Термопластичные полимеры

Термопластичные полимеры имеют линейную либо разветвленную молекулярную структуру, что придает им невысокий уровень прочности порядка σ_В=10…100 МПа, и большую пластичность величиной δ=100…1000%. Усталостная прочность и химическая стойкость термопластов повышены, но их теплоустойчивость, сопротивление длительному воздействию механических нагрузок, света и воздуха (старение) невелики.

Н е п о л я р н ы е термопласты с равномерным распределением заряженных структурных частиц включают полиэтилен, полипропилен, полистирол, фторопласт-4.

Полиэтилен (–СН₂–СН₂–)_n получают в результате полимеризации этилена, его фазовое состояние характеризуется определенной степенью кристалличности. При полимеризации под высоким давлением образуется полиэтилен высокого давления с пониженной плотностью (ПНП) и степенью кристалличности до 65%. Его прочность не превышает значения σ_В=18 МПа, пластичность достигает величины δ=1000%. Полимеризация под низким давлением обусловливает получение полиэтилена с высокой плотностью (ПВП), увеличенной до 95% степенью кристалличности, прочностью – до значения σ_В=32 МПа, пластичностью на уровне δ=600 %. Теплоустойчивость полиэтилена невелика и соответствует пределам –70…70 ^о С. Применяется полиэтилен для изготовления труб, многих других малонагруженных изделий, а также в качестве электроизоляционного и антикоррозионного материала.

Полипропилен (–СН₂ – СНСН₃ –)_п является производной этилена, содержит значительную долю кристаллической фазы и характеризуется увеличенной жесткостью. По прочности и пластичности он близок к полиэтилену, его теплоустойчивость повышена до 150 ^оС, но морозостойкость невелика и составляет –15 ^оС. Полипропилен используется для получения деталей того же типа, что и полиэтилен.

Полистирол (–СН₂–СНС₆Н₅–)_n – продукт полимеризации стирола, являющийся аморфным, твердым, жестким, прозрачным полимером. Он выпускается в виде листов, прутков, порошка и обладает хорошими диэлектрическими, антикоррозионными и технологическими свойствами, но теплоустойчивость и ударная вязкость его понижены. Ударопрочный полистирол как блоксополимер стирола с каучуком отличается увеличенными показателями ударной вязкости и пластичности. Наиболее широко полистирол используется для получения изделий радиоэлектронной техники, химического производства, многих деталей приборо- и машиностроения.

Фторопласт-4 представляет политетрафторэтилен (–CF₂–CF₂–)_n, его аморфно-кристаллическая структура характеризуется хорошими механическими свойствами, высокой химической стойкостью, теплоустойчивостью при температурах от –269⁰С до 250⁰С. Кроме этого, фторопласт-4 обладает высокими диэлектрическими свойствами, он обеспечивает низкий коэффициент трения в паре со многими другими материалами, его поверхность не смачивается водой. К недостаткам фторопласта-4 относятся его плохие технологические качества и способность к выделению токсичного фтора при высоких температурах. Улучшенной технологичностью обладают фторопласт-4Д и фторопласт-40. Применяется фторопласт-4 для изготовления различных деталей радиотехнического, антикоррозионного и антифрикционного назначения.

П о л я р н ы е термопласты имеют направленное смещение заряженных структурных частиц. К ним относятся фторопласт-3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поликарбонат, пентапласт, полиформальдегид, фенилон, полифениленоксид, полисульфон, полиимиды.

Фторопласт-3 – это кристаллизующийся полимер трифторхлорэтилена
(–CF₂–CFCl–). У него в сравнении с фторопластом-4 пониженные значения диэлектрических свойств и теплоустойчивости, но улучшенные технологические качества. Фторопласт-3 используется для получения электротехнических изделий, деталей гидравлических систем, для создания защитных покрытий металлов.

Органическое стекло (плексиглас) представляет аморфный прозрачный материал на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот – полиметилметакрилат. Оно выпускается в виде листов различной толщины, его плотность вдвое меньше, чем у минерального стекла, оптическая прозрачность и коррозионная стойкость находятся на высоком уровне. Твердость органического стекла невелика, а при температуре 150⁰С оно приобретает большую пластичность. Это позволяет получать из него методом формования различные светотехнические детали, оптические линзы. При этом используется растворимость стекла в органических кислотах, ароматических и хлорированных углеводородах, позволяющая применять склеивание отдельных частей изделия с помощью дихлорэтана при сохранении прозрачности.

Поливинилхлорид относится к аморфным полимерам, он содержит элементарное звено (–СН₂–СНCl–)_n, обладает хорошими диэлектрическими свойствами, коррозионной стойкостью, огнестойкостью. Непластифицированный поливинилхлорид – это винипласт, имеющий высокую прочность и упругость при пониженной теплостойкости и хладостойкости. Он выпускается в виде листов, прутков, труб, порошка и применяется для изготовления емкостей, трубопроводов, облицовочных изделий, создания защитных покрытий.

За счет добавления пластификатора получают полихлорвиниловый пластикат в виде эластичной пленки с повышенной теплостойкостью и хладостойкостью. Ее используют при изготовлении электроизоляции проводов, уплотнительных деталей, гибких трубок.

Полиамиды содержат в составе своей макромолекулы амидную группу
(–NH–CO–) и метиленовую группу (–СН₂–), они выпускаются под названиями капрон, найлон и др. Полиамиды обладают кристаллизующейся структурой и отличаются хорошими диэлектрическими свойствами, коррозионной стойкостью в нефтепродуктах, щелочах, спирте, высокими показателями прочности, ударной вязкости, износостойкости. Но при этом полиамиды проявляют заметную гигроскопичность и склонность к старению, снижают свою прочность при температурах свыше 100⁰С. Применяются полиамиды для производства различных диэлектрических и конструкционных изделий типа колец, втулок, валов, осей, шестерен в приборостроении и машиностроении, а также для нанесения покрытий на металлы.

Полиуретаны имеют в молекулярной цепи уретановую группу (–NH–COO–), что придает им гибкость и эластичность. Но в зависимости от вида исходных материалов полиуретаны также могут быть твердыми и прочными. Полиуретаны обладают атмосферостойкостью, а также теплоустойчивостью в пределах от –70 до 170⁰С, по механическим свойствам они близки к полиамидам.

Полиэтилентерефталат характеризуется кристаллической структурой, выпускается под названиями лавсан и терилен. Он обладает хорошими диэлектрическими свойствами, теплоустойчивостью при температурах –70…250⁰С, высокой коррозионной стойкостью. Полиэтилентерефталат служит для получения различных деталей электротехнического, конструкционного, биотехнического назначения, включая пленки, волокна, ткани, тросы.

Поликарбонат является сложным полиэфиром угольной кислоты и выпускается под названием дифлон. Он имеет кристаллическую структуру, которая может становиться аморфной при нагреве и охлаждении, приобретая прозрачное, стеклообразное состояние. Свойства поликарбоната характеризуются теплоустойчивостью и коррозионной стойкостью, а также сочетанием прочности, жесткости, упругости, ударной вязкости. Это позволяет применять его для изготовления деталей приборо– и машиностроения, в криогенной технике, а также для получения пленок.

Пентапласт – хлорированный простой полиэфир с кристаллизующийся структурой и повышенными диэлектрическими свойствами. Он обладает водостойкостью, коррозионной стойкостью и износостойкостью, сохраняет высокую прочность при температурах до 180⁰С. Пентапласт используется в производстве труб, емкостей, деталей приборо- и машиностроительного назначения, для получения пленок и защитных покрытий.

Полиформальдегид представляет простой кристаллический полиэфир с кислородом в составе макромолекулы (–СН₂–О–)_n. Это придает полиформальдегиду упругость в сочетании с твердостью, жесткостью, ударной вязкостью, которые сохраняются при температурах от – 40 до 130 ⁰ С. Кроме этого, полиформальдегид обладает стойкостью к действию нефтепродуктов, а также водостойкостью. Благодаря этим свойствам полиформальдегид применяется для изготовления различных деталей приборов и машин типа валов, осей, втулок, колец, клапанов, шестерен.

Термостойкие полимеры имеют гетероцепную структуру с чередованием жестких и гибких звеньев, а также с жесткими гетероциклическими цепями, что значительно повышает их сопротивление действию высоких температур.

Ароматический полиамид, называемый фенилон, характеризуется линейной, кристаллизующейся структурой и температурой плавления 430⁰ С. В сравнении с капроном фенилон обладает более высокими показателями усталостной прочности и износостойкости, которые сохраняются при температурах от –180 до 260⁰С.

Полифениленоксид – это простой ароматический полиэфир с аморфной структурой. Он обладает хорошими физико-механическими свойствами и химической стойкостью, но его теплоустойчивость ниже, чем у фенилона.

Полисульфон является простым ароматическим полиэфиром, в его аморфной гетероцепной структуре имеются звенья –SO₂–, повышающие теплоустойчивость до пределов от – 100 до 175⁰С (в инертной атмосфере до 400⁰С). Полисульфон имеет химические и механические свойства близкие к свойствам полифениленоксида, из него изготовляются детали электротехнического и машиностроительного назначения.

Полиимиды, относящиеся к ароматическим полимерам с гетероциклической линейной структурой, обладают высокими показателями диэлектрических свойств, химической стойкости, механической прочности, износостойкости. Эти качества полиимидов сохраняются при температурах от – 200 до 300⁰С, их применяют для получения изделий приборо- и машиностроения, изготовления пленок, нанесения покрытий.

Прочность термопластичных полимеров может быть повышена за счет использования армирующих наполнителей в виде различных волокон и слоев.

Стекловолокно применяется как наполнитель полиамидов и поликарбоната, благодаря чему получаемые стекловолокниты получают повышение прочности до значения σ_В=150 МПа, увеличение теплоустойчивости, усталостной прочности, износостойкости. Применение для этих же целей полимерного волокна из полипропилена, капрона, лавсана придает получающимся волокнистым термопластам еще большее упрочнение.

Стеклоткани, используемые для армирования полиамидов, обеспечивают очень значительный рост их механических свойств. Например, капрон, содержащий слои стеклоткани получает повышение прочности до величины σ_В=430 МПа.

Волокнистые и слоистые термопласты применяются для изготовления нагруженных ответственных деталей типа втулок, колец, шестерен, труб, емкостей.