Как ведут себя реактопласты при нагревании кратко
Обновлено: 02.07.2024
Все существующие полимеры классифицируются на реактопласты и термопласты. В основе разделения лежат структурные особенности их молекул. Термопластичные полимеры имеют линейную молекулярную структуру, а термореактивные - пространственную. Это - их основное отличие, которое является основополагающим для других особенностей.
Воздействие высоких температур на полимеры
Термопласты способны много раз повторять цикл: при нагревании становиться пластичными, а при охлаждении вновь твердыми. Это является результатом того, что они имеют лишь физические макромолекулярные связи, исчезающие при нагреве до температуры плавления и восстанавливающиеся при охлаждении. Такая их особенность имеет большое практическое значение, так как термопласты могут перерабатываться многократно, что, в свою очередь, позволяет повторно использовать брак и отходы производства, устаревшие вещи, не загрязняя окружающую среду.
Реактопласты при нагревании приобретают так называемую сшитую макромолекулярную структуру, причем окончательно. Макромолекулы соединены химическими связями, которые при нагревании распадаются и не восстанавливаются. Если реактопластичные полимеры нагреть повторно, они разрушатся.
Свойства материалов
Реактопласты, как правило, более твердые, упругие, их показатели теплового расширения ниже, чем у термопластов (из-за макромолекулярных структурных особенностей). Они обладают большей стойкостью к воздействию кислот и щелочей, органических растворителей. Они меньше подвержены высокотемпературным воздействиям, чем термопласты.
Способы переработки
Технологии переработки двух видов полимеров различны. Для термопластов в основном используют следующие способы:
- литье (центробежное, под давлением);
- формование (пневматическое, вакуумное);
- экструзию;
- выдувание.
Гидравлические, электрические, вертикальные и пр. термопластавтоматы (ТПА) можно приобрести у нас.
К реактопластам применяют литьевое, компрессионное или штранг-прессование.
Предлагаем купить воздушные чиллеры, различные модели термопластавтоматов, сушильные шкафы и пр. Обращайтесь.
Любой полимер (или пластмасс) можно классифицировать на 2 группы — реактопластичные (реактопласты) и термопластичные (термопласты) полимеры.
Отличие заключается в том, как тот или иной полимер ведет себя при нагревании. Термопласты под воздействием высоких температур обладают способностью многократно переходить в вязкотекучее (пластичное) состояние и вновь отверждаться при понижении температуры. Реактопласты же под воздействием высоких температур приобретают сшитую структуру макромолекул, это необратимый процесс. При последующем нагреве реактопластичные полимеры разрушаются, не переходя в пластичное состояние.
Как следствие, способы и технологии переработки реактопластичных и термопластичных полимеров сильно отличаются. Так термопласты перерабатывают преимущественно литьем под давлением, центробежным литьем, экструзией, выдуванием, вакуумным и пневматическим формованием, штамповкой. В то время как к реактопластам применимы технологии прямого (компрессионного) прессования, литьевого и штранг-прессования.
Разберемся более подробно в терминологии, классификации и примерах.
Виды и свойства термопластов
Термопластами (также называемые термопластичными полимерами, термопластиками, термопласт-полимерами, пластмассами, thermoplast, thermoplastic), говоря научным языком, называют полимеры, способные многократно преобразовываться при нагреве в высокоэластичное либо вязкотекучее состояние и в этой фазе перерабатываются в конечные изделия. По завершению изготовления изделия они обладают возможностью повторной переработки, что особенно важно при утилизации полимерных отходов.
К термопластам относят полиэтилен, полиметилметакрилат, полипропилен, полиэтилентерефталат, поливинилхлорид, поликарбонат, политетрафторэтилен, политрифторхлорэтилен, полиизобутилен, полистирол, полиамид, полиимид и другие полимеры.
Такие свойства обусловлены структурой макромолекул и их взаимодействием. Так термопластам свойственны линейные и разветвленные структуры макромолекул, а также отсутствие 3-хмерных сшитых структур. При этом группы макромолекул могут образовывать как аморфные, так и аморфно-кристаллические структуры. Макромолекулы связанны друг с другом, как правило, только физически, и энергия обрыва таких связей невысока, гораздо ниже энергии обрыва связей на химическом уровне в макромолекуле. Именно этим и обусловлен переход термопластов в пластичное состояние без деструкции макромолекул.
Однако существуют некоторые полимеры с линейной структурой макромолекул, но термопластичными не являются, так как температура их деструкции ниже температуры текучести. Ярким примером служит целлюлоза.
Чаще всего термопласты нерастворимы в воде (малогигроскопичны), являются горючими, устойчивыми к щелочным и кислотным средам, являются диэлектриками. Термопластичные полимеры классифицируют на неполярные и полярные по тому, как они себя ведут при наложении электрических полей.
Термопласты бывают наполненными или однородными. Однородные термопласты также именуют смолами, которые, в свою очередь, подразделяют на природные и синтетические. Наполнители же значительно изменяют эксплуатационные и технологические свойства термопластов. Широкое применение получили стеклопластики (полимеры, наполненные стекловолокном), углепластики (полимеры, наполненные углеволокном), а также специальные пластики (полимеры, наполненные разнообразными добавками — антипиренами, электропроводящими и антифрикционными добавками, антистатиками, износостойкими добавками и т.д.).
Виды и свойства реактопластов
Реактопластами (также называемые, реактопластиками, термореактивными пластмассами, реактопластичными полимерами, дуропластами, реактопласт-полимерами, thermoset), говоря научным языком, называют полимерные материалы, которые при формовании в конечные изделия проходят необратимую химическую реакцию с образованием сшитой структурной сетки макромолекул (отверждение), в результате которой образуется неплавкий и нерастворимый полимер. По завершению отверждения изделия более не имеют возможности вторичной переработки, а при нагреве материал не становится пластичным, а лишь деструктирует или возгорается.
По виду применяемых основ реактопластичные полимеры делят на фенопласты (основа — фенолформальдегидные смолы), имидопласты (основа — олигоимиды), эпоксипласты (основа — эпоксидные смолы), эфиропласты (основа — акриловые олигомеры), аминопласты (основа — мочевино- и меламино-формальдегидные смолы) и др.
Часто реактопластмассы в изделиях являются не чистыми полимерами (т.к. высоки усадочные процессы), а наполненными (композитными). Так обычно они содержат такие наполнители как стекловолокно и другие волокнистые наполнители, сажу, мел, целлюлозу, древесную муку, кварцевый песок и др.
Термореактивные материалы за счет сшитой трехмерной структуры, как правило, обладают более высокими показателями твёрдости, хрупкости и упругости, более низким коэффициентом теплового расширения, чем термопластичные материалы, имеют стойкость к органическим растворителям и слабым кислотным и щелочным средам. В отличие от термопластов, чаще всего, могут эксплуатироваться при более высоких температурах. Однако процессы переработки несколько более сложны и требуют соблюдения временных промежутков и температур, за пределами которых могут произойти необратимые реакции и, как следствие, получение брака изделий.
ППУ — термопласт или реактопласт?
Ответ на вопрос не так прост, как может показаться. Строго говоря, двухкомпонентный полиуретан является реактопластом, поскольку полиэфирный компонент отверждается изоцианатным компонентом (реже используются иные отвердители) с образованием сшитых макромолекулярных структур (реакция полиприсоединения). Тоже самое справедливо и для газонаполненных полиуретанов (пенополиуретанов или, проще говоря, ППУ), отверждаемых изоцианатным компонентом, с той лишь разницей, что в полимерную структуру заключены пузырьки газа. В зависимости от функциональности компонентов, степени сшивки и средней длины макромолекул мы можем получать эластичные, интегральные или жесткие ППУ. Такой реактопластичный ППУ при повышенных температурах обугливается и деструктирует, минуя высокоэластичное состояние.
