О. М. Царенко. Матеріалознавство й технологія конструкційних матеріалів
6.3. Полімери та пластичнi маси
6.3.1. Полімери
Полімери - це речовини, макромолекули яких складаються із численних елементарних ланцюжків (мономерів) однакової структури. До природних полімерів належить каучук, целюлоза, асбест, графіт, інші. Однак, переважне використання мають штучні полімери, кількість яких надзвичайно велика. Найбільш обширну групу штучних полімерів складають органічні полімери: смоли й каучуки, які ширко використовуються як герметики, вихідні матеріали гуми тощо. Неорганічні полімери - силікатне скло, кераміка, асбест, слюда, графіт. Неорганічні полімери відзначаються високою густиною і теплостійкістю, однак вони досить крихкі, не витримують динамічних навантажень.
Обидва види полімерів можуть перебувати за нормальних умов у трьох фізичних станах: склоподібному, високоеластичному та в'язкотекучому. У склоподібному стані - полімери тверді та аморфні. Для високоелестичного стану характерна можливість зміни форми та розмірів при незначних навантаженнях і відновлення їх після припинення дії сили. В'язкотекучий стан нагадує рідкий стан з дуже високою в'язкістю.
Основним недоліком усіх полімерів є старіння, тобто самовільні необоротні зміни основних технічних характеристик, які відбуваються внаслідок складних фізико-хімічних процесів при експлуатації та зберіганні. Причинами старіння є дія світла, тепла, кисню, озону. Старіння прискорюється внаслідок багатократних деформацій, по-різному впливає волога. Для запобігання старінню в полімерні матеріали вводять стабілізатори, які значно подовжують строки експлуатації. Так, поліетилен (продукт полімеризації) без стабілізаторів стає крихким через 1-1,5 роки при звичайних умовах помірного клімату та через 1-2 місяці при -20 оС й відносній вологості 60%. Строк його експлуатації продовжують до 5 років уведенням, як стабілізатора, сажі.
6.3.2. Пластичні маси
Пластмаси - це штучні матеріали, які одержують на основі природних або синтетичних органічних полімерних речовин уведенням у них наповнювачів (кварцева мука, скловолокно, папір, асбест, інші), пластифікаторів (дибутилфталат, стеарин, олеїнова кислота), стабілізаторів (сажа, вугілля) та пігментів (оксид заліза, оксид свинцю, оксид хрому та інші). Пластмаси при нагріванні розм'ягчаються, стають пластичними так, що дією тиску їм можна надавати задану форму, яка зберігається після охолодження. Властивості пластмас залежать від складу, тобто від виду та кількісного співвідношення складових, що дає змогу в достатньо широких межах варіювати їхніми фізико-технологічними характеристиками. Основний недолік пластмас - невисока теплостійкість, низькі межа пружності та ударна в'язкість, схильність до старіння.
За характером вихідного полімера пластмаси поділяють на термопластичні (термопласти), які одержують із термопластичних полімерів, і термореактивні(реактопласти) - на основі терморективних смол. Термопласти зручні для переробки у вироби, оскільки дають незначну усадку при твердненні (1-2,6%), характеризуються малою крихкістю, достатньо пружні. Термореактивні полімери після тверднення дають значну усадку (6-13%), досить крихкі. Вироби із термопластів можуть піддаватись повторній переробці, вироби ж із термореактивних пластмас повторній переробці не підлягають.
Для практичного використання у термореактивні полімери вводять підсилювальні наповнювачі. За видом такого наповнювача пластмаси поділяють на Загалом промисловість випускає більше 80 видів пластмас. Властивості та застосування деяких, найбільш поширених, розглянемо нижче.
6.3.2.1. Термопластичні пластмаси Поліетилен - продукт полімеризації газу ацетилену. За густиною поділяється на поліетилен низької (ПЭВД) та високої (ПЭНД) густини. Чим вища густина поліетилену, тим кращі його механічна міцність і теплостійкість. У цілому поліетилен має низьку теплостійкість, тому його можна використовувати в діапазоні температур -70 оС - +100оС. Поліетилен хімічно стійкий, при кімнатній температурі не розчиняється у жодному з відомих розчинників, при нагріві стійкий до води, ацетону, спирту. Застосовують для виготовлення плівок, труб, ізоляційного матеріалу провідників, пресованих несилових деталей.
Поліпропилен- похідний від поліетилену - це жорсткий нетоксичний матеріал з високими фізико-механічними властивостями. Порівняно з поліпропиленом витримує вищу температуру (до +150 оС), але має занижену морозістійкість ( до -15 оС). Його теж використовують для ізоляції провідників, труб тощо.
Полістирол - твердий, жорсткий, прозорий, аморфний полімер, має високі діелектричні властивості. Основні недоліки полістиролу - крихкість, схильність до старіння та утворення тріщин. Для усунення цих вад у полістирол уводять каучук. Полістирол хімічно стійкий до кислот та лугів, нерозчинний у воді, спирті, бензині, він найбільш стійкий серед усіх термопластів до радіоактивного випромінювання. Використовується як ізоляційний матеріал у радіотехнічній промисловості, для виготовлення деталей в автомобільній промисловості, для виготовлення посуду в хімічній промисловості.
При введенні в полістирол порофорів та з наступним піноутворенням одержують пенополістирол - чудовий тепло- та звукоізоляційних матеріал малої густини, хімічно- та водостійкий.
Полівінлхлорид - майже аморфний полімер, що має низьку температуру розкладання та досить крихкий, тому в чистому вигляді майже не використовується. Для підвищення пластичності вводять пластифікатори, одержуючи пластикат, а для запобігання від розкладання - стабілізатори, одержуючи вініпласт. Пластикат використовується як ізоляційний матеріал, йде на виготовлення лінолеуму, штучної шкіри. З вініпласту виготовляють листи, труби, ємності для хімічної та нафтопереробної промисловості.
Органічне скло - прозорий аморфний термопласт на основі складних ефірів органічних кислот. Досить легкий матеріал, має високу стійкість до атмосфери, оптично прозорий, добре пропускає ультрафіолетове проміння, стійкий до кислот, лугів, мастил, розчиняється в ефірах, органічних кислотах, деяких вуглеводах, при 105-150 оС виявляє пластичність, тому легко формується у різні деталі.
Поліаміди - це група пластмас з відомими назвами: капрон, нейлон, анід й інші. Поліаміди - це полімери, які кристалізуються. Їхні властивості досить близькі: низька густина, низький коефіцієнт тертя, удароміцні, здатні поглинати вібрацію, стійкі до лугів, бензину, більшості спиртів. Основні недоліки - гігроскопічність та схильність до старіння. Із поліамідів виготовляють шестерні, втулки, підшипники, болти, гайки, деталі ткацьких верстатів, використовуються в електротехнічній промисловості та медицині.
Фторопласт-4 - термічно й хімічно стійкий насичений полімер, аморфна фаза якого перебуває у високоеластичному стані. Може використовуватись до +250 оС ( руйнується лише при +415 оС), стійкий до дії розчинників, кислот, лугів, окислювачів, не змочується водою, найбільш якісний діелектрик. Температура склоподібного стану -120 оС, хоча навіть при -269 оС не стає крихким. Руйнується лише під дією розплавлених лужноземельних металів та елементарним фтором. Використовується для виготовлення труб, по яких подаються хімікати, вентилів, кранів, прокладок, ущільнювачів, як антифрикційний матеріал для підшипників тощо.
Фторопласт-3 є кристалічним полімером, відрізняється від фторопласта-4 введенням у молекулярну будову атома хлору, від чого понижуються діелектричні властивості, але з'являється пластичність, чим поліпшується оброблюваність. Інтервал робочих температур від -105 оС до +70 оС. Використовується як низькочастотний діелектрик, йде на виготовлення труб, клапанів, як захисний матеріал для металів.
Полікарбонат- відзначається високою тепло- та морозостійкістю, низьким водопоглинанням, має малу й рівномірну усадку при твердненні, що дає змогу виготовляти деталі високого класу точності, добрий діелектрик. Йде в основному на виготовлення корпусів електроприладів: пилососи, ручні дрилі, інше.
6.3.2.2. Терморективні пластмаси 6.3.2.2.1. Пластмаси з порошковими наповнювачами. Прес-порошки являють собою композиційні матеріали найчастіше на основі фенолоформальдегідної смоли з наповнювачами у вигляді деревної, целюлозної та кварцевої муки, азбесту, графіту. Із них виготовляють деталі електротехнічного призначення (розетки, вимикачі, патрони, інше), несилові деталі для машинобудування (кнопки, ручки, маховички, тощо), гальмівні колодки та диски трансмісії для транспортних засобів. Пластмаси, наповненні молотим кварцем чи фарфором, мають абразивні властивості.
6.3.2.2.2. Пластмаси з волокнистими наповнювачами.
Волокніти - це композиції із волокнистого наповнювача у вигляді відходів бавовняного виробництва насичених фенолоформальдегідними смолами. Порівнянно з прес-порошками мають дещо вищу ударну в'язкість, але в цілому волокніт є жорсткою масою, з якої не можна пресувати дрібногабаритні й тонкостінні деталі. Використовують для масивних деталей загальнотехнічного призначення з підвищеною стійкістю до ударних навантажень, що працюють на згин та кручення ( флянці, шківи, шестерні, маховики, втулки).
Скловолокніти - скловолокнистий наповнювач, зв'язаний синтетичними смолами. Характеризуються високими електроізоляційними та механічними властивостями, погано механічно обробляється. Використовують для виготовлення деталей кузовів автомобілей, човнів, корпусів приладів, використовується як діелектрик та йде на виготовлення друкованих плат для радіотехнічної промисловості.
Азбоволокніти містять як наповнювач азбест - волокнистий мінерал, який легко розщеплюється на тонке волокно, основний полімер - фенолоформальдегідна смола. Основні переваги азбоволокніту - підвищена теплостійкість (витримують температуру > 200 оС), удароміцність, стійкий до кислих середовищ, має високі фрикційні властивості. Основне застосування - матеріал гальмівних пристроїв (накладки, диски, колодки, інше). Фаоліт - різновид азбоволокніту. йде на виготовлення кислотостійких труб, ван тощо.
Гетинакс одержують на основі фенольних, аніліноформальдегідних і карбамідних смол та різних сортів паперу. Випускається у вигляді листів, труб, заготовок. Листові наповнювачі надають матеріалу анізотропності. Витримує температуру до 140 оС, стійкий до дії хімікатів, розчинників, харчових продуктів. Залежно від якості наповнювача випускається електротехнічного призначення (як діелектрик) та декоративний, що може мати текстуру, схожу на деревину.
6.3.2.2.3. Шаруваті пластмаси.
Текстоліт виготовляється із термореактивних смол, наповнювач - бавовняна тканина. Серед шаруватих пластиків має найбільшу здатність поглинати вібрації, чинить значний опір роз'єднаню (розколюванню). Залежно від призначення вони поділяються на конструкційні (ПТК, ПТ, ПТМ), електротехнічні (ЭПТ, ЭПТМ), гнучкі. Як конструкційний матеріал, текстоліт використовується для виготовлення шестерен (працюють без шуму до 30000 об./хв.). Текстолітові вкладиші підшипників працюють у 10-15 разів довше бронзових, хоча й не витримують температуру більшу 90 оС.
Деревинношаруваті пластики складаються з тонких листів деревного шпону, просочені формальдегідними смолами та спресовані у вигляді листів чи плит. Мають досить високі фізико-механічні властивості, низький коефіцієнт тертя, з успіхом замінюють гетинакс та кольорові метали й сплави. Шестерні з цього матеріалу в парі з металевими досить довговічні й понижують рівень шумів. Йдуть на виготовлення валів, шківів, втулок та корпусів підшипників, інше. Недолік деревинношаруватих пластиків - чутливість до вологи.
Азботекстоліт в основному містить до 42% формальдегідних смол та решта - азбестова тканина. Найбільш високотеплостійкий серед шаруватих пластиків (витримує до +500 оС), має високі ізоляційні та фрикційні властивості, стійкий до нафтопродуктів.
Склотекстоліт- шаруватий пластик, наповнювачем якого є склотканина. Склотекстоліт менш вібростійкий, ніж текстоліт, але більш теплостійкий, має вищі електроізоляційні властивості, стійкий до окислювачів. Найкращі за механічними властивостями склотекстоліти з епоксидними наповнювачами.
6.3.2.2.4. Газонаповнені пластмаси. Газонаповнені пластмаси являють собою гетерогенні дисперсні системи, що складаються із твердої (еластичний полімер) та газоподібної (газ-наповнювач) фаз. Розрізняють дві основні групи таких пластмас:
пінопласти- матеріали з комірчастою структурою, у яких бульбашки газу ізольовані одна від одної та від навколишнього середовища зв'язувальним полімером; Пінопласти - дуже легкий матеріал (густина до 0,2•103 кг/м3), має високі теплоізоляційні властивості, механічна міцність низька, але їхні властивості значною мірою залежать від густини матеріалу та властивостей зв'язувального полімеру. Так, пінополістирол використовується при температурах ±60 оС, а фенолокаучукові пінопласти витримують температуру до +160 оС. Уведенням у пінопласти алюмінієвої пудри вдається збільшити робочу температуру до +250 оС. Основне застосування - теплоізоляція холодильників, рефрижераторів, приладів, м'які еластичні покриття сидінь у транспорі, інше.
Поропласти- високоеластичний матеріал, має сильне водопоглинання. Використовується для теплозахисту в суднобудівній та авіаційній промисловостях.
до наступного розділу...
поропласти- пластики з відкритою пористою структурою.
[ початок сторінки ] [ перехід до змісту ]