Свойства и классификация пластмасс

1. Строение и структура пластических масс

Пластмассы (пластические массы) — это материал, полученный на основе высокомолекулярного органического соединения (полимера), выполняющего роль связующего и определяющего основные технические свойства материала.

Полимеры — высокомолекулярные вещества с очень большой молекулярной массой — 10⁵…10⁷. Основа структуры полимеров — микромолекулы, которые построены из многократно повторяющихся звеньев — мономеров.

Получение полимеров связано с образованием химически активных групп и их последующим соединением, в результате чего получаются макромолекулы. Это происходит в результате реакции полимеризации. Полимеризация — это соединение в макромолекулы одинаковых мономеров, обладающих двойной связью.

Структура макромолекул полимера может быть линейной, разветвленной и пространственной, встречаются и другие виды.

Мономеры в макромолекуле связаны между собой сильной ковалентной связью. У полимеров с линейной и разветвленной структурами связь между молекулами слабая. Поэтому при повышении температуры такие полимеры легко размягчаются, становятся пластичными. Это термопластичные полимеры — термопласты. После охлаждения термопласты вновь затвердевают, приобретая первоначальные свойства. Никаких необратимых химических превращений в процессе нагрева и охлаждения термопласты не претерпевают.

Полимеры с пространственно замкнутой (сетчатой) структурой образуются мономерами, имеющими более двух активных связей, все звенья структуры в этом случае соединены ковалентными связями. На первой стадии образования такие

полимеры получают линейную структуру. Пространственная структура образуется на второй стадии в процессе отверждения (оно происходит под воздействием температуры, давления, отвердителей) вследствие протекания необратимых химических реакций, вызывающих возникновение связей между ранее разобщенными макромолекулами (сшивание). Такие полимеры называются термореактивными, или реактопластами. В зависимости от количества связей между макромолекулами различают густосетчатые (с большим количеством связей) и редкосетчатые (с малым количеством связей) полимеры. Термопласты при нагреве сначала размягчаются, а затем образуют высоковязкие жидкости.

Пластмассы могут быть монолитными и газонаполненными (ячеистой структуры). Последние подразделяются на пено- и поропласты.

2. Классификация пластмасс

Пластмассы — это искусственные материалы, основой которых являются полимеры.

При нагреве пластмассы размягчаются, становятся пластичными. В таком состоянии им под давлением придается необходимая форма, сохраняющаяся после охлаждения. Если связующее — термопластичный полимер, переход отформованной массы в твердое состояние совершается при охлаждении. Если связующим является термореактивный полимер, то отверждение происходит при нагреве. Пластмассы по этому признаку делят на две группы: термопластичные и термореактивные.

Основа термопластичных пластмасс — полимеры с линейной или разветвленной структурой. Температура эксплуатации наиболее распространенных термопластов не превышает 60…200°С, при более высоких температурах начинается резкое снижение свойств.

Термореактивные пластмассы. Связующие вещества в этих пластмассах — термореактивные полимеры. Используются фенолформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные смолы. Теплостойкость этих полимеров составляет 200…350°С. В зависимости от эластичности пластмассы делят на три группы:

1. жесткие (модуль упругости 700 МПа и выше);
2. полужесткие (70…700 МПа);
3. мягкие (до 70 МПа).

Пластмассы могут быть одноили многокомпонентными. Состав однокомпонентных представлен только одним полимером. В состав многокомпонентных пластмасс, помимо связующего, могут входить наполнители, пластификаторы, отвердители, красители.

Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу специальные свойства. По виду наполнители пластмасс делят на:

1. порошковые (наполнитель — древесная мука, графит, тальк и др.);
2. волокниты с наполнителем в виде волокон (очесы хлопка и льна), в том числе стеклои асбоволокниты;
3. слоистые с листовым наполнителем (бумага — гетинакс, ткань хлопчатобумажная — текстолит, а также асбои стеклотекстолиты со стеклянной тканью и асбестом);
4. газонаполненные — пенои поропласты (наполнитель — воздух или нейтральные газы).

Пластификаторы повышают эластичность, а также морозои огнестойкость и облегчают прессование. В качестве пластификаторов используют олеиновую кислоту, стеарин.

Отвердители — оксиды некоторых металлов, уротропин. Они способствуют отверждению термореактивных пластмасс.

Красители и пигменты придают пластмассам определенную окраску.

3. Полиэтилен, поливинилхлорид

Полиэтилен и поливинилхлорид относятся к конструкционным полимерным материалам. Это термопластичные пластмассы.

Полиэтилен (ПЭ) (-СH2—CH2-)n — плотный и прочный материал, стойкий к действию органических растворителей, хорошо окрашивается в различные цвета. Применяется, в основном, при изготовлении детской мебели, стульев, кресел различных емкостей, крепежной фурнитуры.

Производится полиэтилен высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления (полимеризация при давлении 100 и 0,1…0,6 МПа и температуре 200…300 и 150°С соответственно). Макромолекулы имеют линейную структуру, что обеспечивает их упаковку в пачки и таким образом облегчает кристаллизацию. Степень кристалличности ПЭНД — 75…95%, ПЭВД — 55…65%. Большая степень кристалличности ПЭНД определяет его большие прочность и теплостойкость. Среднее значение предела прочности при растяжении составляет для ПЭНД около 30МПа, для ПЭВД — 13 МПа.

ПЭ обладает довольно высокой химической стойкостью, при комнатной температуре нерастворим ни в одном известном растворителе.

ПЭ также обладает высокими диэлектрическими свойствами.

Длительное применение ПЭ ограничено температурой 60…100°С. Морозостойкость до –70°С.

Поливинилхлорид (ПВХ) (-CH2—CHCl-)n. На основе поливинилхлорида производятся два вида пластмасс — винипласт и пластикат, в состав которых, в отличие от винипласта, входят пластификаторы. Поливинилхлорид — один из наиболее распространенных синтетических материалов. Он негорюч, обладает высокой химической стойкостью, большой механической прочностью, почти не набухает, устойчив к старению, не имеет запаха, безвреден, легко окрашивается. Он наиболее дешевый и наименее дефицитный, поэтому получил широкое применение при производстве ящиков из погонажных профильных элементов, раскладок, емкостей и т.д. Винипласт имеет высокие прочность и упругость, из него изготавливают строительную облицовочную плитку, защитные покрытия металлических емкостей. Недостатки — низкая длительная прочность и малый интервал температур (от –10 до 60…70°С).

Введение пластификаторов расширяет интервал рабочих температур (от –50 до 160–195°С), повышает эластичность. Пластикат — полярный пластик, он обладает высокими диэлектрическими свойствами в области низких частот. Основное применение пластиката — изоляция проводов, кабелей.

4. Полиамиды и полистирол

Полиамиды и полистирол относятся к термопластичным пластмассам. Используются в качестве конструкционных материалов. Полиамиды — твердые термопластичные полимеры с широко известными названиями: капрон, нейлон, лавсан, в состав которых входят амидная группа (-NH-CO-), а также этиленовые группы (-CH2-), повторяющиеся от 2 до 10 раз.

Полиамиды — кристаллизующиеся полимеры. При одноосной ориентации из них получают волокна, нити, пленки. Свойства разных видов полиамидов близки, они являются хорошим антифрикционным материалом, обладают вибрационными свойствами, высокими показателями прочности при ударных нагрузках и изгибе, имеют высокую жесткость, твердость поверхности, морозостойки. Недостатки полиамидов — гигроскопичность и подверженность старению.

Применяются полиамиды в электротехнической промышленности, для изготовления фурнитуры, стяжек, полкодержателей и других мелких деталей, работающих под большими нагрузками. Их используют также для антифрикционных покрытий металлов.

Полистирол (ПС) (-CH2—CHC6H5-)n является производной этилена. Это твердый, жесткий, прозрачный материал, хорошо окрашивается.

Полистирол наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения по сравнению с другими термопластами. Полистирол растворим в бензоле, но стоек к кислотам, щелочам, маслам. Недостатки полистирола — низкая теплостойкость, склонность к старению и образованию трещин. Полистирол применяют при изготовлении деталей радиотехники, приборов. Ударопрочный полистирол — один из основных конструкционных материалов. Он обладает высокой твердостью, прочностью к ударным нагрузкам, эластичностью, сопротивлением на разрыв; стоек к действию температуры от +65 до –40°С. Применяется при изготовлении ящиков, погонажных элементов детской мебели, крепежной фурнитуры и др.

Модификацией полистирола являются акрилонитрилбутадиеностирольные (АСБ) пластики — сополимеры полистирола с синтетическими каучуками. Они являются ударопрочным материалом, превосходят обычный полистирол по ударной вязкости в 3–5 раз, а по относительному удлинению — в 10 раз. АСБ-пластики имеют высокую прочность, твердость, жесткость, устойчивость к истиранию, ударопрочность. Изделия из этого тройного сополимера хорошо сохраняют форму и размеры во время эксплуатации. Применяются при изготовлении каркасов кресел, стульев, детской мебели и др.

5. Фторопласты и полиметилметакрилат

К фторопластам относят полимеры, состоящие, в основном, из углерода и фтора. Это, например, фторопласт-3 и фторопласт-4, обладающие непрозрачностью и высокой химической стойкостью. Фторопласт-4 абсолютно химически стоек, имеет низкий коэффициент трения, но обладает хладотекучестью и поэтому в машиностроении применяется при незначительных нагрузках. Этот материал работает при температуре от –250 до +260°С. Он не перерабатывается обычными методами, так как не переходит в вязкотекучее состояние. Изделия из фторопласта-4 получают спеканием спрессованного порошка. Фторопласт-3 при нагреве до температуры 210°С размягчается и плавится, что дает возможность перерабатывать его методом литья под давлением. Фторопласт-3 может работать при температуре от –80 до +70°С, химически стоек, но набухает в органических растворителях; более тверд и механически прочен, чем фторопласт-4, не обладает холодной текучестью.

Фторопласты широко применяются для изготовления уплотнительных деталей — прокладок, набивок, работающих в агрессивных средах, деталей клапанов кислородных приборов, мембран, химически стойких деталей, самосмазывающихся вкладышей подшипников, реакторов, насосов, тары пищевых продуктов. Их используют в восстановительной хирургии, для защиты металла от воздействия агрессивных сред.

Полиметилметакрилат — это термопластический материал (органическое стекло), обладающий прозрачностью, твердостью, стойкостью к атмосферным воздействиям, водостойкостью, стойкостью ко многим минеральным и органическим растворителям, высокими электроизоляционными и антикоррозионными свойствами. Он выпускается в виде прозрачных листов и блоков.

К положительным свойствам органического стекла относятся:

1. низкая плотность;
2. упругость;
3. отсутствие хрупкости вплоть до –50…60°С;
4. более высокая по сравнению со стеклом светопрозрачность;
5. легкая формуемость в детали сложной формы;
6. простота механической обработки;
7. свариваемость и склеиваемость.

Но по сравнению с минеральными стеклами органические стекла обладают более низкой поверхностной твердостью. Теплостойкость органического стекла ниже, чем у минерального. Кроме того, органическое стекло легко загорается. Органическое стекло применяется для изготовления санитарно-технического оборудования, светильников, фонарей, деталей приборов управления.

6. Поликарбонаты, пенопласт и полиимиды

Поликарбонаты — это термопластические материалы, обладающие ценными свойствами:

1. высокой поверхностной твердостью;
2. ударной прочностью;
3. теплостойкостью.

Поликарбонаты водостойки и стойки к окислительным средам при повышенных температурах. Они совершенно прозрачны и могут быть использованы вместо силикатного стекла для изготовления фонарей, светильников, деталей приборов, посуды, тары для жидких веществ. Поликарбонаты применяют для изготовления зубчатых колес, втулок, клапанов, кулачков и других подобных деталей. Поликарбонаты перерабатывают в изделия всеми способами, применяемыми для изготовления изделий из термопластов: литьем под давлением, штамповкой, вакуум-формованием, экструзией, механической обработкой, сваркой.

Пенопласт — это полимер, отличающийся химической стойкостью и атмосферостойкостью. По водостойкости пенопласт аналогичен фторопластам, полиэтилену и полистиролу. Из пенопласта изготовляют химически стойкие трубы, клапаны, вентили, сепараторные кольца, подшипники, детали часовых механизмов, детали отделки помещений.

Полиимиды — это новый вид термопластичных пластмасс.

Его свойства:

1. высокая нагревостойкость (220…250°С);
2. хорошие электрические характеристики;
3. большие значения механических характеристик. Полиимидные пластмассы могут использоваться при температурах до –155°С, т.е. их можно применять в холодильных установках большой мощности.

Полиимиды химически стойки. Они не растворяются в большинстве органических растворителей, на них не действуют разбавленные кислоты, минеральные масла и вода. Разрушение полиимидов вызывают концентрированные кислоты, щелочи и перегретый водяной пар. Из полиимидов получают электроизоляционные пленки светло-желтой или коричневой окраски. Полиимидные пленки выпускаются толщиной от 5 до 100 мкм и более.

На основе полиимидов изготовляют различные пластмассовые изделия электроизоляционного (изоляционные ленты, изоляционное покрытие и др.) и конструкционного назначения (прокладки, детали). Для этого используют как чистые полиимиды, так и наполненные стекловолокном и другими нагревостойкими наполнителями. Изделия из полиимидов изготовляют литьем и прессованием при температурах 356…400°С.

7. Термореактивные полимеры и пластмассы

Связующее вещество в этих пластмассах — термореактивные полимеры. Используются фенолформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные смолы. Теплостойкость этих полимеров 200…350°С. Термореактивные пластмассы являются многокомпонентными, в их состав входят наполнители, а также могут быть введены пластификаторы и красители.

Пластмассы с порошковым наполнителем. В качестве наполнителя используют органические и минеральные вещества. Минеральные наполнители придают материалу волокнистость, химическую стойкость, повышенные электроизоляционные свойства. Такие пластмассы изотропны, так как относятся к аморфным материалам, их механические свойства невысоки. Основное применение — несиловые детали, в основном электоизоляционного назначения.

К пластмассам с волокнистым наполнителем относятся волокниты, асбои стекловолокниты. Наполнитель волокнитов — хлопковая целлюлоза. Их применяют для изготовления деталей технического назначения — направляющих втулок, фланцев и т.д. Для асбоволокнитов (наполнитель — асбест) в качестве связующего используют, в основном, формальдегидную смолу. Их преимущество — повышенная теплостойкость. Асбест обладает высокими фрикционными свойствами, что наряду с высокой теплостойкостью обусловливает применение асбоволокнитов для изготовления деталей тормозных устройств. Стекловолокниты обладают высокой удельной прочностью, хорошо сопротивляются вибрационным и знакопеременным нагрузкам. Их свойства зависят от характеристик стекловолокна — диаметра и длины волокон, состава стекла.

Слоистые пластмассы состоят из связующего и листового наполнителя, что определяет их слоистую структуру и анизотропные свойства.

Гетинакс — это материал, наполнителем которого служат разные сорта бумаги. Его можно применять при температуре до 120…140°С, он устойчив к действию растворителей. Гетинакс применяют как материал для внутренней отделки транспортных средств.

Текстолит (наполнитель — хлопчатобумажные ткани) обладает хорошими виброгасящими и антифрикционными свойствами. Применяется в машиностроении для изготовления подшипников скольжения, корпусных деталей и т.д.

Асботекстолит содержит около 40% связующего, остальное — асбестовая ткань. Его применение определяется высокими фрикционными и теплоизолирующими свойствами.

Наполнителем стеклотекстолитов является стеклоткань. Используют их в самолетои судостроении, радиои электротехнике.

8. Газонаполненные и фольгированные пластмассы

К газонаполненным пластмассам относят легкие пластмассы— пенопласты и поропласты, которые состоят из мельчайших ячеек или пор, отделенных друг от друга тонкой пленкой полимера.

Материалы, состоящие из замкнутых, несообщающихся ячеек, называют пенопластами, а материалы, в которых преобладают сообщающиеся между собой поры, — поропластами. Когда от материала требуются высокие теплои электроизоляционные свойства и водонепроницаемость, применяют пенопласты. Для звукоизоляции используют поропласты.

Пенопласты и поропласты получают насыщением расплавленной смолы газами под давлением, при этом происходит вспенивание полимера. В пенопластах 90…95% объема занимают газы. Наибольшее применение получили пенополиуретаны, обладающие высокими диэлектрическими, тепло-, эвукои виброизоляционными свойствами, высокой удельной прочностью, большой влагостойкостью, стойкостью к кислотам и щелочам, малым коэффициентом теплопроводности, низкой плотностью (до 20 кг/м³).

Фольгированные пластмассы имеют специальное назначение: их применяют при изготовлении плат с печатным монтажом, кодовых переключателей, печатных якорей электродвигателей и других деталей. Фольгированные пластмассы представляют собой слоистый пластик (гетинакс, стеклотекстолит), облицованный с одной или двух сторон медной фольгой толщиной 35 или 50 мкм.

Медную фольгу получают электролитическим осаждением, что обеспечивает ей однородный состав. Для улучшения сцепления с пластиком одну сторону фольги обрабатывают в щелочном растворе (оксидируют). Склеивание фольги с пластиком производят клеем БФ-4 в процессе прессования.

Фольгированные пластики (табл. 1) должны удовлетворять требованиям, связанным с технологией производства печатных схем, и условиям их эксплуатации. Фольгированный пластик должен выдерживать воздействие повышенных температур в процессе производства печатных плат (взаимодействие припоя при пайке схем) и обеспечивать достаточную прочность сцепления фольги при длительной эксплуатации изделий.

Таблица 1. Фольгированные пластики