Однако еще в далеких 60-х годах минувшего столетия американские исследователи впервые получили термопластичный полиуретан. Позднее удалось сделать его и газонаполненным, т.е. получить термопластичный пенополиуретан. Основным сырьевым компонентом служат простые и сложные полиэфиры, полиэфиры угольной кислоты, алифатический изоцианат. Как правило, термопластичные полиуретаны (ТПУ) являются однокомпонентными. В зависимости от используемого компонента меняются и свойства конечных продуктов.
ТПУ сочетает в себе прочностные свойства жестких пластиков и высокоэластичные свойства каучуков в широком диапазоне температур. При малой массе, ТПУ выдерживает высокие физическо-механические нагрузки и противостоит разнообразным видам воздействий — истиранию, отрицательным температурам, жирам, маслам и растворителям. Не подвержен воздействию микроорганизмов. Имеет способность шумо- и виброгашения, окрашивается в различные цвета.
Благодаря удачному сочетанию свойств и возможности эти свойства варьировать в широком диапазоне, термопластичный полиуретан стал хорошим заменителем ряда пластиков, резин и даже металлов, и сегодня широко используется во многих промышленных отраслях. Так данный полимер используется для производства подошв обуви, изоляция силовых кабелей, шлангов высокого давления, шин, уплотнителей, футеровочных пленок и листов, амортизационных опор, декоративных элементов в автомобилестроении, роликов на скейтбордах и т.д.
Одним из основополагающих разделений пластмасс на типы является их деление на реактопласты и термопласты. Если термопласты являются многократно перерабатываемыми полимерами, которые легко плавятся при повышении температуры, принимают заданную форму, застывают, а потом могут быть вновь расплавлены, то реактопласты – полимеры другой природы.
Реактопласты (термореактивные полимеры или термореактопласты), обладают особыми свойствами при нагреве подобно термопластам могут переходить в вязкотекучее состояние (плавиться). Но они не способны переходить из одного фазового состояния в другое многократно. При нагревании в массе термореактивного полимера происходят химические взаимодействия между макромолекулами, которые приводят к образованию трехмерной жесткой структуры сшитого полимера. Такие реакции являются необратимыми, сшитые термореактивные полимеры при дальнейшем повышении температуры могут разрушиться (деструктировать по одному из механизмов), но неспособны к плавлению.
Типичные представители
Если среди термопластичных полимеров можно встретить такие известные материалы, как полиэтилен, полипропилен, ПВХ, полистирол, ПЭТ и так далее, то реактопласты сейчас менее известны. Этот факт особенно любопытен ввиду того, что в середине 20 века термореактивные полимеры применялись более широко, чем термопластичные пластики. Даже в 1980-е и 1990-е годы на кафедрах переработки пластмасс большее время уделяли композициям на основе отверждаемых смол, их модификациям и получению изделий из них. Этот факт обусловлен тем, что, хотя важнейшие термопласты были получены очень давно (многим уже более 100 лет), но марок с ценными, прежде всего прочностными качествами долгое время не существовало.
Самыми широко используемыми в современной промышленности являются реактопласты на основе полиэфирных, фенолформальдегидные, эпоксидных, аминоальдегидных и карбамидных смол.
Рис.1. Эпоксидные клеи – одно из главных применений термореактивных смол
Композиции реактопластов в общем виде состоят из связующего и наполнителей. Связующее представляет собой непосредственно термореактивный полимер (смолу), примером таких полимеров являются фенол-формальдегидную, мочевино-формальдегидную и меламино-формальдегидную, эпоксидную, полиэфирную и т.д. Наполнители для термореактивных полимеров применяются в целом те же, что и для термопластов: мел, тальк, древесная мука, стекловолокно, однако более часто применяются тканые и волокнистые материалы, такие как хлопчатобумажная и другие ткани, целлюлоза, длинные волокна из различных материалов.
Свойства реактопластов
Термореактопласты довольно сильно отличаются по характеристикам друг от друга. Несмотря на некоторые общие особенности, это всё-таки разные по своей химической природе полимеры. Свойства самих термореактивных полимеров и изделий из них зависит от химического состава и структуры полимерных цепей, количеством связей между молекулами и их видом, соотношения полимер-отвердитель и типом последнего. Характеристики каждого реактопласта могут регулироваться в широких пределах. Для этого применяют помимо отвердителя такие аддитивы, как загустители, разбавители, лубриканты, эластификаторы и пластификаторы.
Отличие термореактивных полимеров от термопластичных заключается в возможности первых успешно применяться при высоких для пластмасс значениях температуры, вплоть до 130 градусов С. Также они имеют высокую химическую стойкость. Они устойчивы к действию органических растворителей, растворам кислот и оснований и многих других химикатов.
Переработка в изделия
Получение изделий из реактопластов главным образом проводится методами литьевого или прямого прессования. Более современным является метод литья под давлением, который отличается от традиционного литья термопластов наличием не охлаждаемой, а обогреваемой литьевой формы, работающей в диапазоне 160-210 градусов С.
При всех этих методах в полимере проходит химическая реакция сшивки макромолекул, называемая отверждением. Для полного химического отверждающего взаимодействия молекул обычно необходимо затратить минуты или даже часы. Технологический процесс осложняется риском раннего отверждения термореактивной смолы, поэтому температурный режим прессования и особенно литья необходимо поддерживать точно. Кроме того нужно точное дозирование полимерной смеси и ее быстрый впрыск в прессформу ввиду очень короткого времени возможного нахождения реактопластов в вязкотекучем (расплавленном) состоянии.
Изделия из термореактивных полимеров после формования подходят для постобработки механическими методами, а также для соединений с другими изделиями или материалами при помощи клеев. В случае низкой степени сшивки возможно также свариванием таких изделий химическим способом.
Фенопласты
Термореактивные полимеры на основе фенолоформальдегидных смол называются фенопласты. Несколько десятилетий назад это был один из самых популярных типов полимеров из всех. Сегодня фенопласты используются в узких отраслях, там, где не нашлось еще термопласта-заменителя, либо подходящий термопласт очень дорог.
Фенопласты классифицируют по виду смолы на резольные и новолачные, а по свойствам наполнителей на армированные (природными волокнами, стеклотканью, синтетическими волокнами, углеволокном, ткаными материалами, бумагой и т.п.) и дисперсно-наполненные (древесной или минеральной мукой, асбестом, коксом, углеродным порошком, каолином, стеклянным волокном, металлической пудрой и т.д.).
Фенопласты являются типичными термореактивными пластмассами, они имеют высокие физико-механические свойства устойчивость, прочность, коррозионностойкость, отличную электроизоляционность. Электротехника остается главной отраслью применения фенопластов, кроме того, они используются в качестве конструкционных, антифрикционных материалов и в других сферах.
Рис.2. Типичное применение фенопластов в электротехнике
Если дисперсно-наполненные фенопласты перерабатывают в изделия традиционными методами, такими как прессование, то армированные материалы имеют свои особенности. Их изготавливают главным образом по технологии пропитки волокнистых наполнителей полимерным связующим. Непосредственно изделия из армированных реактопластов получают при помощи намотки, выкладки и протяжки с последующей фиксацией формы изделия при помощи отверждения смолы. Очень часто фенопласты выпускают в виде полуфабрикатов – листов, прутков, пластин и т.п. для последующей механической обработки в конечные изделия.
Армированные фенолформальдегидные пластмассы производятся под известными всем именами текстолит, волокнит, стеклотекстолит и другими. Изделия из них используют в ответственных высоконагруженных узлах, работающих, например, в условиях сильных вибраций, ударных нагрузок, нагрузках на разрыв и изгиб и т.д. Они имеют широкое применение как заместители высоковольтных стеклянных и керамических изоляторов, в изготовлении корпусов приборов и другой техники, в передаточных механизмах, например редукторах и т.д.
