Пластмассы. Пластические массы
 Скачать 33.55 Kb.
|
|
Пластические массы 1. Пластическими массами (пластмассами) обычно называют неметаллические материалы, перерабатываемые в изделия методами пластической деформации (прессование, экструзия, литье под давлением и т.д.),обладающие пластическими свойствами в условиях переработки и не обладающие этими свойствами в условиях эксплуатации, так как эти материалы способны при нагреве размягчаться, становится пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая потом сохраняется. Таким образом, при обычных температурах пластмассы представляют собой твердые, упругие тела. Свойства пластмасс. 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 и 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. По своим антифрикционным свойствам многие пластмассы значительно превосходят лучшие антифрикционные сплавы металлов. Многие типы пластмасс при использовании их для подшипников не требуют смазки, другие же могут «смазываться» просто водой. 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. По методам переработки пластмассы имеют значительное преимущество перед многими другими материалами. Благодаря изготовлению изделий из пластмасс методами прессования, литья под давлением, формования, экструзии и другими методами устраняются отходы производства (стружки), появляется возможность широкой автоматизации производства. Наконец, большим преимуществом пластических масс перед другими материалами является неограниченность и доступность сырьевой базы (нефтяные газы, нефть, уголь, отходы лесотехнической промышленности, сельского хозяйства и др.). Таким образом: Особенностями пластмасс являются: -малая плотность (1000 – 2000 кг/м3); -низкая теплопроводность 0,1 – 0,3 Вт/(м*К); -значительное тепловое расширение, в 10 – 30 раз больше, чем у стали (15 –100) 10-6 о С- 1; хорошие электроизоляционные свойства; высокая химическая стойкость ; фрикционные и антифрикционные свойства. Недостатками пластмасс являются: невысокая теплоемкость; низкие модуль упругости и ударная вязкость (по сравнению с металлами и сплавами); для некоторых (склонность к старению). Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения. Что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах. Пластмассы - это искусственные материалы, которые получают на основе органических полимерных связующих веществ. В зависимости от природы связующего переход отформованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагреве, или при последующем охлаждении. Обязательным компонентом пластмассявляетсясвязующее термореактивное или термопластичное. Для большинства пластмасс – это синтетические смолы, реже применяют эфиры, целлюлозы. Многие пластмассы (термопластичные) состоят из одного связующего: (полиэтилен, органические стекла). Другим важным компонентом пластмассявляютсянаполнители. Наполнителибывают порошкообразные, газообразные или волокнистые вещества как органического, так и неорганического происхождения. Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные спецсвойства. Пластификаторы- повышают эластичность и облегчают обработку (Олеиновая кислота, стеарин, дибутилфталат). Отвердители – (амины) иликатализаторы (перекисные соединения) процесса отверждения термореактивных связующих, ингибиторы, предохраняющие полуфабрикат от самопроизвольного отверждения, красители. Классификация пластмасс:По характеру связующего вещества пластмассы подразделяютна: термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты) Термопластыудобны для переработки в изделия, имеют небольшую усадку при формовании (1-3 %). Материал отличается: большой упругостью; малой хрупкостью; способностью к ориентации. Обычно термопласты изготавливают без наполнителя. В последние годы применяют термопласты с наполнителем минеральные или синтетические волокна (органопласты). Термореактивные полимеры после отверждения и перехода связующего в термостабильное состояние хрупки и дают большую усадку при из переработке (10- 15 %), поэтому в их состав часто вводят усиливающие наполнители. По виду наполнителя ПЛ. делят на: Порошковые(карболиты) с наполнителями в виде древесной муки, графита, талька и др. Волокнистыес наполнителями в виде: -очесов хлопка и льна (волокниты); -стеклянного волокна (стекловолокниты); -асбеста (асбестоволокниты). Слоистые: содержат листовые наполнители: -листы бумаги в гетинаксе; -хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые ткани в текстолите (СТЕКЛОТЕКСТОЛИТ, АСБОТЕКСТОЛИТ); - древесный шпон в древеснослоистых пластиках). Газонаполненные пластмассы (наполнитель – воздух или нейтральные газы.Пено- поро- сото- пласты). По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные, фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные) и не силовые (оптически прозрачные, химическостойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные). Однако это деление условно, так как одна пластмасса может обладать разными свойствами. 4 Перечислим лишь основные отрасли промышленности, в которых в широких масштабах применяются пластические массы. В электротехнической и радиотехнической промышленности пластмассы используются в качестве конструкционных и изоляционных материалов при производстве электродвигателей, трансформаторов, электрических кабелей и проводов, радиоаппаратуры, телевизоров, печатных схем и др. В машиностроении пластмассы применяют для производства конструкционных элементов машин и механизмов, бесшумно трущихся частей машин, самосмазывающихся подшипников, многих деталей станков и машин, подвергающихся в процессе работы истиранию. Некоторые виды пластмасс, обладающие высокой стойкостью в агрессивных средах, используются в химическом и нефтяном машиностроении и др. Особенно высокий экономический эффект дает применение пластмасс в тяжелом, энергетическом, транспортном и химическом машиностроении, автомобиле- и приборостроении. Широкое применение пластмассы находят также в строительстве. Из них изготавливают высококачественные термо, гидро- и звукоизоляционные материалы, арматуру, санитарно-техническое оборудование и др. Подсчитано, что суммарный экономический эффект от использования пластмасс в народном хозяйстве за седьмую и восьмую пятилетки составил более 3,6 млрд. руб. Пластические массы обладают очень высокими электро-, тепло- и звукоизолирующими свойствами, почти абсолютной стойкостью к действию агрессивных сред; обеспечивают защиту от радиоактивных излучений; способны отражать или пропускать световые, звуковые и радиоволны. Пластмассы широко применяются в новейших областях техники – атомной энергетике, электронике, ракетной технике, современном самолетостроении и др. Если мы внимательно оглянемся кругом, то заметим массу вещей, изготовленных из пластмасс, которые прочно вошли в наш быт. Большое число деталей холодильников, телевизоров, пылесосов, стиральных машин, спортивные принадлежности, игрушки, посуда, отделочные и упаковочные материалы, различные предметы галантереи, санитарии и гигиены – вот далеко не полный перечень изделий из пластмасс, широко применяемых в быту. ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ. В основе термопластичных ПЛ. лежат полимеры линейной или разветвленной структуры. Термопласты имеют ограниченную рабочую температуру, свыше 60 –70 оС начинается резкое снижение физико-механических свойств. Более теплостойкие могут работать до 150 – 250 оС, а термостойкие с жесткими цепями и циклические структуры устойчивы до 400 - 600о С. Более прочными и жесткими являются кристаллические полимеры. Предел прочности составляет 10 – 100 МПа. Они хорошо сопротивляются усталости, их долговечность выше, чем у металлов. Предел выносливости составляет 0,2-0,3 предела прочности. При частотах нагружения свыше 20 Гц происходят разогрев материала и уменьшение прочности. Термопласты делят на неполярные и полярные. Неполярные термопластичные пластмассы. К ним относят: полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт –4. Полиэтилен (-СН2-СН2-)n–продукт полимеризации газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. Различают полиэтилен: -низкой плотности - (получают полимеризация высокое давление) – ПЭВД, содержит 55-65 % кристаллической фазы; -высокой плотности – (получают при низком давлении) – ПЭНД, кристалличность – 74-95 %. Свойства. Чем выше плотность и кристалличностьполиэтилена,тем выше прочность и теплостойкость. Длительно его применяют при 60 – 100оС. Морозостойкость достигает – 70 оС и ниже. Химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Недостатки. Подвержен старению. Для защиты от старения вводят стабилизаторы и ингибиторы (2-3 % сажи замедляют процессы старения в 30 раз).Под действием ионизирующего излучения полиэтилен твердеет, приобретает большую прочность и теплостойкость. Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, пленок, служит покрытием для защиты от коррозии, влаги, электрического тока. Полипропилен-(-СН2-СНСН3-)nявляется производной этилена. По сравнению с полиэтиленом этот пластик более теплостоек сохраняет форму до температуры 150 0 С. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки. Нестабилизированный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостатком пропилена является его невысокая морозостойкость (от –10 до 20 0С). Применение: труб. конструкционных деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов. различных емкостей. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые. Полистирол -(-СН2-СНС6Н5-)n- твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен при механической обработке, хорошо окрашивается, растворим в бензоле. Наиболее стоек к воздействию ионизирующего облучения по сравнению с другими термопластами . Недостатками полистиролаявляется его невысокая теплостойкость, склонность к старению, образованию трещин. Применение:детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции. Фторопласт –4 ( фторлон-4 ) политетрафторэтилен (-СF2-СF2 -)n является аморфно-кристаллическим полимером. Длительно эксплуатировать фторопласт –4 можно до температуры 250 0С. Разрушение материала происходит при температуре выше 415 0С. До температуры - 269 0С пластик не охрупчивается. Стоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Практически разрушают его только расплавленные щелочные металлы и элементарный фтор. Пластик не смачивается водой, малоустойчив к облучению. Это наиболее высококачественный диэлектрик. Обладает очень низким коэффициентом трения (f=0,04). Недостатками фторопласта-4 являются хладотекучесть, выделение токсичного фтора при высокой температуре и трудность его переработки ( отсутствие пластичности ). Применение:трубы, вентили, краны, мембраны, уплотнительные прокладки, манжет, сильфон, электрорадиотехнические детали, антифрикционные покрытия на металлах (подшипники, втулки). Разновидностью фторопласта является фторопласт –4 Д. Отличается формой и размером частиц, меньшей молекулярной массой, физико-механические свойства такие же как и фторопласта –4. Волокно и пленку изготавливают из фторопласта-42. Фторлоновая ткань не горит, химически стойка, Применение:емкости, рукова, спецодежда, диафрагмы. Фторпласт – 40 обладает высокой твердостью, почти не склонен к ползучести, стоек к воздействию ионизирующего излучения и технологичен. Полярные термопластичные пластмассы.К полярным пластикам относятся фторопласт –3,органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, поликарбонат, полиарилаты, пентапласт. Фторопласт-3 (фторлон –3 )- полимер трифторхлортилен(-СF2-СFCl-)n Материал полярен, диэлектрические свойства снижаются , но появляется пластичность и облегчается переработка материала в изделия. Интервал рабочих температур – 105 до 70оС. По химической стойкости он уступает политетрафторэтилену, но все же обладает высокой стойкостью к действию кислот, окислителей, растворов щелочей и органических растворителей. Модифицированный политрифторхлоритилен – фторопласт ЗМ обладает большей теплостойкостью (рабочая температура 150 – 170оС), он более эластичен и легче формуется, чем фторопласт – 3. Фторопласт-3используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того, из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др. Органическое стекло– это прозрачный амфорный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Чаще всего применяется полиметилметакрилат, иногда пластифицированный. Материал более,чем в 2 раза легче, чем минеральные стекла (1180 кг/м3), отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен (светопрозрачность 92 % ),пропускает 75% ультрафиолетового излучения (силикатные –0,5% ). При температуре 105- 1500С появляется пластичность, что позволяет формовать из него различные детали. Пригодность органических стекол к эксплуатации определяют по прочности и отсутствию на поверхности и внутри материала мелких трещин (дефект «серебра»). Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазочных материалов. Недостатком является невысокая поверхностная твердость. Применение:термостабильные стекла, многослойные стекла ( триплекс ). Используют в самолетостроении, автомобилестроении. Изготавливают свтотехнические детали, оптические линзы. На основе полиметилметакрилата получают самоотверждающиеся пластмассы: АСТ, стиракрил, АКР.Указанные материалы применяют для изготовления штампов, литейных моделей и абразивного инструмента. Поливинилхлорид является аморфным полимером с химической формулой (-СН2-СНCl-)n.Пластмассы имеют хорошие электроизоляционные свойства, стойкие к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Винипласты имеют высокую прочность и упругость. Из них изготовляют трубы, детали вентиляционных установок, теплообменников, защитные покрытия для металлических емкостей, строительные облицовочные плитки. Недостатком этого материала является низкая длительная прочность и низкая рабочая температура (60 – 700С) под нагрузкой, большой коэффициент линейного расширения, хрупкость при низких температурах (tхр=-100С). ПОЛИАМИДЫ– это группа пластмасс с известными названиями: капрон, нейлон, анид и др. – присутствует амидная группа (-NH-CO), а также метиленовые группы (CH2), повторяющиеся от 2 до 10 раз. Общая формула полиамидов имеет вид: (-NH-CO) -CH2)m- (-NH-CO)- (CH2)n Полиамиды – кристаллизующиеся полимеры. Температура плавления – 210-264 0С. Свойства разных видов полиамидов довольно близки. Они имееют низкий коэф. трения (fменьше 0,05), продолжительное время могут работать на истирание. Полиамиды ударопрочны и способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину, спирту, устойчивы в тропических условиях. К недостаткам полиамидов относятся: некоторая гигроскопичность; подверженность старению. Водопоголощение зависит от содержания амидных групп и структуры и составляет от 1,75 % (полиамид П-12) до 11-12 % (капрон, П-54). Устойчивость полиамидов к свету достигается введением стабилизатора, а антифрикционные свойства – введением наполнителя (графита). ПРИМЕНЕНИЕ: изготавливают шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы. Используют в электротехнической промышленности, медицине, как антифрикционные покрытия металлов. ПОЛИУРЕТАНЫ:содержат уретановую группу (-NH-COO-). Кислород в молекулярной цепи сообщает полимерам гибкость, эластичность; им присуща высокая атмосферостойкость и морозостойкость. Свойства полиуретана близки к свойствам полиамидов. Из полиуретанов вырабатывают пленочные материалы и волокна, которые малогигроскопичны и химически стойки. В зависимости отисходных веществ, применяемых при получении полиуретанов, они могут обладать различными свойствами. Быть твердыми, эластичными и даже термореактивными. ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ–сложный полиэфир, выпускался под названием лавсан, за рубежом–майлар, терилен. Является кристаллическим полимером; при быстром охлаждении расплава можно получить аморфный полимер. Кислород – сообщает морозостойкость (-700С ); бензольное кольцо повышает теплостойкость ( температура плавления 255-2570С). Является диэлектриком и обладает сравнительно высокой химической стойкостью, устойчив в условиях тропического климата. Изготавливают шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки, волокна и др. ПОЛИКАРБОНАТ – сложный полиэфир угольной кислоты; выпускается под названием дифлон. Кристаллический полимер. Свойства поликарбонатов своеообразны- им присущи гибкость и одновременно прочность и жесткость. Поликарбонат химически стоек к растворам солей, разбавленным кислотам и щелочам, маслам; разрушается крепкими щелочами; выдерживает свето тепловакуумное старение и тепловые удары, тропикостоек. Имеет ограниченную стойкость к воздействию ионизирующего изучения. Изготавливают: шестерни, подшипники. автодетали, радиодетали. Его можно использовать в криогенной технике для работы в среде жидких газов. Дифлон применяется также в виде гибких, прочных пленок. ПОЛИАРИЛАТЫ – сложные гетероцепные полиэфиры. Обладают высокой термической стойкостью и морозостойкостью (-1000С), хорошие показатели прочности и антифирикционные свойства (эстеран). Радиационно-стойки и химически стойки; применяются для подшипников, работающих в глубоком вакууме без использования смазочного материала, в качестве уплотнительных материалов в буровой технике. ПЕНТАПЛАСТ – хлорированный простой полиэфир, относится к медленно кристаллизующимся полимерам. Более устойчив к нагреву, чем поливинилхлорид, прочности их близки, но он выдерживает температуру (1800С), хорошо формуется, нехладотекуч, стоек к истиранию. Вещество полярное и обладает удовлетворительными электроизоляционными свойствами. Водостоек. По химической стойкости занимает промежуточное положение между фторопластом и винипластом. Изготавливают: трубы, клапаны, детали насосов и точных приборов, емкости, пленки и защитные покрытия на металлах. ПОЛИФОРМАЛЬДЕГИД – простой полиэфир- линейный полимер, повышенная кристалличность ( 75 % ) и чрезвычайно плотная упаковка кристаллов дают сочетание свойств: жесткость и твердость, высокая ударная вязкость и упругость. Применяют от –40 до 1300С; он водостоек, стоек к минеральным маслам и бензину. Изготавливают: зубчатые передачи, шестерни, подшипники, клапаны, детали автомобилей, конвейеров. ТЕРМОСТОЙКИЕ ПЛАСТИКИ. Температура их эксплуатации 4000С, если у них гибкие звенья. Создают новый класс полимеров с жесткими звеньями, в которые вводят устойчивые гетероциклы. Эти структуры устойчивы до 6000С. Практический интерес представляют ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфон и гетероциклические полимеры – полиимиды и полибензимидазолы. Ароматический полиамид – фенилон. Может длительно работать при температуре 250-2600С, морозостоек, имеет повышенную стойкость к радиации и химическую стойкость. Из него изготавливают подшипники, уплотнительные детали запорных устройств. зубчатые колеса, получают пленки, волокна, бумагу. Арилокс- полифениленооксид – простой ароматический полиэфир. Длительно можно применять при температуре до 130 – 1500С; обладает химической стойкостью, низким водопоглощением, имеет хорошие физико- механические характеристики. Из него изготавливают детали оборудования, хирургические инструменты, изоляцию на высокочастотных установках. Полисульфон - простой ароматический полиэфир, аморфный, трудно кристаллизующийся полимер. Материал термически стабилен, химически стоек, достаточно прочен. Применяют в виде пленок, литых изделий и покрытий для эксплуатации от – 100 до1750 С ( в инертной атмосфере до 4000С). Изготовление: детали автомобилей, станков, бытовых машин, электротехнических изделий, металлизованных матриц для типографских клише. Полиимиды– ароматические гетероциклические полимеры. В зависимости от структуры могут быть термопластичными или термореактивными. Наибольшее практическое применение получили линейные полиимиды. Для них характерно высокие мех. свойства, электроизоляционные, рабочие температуры - -200 до 3000С, стойкость к радиации, стойки к действию растворителей, масел, слабых кислот и оснований. Разрушаются при длительно воздействии кипящей воды и водяных паров; могут длительно работать в вакууме при высоких температурах. Полиимидные прессовочные материалы хорошие мех. свойства, хорошо сопротивляются ползучести, стойки к истиранию, обладают низким коэффициентом трения. Пресс-материалы используют для изготовления изделий конструкционного, антифрикционного, электроизоляционного назначения. Полиимидные связующие применяют для наполненных пластиков. Полибензимидазолы-ароматические гетероциклические полимеры. Бесцветны или имеют темный цвет. Могут иметь кристаллическое или аморфное строение, быть термопластичными или термостойкими. Обладают высокой термостойкостью (температура разложения на воздухе 300 – 600 0 С ), хорошая прочность, высокие диэлектрические свойства. Волокна огнестойки и термостойки. Уникальное сочетание свойств дает возможность широкого применения данного вещества. Композиции на его основе используют в качестве абляционных термозащитных материалов.Связующее – различные термопласты. В промышленности применяют полиамиды и поликарбонат Армирующие наполнители:стекловолокно, асбест, органически волокна, и ткани. Волокнистые наполнители образуют в полимере несущий каркас и таким образом упрочняют материал. Стекловолкниты – это полиамид или поликарбонат, наполненные мелкорубленым стекловолокном. Обладают повышенной прочностью, теплостойкостью, износостойкостью. Термопласты с наполнителями в виде синтетических волокон (пропиленовое волокно, капрон, лавсан, винол) являются перспективными. Такие волокна имеют близкую со связующим химическую природу и упрочнение получается высоким. Длительная прочность возрастает в десятки раз. Из волокнистых термопластиков изготавливают подшипники, зубчатые передачи, трубы, вентили, емкости для агрессивных сред. Слоистые термопласты содержат в качестве наполнителей ткани из различных волокон. Для получения высокопрочных пластмасс применяют полиамиды, армированные стеклотканью. Капрон (П-6) σв = 400 430 МПа, рабочая температура до 2200С. |