Свойства пластмасс. Вспененные конструкционные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные свойства пластмасс (объемная масса, плотность, пористость, теплопроводность, термостойкость)

Пластмассами называют материалы, основным связующим компонентом которых является синтетический или природный полимер, а другими компонентами служат наполнители - пластификаторы, красители, смазки, стабилизаторы и др. Пластмассы способны при определенных условиях формоваться и сохранять приданную им форму.

По способу изготовления синтетические полимеры разделяют на получаемые полимеризацией, поликонденсацией и химическим модифицированием.

Полимеры первого типа получают в результате протекания реакции полимеризации, т. е. образования полимеров при взаимодействии нескольких мономеров без изменения первоначального состава. К ним относят полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, политетрафторэтилен и др.

Полимеры второго типа образуются из нескольких мономеров в результате протекания реакции поликонденсации; в этом случае процесс получения полимера сопровождается выделением побочных продуктов (например, воды, углекислоты, аммиака и др.), в результате чего состав полимера не соответствует составу первоначальных веществ. Реакция поликонденсации протекает с участием катализаторов (кислот или оснований). Природа катализатора оказывает влияние на характер продукта поликонденсации. Так, при взаимодействии мономеров (фенола и формальдегида) в кислой среде образуется полимер, называемый новолачной смолой, имеющий линейную или разветвленную структуру связи. Эта смола при нагревании размягчается, а при охлаждении затвердевает, не претерпевая при этом химических превращений. При взаимодействии тех же мономеров в основной среде образуются резальные смолы, имеющие трехмерное, сетчатое строение. Эти смолы вследствие глубоких химических превращений теряют свойство размягчаться при повторном нагревании. К поликонденсационным синтетическим полимерам относят фенолоформальдегидные, меламино-формальдегидные, мочевино-формальдегидные и другие смолы, сложные полиэфиры и т. д.

Полимеры третьего типа получают путем замены атомов водорода или других элементов на новые атомы и группы в полимерной цепи, приобретающей новые свойства. Широко используют хлорирование полимеров, при котором получают хлорированный полиэтилен, хлорированный поливинилхлорид и т. д.

Синтетические полимеры получают при химической переработке каменного угля, природного и промышленного газа, нефти и других видов сырья.

К природным полимерам или смолам относят шеллак, природные и нефтяные асфальты, каучук, целлюлозу, канифоль, природные битумы и т. д.

Физико-химические свойства пластмасс, методы изготовления из них изделий и область применения в значительной степени определяется наполнителем. В качестве наполнителя используют материалы органического и неорганического происхождения: древесная мука, хлопковые очесы, бумага, графит, цемент, сажа, стеклянное волокно, ткани, слюда и т. д.

Для повышения пластичности и других технологических свойств пластмассы в состав исходной смеси вводят пластификаторы (камфару, олеиновую кислоту, дихлорэтан, дибутилфталат и др.). Для ускорения процесса отверждения при переработке исходного материала в изделия применяют катализаторы (известь, магнезия, уротропин и др.).

В состав исходных смесей в небольших количествах (0,5.. 1,5%) вводят смазывающие вещества (стеарин, воск и др.). Они предотвращают прилипание к пресс-формам пластмассовых изделий при их изготовлении.

Для придания изделию определенной окраски в состав исходных смесей вводят красители (анилиновые красители, нигрозин и др.).

При изготовлении пластмассовых изделий исходный материал подвергают совместному действию нагрева и давления. В зависимости от изменения свойств при нагреве полимеры разделяют на две основные группы: термопластичные и термореактивные. Первые из них образуются на базе новолачных смол, а вторые - на базе резальных смол.

Термопластичные полимеры (термопласты) при нагревании размягчаются, переходя сначала в высокоэластичное, а затем в вязкотекучее состояние; при охлаждении они затвердевают. Процесс этот является обратимым, т. е. его можно повторять многократно. К термопластам относят полимеры с линейной и разветвленной структурой связи; у них мономеры связаны один с другим только в одном направлении. При повторном нагревании такие химические связи не разрушаются; молекулы мономеров приобретают гибкость и подвижность, т. е. никаких необратимых химических превращений при нагревании и охлаждении не происходит.

Термореактивные полимеры (реактопласты) при нагреве сначала размягчаются, если они были твердыми, а затем переходят в твердое состояние. Процесс этот является необратимым, т.е. при нагревании происходят необратимые химические превращения, и при повторном нагреве такие полимеры не размягчаются. К реактопластам относят полимеры с сетчатой или сшитой структурой связи. Такие полимеры образуют в гигантских макромолекулах двух- или трехмерные связи, т. е. их мономеры или линейные молекулы жестко связаны между собою и не способны взаимно перемещаться.

Термопластические пластмассы

Термопластические пластмассы - группа пластмасс на основе синтетических полимеров, полученных по реакциям цепной полимеризации: полиэтилен, поливинилхлорад, полиамиды, полиуретаны, полистирол, полиформальдегид,. полиметилметакрилат, поликарбонат, полипропилен, фторопласт и другие.

1. Полиэтилен в зависимости от способа производства различают:

- высокого давления (ВД) или низкой (0,918...0,930г/см³) плотности, его получают полимеризацией этилена при температуре 200...250°С;

- среднего давления (СД) или средней (0.931..0.945 г/см³) плотности, его производят полимеризацией этилена в присутствии катализатора (окись хрома и кремния) при 125-150°С;

- низкого давления (НД) или высокой (0,946...0,970 г/см³) плотности, его получают в присутствии катализатора (четыреххлористого титана и др.) при температуре до 60оС.

Чистый полиэтилен на воздухе подвергается старению, становится жестким и хрупким. Для замедления старения при термической переработке к нему добавляют термостабилизаторы (ароматические амины, фенолы, сернистые соединения), а для улучшения светостойкости вводят светостабилизаторы (сажа, графит). Полиэтилен широко применяют в технике в виде конструкционных деталей различных машин и механизмов, труб, листов, пленки, кабельной изоляции, покрытий и т. д.

2. Поливинилхлорид - материал аморфной структуры белого цвета. Поливинилхлорид выпускают без пластификатора (непластифицированный поливинилхлорид, или винипласт) и с пластификатором (пластифицированный поливинилхлорид, или пластикат).

3. Винипласт - материал для изготовления пленки, листов, труб и профильных изделий. Пленка из винипласта может применяться при температурах от -20єС до +60°С. Листовой винипласт выпускают трех марок: ВН (винипласт непрозрачный), ВП (винипласт прозрачный) и ВИТ (винипласт нетоксичный). Винипласт в виде труб и профильных изделий применяют в химической промышленности. Винипласт имеет плотность 1,3-1,6 г/см³, предел прочности 45-55 МПа, ударную вязкость 120 кДж/м².

4. Пластикат обычно получают из смеси полимера с пластификатором и стабилизатором (сажа, двуокись титана и т. д.). Пластикат выпускают листовой, прокладочный, профильный, декоративный, кабельный, светотермостойкий и т. д. Механические свойства пластиката несколько ниже механических свойств винипласта, а морозостойкость составляет до -50єС. При добавке специальных пластификаторов и красителей на основе пластиката получают винилит - тонкую хлопчатобумажную ткань, покрытую с одной стороны пластикатовой пленкой, (применяют для плащей, накидок и других изделий) и линолеум - пластикат с наполнителем.

5. Полиамид получают поликонденсацией аминокислот, а также диаминов с дикарболовыми кислотами. Его применяют для производства синтетических волокон и нитей, антифрикционных изделий, труб, пленок, различных деталей машин и приборов. Полиамидные волокна наибольшее применение получили в текстильной промышленности благодаря способности полиамида вытягиваться и ориентироваться при холодной вытяжке. Волокна легкие (плотность 1.04...1.14 г/см³), износоустойчивые, несминаемые, имеют малую гигроскопичность и хороший внешний вид. Ткани из полиамидного волокна используются для изготовления мешков, приводных ремней компрессоров, сепараторов, конвейерных лент, электроизоляции и др. Такие волокна имеют предел прочности 4,5...7,0 МПа и относительное удлинение 20-30%. Полиамиды обладают высокими физико-механическими свойствами: плотность 1.12...1.16 г/см³, sВ= 45...95 МПа, d= 100...300%, KCU= 100...250 кДж/м2, НВ 4.0...15.

6. Полиуретаны представляют собой высокоплавкие кристаллические полимеры, способные при вытяжке давать ориентированную кристаллическую структуру волокна. Полиуретановые материалы выпускают в виде белого литьевого порошка. Из полиуретанов получают волокна, литьевые изделия и другие материалы. Волокна пригодны для изготовления фильтровальных тканей, кабельной изоляции, парашютной ткани, защитных покрытий и других технических целей. Детали радио- и электротехнической промышленности получают литьем под давлением. Эти детали могут работать длительное время при высокой влажности и температуре до 100...110єС. Изделия из полиуретана имеют плотность 1,21 г/см³, sВ= 50...85 МПа, KCU= 50 кДж/м2, НВ 8 …12.

7. Полистирол является продуктом полимеризации стирола. Он нерастворим в воде и обладает хорошей химической стойкостью ко многим агрессивным средам (уксусной, соляной и фосфорной кислотам, щелочам, эфирам и т. д.). Полистирол является хорошим диэлектриком; электроизоляционные свойства полистирола почти не зависят от частоты тока. Его выпускают в виде порошков, трубок, профильных изделий, пленки, нитей, лент, облицовочных плит, легковесных пенопластов и т. д. Изделия из полистирола имеют плотность 1,07 г/см³, sИ= 80... 100 МПа, KCU= 12... 20 кДж/м2, НВ 15.

8. Полиформальдегид обладает повышенной механической прочностью, имеет незначительный износ и усадку, низкий коэффициент трения и высокую химическую стойкость к действию многих растворителей. Диэлектрические свойства полиформальдегида сохраняются при значительной влажности воздуха и даже при погружении в воду. Рабочая температура изделий из полиформальдегида - от -40єС до 180єС. Он имеет плотность 1,42... 1,43 г/см³, sВ= 70 МПа, d= 15...20%, KCU= 90 кДж/м2, НВ 20…40, коэффициент трения по стали 0.1...0.3. Полиформальдегид выпускают в виде белого порошка или гранул бесцветных или окрашенных, перерабатываемых методом литья под давлением (при 190...208єС), экструзией (при 170- 190єС) и прессованием (при 180- 190єС). Полиформальдегид применяют для изготовления различных деталей, заменяющих изделия из стали и цветных металлов. Известно свыше 2000 примеров применения полиформальдегидов; при этом 80% всего производимого полимера используют для замены металлов.

9. Полиметилметакрилат является продуктом полимеризации метакриловой кислоты. В зависимости от строения может быть твердым или мягким при обычной температуре; представляет собой прозрачную и бесцветную стекловидную массу, известную под названием «органическое стекло». Легко подвергается переработке прессованием, литьем под давлением и др. Выпускают в виде порошков, стержней, труб, листов, а также самоотверждающихся пластмасс, светотехнического стекла. Последнее применяют для светильников с люминесцентными лампами и лампами накаливания, для предметов бытового назначения и т. п. Оргстекло поддается обработке резанием, штамповке при 150єС, сварке, склеиванию.

10. Полипропилен получают полимеризацией пропилена в присутствии комплексного катализатора. Он представляет собой бесцветный жесткий нетоксичный продукт без запаха; отличается хорошей прозрачностью и блеском. Полипропилен можно получить с высокой степенью кристалличности, что обеспечивает ему лучшие среди термопластов механические свойства (в частности, предел прочности при растяжении и статическом изгибе) и теплостойкость. Из полипропилена изготовляют полуфабрикаты в виде труб, листов, пленок, волокон; формовочные, прессовочные и литые детали машин, холодильников, телефонов и др. Полипропилен имеет плотность 0,9 г/см³, sВ= 30...35 МПа, KCU=120 кДж/м², d=400-800%. Кроме кристаллического, используют также аморфный полипропилен для изготовления клея, замазок, изоляционных лент и уплотняющих материалов.

11. Фторопласт представляет собой полимер этилена, в котором все атомы водорода замещены фтором, который очень прочно связывается с атомами углерода и обуславливает появление у полимера важных технических свойств - высокой теплостойкости и химической стойкости, хороших диэлектрических и антифрикционных свойств. Выпускают два типа полимера: фторопласт-4 и фторопласт-3, а также их модификации. Фторопласт известен под торговой маркой тефлон. Фторопласт-4 является кристаллическим полимером, степень кристалличности которого составляет 80-85%, достигая в ряде случаев 93-97%, температура плавления 327єС. При нагревании до температуры выше 327°С кристаллиты плавятся, и вся масса становится аморфной; при последующем охлаждении он вновь кристаллизуется. Изделия из фторопласта-4 можно эксплуатировать до температуры 250...260єС, не опасаясь существенного изменения их механических свойств. Фторопласт-4 является наиболее химически стойким материалом из всех известных пластмасс. Его устойчивость к химическому воздействию превышает даже стойкость благородных металлов (золота и платины), стекла, фарфора, эмали, специальной коррозионностойкой стали и сплавов, он обладает очень низким коэффициентом трения (около 0,02). Изделия из фторопласта-4 применяют в электро- и радиопромышленности, в химической и пищевой промышленности и др. Фторопласт-3 также является высококристаллическим полимером: у медленно охлажденных образцов степень кристалличности достигает 85-90%. При 208-210°С он переходит в высокоэластичное состояние, а при дальнейшем нагревании - вязкотекучее, что позволяет получать из него детали всеми способами переработки термопластов. Одним из важных технологических показателей для фторопласта-3 является его высокая термостойкость. Фторопласт-3 применяют для изготовления уплотнительных деталей в электротехнике, в химической промышленности, а также для антикоррозионных покрытий. Фторопласты имеют плотность 2,09-2,3 г/см³, предел прочности 20…40 МПа, ударную вязкость 100…160 кДж/м², относительное удлинение 200…250%, твердость НВ 34.

Термореактивные пластмассы

Этот вид пластмасс (их еще называют слоистые пластмассы) выпускают в виде поделочных материалов-листов и плит. Это материалы на основе синтетических полимеров, получаемых поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией. Пластмассы изготовляют прессованием листовой бумаги, ткани, древесного шпона или других материалов, пропитанных резальными смолами или их смесью.

1. Текстолит представляет собой группу слоистых пластмасс светло-желтого, темно-коричневого или черного цвета на основе фенолоформальдегидной резальной смолы с наполнителем из хлопчатобумажных тканей, уложенной слоями. Текстолит различают нескольких видов; поделочный, электротехнический, металлургический и прокладочный. Основным видом, текстолита является поделочный, используемый как конструкционный и антифрикционный материал для изготовления вкладышей подшипников скольжения, бесшумных шестерен, сепараторов шарикоподшипников и др. деталей машин. Электротехнический текстолит используют в основном как конструкционный и электроизоляционный материал для работы в трансформаторном масле и на воздухе с температурой от -60єС до +70єС. Металлургический текстолит применяют для изготовления подшипников скольжения прокатных станов. Плотность текстолита 1.3...1.4 г/см³, s_СЖ перпендикулярно слоям ткани 200...250 МПа и параллельно слоям ткани 120...190 МПа, КСU= 25 35 кДж/м², НВ 25…35.

2. Стеклотекстолит получают прессованием полотнищ стеклоткани или композиций стеклянной или хлопчатобумажной тканей, пропитанных модифицированными резальными смолами, и используют в машиностроении, авиации, электротехническом и химическом машиностроении и т.д. Конструкционные стеклотекстолиты выпускают в виде листов и плит толщиной 0.5...35 мм, их плотность 1.6...1.9 г/см³, sВ= 100...300 МПа, КСU= 35...75 кДж/м², НВ 4-40.

3. Гетинакс - слоистый прессованный материал, состоящий из двух и более слоев бумаги, пропитанных термореактивной фенол-альдегидной, фенол-анилин-альдегидной резальной смолой или смесью этих смол. Его применяют в электротехнике для изготовления электроизоляционных, трансформаторных и телефонных деталей, а также деталей радиоустановок, печатных схем телевизоров и т. д. Рабочие температуры изделий из гетинакса от -60єС до +105°С. Гетинакс имеет плотность 1,3...1,4 г/см³, sВ= 80...100 МПа, КСU= 16...20 кДж/м², НВ 25-40.

Пластмассы с газовоздушным наполнителем

В зависимости от структуры (строения ячеек), приобретаемой в процессе изготовления, газовоздушные пластмассы разделяют на пенопласты и поропласты. У пенопластов - замкнутые или изолированные ячейки, в то время как у поропластов ячейки не замкнуты и могут сообщаться между собой. Это определяет и ряд их свойств. Так, пенопласты менее теплопроводны, газонепроницаемы. Благодаря замкнутой пористой структуре они не впитывают влаги и отличаются очень малой плотностью. Поропласты несколько тяжелее пенопластов, но превосходят их по звукопоглощению вследствие лабиринтной структуры микропор. Образование пустотелой структуры этих материалов достигается химическими (введением пенообразующих компонентов, например порофора) или физическими (насыщением полимерных пастообразующих масс инертными газами под давлением).

1. Мипора представляет собой термореактивную пластмассу на основе мочевина-формальдегидной смолы. Мипору применяют в качестве тепло- и звукоизоляционного материала в холодильниках и для других целей. Рабочая температура миноры до 100єС. Широкое применение мипоры определяется легкостью (плотностью 0.01...0.02 г/см³), небольшой теплопроводностью и стойкостью против горения.

2. Пенополистирол является пластмассой на основе полистирола с замкнутыми ячейками, наполненными воздухом или каким-либо газом (например, азотом). Применяют его в качестве легкого заполнителя в армированных конструкциях, а также в качестве теплоизоляционного материала для водопроводных труб, холодильников и т. п.

3. Пенопласты изготовляют из поливинилхлорида, фенолоформальдегидных смол и других полимеров. Пенопласты используют как теплоизоляционный материал, а также для изготовления радиотехнических деталей, звуко- и теплоизоляции.

4. Пенополиуретан на основе полиэфиров эластичен и в то же время жесток. Более распространен жесткий полиуретан с равномерно закрытой структурой. Он эффективен в качестве амортизатора и тепло- и звукоизолирующего материала от -60єС до +130оС. Из него изготовляют мелкопористый материал для очистки воздуха от промышленной пыли. Выпускают в виде листов.

Пластмассы с волокнистым наполнителем

В качестве наполнителей используют хлопковую целлюлозу, асбестовое и стеклянное волокно, шерстяные очесы и др., а также мелкие кусочки ткани и древесного шпона, стеклокрошку и т. д. Связующим являются термореактивные резальные смолы. К этой группе пластмасс относятся волокнит, стекловолокнит, асбоволокнит, этролы, фаолит и др.

1. Волокнит получают на основе феноло-формальдегидной резальной смолы (52%) и хлопковой целлюлозы (48%). Механические свойства волокнита во многом зависят от длины волокон целлюлозы; чем больше длина волокон, тем выше механические свойства. Его применяют в машиностроении и приборостроении в качестве конструкционного материала для изготовления горячим прессованием роликов транспортеров, блоков, маховичков и ручек станков, шкивов, шайб и других деталей. Плотность волокнита 1,35...1,45 г/см³, предел прочности 30 МПа, ударная вязкость 9 кДж/м², твердость НВ 25.

2. Стекловолокнит состоит из резальных смол, а наполнителем служит стекловолокно, стеклокрошка и другие материалы. Изделия из стекловолокнита получают горячим прессованием. Стекловолокнит выпускают нескольких марок, основными из которых являются АГ-4В, АГ-4А, СВАМ и др. Стекловолокнит марки АГ-4В имеет спутанные бесщелочные стекловолокна диаметром 5...7 мкм в качестве наполнителя, а марки АГ-4С - стеклонити. Этот материал предназначен для изготовления прессованием изделий повышенной прочности, пригодных для работы при температурах от -60єС до +200єС. Материал марок АГ-4В, АГ-4С имеет плотность 1,7...1,9 г/см³, предел прочности 80...200 МПа, ударную вязкость 15... 40 кДж/м².

3. Асбоволокниты изготовляют на основе смол с асбестовым волокнистым наполнителем. Изделия из этих пластмасс получают горячим и литьевым прессованием. Асбоволокниты применяют для изготовления высоко- и низковольтных коллекторов электрических машин и других электроизоляционных деталей с повышенной механической прочностью и теплостойкостью, деталей с повышенной механической прочностью, теплостойкостью и фрикционными свойствами (тормозные колодки вагонов метро, экскаваторов и автомобилей, для дисков сцепления мотоциклов и др.). Асбоволокниты имеют плотность 1,6...2,0 г/см³, предел прочности при сжатии 80...110 МПа, ударную вязкость 18...20 кДж/м², твердость НВ 25...30.

4. Этролы получают на основе химически модифицированных природных эфиров целлюлозы, относят к группе пластмасс с волокнистым наполнителем. Этролы обладают хорошими физико-механическими и диэлектрическими свойствами, но имеют низкую теплостойкость. Изделия получают горячим прессованием. Применяют этрол для изготовления штурвалов, рукояток и других деталей в автомобильной промышленности. Этрол ацетилцеллюлозный имеет плотность 1.32...1.4 г/см³, предел прочности при изгибе 40...50 МПа, ударную вязкость 20...35 кДж/м², твердость НВ 4...4,5.

Технические свойства пластмасс

Механические и физические свойства пластмасс можно изменять в широких пределах смешиванием полимеров, добавлением пластификаторов и наполнителей, подбором условий формования и конструкции формуемых изделий.

Объемная масса

Ценным свойством пластических масс является их малая объемная масса. У различных широко применяемых пластмасс, в том числе пористых (поропластов), объемная масса колеблется в пределах от 15 до 2200 кг/мі. Специальные пластики (например, рентгено-непроницаемые с сернокислым барием в качестве наполнителя) могут иметь больший объемный вес. В среднем, объемная масса пластмасс, за исключением поропластов, в 2 раза меньше, чем у алюминия, и в 5-8 раз меньше, чем у стали, меди, свинца. Отсюда совершенно очевидно, что даже частичная замена этих металлов, а также традиционных силикатных материалов пластмассами позволяет значительно снизить вес сооружений.

Пористость

Пористость пластмасс можно регулировать в процессе их производства в широких пределах. Так, полимерные пленки, линолеум, стеклопластики практически не имеют пор, а пористость пенопластов может достигать 95...98%. Поэтому средняя плотность пластмасс может быть близка к истинной плотности у непористых пластмасс или снижается до 50...10 кг/м³ у газонаполненных пластмасс.

Коррозионная стойкость

Основные виды пластмасс, в отличие от металлов, противостоят не только атмосферной коррозии, но и воздействию различных кислот, щелочей, солей, растворителей.

Фрикционные свойства и стойкость к износу

Многие пластмассы отличаются низким коэффициентом трения и весьма малым износом. Текстолит, древесно-слоистые пластики и капрон заменяют бронзу и баббит в подшипниках и других узлах трения. Линолеум из поливинилхлоридной смолы очень хорошо противостоит износу. Некоторые пластмассы имеют большой коэффициент трения и применяются в тормозных устройствах. Износоустойчивость капрона выше, чем у бронзы и баббита, при смазке в 10-20 раз, при сухом трении в 100-160 раз.

Диэлектрические свойства

Большинство пластмасс -- хорошие диэлектрики, причем некоторые из них известны как лучшие диэлектрики современной техники, а в высокочастотных устройствах радиосвязи, телевидения, генераторах токов высокой частоты они незаменимы.

Оптические свойства

Некоторые пластмассы по праву носят название органических стекол (полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонат). Они бесцветны, прозрачны, способны пропускать лучи света с широким диапазоном волн, в том числе и ультрафиолетовые, и значительно превосходят в этом отношении силикатные стекла. Например, полиметилметакрилатное органическое стекло пропускает 73,5% ультрафиолетовых лучей, а силикатное -- всего 1-3%. Эти пластмассы незаменимы в оптической промышленности и машиностроении, где необходимы прозрачные детали.

Коэффициент использования материала

Коэффициент использования материала при переработке пластмасс 0,95-0,98, а у металлов при механической обработке 0,2-0,6, при литье 0,6-0,8.

Теплостойкость

Основные группы пластмасс могут удовлетворительно работать лишь в сравнительно небольшом интервале температур: от -60°С до +120°С. Рабочие температуры пластмасс на основе кремнийорганических полимеров и фторопластов гораздо выше (200°С и более).

Теплопроводность

Теплопроводность пластических масс в 500-600 раз ниже теплопроводности металлов, что вызывает значительные трудности при их применении в узлах и деталях машин, где необходим быстрый отвод тепла. Для повышения теплопроводности пластмасс иногда прибегают к применению теплопроводящих наполнителей (графита, металлических порошков и др.).

Твердость

Твердость по Бринеллю колеблется в интервале 6-60 кгс/мм.

Ползучесть

Это свойство у пластмасс, особенно термопластов, выражено гораздо сильнее, чем у металлов, что необходимо учитывать при конструировании деталей.

Старение

Пластмассы изменяют свои свойства под действием нагрузки, тепла, влаги, света, воды, при длительном пребывании в атмосферных условиях.

Наполнители

Наилучшие результаты получены рациональным подбором наполнителей. Термореактивные смолы по своей природе хрупки и, за исключением фенольных, редко используются без волокнистых наполнителей. Чаще всего применяются древесные опилки, хлопковые очесы, целлюлозные волокна и ткани, асбест и стекловолокно. Последнее позволяет получать слоистые структуры со значительно большей прочностью, чем целлюлозные или органические волокна.

Плотность

Плотность большинства пластмасс лежит в пределах 0,92-1,54 г/см³, что много ниже плотности легких металлов. В среднем, пластмассы в два раза легче алюминия, в 5-7 раз легче стали, меди, свинца, бронзы и т. д. Введение хлора в молекулу повышает плотность - например, у поливинилхлорида она равна 1,7 г/см³. У полипропилена наименьшая плотность среди пластиков; полистирол лишь чуть тяжелее воды. У пластиков с минеральными наполнителями плотность возрастает пропорционально содержанию наполнителя. Пенопласты и сотовые структуры, сделанные из бумаги и тканей, пропитанных пластиками, открывают возможность получения легких материалов высокой прочности. Особый класс представляют собой пено- и поропласты с очень малой плотностью (0,02--0,1 г/см³) и малой теплопроводностью (1,5--0,5 ккал/с•єС•10^-4).

Прозрачность

Аморфные полимеры - светлые и прозрачные. Степень прозрачности оценивается по пропусканию света. У полиметилметакрилатов она наибольшая (свыше 90% светопропускания); полистирол и органические простые и сложные эфиры целлюлозы также обладают хорошей светопроницаемостью.

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление некоторых пластиков велико, и они находят разнообразные применения в электронном оборудовании. Полистирол, полиэтилен, полиметилметакрилат, полипропилен и тефлон (политетрафторэтилен) обладают прекрасными диэлектрическими и изолирующими свойствами.

Термостойкость

Некоторые пластические материалы, особенно полиимиды, кремнийорганические полимеры и тефлон, проявляют исключительную термостойкость, но с трудом поддаются прямому прессованию или литьевому формованию. Силиконовые каучуки можно формовать как резину, но процесс вулканизации продолжительный, а продукты непрочны. Тефлон можно медленно выдавливать при высоких температурах; получающиеся изделия тверды и устойчивы (без деструкции и разложения) при температурах до 260°С в течение длительного времени. Несмотря на несколько большую термостойкость, термоотверждающиеся пластики (реактопласты) не выдерживают продолжительного нагрева до 200°С; этот предел можно повысить примерно до 250°С добавлением минеральных наполнителей.

Хладостойкость

Хладостойкость существенна для гибких элементов, используемых на открытом воздухе или в холодильниках. Сополимеризация и использование пластификаторов позволяет пластмассам удовлетворительно выдерживать низкие температуры.

Хемостойкость

Некоторые пластические материалы обладают исключительной устойчивостью к кислотам, щелочам и растворителям. Термореактивные смолы в общем не поддаются воздействию обычных растворителей. Щелочи и кислоты мало влияют на фенольные пластмассы, хотя их наполнители в некоторых случаях могут набухать. Пластмассы на основе мочевины слегка набухают в водных растворах, пластмассы на основе меламина несколько более устойчивы.

Некоторые растворители влияют на большинство термопластов. Углеводородные смолы обычно растворимы в ароматических углеводородах, но вода и низшие спирты не влияют на них. Полистирол чрезвычайно устойчив к сильным минеральным кислотам и щелочам. Поливиниловый спирт устойчив практически ко всем органическим растворителям, но растворим в воде. Ацетат целлюлозы проявляет хорошую устойчивость почти ко всем растворителям, кроме кетонов, однако поглощает некоторое количество воды. Ацетат-, пропионат-, бутират- и этилцеллюлозы не подвержены воздействию влаги.

Прочность на растяжение

Предел прочности на растяжение есть максимальное растягивающее усилие, которое материал может выдержать без разрыва. Большинство пластмасс имеют предел прочности на растяжение в диапазоне 48-83 МПа; в некоторых случаях волокнистые наполнители увеличивают прочность на растяжение. Линейные кристаллические материалы, подобные найлону, после ориентации вытягиванием значительно повышают свою прочность на растяжение (до 276-414 МПа).

Прочность на сжатие

Предел прочности на сжатие есть максимальное давление, которое материал может выдержать без изменения (уменьшения) объема. Армированные пластики обладают более высокими пределами прочности на сжатие (более 200 МПа), чем ненаполненные винильные полимеры (около 70 МПа).

Ударопрочность

Наполнители, особенно волокнистые, повышают ударопрочность и обычно используются в термореактивных смолах. Некоторые линейные термопласты, например найлон, полиформальдегид и поликарбонаты, обладают исключительной ударопрочностью.

Переработка и использование пластмасс

Методы обработки термопластов для получения изделий из них часто отличаются от методов обработки термореактивных материалов.

Термопласты любого химического состава - полиолефины, полистиролы, поливинилы, полиэфиры, полиамиды и другие - обрабатываются несколькими методами.

Экструзия используется для производства волокон, пленок, листов, труб, стержней и т.п. Она сравнима с экструзией таких легких металлов, как алюминий. Пластмасса, загружаемая в экструдер в виде порошка или гранул, поступает в камеру, нагреваемую электричеством или паром. Вращающийся винт (шнек) выдавливает ее из обогреваемой камеры через отверстие желаемой формы. В потоке воздуха около отверстия или в охлаждающей емкости материал застывает по мере того, как он выходит из экструдера. По валкам формованная пластмасса попадает на ленточный конвейер, где товар скатывают в рулоны или разрезают на отрезки подходящей длины. Обрабатывать таким способом можно как твердые, так и мягкие, каучукоподобные материалы, например, полиэтилен, поливинилхлорид и его сополимеры, эфиры целлюлозы, синтетические и природные каучуки. Электрические провода и кабели обычно покрывают изоляцией посредством экструзии.

Выдувное формование используют для изготовления бутылок и других емкостей или пленок. Отмеренное количество материала формуют в виде трубы посредством литьевого формования (литья под давлением) или экструзии. Один конец трубы заплавляют и помещают ее в разборную форму. Подавая воздух в горячую пластмассовую трубу, ее раздувают так, что она заполняет полость формы и превращается таким образом в готовое изделие.

Метод заливки. Жидкий материал (пластизоль) заливают в полую форму, где путем вращения его распределяют по стенкам с последующим удалением избытка пластизоля. На внутренней поверхности формы остается слой материала, который при нагревании превращается в эластомер. После охлаждения готовое изделие извлекают из формы. Точность изготовления, возможность получения деталей сложной конфигурации и низкие производственные затраты - главные преимущества этого процесса.

Литьевое формование может быть использовано для любых термопластов от полипропилена до тефлона. Это наиболее практичный и быстрый метод изготовления предметов со сложным профилем. Материал обычно в виде небольших гранул нагревают в камере в отсутствие воздуха. Когда пластмасса разжижается, плунжер выдавливает ее через отверстие в холодную форму. Материал быстро охлаждается и после затвердевания автоматически выбрасывается при открывании формы.

Вакуум-формование. Лист термопласта толщиной до 6,5 мм и шириной до 1-2 м осторожно нагревают до размягчения. Затем его помещают поверх формы так, что вакуум засасывает пластик в полости и выемки формы. После этого лист охлаждают, и он затвердевает. Этот метод позволяет делать большие секции стен, которые было бы невозможно отформовать стандартным литьевым формованием. Дополнительным преимуществом является использование недорогих штампов и оборудования.

Формование в матрицу. В этом методе используются формы с мелкими углублениями и полостями. Лист термопласта зажимают над формой и нагревают. После достижения температуры формования между формой и листом создают вакуум. Атмосферное давление вдавливает размягченный лист во все углубления формы. После остывания листа зажимы отпускают и готовое изделие снимают. Процесс используется для получения детального неглубокого рельефа на поверхности изделия.

«Драпировочное» формование (из листов вытяжкой на пуансоне). В этом методе используются выпуклые формы. Лист термопластика поддерживается зажимами формы над ее самой высокой точкой. По мере нагревания и размягчения лист постепенно оседает и как бы драпирует наиболее выпуклые части формы. Когда лист нагреется до температуры формования, края листа плотно прижимают к наружному краю формы и создают между листом и поверхностью формы вакуум для завершения процесса. Этот метод дает возможность создать более глубокий рельеф, поскольку до подачи вакуума лист естественным путем растягивается.

Для приготовления пенопластов требуется либо использование газовыделяющего агента, равномерно распределенного в массе, либо растворение газа в мягкой пластической массе под давлением с последующим вспениванием массы, когда давление снимается. Варианты метода зависят от используемого пластика. Ацетат целлюлозы, поливинилы, полиэтилен, фенольные смолы, полистирол и полиэпоксиды можно легко вспенить. Пенопласты используют как флотационный материал, теплоизолятор и ударопрочную арматуру. В авиапромышленности они используются как легкие армирующие элементы для крыльев, причем материал обычно вспенивают на месте - в крыле.

Реактопласты. Термореактивные материалы всякого рода, например, феноло-формальдегидные и мочевино-формальдегидные смолы, эпоксидные смолы и бисмалеимиды, обрабатывают следующими методами.

Прямое прессование. Этот способ используется в производстве твердых, термостойких, устойчивых к деформации предметов - гребней, оправ для очков, ручек кастрюль, телефонных трубок, пепельниц, корпусов и панелей радиоприемников и телевизоров, холодильников, стиральных машин и кондиционеров. Порошкообразную пластмассу обычно предварительно спрессовывают в заготовки, имеющие чуть больший объем и вес, чем готовое изделие. Часто желательно, особенно в случае больших размеров детали и вязких материалов, предварительно нагреть заготовку, поместив ее между электродами высокочастотной печи. Время и температуру предварительного нагревания следует контролировать, не допуская преждевременной вулканизации. После введения заготовки в нагреваемую полость пресс-форма закрывается и подается давление; материал переходит в полужидкое состояние и заполняет пресс-форму. Его выдерживают в форме, пока он не заполимеризуется и станет неплавким. Время вулканизации зависит от толщины формуемого изделия. С помощью многогнездных пресс-форм за один цикл формовки можно получить несколько изделий, при этом число гнезд ограничено размерами и мощностью пресса. Пресс-формы бывают поршневые и полупоршневые, а также с отжимным рантом (последние - наиболее употребительные). После окончания вулканизации давление снимают, форму открывают и изделия выталкиваются. Все части формы делают из закаленной стали и частично хромируют, чтобы они выдерживали высокое давление.

Литьевое прессование применяется, когда изделие имеет металлические включения и его профиль сложен, а в остальном похоже на прямое формование. Прессуемое соединение загружают в отдельную камеру и, когда форма закрывается, тесно прилегающий плунжер выдавливает вещество из камеры в полость формы.

Получение слоистых материалов (ламинирование). Слоистые материалы (ламинаты) получают из бумаги или ткани, пропитанной термореактивной смолой. В качестве наполнителей применяются текстиль, бумага и глина, обычно в форме листов; так формуют простые предметы - листы, стержни или трубы. Под воздействием температуры и давления слои спекаются. Толщина слоистого материала определяется числом листов, помещаемым между пластинами пресса. Декоративные ламинаты, имитирующие различные породы дерева, мрамор и цветные плиты широко применяются для изготовления столешниц и облицовки стен. В производстве слоистых материалов для промышленного использования в качестве пропитки используются формальдегидные смолы, а в производстве светлоокрашенных декоративных материалов - меламиновые, полиэфирные и эпоксидные смолы. Разработаны смолы, которые можно формовать при атмосферном давлении. Армированные пластики включают полиэфиры, усиленные стекловолокном. Многие полиэфирные слоистые материалы можно изготовить контактным прессованием, формуя насыщенный волокном материал в открытых формах и вулканизируя их нагревом, светом или каталитически. Применяется также вакуумное формование. Для достижения требуемой точности обработки и гладкости поверхности используют чистовые металлические штампы.

Литье. Термореактивные материалы (мочевино-формальдегидные и феноло-формальдегидные смолы) и термопласты (полистирол и полиакрилаты) часто формуют литьем. Применение давления необязательно, формы используются недорогие. Поскольку материалы для литья не содержат наполнителей, они обладают прекрасными оптическими свойствами. Феноло-формальдегидные материалы заливаются в свинцовые формы в виде сиропообразной густой смолы. Вулканизация нагреванием требует нескольких суток. С катализаторами время вулканизации можно сократить до нескольких часов. Акрилатные смолы для получения листов вулканизируют в формах из зеркального стекла и в простых стальных формах. Метод литья можно использовать для инкапсуляции мелкого электрического или магнитного оборудования: генераторов, моторов, сопротивлений, конденсаторов.

Реакционное литьевое формование - формование с отвердителем, ускоряющим реакцию образования сшивок. Метод, в котором физический процесс формования соединен с химическим процессом сшивки в термореактивных системах: два компонента смолы, например эпокси-олигомер и ангидрид (как вулканизирующий агент), быстро и тщательно смешивают и вводят в форму, где материал затвердевает. При помощи этого процесса изготавливают довольно крупные пластмассовые изделия, обладающие значительной твердостью, жесткостью и деформационной стойкостью, например, капоты, крылья, двери и крыши автомобилей.

2. Вспененные конструкционные материалы и особенности технологии их переработки

Одними из первых технологию вспенивания полиэтилена разработали специалисты японской компании Sekisui Chemical Co. Ltd.. В 1968 году появился материал Softlon - вспененный полиэтилен низкой плотности (ПВД) (LD-PE), молекулярно сшитый высоким излучением (Радиационно-сшитый) по технологии, разработанной собственными силами тогда еще небольшой компании. Новый материал получился с уникальными теплоизоляционными и пластичными свойствами. В 1971 году Sekisui организовывает первое в Европе производство пенополиэтилена совместно со швейцарской компанией ALVEO.

Данный вспененный полиэтилен (пенополиэтилен, ППЭ, EPE) относится к так называемому классу газонаполненных (пенополимеров или поропластов) термопластичных полимеров (термопластов).

Пенолимерами принято называть органические высокопористые материалы, получаемые из синтетических смол. Их часто называют пенопластами или поропластами, а также газонаполненными ячеистыми пластмассами. Пенополимеры представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердых и газообразных фаз.

Газонаполненные пластмассы - это двухфазные системы, состоящие из полимерной матрицы и относительно равномерно диспергированной газовой фазой. Такая структура пластмасс обуславливает некоторую общность их свойств, а именно - чрезвычайно малую массу, высокие тепло- и звукоизоллляционные характеристики.

Пенополимеры различают на основе:

1) термопластичных полимеров с линейной структурой - пенополиолефинов (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полипропилен и др.);

2) термореактивных - на основе полимеров с пространственной структурой (фенолформальдегидные, мочевиноформальдегидные, ненасыщенные полиэфиры, эпоксидные, полиуретановые и др.).

Для термопластичных пенополимеров опасны температуры, близкие к температуре текучести, когда значительно снижается прочность материала, и избыточное давление газа может разрушить материал.

В зависимости от физической структуры ячеек пенополимеры можно условно разделить на три группы: пенопласты, порополимеры и сотополимеры.

Пенопласты представляют материалы с ячеистой структурой, в которой газообразные наполнители изолированы друг от друга и окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Замкнутоячеистая структура обеспечивает хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Прочность их невелика и зависит от плотности материала. Примером пенопласта служить вспененный полистирол. Объемная масса таких пенополимеров колеблется от 20 до 300 кг/м³.

Поропласты - материалы с открытой пористой структурой, вследствие чего присутствующие в них газообразные включения свободно сообщаются друг с другом и окружающей атмосферой. Их кажущая плотность изменяется от 5-90 до 90-800 кг/м³. Примером поропласта является пенополиэтилен.

Сотопласты изготовляют из тонких листовых материалов, которым придают вначале вид гофра или волокна, а затем соединяют в виде сот. Материалом служат различные ткани, которые пропитываются различными связующими. Для сотопластов характерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные свойства и радиопрозрачность. Здесь примером может служить материал с торговой маркой Tyvek компании DuPont.

Для производства вспененных полимерных изделий существует два основных метода создания газообразной среды: физический (прямой впрыск газа в расплав полимера) и/или химический (с помощью добавления при переработке агентов (добавок) разлагающихся с выделением газа), не считая случая производства полиуретановых пен, в которых газ выделяется в результате химической реакции компонентов при формовании.

У обоих методов есть достоинства и недостатки. Использование физических газообразователей экономически более выгодно, но требует специального оборудования и соблюдения очень строгих предупредительных мер взрывопожаробезопасности. Химические вспениватели можно применять на стандартном оборудовании, при этом не требуются специальные меры пожарной безопасности. В качестве вспенивающего агента может применяться множество соединений в зависимости от требуемых свойств готовой продукции и типа используемого материала.

Вспененные изделия могут принимать любую физическую форму - плиты, пленки, листа, обруча, нити, прутка, профиля, слоеных плит и т.п. Удельный вес (плотность) вспененных изделий обычно находится в диапазоне от 5 до 800 кг/м³ с размером вспененной ячейки от 0,05 мм до 15 мм. Содержание количества ячеек в структуре материалов можно изменять от 0% до 100%, в зависимости от выбранных сырья и технологического процесса.

Вспенивание термопластов может осуществляться как при литье под давлением, так и при экструзии.

По виду создания при производстве межмолекулярной связи между ячейками, вспененные полимеры можно так же условно разделить на три группы:

1) со сшитой структурой молекул;

2) несшитые;

3) отдельно сформированные из каплеобразных структур наподобие гранул с использованием первых двух методов.

При производстве вспененных изделий могут использоваться добавки (агенты), улучшающие стабильность, например, глицерол моностеарат, перфорирующие добавки для ускорения и улучшения газообмена в материале и замещения газов воздухом. Также по выбору производителя применяется множество других добавок, изменяющих и/или улучшающих свойства изделий. Это могут быть антиоксиданты (для замедления процессов термоокислительного разрушения), нуклеаторы (для увеличения жесткости), окрашивающие пигменты, антипирены (для снижения горючести).

Общий класс вспененных пенополимеров можно условно классифицировать по базовому вспениваемому полимеру, структуре вспененного изделия и виду межмолекулярной связи.

Специфические особенности газонаполненных пластмасс определяют техническую направленность и экономическую эффективность их применения в различных областях промышленности. Благодаря низкой средней плотности, высоким тепло- и звукоизоляционным свойствам, повышенной удельной прочности, а также ряду ценных технологических и эксплуатационных свойств пенопласты не имеют аналогов среди традиционных строительных материалов.

Эти материалы характеризуются высокой удельной прочностью, которая значительно выше, чем у конкурентных изделий. Однако большинству газонаполненных пластмасс свойственны определенные недостатки. Существенно ограничивают возможность их применения: пониженные огнестойкость, теплостойкость и температуростойкость при температурах больше 200єС. Кроме того, процессы деструкции («старения») этих материалов, биостойкость в процессе длительной эксплуатации до конца не изучены. Также в условиях длительно приложенных статических напряжений у поропластов развиваются деформации ползучести, снижающие формостабильность материала. При использовании пенополимеров в элементах конструкций значительные деформации недопустимы, поэтому в качестве критерия сопротивляемости поропластов действию статических напряжений принимается характер и величина деформирования материала во времени. Деформируемость поропластов зависит от величины и длительности действия приложенных напряжений. При больших нагрузках (0,4-0,45 от предела прочности при сжатии) ползучесть интенсивно развивается во времени.

Условия эксплуатации в качестве строительных теплоизоляционных материалах определяются типом конструкции и регионом строительства. Периодическое увлажнение (попеременное увлажнение и высушивание) наиболее интенсивно снижает прочностные и упругие характеристики поропластов (до 40% в зависимости от вида полимерной основы).

Циклическое замораживание-оттаивание также снижает прочность поропластов. Так, после 25 циклов испытаний при сжатии немодифицированных полистирольных и полиэтиленовых пен снижение прочности составляет 13-15 %, поливинилхлоридных - от 2-15 %, фенольных - 22 %.

Номенклатура и свойства вспененных материалов весьма обширна и разнообразна. В России для применения вспененных полимеров в качестве теплоизоляционных материалов установлен ГОСТ 16381-77 ТИМ, в котором они классифицированы по следующим основным признакам:

1) по виду исходного сырья. Теплоизоляционные материалы могут быть органическими и минеральными. Зарубежные марки пенополиэтилена измеряются по стандарту ISO 1923 (1981);

2) по форме и внешнему виду. Материалы подразделяются на штучные изделия (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, полуцилиндры, скорлупы, сегменты), рулонные и шнуровые (маты, шнуры);

3) по средней плотности. В отличие от многих других строительных материалов марка теплоизоляционного материала устанавливается не по показателю прочности, а по величине средней плотности, которая выражается в кг/м³. По этому показателю теплоизоляционные материалы делят на следующие марки: 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500. Марка теплоизоляционного материала представляет собой верхний предел его средней плотности. (например, изделия марки 100 могут иметь среднюю плотность равную 75-100 кг/м³). Метод определения плотности за рубежом описан в стандарте ISO 845 BS4443 Part 1, Method 2, DIN 53420 1978;

4) по жесткости. Теплоизоляционные материалы подразделяются на следующие виды: мягкие, полужесткие и жесткие. Кроме того, выпускаются изделия повышенной жесткости и твердости, хорошо сопротивляющиеся внешним нагрузкам. Так, к жестким материалам, наиболее широко используемым в строительной теплоизоляции, относятся изделия, имеющие R(cж) - предел прочности при сжатии при 50%-ной деформации более 0,15 Мпа, эластичные - менее 0,01 Мпа. Полужесткие занимают промежуточное положение;

5) по способу порообразования. Теплоизоляционные материалы делят на следующие виды:

- материалы с волокнистым каркасом;

- вспученные материалы;

- вспененные материалы;

- материалы с пористым заполнителем;

- материалы с выгорающими добавками;