Вторичное использование
Переработка использованных реактопластовых изделий затруднена по той же причине, по которой они отличаются от остальных полимеров – трехмерной сетчатой структуры полимера и невозможности его расплавить.
Пути рециклинга таких пластмасс заключаются либо в их измельчении и применении в виде наполнителя, либо в попытках деполимеризации с извлечением низкомолекулярных продуктов. Во втором, более продвинутом пути, достигнуты некоторые успехи, однако такие технологии очень энергозатратны. В данном аспекте термопласты имеют неоспоримое преимущество.
Реактопласты (термореактивные пластмассы) — пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала. Наиболее распространенные реактопласты на основе фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол (например, углеволокно). Содержат обычно большие количества наполнителя — стекловолокна, сажи, мела и др.
Реактопласты (РП) - пластические массы на основе жидких или твердых, способных при нагревании переходить в вязкотекучее состояние, реакционноспособных олигомеров (смол), превращающихся в процессе отверждения при повышенной температуре и(или) в присутствии отвердителей в густосетчатые стеклообразные полимеры, необратимо теряющие способность переходить в вязкотекучее состояние. По типу реакционноспособных олигомеров РП подразделяют на фенопласты (на основе фенолформальдегидных смол), аминопласты (на основе мочевино- и меламино-формальдегидных смол), эпоксипласты (на основе эпоксидных смол), эфиропласты (на основе олигомеров акриловых), имидопласты (на основе олигоимидов или смесей имидообразующих мономеров) и др. Молярная масса олигомеров, тип и количество реакционноспособных групп в них, а также природа и количество отвердителя определяют свойства РП на стадиях их получения, переработки в изделия (например, условия, механизм и скорость отверждения, объемные усадки и выделение летучих веществ), а также эксплуатационные свойства изделий. Для регулирования технологических свойств РП наиболее широко используют разбавители, загустители и смазки, а для модификации свойств в отвержденном состоянии - пластификаторы и эластифицирующие добавки (например, жидкие каучуки, простые олигоэфиры), которые вводят в олигомер.
Ненаполненные РП сравнительно редко используют как самостоятельные материалы из-за высоких объемных усадок при отверждении смол и возникающих вследствие этого больших усадочных напряжений. Обычно смолы, содержащие модифицирующие добавки, служат связующими наполненных РП. Дисперсно-наполненные РП получают в виде отверждающихся масс (см. Пресспорошки, Премиксы, SMC) совмещением связующего с наполнителем в различных смесителях; такие РП перерабатывают в изделия методами компрессионного или литьевого прессования и литья под давлением, реже заливкой в формы или трансфертам прессованием. Армированные РП получают в виде препрегов, предварительно пропитанных связующим непрерывных волокнистых наполнителей (см. Волокниты, Гетинакс, Слоистые пластики, Сотопласты). Изделия из таких полуфабрикатов формуют методами намотки, выкладки и протяжки с послед. фиксированием их формы путем отверждения связующего. В других методах заготовки изделий формуют из "сухого" наполнителя, а затем, предварительно вакуумируя, пропитывают их связующим под давлением, после чего уплотняют и отверждают.
Из газонаполненных РП наибольшее распространение получили пенофенопласты и пенополиуретаны.
Основные преимущества реактопластов (РП), по сравнению с термопластами - более широкие возможности регулирования вязкости, смачивающей и пропитывающей способности связующего; недостатки обусловлены экзотермическими эффектами, объемными усадками и выделением летучих веществ при отверждении и связанными с этим дефектностью и нестабильностью формы изделий и их хрупкостью. Процессы формования изделий из РП обычно более длительны и трудоемки, чем из ТП. На предельных стадиях отверждения РП не способны к повторному формованию и сварке. Соединение деталей из РП производят склеиванием и механическими методами. При низких степенях отверждения РП способны к так называемой химической сварке и приформовке одной детали к другой. [1]
Ссылки
- Переработать оформление в соответствии с правилами написания статей.
- Добавить иллюстрации.
- Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье.
На странице обсуждения должны быть пояснения.
Читайте также: