Омск 2013

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Министерство транспорта Российской Федерации

ОМСК 2013

Часть 5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

Омский государственный университет путей сообщения

А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

Конспект лекций

Часть 5

УДК 620.22 (076.5)

ББК 34.651 я7

Р95

Материаловедение. Раздел «Микроструктурный анализ железоуглеродистых сплавов»: Методические указания к лабораторным работам / А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. 21 с.

Конспект лекций посвящен

Библиогр.:

Рецензенты:

_________________________

ã Омский гос. университет

путей сообщения, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………….………

ВВЕДЕНИЕ

Неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стекло, клей, лакокрасочные покрытия, древесина, ткань и др.) в качестве конструкционных материалов служат важным дополне­нием к металлам, в ряде случаев с успехом заменяют их, а иногда неметаллические материалы сами являются незаменимыми. Дви­гатели внутреннего сгорания из керамики обходятся без водяного охлаждения, что невозможно при изготовлении их из металла; обтекатели ракет делают только из неметаллических материалов (графита, керамики). Трудно представить домашнюю утварь, ау­дио- и видеотехнику, компьютеры, спортивное снаряжение, авто­мобили и другую технику без неметаллических материалов − пла­стмасс, ламинатов, керамики, резины, стекла и др.

Достоинством неметаллических материалов является сочета­ние требуемого уровня химических, физических и механических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий сложной конфигурации. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5 − 6 раз ниже, и они в 4 − 5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непрерывно возрастает использование неметалли­ческих материалов в машиностроении автомобилестроении, авиа­ционной, пищевой, холодильной и криогенной технике и др.

1. МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРОВ

1.1. Состав и строение полимеров

В основе неметаллических материалов лежат полимеры. Поли­мерами называются высокомолекулярные химические соеди­нения, состоящие из многочисленных маломолекулярных звеньев (мономеров) одинакового строения. Макромолекулы представля­ют собой длинные цепи из мономеров, что определяет их большую гибкость. Отдельные атомы в мономерах соединены между собой довольно прочными ковалентными химическими связями. Между макромолекулами полимеров действуют значительно более сла­бые физические связи. Например, мономеры этилен С₂Н₄ или винилхлорид С2Н3С1 после разрыва двойных ковалентных связей создают цепь из мономерных звенье (меров), т. е. полимеры, кото­рые называются соответственно полиэтилен и поливинилхлорид (рис. 1).

Рис.1. Схема полимеризации этилена и винилхлорида

Чаще всего для получения полимеров применяют следующие мономеры (рис. 2):

Рис. 2. Мономеры, применяемые для получения полимеров

Особенностью молекул полимеров является их большая моле­кулярная масса (М > 5∙10³). Соединения с меньшей молекуляр­ной массой (М = 500 −
− 5000) называются олигомерами, у низкомо­лекулярных соединений М < 500. Это разделение по молекуляр­ной массе условно.

Различают природные и синтетические полимеры. К полиме­рам, встречающимся в природе, относятся натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, шерсть и т. д. Однако ведущее место за­нимают синтетические полимеры, получаемые в процессе химиче­ского синтеза из низкомолекулярных соединений.

В зависимости от способа образования высокомолекулярных синтетических соединений различают полимеры, получаемые ли­бо в процессе поликонденсации, либо в результате реакции при­соединения.

Полимеризация − это процесс соединения маломолекуляр­ных соединений в высокомолекулярные с образованием длинных цепей. Величиной степени полимеризации является количество меров в молекуле полимера. В большинстве полимеров их количе­ство составляет от 1000 до 10000 единиц. В результате полимери­зации получают такие часто применяемые полимеры, как поли­этилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, политет­рафторэтилен, полибутадиен и др.

Поликонденсация − это ступенчатая реакция, заключающая­ся в соединении большого количества одинаковых мономеров или двух различных групп (А и В) мономеров в макромолекулы (по­ликонденсаты) с одновременным образованием побочных про­дуктов (вода, аммиак, хлороводород, диоксид углерода, метило­вый спирт и др.). В первом случае полимеры образуются по та­кой схеме:

nA – R – B → A – (R)_n – B + (n – 1)AB

мономер полимер побочный продукт

Во втором случае полимеры образуются по другой схеме:

nA – R₁ – A + nB – R₂ – B → A – (R₁ – R₂)_n – B + (2n – 1)AB

мономер 1 мономер 2 полимер побочный продукт

С помощью реакции поликонденсации получают полиамиды, полиэстеры, фенопласты, аминопласты, поликарбонаты, полисульфоны, силиконы и другие полимеры.

Полиприсоединение − процесс образования полимера в ре­зультате реакции множественного присоединения иономеров, со­держащих предельные реакционные группы к мономерам, содер­жащим непредельные группы (двойные связи или активные цик­лы). В отличие от поликонденсации полиприсоединение протекает без выделения побочных продуктов.

К важнейшим реакциям полиприсоединения относится полу­чение полиуретанов.

По составу все полимеры делятся на органические, элементо-органические и неорганические. Органические полимеры, состав­ляющие наиболее обширную группу соединений, состоят из ато­мов углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов. Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи, кроме перечисленных, атомы кремния, титана, алюминия и дру­гих элементов, сочетающихся с органическими радикалами. В при­роде таких соединений нет. Это чисто синтетические полимеры. Их характерными представителями являются кремнийорганические соединения, основная цепь которых построена из атомов кремния и кислорода. Неорганические полимеры (силикатное стекло, ке­рамика, слюда, асбест и др.) не содержат атомов углерода. Осно­вой их являются оксиды кремния, алюминия, магния и др.

Для получения материалов с заданными свойствами в технике часто используют не сами полимеры, а их сочетания с другими материалами как органического, так и неорганического происхож­дения (металлопласты, пластмассы, полимербетоны, стеклопла­стики и др.).

Своеобразие свойств полимеров обусловлено их структурой. Раз­личают следующие типы полимерных структур: линейную, линей­но-разветвленную, лестничную и пространственную с громоздкими молекулярными группами и специфическими геометрическими построениями (рис. 3).

Рис. 3. Различные типы структур полимеров:

а − линейная; б − линейно-разветвленная; в − лестничная; г − пространственная

Полимеры с линейной структурой представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки (рис. 3, а). Их макромолекулы характеризуются повторениями вдоль цепи одной и той же структурной группы — звена или химической еди­ницы цепи. Для полимеров с линейной структурой существенно наличие достаточно длинных макромолекул с резким различием характера связи вдоль цепи и между цепями (химические и меж­молекулярные связи). Для макромолекул полимеров с линейной структурой характерна высокая гибкость. Гибкость - основное свойство полимерных цепей, приводящее к качественно новым свойствам: высокой эластичности и отсутствию хрупкости в твер­дом состоянии. Полимеры с линейно-разветвленной структурой помимо основной цепи имеют боковые ответвления (рис. 3, б). К типичным полимерам с линейной структурой относится поли­этилен, с линейно-разветвленной - полиизобутилен и полипро­пилен:

Здесь в скобках приведена химическая структура звена, а ин­декс п указывает степень полимеризации.

Молекула полимера с лестничной структурой (рис. 3, в) со­стоит из двух цепей, соединенных химическими связями. Поли­меры с лестничной структурой, к которым относятся, например, кремнийорганические полимеры, характеризуются повышенной термостойкостью, жесткостью, они нерастворимы в органических растворителях.

Полимеры с пространственной структурой (рис. 3, г) об­разуют при соединении макромолекул между собой в попереч­ном направлении прочные химические связи. В результате та­кого соединения макромолекул образуется сетчатая структура с различной густотой сетки или пространственная сетчатая струк­тура.

Полимеры с пространственной структурой обладают большей жесткостью и теплостойкостью, чем полимеры с линейной струк­турой. Полимеры с пространственной структурой являются осно­вой конструкционных неметаллических материалов.

По фазовому составу полимеры представляют собой системы, состоящие из кристаллических и аморфных областей. Кристал­лическое состояние характеризуется наличием дальнего порядка в расположении макромолекул. Такое упорядочение кристалли­ческих полимеров приводит к образованию монокристаллов, пер­вичными элементами которых являются кристаллические ячей­ки. Для кристаллического состояния характерны различные структуры образований (надмолекулярные структуры). К ним в первую очередь относятся ленты. Из лент строятся плоскости, которые представляют собой важнейший структурный элемент кристаллического полимера. Когда образование правильных объемных кристаллов затруднено, то образуется сферолитная структура. Сферолиты состоят из лепестков, образованных по­следовательным чередованием кристаллических и аморфных участков.

Кристаллические полимеры по своему строению похожи на обычные кристаллические твердые тела, но сложнее, поскольку наряду с кристаллической фазой имеют в объеме аморфную фазу с межфазными слоями.

Аморфные полимеры по строению близки к жидкостям. В них существуют упорядоченные участки, в которых наблюдается ближ­ний порядок в расположении молекул. Эти участки термодина­мически неустойчивы, имеют флуктуационный характер, могут многократно разрушаться и вновь возникать. Но и в аморфном состоянии полимер может быть весьма упорядоченным.

Кристаллическая форма полимеров способствует повышению их твердости, прочности, модуля упругости и других механиче­ских характеристик, одновременно снижая гибкость молекул. Аморфная фаза уменьшает жесткость, делает полимер более эла­стичным, т. е. способным к большим обратимым деформациям. Отношение объема всех кристаллических областей к общему объему называют степенью кристалличности. Высокую сте­пень кристалличности (60 − 80 %) имеют фторопласты, полипро­пилен, полиэтилен высокой плотности. Меньшей степенью кри­сталличности обладают поливинилхлорид, полиэтилен низкой плотности.

В зависимости от того, как ведут себя полимеры при нагреве, они делятся на термопластичные и термореактивные. Термо­пластичные полимеры при нагреве размягчаются и плавятся, а при охлаждении затвердевают. При этом материал не претерпе­вает химических превращений, что делает процесс плавления − затвердевания полностью обратимым. Термопластичные поли­меры имеют линейную или линейно-разветвленную структуру макромолекул. Между молекулами действуют слабые силы и нет химических связей. К термопластам относятся полиэтилен, по­листирол, полиамиды и др. Изделия из термопластичных поли­меров изготавливают литьем под давлением в водоохлаждаемые формы, прессованием, экструзией, выдуванием и другими спо­собами.

Термореактивные полимеры сначала имеют линейную струк­туру и при нагреве размягчаются, затем в результате протекания химических реакций приобретают пространственную структуру и превращаются в твердое вещество, сохраняя и в дальнейшем вы­сокую твердость. Последующий нагрев не размягчает их и может привести только к их разложению. Готовый термореактивный полимер не плавится и не растворяется, поэтому в отличие от термопластичного не может подвергаться повторной переработке. К термореактивным полимерам относятся фенолоформальдегидная, кремнийорганическая, эпоксидная и другие смолы.

1.2. Основные свойства полимеров

Полимеры могут находиться в твердом и жидком состояниях (газообразное состояние для них не характерно), кристаллическом и аморфном фазовых состояниях, а также в стеклообразном, вы­сокоэластическом и вязкотекучем деформационных физических состояниях.

Особенности химической природы, строения и размеров моле­кул, их взаимного расположения и упаковки оказывают большое влияние на физико-механические свойства полимеров.

Полимеры имеют высокую стойкость в таких средах, как ще­лочи и концентрированные кислоты. В отличие от металлов они не подвержены электрохимической коррозии. С увеличением мо­лекулярной массы снижается растворимость полимеров в раство­рителях органического происхождения. Полимеры с пространст­венной структурой практически не подвержены действию органи­ческих растворителей.

Большинство полимеров является диэлектриками. Полимеры в основном относятся к немагнитным веществам. Из всех приме­няемых конструкционных материалов полимеры имеют наи­меньшую теплопроводность и наибольшие теплоемкость и тепло­вую усадку. Тепловая усадка полимеров примерно в 10 − 20 раз больше, чем металлов. Причиной потери герметичности уплотни-тельными узлами при низких температурах является стеклование резины и резкое различие коэффициентов расширения металла и резины в застеклованном состоянии.

Для полимеров характерен широкий диапазон механических характеристик, сильно зависящий от их структуры. Кроме струк­турных параметров большое влияние на механические свойства полимеров оказывают внешние факторы: температура, длитель­ность и частота или скорость нагружения, давление, вид напря­женного состояния, термообработка, характер окружающей сре­ды и др.

Особенностями механических свойств полимеров являются их удовлетворительная прочность, но малая жесткость по сравнению с металлическими материалами.

Полимерные материалы подразделяются на твердые с моду­лем упругости Е = 1 − 10 ГПа (пластмассы, волокна, пленки) и мягкие высокоэластичные материалы с модулем упругости Е = 1 − 10 МПа (резины). Механизм и закономерности разрушения тех и других существенно различны.

Для полимеров характерна ярко выраженная анизотропия свойств, снижение прочности и развитие ползучести при длитель­ном нагружении. Вместе с тем полимеры обладают высоким со­противлением усталости. Для полимеров характерна более резко выраженная температурная зависимость механических свойств по сравнению с металлами.

Одной из основных характеристик полимеров является дефор­мируемость. По деформируемости (или податливости) полимеров в широком температурном интервале чаще всего оценивают их ос­новные технологические и эксплуатационные свойства.

Значение деформируемости оп­ределяют методом термомехани­ческих кривых деформация − тем­пература (рис. 4).

Термомеханические кривые получают при нагреве нагружен­ного образца полимера с заданной скоростью. Действующая на­грузка должна быть постоянной по величине и малой по значе­нию, чтобы механические воздействия на полимер не приводили к изменению его структуры.

Рис. 4. Термомеханическая кривая амор­фного полимера с линейной структурой

Анализ зависимости на рис. 4 показывает, что полимер может находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, вы­сокоэластическом и вязкотекучем.

В стеклообразном состоянии при малых напряжениях на­блюдается только упругая деформация с высоким модулем уп­ругости (Е = 2,2 − 5 ГПа). Стеклообразное состояние является одной из форм твердого состояния высокомолекулярных ве­ществ. Выше температуры стеклования к этой деформации до­бавляется высокоэластическая составляющая, которая значи­тельно превосходит упругую и характеризуется модулем высокоэластичности Е = 0,1 − 1 МПа. Выше температуры текучести проявляется еще одна составляющая деформации, которая приводит к постепенному накоплению остаточной деформации образца полимера.

Границы между этими физическими состояниями характери­зуются значениями температур стеклования Тс и текучести Тτ. Критические температуры Тс и Тτ являются основными характе­ристиками полимеров.

Важность этих характеристик хорошо иллюстрируется сле­дующими примерами. Во многих случаях волокна и полимеры должны иметь высокую прочность. Поэтому лежащие в их основе полимеры должны находиться в стеклообразном состоянии. Рези­новой промышленности, наоборот, необходимы высокоэластич­ные полимеры, сохраняющие это состояние в широком темпера­турном интервале. Процесс технологической переработки по­лимеров происходит, как правило, в области вязкотекучего состояния. Поэтому для переработки они должны быть нагреты выше соответствующей температуры Тτ.

Низкомолекулярные вещества не могут находиться в высоко-эластическом состоянии, для них характерны только стеклооб­разное и вязкотекучее состояния. Высокоэластическое состояние занимает тем больший температурный интервал Тс – Тτ, чем боль­ше молекулярная масса полимера.

Все полимеры в большей или меньшей степени подвержены процессу старения во времени. Старением (ageing treatment) по­лимеров называют самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик, происходящее в резуль­тате сложных химических и физических процессов, развиваю­щихся в материале при эксплуатации и хранении.

Старению способствуют свет, частая смена циклов нагрев -охлаждение, воздействие кислорода, озона и другие факторы. Старение ускоряется при многократных деформациях, менее су­щественное влияние на старение оказывает влага. При старении повышается твердость, хрупкость, теряется эластичность. При высоких температурах (200 − 250 °С) происходит термическая де­струкция − разложение органических полимеров, сопровождаю­щееся испарением летучих веществ.

Ускоренное старение наблюдается при действии механиче­ских напряжений, когда не успевают протекать процессы релак­сации напряжений, в результате чего ослабляются или наруша­ются химические связи. При длительной работе резин в растяну­том состоянии на их поверхности под действием атмосферного кислорода образуется хрупкая пленка, склонная к расслаива­нию.

Для замедленного старения в полимерные материалы добав­ляют стабилизаторы. Обычно применяют стабилизаторы двух ти­пов: термостабилизаторы (амины, фенолы) и светостабилизаторы (например, сажу).

Длительность эксплуатации стабилизированных полимеров значительно возрастает. Срок наступления хрупкости полиэтилена, стабилизированного сажей, составляет свыше 5 лет. Трубы из поливинилхлорида могут работать 10 − 25 лет.

Для определения механических свойств неметаллических ма­териалов проводят статические испытания на растяжение, сжатие и изгиб; динамические испытания на удар; определение твердости, усталостной прочности, ползучести и др. С целью определения стойкости к старению проводят физико-механические испытания материалов после ускоренных кли-матических испытаний на фо­тостарение.

2. ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ

2.1. Общая характеристика пластмасс

Пластмассы − это синтетические материалы, получаемые на основе органических и элементоорганических полимеров. Свойства пластмасс определяются свойствами полимеров, состав­ляющих их основу.

Пластмассы состоят из нескольких компонентов: связующего вещества, наполнителя, пластификатора и др. Обязательным ком­понентом является связующее вещество. Такие простые пластмас­сы, как полиэтилен, вообще состоят из одного связующего вещества.

Наполнителями служат твердые материалы органического и неорганического происхождения. Они придают пластмассам проч­ность, твердость, теплостойкость, а также некоторые специальные свойства, например антифрикционные или, наоборот, фрикцион­ные. Кроме того, наполнители снимают усадку при прессовании.

Пластификаторы представляют собой нелетучие жидкости с низкой температурой замерзания. Растворяясь в полимере, пла­стификаторы повышают его способность к пластической деформации. Их вводят для расширения температурной области высо­коэластического состояния, снижения жесткости пластмасс и температуры хрупкости.

В качестве пластификатора применяют сложные эфиры, низ­комолекулярные полимеры и др. Пластификаторы должны оста­ваться стабильными в условиях эксплуатации. Их наличие улуч­шает морозостойкость и огнестойкость пластмасс.

В состав пластмасс могут также входить стабилизаторы, отвердители, красители и другие вещества.

Стабилизаторы вводят в пластмассы для повышения долго­вечности. Светостабилизаторы предотвращают фотоокисление, а антиокислители − термоокислительные реакции.

Отвердители изменяют структуру полимеров, влияя на свой­ства пластмасс. Чаще используют отвердители, ускоряющие по­лимеризацию. К ним относятся оксиды некоторых металлов, уро­тропин и др.

Специальные химические добавки вводят с различными целя­ми; например, сильные органические яды-фунгициды − для пре­дохранения пластмасс от плесени и поедания насекомыми в усло­виях тропиков.

Смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кислота) приме­няют для предотвращения прилипания пластмассы к оборудова­нию при производстве и эксплуатации изделий.

Красители и пигменты придают желаемую окраску пласт­массам.

Для пластмасс характерны следующие свойства:

низкая плотность (обычно 1,0 − 1,8 г/см³, в некоторых случа­ях до 0,02 − 0,04 г/см³);

высокая коррозионная стойкость. Пластмассы не подверже­ны электрохимической коррозии, на них не действуют сла­бые кислоты и щелочи. Есть пластмассы, стойкие к дейст­вию концентрированных кислот и щелочей. Большинство пластмасс безвредны в санитарном отношении;

высокие диэлектрические свойства;

хорошая окрашиваемость в любые цвета. Некоторые пласт­массы могут быть изготовлены прозрачными, не уступаю­щими по своим оптическим свойствам стеклам;

механические свойства широкого диапазона. В зависимости от природы выбранных полимеров и наполнителей пласт­массы могут быть твердыми и прочными или же гибкими и упругими. Ряд пластиков по своей механической прочности превосходит чугун и бронзу. При одной и той же массе пла­стмассовая конструкция может по прочности соответство­вать стальной;

антифрикционные свойства. Пластмассы могут служить пол­ноценными заменителями антифрикционных сплавов (оловянистых бронз, баббитов и др.). Например, полиамидные подшипники скольжения длительное время могут работать без смазки;

высокие теплоизоляционные свойства. Все пластмассы, как правило, плохо проводят теплоту, а теплопроводность таких теплоизоляторов, как пено- и поропласты, почти в 10 раз меньше, чем у обычных пластмасс;

высокие адгезионные свойства;

хорошие технологические свойства. Изделия из пластмасс изготовляют способами безотходной технологии (без снятия стружки) − литьем, прессованием, формованием с примене­нием невысоких давлений или в вакууме.

Недостатком большинства пластмасс является их невысокая теплостойкость (до 100 − 120 ° С). В настоящее время верхний тем­пературный предел для некоторых видов поднялся до 300 − 400 °С. Пластмассы могут работать при умеренно низких температурах (до −70 °С), а в отдельных случаях - при криогенных температу­рах. Недостатками пластмасс также являются их низкая твер­дость, склонность к старению, ползучесть, нестойкость к большим статическим и динамическим нагрузкам. Однако положительные свойства значительно превосходят их недостатки, что обусловли­вает высокие темпы роста ежегодного производства пластмасс.

По характеру связующего вещества пластмассы подразделя­ются на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты), т. е. неразмягчающиеся.

2.2. Термопластичные пластмассы (термопласты)

Широкое применение находят термопластичные пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, полистирола, поливинилхлорида, фторопластов, полиамидов и других полимеров.

Полиэтилен имеет линейную структуру макромолекул [−СН₂−СН₂−]_n и является продуктом полимеризации этилена. Свойства полиэтилена зависят от условий полимеризации. По способу изготовления различают полиэтилен низкой плотности (0,918 − 0,930 г/см³), получаемый полимеризацией при высоком давлении (ГОСТ 16337-77Е), и полиэтилен высокой плотности (0,946 − 0,970 г/см³), получаемый полимеризацией при низком давлении (ГОСТ 16338-85Е). Полиэтилен высокой плотности имеет степень кристалличности до 75 − 95 %. Чем выше плотность и степень кристалличности полиэтилена, тем выше его прочность, модуль упругости и теплостойкость. Разрушающее напряжение при растяжении полиэтилена низкой плотности составляет 10 − 17 МПа, полиэтилена высокой плотности − 18 − 35 МПа.

Полиэтилен имеет высокие диэлектрические свойства, прак­тически не поглощает влагу. Он химически стоек к действию ки­слот, щелочей и растворителей, нетоксичен, легко сваривается, технологичен (поддается экструзии, литью, напылению, заливке т. д.), стоит недорого и сочетает высокую прочность с пластично­стью. Недостатком полиэтилена является склонность к старению под действием ультрафиолетовых лучей.

Полиэтилен (ГОСТ 25951-83, ГОСТ 20477-86, ГОСТ 10354-82) выпускается в виде пленок толщиной 0,03 − 0,30 мм, шириной 1400 мм и длиной 30 м, а также в виде листов толщиной 1 − 6 мм и шириной до 1400 мм. Полиэтилен применяют для изоляции элек­тропроводов и кабелей, в качестве упаковочного материала для пищевых продуктов, для защиты от коррозии магистральных нефте- и газопроводов, в качестве заменителя стекла, для изготовле­ния предметов домашнего обихода, для защиты металлов от кор­розии. Полиэтиленовые трубы могут работать при температурах до −60 °С, они не подвержены почвенной коррозии. Из полиэти­лена изготавливают крышки подшипников, уплотнительные про­кладки, детали вентиляторов и насосов, гайки, шайбы, полые из­делия вместимостью до 200 л, тару для хранения и транспорти­ровки кислот и щелочей.

Полипропилен является полимером пропилена: [−CН₂−СН(СН₃)−]_n.

По сравнению с полиэтиленом полипропилен имеет более вы­сокую механическую прочность и жесткость, большую тепло­стойкость и меньшую склонность к старению. Разрушающее на­пряжение при растяжении полипропилена достигает 25 − 40 МПа. Недостатком полипропилена является его невысокая морозо­стойкость (−20 °С)

Детали из полипропилена изготавливают штамповкой, литьем под давлением, пневматическим и вакуумным прессованием; поли­этилен можно сваривать, напылять на металл, ткань, картон. Он легко подвергается механической обработке на токарных, фре­зерных, сверлильных станках.

Полипропилен применяют для изготовления антикоррозион­ной футеровки резервуаров, труб и арматуры трубопроводов, элек­троизоляционных деталей, а также для изготовления деталей, применяемых при работе в агрессивных средах. Из полипропилена изготавливают корпусные детали автомобилей и корпуса аккуму­ляторов, прокладки, трубы, фланцы, водонапорную арматуру, пленки, пленочные покрытия бумаги и картона, корпуса воздуш­ных фильтров, конденсаторы, вставки демпфирующих глушите­лей, зубчатые и червячные колеса, ролики, подшипники сколь­жения, фильтры масляных и воздушных систем, рабочие детали вентиляторов, насосов, уплотнения, детали приборов и автоматов точной механики, кулачковые механизмы, детали телевизоров, магнитофонов, холодильников, стиральных машин, изоляцию проводов и кабелей. Отходы при производстве полипропилена и отработавшие изделия из него используют для повторной пере­работки.

Полистирол (ГОСТ 20282-86Е) относится к числу наиболее известных и широко применяемых пластмасс. Его макромолекула имеет следующую формулу: [−СН₂−СН(С₆Н₅)−]_n.

Полистирол − твердый, жесткий, бесцветный, прозрачный, аморфный полимер, легко окрашиваемый в различные цвета. Об­ладает высокой водостойкостью, хорошей химической стойкостью в растворах солей, кислот и щелочей. По сравнению с другими термопластами более стоек к радиации. Недостатками полистиро­ла являются повышенная хрупкость при ударных нагрузках, склонность к старению, невысокая тепло- и морозостойкость. Ин­тервал рабочих температур от −40 до +65 °С. Полистирол приме­няют для изготовления деталей радио- и электроаппаратуры, предметов домашнего обихода, детских игрушек, трубок для изо­ляции проводов, пленок для изоляции электрических кабелей и конденсаторов, открытых емкостей (лотки, тарелки и др.), про­кладок, втулок, светофильтров, крупногабаритных изделий радио­техники (корпуса транзисторных приемников), деталей электро­пылесосов (колодки, щелевые сопла, прокладки, ручки), мебель­ной фурнитуры, конструкционных изделий с антистатическими свойствами. Ударопрочным полистиролом (механическая смесь полистирола с каучуком) облицовывают пассажирские вагоны, салоны автобусов и самолетов. Из него изготавливают крупнога­баритные детали холодильников, корпуса радиоприемников, те­лефонных аппаратов и др.

Его применяют для изготовления деталей машин и аппаратов, непосредственно контактирующих с пищевыми продуктами (мо­локом и молочными продуктами, вином, коньяком, шампанским и др.), а также для тары и упаковки. Его используют для изготов­ления пористых материалов.

В числе различных синтетических материалов широкое рас­пространение получили так называемые газонаполненные пла­стики. Эти материалы разделяются на пенопласты и поропласты. У пенопластов микроскопические ячейки, наполненные га­зом, не сообщаются между собой, и плотность таких материалов, как правило, менее 0,3 г/см³. Ячейки у поропластов сообщаются между собой, и их плотность несколько выше. Пенопласты и поропласты выпускаются на основе полистирола, поливинилхлорида и различных эфирных полимеров.

Пенопласт применяют в качестве теплоизоляционного слоя в конструкциях судовых трюмов, кузовов автофургонов, холодиль­ных камер на объектах мясомолочной и рыбной промышлен­ности.

Пенополистирол получают из эмульсионного полимера прес­совым и беспрессовым методами. Пенополистирол применяют для теплоизоляции холодильников и торгового оборудования. Для производства изделий, контактирующих с пищевыми продукта­ми, используют обычно суспензионный полистирол. При получе­нии пенополистирола прессовым методом (пенополистирол марок ПC-1 и ПС-4) используют эмульсионный тонкодисперсный поли­стирол, смешивают его с порообразующим компонентом, прессу­ют, а затем вспенивают в специальных обогреваемых камерах. Если же пенополистирол получают беспрессовым методом из блочно-суспензионного стирола, он называется стиропор. Его полиме­ризацию проводят при 70 °С с непрерывным перемешиванием. Пенополистирол имеет структуру застывшей пены, он стоек к действию влаги, агрессивных минеральных сред (кроме концен­трированной азотной кислоты). Пенополистирол, полученный бес­прессовым методом, обладает более высокой химической стойко­стью. Устойчив он также и в биологическом отношении − не гниет, стоек к действию грибков и бактерий, не повреждается грызунами.

Прочность пенополистирола зависит от размера, формы и прочности стенок пор. Механические свойства беспрессового пе­нополистирола ниже, чем прессового.

Пенополистиролы могут работать при температурах до 60 − 75 °С. Недостатком пенополистирола является присутствие в нем горючего порообразователя, например изопентана. Уменьшить или вовсе устранить эту опасность удается путем введения анти-пиренов, например оскида сурьмы.

Пенополистирол применяется в различных отраслях про­мышленности как термо- и звукоизоляционный материал, в пи­щевой промышленности − для изоляции трюмов для хранения продуктов питания при температуре от −15 до −35 ºС. Коэффици­ент теплопроводности пенополистирола близок к коэффициенту теплопроводности воздуха. Благодаря хорошим амортизацион­ным свойствам и малой плотности пенополистирол используют в качестве упаковочного материала.

Пенопласт мипора изготавливается на основе эмульсионных карбамидоформальдегидных олигомеров. Он обладает исключи­тельно малой плотностью (не более 0,02 г/см³; разрушающее на­пряжение при сжатии 2,2 − 5,0 МПа). Коэффициент теплопровод­ности мипоры близок к коэффициенту теплопроводности воздуха и равен 0,023 Вт/(м ∙ К). Мипора в 10 раз легче пробки, имеет хо­рошую стойкость против горения. При контакте с пламенем ми­пора обугливается, но не загорается. В мипоре газонаполненные ячейки не сообщаются между собой. Это позволяет использовать мипору в качестве теплоизоляционного материала. Недостатками мипоры являются большая хрупкость и водопоглощение. Для уменьшения хрупкости к мипоре добавляют глицерин, но даже это не всегда помогает. От проникновения влаги мипору защища­ют водонепроницаемыми пленками.

В последнее время в промышленности начинают все шире ис­пользовать армированные газонаполненные пластмассы, что позво­ляет сочетать малую плотность с высокой прочностью, т. е. повы­шать удельную прочность. Газонаполненные пластмассы армируют листами металла или листами более прочных газоненаполненных пластмасс.

Пластмассы на основе поливинилхлорида (ГОСТ 5960-72, ГОСТ 9639-71, ГОСТ 9998-80, ГОСТ 16214-86, ГОСТ 16272-79) имеют хорошие электроизоляционные свойства. Они стойки к воздействию химикатов, не поддерживают горения, атмосферо-, водо-, масло- и бензостойки. Поливинилхлорид имеет химическую формулу [−СН2−СНСl−]_n. Непластифицированный поливинил­хлорид называется винипластом. Винипласты имеют высокую механическую прочность и упругость, но сравнительно малопла­стичны. Винипласты стойки к воздействию почти всех минераль­ных кислот, щелочей и растворов солей. Их недостатками явля­ются склонность к ползучести, низкая ударная вязкость, малая теплостойкость, резкая зависимость от температуры.

Винипласт выпускается в виде листов, прутков, труб. Винипластовые детали хорошо механически обрабатываются и хорошо свариваются. Из него изготавливают трубы для транспортировки воды, агрессивных жидкостей и газов, коррозионностойкие емко­сти, защитные покрытия для электропроводки, детали вентиля­ционных установок, теплообменников, шланги вакуум-проводов, защитные покрытия для металлических емкостей, изоляцию про­водов и кабелей. Поливинилхлорид используют для получения пенопластов, линолеума, искусственной кожи, объемной тары, товаров бытовой химии, вибропоглощающих материалов в маши­ностроении и на всех видах транспорта, водо-, бензо- и антифризостойких трубок, прокладок и т. д.

Фторопласты (ГОСТ 21000-81, ГОСТ 10007-80Е, ГОСТ 14906-77, ГОСТ 25428-82) − полимеры фторпроизводных этиленового ряда. Фторопласты имеют прочность при растяжении 15 − 35 МПа, при изгибе 10 − 15 МПа; относительное удлинение при разрыве 250 − 350%.

Наиболее широкое распространение получил фторопласт-4, или политетрафторэтилен (тефлон). Он имеет структурную фор­мулу [−CF₂−CF₂−]_n. Характеризуется высокой плотностью (2,1 − 2,3 г/см³), термо- и морозостойкостью. Интервал рабочих темпе­ратур при эксплуатации изделий из фторопласта-4 составляет от −269 до +260 °С. Пленка из него не охрупчивается даже в среде жидкого гелия. Фторопласт-4 имеет хорошие диэлектрические свойства и высокую коррозионную стойкость. По химической стойкости фторопласт-4 превосходит все известные материалы, включая золото и платину. Он стоек к воздействию всех мине­ральных и органических щелочей, кислот, органических рас­творителей, не набухает в воде, не смачивается жидкостями и вязкотекучими средами пищевых производств - тестом, пато­кой, вареньем и т. д. При температуре 260 ºС невзрывоопасен, негорюч, при непосредственном контакте не оказывает влияния на организм человека, разрушается только под действием рас­плавленных щелочных металлов и элементарного фтора. Фто­ропласт-4 имеет низкий коэффициент трения и применяется для изготовления подшипников скольжения без смазки. Для умень­шения износа подшипников во фторопласт вводят 15 − 30 % на­полнителя (графита, дисульфита молибдена, стеклянного во­локна и др.).

Фторопласты широко применяются в электро- и радиотехни­ческой промышленности, а также для изготовления химически стойких труб, кранов, мембран, насосов, подшипников, деталей медицинской техники, коррозионностойких конструкций, тепло-и морозостойких деталей (втулок, пластин, дисков, прокладок, сальников, клапанов), для облицовки внутренних поверхностей различных криогенных емкостей.

Полиамиды (ГОСТ 10589-87, ГОСТ 17648-83) включают груп­пу известных термопластичных пластмасс (таких, как нейлон, капрон и др.). Макромолекула полиамида имеет структуру [−NH−(CH₂)_x−NH−СО−(CH₂)_y −СО−]_n где х, у = 2 − 10. Ори­ентированные полиамиды характеризуются высокой прочно­стью на растяжение (более 400 МПа), ударопрочностью, спо­собностью к поглощению вибрационных нагрузок. Они имеют низкий коэффициент трения и могут использоваться в качест­ве подшипников как без смазки, так и при применении сма­зочных материалов. Полиамиды используют для изготовления конструкционных и электроизоляционных изделий, эксплуа­тируемых при температурах от −60 до +100 °С (зубчатые пере­дачи, уплотнительные устройства, втулки, муфты, подшипни­ки скольжения, лопасти винтов, стойкие к действию щелочей, масел, жиров и углеводородов), технических изделий и това­ров культурно-бытового назначения, антифрикционных по­крытий металлов.

Полиуретаны − наиболее ценные и широко производимые промышленностью термопластичные полимеры. Полиуретаны со­держат уретановую группу −NH−С(О)О−. Они характеризуются высоким модулем упругости, износостойкостью, вязким коэффи­циентом трения, стойкостью к вибрациям, атмосферостойкостью, а также стойкостью к воздействию масла и бензина. Изделия из полиуретана можно эксплуатировать при понижении температу­ры до −60... −70 °С. Волокна из полиуретана малогигроскопичны и имеют высокую химическую стойкость. Их используют для из­готовления изоляции, фильтровальных и парашютных тканей.

Стекло органическое (плексиглас) (ГОСТ 9784-75Е, ГОСТ 10667-90Е, ГОСТ 15809-70Е, ГОСТ 17622-73Е) получают по­лимеризацией сложных эфиров метакриловой кислоты. Обычно применяют полиметилметакрилат, имеющий структурную фор-мулу [−СН2−С(СН₃)(СООСН₃) −]_n.

Этот термопласт оптически прозрачен (светопрозрачность до 92 %), имеет низкую плотность, высокую атмосферостойкость, стоек к воздействию разбавленных кислот и щелочей, углеводо­родного топлива и смазок. Стекло органическое выпускается в виде листов толщиной до 25 мм. Его недостаток - низкая поверх­ностная твердость.

Поликарбонат − термопластичный полимер на основе дифенилолпропана и фостена, выпускаемый под названием дифлон. Поликарбонат характеризуется низкой водопоглощаемостью и га­зопроницаемостью, хорошими диэлектрическими свойствами, вы­сокой жесткостью, теплостойкостью и химической стойкостью, не имеет запаха и вкуса, физиологически безвреден, бесцветен, про­зрачен, хорошо окрашивается. Стоек к световому старению и дей­ствию окислителей даже при нагреве до 120 °С. Это один из наи­более ударопрочных термопластов, что позволяет использовать его в качестве конструкционного материала, заменяющего метал­лы. Из поликарбоната изготавливают шестерни, подшипники, кор­пуса, крышки, клапаны и другие детали, сосуды для транспорти­ровки фруктовых соков, молока, вин и т. д. Его можно использо­вать в криогенной технике для работы в среде жидких газов.

2.3. Термореактивные пластмассы (реактопласты)

Основу всякого реактопласта составляет химически затверде­вающая термореактивная смола - связующее вещество. Кроме того, в состав реактопластов входят наполнители, пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители и растворители. На­полнителями могут быть порошковые, волокнистые и гибкие лис­товые материалы. В качестве порошковых наполнителей исполь­зуют молотый кварц, тальк, графит, древесную муку, целлюлозу. К пластмассам с порошковыми наполнителями относятся: фено­пласты (ГОСТ 5689-79) и аминопласты (ГОСТ 9359-80). Из них изготавливают несиловые конструкционные и электроизоляцион­ные детали (рукоятки, детали приборов, кнопки и т. д.), различные вытяжные и формовочные штампы, корпуса сборочных и кон­трольных приспособлений, литейные модели и другую оснастку.

Фенопласты являются термоупрочняемыми пластмассами. Неупрочненные смолы получают при поликонденсации фенола с фор­мальдегидом. Существует два основных типа фенолоформальдегидных смол: новолаки и резолы.

Для получения пластмассы с хорошими потребительскими свойствами в новолаки добавляют субстанцию (обычно уротро­пин), которая при нагревании разлагается с выделением фор­мальдегида. Формальдегид, добавляемый к новолаковой смоле, образует упрочняющиеся гидроксиметильные группы.

Упрочнение термопластов в основном проводится в интервале температур 140 − 180 °С, но благодаря соответствующим добавкам кислот некоторые резолы можно отвердить уже при 25 °С и выше.

Резолы получают в спиртовых средах, применяя избыток формальдегида. Продукт содержит гидроксиметиленовые группы. Во время нагревания происходит необратимое упрочнение (реак­ция образования сетчатой структуры), поэтому резолы прессуют в формах.

Упрочненные феноло-формальдегидные смолы чаще носят на­звание бакелитов. Эта пластмасса хорошо обрабатывается механи­чески инструментами для обработки металла и может подвергаться полированию. Бакелит из новолака имеет большую термостойкость (100 − 150 °С), чем бакелит из резола, но худшие диэлектрические свойства.

Бакелит трудногорюч, а после извлечения из пламени сразу гаснет. Горящий бакелит дает желтый цвет пламени, коптящий в зависимости от вида наполнителя. Остаток, извлеченный из пламе­ни, твердый, разбухший, потрескавшийся и обугленный. В процес­се горения выделяются фенол и формальдегид с характерным за­пахом.

Бакелит стоек к воздействию разбавленных кислот и щелочей, а также большинства органических растворителей. Для склеивания треснутых бакелитовых изделий можно применять нитро-целлюлозные клеи или жидкие фенольные смолы.

Из бакелита изготавливают изделия галантереи (пуговицы, пе­пельницы), электротехнические элементы (вилки, розетки), корпу­са радио- и телефонных и аппаратов, детали стиральных машин, защитные шлемы, корпуса аккумуляторов, плиты, лаки, клеи.

Аминопласты являются термоупрочняемыми пластмассами. К ним относятся карбамидо-формальдегидные смолы и меламино-формальдегидные смолы.

Неупрочненная смола получается при поликонденсации фор­мальдегида с карбамидом (смола карбамидо-формальдегидная) или меламином (смола меламино-формальдегидная). Эти смолы имеют реактивные группы −СН₂ОН, которые под влиянием на­грева (или кислотных катализаторов) способны к конденсации, в результате которой смолы упрочняются (приобретают простран­ственную сетчатую структуру).

Упрочненные аминопласты твердые и жесткие. Их можно поли­ровать и механически обрабатывать инструментами по металлу, они имеют хорошие электроизоляционные свойства, легко окрашиваются. Теплостойкость упрочненных аминопластов около 100 − 120 °С. Упрочненные аминопласты стойки к воздействию воды, кислот (в том числе серной и азотной), щелочей и органических раствори­телей. Для склеивания таких аминопластов можно применять феноло-формальдегидные или карбамидо-формальдегидные клеи.

Из аминопластов изготавливают клеи для дерева, электротех­нические детали (розетки, выключатели) и галантерею, тонкие покрытия для украшения, лаки (так называемые печные), пени­стые материалы.

Реактопласты с волокнистыми наполнителями представляют собой композиции, состоящие из связующего (смолы) и волокни­стого наполнителя в виде очесов хлопка (волокниты), асбеста (асбоволокниты), стекловолокна (стекловолокниты).

Волокниты применяют для изготовления деталей с повышен­ной устойчивостью к ударным нагрузкам, работающих на изгиб и кручение (втулок, шкивов, маховиков и др.).

Асбоволокниты обладают хорошими фрикционными (тормоз­ными) свойствами и теплостойкостью, но по водостойкости и ди­электрической приницаемости уступают пластмассам с порошко­вым наполнителем.

Стекловолокниты негорючи, стойки к действию ультрафио­летовых лучей, химически стойки, имеют стабильные размеры. Некоторые марки стекловолокнитов применяются для изготовле­ния силовых электротехнических деталей в машиностроении, а также крупногабаритных изделий простых форм (кузовов авто­машин, лодок, корпусов приборов и т. п.). Стекловолокниты име­ют высокие физико-механические характеристики и применяют­ся для изготовления деталей высокого класса точности и сложной конфигурации. Стекловолокниты могут работать при температу­рах от −60 до +200 °С, имеют прочность при разрыве 80 − 500 МПа.

В качестве связующих смол волокнитов и стекловолокнитов применяются полиэстеровые и эпоксидные смолы.

Полиэстры являются полимерами, полученными из поли­основных кислот (например, НООС−R₁−СООН) и полигидр-оксильных спиртов (например, НО−R₂−ОН) путем поликонденса­ции. Если группы R не содержат кратных связей, то речь идет о насыщенном полиэстре, чаще термопластичном, иногда упроч­няемом (например, в случае применения тригидроксильного спирта). Если группы R содержат кратные связи, полиэстр явля­ется ненасыщенным и химически упрочняемым.

Перед отверждением смола имеет вид густого сиропа золоти­стого цвета. Отверждение проводят в форме при комнатной тем­пературе после добавления инициатора (обычно перекись бензоила) в количестве около 4 %. Механические свойства отвержденного продукта зависят от строения исходной смолы и способа ее отверждения. Изделие может быть гибким, эластичным или твер­дым и хрупким. Твердые изделия можно подвергать механиче­ской обработке инструментами по дереву, а также полировать.

Термическая стойкость под напряжением отвержденных смол лежит в пределах 55 − 60 °С, а без нагрузки превышает 150 °С. Отвержденные полиэстры нерастворимы в органических ки­слотах, в ацетоне легко растрескиваются.

Из полиэстров, упрочненных стекловолокном, изготавливают спасательные лодки, части автомобилей, мебель, корпуса плане­ров и вертолетов, гофрированные плиты для крыш, плафоны ламп, мачты для антенн, лыжи и палки, удочки, защитные каски и т. п. В виде текучих смол полиэстры применяют для заливки частей электронной аппаратуры, мумификации анатомических препаратов, изготовления лаков и т. п.

Неотвержденные эпоксидные смолы получают реакцией по­ликонденсации эпоксида (эпихлоргидрина) с дифенилолпропаном (дианом). Процесс отверждения является реакцией суммирования (полиприсоединение), в которой роль отвердителя играет поли­амин.

Характерной чертой эпоксидных смол является совершенная прилипаемость почти ко всем пластмассам, к металлам; они име­ют хорошие механические и электрические свойства.

Термостойкость под напряжением упрочненных эпидианов лежит в пределах 55 − 120 °С в зависимости от вида упрочнителя, а без нагрузки превышает 150 °С. Упрочненная эпоксидная смола горит в огне так же, как и полиэстровые ламинаты: она трудно загорается, после чего начинает коптить. В отличие от полиэстра эпоксидная смола сильно пахнет во время горения.

Эпоксидные смолы служат для изготовления лаков, клеев, а также производства ламинатов.

Большую группу реактопластов составляют слоистые пласт­массы, которые содержат листовые наполнители, уложенные слоя­ми. В качестве наполнителей для слоистых пластиков используют материалы органического (бумагу, картон, хлопчатобумажные ткани, древесный шпон, ткани из синтетических волокон) и не­органического (асбестовую бумагу, стеклянную ткань, ткань из кварцевых или кремнеземных волокон) происхождения. В зави­симости от вида наполнителя различают следующие слоистые пластики: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, древесно-слоис­тые пластики. Связующими при производстве слоистых пласти­ков служат феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и некоторые другие смолы.

Свойства слоистых пластиков зависят от соотношения компо­нентов (наполнителя и связующего), характера подготовки напол­нителя, режимов прессования и термообработки и других техноло­гических факторов. Благодаря слоистому расположению арми­рующего наполнителя слоистые пластики обладают анизотропией механических, физических и диэлектрических свойств.

Механические свойства слоистых пластиков определяются прежде всего видом используемого наполнителя. Наибольшей ме­ханической прочностью обладают слоистые пластики на основе стеклянной ткани или стеклянных жгутов. Эти материалы, а также слоистые пластики на основе асбоволокнистых наполните­лей имеют более высокую теплостойкость по сравнению с тепло­стойкостью пластиков на основе органических наполнителей.

Физические и диэлектрические свойства слоистых пластиков зависят в основном от типа используемого полимерного связую­щего.

Пластик на основе бумаги − гетинакс (ГОСТ 2718-74) − при­меняют в качестве электроизоляционного материала, работающе­го длительно при температурах от −65 до +105 °С, а также как конструкционный и декоративный материал. Гетинаксы широко применяют в электрических машинах, трансформаторах (в каче­стве высоковольтной изоляции) и других аппаратах, при произ­водстве телефонной арматуры, в радиотехнике (для изготовления печатных схем). Из гетинакса изготавливают панели, щитки, прокладки, крышки, шайбы, малонагруженные изделия и т. д.

Древесно-слоистые пластики (ДСП) используют при изготов­лении мебели, для внутренней облицовки пассажирских поездов, судов, самолетов, при строительстве - в качестве облицовочного материала.

ДСП обычно изготавливают в форме плит или тонких листов. Их получают горячим прессованием лущеного древесного шпона, пропитанного полимерным связующим. При производстве ДСП чаще используют березовый или буковый шпон, в качестве свя­зующего используют водно-спиртовые растворы олигомеров. Древесно-слоистые пластики выпускают различных марок и марки­руют ДСП-А, ДСП-Б, ДСП-В и т. д. Они различаются направлени­ем волокон шпона в различных слоях. В ДСП-А − во всех слоях волокна шпона расположены параллельно (иногда четыре слоя с параллельным расположением волокон чередуются с одним сло­ем, повернутым на 20 − 25 °). В ДСП-Б расположение слоев смешан­ное. Через каждые 5 − 20 слоев с параллельным расположением волокон укладывают слой, повернутый на 90 °. В ДСП-В осуществ­ляется звездообразная укладка слоев, при которой соседние слои волокон смещают на 30°. Максимальной прочностью в продольном направлении (σ_в = 280 МПа) обладает ДСП-А. ДСП-Б имеет проч­ность, одинаковую во взаимно перпендикулярных направлениях (140 МПа).

ДСП обладают хорошими антифрикционными свойствами. В некоторых случаях они заменяют высокооловянистую бронзу, баббит, текстолит. Химическая стойкость ДСП не очень высока, но выше, чем у обычной древесины. Теплостойкость ДСП достига­ет 140 °С. Их недостатком является набухание, обусловленное по­глощением воды.

Пластики на основе хлопчатобумажных тканей − текстоли-ты (ГОСТ 2910-74) - применяют для изготовления различных конструкционных деталей, электроизоляционного материала, вкла­дышей подшипников прокатного оборудования, прокладок, гер­метизирующих фланцевые соединения. Текстолитовые детали мо­гут работать не только в воздушной среде, но и в масле, керосине или бензине и т. д. Текстолит производят в виде листов, плит, стержней и трубок. Температура эксплуатации изделий из тек­столита от −60 до +60 °С.

Стеклотекстолитами (ГОСТ 10292-74Е, ГОСТ 12652-74) называют слоистые пластики на основе тканых стекловолокнистых материалов. Они характеризуются высокой тепло- и хладостойкостью, стойкостью к действию окислителей и других химически активных реагентов, высокими механическими свойствами. Стеклотекстолиты применяют для изготовления крупногабаритных изделий, радиотехнических и электроизоляционных деталей, дли­тельное время работающих при температуре 200 °С и кратковре­менно - при 250 °С. Стеклопластики являются конструкционными материалами, применяемыми для изготовления силовых изде­лий в различных отраслях техники (несущих деталей летатель­ных аппаратов, кузовов и кабин машин, железнодорожных ваго­нов, корпусов лодок, судов и т. п.).

3. РЕЗИНЫ

Резинотехнические изделия получают при специальной терми­ческой обработке (вулканизации) прессованных деталей из сырой резины, являющейся смесью каучука с серой и другими добавками.

Резина состоит из смеси каучука (основа), наполнителя (сажа, оксид кремния, оксид титана, мел, барит, тальк), мягчителя (ка­нифоль, вазелин), противостарителя (парафин, воск) и агентов вулканизации (сера, оксид цинка).

Главным исходным компонентом резины, придающим ей высо­кие эластические свойства, является каучук. Каучуки бывают на­туральные (НК) и синтетические (СК). Натуральный каучук полу­чают коагуляцией латекса (млечного сока) каучуконосных деревь­ев, растущих в Бразилии, Юго-Восточной Азии, на Малайском архипелаге. Синтетические каучуки (бутадиеновые, бутадиен-стирольные и др.) получают методами полимеризации. Разработаны методы получения синтетических каучуков на основе нефти и ацетилена.

Каучуки являются полимерами с линейной структурой. При вул­канизации они превращаются в высокоэластичные редкосетчатые материалы - резины. Вулканизирующими добавками служат сера и другие вещества. С увеличением содержания вулканизатора (серы) сетчатая структура резины становится более частой и менее эластичной. При мак­симальном насыщении серой (до 30 − 50 %) получают твердую резину (эбонит), при насыщении серой до 10 − 15 % - полутвердую резину. Обычно в резине содер­жится 5 − 8 % S. Для ускорения вулканизации вводят ускорители, например оксид цинка.

Кроме серы в состав резин входят наполнители, пластифика­торы, противостарители и красители.

Введение этих компонентов позволяет существенно менять специальные свойства резины, увеличивая ее износо-, морозо-, масло- и бензостойкость. Резиновые изделия часто армируют тка­нью или металлической сеткой. Для улучшения адгезии металли­ческой арматуры к резине на поверхность металла наносят клее­вую пленку.

Резина имеет высокие эластические свойства, высокую упру­гость и сопротивляемость разрыву. Кроме того, резина обладает малой плотностью, высокой стойкостью против истирания, хими­ческой стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами.

Совокупность химических, физических и механических свойств позволяет использовать резиновые материалы для амортизации, демпфирования, уплотнения, герметизации, химической защиты деталей машин, при производстве тары для хранения масла и горю­чего, различных трубопроводов (шлангов), для изготовления по­крышек и камер колес автотранспорта, декоративных изделий и т. д. Номенклатура резиновых изделий чрезвычайно разнообразна.

В зависимости от условий эксплуатации различают резины общего и специального назначения. Резины общего назначения применяют для изготовления камер и шин, ремней, транспортных лент, рукавов, изоляции кабелей и проводов, производства товаров народного потребления и др. Из резин специального назначения различают бензомаслостойкие, морозостойкие, теплостойкие, стойкие к действию агрессивных сред. Нижней границей рабочих температур резин специального назначения является температура до −80 °С, резин общего назна­чения − до −35... −50 ºС.

4. КЛЕЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Клеями называют сложные вещества на основе полимеров, спо­собные при затвердевании образовывать прочные пленки, хо­рошо прилипающие к различным материалам. По сравнению с другими видами соединений (клепкой, сваркой, механическим креплением) клеевые соединения имеют ряд преимуществ. Клеи позволяют соединять разнородные материалы (металл, керамику, пластмассу, дерево) в различных сочетаниях. Клеевые швы атмосферостойки, не подвержены коррозии, позволяют обеспечивать герметичность соединений. Масса конструкции при клеевой сбор­ке почти не увеличивается, отсутствуют снижающие прочность и являющиеся концентраторами напряжений отверстия под болты, заклепки, гвозди. Во многих случаях клеевое соединение метал­лических и неметаллических материалов является единственно возможным решением, обеспечивающим высокую прочность кон­струкции. Клеи могут выдерживать высокие и низкие температу­ры, сохраняя достаточную прочность соединения.

Недостатки клеевых соединений − сравнительно невысокая теплостойкость при длительной эксплуатации и низкая прочность при несимметричном нагружении и неравномерном отрыве.

Работоспособность клеевых соединений зависит прежде всего от процессов адгезии и когезии. Адгезия характеризует прочность сцепления клеевой пленки со склеиваемой поверхностью, когезия − прочность собственно клеевого слоя.

Для приготовления клеев используют термопластичные или термореактивные полимеры. Клеи на основе термопластичных полимеров дают менее прочные соединения и используются огра­ниченно, обычно для склеивания материалов, не подвергающихся тепловому воздействию (бумаги, картона, тканей). С повышением температуры клеевой слой размягчается и склеенные поверхности разъединяются. Клеи на основе термореактивных полимеров, со­держащие также отвердители и ускорители процессов отверждения, наполнители и пластификаторы, дают более прочные соединения. Клеи этой группы могут быть холодного и горячего отверждения. Клеи холодного отверждения смешиваются с отвердителями и ус­корителями непосредственно перед процессом склеивания. Клеи горячего отверждения приготавливаются на заводе-изготовителе, поставляются потребителю в готовом виде и могут храниться не­сколько месяцев.

К группе клеев на основе термореактивных смол относятся феноло-формальдегидные клеи. При наличии в их составе ускорителей процесса (например, сульфоконтакта) эти клеи отверждаются даже при комнатной температуре за несколько часов. К таким клеевым составам относятся клеи Б-3, Ф-9 и др. В тех случаях, когда применение ускорителя, обладающего кислотными свойст­вами, может привести к частичной деструкции склеиваемого ма­териала (например, древесины, фанеры), рекомендуется вместо феноло-формальдегидного клея применять резорцино-формальдегидный клей, например ФР-12.

Для склеивания изделий из древесины, работающих в услови­ях умеренной влажности, применяют клеи на основе водных рас­творов мочевино-формальдегидных смол, например клей КМ-12. В качестве ускорителей в этих клеях холодного отверждения ис­пользуются хлорид аммония или хлорид цинка, а также слабые органические кислоты. Феноло-формальдегидные клеевые соеди­нения водостойки.

На базе феноло-формальдегидных смол создана гамма универ­сальных клеев. В их число входят следующие: клей БФ (феноло-формальдегидная смола, модифицированная бутваром); клей ВК-32-ЭМ (продукт взаимодействия феноло-формальдегидной и эпок­сидной смол); клей ВК-32-200 (феноло-формальдегидная смола и синтетический каучук); клей ВС-350 (феноло-формальдегидная смола, полиацеталь, полисилоксан) и др.

Из перечисленных групп клеев наибольшую прочность склей­ки до температур 140 − 150 °С обеспечивают феноло-формальдегид-но-эпоксидные клеи.

Наиболее теплостойкими и достаточно прочными являются соединения, обеспечиваемые клеями ВК-32-250, ВС-350. Эти соединения могут длительное время работать при температурах 250 − 300 °С.

Из клеев на основе термореактивных полимеров наиболее ши­рокое применение находят клеи на основе эпоксидных смол. Их применяют для склеивания различных металлов, металлических и неметаллических материалов. Клеи на эпоксидной основе могут работать в широком температурном интервале. Отдельные марки таких клеев выдерживают воздействие температур от −253 до +800... +1000 °С. Клеи на эпоксидной основе длительно сохраня­ют прочность в условиях эксплуатации, обеспечивают вакуумную плотность соединений и стойкость к циклическому температур­ному воздействию. Их существенными преимуществами являют­ся низкая (до 2 %) усадка при отверждении, высокая адгезия к большинству конструкционных материалов и небольшой объем газовыделений в вакууме. Эти свойства позволяют широко ис­пользовать клеи на основе эпоксидных смол при склеивании хо­лодильного и криогенного оборудования.

Эпоксидные клеи холодного отверждения применяют для склеивания древесины, многих пластмасс, керамики и резины с металлом.

Эпоксидные клеи горячего отверждения применяют для склеи­вания металлических конструкций и изделий из стеклопластика.

Эпоксидные клеи с наполнителем применяют в качестве шпат­левки, устраняющей дефекты металлического литья, а также не­ровности металлических, керамических и деревянных изделий.

По внешнему виду клеи обычно могут быть в жидком состоя­нии, в виде паст или пленок (фольг), часто армированных поли­амидной тканью или другим синтетическим материалом.

Широкое распространение получили пленочные клеи на эпок­сидной основе, использование которых позволяет получать не только прочные клеевые соединения, но и дает существенные технологические преимущества. При применении пленочных клеев часто используют армирующие материалы — полиамид­ные, стеклянные и другие синтетические ткани.

Кроме клеев на эпоксидной основе, широко используют кремнийорганические, алюмохромфосфатные клеевые композиции, а также полиуретановые (ПУ-2; ВК-20), резиновые и некоторые другие клеи.

Полиуретановая клеевая пленка газонепроницаемая, масло-, бензо- и водостойкая. Она обладает высокой адгезией и морозо­стойкостью, поэтому полиуретановые клеи используются также в качестве герметиков.

Для склеивания резиновых изделий между собой, а также ме­талла с резиной, применяются резиновые (каучуковые) клеи 88, Б-10, КР-5-18, лейконат.

Резиновый клей удобен для употребления тем, что он вулка­низируется на холоду и это клеевое соединение обладает удовле­творительной прочностью и мало набухает в масле и бензине.

К числу наиболее распространенных герметиков для металли­ческих изделий относится тиоколовый каучук (тиокол). Он вул­канизируется при комнатной температуре. Вулканизатором в большинстве случаев является пероксид марганца, а активато­ром − дифенилгуанидин. Отвержденная пленка масло-, водо- и бензостойка, выдерживает длительное время при контакте с ки­слородом воздуха и сохраняет высокую прочность при темпера­туре до 130 °С.

Существенным недостатком тиоколового каучука является его низкая адгезия к металлу, поэтому при его использовании требу­ется создавать подложку из резинового клея. Этот недостаток от­сутствует у жидкого тиокола (герметик ВТУР), в состав которого входит диизоцианат.

Для герметизации отсеков ракет, самолетов и другой техники, работающей при температурах 150 − 250 °С и не соприкасающейся с маслами и топливом, применяются полисилоксаны с отвердите-лями, обеспечивающими их отверждение при комнатной темпе­ратуре (кремний- и оловоорганические соединени