Пластические массы Вопросы для самопроверки

1 2 3 4 5 6 7

Состав, классификация и свойства пластмасс

Общие сведения о неметаллических материалах Вопросы для самопроверки

1. Какие материалы относятся к неметаллическим, каковы их преимущества по сравнению с металлами и сплавами?

2. Как влияет форма макромолекул полимеров на их физико-механические свойства?

3. Как классифицируются полимерные материалы по происхождению, отношению к нагреву, полярности?

4. Какие полимеры называются термопластичными, термореактивными?
Приведите примеры

5. Каковы температурные зависимости прочностных характеристик термопластичных и термореактивных полимеров?

6. Что называют термомеханической кривой и какова она для полимера с разной структурой?

7. В чем сущность старения полимерных материалов?

Пластические массы

Пластмассами (пластиками) называют искусственные материалы, получаемых на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагреве смягчаться. Становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется, в зависимости от природы связующего переход от формованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагреве, или при последующем охлаждении.

Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество, например, синтетические смолы, полиэтилен, органическое стекло. Другим важным компонентом является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и не органического происхождения).
Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства.
Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

По характеру связывающего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные, получаемые на основе термопластических полимеров и термореактивные, получаемые на основе термореактивных смол.
По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые (карболиты). С наполнителем в виде древесной муки, графита, талька и др.; волокнистые с наполнителем в виде очесов хлопка и льна (волокниты), стеклянного волокна (стекловолокниты), асбеста (асбестоволокниты); слоистые, содержащие листовые наполнители (листы бумаги в гетинаксе, хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые ткани в текстолите, стеклотекстолите и асбестотекстолите, древесный шпон в древесно-слоистых пластиках); газонаполненные (наполнитель – воздух или нейтральные газы – пено- и поропласты).
По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные, фрикционные, антифрикционные, электроизоляционные) и несиловые (оптически прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные). Однако это деление условно, так как одна и та же пластмасса может обладать разными свойствами.

Особенностью пластмасс являются малая плотность (1-2 т/м³); низкая теплопроводность [0,1- 0,3 Вт/(м К)], значительное тепловое расширение, в 10 – 30 раз больше чем у стали; хорошие электроизоляционные свойства; высокая химическая стойкость, фрикционные и антифрикционные свойства. Прочность силовых пластиков сопоставима с прочностью стали и выше. Пластмассы имеют хорошие технологические свойства. Недостатками пластмасс является невысокая теплостойкость, низкий модуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, а для некоторых пластмасс склонность к старению.

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-

Таблица 68

Физико-механические свойства неполярных термопластов

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.

Таблица 69

Физико-механические свойства полярных термопластов

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.

Таблица 70

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

Таблица 71

Физико-механические свойства газонаполненных пластмасс.

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.

Физико-механические свойства термореактивных пластмасс

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 (E/r) не уступают сталям, алюминиевому сплаву и титану, а по удельной прочности (s/r) при растяжении даже превосходят металлы.

1. Дайте определение пластмасс. Назовите их состав и общие свойства. Как классифицируют пластмассы по связующему наполнителю?

2. Назовите основные термопластичные пластмассы, их состав, разновидности, свойства и применение.

3. Назовите термоактивные пластмассы с органическими наполнителями. Каковы их свойства?

4. Что такое стеклопластики? Назовите их состав, свойства и применение. Как влияет вид наполнителя и связующего вещества на физико-механические свойства стеклопластиков?

5. Какие пластики являются термостойкими, каковы их разновидности и свойства?

6. Назовите свойства органического стекла и способы повышения его качества.

7. Что называется газонаполненными пластмассами? Каковы их разновидности, свойства и применение в технике.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: