Целесообразность применения изделий из пластмасс

Применение пластмасс в конструкциях машин, в первую очередь, диктуется техническими соображениями, но при этом важную роль играет и экономическая целесообразность.

Так, пластмассы обладают рядом положительных характеристик:

1. низкой стоимостью (по сравнению с металлами или другими материалами);
2. малой плотностью (плотность большинства пластмасс составляет 900…2200 кг/м³, что примерно в 5..8 раз ниже, чем плотность стали);
3. значительной удельной объемной прочностью;
4. хорошими электро-, тепло- и звукоизоляционными свойствами;
5. высокой технологичностью;
6. стойкостью к различным агрессивным средам (в отличие от металлов пластмассы обладают повышенной стойкостью к воздействию кислот, щелочей, солей и растворителей);
7. возможностью придания выраженных антифрикционных или фрикционных свойств;
8. прозрачностью и способностью окрашиваться;
9. устойчивостью к вибрациям.

Следует отметить, что в зависимости от соотношения компонентов, используемых для производства пластмасс и технологического режима, можно получить материалы с заданными свойствами.

После длительного действия на пластмассы постоянной нагрузки их прочность снижается. Поэтому они не применяются там, где на них действуют в процессе эксплуатации постоянные (хотя и допускаемые) нагрузки. При этом (благодаря своей эластичности) пластмассы лучше, чем металлы, выдерживают переменные нагрузки.

Предел прочности и модуль упругости у пластмасс значительно меньше, чем у сталей. По этой причине пластмассы не используются там, где требуется высокая жесткость изделий. Для повышения жесткости пластмассовые детали иногда армируют металлом. У одной из наиболее прочных пластмасс — стеклопластика предел прочности при растяжении достигает 700 МПа.

Пластмассы могут работать в следующем интервале температур: от –50 до +80 °С (термопласты), до 120 °С (реактопласты), до 500 °С (пластмассы на основе кремнийорганических полимеров и фторопласты). Большинство пластмасс при температуре 250…350 °С подвергается деструкции, т. е. процессу разложения полимера на мономеры и другие вещества (воду, углекислый газ, альдегиды и т. п.). Низкая теплостойкость является главным недостатком пластмасс как конструкционных материалов, поскольку с повышением температуры их прочность уменьшается (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость прочности пластмасс от температуры: 1 — термопласты; 2 — реактопласты

Морозостойкость пластмасс характеризует изменение их механических свойств, происходящее при отрицательных температурах. Большинство пластмасс при отрицательных температурах (особенно термопласты) теряют пластичность и становятся хрупкими.

Следует отметить, что пластмассы обладают значительно меньшей теплопроводностью, чем металлы (в 500…600 раз).

Пластмассы стареют, т. е. со временем изменяют свои свойства под воздействием теплоты, влаги и света. Основной причиной старения пластмасс является деструкция и окисление полимеров под воздействием солнечных лучей и тепла. Относительная недолговечность пластмасс (по сравнению с металлами) является их серьезным недостатком

Использование пластмасс в автомобилестроении обеспечивает:

1. снижение металлоемкости конструкций;
2. повышение безопасности конструкций (за счет применения полужестких, эластичных пенополиуретанов для изготовления сидений, рулевых колес, подлокотников, потолков, панелей приборов, бамперов и других деталей);
3. увеличения долговечности конструкций (за счет использования пластмассовых покрытий деталей, обращенных к полотну дороги, и применения крыльев, фартуков, бамперов и других деталей, изготовленных из пластмасс);
4. сокращение трудоемкости (за счет высокой технологичности пластмасс).

Следует отметить, что наиболее широко применяются такие пластмассы, как полиэтилен, сополимер этилена с винилацетатом, полипропилен, полиамид, поликарбонат. Их используют для изготовления бамперов, дверей, багажников, капотов и проч.

