Лабораторная работа № 17. Пластические массы

Цель работы: ознакомление с принципами классификации пластических масс по характеру связующего вещества и по назначению; определение отличительных признаков различных видов пластмасс: по внешнему виду; характерным механическим свойствам; реакции на открытое пламя; по органолептическим показателям.

Оборудование и инструмент: стенды с образцами изделий из пластмасс.

 

Замена металлических изделий на пластмассовые весьма эффективна: вес конструкции, трудоемкость изготовления, себестоимость продукции снижаются до 5 раз.

Полимерные органические соединения являются основой пластических масс. Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев – мономеров одинаковой структуры. Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому строению мономеров или разнородных звеньев, в первом случае соединения называются гомополимерами, во втором – сополимерами.

По отношению к нагреву полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры при нагревании переходят из твердого агрегатного состояния в вязкотекучее, а при охлаждении вновь затвердевают. Это свойство термопластичные полимеры сохраняют при многократных нагревах. Термореактивные пластмассы при нагреве первоначально размягчаются, а затем переходят в неплавкое, нерастворимое, твердое состояние.

17.1 Термопластичные полимеры

К термопластичным полимерам относятся полиолефины, полиамиды, поливинилхлорид, фторопласты, полиуретаны.

Термопласты имеют невысокую температуру перехода в вязкотекучее состояние, хорошо перерабатываются литьем под давлением, экструзией и прессованием. Применяются термопласты в качестве изоляторов, химически стойких конструкционных материалов, прозрачных оптических стекол, пленок, волокон, а также в качестве связующих для получения композиционных материалов, лаков, клеев и др.

Полиэтилен представляет собой продукт полимеризации этилена. Это относительно твердый и упругий материал, без запаха, белый в толстом слое и прозрачный в тонком (см. образец 1.1). Полиэтилен легко перерабатывается различными методами, устойчив к ударным и вибрационным нагрузкам, агрессивным средам и воздействию радиации, обладает высокой морозостойкостью (до –70 °С). Полиэтилен склонен к старению при воздействии на него света. Для подавления необратимых процессов старения полиэтилена в него (как и в другие термопласты) вводят специальные добавки – стабилизаторы. Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и прессованных не силовых деталей, пленок, изоляции проводов и кабелей, а также в качестве защитных покрытий металлов от коррозии.

Полипропилен – производная этилена, жесткий нетоксичный материал с более высокими физико-механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом более теплостоек, сохраняет форму до 150 ^оС, однако морозостойкость ниже, до – 15 ^оС.

Применяется для изготовления труб, деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, емкостей, пленок, посуды для горячих пищевых продуктов (стаканы, тарелки, вилки, ложки, маркируется PP) (см. образец 1.2).

Поливинилхлорид (ПВХ) – аморфный полимер белого цвета, обладает высокими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью, негорюч. Непластифицированный поливинилхлорид называется винипластом (см. образец 1.3). Винипласт имеет высокую механическую прочность и обладает хорошими электроизоляционными свойствами, легко формуется, хорошо поддается механической обработке, склеивается и сваривается, хрупок при отрицательных температурах (рабочий диапазон температур от – 10 до + 70 °С). При нагревании разлагается с образованием ядовитых веществ и при пожаре представляет значительную опасность. Из винипласта изготавливают различные изделия – краны, клапаны, задвижки, детали насосов, вентиляторов, облицовочную плитку, трубы, обложки тетрадей и др.

Политетрафторэтилен – (фторопласт–4) является фторопроизводным продуктом этилена. В вязкотекучее состояние переходит при температуре 423 °С, прессование изделий производят при температуре 380 °С, т. к. при более высоких температурах выделяется токсичный фтор. Материал обладает высокой термостойкостью, стоек к действию кислот, щелочей, окислителей, растворителей. Фторопласт–4 имеет очень низкий коэффициент трения (f=0,04), сохраняет упругие свойства до 269 °С.

Фторопласт–4 применяется для изготовления: уплотнительных элементов, мембран, фурнитуры, работающих в агрессивных средах; антифрикционных покрытий на металлических изделиях; высокочастотной аппаратуры, кабелей, конденсаторов, тонких изоляционных пленок толщиной до 0,005 мм (см. образец 1.4).

Полистирол – твердый, жесткий, прозрачный полимер (пропускает 90% света), обладает хорошими диэлектрическими свойствами, обладает высокой химической стойкостью, хорошо склеивается и окрашивается. Имеет низкую теплостойкость (до 80 ⁰С) и ударную вязкость. Поэтому используется только для изготовления посуды для холодных пищевых продуктов (маркируется PS). Применяется для изготовления химически стойких сосудов, деталей электротехнического назначения (корпуса телевизоров, радиоприемников, телефонных аппаратов, магнитофонов), для получения электроизоляционных пленок для радиодеталей, нитей, а также упаковочной пленки. Из него изготовляют (см. образцы 1.5) предметы домашнего обихода, детские игрушки, школьно-канцелярские принадлежности (авторучки и пр.), тару для упаковки, трубы, внутреннюю отделку холодильников (морозоустойчивость до –70 °С), облицовочные материалы для внутренней отделки помещений, салонов автомобилей и т. д.

Полистирол, полученный эмульсионным методом, используется для производства пенопластов, применяемых в качестве термоизоляционного материала в строительстве, при изготовлении холодильников, а также для упаковки. Для повышения ударной вязкости производят сополимеризацию стирола с каучуками и получают ударопрочные АБС - пластики (акрилонитрил бутадиен стирол) применяемые в качестве бамперов и приборных панелей автомобилей, корпусных деталей телевизоров, ноутбуков, стрелкового оружия и пр..

Полиметилметакрилат – (органическое стекло) – прозрачный полимер (пропускает 92 % света), стойкий к действию разбавленных кислот и щелочей, бензо- и маслостоек, морозостоек (до –60 °С), растворяется в органических растворителях, ароматических и хлорированных углеводородах. При температуре +105…+150 °С пластичен. Перерабатывается литьем под давлением, экструзией. Имеет невысокую твердость. Применяется для изготовления светотехнических изделий, оптических линз, радиодеталей (см. образец 1.6).

Полиамиды – (капрон, нейлон и др.) – полимер, обладающий хорошими механическими свойствами, высокой износостойкостью. Полиамиды не набухают в масле и бензине, не растворяются во многих растворителях, стойки к ударным нагрузкам и вибрациям. Используются с наполнителями, в качестве которых применяется стекловолокно до 30 % или графит до 10 %. Применяются для изготовления канатов, зубчатых колес, звездочек цепных передач, колес центробежных насосов, подшипников скольжения, а также нанесения защитных покрытий на металлах (см. образец 1.7).

Полиуретаны – полимеры, обладающие высокой эластичностью, морозостойкостью (до –70 °С), износостойкостью, устойчивы к действию разбавленных органических и минеральных кислот и масел. Применяются для изготовления труб, шлангов, уплотнителей, обувных подошв, приготовления клеев для склеивания металлов, стекла, керамики (см. образец 1.8).

Полиэтилентерефталат (маркируется PET) (аббревиатура – ЛАВСАН-лаборатория высокомолекулярных соединений академии наук) – полиэфир, обладающий высокими прочностными свойствами, устойчивый к действию ультрафиолетовых и рентгеновских излучений, негорюч, диапазон рабочих температур от – 70 до + 255 °С, в 10 раз прочнее полиэтилена, хорошо сваривается и склеивается. После быстрого охлаждения приобретает аморфную структуру и становится стеклообразным. Лавсан применяется для теплостойкой изоляции обмоток трансформаторов, электродвигателей, кабелей, деталей радиоаппаратуры, а также в качестве корда в ременных передачах, в покрышках, различных транспортерных лентах, основы магнитофонных лент, в качестве материала (ПЭТ) бутылок для газированных напитков (см. образцы 1.9).

Поликарбонат – полиэфир угольной кислоты, после быстрого охлаждения приобретает аморфную структуру и становится стеклообразным. Обладает высокими прочностью, ударной вязкостью, гибкостью, химически стоек. Из него изготавливают небьющуюся посуду, защитные маски, а также шестерни, подшипники и др. детали.

