Короткі теоретичні відомості. В якості сполучних речовин застосовуються термореактивні смоли, в які іноді вводяться, пластифікатори

В якості сполучних речовин застосовуються термореактивні смоли, в які іноді вводяться, пластифікатори, отверджувачі, прискорювачі або сповільнювачі, розчинники. Основними вимогами до сполучних речовин є висока клеюча здатність (адгезія), висока теплостійкість, хімічна стійкість і електроізоляційні властивості, простота технологічної переробки, невелика усадка та відсутність токсичності (шкідливості). Смола склеює як окремі шари наповнювача, так і елементарні волокна і сприймає навантаження одночасно з ними, тому речовина після затвердіння повинна мати достатню міцність на відрив при розшаровуванні матеріалу. Для забезпечення високої адгезії сполучна речовина повинна бути полярною. Необхідно, щоб температурні коефіцієнти лінійного розширення сполучної речовини і наповнювача були близькі за величиною.

У виробництві пластмас широко використовують фенолоформальдегідні, кремнійорганічні, епоксидні смоли, неграничні поліефіри і їх різні модифікації. Більш високу адгезію до наповнювача мають епоксидні сполучні речовини, які дозволяють отримувати армовані пластики з високою механічною міцністю. Теплостійкість склопластиків при тривалому нагріванні становить на кремнійорганічній сполучній речовині до 370 °С, на фенолоформальдегідній до 260 °С, на епоксидній до 200 °С, на неграничній поліефірній сполучній речовині до 200 °С і на поліімідній до 350 °С. Таким чином, найвищу термостійкість мають пластики на кремнійорганічній речовині, але їх механічна міцність і адгезія до наповнювача внаслідок низької полярності смоли нижчі, ніж у інших сполучних. Важливою властивістю неграничних поліефірів і епоксидних смол є їх здатність до затвердівання не тільки при підвищеній, а й при кімнатній температурі без виділення побічних продуктів з мінімальною усадкою. З пластмас на їх основі можна отримувати великогабаритні вироби.

Залежно від форми частинок наповнювача термореактивні пластмаси можна підрозділити на наступні групи: порошкові, волокнисті і шаруваті.

Пластмасси з порошковими наповнювачами. В якості наповнювачів застосовують органічні порошки (деревна мука, порошкоподібна целюлоза) і мінеральні (мелений кварц, тальк, цемент, слюдяна мука, графіт та ін.).

Властивості порошкових пластмас характеризуються ізотропною, невисокою механічною міцністю і низькою ударною в'язкістю, задовільними електроізоляційними показниками. На основі фенолоформальдегідних смол з органічними наповнювачами виготовляють прес-порошки, з яких пресуванням отримують несилові конструкційні та електроізоляційні деталі: рукоятки, деталі приладів й под. Термостійкість пластмаси обмежується температурою руйнування деревини. На основі карбамідних смол виробляються прес-порошки, які порівняно з фенопластом мають хороший декоративний вигляд і більш низьку теплостійкість (100 °С).

Мінеральні наповнювачі надають пластмасі водостійкість, хімічну стійкість, підвищені електроізоляційні властивості, стійкість до тропічного клімату. При використанні в якості сполучної речовини кремнійорганічних полімерів і наповнювачів у вигляді кварцового порошку або азбесту теплостійкість пластмас досягає 300 °С. Композиції на основі епоксидних смол широко застосовують у машинобудуванні для виготовлення різного інструментального оснащення, витягувальних і формувальних штампів, корпусів верстатних, складальних і контрольних пристроїв, ливарних моделей, копірів та іншого оснащення. Їх застосовують для відновлення зношених деталей, усунення дефектів металевих відливок. Пластмаси, наповнені меленим кварцем, порцеляновою мукою, мають абразивні властивості.

Пластмаси з волокнистими наповнювачами. До цієї групи пластмас відносяться волокніти, азбоволокніти, скловолокніти. Волокніти являють собою композиції з волокнистого наповнювача у вигляді пачосів бавовни, просоченого фенолоформальдегідною сполучною речовиною. Порівняно з прес-порошками вони мають декілька підвищену ударну в'язкість.
Прес-матеріал волокніту є грубою і жорсткою масою, з якої не можна пресувати дрібногабаритні, тонкостінні деталі, волокніти застосовують для деталей загального технічного призначення з підвищеною стійкістю до ударних навантажень, які працюють на вигин і кручення (рукоятки, стійки, фланці, направляючі втулки, шківи, маховики й под.).

