Пластические массы. 
Материаловедение в машиностроении

Состав пластических масс

Пластические массы (пластмассы) — это искусственные материалы, основой которых (связующим веществом) являются полимеры. В зависимости от типа связующего полимера пластмассы, так же как и полимеры, делятся на две группы: термопластичные и термореактивные.

Термопластичные пластмассы при нагреве размягчаются, становятся пластичными. В таком состоянии под давлением им придается необходимая форма, сохраняемая после охлаждения.

Формообразующие операции (прессование) термореактивных пластмасс выполняются до отверждения, т. е. на первой стадии их образования. Отверждение осуществляется после получения необходимой формы.

Пластмассы могут быть одноили многокомпонентными. Состав однокомпонентных представлен только полимером.

В состав многокомпонентных пластмасс помимо полимера могут входить наполнители, пластификаторы, отвердители, красители.

Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу специальные свойства. Это инертные к полимеру органические или неорганические вещества.

По виду наполнителя пластмассы делят:

• — на порошковые (наполнитель — древесная мука, графит, тальк и др.);
• — волокниты с наполнителем в виде волокна (очесы хлопка и льна), в том числе стеклои асбоволокниты;
• — слоистые с листовым наполнителем (бумага в гетинаксе, ткань хлопчатобумажная — текстолит, а также асбои стеклотекстолиты со стеклянной тканью и асбестом);
• — газонаполненные — пенои поропласты (наполнитель воздух или нейтральные газы).

Пластификаторы повышают эластичность, а также морозои огнестойкость и облегчают прессование. В качестве пластификаторов используют олеиновую кислоту, стеарин.

Отвердители — оксиды некоторых металлов, уротропин способствуют отверждению термореактивных пластмасс.

Красители и пигменты придают пластмассам определенную окраску.

Термопластичные пластмассы

Основа термопластичных пластмасс — полимеры с линейной или разветвленной структурой. Температура эксплуатации наиболее распространенных термопластов не превышает 60…200 °С (табл. 12.1), при более высоких температурах начинается резкое снижение свойств. При длительном приложении нагрузки вследствие релаксационных процессов происходит изменение размеров. Большей прочностью и жесткостью обладают кристаллические полимеры.

Полиэтилен (ПЭ) состоит из звеньев этиленовых радикалов (-СН2-СН2-)n. Производится полиэтилен высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления. Синтез ПЭВД выполняется при давлении 100 МПа и температуре 200…300 °С; ПЭНД — при 0,1…0,6 МПа и 150 °C. Макромолекулы имеют линейную структуру, что обеспечивает их упаковку в пачки и тем самым облегчает кристаллизацию. Степень кристалличности ПЭНД — 75…95%. ПЭВД — 55…65%. Бо? льшая степень кристалличности ПЭНД определяет его бо? льшую прочность и теплостойкость. Среднее значение предела прочности при растяжении составляет для ПЭНД около 30 МПа, для ПЭВД — 13 МПа.

ПЭ обладает весьма высокой химической стойкостью, при комнатных температурах нерастворим ни в одном известном растворителе.

ПЭ называют полимером, который позволил выиграть войну, так как его высокие диэлектрические свойства во многом определили эффективность радара.

Длительное применение ПЭ ограничено температурой 60… 100 °C. Морозостойкость — до -70 °С.

Полипропилен (ПП). (-СН2-СНСН3-)n является производным пропилена. Это жесткий, нетоксичный материал с более высокими, чем у ПЭ, свойствами. Пленки из ПП более прочны и обладают меньшей газопроницаемостью по сравнению с пленками из ПЭ. Рабочая температура ПП не выше 150 °C. Недостаток ПП — низкая морозостойкость (от -10 до -20 °С).

Полистирол (ПС). (-СН2-СHС6H5)п — твердый, жесткий, прозрачный материал, он хорошо окрашивается. ПС по сравнению с другими термопластами наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения, растворим в бензоле, но химически устойчив к действию кислот, щелочей, масел. Недостатки ПС — низкая теплостойкость, склон;

Таблица 12.1

Свойства термопластов

ность к старению и образованию трещин. ПС применяют для изготовления деталей радиотехники, приборов.

Акрилонитрилбутандиенстирольные пластики (АБСпластики). Сополимеры стирола с синтетическими каучуками. Являются ударопрочными материалами, превосходят обычный ПС по ударной вязкости в 3…5, а по относительному удлинению в 10 раз, поэтому АБС-пластики применяют для изготовления труб, деталей автомобилей и др.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ). (-CF2-CF2-)n, фторопласт-4 — один из наиболее теплои химически стойких термопластов. Температура длительной эксплуатации достигает 250 °C, он не охрупчивается при весьма низких температурах (до -269 °С). ПТФЭ — высококачественный диэлектрик. Особенностью фторопласта-4 являются антифрикционные свойства.

Недостатки — выделение токсичного фтора при высокой температуре, трудность переработки методами прессования из-за низкой пластичности.

Фторопласт-4 применяют для изготовления электротехнических деталей, мембран, уплотнительных прокладок и т. п., а также в триботехнике, для деталей узлов трения (см. ниже).

Политрифторхлорэтилен (ПТФХЭ). (-CF2-CFCl-)n — фторопласт-3 обладает повышенной плотностью и твердостью. Медленное охлаждение (после формования) обеспечивает степень кристалличности до 80−85%, быстрое (закалка) — 30−40%.

Введение

хлора нарушает симметрию звеньев макромолекул, материал становится полярным. Диэлектрические свойства при этом снижаются, но появляется пластичность, что облегчает формовочные операции.

Интервал рабочих температур от -105 до +70 °С. ПТФХЭ негорюч, атмосферостоек, при комнатной температуре не растворяется ни в одном из растворителей (даже в царской водке).

Фторопласт-3 используют как низкочастотный диэлектрик, из него также изготавливают трубы, шланги и др.

Поливинилхлорид (ПВХ). (-СН2-СНС1-)n — производное винилхлорида. На его основе производятся два вида пластмасс — винипласт и пластикат, в состав которого в отличие от винипласта входят пластификаторы.

ПВХ — один из наиболее распространенных материалов. Он негорюч, обладает высокой химической стойкостью.

Винипласт имеет высокие прочность и упругость, из него изготавливают строительную облицовочную плитку, защитные покрытия металлических емкостей. Недостатки — низкая длительная прочность и малый интервал рабочих температур (от -10 до 60…70 °С).

Введение

пластификаторов расширяет интервал рабочих температур (от −15…−50 до +160…195 °С), повышает эластичность. Пластикат — полярный пластик, он обладает высокими диэлектрическими свойствами в области низких частот. Основное применение — изоляция проводов, кабелей.

Полиамиды — это группа пластмасс с широко известными названиями: капрон, нейлон, лавсан, в состав которых входит амидная группа (-NH-CO-), а также этиленовые группы (-СН2-), повторяющиеся от 2 до 10 раз.

Полиамиды — кристаллизующиеся полимеры. При одноосной ориентации получают волокна, нити, пленки. Свойства разных видов полиамидов близки, они являются хорошим антифрикционным материалом, ударопрочны, обладают виброгасящими свойствами, нашли применение в электротехнической промышленности, их используют также для антифрикционных покрытий металлов.

Недостатки полиамидов — гигроскопичность и подверженность старению.

Полиуретаны (ПУ) содержат группу (-NH-COO-). По свойствам они близки полиамидам, из них изготавливают пленочные материалы и волокна. ПУ обладают химической стойкостью к действию кислот, масел, воды.