Термореактивные полимеры

Термореактивные полимеры характеризуются необратимым переходом при нагреве в стеклообразное состояние с пространственной сетчатой структурой. К ним относятся различные искусственные смолы: фенолоформальдегидная, эпоксидная, полиэфирная, кремнийорганическая, карбамидная и др., а также их модификации. Такие полимеры обладают высокими показателями адгезии, теплоустойчивости и коррозионной стойкости, хорошими диэлектрическими свойствами. Значения их прочности и пластичности являются небольшими, находясь в пределах соответственно s_В=15…70 МПа, d=1…6 %. Поэтому для повышения и стабилизации прочностных качеств таких полимеров на их основе создают реактопласты путем введения специальных органических и неорганических добавок: наполнителей, стабилизаторов, пластификаторов, смазочных материалов, красителей, отвердителей, катализаторов либо замедлителей процесса отверждения.

Наполнители вводятся в количестве 40…70 % для повышения уровня физико-механических свойств реактопластов. Они могут представлять собой материалы в виде порошков, волокон либо слоев. Стабилизаторы обеспечивают неизменность исходной молекулярной структуры и свойств реактопластов при воздействии эксплуатационных факторов. Количество стабилизаторов в составе реактопластов не превышает нескольких процентов. Пластификаторы предназначены для уменьшения хрупкости и улучшения деформируемости реактопластов, что достигается за счет снижения величины их межмолекулярных связей. Доля пластификаторов в массе реактопластов достигает 10…20 %. Смазочные вещества необходимы для снижения сил трения реактопластов о стенки пресс-форм или штампов в процессах деформации и извлечения готовых изделий. Отвердители горячего или холодного отверждения создают в структуре реактопласта поперечные межмолекулярные связи с необратимым образованием сетчатой структуры.

Наибольшее значение в формировании свойств реактопластов имеют вид связующего термореактивного полимера и род наполнителя. С учетом этих признаков различают реактопласты с порошковыми, с волокнистыми, со слоистыми наполнителями.

П о р о ш к о в ы е реактопласты производят на основе фенолоформальдегидных смол (фенопласты), эпоксидных смол (эпоксипласты), полиэфирных смол (эфиропласты), карбамидных смол (аминопласты). К ним добавляют органические наполнители (древесная мука, целлюлоза) либо минеральные наполнители (молотый кварц, графит, асбест, слюда), и получают реактопласты в виде порошковых материалов для изготовления деталей прессованием (пресс-порошки) или литьем (литьевые реактопласты).

Фенопласты характеризуются высокими показателями прочности (s_В до 50 МПа), ударной вязкости (α до 5,5 кДж/м² ), повышенным уровнем твердости, коррозионной стойкости, диэлектрических качеств. При введении асбестового наполнителя фенопласты приобретают фрикционные свойства и теплоустойчивость. Из фенопластов изготовляют малонагруженные конструкционные, а также электроизоляционные детали машин и приборов.

Эпоксипласты отличаются высокой прочностью (s_В до 110 МПа), ударной вязкостью (а до 6,0 кДж/м²), повышенной твердостью, коррозионной стойкостью, высокими диэлектрическими качествами. Поэтому эпоксипласты применяют для получения нагруженных деталей машин и оборудования, приборов и аппаратуры.

Эфиропласты имеют пониженную стойкость при хороших показателях механических, электроизоляционных и антикоррозионных свойств, необходимых для электротехнических деталей.

Аминопласты обладают высокой светостойкостью, электроизоляционными и дугогасительными свойствами, но проявляют склонность к растрескиванию и водопоглощению. Из-за этого их используют для изготовления малонагруженных деталей бытового и электротехнического назначения.

В о л о к н и с т ы е реактопласты характеризуются повышенными механическими свойствами, т.к. содержат в качестве наполнителя органическое волокно, например, сульфитной целлюлозы, хлопковой целлюлозы (волокниты) либо минеральное асбестовое волокно (асбоволокниты) или стеклянное волокно (стекловолокниты).

Волокниты имеют связующим чаще всего фенолоформальдегидную смолу, а также могут иметь и другие смолы. Их механические свойства несколько превышают качества порошковых реактопластов, поэтому они применяются для получения более нагруженных изделий бытового и общетехнического назначения, а также деталей электрорадиоаппаратуры.

Асбоволокниты с фенолоформальдегидными и другими связующими смолами отличаются повышенными характеристиками теплоустойчивости (до 200 ⁰С), показателями фрикционных и антикоррозионных качеств. Они используются в производстве изделий для тормозных устройств, для установок химической промышленности.

Стекловолокниты благодаря высоким качествам стеклянного волокна обладают комплексом наибольших физико-механических свойств: прочности (s_в до 500 МПа), ударной вязкости (а до 150 кДж/м²), теплоустойчивости (до 280 ⁰С). Из них изготовляют высоконагруженные, ответственные детали машин, приборов, технологического оборудования, электроаппаратуры.

С л о и с т ы е реактопласты имеют уложенный слоями материал наполнителя и выпускаются в виде листов, полос, плит, труб, а также заготовок для последующего изготовления деталей. В зависимости от материала наполнителя производится несколько типов слоистых реактопластов.

Гетинакс изготовляется с использованием слоев бумаги, пропитанных фенолоформальдегидными или карбамидными смолами. Его прочность, коррозионная стойкость, диэлектрические свойства превышают качества волокнитов, по уровню этих свойств различают гетинакс электротехнический и декоративный. Электротехнический гетинакс с повышенными диэлектрическими свойствами применяется как электроизоляционный материал для деталей приборостроения. Декоративный гетинакс используется в качестве внутреннего облицовочного материала при строительстве.

Асбогетинакс, получаемый на основе асбестовой бумаги, обладает теплоустойчивостью, повышенной до 180 ⁰С.

Текстолит содержит слои хлопчатобумажной или синтетической ткани, пропитанные фенолоформальдегидной смолой или смесью смол. По своим физико-механическим и химическим свойствам текстолит близок к гетинаксу, но значительно превосходит его по способностям поглощать вибрационные нагрузки и сопротивляться раскалыванию. Конструкционные текстолиты имеют стабильные, высокие показатели механических свойств и износостойкости. Они широко применяются при изготовлении шестерен, втулок, роликов, прокладок, колец. Электротехнический текстолит с высокими диэлектрическими свойствами используется для получения деталей приборов и электроаппаратуры.

Древеснослоистые пластики (ДСП) изготовляют из слоев шпона с их пропиткой феноло- и крезольноформальдегидными смолами. Физико-механические и антифрикционные свойства ДСП близко соответствуют уровню свойств текстолита. Это позволяет применять их для получения ползунов, шестерен, деталей подшипников, а также в качестве электроизолирующего материала изделий приборостроения. К недостаткам ДСП относится его повышенная склонность к водопоглощению со снижением показателей основных свойств.

Асботекстолит имеет в качестве основы слои асбестовой ткани с фенолоформальдегидной смолой, что придает ему сочетание высоких механических свойств с фрикционными и термоизоляционными качествами. Теплоустойчивость асботекстолита достигает 300⁰ С, кратковременно он может выдерживать 3000⁰ С, область его применения – детали тормозных устройств, термоизоляционные изделия.

Стеклотекстолиты получают с применением слоев стеклоткани, пропитанных различными термореактивными смолами, и используют под названием стеклопластики. Благодаря качествам стеклоткани создаются высокие прочностные свойства стеклопластиков с пределами прочности s_в до 600 МПа, ударной вязкостью а до 200 кДж/м², теплоустойчивостью до 300⁰ С. Кроме этого, стеклопластики имеют высокие электроизоляционные качества и коррозионную стойкость, что позволяет широко применять их при изготовлении деталей электротехнического машиностроения, корпусных деталей транспортного машиностроения, строительных панельных конструкций.

Наибольшей прочностью обладают стеклопластики с эпоксидным связующим, повышенная атмосферостойкость характерна для полиэфирных стеклопластиков. Высокие значения теплоустойчивости и диэлектрических свойств создают в стеклопластиках кремнийорганические смолы, для общетехнических и строительных целей применяются стеклопластики с фенолоформальдегидными связующими и комплексом необходимых физико-механических свойств.

Г а з о н а п о л н е н н ы е пластмассы отличаются наличием в структуре полимера элементарных микрополостей, содержащих газовую фазу. Это придает им некоторые общие особые свойства – очень малую плотность и высокие эксплуатационные качества: кажущаяся плотность может составлять всего 20 кг/м³, коэффициент теплопроводности – 0,003 Вт/м×К. Полимерные связующие могут быть как термопластичными, так и термореактивными, в зависимости от состояния структуры газонаполненные пластмассы делятся на пенопласты, поропласты, сотопласты.

Пенопласты обладают ячеистой структурой, где микрополости представляют изолированные закрытые ячейки. Это придает пенопластовым изделиям легкость и хорошую плавучесть, высокие тепло- и электроизоляционные свойства, прочность их невелика. К термопластичным пенопластам относятся имеющий радиопрозрачность пенополистирол и пенополивинилхлорид с теплоустойчивостью ± 60⁰С, у пенополиуретана теплоустойчивость достигает 200⁰С. Термореактивные пенопласты, изготовленные на фенолоформальдегидной и фенолокаучуковой основе, имеют теплоустойчивость 120…160⁰С, применение кремнийорганического связующего повышает теплоустойчивость кратковременно до 300⁰С. Наиболее высокими показателями химической стойкости, электроизоляционных свойств, а также низким водопоглощением отличаются пенополиуретаны и пенополиэпоксиды. Для придания пенопластам эластичности в них вводят пластификаторы.

Применяются пенопласты для теплоизоляции деталей приборостроения, холодильных установок, трубопроводов, кабин и корпусов в транспортном машиностроении, для электроизолирующей заливки деталей электронной аппаратуры. В строительных конструкциях пенопласты создают их легкость и труднопотопляемость при необходимой прочности, жесткости, вибростойкости.

Поропласты имеют открытую пористую структуру губчатого типа, где микрополости сообщаются друг с другом и с атмосферой. Поропласты, выпускаемые на основе сложного полиэфира обладают эластичностью, получаемые на основе поливинилформалей, имеют высокий уровень водопоглощения – до 700% за 2 ч.

Сотопласты характеризуются наличием полостей в форме пчелиных сот, которые образуются при склеивании тонких, гофрированных листов. Материалом листов служат различные ткани, пропитанные термопластичным или термореактивным связующим. Такое структурное состояние и состав придают сотопластам высокие характеристики жесткости, прочности, термо- и звукоизоляционных свойств, радиопрозрачности. Благодаря этим качествам сотопласты применяют для изготовления легких многослойных панелей и пленок в приборостроении, криогенной технике, транспортном машиностроении.

Резины

Резиновые материалы изготовляются на основе каучука с различными специальными добавками. Это придает резинам такие отличительные свйоства, как небольшая плотность, высокие электро- и теплоизоляционные качества, газо- и водонепроницаемость, высокая химическая стойкость, эластичность и упругость при растяжении, большое сопротивление сжатию. Благодаря названным свойствам резиновые материалы широко применяются для получения многих видов изделий различных отраслей приборо- и машиностроения.

К а у ч у к представляет высокополимерное карбоцепное соединение с двойной химической связью между углеродными атомами в элементарных звеньях . Структура макромолекул каучука состоит из таких звеньев, соединенных в линейные или слаборазветвленные цепочки зигзагообразной формы. Это придает макромолекулам каучука высокую эластичность, малую прочность и теплостойкость, повышенную растворимость.

Натуральный каучук (НК) получают из латекса – сока каучуконосных деревьев – который подвергают специальным видам обработки с последующим изготовлением каучуковых листов. Свойства натурального каучука характеризуются повышенными значениями эластичности и прочности, он имеет значительную стоимость.

Синтетический каучук (СК) производится из различных исходных жидких и газообразных материалов: спирта, нефти, природного газа, попутных газов за счет использования реакций полимеризации либо поликонденсации. Он отличается от натурального каучука более высокой стойкостью к действию растворителей и низких температур, а также меньшей стоимостью. В связи с этим в общем объеме производства резиновых изделий применение НК составляет около 30%, остальную долю изделий получают с использованием СК.

По свойствам каучуки приближаются к термопластичным полимерам, но могут быть переведены в термостабильное состояние. Это достигается путем добавления к каучуку серы либо селена, некоторых оксидов или пероксидов, атомы либо группы атомов которых присоединяются к элементарным звеньям каучука на месте имеющихся двойных связей. Возникающие поперечные связи между звеньями превращают линейную структуру каучука в пространственно-сетчатую. Данный процесс происходит при температуре 130…150⁰С и называется вулканизацией, а вызывающие его вещества – вулканизаторами, в результате чего получается вулканизат – резина. С увеличением доли вулканизатора от 1…5% возрастает твердость получаемой резины, так что при добавлении 30% серы образуется твердый материал – эбонит.

Необходимые свойства резины формируются за счет введения перед вулканизацией в смесь с каучуком нескольких видов определенных добавок.

1. Ускорители вулканизации: оксид магния, полисульфиды, а также активаторы – тиурам, оксид свинца.

2. Наполнители, повышающие механические свойства резины: сажа, оксид цинка, мел.

3. Пластификаторы, облегчающие переработку резиновой смеси, улучшающие эластичность и морозостойкость резины: парафин, вазелин, дибутилфталат.

4. Противостарители, препятствующие присоединению кислорода каучуком, замедляющие старение резины и ухудшение ее свойств: неозон, альдоль, воск.

5. Красители: ультрамарин, охра, сурик.

Р е з и н ы о б щ е г о н а з н а ч е н и я обладают высокими значениями эластичности, сопротивления разрыву, твердости, относительного удлинения. Это обеспечивается применением для них в качестве основы натурального каучука (НК), синтетического каучука бутадиенового (СКБ), синтетического каучука бутадиенстирольного (СКС), сиснтетического каучука изопренового (СКИ). Прочность при разрыве таких резин достигает величины , твердость – 60 Н/м², относительное удлинение при разрыве - , остаточное удлинение - = 32%.

Резины общего назначения применяются для шлангов, трубопроводов, лент, шин, прокладок, изолирующих оболочек, уплотнителей, деталей пневмосистем и вакуумной техники, других изделий, сохраняющих работоспособность при действии воды, слабых растворов солей, кислот, щелочей при температурах от – 30 до 130⁰С.

Р е з и н ы с п е ц и а л ь н о г о н а з н а ч е н и я характеризуются наличием свойств, необходимых для изделий, работающих в особых условиях: при действии химически активных веществ, повышенных и пониженных температур, излучений, сил трения, электрического тока.

Использование хлорпренового каучука (наирита), бутадиен-нитрильного каучука (СКН), полисульфидного каучука (тиокола) позволяет получать резины с повышенной маслобензостойкостью, что необходимо для изготовления топливных и масляных шлангов, уплотнительных прокладок и манжет в гидросистемах.

Синтетический каучук теплостойкий (СКТ) содержит в основной углеродной цепи чередующиеся атомы кремния и кислорода (силоксановая связь), что придает резинам высокую теплостойкость. Получаемые резиновые изделия сохраняют свои функциональыне качества в диапазоне температур от – 70 до 300⁰С, выдерживая кратковременное действие температуры 3000⁰С. Замена в структуре СКТ боковой группы СН₃ на фенильный радикал С₆Н₅ обусловливает получение каучука типа СКТФВ, позволяющего изготовлять резиновые изделия с морозостойкостью до – 100⁰С.

Фторсодержащий каучук (СКФ) придает получаемым резинам повышенную светоозоностойкость, требуемую для изделий, испытывающих длительное действие открытой воздушной атмосферы, а также сильный окислителей при повышенных температурах.

Полиуретановый каучук (СКУ) сообщает резинам и получаемым изделиям высокую износостойкость, которая необходима резиновым опорам, лентам, шинам, полосам, накладкам, подверженным действию сил трения кольжения либо качения.

Бутадиеновый (дивинильный) каучук (СКБ), а также бутиловый каучук (БК) обеспечивают придание резиновым изделиям улучшенных электроизоляционных свойств. Это используется при изготовлении изоляции токопроводящих жил проводов и кабелей, а также специальных электрозащитных перчаток и обуви. Каучуки НК, наирит, СКН применяются для получения электропроводящих резиновых изделий, например, для экранированных кабелей.