Строение и назначение резины пластических масс и полимерных материалов конспект
Обновлено: 05.07.2024
ЛЕКЦИЯ № 12. Свойства неметаллических материалов
1. Неметаллические материалы
Еще во второй половине XX в. в нашей стране уделялось большое внимание применению неметаллических материалов в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в целом. Было налажено и постоянно наращивалось производство самых различных неметаллических материалов: синтетических смол и пластмасс, синтетических каучу—ков, заменяющих натуральный каучук, высококачественных полимеров с заданными техническими характеристиками, включая армированные и наполненные пластмассы.
Пластические массы и другие неметаллические материалы обладают рядом превосходных физико—химических, механических и технологических свойств, что обусловило их широкое распространение в различных отраслях промышленности – машиностроении, электротехнике, электронике и др. Как конструкционный материал пластические массы все более вытесняют дорогостоящие металлы. Применение пластических масс дает возможность постоянно совершенствовать конструкции. Оснащение машин и оборудования, а также частичная комплектация различных узлов позволяют снизить их массу, улучшить надежность и долговечность работы, повысить производительность. Для производства пластмасс требуется в 2–3 раза меньше капитальных вложений, чем для производства цветных металлов. Исходными материалами для получения пластических масс служат дешевые продукты переработки каменного угля, нефти и природного газа. Пластмассы подвергают армированию для улучшения механических свойств. Для изготовления различных деталей, работающих в механизмах трения (скольжения) с небольшими нагрузками и скоростями, применяются такие неметаллические материалы, как антифрикционные полимерные и пластмассовые материалы. Эти материалы обладают небольшим коэффициентом трения, высокой износостойкостью, химической стойкостью, могут работать без смазки. Однако низкая теплопроводность, значительный (в десятки раз больше, чем у металлов) коэффициент термического расширения, небольшая твердость и высокая податливость ограничивают возможности их широкого использования. Более эффективно они применяются в комбинации с другими материалами, металлами и пластмассами.
Кроме того, в качестве фрикционных неметаллических материалов применяются тормозные тканые асбестовые ленты и фрикционные асбестовые накладки – формованные, прессованные, тканые, картонно—бакелитовые и спирально—навивные, которые могут эксплуатироваться во всех климатических зонах. Фрикционные асбестовые накладки применяются для узлов трения автомобилей, самолетов, тракторов, металлорежущих и текстильных станков, подъемно—транспортного оборудования и тепловозов. Ресурс таких неметаллических накладок, работающих в узлах трения, достаточно высок. Например, для автомобилей с дизелями он составляет 6000 моточасов, легковых автомобилей – 125 000 км, грузовых автомобилей – 75 000 км. Тормозные тканые асбестовые ленты применяются в качестве накладок в тормозных и фрикционных узлах машин и механизмов с поверхностной температурой трения до 300 °C.
Неметаллические материалы широко применяются в различных отраслях промышленности и хозяйства в целом.
2. Полимеры: строение, полимеризация и поликонденсация, свойства
В настоящее время трудно представить себе медицину без полимерных систем для переливания крови, медицинскую аппаратуру – без прозрачных полимерных трубок, предметы ухода за больными – без резиновых грелок, пузырей для льда и т. д. Значительно обогатить ассортимент материалов, применяемых в медицине, позволили синтетические полимеры.
Полимеры существенно отличаются от металлов и сплавов: их молекулы вытянуты в длинные цепочки, в результате чего полимеры имеют высокую молекулярную массу. Молекулы полимеров получают из исходных низкомолекулярных продуктов – мономеров – полимеризацией и поликонденсацией. К полимерам поликонденсационного типа относятся фенолформальдегидные смолы, полиэфиры, полиуретаны, эпоксидные смолы. К высокомолекулярным соединениям полимеризационного типа относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол, полипропилен. Высокополимерные и высокомолекулярные соединения являются основой органической природы – животных и растительных клеток, состоящих из белка.
Для изготовления многих медицинских изделий широко применяют как полимерные материалы, в основе которых лежит природное сырье, так и искусственные – синтетические и полимерные материалы. Из полимерных материалов естественного происхождения изготовляют большинство перевязочных средств: вату, марлю и изделия из них, алигнин, а также нити шовных материалов (хирургический шелк). Полимеры являются основой пластмасс, используемых при изготовлении различных инструментов, частей медицинской аппаратуры и оборудования.
Широкое применение в различных отраслях промышленности и хозяйства в целом нашли такие полимеры, как фенолформальдегидные жидкие и твердые смолы. Фенол—формальдегидные жидкие смолы резольного типа – продукт поликонденсации фенола и формальдегида в присутствии катализатора с добавкой модифицирующих и стабилизирующих веществ или без них – поставляются в виде однородной прозрачной жидкости от красновато—коричневого до темно—вишневого цвета со средней плотностью 1,2 г/см 3 . Применяются при производстве теплозвукоизоляционных изделий, фанеры, древесностружечных и древесноволокнистых плит, абразивных инструментов на гибкой основе, стеклопластиков, асботехнических и асбофрикционных изделий, углепласта для шахтных крепей и др. Марки смол: СФЖ–303, СФЖ–305 и т. д.
Твердые фенолформальдегидные смолы новолачного и ре—зольного типов – продукты поликонденсации фенолов (или их фракций) и формальдегида в присутствии катализатора с добавкой модифицирующих веществ или без них. Выпускаются в виде порошка, чешуек и крошки. Применяются для получения резиновых смесей, прессовочных масс, слоистых пластиков, лаковых токопроводящих суспензий, антикоррозионных лакокрасочных материалов и клеев, в качестве связующих для абразивных изделий и оболочковых форм, при изготовлении поропласта, при производстве масляных лаков для лакокрасочной и пищевой промышленности. Выпускаются следующие марки смол: СФ–010А, СФ–010, СФ–010М (модифицированная), СФ–014 и т. д.
3. Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газонаполненные
Пластмассы – пластические массы – это материалы, полученные на основе высокомолекулярного органического соединения – полимера, выполняющего роль связующего и определяющего основные технические свойства материала В зависимости от эластичности пластмассы делят на три группы: жесткие, модуль упругости 700 Мпа, до 70 МПа Пластмассы выпускаются монолитными в виде термопластичных и термореактивных и газонаполненными – ячеистой структуры. К термопластичным пластмассам относят полиэтилен низкого давления, полипропилен, ударопрочный полистирол, АБС—пластики, поливинилхлорид, стеклопластики, полиамиды и др.
К термореактивным пластмассам относятся: жесткие пенополиуретаны, аминопласты и др.
К газонаполненным пластмассам относятся пенополиуретаны – газонаполненный сверхлегкий конструкционный материал.
Термопластичная пластмасса – полиэтилен низкого давления – продукт полимеризации этилена, получаемый при низком давлении с использованием комплексных металлоор—ганических катализаторов. Базовые марки этого полиэтилена: 20108–001, 20208–002, 20308–005 и т. д. Плотность полиэтилена – от 0,931 до 0,970 г/см 3 .
Ударопрочный полистирол – продукт сополимеризации стирола с каучуком или другим пластификатором, обладающий более высокими механическими свойствами, чем полистирол общего назначения. Он обладает высокой твердостью, прочностью к ударным нагрузкам, эластичностью, сопротивлением на разрыв, стоек к действию температуры в пределах от +65 до–40 °C.
Аминопласты – термореактивные пластмассы – прессовочные карбамидо—и меламиноформальдегидные массы, получаемые на основе аминосмол с использованием наполнителей (органических, минеральных или их сочетания), окрашивающих и модифицирующих веществ. Их теплостойкость по Мартену составляет не менее 100–180 °C, ударная вязкость – 3,9—29,4 КДж/м 2 (4—30 кгс ? см/см 2 ), усадка – 0,2–0,8 %, удельное объемное электрическое сопротивление – 1? 10 11 —1 ? 10 12 Ом ? см. Из аминопластов путем горячего прессования изготовляют изделия бытового, технического и электротехнического назначения. Всего выпускается 11 марок аминопластов: КФА–1, КФБ–1 и т. д.
Эластичный пенополиуретан применяется в производстве мягкой мебели, сидений автомобилей, тракторов и других изделий. Жесткий пенополиуретан применяется для изготовления корпусов кресел, декоративных элементов, в качестве тепло—и звукоизоляционных материалов. Широкое распространение в последние годы получили наполненные пенопласты (ППУ).
Синтетические каучуки (эластомеры) получают путем полимеризации из мономеров с участием катализаторов (ускорителей процесса). Первый советский синтетический каучук был получен С. Д. Лебедевым из технического спирта. В настоящее время выпускают несколько видов синтетических каучуков (эластомеров), в том числе изопреновый, мало отличающийся от натурального. Для изделий медицинского назначения применяется салоксановый (силиконовый) каучук, основная полимерная цепь которого состоит из атомов кремния и кислорода. Он термостоек и физиологически инертен. Сырьем для изготовления синтетических каучуков служат нефть, природный газ, каменный уголь.
Резины различных видов и марок относятся к группе эластичных материалов – эластомеров. Резины подразделяются на формовые и неформовые. К неформовым относится большая группа так называемых сырых резин. Сырые резины выпускаются под номерами (10, 11, 14 и т. д.) в виде разнотол—щинных пластин, покрытых тальком (для предохранения от слипания), или в виде рулонов с тканевой прокладкой (из миткаля), которая также предохраняет резину от слипания.
Неформовая сырая резина получается путем вулканизации из резиновых смесей, изготавливаемых на основе синтетических каучуков или натурального. Основным вулканизирующим веществом является сера, но еще применяют селен и теллур. В зависимости от марок сырая резина используется для получения различных формовых изделий с определенными свойствами. Например, из сырой резины получают техническую листовую резину нескольких типов: кислотощелочестой—кую, теплостойкую, морозостойкую, пищевую и т. д. Морозостойкая резина сохраняет свои свойства при температуре до —45 °C. Техническую листовую резину толщиной 3–4 мм применяют для изготовления уплотнительных прокладок во фланцевых соединениях трубопроводов, транспортирующих холодную воду, а резину с тканевой прокладкой (из синтетической ткани) – и при транспортировании горячей воды температурой до +100 °C.
