Пластические массы — пластмассы, пластики

Пластмассы — материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться в изделия сложной конфигурации и устойчиво сохранять приданную им форму.

Пластические массы относятся к полимерным высокомолекулярным синтетическим материалам. Их (как и металл) можно сваривать, прессовать и прокатывать. Кроме того, из них отливают детали самой сложной формы.

1. Состав, классификация, свойства и применение пластмасс

Пластмассы разделяют на простые и сложные. Простые пластмассы представляют собой чистые полимеры (полиэтилен, органические стекла и др.). Сложные пластмассы состоят из полимера, наполнителя, отвердителя, пластификатора, красителя и смазывающих добавок. Некоторые из перечисленных компонентов в отдельных видах пластмасс могут отсутствовать.

Полимер — основной элемент пластмассы, выполняющий роль связующего вещества. Характерной чертой полимеров является пластичность (способность материала принимать придаваемую ему форму под воздействием тепла и давления и устойчиво ее сохранять).

Наполнитель вводят с целью снижения стоимости материала и обеспечения ему заданных свойств (в первую очередь, прочностных). К наиболее распространенным наполнителям относятся древесная или минеральная мука (порошковые наполнители). Для получения особо прочных пластмасс в качестве наполнителя используют хлопчатобумажные и стеклянные ткани, бумагу или древесный шпон (тонкий лист древесины). Такие пластмассы называют слоистыми пластиками.

Пластификатор используют для повышения пластичности пластмасс. В качестве пластификаторов применяют эфиры многоатомных спиртов и многоосновных кислот.

Отвердитель (ингибитор) применяется для ускорения перехода термореактивных смол в неплавкое состояния или в твердое состояние термопластичных смол.

Смазывающие добавки повышают текучесть материала при переработке и предупреждают прилипание изделия к формообразующей оснастке.

Антистарители (антиокислители) используют для замедления процесса окисления пластмасс (особенно при повышенной температуре и воздействии света).

Красители служат для придания пластмассам требуемого декоративного вида, а также для уменьшения влаго- и светопоглощения.

Кроме того, в пластмассы вводят стабилизаторы, которые связывают низкомолекулярные продукты разложения полимеров, ускорители или замедлители процесса отверждения пластмасс.

В зависимости от химической природы полимеров пластические массы разделяют на четыре класса.

1. Класс А. Пластические массы на основе высокомолекулярных соединений, получаемых цепной полимеризацией: полиэтилен ВД, полиэтилен НД, пропилен, винипласт и пластикаты на основе поливинилхлорида; полиизобутилен; фторопласты; полистирол и его сополимеры; этинопласты (поливинилбутироль и др.); акрилопласты и др.
2. Класс Б. Пластические массы на основе полимеров, получаемых поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией: фенопласты с различными наполнителями (пресс-порошки, волокниты, текстолиты, стекловолокниты, фаолит и другие); аминопласты; мелалит; эфиропласты; полиамиды (капрон и другие); уретанопласты; эпоксипласты и др.
3. Класс В. Пластические массы на основе химически модифицированных природных полимеров. К ним относятся пластические массы на основе производных целлюлозы (целлулоид, этролы), галолит.
4. Класс Г. Пластические массы на основе природных и нефтяных асфальтов и смол (битумопласты с различными наполнителями).

По виду основного вещества, т. е. его свойств при нагреве, все пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Термопласты отличаются высокой технологичностью и небольшой усадкой при формовке, обладают большой упругостью и не склонны к хрупкому разрушению. Детали из них преимущественно изготавливаются без наполнителя. Термореактивные пластмассы хрупкие и дают большую осадку, поэтому использование наполнителя при изготовлении из них деталей предпочтительно.

2. Термопластичные пластмассы

Термопласты делят на неполярные и полярные. К первым относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4, ко вторым — органическое стекло, фторопласт-3, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты, полиформальдегид и др. Полиэтилен в зависимости от способа полимеризации и достигаемой плотности подразделяют на полиэтилен низкой и полиэтилен высокой плотности, отличающиеся молекулярной массой и степенью кристалличности. Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше его прочность и теплостойкость. Полиэтилен химически стоек и из него изготавливают кислотостойкие трубы, краны, пленки и различную арматуру. Он обладает высокими диэлектрическими свойствами и служит в качестве защитных покрытий от коррозии и тока на металлических изделиях.

Полипропилен обладает высокими физико-механическими свойствами, по которым он превосходит полиэтилен. Полипропилен является сырьем для получения эластичных и устойчивых к кислотам и щелочам волокон. Из пропилена изготавливают пленки, трубы, детали холодильников, мотоциклов и автомобилей. Главным его недостатком является невысокая морозостойкость (до – 20 °С).

Из полистирола получают нити, пленочные материалы, различные легко нагруженные фасонные изделия. Из-за исключительно высоких диэлектрических свойств его широко используют в радиотехнике и электронике. Среди термопластов полистирол наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения. Недостатками полистирола являются невысокая теплостойкость и склонность к трещинообразованию.

Фторопластами называют фторсодержащие полимеры (кроме фторкаучука).

Фторопласт-4 является аморфно-кристаллическим полимером. Он относительно мягок, но охрупчивается при очень низких температурах (до – 270 °С) и не растворяется в кислотах и щелочах. Фторопласт имеет низкий коэффициент трения и по этой причине широко используется при изготовлении подшипников. Из фторопласта-4 делают уплотнительные элементы и химически стойкие детали (трубы, краны, вентили, мембраны и т. д.). Недостатками этого полимера являются токсичность и трудность переработки.

Фторопласт-3 уступает по химической стойкости фторопласту-4, но превосходит по этому показателю другие полимеры. Фтороплст-3 применяют для изготовления деталей насосов, счетчиков, клапанов, а также для изготовления мембран и диафрагм. Изделия из фторопласта-3 могут работать без изменения свойств только при температурах не выше 70 °С.

Органическое стекло — это прозрачный аморфный термопласт. Оно пропускает ультрафиолетовое излучение, отличается высокой стойкостью в атмосфере и не подвергается действию разбавленных кислот и щелочей. Органическое стекло применяется в самолетостроении и автомобилестроении, а также в оптической промышленности.

Из чистой поливинилхлоридной смолы со стабилизаторами получают винипласт который является аморфным полимером. Для винипласта характерна повышенная жесткость и высокая механическая прочность. Он хорошо обрабатывается, сваривается и склеивается. Этот материал не поддерживает горение, химически стоек. Из винипласта изготавливают детали запорной арматуры, используемой в химической промышленности, и элементы крупных вентиляционных систем в помещениях с агрессивной средой. Кроме винипласта из поливинилхлорида получают поливинилхлоридовый пластикат, который, в основном, используется для получения бытовых изделий и в качестве заменителя кожи.

Полиамиды обладают хорошей жидкотекучестью, высокой стойкостью против истирания, низким коэффициентом трения и легко поддаются механической обработке. Наиболее известными пластмассами этой группы являются капрон и нейлон. Из капрона изготавливают детали, используемые в узлах трения, а также втулки, подшипники, шестерни зубчатых передач, которые отличаются масло- и бензиностойкостью. Капрон применяется в авиа- и судостроении. Капроновые волокна используются при изготовлении сетей, строп и т. п. Нейлон обладает более высокой теплостойкостью и износостойкостью, чем капрон и используется для производства синтетических волокон.

Свойства полиуретанов близки к свойствам полиамидов. Уступая полиамидам по прочности и теплостойкости, полиуретаны превосходят их по электроизоляционным свойствам и химической стойкости.

Поликарбонат сохраняет высокую ударную вязкость при повышенных и отрицательных (до – 100 °С) температурах, что обуславливает его использование в качестве конструкционного материала для небольших деталей. Из него изготавливают подшипники, шестерни, медицинское оборудование, радиодетали.

Полиформальдегид относится к линейным полимерам. Его отличает жесткость, твердость, высокие ударная вязкость и упругость, низкий коэффициент трения по стали. Полимер может работать при температурах от + 30 °С до + 130 °С. Из полиформальдегида изготавливают подшипники, шестерни, детали вентиляторов, бытовых машин, автомобилей и т. д.

Механические свойства некоторых термопластов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Свойства термопластичных пластмасс

3. Термореактивные пластмассы

В термореактивных пластмассах связующим веществом служат термореактивные смолы (фенолоформальдегидные, эпоксидные и кремнийорганические).

Термореактивные пластмассы классифицируют с учетом структурного состояния используемого наполнителя на порошковые, волокнистые и листовые.

В качестве порошковых наполнителей используются древесная мука и порошки минерального происхождения (графит, кварц, слюда, асбест). Однородное распределение порошка в связующей массе обеспечивает высокую степень изотропности структуры и механических свойств порошковых пластмасс. Однако их показатели прочности и пластичности достаточно низкие (временное сопротивление 30 МПа, предел прочности при изгибе 60 МПа, ударная вязкость 4…6 кДж/м²).

Пластмассы с минеральными наполнителями обладают химической стойкостью и повышенными электроизоляционными свойствами.

Материалы на эпоксидной основе используются для «залечивания» отливок и восстановления изношенных деталей; а также при изготовлении инструментальной и литейной оснастки.

Пластмассы с волокнистыми наполнителями обладают анизотропией механических свойств. Степень анизотропности определяет длина волокон наполнителя. В зависимости от природы наполнителя различают следующие виды пластмасс: волокниты, асбоволокниты и стекловолокниты. В качестве наполнителя фенолформальдегидных смол соответственно используются очесы хлопка, волокна асбеста и стекловолокно. Волокнистые пластмассы (особенно стекловолокниты), отличаются повышенными теплостойкостью (до 280 °С) и ударной вязкостью (25…150 кДж/м²). Волокниты применяют для изготовления фланцев, шкивов, втулок. Асбоволокниты используются в качестве фрикционных материалов в тормозных системах. Из стекловолокнитов изготавливают детали с резьбой и электротехнические силовые элементы.

К слоистым пластмассам относятся текстолит, гетинакс, асботекстолит, стеклотекстолит и древесно-слоистый пластик (ДСП). В текстолите наполнителем служит хлопчатобумажная ткань. Текстолиты хорошо гасят вибрации и не раскалываются. В этой связи текстолиты являются отличным материалом для изготовления слабонагруженных подшипников и зубчатых колес. В гетинаксе наполнителем служит бумага. Гетинакс используют в качестве электротехнического и декоративного (облицовочного) материала. Асботекстолит на кремнийорганическом связующем отличается высокими теплозащитными и теплоизоляционными свойствами. Свойства стеклотекстолитов зависят от природы связующего. Фенолоформальдегидные смолы, обеспечивают повышенную теплостойкость и лучшие электроизоляционные свойства.

Все большее применение в народном хозяйстве находят кремнийорганические полимеры (силиконы). Важнейшими свойствами применяемых кремнийорганических полимеров являются высокая термическая стойкость, стойкость к воздействию окислительных и агрессивных сред, высокие диэлектрические характеристики. На основе силиконов разработаны клеи, герметики, лаки, эмали, конструкционные материалы, смазки. Для повышения адгезионных свойств лаков и эмалей в состав кремнийорганических смол вводят эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы. Кремнийорганические полимеры применяются в электротехнической промышленности, машиностроении и авиастроении. Кремнийорганические каучуки используются для получения морозостойких и теплостойких резин.

Древеснослоистые пластики с наполнителем из листов древесного шпона имеют хорошие механические свойства и низкий коэффициент трения.

Механические свойства реактопластов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Свойства термореактивных пластмасс