Реферат по материаловедению на тему пластмассы

Обновлено: 02.07.2024

Свойства и производство пластмасс.

Пластмассы представляют собой материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании и под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

Органические искусственные вещества – полимеры – построены, как известно, из макромолекул многочисленных малых основных молекул (мономеров). Процесс их образования зависит от разных факторов – отсюда широкие возможности варьирования и комбинирования, а следовательно и неисчерпаемые возможности получения продуктов с самыми разнообразными свойствами. Основные процессы образования макромолекул – это полимеризация, ступенчатая

Структурные формулы некоторых распространенных полимеров.

полимеризация (полиприсоединение) и поликонденсация.

Полимеризация – это химическая реакция образования высокомолекулярных продуктов вследствие сцепления простых ненасыщенных органических мономеров, протекающая без отщепления каких либо частей молекул. Пример: n·этилен à полиэтилен.

Полиприсоединение – это объединение различных основных молекул в высокомолекулярные продукты без отщепления третьего вещества. Пример: x·диизоцианат (OCN(R)_nNCO) + y·многоатомный спирт à полиуретан.

Поликонденсация – реакция образования высокомолекулярного вещества из мономеров различного вида, которая сопровождается отщеплением низкомолекулярного продукта (часто молекул воды). Пример: x·формальдегид + y·мочевина ((NH₂)₂CO) à мочевиноформальдегидная смола + z·вода.

Рассмотрим первый аспект проблемы – химический состав и молекулярное строение полимеров.

В соответствие с местом в периодической системе углерод четырехвалентен. Главной его особенностью является способность образовывать вещества, в которых атомы углерода связаны между собой. При этом могут возникать как цепочные (в виде простых или разветвленных цепей), так и циклические

В зависимости от числа атомов и их взаимного расположения изменяются и свойства вещества. Например, чем больше атомов входит в соединение, тем менее оно летучее.

Свойства соединений углерода в большой степени зависят от характера связей между его отдельными атомами. Способность атомов углерода образовывать цепочки, кольца или сложные решетки, в которые вклинены другие элементы, обуславливает существование свыше трех миллионов известных в настоящее время соединений углерода.

Благодаря изменению структур молекул и их разнообразным комбинациям ассортимент пластмасс значительно расширяется за счет создания пластмасс с желаемыми свойствами. Хорошим примером реализации таких возможностей являются АБС-полимеры. Их название образовано от начальных групп трех основных мономеров: акрилонитрил (CH₂=CH–CN) (А) вносит свою долю в химическую устойчивость продукта, бутадиен (Б) сообщает ему сопротивление ударам, стирол (С) делает материал твердым и легко поддающимся термопластической обработке. Получают АБС-полимеры исключительно путем привитой полимеризации. Привитая полимеризация – процесс образования высокомолекулярных соединений, в ходе которого на основную цепь полимера прививаются дополнительные боковые цепь другого химического характера. Варьируя доли отдельных мономеров и условия полимеризации можно изготовить продукты с различными свойствами. Основное назначение АБС-полимеров – замещать металлы в конструкциях и аппаратах.

Помимо полимера в состав пластмасс часто входят различные добавки: наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители и другие компоненты.

Наполнители – это вещества, служащие для придания пластмассе необходимых эксплуатационных свойств (например, высокой прочности, термостойкости и др.), облегчения переработки, снижения стоимости. В качестве наполнителей применяют опилки, сажу, графит, стеклянные, асбестовые, химические волокна. В слоистых пластиках (пластмассы, упрочненные параллельно расположенными слоями наполнителя) роль наполнителя выполняют бумага, ткани; в пенопластах газы, например азот. Применение наполнителей снижает стоимость пластмассы. Ведь, как правило, наполнители – это отходы различных производств, они значительно дешевле самого полимера.

Пластификаторы вводят в состав пластмассы с целью повышения пластичности или эластичности полимера и готовой пластмассы. В качестве пластификаторов используют, главным образом, нелетучие, химически инертные вещества, например дибутилфталат (C₆H₄(COOC₄H₉)₂), нефтяные масла. Молекулы пластификатора, например глицерина ослабляют связи между макромолекулами полимера. Это облегчает процесс формования пластмассы, позволяет проводить его при меньшей температуре.

Стабилизаторы – вещества, тормозящие старение пластмассы, происходящее, как правило, в результате деструкции. Деструкция полимеров – процесс разрушения их молекул под действием тепла, кислорода, света и др. В результате деструкции изменяются многие свойства полимеров и часто они становятся непригодными для использования. Стабилизаторы защищают полимеры от окисления (ароматические амины, фенолы), действия атмосферы, озона (воски), предохраняют полимеры от воздействия света (сажа) и ультрафиолетового света, защищают от разрушения под действием ионизирующих излучений (ароматические углеводороды, амины).

Пластмассы различаются по своим эксплуатационным свойствам (например, пластмассы с высоким электрическим сопротивлением, атмосферо–, термо–, или огнестойкие), по природе наполнителя (например, стеклопластики, графитопласты, газонаполненные пластмассы), по способу расположения наполнителя в материале (слоистые пластики, волокниты – пластмассы, состоящие из рубленого волокна, пропитанного термореактивной синтетической смолой), а также по типу полимера (например, аминопласты, белковые пластики).

В зависимости от характера превращений, происходящих с полимером при формовании, пластмассы подразделяются на реактопласты и термопласты. Реактопласты или термореактивные пластмассы, подобно обожженной глине, не способны вернуть вновь пластичное состояние. Это связано с тем, что их переработка в изделие сопровождается химическим взаимодействием между макромолекулами и образованием пространственной структуры полимера. После такой переработки реактопласты утрачивают пластичность, становясь неплавкими и нерастворимыми. Повторно переработать такой материал в новое изделие уже невозможно. Обычно реактопласты – это фенольные, карбамидные и полиэфирные смолы. Чаще всего в исходном состоянии они представляют жидкости, которые при добавлении катализатора или нагревании необратимо затвердевают вследствие образования сшитых молекул.

Термопласты при нагревании вновь приобретают пластичность, их можно формовать многократно. Их легче превращать в готовые изделия, можно рационально обрабатывать и перерабатывать методами литья под давлением, вакуумной формовки или простой формовки. К термопластам относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и АБС-полимеры.

Рассмотрим основные методы переработки пластических масс в готовые изделия.

Основные методы переработки термопластов – литье под давлением, экструзия, вакуумформование, пневмоформование; реактопластов – прессование и литье под давлением.

Литье под давлением – способ получения отливок в форме, в которую расплавленная пластмасса поступает под давлением, а после затвердевания в результате остывания или отверждения приобретает конфигурацию внутри полости формы. Этот метод применяется главным образом для получения сложных изделий с высокой точностью.

Экструзия – это способ изготовления профилированных изделий большой длины. Заключается в непрерывном выдавливании размягченной пластмассы через отверстие определенного сечения. Применяется в производстве труб, пленок, при наложении электрической изоляции на провода.

Вакуумформование – метод производства изделий из листовых термопластов. Изделие требуемой конфигурации получают за счет разности давлений, возникающей вследствие разрежения в полости формы, над которой закреплен лист. Применяется, например, в производстве емкостей, деталей холодильников, корпусов приборов.

Пневмоформование – это, как и вакуумформование, способ изготовления изделий из листовых термопластов. Изделие оформляется под действием сжатого воздуха на лист, закрепленный над полостью формы. Применяется, например, в производстве ванн, раковин, деталей остекления самолетов.

Прессование – это способ производства изделий из пластмасс в пресс?формах, заключающийся в размягчении материала при нагревании и фиксации формы изделия в результате выдержки под давлением. При прямом (компрессионном) прессовании материал нагревают в пресс-форме, при литьевом (трансферном) прессовании – в камере, из которой продавливается в пресс-форму по так называемым литниковым каналам.

Рассмотрим подробнее два метода переработки пластмасс – горячее прессование и литье под давлением.

При горячем прессовании смесь полимера с добавками засыпают в горячую пресс-форму. Пресс-форма (см. рис.) состоит из неподвижной подставки, форма которой соответствует форме прессуемых изделий и подвижного поршня – пуансона. После загрузки смеси пресс-форму закрывают и давят на смесь пуансоном, который постепенно входит в подставку. Благодаря нагреванию смесь становится пластичной и под действием давления заполняет все каналы в пресс?форме. Если формуется реактопласт, то нагретая масса через некоторое время затвердевает, и готовое изделие вынимают из пресс-формы. Если же формуется термопласт, то пресс-форму надо охлаждать, иначе изделие растечется и потеряет нужные очертания. Это замедляет и удорожает процесс формования. Поэтому термопласты перерабатывают литьем под давлением. Здесь пластмасса размягчается при нагревании в отдельной камере, а затем уже с помощью насоса под давлением подается в холодную пресс-форму. Пластмасса заполняет ее и, охладившись, быстро затвердевает. Горячее прессование и литье под давлением позволяют изготовлять детали различной формы.

Применение пластмасс.

Около двух третей всего мирового производства пластмасс составляют массовые продукты: полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол. Основные области их применения – это строительство, упаковка, машиностроение, электротехника, транспорт. Причиной их широкого распространения служат главным образом относительно низкая цена и легкость переработки и лишь во вторую очередь свойства, которые во многом уступают свойствам более дорогих специальных веществ. В оставшейся трети преобладают полиэфирные смолы, полиуретаны, поливинилацетат, аминопласты, фенопласты, полиакрилаты и полиметакрилаты. Так называемые специальные пластмассы, например, полиформальдегид, поликарбонаты, фторполимеры, силиконы, полиамиды и эпоксидные смолы, все вместе составляют около 2%.

Пластмассы в строительстве.

Пластмассы в строительстве могут принести огромную пользу, если их правильно использовать. Прозрачные цветные стекла из ударопрочного поливинилхлорида или бесшовно облицованные поливинилхлоридом деревянные профили не только красивы, но и устойчивы к действию агрессивной промышленной атмосферы и совершенно не нуждаются в уходе. Краска не выцветает, окна не разрушаются, рамы не разбухают и не желтеют. В некоторых странах изготавливают доски из вспененного сополимерацетата (этиленпропиленового каучука с полистиролом) и других пластиков. Поскольку они устойчивы к атмосферным воздействиям, их можно применять не только в интерьерах, но и для наружных строительных деталей (например, как ворота для гаражей, для облицовки балконов и т.п.). Трудновоспламеняющееся, погодоустойчивое акриловое стекло (акрилглас) годится для изготовления световых панелей и куполов. Ими можно застеклять большие поверхности, срок службы которых продолжителен.

Все большее значение приобретают пластмассы в строительстве трубопроводов, поскольку в этом случае не возникает проблем коррозии. Усиленные стекловолокном трубопроводы пригодны для доставки газов под давлением 15 бар и для транспортировки химических веществ, способных вызвать коррозию. Для этих целей применяют поливинилхлорид, полиэфиры, полибутилен, полиэтилен и полипропилен.

Наибольший удельный вес в строительстве занимают полимерные материалы для изготовления полов; самым популярным из них является поливинилхлоридный линолеум – как рулонный, так и плиточный; реже применяют особо твердые древесноволокнистые и древесностружечные плитки и плиты на основе мочевино-феноло-формальдегидных или мочевино-меламино-формальдегидных связующих. Весьма широко в качестве тепло– и звукоизоляционных материалов строители применяют пенопласты (пенополистирол, пеноуретан и др.). Растут масштабы использования пластмасс в качестве кровельного материала. Особый интерес в этом плане представляют светопропускающие стеклопластики, которые можно использовать также для изготовления стен. Значительная часть всех потребляемых в строительстве пластмасс идет для производства сантехники (трубы из полиэтилена, стеклопластиковые ванны и т.д.). Все чаще применяют отделочные пластмассы, различные модификации полистирола. Следует также учесть герметизующие материалы; из них заслуженной популярностью пользуются пленочные, в частности полиэтилен, а также листы стеклопласта.

Одноэтажные дома из пластмасс могут быть построены с применением всего двух основных типов деталей, а именно элементов стен и элементов крыши. Стены толщиной всего 8 – 10 мм состоят из двух слоев пластика – полиэфира и стекловолокна, между которыми проложен жесткий пенопласт. Звуко– и теплоизоляция соответствует кирпичной кладке толщиной 1,3 м. Свободнонесущая конструкция полиэфирной крыши позволяет увеличить ширину пролетов между стенами, так что отпадает необходимость во внутренней опорной стене. Таким образом, вся жилая площадь становится полезной и появляется возможность ее индивидуального планирования с помощью передвижных или шкафных перегородок. Имея в распоряжении только 40 строительных деталей такой дом можно построить менее чем за 12 часов.

Пластмассы располагают идеальными возможностями для осуществления строительства из облегченных конструкций. Этот принцип выгоден тем, что позволяет значительно экономить материалы. Из многочисленных искусственных материалов в наибольшей мере отвечают требованиям строительства пенопласты. Пенопласты в равной степени могут быть хороши и как высокоэластичные, и как очень твердые материалы.

Пластмассы в спорте.

Пластмассы широко используются в спортивной индустрии, например их применяют в таком виде спорта, как прыжки с шестом: из пластмасс изготавливают сами шесты, а также маты, которые предохраняют спортсменов от травм при падении.

Пластмассы сказали свое слово и в производстве лыж. Первоначально лыжи делали из ясеневых и буковых досок, а также из древесины гикори (род деревьев семейства ореховых). В 50-е годы начали применять синтетические материалы для скользящих поверхностей лыж, с 1960 года пошли в ход пластмассы армированные стекловолокном, а с 1967 года стали широко использоваться полиуретановые пенопласты. Благодаря тому, что нижняя поверхность лыж делается из полиэтилена, чешуйки которого обеспечивают необходимое сцепление со снегом, лыжник может подъемы и любые неровности размером более 35 см.

В настоящее время исключительно из пластмасс изготавливается спортивная обувь всех видов, также пластмассы используются для изготовления спортивного инвентаря.

Пластические массы широко применяются для изготовления беговых дорожек. Применение искусственных материалов для беговых дорожек получило официальное одобрение Всемирной федерации легкой атлетики в 1967 году, когда такие дорожки впервые были введены на Панамериканских играх в Виннипеге.

Заключение.

В настоящее время пластмассы получили широчайшей распространение. Причиной такого распространения являются их низкая цена и легкость переработки, а также свойства, которые в некоторых случаях уникальны. Пластмассы применяют в электротехнике, авиастроении, ракетной и космической технике, машиностроении, производстве мебели, легкой и пищевой промышленности, в медицине и строительстве, – в общем, пластмассы используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Пожалуй, единственная область, где использование пластмасс пока ограничено – это техника высоких температур. Но в скором времени они проникнут и сюда: уже получены пластмассы, выдерживающие температуры 2000–2500°C. Развитие химических технологий, помогающих создавать вещества с заданными свойствами, позволяет сказать, что пластмассы один из важнейших материалов будущего.

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

Пластическими массами или просто пластмассами называют композиционные материалы на основе полимеров, обладающие текучестью (пластичностью) и способные при нагревании под давлением принимать заданную форму и устойчиво сохранять ее после охлаждения, т.е обладающие пластическими свойствами в условиях переработки и не обладающие этими свойствами в условиях эксплуатации. Таким образом, при обычных температурах пластмассы представляют собой твердые, упругие тела.

Чтобы лучше представить себе некоторые механические свойства пластмасс, сравним эти свойства с аналогичными свойствами некоторых металлов. Плотность различных пластмасс колеблется от 0,9 до 2,2 г/см3; имеются особые типы пластмасс (пенопласты) с плотностью 0,02 – 0,1 г/см3. В среднем, пластмассы примерно в 2 раза легче алюминия, в 5 – 8 раз легче стали, меди и других металлов, а некоторые сорта пенопластов более чем в 10 раз легче пробки. Прочность некоторых видов пластмасс даже превосходит прочность некоторых марок стали, чугуна, дюралюминия и др.

По химической стойкости пластмассы не имеют себе равных среди металлов. Они устойчивы не только к действию влаги воздуха, но и таких сильнодействующих химических веществ, как кислоты и щелочи.

Обычно пластмассы являются диэлектриками. Отдельные сорта пластмасс представляют собой лучшие диэлектрики из всех известных в современной технике.

В настоящее время известен целый ряд пластмасс, обладающих значительной тепло- и морозостойкостью, что позволяет применять их для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур.

Наряду с большой механической прочностью некоторые виды пластмасс обладают прекрасными оптическими свойствами.

Обычно пластмассы имеют твердую, блестящую поверхность, не нуждающуюся в полировке, лакировке или поверхностной окраске. Внешний вид их не изменяется от обычных атмосферных воздействий.

2. Состав пластмасс.

Пластмассы представляют собой смеси полимеров с другими веществами.

Получение полимеров основано на реакциях полимеризации, поликонденсации и обменного взаимодействия полимеров с другими веществами.

Способ производства полимера определяет строение его молекул, среднюю молекулярную массу М, количество остаточных примесей и таким образом влияет на комплекс свойств материала.

Полимеры - основа пластмассы. Полимерами называют вещества высокой относительной молекулярной массы (молекулярного веса). Они состоят из повторяющихся групп атомов, звеньев исходного вещества – мономера. Звенья образуются и последовательно соединяются друг с другом в процессах получения полимеров. Они образуют линейные цепные молекулы (табл.1), длина которых, в тысячи раз превышает длину неполимерных соединений, такие молекулы называют макромолекулами. Чем больше звеньев в макромолекуле полимера (больше степень полимеризации), тем более прочен материал и более стоек к действию нагрева и растворителей. Если в макромолекулы объединены разные звенья, то полимер называется сополимером. Сополимеризация аналогична легированию в сплавах и изменяет свойства материала. Из-за невозможности эффективной переработки мало-плавкого и трудно-растворимого полимера в ряде случаев получают сначала полуфабрикаты - полимеры со сравнительно низкой молекулярной массой - олигомеры, легко доводимые до высоко молекулярного уровня при дополнительной тепловой обработке одновременно с изготовлением изделия.

Наполнители , графит), волокон (хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые, полимерные), листов (бумага, ткани из различных волокон, древесный шпон).добавляют в количестве 40-70% (по массе) для повышения механических свойств, снижения стоимости и изменения других свойств. Наполнители- это органические и неорганические вещества в виде порошков (древесная мука, сажа, слюда, SiO², тальк, TiO

Стабилизаторы - различные органические веществ, которые вводят в количестве нескольких процентов для замедления старения, что стабилизирует свойства и удлиняет срок эксплуатации. Старение представляет необратимое изменение свойств пластмассы под влиянием среды. В основе старения лежат изменения структуры молекул полимера.

Пластификаторы добавляют в количестве 10-29% для уменьшения хрупкости и увеличения формуемости. Пластификаторами являются вещества, которые уменьшают межмолекулярное взаимодействие и хорошо совмещаются с полимерами. Часто пластификаторами служат эфиры, а иногда и полимеры с гибкими молекулами.

Отвердители вводят в количестве нескольких процентов в реактопласты для соединения полимерных молекул химическими связями. В итоге образуется пространственная молекулярная сетка (сетчатая структура), а молекулы отвердителя становятся частями этой сетки. В качестве отвердителей используют серу ( в каучуках), органические перекиси и другие соединения.

Специальные добавки- смазки, красители, добавки для уменьшения статистических зарядов, для уменьшения горючести, для защиты от плесени, ускорители и замедлители отверждения и другие- служат для изменения или усиления какого-либо свойства.

4. Структура полимеров

омополимеры - полимеры, состоящие из одинаковых звеньев мономеров;
сополимгеры - полимеры, состоящие из разных исходных звеньев мономеров;
элементоорганические - соединения с введенными в главную цепь или боковые цепи атомами кремния (кремнийорганические соединения), бора алюминия и др. Эти соединения обладают повышенной теплостойкостью.

линейная неразветвленная , допускающая плотную упаковку;
разветвленную, труднее упаковываемая и дающая рыхлую структуру;
сшитая – лестничная;
сетчатая;
паркетная;
сшитая трехмерно-объемная , с густой сеткой поперечных химических связей.

Структуру изделия с кристаллическим полимером характеризует определенная степень кристалличности (от 60 до 95%) и неравномерность кристаллических областей по сечению. Свойства таких изделий, полученных в разных условиях переработки, несмотря на морфологическую схожесть структуры, различны. Показатели качества изделий из полимерных материалов зависят от свойств, условий подготовки, переработки и физической модификации материала. Внешний вид изделий зависит от условий переработки, чистоты материала, влажности.

Диэлектрические показатели и химическая стойкость зависят от химической структуры и модификации полимера. Механические свойства - прочность, ударная стойкость, деформация, жесткость, теплостойкость - зависят от надмолекулярной структуры, а коэффициент трения и износостойкость, стойкость к горению зависят от химической структуры и модификации. Эксплуатационные свойства - размерная точность и размерная стабильность - зависят, как от химической структуры, молекулярных характеристик, технологических свойств, так и от технологии переработки и технологичности конструкции. Термостабильность полимеров. Основным показателем в этом случае является деструкция.

Деструкция полимеров - это изменение строения макромолекул. Деструкция может протекать под действием тепла, кислорода, химических агентов (в том числе воды), света, излучений высокой энергии, механических напряжений и т.п., как от отдельного, так и от совокупности параметров. Она сопровождается уменьшением молекулярной массы, выделением газообразных и низкомолекулярных продуктов, изменением окраски и появлением запаха. Деструкция может сопровождаться не только разрушением макромолекул, но и сшиванием их (структурированием), что вызывает увеличение массы и вязкости расплава. Следствием этого является нарушение всех свойств материала, снижение стабильности свойств изделий. При переработке полимеров может происходить как термоокислительная, так и механическая деструкция, а у гигроскопических материалов еще и гидролиз.

омополимеры - полимеры, состоящие из одинаковых звеньев мономеров;
сополимгеры - полимеры, состоящие из разных исходных звеньев мономеров;
элементоорганические - соединения с введенными в главную цепь или боковые цепи атомами кремния (кремнийорганические соединения), бора алюминия и др. Эти соединения обладают повышенной теплостойкостью.

линейная неразветвленная , допускающая плотную упаковку;
разветвленную, труднее упаковываемая и дающая рыхлую структуру;
сшитая – лестничная;
сетчатая;
паркетная;
сшитая трехмерно-объемная , с густой сеткой поперечных химических связей.

5.Классификация пластмасс

Наиболее характерные особенности пластмасс: малый вес, хорошая химическая стойкость, высокие электрические свойства, низкая теплопроводность, сравнительно большое термическое расширение.

Пластмассы, получаемые на основе термопластичных полимеров , называют термопластичными, или термопластами, а получаемые на основе термореактивных полимеров — реактопластами. В строительстве широко применяют термопласты на основе поливинилхлорида — декоративные пленки, линолеумы для покрытия полов, трубы и т. д.; полиэтилена — трубы, пленки, соединительные детали; полипропилена — ручки для окон и дверей, декоративные и вентиляционные решетки, корпуса для различных изделий. В качестве реактопластов используют бумажно-слоистые и древесно-слоистые пластики на основе фенолоформальдегидных и мочевиноформальдегидных смол.

По композиционному составу различают два вида пластмасс; ненаполненные и наполненные.

Ненаполненные пластмассы состоят только из полимера и некоторых специальных добавок. К ним относятся полиэтиленовая пленка, полистирольные изделия и др.

Наполненные пластмассы содержат кроме полимера наполнители, стабилизаторы, пигменты. К наполненным пластмассам относятся различные виды линолеума и погонажные изделия из поливинилхлорида, бумажно-слоистые пластики и др.

По виду наполнителя пластмассы подразделяют на: пресс-порошки, волокниты и слоистые пластики. В пресс- порошках используются порошковые наполнители, в волокнитах – волокна, в слоистых пластиках-листы наполнителя.

В зависимости от физико-механических свойств при нормальной температуре, в основе которых лежит модуль упругости, пластмассы делят на жесткие, полужесткие, мягкие и эластичные.

Жесткие пластмассы (предел прочности при сжатии при 50%-ной деформации более 0,15 Мпа) — твердые упругие материалы аморфной структуры. Характеризуются незначительным удлинением, хрупким разрушением при разрыве. Примерами жестких пластмасс служат фенопласты и аминопласты.

Полужесткие пластмассы — твердые вязкоупругие материалы кристаллической структуры. Характеризуются высоким относительным удлинением при разрыве. К таким пластмассам относятся полипропиленовые трубы, полиамидные пластики.

Мягкие пластмассы обладают высоким относительным удлинением при разрыве и низким модулем упругости. К ним относятся полиэтиленовая пленка, трубы, поливинилацетатные пленки.

Эластичные пластмассы(предел прочности при сжатии при 50%-ной деформации менее 0,01 Мпа) — мягкие, гибкие материалы, характеризующиеся большими деформациями при растяжении. Примером эластичных пластмасс служат каучуковые резины.

По назначению и отличительным признакам пластмассы бывают общего назначения, высокопрочные, антикоррозионные, прозрачные, морозо- и теплостойкие, электроизоляционные.

Пластмассы общего назначения — материалы, к показателям физико-механических и химических свойств которых не предъявляют особых требований. К этим материалам относятся отделочные, декоративные, упаковочные, хозяйственно-бытовые и другие изделия из пластмасс (поливинилхлорида, полипропилена, фенопластов и др.).

Высокопрочные пластмассы — полиформальдегид, полиэфирные пластики, поликарбонаты — характеризуются высоким пределом прочности при сжатии и изгибе, большой износостойкостью и высоким коэффициентом трения (фрикционные свойства). Эти материалы способны заменить бронзу и баббит, например, в подшипниках, втулках; их используют для изготовления труб, зубчатых колес, гребных винтов.

Антикоррозионные пластмассы — каучуки, полиизобутилен, эпоксипласты — обладают высокой химической стойкостью к воде, кислотам, растворам солей и органическим растворителям. Эти материалы используют вместо металлических деталей в оборудовании и конструкциях, эксплуатирующихся в агрессивных средах, из них изготовляют контейнеры-цистерны жидкого топлива.

Прозрачные пластмассы — полиметилметакрилат, полистирол — пропускают лучи света в широком диапазоне волн, и в частности ультрафиолетовую часть спектра, благодаря чему они не уступают по своим оптическим свойствам лучшим сортам стекла и хрусталя и значительно превосходят в этом силикатное стекло. Из таких пластмасс изготовляют оптические системы осветительной арматуры.

Морозостойкие пластмассы — полиизобутилен, этилцеллюлоза, поликарбонат — сохраняют эластичные свойства и гибкость при низких (минусовых) температурах. Изделия и конструкции, изготовленные из таких пластмасс, можно эксплуатировать в атмосферных условиях.

Теплостойкие пластмассы — полиорганосилоксаны, политрихлор-этилен, фенопласты — обладают способностью не размягчаться при повышении температуры. Такие пластмассы широко применяют в промышленности и быту, в отдельных случаях они заменяют металл и керамику.

Электроизоляционные пластмассы — полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол — характеризуются низкой диэлектрической постоянной, высокой электрической прочностью, высоким объемными поверхностным сопротивлением. Их применяют для изоляции проводов и электрооборудования в электротехнике, для замены эбонита.

Теплоизоляционные пластмассы — поливинилхлорид, полистирол, полиуретан, фенопласты — отличаются низкой теплопроводностью. К таким пластмассам относятся пористые газонаполненные материалы — пенопласты и поропласты, применяемые для теплоизоляции холодильных приборов и установок, жилых помещений, многослойных стеновых панелей и т. п.

6.Свойства пластмасс.

Все свойства полимеров зависят от их химического состава и молекулярной массы. Прочность, твердость, температура перехода, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, электросопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь и другие свойства у различных полимеров изменяются в широком диапазоне .

6.1. Плотность.Полимеры имеют плотность от 0,9 до 2,2 г/см³; самые легкие –полиэтилен и полистирол, а самый тяжелый фторопласт-4 с плотностью 2,2 г/см³. Плотность пластмасс обычно равна 1,1-1,6 г/см³, а у пористых пластмасс- всего 0,01-0,2г/см³.

6.2.Стойкость в агрессивных средах. Полимеры стойки против долговременного действия промышленных агрессивных сред, включая щелочи и концентрированные кислоты и применяются для изготовления защитных покрытий на металлы. В отличие от металлов полимеры не подвержены электрохимической коррозии. В то же время для каждой группы полимеров известны вещества, с которыми они взаимодействуют химически. К ним относятся окислители (азотная, хромовая и серная кислоты, органические перекиси), галоиды, амины, щелочи. Некоторые полимеры гидролизуются, для них опасны вода и водяной пар при температурах выше 100 ° С.

Термопластичные полимеры растворяются, а термореактивные с сетчатой структурой лишь набухают в органических растворителях. При растворении химических изменений не происходит и полимерные молекулы не разрушаются. При впитывании растворителя ослабляется межмолекулярное притяжение, понижается прочность и твердость, а также изменяются и другие свойства.

Под действием окружающей среды полимеры медленно стареют. При старании происходит как разрыв макромолекул на куски, так и соединение кусков и самих молекул друг с другом поперечными связями. Старение развивается при одновременном или раздельном действии нагрева, окисления, ионизации, механических напряжений, облучения ( свет, γ-излучение, потоки электронов и нейтронов). Интенсивность старения определяется условиями эксплуатации и структурой. Материалы, стойкие в одних условиях, в других быстро разрушаются. Термопласты и резины стареют быстрее, чем реактопласты.

Все полимеры разрушаются при нагреве и большинство разлагается при температурах 150-300°С. Стойкость сложных пластмасс зависит от свойств наполнителей, пластификаторов и других составляющих. Пластмассы с неорганическими наполнителями ( стеклянное волокно, асбест, графит и другие) более стойки, чем пластмассы с органическими наполнителями ( бумага, дерево, хлопчатобумажное волокно). Некоторые полимеры (полистирол, органическое стекло, а также пористые пластмассы на их основе) огнеопасны. Горючесть их устраняется специальными добавками или модифицированием полимеров.

6.3. Теплофизические свойства. Полимеры плохо проводят теплоту, сильно расширяются при нагреве и имеют значительную теплоемкость(0,3-0,5 кал/г.°С).

Теплопроводность полимеров в десятки и сотни раз меньше, чем у металлов. Коэффициент теплопроводности λ у полимеров не превышает 10∙10 -4 кал/см∙г.°С∙с. Пластмассы, наполненные графитом или металлическими порошками значительно лучше проводят теплоту. Наименьшую теплопроводность имеют простые пористые пластмассы (λ=0,5-1∙10 -4 кал/см∙г.°С∙с).

Коэффициенты теплового расширения полимеров (60÷100∙10 -6 °С -1 ) в 10-30 раз больше, чем металлов. Термопластичные полимеры расширяются сильнее термореактивных с сетчатой структурой. Из-за различия коэффициентов теплового расширения полимеров и металлов возникают термические напряжения при плотном соединении материалов друг с другом. Термические напряжения возникают в проводниках электрического тока, залитых пластмассами, клеевых швах, в пластмассовых деталях с металлическими вставками и т.д. Термическое расширение пластмасс можно уменьшить, используя неорганические наполнители с низким коэффициентом линейного расширения (стекло, порошки Al₂O₃; TiO₂ и др.).

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ КУРСОВАЯ РАБОТА

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЛАСТМАСС М., 2006

Введение 3 1. Пластмассы, их классификация и физические свойства 4 2. Технология изготовления пластмасс 5 3. ТЕНДЕНЦИИ НА РЫНКЕ ПОЛИМЕРОВ 7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 9 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ: 11

Одним их самых распространенных искусственных, отсутствующих в природе и потому получаемых в процессе химической обработки, материалов являются полимеры, пластмассы, появление которых относится к 20 веку, веку бурного развития новых технологий. Их распространенность, применение обусловлено рядом их специфических свойств, таких как малая плотность при удовлетворительной технологической прочности, высокая химическая коррозионная стойкость, хорошие электроизоляционные свойства и прочее.

Их широкое применение в машиностроении, промышленности позволяет экономить расход дорогих цветных металлов, снижать массу изделий, повышать их долговечность, снизить трудоемкость продукции. Одним из преимуществ является также возможность не разделения процессов изготовления продукции путем совмещения процессов формообразования заготовки и получения готовых деталей. Процесс обработки является высоко автоматизированным, с незначительным уровнем механической доработки.

1. Пластмассы, их классификация и физические свойства

Пластмассы представляют собой материалы, сложную композицию высокомолекулярных соединений, которые могут находится в аморфном и кристаллической состоянии. Иным словами, на языке науки, эти материалы представляют собой группу органических материалов, основу которых составляют синтетические или природные смолообразные высокомолекулярные вещества (полимеры), способные при нагревании и давлении формоваться, устойчиво сохраняя приданную им форму.Средняя плотность пластмасс от 15 до 2200 кг/м3. Они обладают значительной прочностью (предел прочности при сжатии 120. 160 МПа, при изгибе 40. 60 МПа), хорошими теплоизоляционнымии электроизоляционными качествами, коррозийной стойкостью и долговечностью. Отдельные пластмассы характеризуются прозрачностью и высокой клеящей способностью, а также способностью образовывать тонкие пленки и защитные покрытия. Пластмассы имеют исключительно важное значение как строительные материалы, частоприменяемые в комбинации с вяжущими веществами, металлами каменными материалами1.

В зависимости от степени влияния теплоты эти вещества могут быть классифицированы на следующие группы: термопласты – полиэтиленовые, капроновые, полистирольные, фторопластмассы - и реактопласты - различные текстолиты, пресс материалы, стеклопластики. При нагревании исходных компонентов переходит в вязко-текучее состояние, но с завершением хим. реакции становится твердым и больше не могут размягчатся ( в отличие от термопластов).

По своим физическим свойствам эти материалы могут быть также подразделены на: жесткие – имеющие незначительное удлинение, называются пластиками, мягкие - обладающие большим относительным удлинением, низкой упругостью наз. эластики. Кроме того, в зависимости от числа компонентов теория и практика химической промышленности выделяет: простые, композиционные (3-4 и 10 компонентов)

Читайте также: