Склад, класифікація та властивості пластмас.

Обов'язковим компонентом пластмаси є сполучна речовина. Як сполучна для більшості пластмас використовуються синтетичні смоли, рідше застосовуються ефіри целюлози. Багато пластмас, головним чином термопластичні, складаються з однієї сполучної речовини, наприклад поліетилен, органічне скло та ін.

Іншим важливим компонентом пластмас є наповнювач (порошкоподібні, волокнисті та інші речовини як органічного, так і неорганічного походження). Після просочення наповнювача сполучною речовиною отримують напівфабрикат, який спресовується у монолітну масу. Наповнювачі підвищують механічну міцність, знижують усадку при пресуванні і надають матеріалу ті чи інші специфічні властивості (фрикційні, антифрикційні й под.). Для підвищення пластичності у напівфабрикат додають пластифікатори (органічні речовини з високою температурою кипіння і низькою температурою замерзання, наприклад олеїнову кислоту, стеарин, дибутилфталат та ін.). Пластифікатор надає пластмасі еластичність, полегшує її обробку. Нарешті, вихідна композиція може містити отверджувачі (різні аміни) або каталізатори (перекисні сполуки) процесу отвердіння термореактивних сполучних, інгібітори, що оберігають напівфабрикати від їх самовільного твердіння, а також барвники (мінеральні пігменти і спиртові розчини органічних фарб, служать для декоративних цілей).

Властивості пластмасс залежать від складу окремих компонентів, їх поєднання і кількісного співвідношення, що дозволяє змінювати характеристики пластиків у досить широких межах.

За характером сполучної речовини пластмаси поділяють на термопластичні (термопласти), одержувані на основі термопластичних полімерів, і термореактивні (реактопласти) – на основі термореактивних смол. Термопласти зручні для переробки у вироби, дають незначну усадку при формуванні (1–3 %), Матеріал відрізняється великою пружністю, малою крихкістю і здатністю до орієнтації. Зазвичай термопласти виготовляють без наповнювача. У останні роки стали застосовувати термопласти з наповнювачами у вигляді мінеральних та синтетичних волокон (органопласти).

Термореактивні полімери після затвердіння і переходу сполучної речовини у термостабільний стан (просторова структура) часто дають велику усадку (до 10–15 %) при їх переробці, тому у їх склад вводять підсилюючі наповнювачі.

За видом наповнювача пластмаси ділять на порошкові (прес-порошки) з наповнювачами у вигляді деревної муки, сульфітної целюлози, графіту, тальку, подрібненого скла, мармуру, азбесту, слюди, просочених сполучними речовинами (часто їх називають карболіти); волокнисті з наповнювачами у вигляді пачосів бавовни та льону, скляного волокна (скловолокніти), азбесту (азбоволокніти); шаруваті, містять листові наповнювачі (аркуші паперу у гетинаксі, бавовняні, скляні, азбестові тканини у текстоліті, деревяний шпон у деревошаруватих пластиках); порошкоподібні (наповнювач у вигляді шматочків тканини або деревного шпону, просочених сполучною речовиною); газонаповнені.

Залежно від структури останні поділяють на пінопласти і поропласти.

Сучасні композиційні матеріали містять в якості наповнювачів вугільні і графітові волокна (карбоволокніти); волокна бору (бороволокніти).

За застосуванням пластмаси можна поділити на силові (конструкційні, фрикційні та антифрикційні, електроізоляційні) і несилові (оптично прозорі, хімічно стійкі, електроізоляційні, теплоізоляційні, декоративні, ущільнювальні, допоміжні). Проте цей поділ умовний, так як одна і та ж пластмаса може мати різні властивості, наприклад, поліаміди застосовують як антифрикційні і електроізоляційні матеріали й под.

Пластмаси за своїми фізико-механічними та технологічними властивостями є найбільш прогресивними і часто незамінними матеріалами для машинобудування.

Особливостями пластмас є мала величина щільності (для більшості пластмас щільність коливається від 1 до 2 г/см³, а для пінопластів – від 0,015 до 0,8 г/см³); низька теплопровідність = 0,1 – 0,4, температурний коефіцієнт лінійного розширення = 0,5 ∙ 10 – 12 ∙ 10 1/ °С; хороші електроізоляційні властивості (діелектрична проникність =1,8 – 8,9, питомий об'ємний опір ρ = 108·10 Ом·см, електрична міцність Е_пр = 10 – 30 кВ/мм); хороша оптична прозорість і радіо прозорість деяких видів пластмас; несхильність до корозії і висока хімічна стійкість; фрикційні й антифрикційні властивості; висока механічна міцність силових пластиків, порівняно з міцністю сталі; хороші технологічні властивості (легко формуються, пресуються, їх можна склеювати і зварювати, обробляти на верстатах).

Недоліками пластмас є невисока теплостійкість, низькі модуль пружності та ударна в'язкість порівняно з металами і сплавами, а для деяких пластмас схильність до старіння.

Термопластичні пластмаси.

У основі термопластичних пластмасс лежать полімери лінійної чи розгалуженої структури, іноді до складу полімерів вводять пластифікатори.

Термопластичні пластмаси застосовують як прозоре органічне скло, високо- і низькочастотні діелектрики, хімічно стійкі матеріали; з цих пластмас виготовляють тонкі плівки і волокна. Деталі, виконані з таких матеріалів, мають обмежену робочу температуру. Зазвичай при нагріванні вище 6О–7О °С починається різке зниження їх фізико-механічних характеристик, хоча більш теплостійкі пластмаси можуть працювати при температурі 150–250 °С.

Термостійкі полімери з жорсткими ланцюгами і циклічною структурою стійкі до 400–600 °С.

Неполярні термопластичні пластмаси.

До неполярних пластиків відносяться поліетилен, поліпропілен, полістирол і фторопласт-4.

Поліетилен – продукт полімеризації безбарвного газу етилену, що відноситься до полімерів, які кристалізуються.

За щільністю поліетилен поділяють на поліетилен низької щільності, що отримується у процесі полімеризації при високому тиску (ПЕВТ), містить 55–65 % кристалічної фази, і поліетилен високої щільності, що отримується при низькому тиску (ПЕНД), має кристалічність до 74–95 %.

Чим вищи щільність і кристалічність поліетилену, тим вища механічна міцність і теплостійкість матеріалу. Теплостійкість (ГОСТ 12021-75) поліетилену невисока, тому тривало його можна застосовувати при температурах до 60–100 °С. Морозостійкість поліетилену сягає – 70 °С і нижче. Поліетилен хімічно стійкий і при кімнатній температурі не розчиняється у жодному з відомих розчинників. При нагріванні стійкий до води, ацетону, спирту.

Недоліком поліетилену є його схильність до старіння. Для захисту від старіння у поліетилен вводять стабілізатори та інгібітори (2–3 % сажі уповільнюють процеси старіння у 30 разів).

Під дією радіоактивного опромінення поліетилен твердіє, набуває велику міцність і теплостійкість.

Поліетилен застосовують для виготовлення труб, литих і пресованих
несилових деталей (вентилі, контейнери тощо), поліетиленових плівок для ізоляції проводів та кабелів, чохлів, скління парників, облицювання водойм, крім того, поліетилен служить покриттям на металах для захисту від корозії, вологи, електричного струму й ін.

Поліпропилен – є похідною етилену. Застосовуючи металоорганічні каталізатори, отримують поліпропилен, який містить значну кількість стереорегулярної структури. Це жорсткий нетоксичний матеріал з високими фізико-механічними властивостями. Порівняно з поліетиленом цей пластик більш теплостійкий і зберігає форму до температури 150 °С. Поліпропиленові плівки міцні і більш газонепроникні, ніж поліетиленові, а волокна еластичні, міцні і хімічно стійкі. Нестабілізований поліпропилен піддається швидкому старінню. Недоліком пропилену є його невисока морозостійкість (– 10 – 20 °С). Поліпропілен застосовують для виготовлення труб, конструкційних деталей автомобілів, мотоциклів, холодильників, корпусів насосів, різних ємкостей та ін. Плівки використовують в тих же цілях, що і поліетиленові.

Полістирол – твердий, жорсткий, прозорий, аморфний полімер. За діелектричними характеристиками близький до поліетилену, зручний для механічної обробки, добре фарбується. Будучи неполярним, полістирол розчиняється у багатьох неполярних розчинниках (бензол), у той же час він хімічно стійкий до кислот і лугів; розчиняється у спиртах, бензині, мастилах, воді. Полістирол найбільш стійкий до радіоактивного опромінення порівняно з іншими термопластами (присутність у макромолекулах фенільного радикалу С₆Н₅). Недоліками полістиролу є його невисока теплостійкість, схильність до старіння, утворення тріщин. Ударостійкий полістирол являє собою блоксополімери стиролу із синтетичним каучуком. Такий матеріал має у 3–5 разів більш високу міцність на удар і у 10 разів вище відносне подовження порівняно із звичайним полістиролом. Високоміцні АБС-пластики (акрилонитрилбутадієнстирольні) відрізняються підвищеною хімічною стійкістю і ударною міцністю. Проте діелектричні властивості таких сополімерів нижчі порівняно з чистим полістиролом. Із полістиролу виготовляють деталі для радіотехніки, телебачення та приладів, деталі машин (корпуси, ручки тощо), ємності для води і хімікатів, плівки стирофлекс для електроізоляції, а АБС-пластики застосовуються для деталей автомобілів, телевізорів, човнів, труб й под.

Фторопласти (вітчизняна назва пластика фторопласт-4, фторлон-4) є термічно і хімічно стійкими матеріалами. Основним представником фторовмісних полімерів є політетрафторетилен. Це насичений полімер з макромолекулами у вигляді зигзагоподібних спіралей. До температури 250 °С швидкість кристалізації мала і не впливає на його механічні властивості, тому довго експлуатувати фторопласт-4 можна до температури 250 °С. Руйнування матеріалу відбувається при температурі вище 415 °С. Аморфна фаза знаходиться у високоеластичному стані, це додає фторопласту-4 (фторлон-4) відносну м'якість. Температура склування – 120 °С, але навіть при дуже низьких температурах (до – 269 °С) пластик некрихкий. Висока термостійкість фторопласта-4 обумовлена ​​високою енергією зв'язку С–Р. Крім того, внаслідок невеликого розміру атоми фтору утворюють щільну оболонку навколо ланцюга С–С і захищають останню від хімічних реагентів. Фторопласт-4 стійкий до дії розчинників, кислот, лугів, окислювачів. Практично фторлон-4 руйнується тільки під дією розплавлених лужних металів (калій, натрій) і елементарного фтору, крім того, вода пластик не змочує.

Фторопласт-4 застосовують для виготовлення труб для хімікатів, деталей (вентилі, крани, насоси, мембрани), ущільнювальних прокладок, манжет, сильфонів, електрорадіотехнічних деталей, антифрикційних покриттів на металах (підшипники,втулки).

Різновидом фторопласта є фторопласт-4Д, що відрізняється формою і розміром частинок, меншою молекулярною масою. Це полегшує переробку матеріалу у вироби. Фізико-механічні властивості однакові з фторопластом-4.
Волокно і плівку фторлон виготовляють з фторопласту-4. Фторлонова тканина не горить, хімічно стійка, застосовується для ємностей, рукавів, спецодягу, діафрагм й под.

Полярні термопластичні пластмаси.

До полярних пластиків відносяться фторопласт-3, органічне скло, полівінілхлорид, поліаміди, поліуретани, поліетилентерефталат, полікарбонат, поліарілати, пентапласт, поліформальдегід.

Фторопласт-3 (фторлон-3) – полімер тріфторхлоретілена і є кристалічним полімером.

Уведення атома хлору порушує симетрію ланок макромолекул, матеріал стає полярним. Діелектричні властивості знижуються, але з'являється пластичність і полегшується переробка матеріалу у вироби. Фторопласт-3, повільно охолоджений після формування, має кристалічність близько 80–85 %, а загартований – 30–40 %. Інтервал робочих температур від –105 до +70 °С. При температурі 315 °С починається термічне руйнування. Холаднотекучість полімеру проявляється слабше, ніж у фторопласта-4. За хімічною стійкістю поступається політетрафторетилену, але все ж має високу стійкість до дії кислот, окислювачів, розчинів лугів і органічних розчинників.

Органічне скло – це прозорий аморфний термопласт на основі складних ефірів акрилової і метакрилової кислот. Найчастіше застосовується поліметилметакрилат, іноді пластифікований дибутилфталат. Матеріал більш ніж у 2 рази легший мінеральних стекол, відрізняється високою атмосферостійкістю, оптично прозорий (світло прозорість 92 %), пропускає 75 % ультрафіолетового проміння (силікатні – 0,5 %). При температурі 80 °С органічне скло починає розм'якшуватися; при температурі 105–150 °С з'являється пластичність, що дозволяє формувати з нього різні деталі. Механічні властивості органічного скла залежать від температури. Критерієм, що визначає придатність органічних стекол для експлуатації, є не тільки їх міцність, а й поява на поверхні і усередині матеріалу дрібних тріщин, так званого «срібла». Цей дефект знижує прозорість і міцність скла. Причиною появи срібла є внутрішні напруження, що виникають у зв'язку з низькою теплопровідністю і високим температурним коефіцієнтом лінійного розширення матеріалу.

Органічне скло стійке до дії розбавлених кислот і лугів, вуглеводневих палив і мастил, розчиняється у ефірах і кетонах, органічних кислотах, ароматичних і хлорованих вуглеводнях. Старіння органічного скла у природних умовах протікає повільно.

Недоліком органічного скла є невисока поверхнева твердість. Збільшення термостійкості і ударної в'язкості органічного скла досягається витягуванням його у пластичному стані в різних напрямках (орієнтованні стекла), при цьому збільшується у кілька разів міцність на удар і стійкість до «сріблення»; сополімерізацією або прищепленою полімеризацією поліметилметакрилату з іншими полімерами, що підвищує поверхневу твердість і теплостійкість; отриманням частково зшитої структури (термостабільні стекла); застосуванням багатошарових стекол («триплекс») на основі органічних стекол, склеєних прозорою плівкою (наприклад, з полівінілбутіраля).

Максимальні робочі температури при повному прогріві органічних стекол 60–100 °С. При неповному прогріві за товщиною скло можна використовувати у інтервалі від – 60 до 160 °С. Органічне скло використовують у літакобудуванні, автомобілебудуванні.

З органічного скла виготовляють світлотехнічні деталі, оптичні лінзи і ін. На основі поліметилметакрилату отримують пластмаси: АСТ, стіракріл, АКР. Зазначені матеріали застосовують для виготовлення штампів, ливарних моделей та абразивного інструменту.

Полівінілхлорид є полярним аморфним полімером. Пластмаси на основі полівінілхлориду мають хороші електроізоляційні характеристики, стійкі до хімікатів, не підтримують горіння, атмосферостійкі.

Непластифікований твердий полівінілхлорид називається вініпластом. Вініпласти мають високу механічну міцність і пружність.

З вініпласту виготовляють труби для подачі агресивних газів, рідин і води, захисні покриття для електропроводки, деталі вентиляційних установок, теплообмінників, захисні покриття для металевих ємностей, будівельні облицювальні плитки. Крім того, вініпластом облицьовують гальванічні ванни. Недоліками цього матеріалу є низька тривала міцність і низька робоча температура під навантаженням (60–70 °С), великий коефіцієнт лінійного розширення.

При введенні пластифікатора отримують поліхлорвініловий пластикат, що має морозостійкість –15 –50 °С, використовується для консервації двигунів, виготовлення засобів захисту при роботі з радіоактивними речовинами. З пластикату отримують труби, друковані валики, ущільнювальні прокладки; використовують для покриття тканин (наприклад, конвеєрні стрічки).

Поліаміди – це група пластмас з відомими назвами: капрон, нейлон, анід та ін. Поліаміди кристалізуються. Окремі ланцюжки макромолекул розташовуються таким чином, що між групами CO і NH, що належать різним ланцюжкам, виникає водневий зв'язок, який підвищує температуру плавлення до 210–264 °С і сприяє утворенню регулярної структури. Властивості різних видів поліамідів досить близькі. У них низька щільність; межа міцності при розриві 5–11 кгс/мм², відносне подовження від 10–100 до 200–350 %, міцність волокон 60 кгс/мм². Поліаміди мають низький коефіцієнт тертя, тривалий час можуть працювати на стирання, крім того, поліаміди ударостійкі і здатні поглинати вібрацію. Вони стійкі до лугів, бензину, спирту; стійкі у тропічних умовах.

До недоліків поліамідів відноситься деяка гігроскопічність і схильність старіння внаслідок окислення (особливо при переробці смол). Водопоглинання залежить від вмісту амідних груп та структури і становить від 1,75 % (поліамід П-12) до 11–12 % (капрон, П-54). Стійкість поліамідів до світла підвищується введенням стабілізатора, а антифрикційні властивості – введенням наповнювача – графіту.

З поліамідів виготовляють шестірні, втулки, підшипники, болти, гайки, шківи, ​​деталі ткацьких верстатів, мастилобензопроводи, ущільнювачі гідросистем, колеса відцентрових насосів, турбін, турбобурів, буксирні канати й под. Поліаміди використовують у електротехнічній промисловості, медицині і, крім того, як антифрикційні покриття металів.

Поліуретани містять уретанову групу. Кисень молекулярного ланцюга надає полімерам гнучкість, еластичність; їм властива висока атмосферо стійкість і морозостійкість (– 60 –70 °С). Верхня температурна межа становить 120–170 °С (при високій вологості – до 100–110 °С). Властивості поліуретану в основному близькі до властивостей поліамідів. З поліуретану виробляють плівкові матеріали і волокна, які малогігроскопічні та хімічно стійкі.
Залежно від вихідних речовин, що застосовуються при отриманні поліуретанів, вони можуть мати різні властивості, бути твердими, еластичними і навіть термореактивними.

Поліетилентерефталат – складний поліефір. Випускався під назвою лавсан, за кордоном – майлар, терілен. Поліетилентерефталат є кристалічним полімером; при швидкому охолодженні розплаву можна отримувати аморфний полімер, який при нагріванні понад 80 °С починає кристалізуватися. Присутність кисню у основному ланцюзі надає гарну морозостійкість (–70 °С).

Бензольне кільце підвищує теплостійкість (температура плавлення 255–257 °С). Механічна міцність при розтягуванні 1,75 кгс/мм², модуль пружності 352 кгс/мм², при орієнтуванні міцність зростає.

Поліетилентерефталат є діелектриком і має порівняно високу хімічну стійкість, стійкий в умовах тропічного клімату. Із поліетилентерефталату виготовляють шестірні, кронштейни, канати, ремені, тканини, плівки та ін.

Полікарбонат – складний поліефір вугільної кислоти; випускається під назвою діфлон. Це кристалічний полімер, якому при плавленні і подальшому охолодженні можна надати аморфну ​​структуру. Такий матеріал стає склоподібним і прозорим. Властивості полікарбонатів своєрідні – їм притаманні гнучкість і одночасно міцність та жорсткість. За міцністю при розриві матеріал близький до вініпласту і відрізняється високою ударною в'язкістю, він не холоднотекуч. При тривалому нагріванні, навіть до температури розм'якшення, зразки зберігають свої розміри і залишаються еластичними при низьких температурах.

Полікарбонат хімічно стійкий до розчинів солей, розведених кислот і лугів, палива, олив; руйнується міцними лугами. Витримує світлотепловакуумне старіння і теплові удари. Полікарбонат має обмежену стійкість до іонізуючих випромінювань.

З полікарбонату виготовляють шестірні, підшипники, автодеталі, радіодеталі й под. Його можна використовувати у кріогенній техніці для роботи у середовищі рідких газів. Діфлон застосовується також у вигляді гнучких, міцних плівок.

Поліарілати – складні гетероцепні поліефіри. Поліарілататам властиві висока термічна стійкість і морозостійкість (до –100 ^оС), хороші показники механічної міцності і антифрикційні властивості. Поліарілати радіаційностійкі і хімічностійкі. Поліарілати застосовуються для підшипників, що працюють у глибокому вакуумі без змащення, як ущілювальні матеріали у буровій техніці.

Пентапласт є хлорованим простим поліефіром, відноситься до полімерів, що повільно кристалізуються. Пентапласт більш стійкий до нагрівання порівняно з полівінілхлоридом (відщеплення хлористого водню під дією температури не відбувається). Міцність пентапласта близька до міцності вініпласту, але він витримує температуру 180 ^оС і добре формується, нехолоднотекуч, стійкий до стирання. Пентапласт, будучи речовиною полярною, має задовільні електроізоляційні властивості. Крім того, він водостійкий. За хімічною стійкістю займає проміжне положення між фторопластом і вініпластом. З пентапласта виготовляють труби, клапани, деталі насосів і точних приладів, ємності, плівки та захисні покриття на металах.

Поліформальдегід – простий поліефір – лінійний полімер, який має у ланцюгу кисень. Підвищена кристалічність (75 %) і надзвичайно щільна упаковка кристалів дають поєднання таких властивостей, як твердість, висока ударостійкість і пружність.

Температурний інтервал застосування полімеру від –40 до 130 ^оС; він водостійкий, стійкий до мінеральних олив і бензину. Поліформальдегід використовують для виготовлення зубчастих передач, шестерень, підшипників, клапанів, деталей автомобілів, конвеєрів й под.

Термостійкі пластики. У цих полімерах феніленові ланки чергуються з гнучкими ланками (амідними, сульфідними та ін). Температура експлуатації їх до 400 °С. Крім полімерів з гнучкими ланками створюється новий класс полімерів з жорсткими ланцюгами, у які вводяться стійкі гетероцикли.

Ароматичний поліамід – фенилон. Це лінійний гетероланцюговий полімер, здатний кристалізуватися.

Порівняно з капроном, фенилон має більш високу втомну міцність і зносостійкість.

З фенилону виготовляють підшипники, ущільнювальні деталі запірних пристроїв, зубчасті колеса, деталі електрорадіопередач. З нього отримують плівки, волокна, папір (номекс).

Поліфеніленоксид – простий ароматичний поліефір, аморфний, важко кристалізується, за термічною стабільністю поступається фенилону. Тривало його можна застосовувати до 130–150 °С; хімічностійкий.

Полісульфон – простий ароматичний поліефір. Це аморфний полімер, що важко кристалізується. Матеріал термічностабільний, хімічностійкий, за міцністю близький до поліфеніленоксиду. Полісульфон застосовують у вигляді плівок. З нього виготовляють деталі автомобілів, верстатів, побутових машин.

Поліаміди – ароматичні гетероциклічні полімери. Залежно від структури поліаміди можуть бути термопластичними і термореактивними. Найбільше практичне застосування отримали лінійні полііміди. На основі поліімідів отримують плівки, які за міцністю не поступаються лавсановим. Поліаміди стійкі до дії розчинників, мастил, слабких кислот та лугів. Руйнуються при тривалому впливі киплячої води та водяної пари. Можуть довго працювати у глибокому вакуумі при високих температурах.

Поліаміди застосовують у вигляді плівок для ізоляції проводів та кабелів, друкованих схем, електронно-вакуумної теплової ізоляції.

Порядок виконання роботи

1. Вивчити теоретичні відомості.

2. Описати основні властивості та застосування запропонованих викладачем термопластів.

Зміст звіту

1. Найменування роботи, мета й устаткування.

2. Основні положення теоретичних відомостей.

3. Основні властивості та застовування запропонованих викладачем термопластів.

Контрольні питання

1. Як класифікують пластмаси?

2. Що таке термопластичні полімери?

3. Якими основними властивостями характеризуються термопласти?

4. Застосування термопластів у техниці.

Література: [6 – 8].

 

Лабораторна робота № 13