Из сырых резин получают различные резиновые изделия – муфты, кольца, клапаны, различные прокладки и т. д., применяя следующие методы формования: прессование, экструзию и литье под давлением. Процесс прессования резиновых изделий проходит в вулканизационных гидравлических прессах под давлением 100–300 атм. и при температуре +140–160 °C.
При производстве мягкой мебели широко применяется пенорезина, представляющая собой материал на основе синтетического или натурального каучука. Для изготовления пенорезины используют латексную смесь, которую выдерживают 18–21 ч, вспенивают и вулканизируют с последующей сушкой. Пенорезину выпускают в виде листов или формованных элементов мебели. По показателям эластичности упругости, остаточной деформации пенорезина является идеальным материалом для мягкой мебели. Пенорезина самовентилируется и охлаждается за счет прохождения воздуха через сообщающиеся поры. Для снижения веса мебельных элементов из пенорезны их делают с пустотами, но чтобы при этом сохранялась способность выдерживать значительные нагрузки, объем пустот не должен превышать 40 % объема всего элемента.
К резинам, предназначенным для изготовления отдельных групп изделий, предъявляют дополнительные требования, обеспечивающие выполнение изделиями их функционального назначения и надежность в работе. В настоящее время промышленность выпускает резину листовую трех марок: тепломорозокислотощелочестойкую (ТМКЩ); ограни—ченномаслобензостойкую (ОМБ); повышенномаслобензо—стойкую (ПМБ), которые в свою очередь подразделяются по твердости применяемой резины: мягкая (М) для работы при температурах от–45 °C до +90 °C; средней твердости (С) – при температурах от —60 °C до +80 °C, повышенной твердости (П) – при температурах от —60 °C до +80 °C.
Герметики (герметизирующие составы) применяются практически повсеместно – в строительстве, в системе ЖКХ, машиностроении, мебельном производстве, в быту, при различных ремонтных работах. Герметики представляют собой полимерные композиции в виде паст, замазок или жидкостей, которые после нанесения на поверхность сразу или спустя некоторое время густеют в результате вулканизации полимерной основы.
Для приготовления герметиков применяют жидкие синтетические каучуки и специальные добавки. Промышленностью выпускаются герметики разных видов: строительные фасадные, шовно—тиоколовые и акрилатные, строительные каучукосиликоновые, акриловые. В стекольных работах для герметизации стыков в основном применяют тиоколовые герметики 7—30М и УТ–31, которые вулканизируются при температуре от +18 °C до +30 °C. В системе ЖКХ широко применяется силиконовый герметик КЛТ–30 для уплотнения резьбовых соединений, работающих в интервале температур от —60 °C до +200 °C.
В последние годы в Россию завозится множество марок герметиков, производимых зарубежными фирмами: DAP, KVADRO, KIMTEC, KRASS.
По сравнению с другими аналогичными материалами герметики обладают влагостойкостью, газонепроницаемостью, долговечностью. Герметики на основе полиизобутилена используются для уплотнения наружных швов между элементами сборных крупнопанельных зданий. Герметики, так же как и резины, относятся к группе эластомеров.
Наиболее широко применяются тиоколовые герметики, для которых характерна универсальность. Промышленность России выпускает следующие марки тиоколовых герметиков:
1) У–30М. Поставляют комплектно в составе пасты—герме—тика черного цвета У–30, вулканизатора № 9 и ускорителя вулканизации – дифенилгуанидина, смешиваемых непосредственно перед употреблением в соотношении 100: 7: 0,35 массовых частей. Предназначен для герметизации металлических (кроме латунных, медных, серебряных) и других соединений, работающих в среде разбавленных кислот и щелочей, жидкого топлива и на воздухе во всех климатических условиях при температурах от —60 °C до + 130 °C;
2) УТ–31 – светло—серая паста У–31, вулканизатор № 9 и ускоритель вулканизации, применяется для герметизации металлических (кроме латунных, медных, серебряных) и других соединений, работающих на воздухе и в среде жидких топлив при температурах от —60 °C до +130 °C и до + 150 °C – кратковременно на воздухе; 3) 51–УТ–36А (с адгезивом) и 51–УТ–36Б (без адгезива) – темно—серая замазкообразная паста У–36, эпоксидная смола Э–40 (для 51–УТ–36Б) и двухромовый натр в качестве вулканизатора; применяются в приборостроении. Для герметизации различных соединений, швов, работающих при температурах от +200 °C до +300 °C, предназначены теплостойкие силоксановые герметики, изготавливаемые на основе жидких силоксановых каучуков. Марки силокса—новых герметиков следующие: эластосил 11–01, силпен. ВПТ–2Л, КЛ–4, КЛТ–30, КЛСЕ, ВГО–2, КЛВАЕ и др. Выпускаются также теплотопливостойкие герметики, изготавливаемые на основе фторсодержащих каучуков, следующих марок: ВГФ–1, ВГФ–2, 51–Г–1 и др.
Все большее применение в медицине находят различные полимерные материалы: каучуки и резина, смолы, пластические массы. На основе достижений химии высокомолекулярных соединений можно получить материалы с заранее заданными свойствами, которыми не могут обладать природные соединения. Получение синтетических полимерных изделий из мономеров осуществляется с применением поликонденсации и полимеризации.
Каучук натуральный получают из латекса (млечный сок бразильской гевеи), синтетический каучук — путем полимеризации мономеров с участием катализаторов.
Резину получают из натурального или синтетического каучука путем вулканизации (добавляют при высокой температуре серу или селен, или теллур). Кроме того, добавляют в резину ускорители,
наполнители, мягчители, противостарители, красители и другие компоненты резиновой смеси, от которых зависят свойства резиновых изделий. Рецептура резины для медицинских изделий утверждается МЗ РФ, так как резиновые изделия имеют непосредственный контакт с органами и тканями человеческого организма.
Резина обладает высокой эластичностью, способностью сопротивляться разрывам, истиранию, поглощает колебания, газо- и водонепроницаема.
Каучук и резину в медицине применяют для изготовления предметов ухода за больными — грелок, пузырей, кругов подкладных, спринцовок; трубчатых изделий — катетеров, зондов, трубок для переливания крови, вакуумных и слуховых; перчаток, напальчников, сосок и пустышек детских и др.
К методам получения резиновых изделий относятся: прессование, экструзия, литье под давлением, макание.
Пластические массы (пластмассы) - это неметаллические композиционные материалы на основе полимеров (смол), способные под влиянием нагревания и давления формироваться в изделия и устойчиво сохранять в результате охлаждения или отвердения приданную им форму.
Для них характерны высокая устойчивость против коррозии, хорошие электроизоляционные, теплоизоляционные свойства.
Основу пластмасс составляют полимеры (высокомолекулярные соединения), имеющие различную структуру (линейную, разветвленную, пространственную), что позволяет создавать материалы с новыми, заранее заданными свойствами.
Для производства МФТ наиболее часто применяют следующие виды промышленных полимеров: полиэтилен высокой и низкой плотности, полиамиды, пластикаты на основе поливинилхлорида, полипропилен, полистирол, фторпласты и др.
Эти полимеры используются для изготовления деталей медицинских приборов и инструментов, систем переливания крови, шприцев, предметов ухода за больными, лабораторного оборудования, упаковки, катетеров, бужей, дренажных трубок, зондов, упаковки ЛС, оправ и линз и многого другого.
Особую актуальность приобретают полимерные материалы при разработке эндопротезов, так как они имеют длительный контакт с живым организмом (искусственные органы, ткани). В качестве биоинертных полимеров, в наибольшей степени отвечающих эксплуатационным требованиям, применяют полиолефины (полиэтилен, полипропилен), фтор-пласты, некоторые полиэфиры (полиэтилентерефталат) и др.
Изделия из биосовместимых полимеров применяются в хирургии внутренних органов и тканей, травматологии, офтальмологии, стоматологии, сердечно-сосудистой хирургии.
Такие полимеры являются также основой лекарственных пленок, мазей, матриц для присоединения к ним лекарственных препаратов с целью пролонгации действия, оболочки для микрокапсул.
Методы получения изделий из полимерных материалов — это прессование, литье под давлением, экструзия.
Коррозии подвергаются не только металлы, но и материалы органического происхождения. Биокоррозия — это микробиологическая коррозия, т.е. разрушение изделий в результате воздействия микроорганизмов, в основном, плесневых грибков. Наилучшей защитой при хранении и эксплуатации медицинских изделий служитсоздание условий, препятствующих развитию плесени, т.е. хранение должно осуществляться в сухих (влажность воздуха не выше 65%), хорошо проветриваемых помещениях при комнатной температуре (20 °С).
