Lab

Таблица А.10 – Сплавы на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Fe и Ni

Применение: Детали реактивных двигателей (лопатки и диски компрессора, заборники и др.), работающие при температурах до 300 ºC; обшивка и силовой каркас сверхзвуковых самолётов, длительно работающих в условиях знакопеременных напряжений при температурах 130-150 ºC.

185

Приложение Б (справочное)

Литейные алюминиевые сплавы

Таблица Б.1 – Сплавы системы Al-Si (силумины)

Применение: АЛ2 – небольшие по размерам герметичные детали. АЛ4, АЛ9 – средние и крупные детали ответственного назначения: картеры двигателей внутреннего сгорания, турбинные колёса турбохолодильников, вентиляторов и др. АЛ5 – головки цилиндров двигателей воздушного охлаждения, детали приборов и агрегатов, работающие при температурах до 250 ºC. АЛ34 (ВАЛ5) – крупные корпусные детали сложной конфигурации, работающие под большим внутренним давлением газа или жидкости.

186

Таблица Б.2 – Сплавы системы Al-Cu

Применение: АЛ19 – высоконагруженные детали, работающие в условиях вибраций при температурах от –170 до +300 ºC. АЛ33 – детали двигателей, длительно работающие при температурах до 350 ºC

Таблица Б.3 – Сплавы системы Al-Mg

Применение: Силовые детали, работающие при температурах от минус 60 до плюс 60 ºC. Изделия, работающие в различных климатических условиях, включая воздействие морской воды и тумана.

187

16 Лабораторная работа № 16

Пластмассы *)

16.1 Цель работы

Изучение классификации, свойств, структуры и областей применения пластмасс.

16.2 Общие сведения

Пластическими массами, или пластмассами, называют материалы на основе природных или синтетических полимеров, способных при нагреве размягчаться и под давлением принимать заданную форму и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

Детали из пластмасс менее трудоемки в изготовлении, имеют меньшую стоимость, поэтому ими часто заменяют изделия из металла.

Простые пластмассы состоят из одних полимеров (без добавок). Сложные пластмассы помимо полимеров включают добавки: наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, катализаторы и т.д.

Наполнители в пластмассы вводят в количестве от 40 до 70 % для повышения твердости, прочности, жесткости, а также для придания особых специфических свойств, например, фрикционных, антифрикционных и снижения их стоимости. Наполнителями могут быть ткани, а также порошковые, волокнистые вещества.

Пластификаторы (стеарин, олеиновая кислота, дибутилфталат) повышают эластичность, пластичность и облегчают обработку пластмасс. Их содержание колеблется в пределах от 10 до 20 %.

Отвердители (амины) и катализаторы (перекисные соединения) в количестве нескольких процентов вводят в пластмассы для отвердения, т.е. создания межмолекулярных связей и встраивания молекул отвердителя в общую молекулярную сетку.

Красители (минеральные пигменты, спиртовые растворы органических красок) придают пластмассам определенную окраску.

Состав компонентов, их сочетание и количественное соотношение позволяют изменять свойства пластмасс в широких пределах.

16.2.1 Полимеры

Основным компонентом пластмасс, обеспечивающим работу всей композиции как единого целого, являются полимерные материалы, или

*) Составлено при участии Синюхина А.В.

смолы, представляющие собой высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из нескольких тысяч мономерных звеньев.

188

Полимеры получают синтезом низкомолекулярных веществ методами полимеризации или поликонденсации.

Элементный состав продукта полимеризации не отличается от состава исходных веществ, так как процесс происходит при последовательном присоединении мономеров к растущей полимерной цепи. Кроме молекул полимера никаких других соединений не возникает. Например, образование полиэтилена протекает по схеме:

n(CH 2 = CH 2 ) полимеризация(t, p)→−CH 2 − CH 2 − CH 2 −

этилен полиэтилен

При поликонденсации высокомолекулярные соединения образуются в результате реакций замещения или обмена между реагентами, сопровождающихся образованием низкомолекулярных соединений (воды, аммиака и т.д.) и непредельных углеводородов, участвующих в полимеризации. Например, при взаимодействии формальдегида с фенолом образуется фенолформальдегидный полимер и вода:

2C 6 H 5 OH + CH 2 O → 2C 6 H 4 OH = CH 2 + H 2 O

Макромолекулы полимеров могут состоять из одинаковых или разнородных по химическому составу мономеров. В последнем случае эти соединения называются сополимерами, а реакции их образования – сополимеризацией.

Полимеры классифицируют по различным признакам, основными из которых являются: состав и структура макромолекул, полярность, отношение к нагреву (таблица 16.1).

Таблица 16.1 – Классификация полимеров

189

Продолжение таблицы 16.1

16.2.1.1 Молекулярное строение полимеров

Наибольшую группу соединений составляют органические полимеры. Если основная молекулярная цепь полимера состоит из одинаковых атомов, то такой полимер называют гомоцепным, если молекулярная цепь представлена только атомами углерода – карбоцепным. Например, карбоцепными являются полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласты (рисунок 16.1 а) и др.

Если наряду с углеродом в основной молекулярной цепи присутствуют атомы кислорода, азота, фосфора и других элементов, оказывающих существенное влияние на свойства вещества, то такие полимеры называют гетероцепными. Например, гетероцепными являются полиуретан, полилиэтиленфторфталат (лавсан), полиамид (рисунок 16.1 в) и др.

Присутствующие в молекулярных цепях гетероцепных полимеров неорганические элементы придают материалу повышенную теплостойкость, а органические радикалы – прочность и эластичность. Присутствие кислорода способствует повышению эластичности материала, а фосфора и хлора - огнестойкости, атомы серы уменьшают газопроницаемость.

Элементоорганические полимеры содержат в основных молекулярных цепях сочетающиеся с органическими радикалами атомы Si, Ti, Al и других элементов (рисунок 16.1 б).

Основу неорганических полимерных материалов составляют оксиды кремния, магния, алюминия, кальция и др. Представителями таких полимеров являются силикатные стекла, керамика, асбест, слюда.

16.2.1.2 Молекулярные структуры полимеров

190

Свойства полимерных материалов в значительной степени определяются структурой макромолекул.

Линейную макромолекулу (рисунок 16.2 а) можно представить в виде длинной изогнутой в пространстве цепочки. Длина такой макромолекулы в несколько тысяч раз больше ее поперечного сечения (полиамид, полиэтилен).

а) б)

в)

а – структура макромолекулы политрифторхлорэтилена (фторопласт –3); б – строение макромолекул кремнийорганических соединений; в – строение макромолекулы полиамида.

Рисунок 16.1 – Структура макромолекул полимеров

а) б)

в) г)

а) линейные; б) разветвленные; в) ленточные; г) пространственные

Рисунок 16.2 – Строение макромолекул полимера

У разветвленной макромолекулы (рисунок 16.2 б) основная цепь имеет относительно короткие (короче основной цепи) боковые ответвления.

Макромолекулы ленточного типа (рисунок 16.2 в) состоят из двух молекулярных цепей, соединенных между собой химическими связями.

191

Пространственные макромолекулы (рисунок 16.2 г) образуются путем соединения различных макромолекул прочными поперечными связями непосредственно или через мостики, состоящими из атомов или групп атомов.

16.2.1.3 Надмолекулярная структура полимеров

Помимо строения макромолекул на свойства полимерного материала влияет расположение их в пространстве (надмолекулярная структура). Полимеры могут быть аморфными и кристаллическими, т.е. обладать упорядоченной структурой. Кристалличность придает материалу повышенную жесткость, прочность и теплостойкость. Обычно полной кристаллизации полимера не происходит. В реальных условиях надмолекулярная структура состоит из чередующихся кристаллических и аморфных участков.

16.2.1.4 Полярность полимеров

Взависимости от химического состава, строения макромолекул, надмолекулярной структуры полимеры по электрическим и физическим свойствам могут быть полярными и неполярными. В макромолекулах неполярных полимеров центры тяжести разноименных зарядов совпадают. У полярной макромолекулы центр тяжести электронов сдвинут в сторону более электроотрицательного атома и центры тяжести разноименных атомов не совпадают.

Неполярные полимеры имеют симметричное расположение функциональных групп и дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются (рисунок 16.3 а).

Вмолекулах полярных полимеров присутствуют или полярные связи

группировок (−Cl, −F, −OH) (рисунок 16.3 б) или несимметрия в их структуре.

Полярные полимеры обладают повышенной жесткостью и теплостойкостью, высокой адгезионной способностью, пониженной морозостойкостью. Неполярные - являются высококачественными и высокочастотными диэлектриками. Их свойства мало изменяются при понижении температуры. Они отличаются высокой морозостойкостью.

Рисунок 16.3 – Структура неполярных (а) и полярных (б) полимеров

192

16.2.1.5 Реакция полимера на нагрев

По отношению к нагреву полимеры могут быть термопластичными (термопласты) и термореактивными (реактопласты). Термопластичные материалы обладают линейной или разветвленной структурой макромолекул. При нагревании они размягчаются и затем при определенной температуре переходят в вязкотекучее состояние. Охлаждение вызывает затвердевание полимера. Никаких химических реакций при этом не происходит. Процесс «размягчение - затвердевание» полностью обратим и может протекать многократно. Повторный нагрев термореактивных пластмасс не изменяет их твёрдого состояния.

Макромолекулы термореактивных полимеров в начальной стадии обладают линейной структурой. Полимер при нагревании легко переходит в вязкотекучее состояние. Выдержка при повышенной температуре приводит к развитию химических реакций, в результате которых макромолекулы приобретают пространственную структуру, и материал необратимо затвердевает.

В зависимости от температуры повторного нагрева такие полимеры могут находиться в одном из трех состояний: стеклообразном (твердом), высокоэластичном или вязкотекучем.

16.2.2 Наполнители и добавки

Состав компонентов, их сочетание и количественное соотношение позволяют изменять свойства пластмасс в широких пределах.

Наполнители придают изделиям на основе полимерных материалов высокую прочность, химическую стойкость, теплостойкость, улучшают диэлектрические качества, снижают (повышают) плотность, повышают фрикционные (антифрикционные) свойства и т.д. Наполнители могут быть как органическими, так и неорганическими веществами (древесные опилки, очесы хлопка, молотый кварц, слюда, асбест, стеклянные волокна, бумага и т.д.). По структуре наполнители бывают порошкообразными, волокнистыми, листовыми, газообразными (таблица 16.2).

К добавкам относят, например, стабилизаторы - химические соединения, противодействующие старению пластмасс (так называется явление, сопровождающееся разрушением молекулярных цепей на отдельные фрагменты); пластификаторы - вещества, повышающие пластичность полимерных материалов при их переработке; красители – вещества придающие пластмассе желаемый цвет по всему объему; катализаторы - ускорители отвердения термореактивных смол и т.д.

193

Таблица 16.2 – Классификация пластмасс по виду наполнителя

В таблице 16.3 приведена классификация некоторых групп пластмасс по назначению с указанием наиболее характерных свойств. Классификация в значительной мере условна, так как одни и те же пластмассы могут входить в различные группы.

194