хлор-, бром-, фосфорсодержащие вещества, например, хлорпарафин, гексабромбензол, трикрезилфосфат и др. Использование антипиренов - эффективный способ снижения горючести материалов и изделий на основе полимеров, позволяющий создавать самозатухающие материалы, применение которых возможно и в строительстве, и на транспортных средствах.

Регулирование фрикционных свойств полимерных материалов

Трение играет огромную роль, как в обыденной жизни, так и в работе различных машин и механизмов. Качение автомобильного колеса или хождение человека по земле было бы невозможным, если бы не существовало трения. В то же время существует множество устройств, в которых необходимо уменьшить силу трения и тем самым повысить эксплуатационные характеристики машин. Поэтому перед создателями техники всегда стоят задачи регулирования силы трения, в том числе за счет использования специальных материалов с повышенными фрикционными или антифрикционными свойствами. В процессе трения участвуют два материала: тело и контртело.

С молекулярной точки зрения при трении преодолеваются адгезионные связи, всегда имеющиеся между двумя контактирующими материалами. Сила внешнего трения определяется сопротивлением перемещению относительно друг друга двух тел. Вектор этой силы направлен в сторону, противоположную направлению движения.

Полимеры широко используются в качестве фрикционных и антифрикционных материалов, для чего их свойства регулируют путем введения в композицию специальных добавок.

Полимерные материалы отличаются от других материалов относительно быстрым разрушением поверхностного слоя при трении, причем разрушение протекает тем интенсивнее, чем выше температура материала.

Полимеры, обладающие высокими антифрикционными свойствами, такие, как политетрафторэтилен, полиамид, полиэтилен, полиформальдегид и другие, могут использоваться в узлах трения при низких механических нагрузках (табл. 5).