2 Полимерные материалы - пластмассы Пластмассами называют искусственные материалы, полученные на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагревании размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется. Главными компонентами пластмасс являются: связующее вещество полимер; наполнители ввиде органических или минеральных порошков, волокон, нитей, тканей, листов; пластификаторы; стабилизаторы, отвердители и красители. 2
3 Химическая стойкость полимеров Перечень агрессивных агентов, влияющих на свойства полимерных материалов, чрезвычайно широк, но тем не менее может быть систематизирован в наиболее часто встречающиеся группы: - минеральные и органические кислоты, - растворы кислот в воде, - растворы щелочей и окислителей, - алифатические и ароматические растворители, - горюче-смазочные материалы. Воздействие агрессивной среды на полимер может сопровождаться его набуханием, диффузией среды в полимер и химическим взаимодействием, приводящим к деструкции пластика. 3
4 Химическая стойкость пластмасс Большинство пластмасс отличаются высокой химической стойкостью и превосходят в этом отношении традиционные природные материалы: металлы, дерево и др. Химическая стойкость обусловлена особенностями строения полимеров, наличием или отсутствием функциональных групп, способных претерпевать превращения в среде различных реагентов, наличием и частотой поперечных сшивок идр. Химическая стойкость является одной из важных характеристик пластмасс, поскольку от нее во многом зависит выбор основных областей применения. 4
5 Влияние разветвлений и сшивок Растворимость полимеров, как и химическая стойкость, зависит от особенностей строения, наличия разветвлений, поперечных сшивок, присутствия полярных групп, длины макромолекулы и других факторов. Чем меньше разветвлений в макромолекуле, больше ее длина и больше полярных групп, тем выше степень межмолекулярного взаимодействия и ниже растворимость полимеров. Растворимость уменьшается при увеличении упорядоченности макромолекул и повышении частоты поперечных сшивок. 5
6 Требования к пластмассам Пластические массы, используемые как конструкционные материалы, должны обладать высокой химической стойкостью по отношению к тем средам, с которыми изделия контактируют в процессе эксплуатации: - мыльно-содовым растворам, - растворителям, - растворам кислот, - пищевым средам. Поэтому знание химической стойкости пластических масс является обязательным для специалиста. Оно позволяет установить правильность выбора пластмасс для изготовления тех или иных изделий. 6
7 Классификация полимерных материалов по назначению В современном строительстве пластмассы заняли свое место, это: - отделочные материалы (декоративные пленки, линолеум, т.п.) - эффективные теплоизоляционные материалы (пенно-, порои сотопласты) - гидроизоляционные и герметизирующие материалы (пленки, прокладки, мастики) - погонажные изделия (поручни, плинтусы) - санитарно-технические изделия (трубы) - в технологии бетона (полимербетоны и бетонополимеры) - для модификации строительных материалов. Такое деление достаточно условно, так как один и тот же материал в несколько измененном виде может использоваться для различных целей: ПВХ пленка может быть как отделочным, так и гидроизоляционным материалом. 7
8 Преимущество пластмасс Несмотря на молодость, пластмассы прочно заняли свое местоврядустроительныхматериалов. Это объясняется наличием у пластмасс целого комплекса ценных свойств: стойкостью к различным агрессивным воздействиям, низкой теплопроводностью, технологической легкостью обработки, возможностью склеиваться и свариваться и др. Рассмотрим наиболее популярные виды пластмасс 8
9 Фторопласт-4, Тефлон Фторопласт-4 является термически и химически стойким материалом. Фторопласт-4 можно длительно эксплуатировать при температуре до 250ºС. Разрушение материала происходит при температуре выше 415ºС. Фторопласт содержит атомы фтора, благодаря чему имеет высокую химическую стойкость. Фторопласт-4 стоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Плохо растворяется или не растворяется во многих органических растворителях, не растворим в воде и не смачивается ею. Фторопласт-4 применяют для изготовления труб для химикатов, деталей (вентили, краны, насосы, мембраны), уплотнительных прокладок, манжет, сильфонов, электрорадиотехнических деталей, антифрикционных покрытий на металлах. 9
10 Органическое стекло [-СН 2 -С(О)(СОСН з ) С H 3 -] n Органическое стекло (полиметилметакрилат) это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазок, растворяется в эфирах и кетонах, в органическихкислотах, ароматических и хлорированных углеводородах. Органическое стекло используют в самолетостроении, автомобилестроении. Из органического стекла изготовляют светотехнические детали и оптические линзы. 10
11 Поливинилхлорид Поливинилхлорид является полярным аморфным полимером с химической формулой (-CH 2 CHCl - ) n. Пластмассы на основе поливинилхлорида отличаются химической стойкостью к щелочам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Из винипласта изготовляют трубы для подачи агрессивных газов, жидкостей и воды, защитные покрытия для электропроводки, детали вентиляционных установок, теплообменников, защитные покрытия для металлических емкостей, строительные облицовочные плитки. 11
12 Поликарбонат Поликарбонаты группа термопластов, сложные полиэфиры угольной кислоты и двухатомных спиртов общей формулы (-O-R-O-CO-) n. Поликарбонаты химическистойкик растворам солей, разбавленным кислотам и щелочам, топливу, маслам; разрушаются крепкими щелочами. Выдерживают светотепловакуумное старение и тепловые удары. Из поликарбоната изготовляют шестерни, подшипники, автодетали, радиодетали. 12
13 Термопласты с наполнителями Вкачествеполимерных матриц используют различные термопласты. В качестве армирующих наполнителей можно использовать стеклянное волокно, асбест, органические волокна и ткани. В промышленном масштабе применяют полиамиды и поликарбонат, наполненные мелкорубленым стекловолокном. Термопласты с наполнителями в виде синтетических волокон (капрон, лавсан) обладают высокой длительной прочностью. Слоистые термопласты содержат в качестве наполнителей ткани из различных волокон. Из них изготовляют подшипники, зубчатые передачи, трубы вентили, емкости для агрессивных сред и др. 13
14 Термореактивные пластмассы К группе термореактивных пластмасс в зависимости от формы частиц наполнителя относятся пресспорошки, волокниты слоистые пластики. Они выгодно отличаются от термопластичных пластмасс отсутствием хладотекучести под нагрузкой, более высокой теплостойкостью, малым изменением свойств в процессе эксплуатации. Термореактивные пластмассы перерабатывают в детали (изделия) преимущественно методом прессования. 14
15 Термореактивные пластмассы (слоистые) Слоистые пластмассы являются силовыми конструкционными и поделочными материалами: генитакс текстолит древеснослоистые пластики (ДСП) асботекстолит стеклотекстолиты Материалы выпускаются в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали. 15
16 Газонаполненные пластмассы Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Такие пластмассы имеют чрезвычайно малую массу и высокие теплозвукоизоляционные характеристики. В зависимости от физической структуры газонаполненные пластмассы делят на две группы: 1. Пенопласты материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего; 2. Поропласты губчатые материалы с открытой пористой структурой, вследствие чего присутствующие в них газообразные включения свободно сообщаются друг с другом и с окружающей атмосферой (например, губка). 16
18 РЕЗИНЫ Резины незначительно поглощают воду и ограниченно набухают в органических растворителях. Степень набухания определяется разницей параметров растворимости каучука и растворителя (тем меньше, чем выше эта разность) и степенью поперечного сшивания (величину равновесного набухания обычно используют для определения степени поперечного сшивания). Известны резины, характеризующиеся масло-, бензо-, водо-, паро- и термостойкостью, стойкостью к действию химически агрессивных сред, озона, света, ионизирующих излучений. Срок службы резин в зависимости от условий эксплуатации от нескольких дней до нескольких десятков лет. 18
Содержание темы по рабочей программе. Физико-химические основы материаловедения: строение и свойства материалов, методы измерения параметров и свойств полимеров. Способы получения полимеров. Материалы на основе полимеров. Область применения неметаллических материалов полимерных материалов на транспорте
Полимеры и пластические массы
Полимеры - высокомолекулярные вещества с очень большой молекулярной массой, которые построены из многократно повторяющихся звеньев –мономеров, связанных сильной ковалентной связью.
В зависимости от состава различают группы полимерных соединений:
гомополимеры полимеры, состоящие из одинаковых звеньев мономеров;
сополимгеры полимеры, состоящие из разных исходных звеньев мономеров;
элементоорганические соединения с введенными в главную или боковые цепи атомами кремния, кремнийорганическго соединения, бора, алюминия и др. Эти соединения обладают повышенной теплостойкостью.
Макромолекулы полимеров по форме делят на: линейные неразветвленные, допускающая плотную упаковку; разветвленные, труднее упаковываемая и дающая рыхлую структуру; сшитые – лестничная; сетчатые; паркетные; сшитые трехмерно-объемные, с густой сеткой поперечных химических связей.
Полимеры с линейной структурой эластичны, при нагревании размягчаются, растворимы в органических растворителях. Полимеры с сетчатой структурой обладают наибольшей прочностью и теплостойкостью.
Способы получения полимеров
Полимеры получают способами:
полимеризация – химический процесс, при котором из мономера под воздействием температуры, давления и гамма излучений образуется высокомолекулярное соединение без выделения побочных продуктов (воды, газов);
поликонденсация – химический процесс, при котором в реакцию вступают низкомолекулярные вещества и за счет необратимого превращения под действием температуры, давления и др. образуют полимерные соединения с выделением побочных продуктов (воды, газов и др.).
По реакции связующего полимера к повторным нагревам:
термопластичные пластмассы это материалы, которые неоднократно перерабатываются литьем под давлением (полиэтилен, полистирол, капрон и др.), так как получены процессом полимеризации. Им характерны свойства: малая хрупкость и большая упругость. Термопласты при повышении температуры размягчаются, становятся пластичными. В таком состоянии им под давлением придается необходимая форма, сохраняемая после охлаждения;
термореактивные полимеры (реактопласты) это материалы, которые при производстве переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, так как получены процессом поликонденсации (аминопласты, фторопласты, фенопласты). Им характерны хрупкость, они дают большую усадку. Формообразующие операции (прессование) термореактивных пластмасс, выполняется до отверждения, т.е. на первой стадии их образования. Отверждение выполняется после получения необходимой формы. При нагреве реактопласты практически не меняют своих свойств до температуры, вызывающей деструкцию.
Материалы на основе полимеров
Пластические массы (пластмассы, пластики) – материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться в изделия сложной конфигурации и при охлаждении устойчиво сохранять приданную форму. Простые пластмассы состоят из одних химических полимеров. Сложные пластмассы включают добавки: наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, катализаторы.
Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения. Большинство пластмасс имеют малую плотность, низкую теплопроводность, высокие диэлектрические фрикционные и антифрикционные свойства. Пластмассы не подвержены электрохимической коррозии и стойки к агрессивным средам, включая щелочи и концентрированные кислоты и применяются для изготовления защитных покрытий.
Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость (максимальная температура эксплуатации термопластов до +250 ºС, термореактивных пластмасс до +400 ºС). Большинство пластмасс разрушаются при нагреве и разлагается при температурах +150…+300°С, а полистирол, органическое стекло, пористые пластмассы огнеопасны. Пластмассы имеют низкие модуль упругости и ударную вязкость по сравнению с металлами и металлическими сплавами. Упругость и ударная вязкость у пластмасс зависят от температуры. При увеличении скорости деформирования жесткость пластмасс повышается, так как не успевает развиваться высокоэластичная деформация, и возрастает склонность к хрупкому разрушению. При длительном действии нагрузки уменьшается прочность и появляется ползучесть. Пористые пластмассы имеют наименьшую прочность и жесткость, хуже сопротивляются растяжению, чем сжатию. Пластмассы сильно расширяются при нагреве, коэффициент теплового расширения в 10-30 раз больше, чем у металлов.
При длительном хранении, эксплуатации и переработке надмолекулярные структуры могут претерпевать изменения свойств, то есть имеют склонность к старению. При старании происходит разрыв макромолекул на куски и их хаотическое соединение. Причины старения нагрев, окисление, ионизации, механических напряжений, облучения (свет, γ-излучение, потоки электронов и нейтронов).
По составу пластмассы разделяют на две группы — ненаполненные и наполненные (композиционные). Ненаполненные пластмассы — это полимеры в чистом виде, например полиэтилен, полиамид, органическое стекло и др.
Наполненные пластмассы — это сложные композиции, содержащие кроме полимера различные добавки. Добавки позволяют изменять свойства полимера в нужном направлении. К добавкам относят:
компонент пластмасс
назначение компонента
материал компонента
наполнители
до 40–70 %
повышают механические свойства: твердость, прочность, жесткость,
снижают усадку при прессовании,
придают материалу специальные свойства
порошковые (древесная мука, сажа, слюда, SiO2, тальк, TiO2, графит);
волокнистые (хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые, полимерные);
слоистые (бумага, ткани из различных волокон, древесный шпон);
газонаполненные (воздух, нейтральные газы).
пластификаторы
повышение эластичности, пластичности, морозо- и огнестойкости,
стеарин, олеиновая кислота, эфиры, полимеры с гибкими молекулами (дибутилфталат, трикрезилфосфат и др)
отвердители
способствуют отверждению термореактивных пластмасс
уротропин, сера, амины органические перекиси и оксиды некоторых металлов,
красители и пигменты
минеральные красители (мумия, охра, умбра, литопон, крон и т. д.), так и органические (нигрозин, родамин).
для замедления старения,
удлинения срока эксплуатации
ароматические амины, фенолы, сернистые соединения, газовую сажу.
смазочные вещества
предотвращают прилипание к стенкам пресс-формы.
стеарин, олеиновая кислота, трансформаторное масло
По назначению пластмассы подразделяются на группы:
конструкционные – для силовых деталей и конструкций, для несиловых деталей;
прокладочные, уплотнительные; фрикционные и антифрикционные;
электроизоляционные, радиопрозрачные теплоизоляционные;
стойкие к воздействию огня, масел, кислот; облицовочно-декоративные.
Изделия из пластмасс выполняют методами прессования, литья под давлением, формования, экструзии и другими методами. Формование изделий из полимеров осуществляют в процессе их вязкого течения, сопровождающегося пластической деформацией. Первоначально пластмассы получали из целлюлозы — основного материала всей растительной жизни. Сейчас сырье для пластмасс представляет собой в основном нефтепродукты: нефтяные газы, нефть, уголь, отходы лесотехнической промышленности, сельского хозяйства и др.). Сырьевые пластмассы выпускают в виде пресс-порошков, крошки, гранул различной формы и размеров. Поделочные пластмассы в виде листов, блоков, пленок.
Выбор пластмассы для изготовления конкретного изделия определяется его эксплуатационными условиями (огнестойкость, звукопоглощение, оптические особенности, химическая стойкость), назначением изделия и экономическими условиями (стоимость полимерного материала, тираж изделия, условия производства).
Таблица 21 Термопластичные пластмассы
Примечание для производства
PET или PETE/ ПЭТ, ПЭТФ Полиэтилентерефталат (лавсан)
тары для минеральной воды, безалкогольных напитков и фруктовых соков, упаковки, блистеров, обивки, ковров.
PEHD или HDPE/ ПЭНД
Полиэтилен высокой плотности (низкого давления)
бутылок, фляг, полужёсткой упаковки, трубопроводов, топливных баков автомобилей, игрушек.
PVC /ПВХ
Поливинилхлорид
труб, трубок, садовой мебели, напольных покрытий, оконных профилей, жалюзи, изоленты, тары для моющих средств и клеёнки, пленки для упаковки, кабельной изоляции, кредитных карт и изделий медицинского назначения. Не применяется для пищевого использования.
LDPE или PELD / ПЭВД
Полиэтилен низкой плотности (высокого давления)
брезентов, мусорных мешков, пакетов, плёнки и гибких ёмкостей. Применяется для пищевого использования.
PP / ПП
Полипропилен
оборудования, бамперов, аккумуляторов в автомобильной промышленности, игрушек, в пищевой промышленности (упаковка), трубы для водопроводов, ящики
PS/ ПС
Полистирол
плит теплоизоляции зданий, пищевых упаковок(и пеноматериалов), игрушек, посуды, ручек и так далее. Материал является потенциально опасным, особенно в случае горения, поскольку содержит стирол.
OTHER или О
Полиуретан, поликарбонат, полиамиды, полиакрилонитрил и др., биопластики
Корпуса аудио-, телетехники, бытовых приборов, сотовые телефоны, компьютерный пластик,
Полиамиды (РА) термостойкие полимеры, в состав которых входят высокомолекулярные синтетические соединения амидной группы (CO-NH или CO-NH2). Все полиамиды являются жесткими материалами, имеют повышенную прочность. Их плотность от 1,01 до 1,235 г/см³. Поверхность полиамидных материалов — гладкая, устойчивая к выцветанию и изменению формы, хорошо окрашиваются любыми красителями, устойчивы к воздействию многих химических реагентов. Полимер не меняет своих характеристик и внешнего вида с течением времени. Основные сферы использования полиамидов:
промышленность
легкая и текстильная
капроновые и нейлоновые волокна и ткани, ковролин, паласы, синтетические меха и пряжа, чулки, гольфы, носки, колготки;
прорезиненные кордовые ткани, канаты, наполнители для фильтров, ленты для конвейеров, сети для ловли рыбы.
строительство.
запорно-регулирующая арматура и трубы;
антисептических покрытий для бетонных, керамических и деревянных поверхностей;
для защиты изделий из металла от ржавчины.
машиностроение
для производства различных втулок, роликов, амортизаторов, сайлентблоков, вставок, антивибрационных подкладок и тому подобных изделий.
контейнеры, емкости для питьевых жидкостей и прочей тары, рассчитанной на хранение и транспортировку продуктов питания.
искусственные сосуды и вены, имплантаты, протезы и другие заменители органов человека;
для накладывания швов после хирургических операций.
Органическое стекло (PMMA) (плексиглас, полиметилметакрилат) синтетический, прозрачный термопласт, на основе акриловых смол. Технические характеристики органического стекла, большой ассортимент, длительный период эксплуатации и доступная цена обеспечили высокую популярность:
легкость – авиапромышленность (остекление вертолетов, самолетов);
влагостойкость – окна водоплавающего транспорта, аквариумы;
прозрачность – табло, рекламные вывески, перегородки, светопроницаемые конструкции, защитные очки, теплицы;
внешний вид – элементы декора, мебели, перегородки, витражи (цветное);
атмосферостойкость – конструкции, эксплуатирующиеся на открытом воздухе.
прочность – приборостроение.
Термореактивные пластмассы и ПКМ
Термореактивные пластмассы — пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала. Эти полимеры нельзя повторно расплавить и поэтому их сложно переработать.
Эти материалы изготавливаются на основе химически затвердевающих термореактивных смол формальдегидных, аминоальдегидных, эпоксидных, полиамидных, полиэфиров, кремнеорганических, которые являются связующим веществом. Смолы склеивают как отдельные слои наполнителя, так и элементарные волокна, воспринимая нагрузку одновременно с ними. 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 (бакелиты) пластмассы, получаемые при отверждении при повышенных температурах фенолформальдегидных смол в комбинации с наполнителями. В зависимости от типа смолы фенопласты делятся на новолачные и резольные. Эта пластмасса хорошо обрабатывается механически инструментами 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. В процессе горения выделяются фенол и формальдегид с характерным запахом.
Бакелит стоек к воздействию разбавленных кислот, щелочей и большинства органических растворителей. Из бакелита изготавливают изделия галантереи (пуговицы), электротехнические элементы (вилки, розетки), корпуса аккумуляторов, радио-, телефонных и аппаратов, детали стиральных машин, защитные шлемы, лаки, клеи. автомобильные запчасти, печатные платы.
Аминопласты пластмассы на основе карбамидо-формальдегидных и меламино-формальдегидных смол. Эти смолы имеют реактивные группы −СН2ОН, которые под влиянием нагрева или кислотных катализаторов способны к конденсации, в результате которой смолы упрочняются, что делает их твердыми и жесткими. Их можно полировать и механически обрабатывать, они имеют хорошие электроизоляционные свойства, легко окрашиваются. Теплостойкость около 100−120°С. Они стойки к воздействию воды, кислот (в том числе серной и азотной), щелочей и органических растворителей. Из аминопластов изготавливают клеи для дерева, электротехнические детали (розетки, выключатели) и галантерею, тонкие покрытия для украшения, лаки, пенистые материалы.
Полиуретан полимер, макромолекула которого уретановую группу —N(R)—C(O)O—, где R алкилы, арил или ацил. Этот полимер используются в качестве заменителей резины при производстве изделий, работающих в агрессивных средах, в условиях больших знакопеременных нагрузок и температур. Диапазон рабочих температур от −60 °С до +80 °С. Полиуретан обладает высокой эластичностью, вязкостью, износостойкостью, не подвержен образованию микроорганизмов и плесени, обладает стойкостью к маслам и растворителям, стареет медленнее, чем резина.
Из полиуретана можно изготавливать изделия любой формы и размеров литьем, прессованием, экструзией, заливкой. Полиуретан представлен на рынке во множестве форм: жидкий, вспененный (поролон, пенопласт), твердый (в виде листов, пластин, стержней и пр.), напыляемый (полимочевина). На данный момент полиуретан является одним из самых востребованных полимеров в крупнейших сегментах промышленности.
Читайте также: