2.1.3. Свойства полимеров сетчатой структуры

У полимеров сетчатой структуры (см. рис. 6, в) макромолеку­лы соединены (сшиты) поперечными связями, поэтому линей­ные цепи не могут скользить относительно друг друга. Следовательно, при нагревании такие полимеры не переходят в вязкотекучее состояние. Если поперечные сшивки располагаются редко и между ними находится несколько десятков элементарных звеньев, то полимер сетчатой структуры может находиться в высокоэластичном состоянии (например, резины). С увеличением числа поперечных связей полимеры теряют эластичность, не плавятся, остаются твердыми до температуры разрушения. Полимеры сетчатой структуры нерастворимы; их механическая прочность и теплостойкость выше, чем у линейных полимеров, но они более хрупки.

Те полимеры, которые в определенных условиях могут образовывать сетчатую структуру (например, фенолоформальдегидные, эпоксидные смолы), называются термореактивными, так как на определенной стадии переработки (чаще всего при нагревании) они становятся текучими, а затем, благода­ря образованию поперечных сшивок, – твердыми, независимо от температуры. Этот процесс в технологии пластмасс называют отверждением, при получении резины – вулканизацией, при нанесении лакокрасочных покрытий – сушкой.

Сшивка линейных молекул может происходить при облу­чении, иногда при эксплуатации, но чаще всего ее производят путем прибавления какого-либо низкомолекулярного вещества, например, серы – в резину, полиамида – в эпоксидную смолу. Такое ве­щество называют отвердителем (или вулканизатором).

Основная масса термоактивных полимеров отверждается при реакции поликонденсации, т.е. с выделением побочных низкомолекулярных продуктов.

2.2. Пластические массы

Пластмассами называются твердые, прочные и упругие материалы, получаемые на основе полимерных соединений и чаще всего формуемые в изделия методами, основанными на использовании их пластических деформаций. Свойства полимеров, являющихся основой пластмасс, определяют свойства и технологический процесс производства пластмассовых изделий. При разработке технологического процесса следует учесть влияние на полимеры термического воздействия. По отношению к действию тепла пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные. К термопластичным пластмассам относятся пластмассы с линейной или разветвленной структурой полимеров, свойства которых обратимо изменяются при многократном нагревании и охлаждении.

Если в процессе термического воздействия возникают реакции химического связывания цепных молекул друг с другом с образованием полимера сетчатого строения, то такие пластмассы называются термореактивными. Термореактивные пластмассы не могут переходить в пластичное состояние при изменении температуры без нарушения их пространственных связей.

Пластмассы могут быть простые, представляющие собой чистые полимеры, и сложные, в состав которых помимо полимера могут быть введены наполнители, пластификаторы, красители и другие добавки различного назначения.

В некоторые термопластичные пластмассы вводится пластификатор, назначение которого заключается в том, чтобы, проникая внутрь полимера, вызывать его набухание. При этом уменьшаются силы межмолекулярного сцепления и облегчается формуемость. Особенно необходимо введение пластификатора, когда температура деструкции (разрушения) ниже температуры формования полимера.

В термореактивные пластмассы, которые имеют хорошую формуемость при высоких температурах без пластификатора, часто вводится некоторое количество термопластичного полимера, который уменьшает усадку во время отверждения (т. е. образования сетчатого полимера) и придает пластмассе повышенную ударопрочность или другие свойства.

При изготовлении изделий из термореактивных пластмасс следует иметь в виду их большую усадку (10...18 %). Для снижения усадки и повышения механических свойств в состав пластмасс вводят наполнители, которые могут быть:

1) порошковыми (древесная мука, асбестовая мука, кварцевая мука и т. д.);

2) волокнистыми (хлопковые очесы, асбестовое волокно, стекловолокно);

3) листовыми (бумага, хлопчатобумажная ткань, стеклоткань, асбестовая ткань, древесный шпон).

Подбором наполнителей можно изменить и другие свойства пластмасс (коэффициент трения, электроизоляционные свойства, прочность, теплостойкость и т. п.). Для уменьшения возможной в процессе формирования окислительной или термической деструкции в состав пластмасс вводят стабилизаторы, противоокислители.

Так как температура перехода в вязкотекучее состояние термопластичных полимеров обычно ниже температуры их терми­чес­кой деструкции, то основным и наиболее простым способом производства изделий из таких полимеров является пластическая деформация при повышенных температурах. Изделия из сетчатых полимеров могут быть получены соответствующей переработкой исходных линейных полимеров введением отвердителей (при производстве пластмасс) или вулканизаторов (при производстве резины). Превращение линейного полимера в сетчатый происходит после окончания формования изделия. По мере возникновения химических связей между макромолекулами изделие утрачивает термопластичность, снижается высокоэластичность, повышается твердость, прочность, теплостойкость, устраняется растворимость.

В отдельных случаях возможно образование пространственных структур из исходных веществ, минуя стадию образования линейного полимера (фенолформальдегидные смолы). В таких случаях процесс получения полимера (чаще называемого смолой) останавливается на начальной стадии, когда полимер-смола имеет вязкотекучее состояние. В этой стадии осуществляют пластическое формирование изделия при повышенной или при обычной температуре (с добавкой инициатора отверждения). После чего происходит образование пространственной структуры полимера.

При создании комбинированных пластмасс необязательно, чтобы полимерные компоненты были термодинамически совместимы. Достаточно, если они будут «эксплуатационно-совмес­ти­мыми».

Установлено, что при смешивании нескольких полимеров увеличение однородности и прочности достигается с увеличением диспергирования (измельчения) и улучшения смешивания исходных компонентов.

На эксплуатационные свойства комбинированных полимеров помимо свойств компонентов оказывает влияние структура полученного полимера, изменение ее в процессе деформации, адгезия компонентов друг к другу и др. При этом может быть иногда достигнута прочность, превышающая суммарную прочность полимера-смолы и наполнителя (стеклопластика).

Чтобы облегчить извлечение изделий из пресс-форм, в состав композиции пластмасс можно вводить смазки в виде парафина или стеарина (около 1 %). Для получения у изделий желаемого декоративного эффекта в состав пластмасс можно вводить красители или замутнители.

В зависимости от методов переработки пластмассы разделяются на литьевые (обычно термопласты), штамповочные (листовые термопласты), прессовочные (преимущественно термо­реактивные пластмассы).

По типу применяемых наполнителей пластмассы подразде­ляются на пресс-порошки, волокнистые (волокниты) и слоистые пластики.

Основными положительными особенностями пластмасс яв­ляются простота технологического процесса изготовления изде­лий из них, высокая устойчивость к агрессивным средам и атмосферным условиям, низкий удельный вес изделия (в боль­шинстве случаев 1,0...1,3 г/см³), высокие диэлектрические и теплоизоляционные свойства. В ряде случаев пластмассы обла­дают хорошей механической прочностью, антифрикционными свойствами, износостойкостью.

Изделия из пластмасс, как правило, отличаются высоким де­коративным эффектом.

Ниже приводятся пластмассы, наиболее широко используе­мые в машиностроении, их основные механические свойства, области применения и способы переработки при производстве изделий.

Полиэтилен. Различают полиэтилен низкого давления (сте­пень кристалличности 80...90 %) и высокого давления (степень кристалличности 55...65 %).

Характерные свойства: высокая химическая стой­кость, хорошие диэлектрические свойства, низкая стойкость к атмосферным влияниям и к ультразвуковому облучению.

Области применения: трубы и арматура, емкости, пленочные материалы, изоляции высокочастотных кабелей; из волокон изготавливают канаты, спецодежду.

Способы переработки: литье под давлением, горя­чее прессование, сварка, склейка, обработка давлением.

Основные свойства термопластических пластмасс приведены в табл. 3.

Полипропилен.

Характерные свойства. Полипро­пилен обладает многими положительными качествами, прису­щими полиэтилену, и в меньшей степени его недостатками. Это объясняется большим молекулярным весом и большей степенью кристалличности структуры полипропилена. Основной недоста­ток полипропилена – низкая морозостойкость. На базе поли­этилена и полипропилена производят сополимеры, сочетающие в себе положительные свойства обоих материалов (высокая стойкость в атмосфере, теплостойкость и морозостойкость).

Области применения: трубы, арматура, насосы, вен­тиляторы, емкости, мелкие детали машин, электроизоляционные детали.

Таблица 3