Применение пластмасс значительно сокращает капиталовложения, так как уменьшается трудоемкость проектных работ и потребность в оборудовании. Экономичность применения пластмасс (в производстве) выражается в снижении себестоимости, массы изделия, затрат на материал (материалоемкости), трудоемкости изготовления деталей из пластмасс (по сравнению с металлическими деталями), т. е. уменьшении величины зарплаты на единицу изделия; сокращения производственного цикла, а также сроков проектирования и освоения новых конструкций.

Экономичность применения пластмасс в эксплуатации выражается в снижении массы конструкции, уменьшении эксплуатационных затрат (на смазывание, ремонт и т. д.), повышении эксплуатационной надежности машины, расширении технических возможностей работы конструкции и повышении значений ее технико-экономических параметров (грузоподъемности, КПД, срока службы и т. д.).

Следует отметить, что снижение материалоемкости конструкции и связанная с этим экономия металлов являются важнейшей народнохозяйственной задачей.

Пластмассовые детали снижают материалоемкость в связи с меньшей массой деталей и значительно более высоким коэффициентом полезного использования материала (в среднем Κ_исп ≈ 0,9…0,95; т. е. при прессовании ≈ 0,9; при литье и выдавливании ≈ 0,95). Затраты на материал составляют 40…75 % всех затрат на изготовление машин, поэтому экономия материала — один из важнейших резервов снижения себестоимости машин. Иногда из-за высокой стоимости некоторых пластмасс снижение массы материала на конструкцию не приводит к уменьшению затрат на материал, но при этом необходимо учитывать и другие выгоды. Так, при изготовлении металлических деталей требуется три вида обработки (литье, термообработка, механическая обработка) с большим числом операций (до 30…50), а пластмассовых деталей — только один вид обработки (формообразование детали методом пластической деформации).

Таким образом, замена металлических деталей пластмассовыми изделиями в некоторых случаях весьма эффективна. При этом уменьшается масса конструкции (в 4…5 раз); снижается трудоемкость изготовления деталей (примерно в 4…5 раз), а число операций и их трудоемкость уменьшается в 5…6 раз, что сокращает длительность производственного цикла и высвобождает оборотные средства. Капиталовложения (затраты на здания, оборудование, инвентарь) также уменьшаются в 4…6 раз. Себестоимость продукции при этом снижается в 2…3 раза.

Детали из пластмасс дешевле деталей из цветных металлов (в 4…9 раз), а во многих случаях и деталей из черных металлов.

В конструкциях летательных аппаратов, двигателей и приборов пластмассы и другие неметаллические материалы (в среднем) составляют 7…25 % массы дозвуковых транспортных самолетов и до 20…50 % массы ракеты (без топлива).

В сельскохозяйственном машиностроении замена металлокерамических деталей на детали из сополимеров этилена позволяет увеличить срок службы подшипниковых втулок культиваторов в 2,4…3,0 раза. В цементном производстве футеровка сополимерами (взамен стальных листов) увеличивает срок службы бункеров, лотков и желобов в несколько раз. Однако при использовании пластмасс необходимо учитывать их особенности.

Так, на работоспособность пластмассовых деталей большое влияние оказывает процесс их старения.

При длительном нагружении пластмассы склонны к ползучести. Это еще более усугубляет временной характер прочностных свойств пластмасс. Поэтому такие показатели, как предел текучести и предел прочности, которые используются при расчетах металлических конструкций, являются очень условными для пластмасс. В этой связи нельзя решать вопрос о нагрузочной способности пластмассовых деталей, не учитывая времени, в течение которого деталь должна работать.

