Материаловедение Пластмассы

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.

Пластмассы

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

Материал σв, МПа δ, % Ударная вязкость*, кДж/м2 Максимальная температура эксплуатации (без нагрузки),

°С

Полиэтилен
низкой плотности

(<0,94 т/м3);

10…18 300…

1000

Не ломается 60…75
высокой плотности

(>0,94 т/м3)

18…32 100…600 5…20 70…80
Полипропилен 26…38 700…800 3…15 100
Полистирол 40…60 3…4 2 50…70
АБС (ацетобутиратстирол) 30…55 15…30 8…40 75…85
Поливинилхлорид
жесткий; 50…65 20…50 2…4 65…85
пластикат 10…40 50…350 Не ломается 50…55
Фторопласт-4 20…40 250…500 16 250
Фторопласт-3 37 160…190 8…10 150
Органическое стекло 80 5…6 2 65…90
Поликарбонат
без наполнителя; 60…65 80…120 20…30 135
с 30 % волокна 90 3,5 8 145
Капрон
сухой 75…85 50…130 3…10 80…100
насыщенный водой 35…50 160…250 > 45
сухой + 30 % волокна 180 3 12 100…130
насыщенный водой + 30 %

волокна

100…

125

4 18
Эпоксидный пластик 60 4 > 1,8
То же + 65 % стеклянной ткани

(для сравнения)

500 2,5 130
*ГОСТ 4647—80

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

Материал σв, МПа δ, % Ударная

вязкость*, кДж/м2

Максимальная температура эксплуатации

(без нагрузки), °С

Термореактивные полимеры без наполнителей
фенолоформальдегидные 15…35 1…5 Менее 1 200
полиэфирные 42…70 2 Менее 1 95…120
эпоксидные 28…70 3…6 Менее 1 150…175
кремнийорганические 22…42 5…10 0,5…5 350
Порошковые пластмассы 30…60 1…3 10…20 100…200
Волокниты 30…60 1…3 120…140
Гетинаксы 60…70 4…5 125
Текстолиты 65…100 1…3 20…35 90…105
Стеклотекстолиты 200…600 1…3 50…200 200…400
Пористые пластмассы 0,5…2,5 Около 1
*ГОСТ 4647—80.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *