книги / Механическая обработка пластиков

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Д.И. Токарев, Е.В. Матыгуллина

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПЛАСТИКОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2019

1

УДК 621.91:[678.7+620.22-419.8](075.8) ББК 34.63

Т51

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Л.Д. Сиротенко (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

д-р техн. наук, профессор И.К. Березин (Институт механики сплошных сред УрО РАН)

Токарев, Д.И.

Т51 Механическая обработка пластиков: учеб. пособие / Д.И. Токарев, Е.В. Матыгуллина. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2019. – 71 с.

ISBN 978-5-398-02214-8

Рассмотрены основные методы механической обработки различных видов пластиков, современные полимерные материалы и технологические особенности их обработки.

Предназначено для студентов технических вузов, также может быть полезно специалистам в области механической обработки пластиков.

УДК 621.91:[678.7+620.22-419.8](075.8) ББК 34.63

2

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития техники и технологии характеризуется чрезвычайно широким использованием полимеров и различных пластмасс на их основе. Разнообразие структуры и свойств полимерных материалов позволяет использовать их в самых различных отраслях промышленности. Значительные достижения в области материаловедения, а также результаты исследования физико-химических процессов позволили существенно ускорить процессы проектирования и создания различных видов конструкционных пластиков, способных выдерживать экстремальные условия эксплуатации, включая высокие значения температуры, давления, агрессивные среды. Благодаря своим уникальным свойствам все более широкое применение в качестве конструкционных материалов находят полимерные композиционные материалы, армированные наполнителями различной геометрии и свойств.

В настоящее время пластмассы и композиты на полимерной основе все чаще выступают уже не в качестве заменителей традиционных природных материалов, а как совершенно новые материалы. Правильный выбор пластиков позволяет обеспечить повышение надежности и сроков службы изделий, повышение эффективности использования материалов и снижение веса конструкций, способствует улучшению технических параметров машин и приборов.

Существующие методы получения пластиков не всегда обеспечивают требуемое качество поверхности, поэтому возникает необходимость их механической обработки. Особенности состава и структуры пластиков приводят к необходимости подбора оптимальных технологических режимов обработки и геометрии режущих инструментов.

5

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОПОЛИМЕРАХ И ПЛАСТИКАХ

1.1.Виды полимеров, их структура и свойства

Пластики, или пластмассы (пластические массы) – органические материалы на основе синтетических или природных высокомолекулярных соединений (полимеров).

Полимеры (от греч. πολύ – много и μέρος – часть) – органические и неорганические вещества, состоящие из мономерных звеньев, соединенных химическими или координационными связями в длинные макромолекулы. Иными словами, любой полимер состоит из фрагментов, которые соединяются друг с другом в непрерывную цепочку, например поливинилхлорид (рис. 1.1).

n

n

n

Рис. 1.1. Цепочки молекул поливинилхлорида

Молекулярная масса полимеров определяется суммарной массой мономерных звеньев, количество которых может составлять от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Полимеры могут иметь сложную трехмерную пространственную структуру. Полимеры делят по форме макромолекул на линейные, ленточные, разветвленные и др. Примером линейного полимера является целлюлоза, разветвленного – амилопектин.

6

Большую часть полимеров получают синтетическим способом, соединением элементов природного происхождения за счет реакций полимеризации, поликонденсацииихимических превращений.

Особые механические и химические свойства полимеров, ко-

торые являются следствием гибкости макромолекул:

1)эластичность, т.е. способность к большим обратимым деформациям при небольшой нагрузке (каучуки);

2)малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

3)способность макромолекул к ориентации под действием механических сил (используется при изготовлении волокон и пленок);

4)способность значительно изменять физико-механические свойства при добавлении реагента (вулканизация каучука).

Полимеры по химическому составу делятся на следующие группы:

1. Органические полимеры. Содержат только органические атомы (углеводороды).

2. Элементоорганические полимеры. Содержат органические

инеорганические атомы. Например, кремнийорганические соединения. В природе таких соединений не существует.

3. Неорганические полимеры. Не содержат в мономере угле- род-углеродных связей, но при этом имеют органические радикалы в качестве боковых заместителей.

Огромное число полимеров можно также разбить на следующие классы:

1. Термопласты типа полиэтилен, размягчающиеся при нагревании.

2. Реактопласты типа эпоксидная смола, отверждающиеся после смешения смолы с отвердителем.

3. Эластомеры, или каучуки.

4. Природные полимеры, например целлюлоза, лигнин и протеин, которые обеспечивают механическую основу большинства форм животной и растительной жизни.

7

Термопласты не имеют поперечных сшивок молекулярных линейных цепей, макромолекулы связаны за счет слабых сил Ван-дер-Ваальса. Ввиду этого при нагревании термопластов происходит распад межмолекулярных связей и термопласт размягчается. Полимер течет подобно вязкой жидкости, что позволяет придавать ему нужную форму. Термопласты могут быть как аморфными, так и частично кристаллическими.

Реактопласты получают смешением жидких смолы и отвердителя, которые вступают в химическую реакцию при комнатной или повышенной температуре. Связь между макромолекулами является химической. Поперечные сшивки между макромолекулами образуют сетчатую аморфную структуру. Сетчатая структура препятствует появлению текучести, поэтому реактопласты не перерабатывают при высоких значениях температуры.

Эластомерами, или каучуками являются линейные полимеры с малым количеством поперечных сшивок, обеспечивающих возвращение материалу начальной формы после снятия нагрузки.

Природные органические полимеры могут иметь раститель-

ное и животное происхождение (целлюлоза, полиизопреновый каучук, полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты). Вся органическая жизнь на Земле состоит из полимеров.

1.2. Основные характеристики современных конструкционных пластиков, назначение и области применения

Основой пластмасс являются полимеры. В чистый полимер также вводятся различные наполнители (частицы, волокна), стабилизаторы и другие вещества для придания пластмассам требуемых свойств. Таким образом, современные конструкционные пластмассы представляют собой многокомпонентные смеси и в большинстве случаев являются полимерными композиционнымиматериалами.

В табл. 1.1 перечислены наиболее распространенные виды пластиков, используемых в современной промышленности.

8

9

9

10