Пластические массы

2. Термопластичные пластмассы

Неполярные термопластичные пластмассы. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт – 4.         Полиэтилен ( -СН₂ – СН₂-)_n - продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. Он подразделяется на полиэтилен низкой плотности (ПЭВД) и высокой плотности (ПЭНД). Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Длительно полиэтилен можно применять при температуре 60-100⁰С. Морозостойкость достигает –70⁰С и ниже. Недостатком полиэтилена является его подверженность к старению. Под действием ионизирующего излучения полиэтилен твердеет: приобретает большую прочность и теплостойкость.         Пропилен ( -СН₂-СНСН₃ - ) _n является производной полиэтилена, он содержит значительное количество стереорегулярной структуры. Он более жесткий, обладает теплостойкостью до 150⁰С. Недостатком полипропилена является его невысокая морозостойкость (от -10 до –20⁰С)         Полистирол. ( -СН₂ – СНС₆Н₅-) _n - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензоле. Полистирол наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения по сравнению другими термопластами. Недостатком полистирола является его невысокая теплостойкость, склонность к старению, образованию трещин.         Фторопласт – 4. ( -СF₂ - CF₂ -) – является аморфно-кристаллическим полимером. До температуры 250⁰С скорость кристаллизации мала и не влияет на ее механические свойства, поэтому длительно эксплуатировать фторопласт-4 можно до 250⁰С. Разрушение происходит при температурах выше 415⁰С. При весьма низких температурах (до – 269⁰С) пластик не охрупчивается. Коррозионностоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Устойчив к облучению. Это наиболее высококачественный диэлектрик         Недостатком фтороплавста-4 является хладнотекучесть (результат рекристаллизации), выделение токсичного фтора при высокой температуре и трудность его переработки ( вследствие отсутствия пластичности)         

Полярные термопластичные пластмассы. К полярным пластикам относятся фторопласт –3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиарилаты, пенопласт, полиформальдегид.         Фторопласт – 3. (- CF₂ – CFCl -) _n – полимер трифторхлортилена. Введение хлора нарушает симметрию звеньев молекул, и полимер становится полярным. При этом снижаются диэлектрические свойства, но появляется пластич-

ность, и облегчается переработка материала в изделия. Интервал рабочих температур от 105 до -70⁰С. При температуре 315⁰С начинается термическое разрушение. Хладнотекучесть проявляется слабее, чем у фторопласта – 4.         Органическое стекло – это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метаакриловой кислот. Материал более чем в два раза легче минеральных стекол (1180 кг/м³). Отличается высокой атмосферной стойкостью. Оптически прозрачен (светопрозрачность 92 %), пропускает 75 % ультрафиолетового излучения (силикатные –0,5%) . При температуре 80⁰С органическое стекло начинает размягчаться. При температуре 105 – 150⁰С появляется пластичность, что позволяет формовать из него различные изделия.          Критерий пригодности органических стекл, является не только их прочность, но появление на ее поверхности и внутри материала мелких трещин, так называемого серебра, этот дефект снижает прозрачность и прочность стекла, так как является проявлением внутренних напряжений, возникающие в связи с низкой теплопроводностью и высоким коэффициентом расширения.         Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеродных топлив и смазочных материалов. В естественных условиях старение органических стекл протекает медленно. Недостатком органического стекла является невысокая поверхностная твердость.         Поливинилхлорид является аморфным полимером с химической формулой (- СН₂ – СНСl -) _n . Пластмасса имеет хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойкие. Не пластифицированный поливинилхлорид называют винипластом. Винипласты имеют высокую прочность и упругость. Недостатком этого материала является низкая длительная прочность и низкая рабочая температура (не выше 60 –70⁰С) под нагрузкой, большой коэффициент линейного расширения, хрупкость при низких температурах.         Полиамиды - эта группа пластмасс с известным названием капрон, нейлон, анид и др. Полиамиды – кристаллизующиеся полимеры. Отдельные цепочки макромолекул располагаются таким образом, что между группами и, принадлежащим различным цепочкам, возникает водородная связь, повышающая температуру плавления до 210 –264⁰С и способна образованию регулярной структуры, При одноосной ориентации получаются полиамидные волокна, нити, пленки. Они имеют низкий коэффициент трения, продолжительное время могут работать на истирание; кроме того, полиамиды ударопрочны и способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину, спирту. К недостаткам полиамидов относятся некоторая гигроскопичность и подверженность к старению вследствие окисляемости при переработке.         Полиуретаны содержат уретановую группу (- NH-COO-). Кислород в молекулярной цепи сообщает полимерам гибкость, эластичность; им присуща высокая атмосферостойксть и морозостойкость ( от –60 до –70⁰С). Верхний температурный предел составляет 120-170⁰С.          В зависимости от исходных веществ, применяемых при получении полиуретанов, они могут обладать различными свойствами, быть твердыми и эластичными и даже термореактивными. Физико-механические свойства полярных термопластов приведены в таблице.         Термостойкие пластики. В этих полимерах фениленовые звенья чередуются с гибкими звеньями (амидными, сульфидными и др.) Температура эксплуатации их до 400⁰С. Кроме полимеров с гибкими звеньями создается новый класс полимеров с жесткими цепями, в которые вводятся устойчивые циклы. Циклические структуры устойчивы до 600⁰С выше. Практический интерес представляют ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфон и гетероциклические полимеры – полиимиды, полибензимидазолы.         Ароматический полиамид – фенилон – содержит фенильные радикалы, соединенные группами - NH - CO- . Это гетероцепной полимер, способный кристаллизоваться, который может длительно работать при температуре 250 – 260⁰С, морозостоек (даже при температуре жидкого азота), имеет повышенную стойкость к радиации, химическую стойкость. По сравнению с капроном фенилон обладает более высоким сопротивлением усталости и износостойкостью.         Арилокс-полифениленоксид - простой ароматический полиэфир, аморфен, трудно кристаллизуется, по термической стабильности уступает фенилону. Длительно его можно применять при температуре 130 –150⁰С; обладает химической стойкостью, низким водопоглащением. Имеет хорошие физико-механические характеристики.

        Полисульфон – простой ароматический полиэфир, в макромолекулах которого между фениленовыми группами имеются звенья -SO₂- (повышающий стойкость к нагреву), группы -O-C(CH₃)₂ - (уменьшает жесткость). Это аморфный трудно кристаллизующийся полимер. Материал термически стабилен, химически стоек, по прочностным свойствам близок к полифениленоксиду.         Полиимиды – ароматические гетероциклические полимеры. Цепь макромолекул содержит имидные циклы и ароматические ядра, соединенные гибкими связями -О- , -СО-. В зависимости от структуры полиимиды могут быть термопластичными и термореактивными. Полиимиды отличаются высокими механическими и электроизоляционными свойствами, широким диапазоном рабочих температур (от – 200 до 300⁰С), стойкостью к радиации.         Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. В основной цепи молекул содержаться бензимидазольные циклы. Большинство полимеров бесцветные, однако, полимеры с ярко выраженной системой сопряжения в цепи имеют темный цвет. Полимеры могут иметь кристаллическое и аморфное строение, быть термопластичными и термореактивными. Они обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными показателями, высокими диэлектрическими свойствами. Волокна огнестойки и термостойки.         Термопласты с наполнителями. В качестве полимерных матриц (связующего) применяют различные термопласты. В качестве армирующих наполнителей можно использовать стеклянное волокно, асбест, органические волокна и ткани. Волокнистые наполнители образуют в полимере как бы несущий каркас и этим упрочняют материал. В промышленном масштабе применяют полиамид и поликарбонат, наполненный мелкорубленым стекловолокном. Такие материалы обладают повышенной прочностью и теплостойкостью, сопротивлением усталости и износостойкостью, небольшой ползучестью. Интервал рабочих температур от –60 до 180⁰С. Для получения высокопрочных пластмасс применяют полиамиды, армированные стеклотканью.

3. Термореактивные пластмассы

        В качестве связующих веществ применяют термореактивные смолы, в которые иногда вводятся пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители, растворители. Основным требованием к связующим веществам являются высокая клеящая способность (адгезия), высокие теплостойкость, химическая стойкость и электроизоляционные свойства, простота технологической переработки, небольшая усадка и отсутствие токсичности.          Смола склеивает как отдельные слои наполнителя, так и элементарные волокна и воспринимает нагрузку одновременно с ними, поэтому связующее вещество после отвердения должна обладать достаточной прочностью на отрыв при расслаивании материала. Для обеспечении высокой адгезии, связующее вещество должно быть полярным. Необходимо, чтобы температурные коэффициенты линейного расширения связующего и наполнителя были близки по величине.         В зависимости от формы частиц наполнителя термоактивные пластмассы можно подразделить на следующие группы: порошковые, волокнистые и слоистые.         Пластмассы с порошковыми наполнителями. В качестве наполнителя применяют органические (древесная мука) и минеральные (молотый кварц, асбест, слюда, графит) порошки.         Свойства порошковых пластмасс характеризуются изотропностью, невысокой механической прочностью и низкой ударной вязкостью, удовлетворительными электроизоляционными показателями. Их применяют для несиловых конструкционных и электроизоляционных деталей.         Минеральные наполнители придают пластмассе водостойкость, химическую стойкость, повышенные электроизоляционные свойства.         Пластмассы с волокнистыми наполнителями. К этой группе пластмасс относят волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты.         Волокниты представляют собой композиты из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолформальдегидным связующим. По сравнению с пресс порошками они имеют несколько повышенную ударную вязкость.         Асбоволокниты содержат наполнителем асбест. Связующим служит в основном фенолоформальдегидная смола. Преимущество асбоволокнитов является повышенная теплостойкость (свыше 200⁰С), устойчивость к кислым средам и высокие фрикционные свойства.         Стекловолокниты - это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность волокна резко возрастает с уменьшением его диаметра.         Слоистые пластмассы. Слоистые пластмассы являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. Листовые наполнители, уложенные слоями. Придают пластику анизатропность.         Гетинакс получается на основе модифицированных фенольных, анилиноформальдегидных и карбамидных смол и различных сортов бумаги. По назначению гетинакс подразделяют на электротехнический и декоративный.         Текстолит (связующие - термореактивные смолы, наполнитель – хлопчатобумажные ткани) среди слоистых пластиков обладает наибольшей способностью поглощать вибрационные нагрузки, хорошо сопротивляться раскалыванию.         Древеснослоитые пластики (ДСП) состоят из тонких листов древесного шпона, пропитанных феноло-крезольно-формальдегидными смолами и спрессованных в виде листов и плит. Они имеют высокие физико-механические свойства, низкий коэффициент трения и с успехом заменяет текстолит.         Асботекстолит содержит 38-43% связующего, остальное асбестовая ткань. Он является конструкционным, фрикционным и термоизоляционным материалом. Асботекстолит выдерживает кратковременно высокие температуры и поэтому применяются в качестве теплозащитного и теплоизоляционного материала (в течение 1 – 4 часов выдерживает температуру 250-500⁰С и кратковременно 3000⁰С и выше).         В стеклотекстолитах применяют в качестве наполнителя стеклянные ткани. Стеклотекстолит на фенолформальдегидном связывающем ( типа КАСТ) недостаточно вибропрочен, но зато по сравнению с обычным текстолитом он более теплостоек и имеет более высокие электроизоляционные свойства. Эпоксидные связующие (ЭД-8, ЭД-10) обеспечивают стеклотекстолитам наиболее высокие механические свойства и позволяют изготовлять крупногабаритные детали.         Материал СВАМ представляет собой стекловолокнистый анизотропный материал, в котором стеклянные нити сразу по выходу из фильер склеиваются между собой в виде стеклянного шпона и затем укладываются как в фанере. Связующие могут быть различны.

4. Газонаполненные пластмассы

        Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящих из твердых и газообразных фаз. Структура таких пластмасс образована твердыми, реже эластичными полимерами – связующим, которое образует стенки элементарных ячеек или пор с распределенной в них газовой фазой – наполнителем. Такая структура пластмасс обуславливает некоторую общность их свойств, а именно - чрезвычайно малую массу, высокие теплозвукоизоллляционные характеристики. В зависимости от физической структуры газонаполненные пластмассы делят на пенопласты, поропласты и сотопласты. Полимерные связующие могут быть как термоактивными, так и термопластичными. Для термопластичных пенопластов наиболее опасны температуры, близкие к температуре текучести, когда значительно снижается прочность материала, и избыточное давление газа может разрушить пенопласт.         Для получения эластичных материалов вводят пластификаторы.         Пенопласты – материалы с ячеистой структурой, в которой газообразные наполнители изолированы друг от друга и окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Объемная масса пенопластов колеблется от 20 до 300 кг/м³. Замкнутоячеистая структура обеспечивает хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Прочность их невелика и зависит от плотности материала. Пенопласт является легким заполнителем. Повышает удельную прочность, жесткость и вибростойкость силовых элементов конструкций. Они используется в авиастроении, судостроении, на железнодорожном транспорте. Мягкие и эластичные пенопласты (типа поролон) применяют для амортизаторов, мягких сидений, губок.         Физико-механические свойства пенопластов приведены в таблице

        Поропласты с открытой пористой структурой, вследствие чего присутствующие в них газообразные включения свободно сообщаются друг с другом и окружающей атмосферой. Их кажущая плотность изменяется от 25-60 до 130-500 кг/м³.         Сотопласты изготовляют из тонких листовых материалов, которым придают вначале вид гофра, а затем листы гофра склеивают в виде пчелиных сот. Материалом служат различные ткани, которые пропитываются различными связующими. Для сотопластов характерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные свойства и радиопрозрачность.

 При соотношении продольных и поперечных слоев шпона 11 временное сопротивление - 460-500 МПа и модуль упругости Е больше 35000 МПа; при соотношении 101 временное сопротивление – 850-950 МПа и Е равно 58000 МПа. Это характеризует СВАМ как конструкционный материал, обладающий большой жесткостью и высокой ударной вязкостью. Наличие пор вызывает резкое снижение прочности материала. Физико-механические свойства термореактивных пластмасс приведены в таблице.         Особенностью стеклопластиков является неоднородность механических свойств, обусловленных различными факторами: составом, структурой, технологией.         Недостатком стеклопластиков является невысокий модуль упругости. Однако по удельной жесткости ) не уступают сталям, алюминиевому сплаву и титану, а по удельной прочности () при растяжении даже превосходят металлы.