Некоторые положения, которые должны быть приняты за основу при проектировании пластмассовых изделий, можно сформулировать в виде следующих правил:

1. Детали из пластмасс следует проектировать так, чтобы силовые нагрузки приходились на наиболее прочные сечения, т. е. с учетом направления волокон наполнителя или ориентации макромолекул полимера.
2. Не рекомендуется изготовлять из пластмасс детали, которые в процессе эксплуатации длительно подвергаются постоянным нагрузкам (хотя и допускаемым). Пластмассовые детали работают лучше в условиях действия кратковременных нагрузок.
3. При проектировании деталей из пластмасс следует учесть их ограниченную жесткость, для повышения которой следует предусмотреть ребра жесткости или арматуру.
4. Проектировать из пластмассы можно только такие детали, которые будут работать в оптимальном для данной пластмассы температурном режиме с учетом возможного влияния нагружения на термические характеристики материала.
5. Пластмассы не могут быть использованы для изготовления деталей, которые работают при значительных нагрузках и от которых требуется повышенная точность размеров.

Изготовление изделий с покрытиями из пластмасс позволило использовать сочетание положительных свойств, как пластмасс, так и других материалов для улучшения эксплуатационных характеристик изготавливаемых деталей. Металлические предметы с нанесенным на них покрытием из полимеров сочетают высокую прочность, присущую металлам, и положительные свойства полимеров. Особенно эффективно использование таких покрытий тогда, когда при этом удается заменить дефицитные и дорогие металлы (цветные сплавы, высоколегированные стали) дешевыми углеродистыми сталями.

Водостойкие покрытия применяются для деревянных, картонных, пенопластмассовых, пенобетонных и других изделий.

Поскольку кремнийорганические покрытия не смачиваются водой, то ими покрывают стекла окон транспортных средств. Капли дождя скатываются с таких покрытий, не растекаясь по стеклу, благодаря чему сохраняется хорошая видимость.

С учетом их технологичности и относительно небольшой стоимости пластмассы широко используются для изготовления изделий «одноразового» пользования (упаковка, посуда, ручки и т. д.). При этом происходит интенсивное засорение окружающей среды полимерами и, как следствие, утилизация отходов изделий из пластмасс становится актуальной проблемой для всех стран. Для оказания помощи при утилизации одноразовых предметов, в 1988 году Обществом Пластмассовой Промышленности была разработана система маркировки для всех видов пластика и идентификационные коды. Маркировка пластика состоит из 3-х стрелок в форме треугольника, внутри которого находится цифра, обозначающая тип пластика (рис. 2).

Рис. 2. Идентификация пластмасс

Маркировка обозначает следующее:

• РЕТ или РЕТЕ — полиэтилентерефталат. Обычно используется для изготовления бутылок (минеральной воды, безалкогольные напитки и фруктовые соки), упаковки, обивки. Такие пластики являются потенциально опасными для пищевого использования;
• РЕНD или НDРЕ — полиэтилен высокой плотности. Из него изготовляются некоторые бутылки, фляги, а также полужесткая упаковка. Считаются безопасными для пищевого использования;
• ПВХ или РVС — поливинилхлорид. Используется для производства труб, трубок, садовой мебели, оконных профилей, жалюзи, бутылок моющих средств, клеенки и в напольных покрытиях. Материал является потенциально опасными для пищевого использования, поскольку может содержать диоксины, бисфенол А, ртуть, кадмий;
• LDРЕ и РЕВD — полиэтилен низкой плотности. Используется для производства брезента, мусорных мешков, пакетов,
• пленки и гибких емкостей. Считается безопасным для пищевого использования;
• РР — полипропилен. Используется в автомобильной промышленности (оборудование, бамперы), при изготовлении игрушек, а также в пищевой промышленности, в основном, при изготовлении упаковок. Считается безопасным для пищевого использования;
• РS — полистирол. Используется при изготовлении плит теплоизоляции зданий, пищевых упаковок, столовых приборов и чашек, упаковок (пищевой пленки и пеноматериалов), игрушек, посуды, ручек и т. д. Материал является потенциально опасным, особенно в случае горения, поскольку содержит стирол;
• ОТHЕR или О — прочие. К этой группе относится любой другой пластик, который не может быть включен в предыдущие группы, и не является токсичным для окружающей среды.