Пластмассы. Их свойства и области применения

11

План

Пластмассы. Основные характеристики пластмасс

Пластмассовые антифрикционные материалы

Области применения пластмасс

Способы изготовления деталей

Обзор деталей из пластмассы

Список литературы

Пластмассы. Основные характеристики пластмасс

Пластические массы (пластмассы, пластики) -- материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться в изделия сложной конфигурации и затем устойчиво сохранять приданную форму. Пластмассы подразделяются на реактопласты и термопласты.

В состав пластмасс, кроме полимера, могут входить минеральные или органические наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, смазывающие вещества и др.

На работоспособность пластмассовых деталей большое влияние оказывает процесс старения пластмасс.

При длительном нагружении пластмассы склонны к ползучести. Это еще более усугубляет временной характер прочностных свойств пластмасс. Поэтому такие понятия, как предел текучести, предел прочности, которые используются при расчетах металлических конструкций, являются для пластмасс весьма условными: нельзя решать вопрос о нагрузочной способности пластмассовых деталей, не учитывая времени, в течение которого деталь должна работать. При производстве изделий из пластмасс технолог должен учитывать не только возможность изготовления детали при выбранном режиме, но и то, как технологический процесс влияет на работоспособность детали в процессе ее эксплуатации. Некоторые положения, которые должны быть приняты за основу при проектировании пластмассовых изделий, можно сформулировать в виде следующих правил.

1. Детали из пластмасс следует проектировать так, чтобы силовые нагрузки приходились на наиболее прочные сечения, т. е. с учетом направления волокон наполнителя или ориентации макромолекул.

2. Не рекомендуется изготовлять из пластмасс детали, которые в процессе эксплуатации длительно подвергаются постоянным нагрузкам (хотя и допускаемым). Пластмассовые детали работают лучше в условиях действия кратковременных нагрузок.

3. При проектировании деталей из пластмасс следует учесть их ограниченную жесткость, для повышения которой следует предусмотреть ребра жесткости или арматуру.

4. Проектировать из пластмассы можно только такие детали, которые будут работать в оптимальном для данной пластмассы температурном режиме с учетом возможного влияния нагружения на термические характеристики материала.

5. Пластмассы не могут быть использованы для изготовления деталей, которые работают под значительной нагрузкой и от которых требуется повышенная точность.

Недостатком почти всех пластмасс является малая стабильность формы, обусловленная малой жесткостью, мягкостью (изменение формы под действием внешних нагрузок), высоким значением коэффициента линейного расширения (изменение размеров при колебаниях температуры), быстрым размягчением при повышении температуры (у термопластов). Многие пластмассы набухают в воде, керосине, бензине и минеральных маслах. Некоторые пластмассы (политетрафторэтилен) отличаются свойством хладотекучести (ползучести). Под действием сравнительно небольших напряжений (2 -- 5 МПа) такие пластмассы приходят в состояние текучести даже при умеренных температурах (20 -- 60 °С) и неограниченно изменяют размеры, пока действует нагрузка.

6. К недостаткам пластмассовых изделий следует отнести также сильное влияние режима формования на их прочностные характеристики. Отклонения от технологического режима приводят к рассеиванию прочностных характеристик в пределах одной и той же партии изделий. У деталей сложной формы наблюдается рассеивание прочностных характеристик из-за неоднородности структуры, обусловленной различием условий формирования и отверждения пластмассового материала в различных участках детали.

7. Светостойкость и устойчивость к атмосферным воздействиям пластмасс в некоторой степени можно повысить введением специальных стабилизирующих добавок. Отдельные разновидности пластмасс (например, тетраф-торэтилен) обладают полной устойчивостью к атмосферным воздействиям.

Ниже приводятся некоторые рекомендации по использованию пластмасс в качестве материала для изготовления различных типов деталей машин.

Пластмассовые антифрикционные материалы

Из-за малого сходства с металлами и из-за больших упругих деформаций пластмассы в узлах трения менее чувствительны к схватыванию и задиранию, что резко уменьшает износ деталей в паре трения. Этому способствует и поглощение пластмассой твердых частиц -- продуктов, износа. Практика показывает, что износ большинства видов пластмассовых подшипников в узлах трения меньше износа металлических подшипников.

Большинство реактопластов -- разные текстолиты, ДСП, некоторые волокниты -- имеют прочность на сжатие 1000...3000 МПа. Этот показатель для термопластических масс --6000...11 000 МПа, для бронзы и баббитов -- 12 000...28 000 МПа. Поэтому текстолиты и ДСП могут использоваться для узлов трения при весьма тяжелых условиях работы. Положительными свойствами пластмасс является также способность их к гашению вибраций, стойкость к ударным нагрузкам, высокие антикоррозионные свойства, небольшая масса, малая трудоемкость в изготовлении.

Для изготовления тяжелонагруженммх подшипников используются фенопласты со слоистыми наполнителями (текстолиты, ДСП, гетинакс). Подшипники изготовляются в виде вкладышей, устанавливаемых в корпус подшипника. Такие подшипники используются для прокатных станов, пилорам, дробилок, подъемных кранов.

Термопластические пластмассы (полиамиды, фторопласт) под нагрузкой подвержены ползучести и могут выдавливаться. Эти же материалы имеют низкую теплопроводность, что еще больше содействует их ползучести от повышения температуры в узле трения. Поэтому при использовании фторопласта прибегают к изготовлению комбинированных подшипников. На стальную подложку наносится слой порошковой бронзы, которая припекается к подложке. В поры бронзового слоя впрессовывается фторопласт. Полоса разрезается на мерные куски, из которых изготовляются подшипники в виде втулок. Если от подшипников не требуется особо высокая точность или действующие усилия относительно малы, с успехом применяются капроновые подшипники (ленточные транспортеры, подвижные конвейеры, направляющие втулки опок и т. д.).

Широкое распространение получили вкладыши в виде тонкостенных стальных втулок, внутри которых помещены разрезные втулки из полиамидов. Подшипники, изготовленные такими способами, имеют большую прочность и хорошую охлаждаемость. Подобные подшипники нашли применение в шпинделях токарных, фрезерных и шлифовальных станков, в сельскохозяйственных машинах и т. д.

В качестве материалов, используемых для изготовления деталей подшипников качения, применяются слоистые пластики с графитовым наполнителем, волокниты, полиамиды, фенопласты.

Широкое распространение получают пластмассовые направляющие на металлообрабатывающих станках и в других механизмах -- в поршневых двигателях, в прессах и др. В этих случаях направляющие изготовляют в виде полос, которые крепятся к корпусу методом склеивания или винтами. В качестве материала для этих целей используются текстолиты, волокниты или фенопласты с наполнителем в виде древесной крошки. Использование пластмассовых направляющих увеличивает точность станка за счет меньшего износа пластмассы по сравнению с обычно используемыми чугунными направляющими. Уменьшаются также потери мощности механизмов на силы трения. Особенно удобен ремонт станков и механизмов с такими направляющими.

Области применения пластмасс

Пластмассы -- важнейшие конструкционные материалы современной техники. Основные области применения -- это электротехника, радиотехника и химическое машино- и приборостроение.

Износостойкие пластмассы типа полиамидов и полиолефинов применяют для изготовления направляющих прямолинейного движения в металлорежущих станках. При условии защиты от абразивных веществ (металлических опилок, пыли, грязи и т. д.) пластмассовые направляющие могут длительно работать даже в условиях малой смазки.

Низкие механическая прочность и жесткость, малая стабильность формы -- факторы, ограничивающие применение пластмасс для силовых деталей. Для таких деталей главным образом используют стеклопластики. Из них делают крупногабаритные конструкции оболочкового типа.

Пластмассы применяют для изготовления сепараторов подшипников качения. Сепараторы непосредственно отпрессовывают или же отливают под давлением. Конечная отделка состоит только в удалении заусенцев, причем их удаляют не механически (остающиеся мелкие частицы могут повредить подшипник при эксплуатации), а другими способами, из которых наиболее приемлемым является обжигание пламенем. Сепаратор должен иметь устойчивые размеры, и поэтому производят так называемую стабилизацию материалов (кипячение в масле и т. п.).

Ранее для изготовления сепараторов применяли только слоистые пластики с тканевым наполнителем (текстолиты). В настоящее время применяют главным образом тефлон (политетрафторэтилен), иногда пористый тефлон, который после пропитки маслом становится самосмазывающимся. Широко распространены сепараторы подшипников с тонкослойным антифрикционным покрытием из пластмасс. Толщина покрытия не должна превышать 0,3 мм. Чтобы понизить трение, пластмассы, применяемые для сепараторов, обычно наполняют графитом или двусернистым молибденом.

Способы изготовления деталей

Листы и плиты из термопластов чаще всего изготовляют каландрированием -- вальцеванием на многовалковых прокатных станках. Вальцеванием на профильных валках изготовляют также гофрированные листы для сотопластов. Фасонные изделия из листов получают прессованием в матрицах жестким или упругим пуансоном (воздухонаполненным резиновым мешком).

Широкое применение получил способ пневматического и вакуумного формования. При пневматическом формовании листовую заготовку, нагретую до пластического состояния, зажимают по периметру матрицы, после чего давлением сжатого воздуха осаживают заготовку на матрицу. При вакуумном формовании внутри матрицы создают вакуум, в результате чего заготовка втягивается в матрицу, облегая ее поверхность. Таким способом изготавливают фасонные крышки, открытые резервуары, обтекатели и другие тонкостенные изделия.

Прессование

Прессование применяют для изготовления фасонных изделий из реактопластов и отверждаемых термопластов. Исходным материалом служат таблетки, гранулы, крошка; для изделий с порошковыми наполнителями -- пресс-порошки. Процесс осуществляют в пресс-формах, состоящих из матрицы и пуансона. Формовка производится при повышенной температуре (пресс-формы нагревают), обеспечивающей отверждение материала. В матрицу засыпают мерное количество предварительно подогретого пресс-материала, после чего к пуансону прикладывают механическое или гидравлическое усилие и подвергают изделие кратковременной выдержке в форме под постоянным давлением, в результате чего происходит отверждение материала. Затем пуансон отводят; а затвердевшее изделие из матрицы удаляется выталкивателями.

В настоящее время применяют полностью автоматизированные многопозиционные роторные прессовые агрегаты с автоматическим высокочастотным подогревом, производительность которых 100 прессований в минуту и выше.

Точность размеров детали зависит от точности изготовления матрицы и пуансона, точности дозирования пресс-материала и от соблюдения режимов прессования.

Литье под давлением

Литье под давлением применяют для формования термопластов. Исходный материал (гранулы, таблетки) подвергают нагреву до полного размягчения. Литьевая масса жидкотекучей консистенции подается в обогреваемый цилиндр, откуда выдавливается поршнем через литниковые каналы в охлаждаемые металлические формы. После охлаждения и затвердевания пресс-форма раскрывается, и отливки удаляются выталкивателями. Литники и заусенцы, образующиеся в полости разъема формы, обрубают и зачищают. Температура размягчения литьевой массы зависит от ее состава. Давление прессования 100--150 МПа. Температура формы 20 -- 40 °С.

Литье под давлением более производительно и обеспечивает более высокое и равномерное качество изделий, чем прессование.

Экструзия

Экструзионное формование применяют для изготовления из термопластов прутков, труб, шлангов, плит, пленок, фасонных профилей (поручней, плинтусов и т. д.). Процесс осуществляется на шнековых прессах непрерывного действия (экструдерах). Литьевая масса подается через загрузочный бункер в обогреваемый цилиндр шнека, подхватывается витками шнека (в свою очередь подогреваемого) и перемещается вдоль цилиндра, подвергаясь перемешиванию и уплотнению. Уплотнение массы достигается уменьшением шага или высоты витков шнека. На выходном конце цилиндра устанавливают фильеру с отверстием, соответствующим форме поперечного сечения изделия. Отформованное изделие, выходящее непрерывным жгутом из фильеры, охлаждается. После затвердевания его режут на куски необходимой длины.

В последнее время для подогрева литьевой массы используют тепло, возникающее в результате трения массы о стенки цилиндра и витки шнека («адиабатическое экструдирование»). При этом методе упрощается конструкция пресса и повышается экономичность процесса.

Метод экструзии широко применяют для нанесения изолирующих оболочек на проводники, кабели и т. д. Проводники, подлежащие покрытию, подаются из бунта через центральное отверстие в шнеке и в фильере обволакиваются литьевой массой.

Из труб, получаемых экструзией, изготовляют (методом раздува в формах) пустотелые изделия (флаконы, бутылки, фляги и пр.) Днище изделий заваривают.

Формование стеклопластов

Малогабаритные изделия из стеклопластов получают горячим прессованием в металлических формах. Для изготовления крупногабаритных изделий этот способ неприменим, так как требует мощного прессового оборудования и изготовления дорогостоящих и громоздких пресс-форм.

Крупногабаритные оболочковые конструкции чаще всего изготовляют методом набрызгивания на модель приведенного в вязкотекучее состояние пластика вместе со стеклянным волокном. Пластик и нарубленное волокно подают в нужной пропорции в распылитель.

Выходящую из распылителя струю наносят на модель до образования слоя нужной толщины.

Сварка пластмасс

Термопласты всех видов хорошо поддаются сварке. Высокоэластичные пластмассы (полиолефины, полиамиды, полиметилметакрилаты) сваривают контактной сваркой без применения присадочного материала. Тонкие листы и пленки сваривают внахлестку пропусканием пленок между роликами, подогреваемыми электрическим током. Плиты, бруски и другие подобные изделия сваривают встык.

Пластмассы хорошо склеиваются с помощью клеев, представляющих собой раствор данного полимера в соответствующем растворителе. Некоторые клеи (ацетат поливинила, фенолнеопреновые, на основе модифицированных эпоксидов и др.) обладают широкой универсальностью по отношению к склеиваемым материалам. Этими клеями можно склеивать пластмассы с металлом, стеклом, керамикой и т. д.

Обзор деталей из пластмассы

Зубчатые, червячные, цепные и ременные передачи

Применение пластмасс в зубчатых и червячных зацеплениях обеспечивает мягкую передачу крутящего момента, высокую изностойкость, бесшумность и надежную работу в химически агрессивных средах, малую массу; во многих случаях простоту изготовления. Наилучшая работоспособность шестерен передачи обеспечивается комбинацией пластмассовых и металлических шестерен, благодаря чему обеспечивается хороший теплоотвод от пластмассовых шестерен.

Для уменьшения износа пластмассовых шестерен рекомендуются повышенная твердость зубьев стальных шестерен и увеличение чистоты их поверхности. В качестве материала для пластмассовых шестерен используют текстолит, древеснослоистые пластики (ДСП), полиамиды, полиформальдегид (ПФА)

Червячные пластмассовые колеса при температуре менее 90 °С, скоростях скольжения, не превышающих 3 м/с, и нагрузках не выше 300 МПа можно изготовлять из текстолита и ДСП, при нагрузках 150...180 МПа--из полиамидов.

В цепных передачах из тех же пластмасс, которые используются для шестерен, применяются «звездочки». Пластмассы типа полиамидов в виде вставок внутри стальных втулок используются для изготовления пластинчатых цепей, что резко снижает коррозию стальных деталей цепи и «слипание» звеньев цепи.

Долговечность цепных передач с втулками из полиамидов, работающих в запыленной и коррелирующей среде, резко повышается.

В ременных передачах хорошо зарекомендовали себя пластмассовые ремни (особенно из полиамидов), которые отличаются не только хорошими техническими данными, но и устойчивостью работы в агрессивных средах. Перлоновые ремни используются для передачи больших мощностей в основном для прокатных станов, мощных прессов, молотов, мельниц.

Из полиамидов (нейлон, перлон) изготовляют также буксирные канаты. Для защиты стальных канатов от коррозии их покрывают слоем полиамидов (нейлоном). Полиамиды все шире используются для изготовления и покрытия транспортерных лент.

На ряде станкостроительных заводов освоено производство пластмассовых шкивов клиноременных передач. Массы таких шкивов из-за повышенной удельной прочности пластмасс примерно в 5 раз меньше металлических, себестоимость ниже в 2,5 раза.

Для изготовления шкивов можно использовать полиамиды (мелкие шкивы и блоки), волокнит, фенолит К-18-12, декоррозит К-17/18-81, текстолит, стекловолокнит (для крупногабаритных шкивов диаметром до 800 мм). Наряду с достаточной прочностью нагрузки от центробежной силы на такие шкивы существенно меньше, чем на стальные и чугунные.

Фрикционные устройства.

В фрикционных узлах с небольшой тормозной мощностью используются пластмассы с асбестовым наполнителем. Температура нагрева для этих материалов не должна быть больше 250 °С. Пластмассы типа ретинакса допускают при очень кратковременном нагружении нагрев до 1000°С; коэффициент трения ретинакса по стали больше 0,35.

Вариаторы.

Пластмассы типа текстолита используются в вариаторах, когда не предъявляются особо высокие требования к обеспечению постоянства передаточного отношения или высокого коэффициента полезного действия.

Муфты, прокладки.

Особенно перспективно применение пластмасс для деталей зубчатых муфт из текстолита, капрона. Капроновые муфты, например, могут передавать большие нагрузки, хорошо поглощают удары, обеспечивают бесшумность работы и более просты в исполнении. Очень широкое применение в конструкциях муфт нашли диски и другие эластичные элементы, изготовленные из резины. Резиновые элементы применяются для упругого соединения валов в качестве упругих элементов нежестких муфт. Они являются одновременно амортизаторами и демпферами, а также позволяют частям вала иметь взаимное угловое перемещение. Резина находит очень широкое применение для изолирования колебаний станин станков от остальных ее узлов, что заметно увеличивает точность станков.

Резиновые прокладки изолируют корпуса судов, автомашин и т. д. от колебаний двигателей. Очень широко применяются резиновые вкладыши в металлических шарнирах, которые разъединяют трущиеся металлические части шарнира.

Прочие детали различных машин, механизмов и конструкций.

Широкое распространение получили пластмассы в быстроходных текстильных машинах, где большое значение имеют малая инерционность деталей и возможность применения движущихся деталей без смазки. Такими деталями являются шпули и их покрытия, мотовила, детали чесальных машин и т. д.

В основном для этой цели используются фенопласты с порошковыми наполнителями. Фенопласты являются незаменимым материалом для изготовления корпусов различной контрольно-измерительной аппаратуры, малогабаритных радиоприемников и т. д. Эти же материалы используются для изготовления деталей управления машин и механизмов (головки, рукоятки, маховички и т. д.). Изготовление таких деталей из пластмасс экономит металл, снижает стоимость изделия и способствует приданию машине декоративного вида.

Многие пластмассы отличаются высокой удельной прочностью

Из-за малой объемной массы и высокой удельной прочности применение пластмасс особенно выгодно для изготовления роторов высокоскоростных машин (насосы, вентиляторы, турбины, лопасти вертолетов). Использование для поршней пневматических двигателей нейлона приводит к меньшим нагрузкам на поршень, а также на шунты от действия сил инерции. В силу этого использование пластмассы в таких деталях приводит к уменьшению массы машины не только за счет меньшей плотности пластмассовых деталей, но и за счет облегчения других элементов конструкций, сопряженных с пластмассовыми деталями.

Особенно перспективно для тяжелонагруженных деталей конструкции применение стеклопластиков, которые имеют наивысшую удельную прочность. Чаще всего находят применение вместо металлических сплавов (стали) фенолформальдегидные слоистые пластики, а также полиэфирные и эпоксидные стеклопластики. В машиностроении стеклопластики, а также полиэтилен используются в качестве корпусных материалов емкостей, особенно в сложных конструкциях, которые изготовляются из этих материалов методом сварки.

Пластмассовые уплотнители и амортизаторы.

Детали уплотнений из пластмасс находят очень широкое применение. Это объясняется тем, что пластмассы обеспечивают не только высокую герметичность соединения, но и необходимую прочность и химическую стойкость узла уплотнения. Широкое распространение находят уплотнения из ненабухающих, маслостойких и бензостойких резин. Широко применяются пластмассовые уплотнения из самоуплотняющихся полихлорвиниловых колец в местах ввода электрических кабелей. Полихлорвиниловые уплотнения применяются для штоков насосов и компрессоров, в которых давление доходит до 2000 МПа. В пневматических системах достигается улучшение герметичности при замене чугунных поршневых колец текстолитовыми или фторопластовыми, армированными стекловолокном. Одновременно при этом уменьшается износ цилиндра.

В технике все шире применяются наряду с резиной пластмассовые амортизаторы. Пластмассовые амортизаторы имеют в среднем в 1,2...1,5 раза больший срок службы, чем резиновые.

Широкое применение находят полимерные демпфирующие жидкости из силикона. Силиконовый демпфер наиболее пригоден для гашения значительных колебаний при температурах до 200 °С. Это объясняется высокой вязкостью силиконового масла, которая сохраняется до высоких температур. Силиконовые масла, имея хорошую стойкость в интервале температур --50...+200 °С, являются незаменимым смазочным материалом для узлов трения, работающих при высоких температурах.

Детали трубопроводной арматуры.

Пластмассовые трубы широко используются в технике, особенно в химическом машиностроении и в строительстве. Основными преимуществами пластмассовых труб являются высокая коррозионная стойкость, малая масса, удобство транспортировки и монтажа. Трубы из полиэтилена, например, можно наматывать на барабан и сматывать непосредственно в траншею. Для изготовления труб используют как термореактивные пластики, так и термопласты. Основными материалами для изготовления труб являются:

1) полихлорвинил, полиэтилен, полиамиды, фторопласты, полиэфирные пленки, стекловолокниты;

2) фенопласты с наполнителем в виде асбеста, графита или песка (фаолиты), реже текстолит, гетинакс.

Трубы из термопластов хорошо обрабатываются, изгибаются по месту, свариваются и склеиваются. Трубы из реактопластов соединяются только склейкой. Пластмассы используются также для изготовления трубной арматуры (уголки, тройники, краны, вентили и т. д.).

Для арматуры высокого давления, применяется облицовка металлической арматуры пластмассами, обеспечивающими необходимую коррозионную стойкость. Наиболее часто для футеровки металлических трубопроводов и емкостей используются полиэтилен, полихлорвинил, полистирол, асбовинил, фторопласт, резины из синтетических каучуков. Выбор материала труб и арматуры определяется требованиями механической прочности, химической стойкости, а также условиями монтажа трубопровода.

Использование пластмасс для изготовления труб особенно эффективно для экономии стали и чугуна. Однако в СССР этого не происходит: в нашей стране производят стальных труб столько, сколько США, Япония, ФРГ, Англия, Франция и Италия вместе взятые.

Пластмассовые покрытия.

Положительные свойства пластмасс широко используются при создании комбинированных изделий. Металлические предметы с нанесенным покрытием из полимеров имеют одновременно высокую прочность, присущую металлам, и положительные свойства полимеров. Особенно эффективно использование таких покрытий в том случае, если при этом удается заменить дефицитные и дорогие металлы (цветные сплавы, высоколегированные стали) дешевыми углеродистыми сталями.

В заключение следует подчеркнуть, что резкое увеличение использования пластмасс необходимо потому, что сырье для их изготовления менее дефицитно, чем руды для производства стали

Литература

1. Орлов П.И. «Основы конструирования», «Машиностроение» 1977г.

2. Бортников В.Г. Основы технологии и переработки пластических масс. Учебное пособие для вузов. Д. Химия, 1983

3. Салазкин К.А., Шерышев М.А. Машины для формования изделий из листовых термопластов. М.: Машиностроение, 1977

4. Энциклопедия полимеров, т.т. 1,2,3. М., Химия, 1972 - 1977