Пластмассы Технико-экономическая эффективность применения пластмасс

Одним из направлений улучшения конструкции автомобилей и усовершенствования технологии их ремонта является применение пластмасс, которое приобретает все более широкий масштаб. Это объясняется тем, что по ряду показателей: плотности, коррозионной стойкости, антифрикционным, а также технологическим свойствам, - пластмассы значительно превосходят традиционные материалы, используемые при изготовлении автомобилей.

Основными факторами, обусловливающими интенсивное внедрение пластмасс в автомобилестроение, являются следующие.

1. Снижение материалоемкости конструкции, что достигается применением пластмасс для изготовления крупногабаритных деталей автомобиля. В ряде случаев использование пластмасс при изготовлении ремонте автомобилей позволяет заменять дефицитные и дорогостоящие материалы, не снижая качества изделий.

2. Повышение долговечности и эксплуатационных характеристик автомобиля, что обусловлено, прежде всего, антикоррозионными свойствами пластмасс. Перспективным является использование пластмассовых покрытий, они надежно защищают металл от коррозии.

3. Снижение трудоемкости и себестоимости производства. Так, при замене черных металлов литьевыми пластмассами трудоемкость изготовления деталей уменьшается в среднем в 5 раз.

4. Наличие широкой сырьевой базы для производства пластмасс: нефть, природные и промышленные газы и др. Сырьем для производства пластмасс служат продукты нефтехимического и основного органического синтеза, т.е. практически сырьевая база не ограничена.

Пластмассы отличаются уникальным сочетанием химических, физико-химических и физико-механических свойств, а также возможностью создавать пластмассовые изделия с необходимым набором свойств. Особо надо отметить устойчивость пластмассовых изделий и способность сохранять эксплуатационные качества в условиях длительной эксплуатации. Другой особенностью пластмасс является возможность создания изделий практически любых форм и размеров, причем технология производства отличается простотой, низкими трудовыми и энергетическими затратами, которые в несколько раз ниже, чем при создании специальных изделий из металла.

Все эти факторы объясняют высокие технико-экономические показатели производства и эксплуатации изделий из пластических масс. Вот почему при производстве и эксплуатации каждого автомобиля используются сотни пластмассовых деталей самого различного предназначения, размеров, форм. Однако применение пластических масс не ограничивается только использованием деталей, их применяют также в виде герметизирующих составов, клеев, листовых материалов, пленок и т.п. Наиболее быстрыми темпами растет применение таких пластмасс, как полиэтилен, полипропилен, сополимер этилена с винилацетатом, полиамид, поликарбонат.

Состав и свойства пластмасс

Пластмассы (пластические массы) – это такие материалы, которые содержат в качестве основного компонента полимер (связующий). Кроме полимеров, пластмассы содержат следующие ингредиенты: наполнители, пластификаторы, красители, стабилизаторы, отвердители, катализаторы, смазывающие вещества. В отдельных случаях пластмассы состоят только из одного полимера, а в большинстве других – из полимера и некоторых перечисленных компонентов.

Полимер является основой любой пластмассы, он связывает компоненты пластмассы в единое целое.

Классификация полимеров может быть основана на разных признаках. По химическому составу полимеры делятся на органические, неорганические и элементорганические. С точки зрения природы атомов основной полимерной цепи различаются полимеры гомоцепные и гетероцепные. В гомоцепных полимерах цепь состоит из одинаковых атомов. Например, в карбоцепных цепь образована атомами углерода.

Органические полимерные молекулы содержат связи СН и функциональные группы, включающие атомы азота, кислорода, галогенов. Неорганические полимеры не содержат связи СН. Элементорганические содержат как органические, так и неорганические группы. Пример – полиметилсилоксан НSi(CH₃)₂O_nH

Полимеры, состоящие из повторяющихся звеньев одного типа, называются гомополимерами. В сополимерах макромолекулы состоят из мономерных звеньев нескольких видов, обычно двух или трех.

С точки зрения строения основной цепи макромолекулы подразделяются на линейные, разветвленные и сетчатые. Сетчатые полимеры могут обладать плоским или пространственным строением.

На рис. 4 приведена классификация полимеров, содержащих звенья двух типов, условно обозначенные как А и В:

 А – А – А – А – А – обычный полимер;

 А – В – А – В – А  чередующийся сополимер;

 5А – 5В – 6А – 7В – 5А  блок-сополимер;

 А – А – А – А – А – А – А – А  привитый сополимер

| | |

В В В

Рис. 4- Схемы строения полимеров: А и В – различные звенья макромолекул

По способу получения различают полимеризационные и поликонденсационные полимеры. При полимеризации макромолекулы образуются в результате раскрытия ненасыщенных связей (реже при раскрытии циклов) мономеров. Полимеризационные полимеры могут обладать линейной или разветвленной структурой. При поликонденсации образуются полимеры любой структуры (в зависимости от условий процесса), хотя окончательная стадия поликонденсации соответствует образованию пространственного полимера.

Химический состав и структура молекул полимера определяют комплекс его свойств.

В качестве компонентов, обеспечивающих оптимальное протекание процесса образования полимеров, их формования в изделия, сохранения ими в течение длительного времени комплекса необходимых свойств, применяются вещества, играющие роль отвердителей, пластификаторы, стабилизаторы, красители и т.д. Однако особую роль играют наполнители. Фактически при введении наполнителя образуются материалы, обладающие совершенно новыми свойствами, которые отличаются от свойств исходных материалов. И если лет 2025 назад наполнители использовали лишь для увеличения объема пластмассы за счет дешевого наполнителя и, соответственно, снижения стоимости изделия, то позднее стали осуществлять целенаправленный подбор материалов наполнителей с целью придания изделиям необходимых свойств, а чаще для достижения и экономических, и технических целей одновременно. Именно поэтому очень широк спектр материалов, используемых в качестве наполнителей пластмасс. Среди них кремнийсодержащие (песок, кварц, тальк, слюда, стеклянное волокно, стеклоткань), углеродные (сажа, графит, нефтяной кокс), порошкообразные или нитеобразные металлы, оксиды и гидроксиды металлов (алюминий, цинк, медь, никель, железо, оксиды магния, цинка, кальция, алюминия, титана, гидроксид алюминия), соли (карбонат кальция, сульфат бария и др.), органические материалы (древесная мука, целлюлоза, крахмал, бумага, хлопчатобумажные и синтетические волокна и ткани, древесный шпон).

В зависимости от поведения при повышенных температурах все синтетические полимеры делятся на термореактивные и термопластичные. В соответствии с этим и пластмассы также делятся на термореактивные (неплавкие и нерастворимые) и термопластичные. Линейные и разветвленные полимерные молекулы при повышении температуры переходят в вязко-текучее состояние, при охлаждении вновь становятся твердыми и сохраняют эту способность при многократном нагревании и охлаждении. Такие полимеры называют термопластичными (термопластами). К ним относят основные полимеры, объем производства которых составляет около 2/3: полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полипропилен (ПП), полистирольные (ПС) и поливинилхлоридные (ПВХ) материалы. В меньших масштабах производятся полиамиды (ПА), полиацетали (полиметиленоксид – ПМО), поликарбонат (ПК), полиимиды (ПИ) и некоторые другие. Вторая группа термопластов обладает по сравнению с первой гораздо более высокой (2-4 раза) прочностью на сжатие и растяжение, поэтому их называют конструкционными из-за широкого использования в производстве изделий с высокими физико-механическими свойствами.

Огромное значение имеют также пластмассы на основе фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных, полиуретановых и алкидных полимеров. Все они в процессе производства непосредственно изделий образуют трехмерную структуру, превращаются в неплавкие и нерастворимые соединения. Этот процесс может протекать как на холоду, так и при нагревании, в зависимости от применяемого катализатора отверждения. Такие пластмассы называют термореактивными (реактопластами). При нагревании до нескольких сот градусов они подвергаются термической деструкции и разрушаются.

Термопласты в отношении диапазона температур, в котором они сохраняют свои свойства, проявляют большое разнообразие, и здесь все зависит от строения и химического состава полимера. Температурный диапазон эксплуатации определяется сохранением пластмассами физико-механических свойств и ограничен по нижней границе хрупкостью и по верхней границе – размягчением полимера, а точнее – той областью температур, в которой материал остается твердым. Температура эксплуатации лежит обычно в пределах от -40…-60 до +60…100 ⁰С (для полипропилена и поливинилхлорида нижний предел даже -10…-15 ⁰С). Однако существуют полимеры, обладающие исключительными диапазонами рабочих температур. Так, фторопласт–4 (полимер, образованный полимеризацией тетрафторэтилена CF₂CF₂) имеет температуру эксплуатации от -260 до +250⁰С, а кремнийорганические полимеры от -40…-60 до +200…250⁰С.

Чрезвычайно важной характеристикой пластмасс является их химическая стойкость, т.е. способность сохранять свои свойства под действием химических реагентов, нефтепродуктов, кислорода, озона, ультрафиолетового облучения.

Практически все основные виды пластмасс устойчивы к действию нефтепродуктов. Исключения составляют полиэтилен и полистирол. Реактопласты (кроме полиуретанов) стойки к действию органических растворителей, термопласты в основном имеют ограниченную стойкость. Щелочи и кислоты практически не изменяют свойств термопластов, исключение составляют полиакрилаты (нестойки к действию щелочей) и полиамиды (нестойки к действию кислот). Почти все реактопласты выдерживают действие слабых кислот, но нестойки против сильных кислот и щелочей. Особняком стоят фторопласт-4 и кремнийорганические полимеры. Фторопласт-4 стоек к воздействию любых химических реагентов, растворителей, кроме сильных окислителей при высоких температурах. Кремнийорганические полимеры, наоборот, не проявляют таких свойств в отношении очень многих веществ.

В целом по сравнению с металлами пластмассы обладают высокой стойкостью к действию кислот, щелочей, растворителей. Воздух, озон, ультрафиолет – один из постоянных факторов воздействия на изделия из пластмасс в течение всего периода их эксплуатации, который способствует деструкции полимеров и во многом определяет срок их использования. Действие этих факторов проявляется достаточно сильно, особенно при высоких температурах. По этой причине в пластмассы вводят стабилизаторы (другое название – противостарители или антиоксиданты), эффективно защищающие их от преждевременного разрушения.

Пластмассы обладают высокой величиной удельного сопротивления, т.е. являются хорошими электроизоляторами. Лишь пластмассы на основе полимеров, полученных из мономеров особого строения, обладают свойствами полупроводников. Пластмассы, особенно вспененные, являются великолепными тепло - и звукоизоляторами. Некоторые пластмассы обладают прозрачностью. Плотность большинства пластмасс составляет 900 – 1400 кг/м³, даже до 1900 (плотность фторопласта около 2200 кг/м³). Невысокая плотность является одним из свойств, дающих этим материалам преимущество по сравнению с другими материалами при изготовлении многочисленных изделий, в том числе и используемых в автомобилестроении.

Пластмассы отличаются очень большим диапазоном физико-механических показателей, таких как предел прочности (напряжение, при котором происходит хрупкое разрушение или необратимая деформация образца), относительное удлинение при разрыве, ударная вязкость, модуль упругости. Однако при длительном действии постоянной нагрузки многие виды пластмасс начинают изменять форму, снижаются их прочностные свойства. Величина пределов прочности и модулей упругости у пластмасс значительно более низкая, чем у стали.

Существуют различные способы получения пластмасс с необходимыми химическими, физическими и физико-механическими свойствами. Один из них – изменение химического состава и строения полимерной основы пластмасс. Это может быть достигнуто изменением степени полимеризации, подбором мономеров соответствующей природы при получении сополимеров, получением пластмасс с определенным взаимным пространственным расположением молекул полимера, нанесением на поверхность пластмассового изделия слоя металла или другого материала. Другой, не менее мощный рычаг в изменении свойств пластмасс – использование различных наполнителей. При использовании наполнителей часто получают материалы, свойства которых не являются просто суммой свойств компонентов, но отличаются таким их сочетанием, которым не обладают ни один из компонентов. В качестве примера можно привести следующее: в автомобилестроении используются продукты полимеризации винилхлорида – пластикат и винипласт. Первый получают с использованием пластификатора и обладает эластичностью, высоким относительным удлинением. Винипласт – жесткий материал, в котором пластификатор не используется. По физико-механическим свойствам сильно отличаются полиэтилен низкого и полиэтилен высокого давления, имеющие разные молекулярные массы. Наконец, полиэтилен получен из мономера СН₂=СН₂, тетрафторэтилен – из мономера CF₂=CF₂. Замена водорода на атомы фтора в полиэтилене изменяет свойства полимера очень резко.

Наполнение полимеров мелкодисперсными наполнителями приводит, как правило, к повышению теплостойкости и некоторых прочностных свойств. Кроме того, наполнение часто используют для придания полимерным материалам различных специальных свойств. Так, для получения антифрикционных материалов в пластмассу вводят наполнители, снижающие коэффициент трения – графит, дисульфид молибдена и др. Магнитные свойства обеспечиваются порошком железа. Оксид алюминия снижает пирогенные (горючие) свойства и газовыделение. Тонкодисперсные металлы (обычно медь, никель), сажа или графит делают пластмассы электропроводящими материалами.

При армировании наполнение пластмасс производится волокнистыми или тканевыми материалами. Наиболее известные армированные материалы – текстолиты, стеклопластики; в последние годы все более широко используются углепластики (наполнитель – углеграфитовая ткань или волокна). Для получения материалов с высокой прочностью на разрыв пластмассы армируют металлическими нитями, ориентированных вдоль направления разрывного усилия.

Используя различные способы получения пластмасс, промышленность выпускает множество полимерных материалов с разнообразными свойствами. Так, на практике широко зарекомендовали примерно 50 видов пластмасс, в том числе 36 термопластов и 14 реактопластов. В каждом виде в среднем до 50 типов и модификаций.