Полимеры и пластические массы кратко

Обновлено: 05.07.2024

Пластмассы - это основные материалы современной экономики, сочетающие непревзойденную функциональность с низкой стоимостью. Будучи неотъемлемой частью экономики, известные виды пластмасс активно участвуют в самых разнообразных линейных производственно-сбытовых цепочках – от изготовления до утилизации продукции.

Что такое пластмасса?
Компонентный состав
Классификация пластмасс
Механические свойства
Другие свойства материала
Сварка пластмасс
Особенности маркировки
Сферы применения пластмасс

Что такое пластмасса?

Пластмассы - это термин, обычно используемый для описания широкого спектра синтетических или полусинтетических материалов, которые используются в огромном и постоянно растущем диапазоне приложений. Куда бы вы ни посмотрели, вы найдете пластик. Мы используем пластмассовые изделия, чтобы сделать нашу жизнь чище, проще, безопаснее и приятнее. Мы находим пластик в одежде, которую носим, в домах, в которых мы живём, и в машинах, в которых мы путешествуем. Игрушки, с которыми мы играем, экраны, на которые мы смотрим, ІТ-инструменты, которые мы используем, и медицинское оборудование, от которого мы получаем выгоду, также содержат пластик.

Пластмассы представляют собой органические материалы, такие же как дерево, бумага или шерсть. Сырьё, которое используется для производства пластмасс - это натуральные продукты: целлюлоза, уголь, природный газ, соль, но, главным образом, сырая нефть.

Мы говорим о пластике, как если бы это был единый материал, но есть на самом деле много разных пластиков. Пластмассы - это (в основном) синтетические (созданные руками человека) материалы, состоящие из полимеров. Эти полимеры представляют собой длинные молекулы, построенные вокруг цепочек атомов углерода (обычно с водородом, кислородом, серой и азотом), заполняющими пространства.

Компонентный состав

Исходя из структуры типового полимера, пластмассами называются химические вещества, образующиеся в результате устойчивого слияния нескольких органических групп.

Все полимерные цепи основаны на углеводородах - молекулах, построенных из атомов водорода и углерода. Они получаются из нефти, природного газа или угля. Сырая нефть представляет собой густую вязкую смесь, содержащую тысячи различных углеводородов, которые необходимо отделить, прежде чем мы сможем её использовать. Это происходит на нефтеперерабатывающем заводе с помощью процесса, называемого фракционной перегонкой.

Сбор и дистилляция различных частей сырой нефти при разных температурах даёт набор относительно простых смесей углеводородов, называемых фракциями, которые затем используются для изготовления различных типов пластмасс.

Полученные таким образом углеводороды являются сырьём для проведения реакций полимеризации, в результате которых образуются полимеры. Некоторые полимеры получают путём скрепления углеводородных мономеров вместе. Такой процесс называется аддитивной полимеризацией. Другие образуются путем соединения двух небольших углеводородных цепей и удаления молекулы воды. В результате создаётся более крупная углеводородная цепь. А сам процесс известен как конденсационная полимеризация.

Для ускорения полимеризации необходимо использовать определённые химические вещества, называемые катализаторами. Катализаторы - это вещества, которые повышают вероятность протекания химической реакции. Хотя они могут временно изменяться во время реакции, они снова появляются при её завершении конце в своей первоначальной форме; другими словами, они не меняются навсегда по мере того, как происходит реакция.

Поскольку эксплуатационные требования к пластмассам меняются, то часто приходится добавлять к основным углеводородам другие ингредиенты, чтобы получить полимер с точно правильными химическими и физическими свойствами. Эти дополнительные ингредиенты включают:

Красители (которые, как следует из названия, изменяют цвет пластика);
Пластификаторы (которые делают пластик более гибким, вязким, пластичным);
Стабилизаторы (чтобы пластмассы не разламывались под воздействием внешних факторов – света, давления, температуры);
Наполнители (обычно недорогие минералы, позволяющие экономить дорогостоящие углеводороды без ущерба для эксплуатационных характеристик конечного продукта).

Классификация пластмасс

Выполняется в зависимости от способа их получения. Их четыре:

Литье под давлением, которое включает в себя впрыскивание горячего пластика в форму. Пластмассовые зёрна пропускаются через шнек и нагреваются для получения расплава, который с помощью иглы впрыскивается в форму.
Выдувное формование, которое протекает практически аналогично, но после этого в пластик вдувается воздух, чтобы он расширился и заполнил форму.
Экструзия, заключающаяся в выдавливании пластика через сопло и формовочную головку (фильеру), выйдя из которой материал превращается в трубчатую заготовку.
Каландрирование – процесс, в котором используются ролики, изготавливающие плоские и гладкие листы пластмассы требующейся толщины.

Классификация пластмасс может быть также выполнена в зависимости от состава исходных компонентов. Значительное количество пластиковых полимеров изготавливаются из смол, однако во большинстве случаев используют сырую нефть. Сырая нефть представляет собой сложную смесь тысяч соединений, и её необходимо перед применением предварительно переработать – перегнать на нефтеперерабатывающем заводе.

Более детальная классификация, которая учитывает свойства пластмасс, рассматривается далее.

Термопласты

К термопластичным пластикам относятся такие их виды, которые изменяют свою пластичность при нагреве или иной форме передачи тепловой энергии (например, солнечной). В термопластах длинные молекулы полимера соединены друг с другом очень слабыми связями, которые легко разрываются, когда мы его нагреваем, и быстро снова восстанавливаются, когда действие тепла прекращается.

Термопласты легко плавить и перерабатывать. Некоторые повседневные примеры, с которыми приходится сталкиваться, это:

Полиэтилен (пластиковые бутылки и листы);
Полистирол (популярный упаковочный материал);
Полипропилен (пластиковые трубы, тросы);
Поливинилхлорид (игрушки, кредитные карты);
Поликарбонат (твердые пластиковые окна, корпуса автомобильных фар);
Полиамид (нейлон - используется в самых разных применениях, от чулок до зубных щёток и зонтиков).

Пенопласты получают исключительно полимеризацией исходного сырья.

Реактопласты

Реактопласты или термореактивные пластмассы обычно изготавливаются из полимерных цепей гораздо большего размера, чем термопласты. При первоначальном производстве они нагреваются или сжимаются, чтобы сформировать плотную, твёрдую структуру с сильными поперечными связями, связывающими каждую из этих длинных молекулярных цепей с её соседями. Этим они сильно отличаются от термопластов, где полимерные цепи связаны друг с другом только очень слабыми связями.

Термореактивные пластики используются реже. Наиболее яркими примерами таких материалов являются:

Полиуретан (изоляционный материал в зданиях);
Политетрафторэтилен (антипригарное покрытие кастрюль и сковородок);
Меламин (посуда);
Эпоксидная смола (прочный пластик, используемый для изготовления долговечных клеёв или шпатлёвок для дерева).

Эластомеры

Представляют собой эластичные материалы, состоящие из длинных цепочечных молекул полимеров, способных восстанавливать свою первоначальную форму после сильного растяжения. В нормальных условиях длинные молекулы, составляющие эластомерный материал, скручены нерегулярно. Однако с приложением усилия молекулы распрямляются в том направлении, в котором они тянутся. После высвобождения молекулы самопроизвольно возвращаются к своему обычному компактному беспорядочному расположению.

Эластомер с самой длительной историей использования - это полиизопрен, полимерный компонент натурального каучука, который производится из молочного латекса различных деревьев, чаще всего каучукового дерева гевеи. Натуральный каучук по-прежнему является важным промышленным полимером, из которого делают львиную долю резины для автомобильных шин. Правда, теперь и конкурирует с рядом синтетических каучуков - стирол-бутадиенового и бутадиенового каучук, которые получают из побочных продуктов нефти и природного газа.

В большинстве случаев полимеры состоят из углеродных скелетов, то есть цепочек атомов углерода (C), связанных вместе одинарными (C ― C) или двойными (C = C) связями. Такие цепи очень гибкие, потому что вращение вокруг одинарных связей позволяет молекулам принимать множество различных конфигураций. На практике некоторые эластомеры довольно жёсткие. Например, молекулы полистирола и полиметилметакрилата состоят из относительно громоздких единиц, так что при комнатной температуре их свободное движение затрудняется сильной скученностью. Все эластомеры являются стеклообразными при температуре ниже характеристической температуры стеклования. Она колеблется от -125 °C (для силиконовых каучуков) до 100°C (для остальных видов эластомеров).

Механические свойства

Состав пластмасс во многом определяет их свойства, среди которых:

Прочность: мера сопротивления материала внешнему напряжению;
Жёсткость: способность сохранять свои размеры при внешних нагрузках;
Твёрдость: мера сопротивления материала деформации при сосредоточенномй сжимающем усилии;
Вязкость: способность материала поглощать энергию во время ударов

Такие свойства могут быть исследованы и сравниваться между различными продуктами с использованием стандартизованных методов испытаний.

Другие свойства материала

Плотность.
Теплопроводность/теплоёмкость;
Диэлектрическую проницаемость.
Электросопротивление.

Значения эксплуатационных параметров пластмасс указываются в технических требованиях на их производство.

Сварка пластмасс

Используется для неразъёмного соединенияя двух или более отдельных частей термопластичных материалов. Обычно к краям прикладывают тепло, чтобы расплавить края пластика до тех пор, пока кромки не будут соединены вместе.

Сварка пластика выполняется в три этапа: подготовка поверхности, применение тепла и давление и охлаждение.

Сваривать можно многие пластмассы, среди которых:

Акрил или полиметилметакрилат;
Поликарбонат;
Полиэтилен;
Полипропилен;
Полиэтилентерефталат;
Поливинилхлорид.

Сварка пластмасс. используется не только для соединения деталей, но и для их ремонта (например, заделка трещин).

Особенности маркировки

Выполняется согласно техническим требованиям соответствующих ГОСТ, ТУ а также DIN EN (для продукции импортного производства).

Сферы применения пластмасс

Пластмассы используют в строительстве, производстве одежды, упаковке, транспортировке и во многих других сферах повседневной жизни. Так, в зданиях пластик применяется при вторичном остеклении крыш, в составе тепло- и звукоизолирующих конструкций в составе многих типов красок. Электрические кабели изолируются пластиком, пластмассы применяют и для изготовления водосточных систем.

Широко распространены различные бытовые предметы – обувь, светотехника, рамы, одежда - полностью или частично изготовленные из пластмасс. До трети всех пластмасс, которые мы используем - это упаковка, предназначенная для защиты продуктов от порчи.

Среди промышленных применений пластика - крылья автомобилей и их кузова, подшипниковые узлы, трибы несиловых передач и пр.

Полимеры – это вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев, которые представляют одинаковую группу атомов. Молекулярная масса молекул составляет от 500 до 1000000.

В молекулах полимеров различают главную цепь, которая построена из большого числа атомов. Боковые цепи имеют меньшую протяженность.

Полимеры, главная цепь которых содержит одинаковые атомы, называют гомоцепными, а если атомы углерода – карбоцепными. Полимеры, в главной цепи которых содержатся различные атомы, называют гетероцепными.

Макромолекулы полимеров по форме делят на линейные, разветвленные, плоские, ленточные, пространственные или сетчатые.

Линейные макромолекулы полимера – длинные зигзагообразные и скрученные в спираль цепочки, которым присуща гибкость, ограничивающаяся жесткими участками – сегментами, состоящими из нескольких звеньев. Такие макромолекулы обладают высокой прочностью вдоль главной цепи, слабо связаны между собой и обеспечивают высокую эластичность материала. Нагрев вызывает размягчение, а последующее охлаждение – затвердевание полимера (полиамид, полиэтилен).

Разветвленная макромолекула содержит боковые ответвления и это затрудняет сближение макромолекул и понижает межмолекулярное взаимодействие. Полимеры с такой формой отличаются пониженной прочностью, повышенной плавкостью и рыхлостью. Сшитые формы макромолекул свойственны более прочным, нерастворимым и неплавким полимерам, склонным к набуханию в растворителях и размягчению при нагревании.

Макромолекулы полимеров обладают гибкостью.

Пластмассы (пластики) – это органические материалы на основе полимеров, которые способны при нагреве размягчаться и под давлением принимать определенную устойчивую форму. Простые пластмассы состоят из одних химических полимеров. Сложные пластмассы включают добавки: наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, катализаторы.

Наполнители в пластмассы вводят в количестве 40–70 % для повышения твердости, прочности, жесткости, придания особых специфических свойств. Наполнителями могут быть ткани и порошкообразные, волокнистые вещества.

Пластификаторы (стеарин, олеиновая кислота) способствуют повышению эластичности, пластичности и облегчают обработку пластмасс.

Отвердители (амины) и катализаторы (перекисные соединения) вводят в пластмассы для отверждения.

Красители (минеральные пигменты, спиртовые растворы органических красок) придают пластмассам определенную окраску и снижают их стоимость. Состав компонентов, их сочетание и количественное соотношение позволяют изменять свойства пластмасс в широких пределах. Пластмассы классифицируют по признакам.

По виду наполнителя: с твердым наполнителем; с газообразным наполнителем.

По реакции связующего полимера к повторным нагревам. Термопластичные пластмассы на основе термопластичного полимера размягчаются при нагреве и затвердевают при последующем охлаждении (чистые полимеры или композиции полимеров с пластификаторами, противостарителями).

Термопласты отличаются низкой усадкой 1–3%. Для них характерны малая хрупкость, большая упругость и способность к ориентации.

Термореактивные пластмассы на основе термореактивных полимеров (смол) после тепловой обработки – отверждения – переходят в термостабильное состояние и отличаются хрупкостью, имеют большую усадку 10–15 % и содержат в своем составе наполнители.

По применению 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.

Полиэтилен можно использовать длительное время при 60-100 °C. Морозостойкость достигает –70 °C и ниже. Химически стоек и нерастворим в растворителях, применяется для изоляции защитных оболочек кабелей проводов, деталей высокочастотных установок и изготовления коррозионностойких деталей – труб, прокладок, шлангов. Его выпускают в виде пленки, листов, труб, блоков. Полиэтилен подвержен старению.

Полистирол – это аморфный, твердый, прозрачный полимер, который имеет линейное строение, высокие диэлектрические свойства, удовлетворительную механическую прочность, невысокую рабочую температуру (до 100 °C), химическую стойкость в щелочах, минеральных и органических кислотах, маслах. Он набухает в 65 %-ной азотной, ледяной уксусной кислотах, бензине и керосине. При температуре выше 200 °C разлагается, образуя стирол. Полистирол применяют для производства слабонагруженных деталей и высокочастотных изоляторов. Недостатки – хрупкость при пониженных температурах, склонность к постепенному образованию поверхностных трещин.

Пластмассы широко применяются в машиностроении и приборостроении для изготовления деталей. Пластмассы электротехнического назначения применяют в качестве электроизоляционных материалов в конструкциях машин.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

РЕГЕНЕРАЦИЯ ПЛАСТМАССЫ

РЕГЕНЕРАЦИЯ ПЛАСТМАССЫ Самый молодой из используемых материалов, пластмасса, выглядит символом обновления и отречения от старины. Распространение его по всему свету ознаменовало расцвет культуры выбрасывания отходов. Пластмасса проникает везде и всюду, сопровождая

ПОЛИМЕРЫ В СОЛДАТСКОМ РАНЦЕ

2. Полимеры: строение, полимеризация и поликонденсация, свойства

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

3. Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газонаполненные

3. Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газонаполненные Пластмассы – пластические массы – это материалы, полученные на основе высокомолекулярного органического соединения – полимера, выполняющего роль связующего и определяющего основные технические

1.5. Особенности устройства шлюпок из шпона, пластмассы или легкого сплава

1.5. Особенности устройства шлюпок из шпона, пластмассы или легкого сплава Корпус яла может быть изготовлен из шпона, пластмассы или легкого сплава. Корпус из шпона настолько прочен, что для двух- и четырехвесельных ялов нет необходимости устанавливать шпангоуты, а для

Полимеры (от греческого polymeres – состоящий из многих частей, многообразный, от poly – много и meros – доля, часть) – соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа регулярно или нерегулярно повторяющихся групп атомов – звеньев.

Молекулы, состоящие из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинакового химического состава и структуры, называются макромолекулами. Свойства вещества определяются не только химическим составом этих макромолекул, но и их взаимным расположением и строением. Поперечное сечение макромолекулы составляет, как правило, несколько нанометров, а длина достигает нескольких тысяч нанометров или нескольких микрометров, поэтому макромолекулы обладают хорошей гибкостью.

По форме макромолекул полимеры делят на линейные (цеповидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестничные), пространственные или сетчатые (рис. 17.1). Полимеры с линейной структурой эластичны, при нагревании размягчаются, растворимы в органических растворителях. Полимеры с сетчатой структурой обладают наибольшей прочностью и теплостойкостью.

Рис. 17.1. Форма макромолекулы полимеров: а – линейная; б – разветвленная;
в – ленточная; г – пространственная, сетчатая; д – паркетная

По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные и кристаллические. Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки (рис. 17.2). Пачка состоит из многих рядов макромолекул, расположенных последовательно друг за другом. Пачки способны перемещаться относительно соседних элементов, так как они являются структурными элементами.

В случае образования кристаллической структуры атомы соседних цепей расположены в правильном трехмерном порядке, образуя определенную пространственную решетку. Кристаллические участки полимера чередуются с аморфными, поэтому степень кристалличности в полимерах никогда не достигает 100 %, в отличие от металлов. Кристалличность сообщает полимеру большую жесткость и твердость, а также теплостойкость. При длительном хранении, эксплуатации и переработке надмолекулярные структуры могут претерпевать изменения.

Рис. 17.2. Схематичное строение пачки:

а – объединение макромолекул в пачки; б – пачка с аморфным участком

По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в их составе диполей – разобщенных центров распределения положительных и отрицательных зарядов.

Неполярные полимеры, например:

являются высококачественными диэлектриками, обладают хорошей морозостойкостью, но имеют небольшую прочность (σ_В = 20–45 МПа).

полимеры жесткие, теплостойкие, прочные (σ_В = 100–200 МПа), но в отличие от неполярных неморозоустойчивые.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают; этот процесс обратим. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветвленная.

Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми.

Для удобства изучения связи, состава, структуры со свойствами полимеров их можно классифицировать по различным признакам (составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву). По составу все полимеры подразделяют на органические, элементоорганические, неорганические.

Органическими полимерами являются смолы и каучуки. Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Тi, А1), сочетающиеся с органическими радикалами (СН₃, С₆Н₅, СН₂). Эти радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др.

Пластические массы (пластмассы, пластики) – материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться в изделия сложной конфигурации и затем устойчиво сохранять приданную форму.

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты), получаемые на основе термореактивных смол.

Термопласты удобны для переработки в изделия, имеют незначительную (1–3 %) усадку при формовании. Материал отличается большой упругостью и малой хрупкостью. Обычно термопласты изготавливают без наполнителя, но в последние годы стали применять термопласты с наполнителями в виде минеральных и синтетических волокон (органопласты). Реактопласты после отверждения и перехода связующего вещества в термостабильное состояние хрупки, часто дают большую (до 10–15 %) усадку при их переработке.

Особенностями пластмасс являются малая плотность, низкая теплопроводность, значительное тепловое расширение (в десять – тридцать раз больше, чем у стали), хорошие электроизоляционные свойства, высокая химическая стойкость, высокие фрикционные и антифрикционные свойства, меньшее количество отходов.

Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость (максимальная температура эксплуатации термопластов – до 250 ºС, термореактивных пластмасс – до 400 ºС), низкие модуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, склонность к старению, т. е. к изменению свойств с течением времени.

Рис. 17.2. Схематичное строение пачки:

а – объединение макромолекул в пачки; б – пачка с аморфным участком

Неполярные полимеры, например:

полимеры жесткие, теплостойкие, прочные (σ_В = 100–200 МПа), но в отличие от неполярных неморозоустойчивые.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Полимеры - высокомолекулярные вещества с очень большой молекулярной массой. Основа структуры полимеров - макромолекулы, которые построены из многократно повторяющихся звеньев –мономеров, связанных сильной ковалентной. Полимеры делятся на термопластичные (термопласты) – связь между макромолекулами слабая (силы Ван-Дер-Ваальса) и термореактивные (реактопласты) – связь между макромолекулами сильная (ковалентная).

Термопласты при повышении температуры размягчаются, становятся пластичными. После охлаждения термопласты вновь затвердевают, приобретая первоначальные свойства. Никаких необратимых химических превращений в процессе нагрева и охлаждения термопласты не претерпевают.

Реактопласты получают в две стадии. На первой формируется линейная структура. Пространственная структура возникает на второй стадии в процессе отверждения(оно происходит под воздействием температуры, давления, отвердителей) вследствие протекания необратимых химических реакций, вызывающих возникновение связей (сшивание) между ранее разобщенными макромолекулами. При нагреве реактопласты практически не меняют своих свойств до температуры, вызывающей деструкцию. В зависимости от количества связей между макромолекулами различаютгустосетчатые (с большим количеством связей)и редкосетчатые (с малым количеством связей) полимеры.

Полимеры в зависимости от температуры (по мере ее повышения) могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем состоянии.

Стеклообразноесостояние характеризуется только колебательным движением атомов, входящих в состав молекулярной цепи, около положения равновесия; движения звеньев (мономеров) и перемещения макромолекул не происходит. Поведение полимеров в таком состоянии аналогично поведению металлов (в частности соблюдается закон Гука).

Высокоэластичноесостояние характеризуется способностью материала к большимобратимымизменениям формы при малых нагрузках (после снятия нагрузки форма возвращается к исходной). Это объясняется строением полимеров. Макромолекула имеет сложную форму – она скручена, имеют витки, петли. В результате теплового движения происходят колебательные перемещения звеньев (а не атомов), и макромолекулы приобретают способность изгибаться, распрямляться, т.е. вытягиваться под нагрузкой.

В вязкотекучемсостоянии взаимную подвижность получают целые макромолекулы. При приложении нагрузки они смещаются друг относительно друга не одновременно, а постепенно, поэтому полимер переходит не в жидкое, а в вязкотекучее состояние.

Термопласты могут находиться во всех трех состояниях. Возможные состояния реактопластов зависят от количества связей между макромолекулами. Густосетчатые полимеры могут существовать только в стеклообразном состоянии, редкосетчатые - в стеклообразном и высокоэластичном. Вязкотекучее состояние для реактопластов невозможно, т.к. невозможно относительное перемещение макромолекул из-за сильных ковалентных связей между ними.

Механические свойства полимеровзависят от температуры, определяющей их состояние.

В области ниже температуры стеклования происходит хрупкое разрушение полимера, при приложении нагрузки возникает только упругая деформация (e=2…5%), значение которой не меняется и она исчезает при снятии нагрузки. Разрушение наступает, когда действующее напряжение превышает прочность ковалентных связей.

В высокоэластичной области (между температурами Тс и Тт) деформации могут достигать 1000% за счет распрямления свернутых макромолекул, их вытягивания в направлении приложения нагрузки. При снятии нагрузки образец, не доведенный до разрушения, восстанавливает свои первоначальные размеры. Разрушение наступает в том случае, когда напряжения превосходят прочность ковалентных связей.

Старение полимеров. Полимеры подвержены старению, т.е. самопроизвольному и необратимому изменению свойств. При старении в полимерах протекают сложные реакции с образованием свободных радикалов или ионов, вызывающие либо деструкцию (размягчение, выделение летучих веществ), либо структуирование (повышение твердости, хрупкости, потеря эластичности). Процессы старения развиваются в результате воздействия кислорода, озона, света, температуры. Наиболее типично - под воздействием кислорода воздуха. Старение ускоряется под воздействием напряжений.

Для замедления процессов старения в полимеры добавляют стабилизаторы (различные органические или неорганические вещества). Так, например, введение в состав полиэтилена 2…3% сажи замедляет процессы старения примерно в 30 раз, при этом срок службы повышается до 5 и более лет.

Пластмассы (пластики) представляют собой органические материалы на основе полимеров, способные при нагреве размягчаться и под давлением принимать определённую устойчивую форму.

Полимеры – это соединения, которые получаются путем многократного повторения (рис. 1), то есть химического связывания одинаковых звеньев – в самом простом случае, одинаковых, как в случае полиэтилена это звенья CH₂, связанные между собой в единую цепочку. Конечно, существуют более сложные молекулы, вплоть до молекул ДНК, структура которых не повторяется, очень сложным образом организована.

Рис. 1. Формы макромолекул полимеров

1. Компоненты, входящие в состав пластмасс

В большинстве своем пластмассы состоят из смолы, а также наполнителя, пластификатора, стабилизатора, красителя и других добавок, улучшающих технологические и эксплуатационные свойства пластмассы. Свойства полимеров могут быть в значительной степени улучшены и изменены, в зависимости от требований, предъявляемых различными отраслями техники, с помощью различных составляющих пластмассы.

Наполнители служат для улучшения физико-механических, диэлектрических, фрикционных или антифрикционных свойств, повышения теплостойкости, уменьшения усадки, а также для снижения стоимости пластмасс. По массе содержание наполнителей в пластмассах составляет от 40 до 70 %. Наполнителями могут быть ткани, а также порошкообразные и волокнистые вещества.

Пластификаторы увеличивают пластичность и текучесть пластмасс, улучшают морозостойкость. В качестве пластификаторов применяют дибутилфталат, трикрезилфосфат и др. Их содержание колеблется в пределах 10 – 20 %.

Стабилизаторы – вещества, предотвращающие разложение полимерных материалов во время их переработки и эксплуатации под воздействием света, влажности, повышенных температур и других факторов. Для стабилизации используют ароматические амины, фенолы, сернистые соединения, газовую сажу.

Красители добавляют для окрашивания пластических масс. Применяют как минеральные красители (мумия, охра, умбра, литопон, крон и т. д.), так и органические (нигрозин, родамин).

Смазочные вещества – стеарин, олеиновая кислота, трансформаторное масло – снижают вязкость композиции и предотвращают прилипание материала к стенкам пресс-формы.

2. Классификация пластмасс

В зависимости от поведения связующего вещества при нагреве пластмассы разделяют на термореактивные и термопластичные.

Термореактивные пластмассы при нагреве до определенной температуры размягчаются и частично плавятся, а затем в результате химической реакции переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние. Термореактивные пластмассы необратимы: отходы в виде грата и бракованные детали обычно используют после измельчения только в качестве наполнителя при производстве пресспорошков.

Термопластичные пластмассы при нагреве размягчаются или плавятся, а при охлаждении твердеют. Термопластичные пластмассы обратимы, но после повторной переработки пластмасс в детали физико-механические свойства их несколько ухудшаются.

К группе термореактивных пластмасс относятся пресспорошки, волокниты и 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 или литьё под давлением (рис. 2).

Рис. 2. Схема и установка для получения деталей из термореактивных пластмасс

В таблице 1 приведены свойства, области применения и интервал рабочих температур некоторых термореактивных пластмасс. На рис. 3 показаны некоторые изделия из термореактивных пластмасс.

Рис. 3. Изделия, где применены термореактивные пластмассы

Технология изготовления термопластов довольно проста: гранулы засыпаются в камеру термопластавтомата, где, при необходимой температуре, переходят в текучее состояние, затем расплавленная масса попадает в специальную форму, где происходит прессование и дальнейшее охлаждение (рис. 4). Как правило, большинство термопластов может быть использовано вторично.

Рис. 4. Пресс-форма для литья пластмасс

В таблице 2 приведены свойства, области применения и интервал рабочих температур некоторых термопластичных пластмасс. На рис. 5 показаны некоторые изделия из термопластичных пластмасс.

Рис. 5. Изделия из термопластичных пластмасс

Выбор пластмассы для изготовления конкретного изделия определяется его эксплуатационными условиями. Критерии выбора разнообразны и зависят от назначения изделия. Основными критериальными характеристиками полимерных материалов являются механические (прочность, жесткость, твердость), температурные (изменения механических и деформационных характеристик при нагревании или охлаждении) и электрические. Последние отражают широкое применение пластмасс в радиоэлектронной и электротехнической отраслях. Кроме того, существенное значение приобрели триботехнические характеристики и ряд специальных свойств (огнестойкость, звукопоглощение, оптические особенности, химическая стойкость). Немаловажны также экономические условия (стоимость полимерного материала, тираж изделия, условия производства).

3. Механические свойства пластмасс

Механические свойства определяют поведение физического тела под действием приложенного к нему усилия. Численно это поведение оценивается прочностью и деформативностью. Прочность характеризует сопротивляемость разрушению, а деформативность — изменение размеров полимерного тела, вызванное приложенной к нему нагрузкой. Поскольку и прочность, и деформация являются функцией одной независимой переменной — внешнего усилия, то механические свойства еще называют деформационнопрочностными (рис. 6).

Рис. 6. Механические испытания пластмасс на деформацию прочность (слева), ударную вязкость (по центру), твёрдость (справа)

Модуль упругости является интегральной характеристикой, дающей представление прежде всего о жесткости конструкционного материала. Ударная вязкость характеризует способность материалов сопротивляться нагрузкам, приложенным с большой скоростью. В практике оценки свойств пластмасс наибольшее применение нашло испытание поперечным ударом, реализуемым на маятниковых копрах.

Твердость определяет механические свойства поверхности и является одной из дополнительных характеристик полимерных материалов. По твердости оценивают возможные пути эффективного применения пластиков. Пластмассы мягкие, эластичные, имеющие низкую твердость, используются в качестве герметизирующих, уплотнительных и прокладочных материалов. Твердые и прочные могут применяться в производстве деталей конструкционного назначения: зубчатых колес и венцов, тяжело нагруженных подшипников, деталей резьбовых соединений и пр. (рис. 7).

Рис. 7. Детали конструкционного применения из пластмасс

В таблице 3 указаны механические свойства термопластов общего назначения.

Несколько примеров по обозначению (см. табл. ниже).

4. Сварка пластмасс

Сварке подвергаются только так называемые термопластичные пластмассы (термопласты), которые при нагревании становятся пластичными, а после охлаждения принимают первоначальные вид и свойства. Кроме них, существуют термореактивные пластмассы, которые изменяют свои свойства при нагреве. Нагревать пластмассы при сварке следует не выше температуры их разложения, т. е. в пределах 140—240 °С.

Пластмассы можно сваривать различными способами:

нагретым газом;
контактной теплотой от нагревательных элементов;
трением;
ультразвуком (рис. 8).

Основные условия для получения качественного соединения пластмасс при сварке следующие:

Диаметр присадочного прутка не должен превышать 4 мм для достаточно быстрого его нагрева и обеспечения необходимой производительности сварки.
Сварку следует вести по возможности быстро во избежание термического разложения материала.
Необходимо точно выдерживать температуру сварки во избежание недостаточного нагрева или перегрева свариваемого материала.

На рис. 8 показано оборудование и методы сварки пластмасс.

Рис. 8. Сварочный экструдер для сварки пластмасс, полимеров

5. Другие свойства пластмасс

Химическая стойкость. Химическая стойкость пластмасс, как правило, выше, чем у металлов. Химическая стойкость пластмасс в основном определяется свойствами связующего (смолы) и наполнителя. Наиболее химически стойкими в отношении всех агрессивных сред являются фторсодержащие полимеры —фторопласты 4 и 3. К числу кислотостойких пластмасс в отношении концентрированной соляной кислоты могут быть отнесены винипласт и фенопласты с асбестовым наполнителем. Стойкими к действию щелочей являются винипласт и хлорвиниловый пластик.

Электроизоляционные свойства. Почти все пластмассы — хорошие диэлектрики. Этим объясняется их широкое применение в электро- и радиотехнике. Большинство пластмасс плохо переносит т. в. ч. и поэтому они применяются в качестве электроизоляционных материалов для деталей, которые предназначаются для работы при частоте тока 50 Гц. Однако такие ненаполненные высокополимеры, как фторопласт и полистирол, практически не меняют своих диэлектрических качеств в зависимости от частоты тока и могут работать при высоких и сверхвысоких частотах.

Повышение температуры, как правило, ухудшает электроизоляционные характеристики пластмасс. Исключение составляет полистирол, сохраняющий электроизоляционные свойства в интервале температур от —60 до +60° С, и фторопласт 4 — в интервале температур от —60 до +200°. С.

Фрикционные свойства. В зависимости от условий работы пластмассовые детали могут обладать различными по величине фрикционными характеристиками. Так, например, текстолит при малых нагрузках имеет малый коэффициент трения, что и позволяет широко использовать его вместо бронзы, антифрикционных чугунов и т. д. Коэффициент трения тормозных материалов типа КФ-3 высок, что и отвечает назначению этих материалов. Из этих двух примеров следует, что утверждение, высказанное выше, справедливо

Читайте также: