Фторопласты. Виды, свойства, применение

Полимерами фторпроизводных этилена являются фто ропласты, в которых в отличие от этилена водород замещен фтором или фтором и хлором. Прочные химические связи галогенов с углеродом обусловили самую высокую из всех термопластов термо- и химическую стойкость фторопластов. Химическая промышленность выпускает четыре вида фторопластов (Фторопласт-!. фторопласт-2, фторопласт-3 и фторопласт-4), отличающиеся составом исходного мономера. При этом цифра, стоящая в названии фторопласта (1, 2, 3 и 4), указывает на количество атомов фтора в исходном мономере. Чем больше число атомов мономера, тем выше термическая и химическая стойкость фторопласта.

Наибольшее распространение получили политетрафторэтилен (С₂F₄)_п и политрифторхлорэтилен (С₂F₃С1) _п.

Политетрафторэтилен, или фторопласт-4, получают эмульсионным способом в автоклавах полимеризацией мономера с четырьмя атомами фтора согласно реакции

_п СF₂ = СF₂ → (— СF₂ — СF₂ —) _п.

Полученный продукт представляет собой рыхлый белый волокнистый порошок; при нагревании не плавится, как другие термопластичные материалы, а только размягчается, поэтому не перерабатывается в изделия обычными методами. Изделия из фторопласта-4 получают спеканием в электропечах при температуре 3б0—380°С специальных таблеток, спрессованных из рыхлого порошка на холоде. Фторопласт-4 водостоек, не горит и не растворяется в обычных растворителях. Химическая стойкость фторопласта-4 превосходит стойкость всех других синтетических материалов и сплавов и даже благородных металлов — золота и платины. На него не действуют разбавленные и концентрированные кислоты, включая царскую водку, даже при высоких температурах. Применяется фторопласт-4 для изготовления деталей и изделий, работающих в агрессивных средах и при высоких температурах: уплотнительные прокладки, манжеты и сальники, вентили, сосуды и трубы; футерованные плитки, пленки, пористые и другие изделия для химической, фармацевтической, пищевой промышленности, холодильной техники, защитного покрытия металлов и т’д. Как прекрасный диэлектрик фторопласт-4 широко применяется в высокочастотных электрических установках, в радарных, электроизмерительных и электронных установках, для изоляции кабелей, проводов и т.д. Невысокий коэффициент трения определяет использование его для изготовления вкладышей подшипников, в том числе работающих без смазки, изделий для медицинской техники и др. Из фторопляста-4 получают волокно, ткань из которого обладает удовлетворительной прочностью, высокой химическои стойкостью и применяется для фильтрования активных коррозионных жидкостей.

Недостатками фторопласта-4 являются трудность переработки в изделия, плохая свариваемость и склеиваемость, сравнительно высокая стоимость и недостаточная твердость и жесткость, ограничивающие его применение в качестве конструкционных материалов. Разновидностью фторопласта-4 является фторопласт-4Д, который близок к нему по свойствам, но отличается более высокой технологичностью. Из фторопласта-4Д получают компактные изделия, листы, ленты, пленку и волокна для работы в условиях повышенных температур, агрессивных химических сред и электрического тока.

Политрифторхлорэтилен, или фторопласт-3, получают полимеризацией мономера с тремя атомами фтора согласно реакции:

_п СF₂ = СFС1 →(— СF₂ —СFС1 —) _п.

Фторопласт-3 является плавким материалом и перерабатывается в изделия всеми известными для термопластов способами. По термостойкости он несколько уступает фторопласту-4, однако обладает повышенной твердостью и прочностью. Химическая стойкость Фторопласта-3 также высока, но несколько ниже, чем у фторопласта-4. Фторопласт-3 стоек к действию минеральных кислот, царской водки, щелочей, окислителей, перекисей и органических растворителей, однако растворяется в ксилоле и бензоле; не обладает антифрик­ционными свойствами и как диэлектрик уступает фторопласту-4. Из фторопласта-3 изготавливают детали и изделия сложной конфигурации для механизмов, рабо- тающих в агрессивных средах (насосов, вентилей, счетчиков, специальнчых приборов), а такжетрубы, шланги, пленки, тканевые материалы и т.д. Как диэлектрик он используется для изоляции кабелей и проводов, работающих при повышенных температурах и высокой влажности. Из фторопласта-3 получают защитные покрытия на металлах, работающих в агрессивных средах. Разновидностью фторопласта-3 является фторопласт-ЗМ, отличающийся повышенной термостойкостью и эластичностью.

Фторопласт-2 (С₂Н₂F₂)_п менее стоек в агрессивных средах по сравнению с фторопластом-3, ниже температурный интервал его применения, выше прочность и твердость, фторопласт- 1 (С₂Н₃F)_п близок по свойствам к фторопласту- 2 и выпускается в виде пленки, срок службы которой в 3 — 4 раза выше, чем других пластмасс. Применяется как электроизоляционный и упаковочный материа.

4.6. Полиамиды. Сырьё для производства, свойства, виды, применение

Полиамидами называются высокомолекулярные соединения, содержащие в своей цепи амидные группы —СОNН—. Промышленными методами синтеза полиа­мидов являются полимеризация лактамов аминокислот и поликонденсация диаминов с дикарбоновыми кислотами или их производными. Наиболее распространенными полиамидными смолами являются капрон, получаемый из капролактама, найлон (анид), синтезируемый из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты, энант и пе- ларгон, являющиеся поликонденсатами аминоэнантовой и аминопеларгоновой кислот. Используемые для производства полиамидов сырьевые материалы представляют собой легко растворимые кристаллические вещества, получаемые в основном из бензола и его соединений. Химическое строение полиамидов характеризуется цифровыми обозначениями. Если полиамид получен полиме­ризацией из одного мономера, то при его маркировке после слова «полиамид» ставится одна цифра, соответствующая числу атомов углерода в мономере. Так, капрон (поликапроамид), получаемый полимеризацией капролактама, называется полиамидом 6. В случаях, когда полиамид получен поликонденсацией диаминов с дикарбоновыми кислотами или их производными, число цифр в марке характеризует количество исходных ком­понентов, из которых синтезирован полиамид. При этом цифры до запятой показывают число атомов углерода в диаминах, а после запятой — в дикарбоновых кислотах (например, найлон, полученный из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты — полигексаметиленадинамид, называется полиамидом 6,6 и т.д.). Основные направления использования полиамидов — производство синтетических волокон и пластмасс. Полиамиды — наиболее прочные, жесткие и вязкие термопласты, хорошо сопротивляются абразивному износу, обладают высокой химической стойкостью. В паре с металлами они имеют низкие коэффициенты трения и не схватываются с ними. В вязкотекучем состоянии полиамиды легко перерабатываются в различные изделия, волокно, пленку и другие известными способами: отливкой в формы, литьем под давлением, центробежным литьем и прессованием, продавливанием через фильеры, на шнек машинах. Для использования в машиностроении промышленность выпускает шесть типов полиамидных смол: капрон, найлон, смолы № 54, № 68, АК-7 и П-6. Однако наибольшее применение получил капрон.

При изготовлении крупных изделий широко используют капролон — продукт полимеризации расплава капролактама с инициатором и активатором непосредственно в форме. В машиностроении полиамиды находят широкое применение в качестве конструкционного материала, вытесняя цветные металлы, чугун и сталь, в малонагруженных деталях, подверженных абразивному износу и действию агрессивных сред (вкладыши подшипников скольжения, зубчатые колеса, втулки, шайбы, детали насосов и муфт сцепления, а также нефтеперерабатывающего оборудования; трущиеся детали, работающие без смазки; гребные винты и др.). Полиамиды используют для изготовления пропиточных материалов, клеев и покрытий, наносимых на металлические поверхности в виде растворов или оплавленных частиц и придающих им антифрикционные свойства, повышающих химическую стойкость и износостойкость. Недостаток покрытий — их набухание и отслаивание при работе во влажной среде.

Полиамиды выпускаются как простые пластмассы и как сложные с наполнителями или пластификаторами, улучшающими их основные свойства.

Наиболее благоприятное влияние на физико-механические свойства полиамидов в качестве наполнителя оказывает стеклянное волокно. Чистые полиамиды используются для изготовления деталей, подверженных ударным воздействиям, а полиамиды со стеклянным волокном — для изготовления износостойких и теплостойких деталей (комплектующие детали автомобилей и тракторов, радио- и электротехнические детали с повышенной теплостойкостью и др.). Полиамидные волокна применяются в производстве трикотажа, искусственных мехов, ковров, щеток, изоляции проводов, автомобильных шин, канатов, транспортерных лент и т. п. По механической прочности, относительному удлинению и эластичности полиамидные волокна превосходят другие виды химических и натуральных волокон, но во влажном состоянии их прочность несколько снижается. Высокими механическими свойствами обладают волокна энант и пеларгон. По стойкости к многократным деформациям, истиранию, термостабильности, свето- и химической стойкости эти виды волокон значительно превосходят капроновое волокно.

Недостатками полиамидов являются низкая твердость и теплопроводность, значительное водопоглогцение, высокий коэффициент теплового расширения, старение на свету, слабые диэлектрические свойства и др. Физико-химические свойства полиамидов могут быть улучшены, а объемы использования увеличены благодаря введению в них таких наполнителей, как дисульфид молибдена, графит, тальк и т. п. В то же время выпуск полиамидов в общем объеме производства и потребления пластмасс составляет всего лишь около 1%, что в значительной мере объясняется их высокой стоимостью.

4.7. Полиметилметакрилат, полиформальдегид и пентапласт. Сырьё для производства, свойства, применение

Полиметилметакрилат представляет собой прозрачную бесцветную смолу, получаемую полимеризацией метилметакрилата — метилового эфира метакриловой кислоты. Наибольшее распространение получил блочный метод полимеризации метилметакрилата для получения листового материала, широко используемого под названием «органическое стекло» (плексиглас). Органические стекла обладают высокой прозрачностью и диэлектрическими свойствами, легкостью, механической прочностью и применяются для остекления самолетов и автомобилей, изготовления оптических стекол, стоп-сигналов, подфарников, шкал, светильников, часовых стекол, автомобильных фар, предохранительных щитков на машинах и станках. Органические стекла пропускают около 75% ультрафиолетовых лучей (обычное силикатное стекло — менее 1%), что позволяет использовать их для оснащения больничных помещений в оздоровительных целях, так как ульт­рафиолетовые лучи убивают болезнетворных микробов. Они исключительно стойки против атмосферного старения, могут окрашиваться, что придает изделиям кра­сивый внешний вид. Как диэлектрик органическое стекло используется для получения изделий, сочетающих электрическую стойкость с химической стойкостью и износостойкостью. В машиностроении органическое стекло применяется в качестве конструкционного материала. Оно выпускается прозрачным и непрозрачным, бесцветным и крашеным.

Полиметилметакрилат обладает высокой маслостойкостью, водостойкостью, бензостойкостью, устойчив к действию растворов кислот, щелочей и различных солей. В химическом машиностроении из органического стекла изготавливают бачки, сосуды, кислотоупорные трубы и другие изделия. В электротехнике полиметилметакрилаты используются в качестве дугогасящих материалов при электрической сварке, так как при разложении в дуге выделяют большое количество газов. Органическое стекло широко используется для производства изделий народного потребления. Недостатками органического стекла являются низкая твердость, тепло- и износостойкость, склонность к помутнению, а также растрескиванию под действием различных факторов. Основными методами переработки органического стекла в изделия являются штамповка, прессовка, вакуум-формование, сварка отдельных деталей, а также другие способы обработки, характерные для термопластов.

Полиформальдегид (—СН₂—О—) — продукт полимеризации формальдегида — представляет собой белый непрозрачный материал с высокими механиче­скими и диэлектрическими свойствами, относительной тепло- и химической стойкостью, жесткостью и ударо­прочностью. Обладает низким коэффициентом трения. Плотность полиформальдегида 1,4 г/см³, прочность при растяжении (при 20°С) 70 МПа и относительное удлинение при разрыве 16—75%. Применяется в машиностроении для изготовления втулок, подшипников, шестерен, труб, листов и других изделий, которые успешно заменяют детали из цветных металлов и их сплавов. Полиформальдегид перерабатывается в изделия экструзией, литьем под давлением и другими методами, характерными для термопластов.

Пентапласт — твердый полимер, получаемый из пентаэритрита, обладает абсолютной водо-, тепло- и высокой химической стойкостью. Плотность пентапласта 1,4 г/см³, прочность при растяжении (при 20°С) 42 МПа и относительное удлинение при разрыве 35%. Из него изготавливают детали химического и холодильного оборудования, работающие длительное время при повы­шенных или пониженных температурах в агрессивных средах. Пентапласт перерабатывают всеми методами, характерными для переработки термопластов.

5. Виды реактопластов. Их назначение, товарные свойства и принципы маркировки

Наиболее распространенными видами реактопластов являются фенопласты, получаемые на основе фенолоформальдегидных смол, и аминопласты, вырабатываемые из мочевино- и меламиноформальдегид- ных смол. К термореактивным пластмассам относятся также матёриалы на основе полиэфирных, эпоксидных, кремнийорганических и других смол, получаемые исключительно реакцией поликонденсации.

Термореактивные пластмассы при нагревании не расплавляются, а разрушаются и обугливаются, необратимо теряя способность к повторному формованию. Однако реактопласты по сравнению с термопластами обладают повышенной теплостойкостью и более высокими механическими свойствами, что объясняется образованием в них при тепловой обработке сетчатой структуры макромолекул с высокой плотностью поперечных связей. Недостатком термореактивных полимеров является возникновение при затвердевании значительных усадок, структурной неоднородности и внутренних напряжений, приводящих к растрескиванию и деформации получаемых изделий.

Наименьшей усадкой обладают эпоксидные полимеры (0,5—2%), наибольшей — полиэфиры (около 10%). Поэтому при формовании термореактивных смол в их состав вводят специальные наполнители, снижающие усадку и растрескивание, а также себестоимость получаемых изделий. Многие термореактивные полимеры при отверждении выделяют низкомолекулярные вещества, образующие в пластмассах поры. Для устранения этого недостатка и получения плотной структуры материала подготавливаемые смеси подвергают горячему прессованию, при котором происходит связывание наполнителя и полимера и образование монолитного изделия. При последующем нагреве изделия из реактопластов не размягчаются.