17.2 Термореактивные полимеры

Фенолоформальдегидные смолы – представляют собой продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом. Фенолоформальдегидные смолы обладают высокими атмосферо- и термостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, стойки к действию большинства кислот, за исключением концентрированной серной кислоты и кислот-окислителей (азотной, хромовой) (см. образец 2.1).

Эпоксидные смолы – олигомеры или мономеры, содержащие в молекуле не менее двух эпоксидных групп, способные превращаться в полимеры пространственного строения. Для холодного отверждения эпоксидных смол применяют в качестве отвердителей алифатические полиамины (полиэтиленполиамин, 5...15 % от массы смолы). Длительность отверждения 24 ч. Для горячего отверждения применяют ароматические ди- и полиамины. Отверждение проводят при температуре 100–180 °С в течение 16–4 ч. Прочность, химическая стойкость и теплостойкость эпоксидных компаундов при горячем отверждении выше, чем при холодном. Эпоксидные смолы обладают высокой адгезией к металлам, стеклу, керамике и другим материалам (см. образец 2.2).

17.3 Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиты) представляют собой гетерофазные системы, состоящие из двух и более разнородных компонентов. Компонент, непрерывный по всему объему материала, обеспечивающий его монолитность, называется матрицей, или связующим. Компоненты, распределенные в матрице, называются наполнителями. В качестве матрицы могут применяться материалы на полимерной, металлической и керамической основе. В зависимости от вида и структуры наполнителя композиты делятся на дисперсно-упрочненные, упрочненные волокнами, слоистые и газонаполненные.

17.3.1 Пластмассы с порошковыми наполнителями. В качестве дисперсных наполнителей применяются органические порошки – древесная мука, порошкообразная целлюлоза, а также минеральные – молотый кварц, тальк, графит. Свойства порошковых пластмасс характеризуются изотропностью, невысокими прочностью и ударной вязкостью, удовлетворительными электроизоляционными свойствами. На основе формальдегидных смол с органическими наполнителями изготовляют несиловые конструкционные и электроизоляционные детали: рукоятки, детали и корпуса приборов. В случае применения в качестве связующего – кремнийорганических полимеров и наполнителей – кварцевого порошка или асбеста теплостойкость пластмасс достигает 300 ^оС.

Композиции на основе эпоксидных смол широко применяют в машиностроении для изготовления инструментальной оснастки, вытяжных и формовочных штампов, станочных приспособлений, литейных моделей и пр. (см. образец 3.1). Используются для восстановления изношенных деталей, устранения дефектов отливок из металлов.

17.3.2 Пластмассы с волокнистыми наполнителями.

Волокниты – пластмассы на основе волокон, пропитанных фенолоформальдегидной смолой. В качестве волокнистых наполнителей используются хлопковые очесы (волокниты), кордовые нити (кордоволокниты), асбестовое волокно (асбоволокниты), стекловолокно (стекловолокниты).

Применяются они для изготовления изделий общетехнического назначения с повышенной стойкостью к вибрациям и ударным нагрузкам, работающих на изгиб и кручение, например, шкивов ременных передач, фланцев, рукояток, крышек и др. (см. образец 3.2).

Карбоволокниты (углепластики) – композиционные материалы на основе полимерного связующего и углеродных волокон. Углеродные волокна отличаются высокой теплостойкостью, удельной прочностью, химической стойкостью, низким коэффициентом термического линейного расширения. В качестве связующих используют термореактивные полимеры: эпоксидные, фенолоформальдегидные смолы, полиамиды и др., а также углеродные матрицы.

Углепластики обладают хорошими механическими свойствами, химической стойкостью, более высокой, чем у стеклопластиков, теплопроводностью. Применяются углепластики для изготовления конструкционных деталей авиационной и космической техники, антенн, автомобилей, судов, спортивного инвентаря (см. образец 3.3).

17.3.3 Слоистые пластмассы. Слоистые композиционные материалы имеют листовые наполнители (ткани, бумагу и т. д.), пропитанные и скрепленные между собой полимерным связующим. Эти материалы обладают анизотропией свойств. В качестве волокнистых армирующих элементов используют ткани на основе высокопрочных волокон различной природы: хлопчатобумажные, стеклоткани и пр.

Гетинакс – пластик на основе фенольных смол и различных сортов бумаги. Рабочая температура – до 140 °С. По назначению гетинакс подразделяется на декоративный (см. образец 3.4) и электротехнический (см. образец 3.5). Декоративный гетинакс стоек к воздействию химикатов, пищевых продуктов, может иметь любой цвет и рисунок. Применяется он для внутренней облицовки салонов самолетов, лифтов, железнодорожных вагонов и т. д. Электротехнический гетинакс используется для изготовления панелей, приборных щитков и других целей. Для печатных радиотехнических изделий применяют гетинакс фольгированный (см. образец 3.6).

Текстолит – слоистый пластик на основе термореактивных смол и хлопчатобумажных тканей. Материал обладает высокими механическими свойствами, стойкостью к вибрациям. В зависимости от основного назначения текстолиты подразделяются на конструкционные и электротехнические. Конструкционный текстолит (см. образец 3.7) используется для изготовления зубчатых колес, подшипников скольжения, работающих при температурах не выше 90 °С,в прокатных станах, турбинах, насосах и др. Электротехнический текстолит (см. образец 3.8) используется в качестве электроизоляционного материала в средах с рабочей температурой от– 65 до + 165 °С.

В асботекстолитах и асбогетинаксах в качестве наполнителей содержится соответственно асботкань или асбобумага. Применяют асботекстолиты для изготовления тормозных накладок, в качестве теплоизоляционного материала.

Стеклотекстолиты (см. образец 3.9)изготавливают на основе стеклотканей и различных полимерных связующих. На фенольных смолах они более теплостойки, чем текстолиты, но хуже по вибростойкости. На кремнийорганических смолах имеют более высокую тепло- и морозостойкость, обладают высокой химической стойкостью. Эпоксидные смолы обеспечивают стеклотекстолитам наиболее высокие механические свойства и позволяют изготовлять из них крупногабаритные детали.

Стеклопластики являются конструкционными материалами для силовых изделий деталей летательных аппаратов, кузовов и кабин автомобилей, автоцистерн, корпусов лодок, вагонов, судов, контейнеров, корпусов машин, кожухов, защитных ограждений. По удельной жесткости эти материалы не уступают металлам, а по удельной прочности в 2–3 раза превосходят их.

17.4 Композиционные материалы с газообразными наполнителями

Газонаполненные материалы представляют собой структуру, состоящую из твердой и газообразной фаз. Такая структура обеспечивает чрезвычайно низкий вес и высокие теплозвукоизоляционные характеристики. Их подразделяют на две группы: пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют ячеистую структуру, поры которой изолированы друг от друга полимерной прослойкой. Поропласты имеют открыто пористую систему и сообщаются с окружающей средой.

Пенопласты используют для тепло- и звукоизоляции кабин, теплоизоляции рефрижераторов, труб, приборов, для повышения плавучести, удельной прочности, жесткости и вибростойкости элементов конструкций, а также как упаковочный материал (см. образец 4.1).

Поропласты применяют для изготовления амортизаторов, мягких сидений, губок, фильтров, в качестве вибродемпфирующих и звукоизоляционных прокладок в глушителях, в касках и шлемах и т. д. (см. образец 4.2).

 

Контрольные вопросы

1. Дать определение полимеров, их классификацию по отношению к нагреву.

2. Описать разновидности термопластов, реактопластов, композиционных материалов, указать их состав, свойства и назначение.

3.  Перечислить пластмассы с высокими оптическими свойствами, сравнить их характеристики.

 

Задание по работе

1 Изучить влияние основных компонентов пластических масс на их структуру и свойства.

2 Привести классификацию пластических масс: по характеру связующего вещества; по назначению.

3 Найти отличительные признаки различных видов пластмасс: по внешнему виду; характерным механическим свойствам; реакции на открытое пламя; по органолептическим показателям.