Азбоволокніти містять наповнювачем азбест – волокнистий мінерал, який розщеплений на тонке волокно. Сполучною речовиною служить фенолоформальдегідна смола. Перевагою азбоволокнітів є підвищена теплостійкість (понад 200 °С) і ударостійкість, стійкість до кислих середовищ і високі фрикційні властивості. Азбоволокніти використовуються в якості матеріалу гальмівних пристроїв (колодки, накладки, диски підйомних кранів, вагонів, автомобілів, екскаваторів та ін); з матеріалу фаоліту (різновид азбоволокнітів) отримують кислототривкі апарати, ванни, труби.

Скловолокніти – це композиція, що складається зі сполучної синтетичної смоли і скловолокнистого наповнювача. Скловолокно отримують продавлюванням розплавленої скломаси через фільєри (отвори у дні електропечі). В якості наповнювача застосовуються безперервне скловолокно або коротке волокно. Міцність скловолокна різко зростає із зменшенням його діаметру (внаслідок впливу неоднорідностей і тріщин, що виникають у товстих перетинах).
Властивості скловолокна залежать також від вмісту у його складі лугів – найкращі показники у безлужних стекол алюмоборосілікатного складу, до термостійких відносяться волокна – кварцеве, кремнеземне (або кварцоїдне), алюмосилікатне. Скловолокно негорить, стійке до дії ультрафіолетових променів, хімічностійке, стабільних розмірів. Наповнювач є армуючим елементом і сприймає основні навантаження при роботі склопластику.

Орієнтовані стекловолокніти мають наповнювач у вигляді довгих скляних волокон, розташованих орієнтовано окремими пасмами і ретельно склеєних сполучною речовиною (АГ-4С). Це забезпечує більш високу міцність склопластику. Наприклад склопластик АГ-4В (неорієнтований) має а=25кгс·см/см²; а склопластик А Г-4С (орієнтований) – а=100 кгс·см/см².

Скловолокніти у результаті високих фізико-механічних характеристик застосовують для деталей високого класу точності будь-якої конфігурації з арматурою і різьбленням. Вони можуть працювати при температурах від –60 до 200 °С, а також у тропічних умовах, витримувати великі інерційні перевантаження. Іонізуючі випромінювання при дозі 400 Мрад мало впливають на їх механічні та електричні властивості.

Шаруваті пластмаси. Шаруваті пластмаси є силовими конструкційними і виробничими матеріалами. Листові наповнювачі, укладені шарами, надають пластику анізотропність. Матеріали випускаються у вигляді листів, плит, труб, заготовок, з яких механічною обробкою отримують різні деталі.

Гетинакс отримують на основі модифікованих фенольних, аніліноформальдегідних і карбамідних смол і різних сортів паперу. За призначенням гетинакс підрозділяють на електротехнічний (для панелей, щитків й под.) і декоративний, який може мати різні кольори і текстуру, що імітує деревні породи. Пластик можна застосовувати при температурі 120–140 °С. Він стійкий до дії хімікатів, розчинників, харчових продуктів; використовується для внутрішнього облицювання пасажирських кабін літаків, залізничних вагонів, кают судів, у будівництві.

Текстоліт (сполучна речовина – термореактивні смоли, наповнювач – бавовняні тканини). Серед шаруватих пластиків текстоліт має найбільшу здатність поглинати вібраційні навантаження, добре чинити опір розколюванню. Залежно від призначення текстоліти поділяють на конструкційні (ПТК, ПТ, ПТМ), електротехнічні, графітизовані, гнучкі. Текстоліт, як конструкційний матеріал застосовується для зубчастих коліс; шестеренні передачі працюють безшумно при частоті обертання до 30000 об/хв. Текстолітові вкладиші підшипників служать у 10–15 разів довше бронзових. Проте робоча температура текстолітових підшипників невисока (80–90 °С).

Вони застосовуються у прокатних станах, відцентрових насосах, турбінах і ін.

Деревношаруваті пластики (ДШП) складаються з тонких листів деревного пшона, просочених феноло- і крезольноформальдегідними смолами і спресованих у вигляді листів і плит. Деревношаруваті пластики мають високі фізико-механічні властивості, низький коефіцієнт тертя і з успіхом замінюють текстоліт, а також кольорові метали і сплави. Шестерні з ДШП довговічні, при роботі їх в парі з металевими помітно знижується шум. Недоліком ДШП є чутливість до вологи. З ДШП виготовляють шківи, втулки, повзуни лісопильних рам, корпуси насосів.

Азботекстоліт містить 38–43 % сполучної речовини, решта азбестова тканина. Асботекстоліт є конструкційним, фрикційним і термоізоляційним матеріалом. Найбільш високу теплостійкість має матеріал на кремнійорганічній сполучній речовині (300 °С), а механічна міцність вища у фенольних азбопластиків. З азботекстоліта роблять лопатки ротаційних бензонасосів, фрикційні диски, гальмівні колодки. Азботекстоліт витримує короткочасно високі температури і тому застосовується в якості теплозахисного та теплоізоляційного матеріалу (протягом 1–4 год. витримує температуру 250–500 °С і короткочасно 3000 °С і вище).

Склотекстоліти. У склотекстолітах застосовують наповнювачем скляні тканини, які по вигляду ткацького переплетення поділяють на полотняні, або гарнітурні, сатинові, або атласні, і кордові.

Поздовжні нитки тканини називають основою, поперечні – утком. Тканини полотняного переплетення мають на поверхні максимально часте чергування основних і утокових ниток, що надає тканині жорсткість. Однак скловолокна крихкі, і при їх взаємному перетиранні або під тиском може відбутися руйнування тканини. У сатинових тканинах більш рідке перекриття ниток, тому склотекстоліт на їх основі міцніший і краще працює у конструкціях. Кордові тканини мають посилені нитки основи і тонкі, рідко розташовані нитки утка. При отриманні виробів посилені нитки основи укладають у напрямку, що збігається з деформацією, вони сприймають розтягуючі навантаження.

У поперечному ж напрямку міцність значно нижча, тобто матеріал анізотропний. Багатошарові тканини (МТБС), одержувані тривимірним переплетенням, забезпечують підвищений опір зрушенню і розколюванню. На основі нетканих орієнтованих матеріалів (нитки в яких не перегинаються) отримують склотекстоліти (типу ВВР-10), які мають ті ж показники, що і на основі склотканини, а собівартість їх нижча на 20 %. Склотекстоліт на фенолоформальдегідній сполучній речовині (типу каст) недостатньо віброміцний, але порівняно зі звичайним текстолітом він більш теплостійкий і має високі електроізоляційні властивості. Склотекстоліти на основі кремнійорганічних смол (СТК, СК-9Ф, СК-9А) мають відносно невисоку механічну міцність, але відрізняються високою теплостійкістю і морозостійкістю, мають стійкість до окислювачів та інших хімічно активних реагентів, не викликають корозії металів. Епоксидні сполучні речовини (ЕД-8, ЕД-10) забезпечують склотекстолітам найбільш високі механічні властивості і дозволяють виготовляти з них великогабаритні деталі. Склотекстоліти на основі ненасичених поліефірних смол також не вимагають високого тиску при пресуванні і застосовуються для виготовлення великогабаритних деталей.

Особливістю склопластиків є неоднорідність механічних властивостей (розкид показників досягає 7–15 %), обумовлених різними факторами: складом, структурою,технологією.

Тривало склопластики можуть працювати при температурах 200–400 °С, однак короткочасно. протягом декількох десятків секунд, склопластики витримують кілька тисяч градусів. При дії дуже високих температур поверхневі шари матеріалу вигорають – утворюються газоподібні продукти деструкції сполучної речовини, які, дифундуючи через прикордонний шар, поглинають теплоту, зменшуючи тепловий потік, що підходить до поверхні матеріалу. У результаті утворюється шар термостійкого коксу, що уповільнює процес деструкції. Наповнювач плавиться, при цьому витрачається багато теплоти. Теплопровідність пластиків у сотні разів менша, ніж у металів, тому при короткочасній дії високої температури внутрішні шари матеріалу нагріваються до 200–350 °С і зберігають механічну міцність. Особливість поведінки склопластіків в умовах високих температур є їх перевагою перед іншими конструкційними матеріалами (жароміцними сплавами) і дозволяє застосовувати як конструкційний і теплозахисний матеріал.

Тривала міцність склопластиків залежить від їх складу і зовнішніх умов (вологи, температури, напруги). Кращі властивості мають склопластики на основі епоксидних і фенолоформальдегідних смол. Працездатність склопластиків вища, ніж у металів. Деякі склотекстоліти мають витривалість при вигині до 107 циклів.

Таким чином, склопластики є конструкційними матеріалами, застосовуваними для силових виробів у різних галузях техніки (несучі деталі літальних апаратів, кузови й кабіни автомашин, автоцистерни, залізничні вагони, корпуси човнів, судів). З склопластиків виготовляють корпуси машин, кожухи, захисні огорожі, вентиляційні труби, бачки, рукоятки, контейнери і багато іншого.

Порядок виконання роботи

1. Вивчити теоретичні відомості.

2. Описати основні властивості та застовування запропонованих викладачем реактопластів.

Зміст звіту

1. Найменування роботи, мета й устаткування.

2. Основні положення теоретичних відомостей.

3. Основні властивості та застовування запропонованих викладачем реактопластів.

Контрольні питання

1. Як класифікують пластмаси?

2. Що таке термореактивні полімери?

3. Якими основними властивостями характеризуються реактопласти?

4. Застосування реактопластів у техниці.

Література: [5 – 8].

 

Лабораторна робота № 14