Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 2. ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫВ основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы. Термопласты имеют ограниченную рабочую температуру, свыше 60-70 °С начинается резкое снижение физико-механических свойств. Более теплостойкие структуры могут работать до 150-250 °С, а термостойкие с жесткими цепями и циклические структуры устойчивы до 400-600 °С. При длительном статическом нагружении появляется вынужденно-эластическая деформация и прочность понижается. С увеличением скорости деформирования не успевает развиваться высокоэластическая деформация и появляется жесткость, иногда даже хрупкое разрушение. Более прочными и жесткими являются кристаллические полимеры. Предел прочности термопластов составляет Модуль упругости Они хорошо сопротивляются усталости, их долговечность выше, чем у металлов. Предел выносливости составляет предела прочности. При частотах нагружения свыше 20 Гц происходят разогрев материала и уменьшение прочности. Термопласты делят на неполярные и полярные. Неполярные термопластичные пластмассы. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фтороиласт-4. Полиэтилен — продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. По плотности полиэтилен подразделяют на полиэтилен низкой плотности, получаемый в процессе полимеризации при высоком давлении (ПЭВД), содержащий кристаллической фазы, и полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком давлении имеющий кристалличность до 74— 95 %. Чем выше плотность и кристалличкость полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Длительно полиэтилен можно применять при температуре до Морозостойкость достигает — и ниже. Полиэтилен химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Недостатком полиэтилена является его подверженность старению. Для защиты от старения в полиэтилен вводят стабилизаторы и ингибиторы сажи замедляют процессы старения в 30 раз). Под действием ионизирующего излучения полиэтилен твердеет: приобретает большую прочность и теплостойкость.
Рис. 209. Зависимость для полиолефинов от температуры: а — прочность; б - относительное удлинение при разрыве для ПЭНД (1), СЭП (2) и ПЭВД (3) Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, пленок, он служит покрытием на металлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока. Сополимеры этилена с пропиленом выпускаются под маркой с винилацетатом — «сэвилен», «миравитен» (ГДР), с бутеном — Эти материалы имеют меньшую степень кристалличности, повышенную гибкость, ударную прочность, прозрачность, стойкость к низким температурам и стойкость к растрескиванию; адгезию и способность к наполнению, свариваемость. Однако по сравнению с полиэтиленом их жесткость и температура плавления ниже. При введении сополимера материал приобретает свойства каучука. На рис. 209 приведена температурная зависимость для полиэтилена и а на рис. 210 — водопоглощение пленками термопластов. Применяют сополимеры для литых изделий, труб, гибких шлангов, фитингов, пленок и др. Полипропилен является производной этилена. Применяя металлоорганические катализаторы, получают полипропилен, содержащий значительное количество стереорегу-лярной структуры. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом этот пластик более теплостоек: сохраняет форму до температуры Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки. Нестабилизированный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостатком пропилена является его невысокая морозостойкость (от —10 до Полипропилен применяют для изготовления
Рис. 210. Водопоглощение (Вп) пленками термопластов: 1 — СЭП; 2 - ПЭНД; 3 - ПЭВД; 4 — фторопласт-4; 5 — полистирол; 6 — триацетат целлюлозы труб, конструкционных деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных емкостей и др. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые. Полистирол — твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензоле. Полистирол наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения по сравнению с другими термопластами (присутствие в макромолекулах фенильного радикала Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость, склонность к старению, образованию трещин. Ударопрочный полистирол представляет собой блоксополимер стирола с каучуком (УПС). Такой материал имеет в 3—5 раз более высокую ударную вязкость и в 10 раз более высокое относительное удлинение по сравнению с обычным полистиролом. Высокопрочные АБС-пластики (акрилонитрилбутадиенстирольные) отличаются повышенной химической стойкостью и светотермостабильностью. Однако такие сополимеры имеют более низкие диэлектрические свойства по сравнению с чистым полистиролом. Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции, а АБС-пластики применяют для деталей автомобилей, телевизоров, лодок, труб и т. д. Фторопласт-4 (фторлон-4) политетрафторэтилен является аморфно-кристаллическим полимером. До температуры скорость кристаллизации мала и не влияет на его механические свойства, поэтому длительно эксплуатировать фторопласт-4 можно до температуры Разрушение материала происходит при температуре выше Аморфная фаза находится в высокоэластическом состоянии, что придает фторопласту-4 относительную мягкость. При весьма низких температурах (до -269 °С) пластик не охрупчивается. Фторопласт-4 стоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Практически он разрушается только под действием расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора, кроме того, пластик не смачивается водой. Политетрафторэтилен малоустойчив к облучению. Это наиболее высококачественный диэлектрик. Фторопласт-4 обладает очень низким коэффициентом трения который не зависит от температуры (до 327 °С когда начинает плавиться кристаллическая фаза). Недостатками фторопласта-4 являются хладотекучесть (результат рекристаллизации), выделение токсичного фтора при высокой температуре и трудность его переработки (вследствие отсутствия пластичности). Фторопласт-4 применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет, сильфонов, электрорадиотехнических деталей, антифрикционных покрытий на металлах (подшипники, втулки). Таблица 45 (см. скан) Физико-механические свойства неполярных термопластов Разновидностью фторопласта является фторопласт-4Д, отличающийся формой и размером частиц, меньшей молекулярной массой. Это облегчает переработку материала в изделия. Физикомеханические свойства его такие же, как и у фторопласта-4. Волокно и пленку фторлон изготовляют из фторопласта-42. Фторлоновая ткань не горит, химически стойка, применяется для емкостей, рукавов, спецодежды, диафрагм и т. д. Фторопласт-40 обладает высокой твердостью, почти не склонен к ползучести, стоек к воздействию ионизирующего излучения и технологичен. Физико-механические свойства неполярных термопластичных пластмасс приведены в табл. 45. Полярные термопластичные пластмассы. К полярным пластикам относятся фторопласт-3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиарилаты, пентапласт, полиформальдегид. Фторопласт-3 (фторлон-3) — полимер трифторхлортилена, имеет формулу Введение атома хлора нарушает симметрию звеньев макромолекул, материал становится полярным, диэлектрические свойства снижаются, но появляется пластичность и облегчается переработка материала в изделия. Фторопласт-3, медленно охлажденный после формования, имеет кристалличность около 80-85 %, а закаленный — 30-40 %. Интервал рабочих температур от —105 до 70 °С. При температуре 315 °С начинается термическое разрушение. Xладотекучесть у полимера проявляется слабее, чем у фторопласта-4. По химической стойкости он уступает политетрафторэтилену, но все же обладает высокой стойкостью к действию кислот, окислителей, растворов щелочей и органических растворителей. Модифицированный политрифторхлорэтилеи — фторопласт-ЗМ обладает большей теплостойкостью (рабочая температура 150— 170 °С), он более эластичен и легче формуется, чем фторопласт-3. Фторопласт-3 используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того, из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др. Органическое стекло — это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Чаще всего применяется полиметилметакрилат, иногда пластифицированный дибутилфталатом. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол отличается высокой атмосферо-стойкостью, оптически прозрачен (светопрозрачность 92 %), пропускает 75 % ультрафиолетового излучения (силикатные — 0,5 %). При температуре 80 °С органическое стекло начинает размягчаться; при температуре 105-150 °С появляется пластичность, что позволяет формовать из него различные детали. Критерием, определяющим пригодность органических стекол для эксплуатации, является не только их прочность, но и появление на поверхности и внутри материала мелких трещин, так называемого серебра. Этот дефект снижает прозрачность и прочность стекла. Причиной появления «серебра» являются внутренние напряжения, возникающие в связи с низкой теплопроводностью и высоким коэффициентом расширения. Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазочных материалов. Старение органического стекла в естественных условиях протекает медленно. Недостатком органического стекла является невысокая поверхностная твердость. Увеличение термостойкости и ударной вязкости органического стекла достигается ориентированием; при этом увеличивается в несколько раз ударная вязкость и стойкость к «серебрению»; сополимеризацией или привитой полимеризацией полиметил метакрилата с другими полимерами получают частично сшитую структуру (термостабильные стекла); применением многослойных стекол («триплексов»). Органическое стекло используют в самолетостроении, автомобилестроении. Из него изготовляют светотехнические детали, оптические линзы и др. На основе полиметилметакрилата получают самоотверждающиеся пластмассы: ACT, стиракрил, АКР. Указанные материалы применяют для изготовления штампов, литейных моделей и абразивного инструмента. Поливинилхлорид является аморфным полимером с химической формулой Пластмассы имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Винипласты имеют высокую прочность и упругость. Из винипласта изготовляют трубы, детали вентиляционных установок, теплообменников, защитные покрытия для металлических емкостей, строительные облицовочные плитки. Недостатками этого материала являются низкая длительная прочность и низкая рабочая температура (не свыше под нагрузкой, большой коэффициент линейного расширения, хрупкость при низких температурах При введении пластификатора получают полихлорвиниловый пластикат, имеющий морозостойкость от —15 до -50 °С и температуру размягчения 160-195 °С применяется для изоляции проводов и кабелей, уплотнительных прокладок. Полиамиды — это группа пластмасс с известными названиями: капрон, нейлон, анид и др. В составе макромолекул полимера присутствует амидная группа а также метиленовые группы повторяющиеся от 2 до 10 раз. Общая формула полиамидов имеет вид:
Полиамиды — кристаллизующиеся полимеры. Отдельные цепочки макромолекул располагаются таким образом, что между группами и принадлежащими различным цепочкам, возникает водородная связь, повышающая температуру плавления до 210— 264 °С и способствующая образованию регулярной структуры. При одноосной ориентации получаются полиамидные волокна, нити, пленки. Свойства разных видов полиамидов довольно близки. Они имеют низкий коэффициент трения продолжительное время могут работать на истирание; кроме того, полиамиды ударопрочны и способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину, спирту; устойчивы в тропических условиях. К недостаткам полиамидов относятся некоторая гигроскопичность и подверженность старению вследствие окисляемости при переработке (рис. 211). Водопоглощение зависит от содержания амидных групп и структуры и составляет от 1,75 % (полиамид П-12) до 11-12 % (капрон, П-54). Устойчивость полиамидов
Рис. 211. Коэффициенты изменения механических свойств капрона в процессе старения при различных температурах к свету повышается введением стабилизатора, а антифрикционные свойства — введением наполнителя (графита и др.). Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы и др. Полиамиды используют в электротехнической промышленности, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия металлов. На рис. 212 и 213 показаны зависимости прочности некоторых термопластов от температуры и времени нагружения. Полиуретаны содержат уретановую группу Кислород в молекулярной цепи сообщает полимерам гибкость, эластичность; им присуща высокая атмосферостойкость и морозостойкость (от —60 до -70 °С). Верхний температурный предел составляет 120-170 °С. Свойства полиуретана в основном близки к свойствам полиамидов. Из полиуретана вырабатывают пленочные материалы и волокна, которые малогигроскопичны и химически стойки. В зависимости от исходных веществ, применяемых при получении полиуретанов, они могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными и даже термореактивными. Полиэтилентерефталат — сложный полиэфир, в СССР выпускается под названием лавсан, за рубежом — майлар, терилен. Полиэтилентерефталат является кристаллическим полимером; при быстром охлаждении расплава можно получать аморфный
Рис. 212. Зависимость прочности термопластов от температуры: 1 — полиэтилен; 2 — полихлорвинил; 3 — фторопласт-4; 4 — полиимид; 5 — полиамид
Рис. 213. Зависимость прочности термопластов от времени нагружения: 1 — полистирол; 2 — АБС; 3 — поливинилхлорид; 4 — органическое стекло полимер, который при нагреве свыше 80 °С начинает кристаллизоваться. Присутствие кислорода в основной цепи сообщает хорошую морозостойкость (-70 °С). Бензольное кольцо повышает теплостойкость (температура плавления 255-257°С). Полиэтилентерефталат является диэлектриком и обладает сравнительно высокой химической стойкостью, устойчив в условиях тропического климата. Из полиэтилентерефталата изготовляют шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки, волокна и др. Поликарбонат — сложный полиэфир угольной кислоты; выпускается под названием дифлон. Это кристаллический полимер, которому при плавлении и последующем охлаждении можно придать аморфную структуру. Такой материал становится стеклообразным и прозрачным. Свойства поликарбонатов своеобразны — им присущи гибкость и одновременно прочность и жесткость. По прочности при разрыве материал близок к винипласту и отличается высокой ударной вязкостью, он нехладотекуч. При длительном нагреве, вплоть до температуры размягчения, образцы сохраняют свои размеры и остаются эластичными при низких температурах. Поликарбонат химически стоек к растворам солей, разбавленным кислотам и щелочам, маслам; разрушается крепкими щелочами; выдерживает светотепловакуумное старение и тепловые удары, тропикостоек. Поликарбонат имеет ограниченную стойкость к воздействию ионизирующего излучения. Из поликарбоната изготовляют шестерни, подшипники, автодетали, радиодетали и т. д. Его можно использовать в криогенной технике для работы в среде жидких газов. Дифлон применяется также в виде гибких, прочных пленок. Полиарилаты — сложные гетероцепные полиэфиры. Полиарилатам присущи высокая термическая стойкость и морозостойкость (до -100 °С), хорошие показатели прочности и антифрикционные свойства (эстеран). Полиарилаты радиационностойки и химически стойки; применяются для подшипников, работающих в глубоком вакууме без использования смазочного материала, в качестве уплотнительных материалов в буровой технике. Пентапласт является хлорированным простым полиэфиром, относится к медленно кристаллизующимся полимерам. Пентапласт более устойчив к нагреву по сравнению с поливинилхлоридом (отщепления хлористого водорода под действием температуры не происходит). Прочность пентапласта близка к прочности винипласта, но он выдерживает температуру 180 °С и хорошо формуется, нехладотекуч, стоек к истиранию. Пентапласт, являясь веществом полярным, обладает удовлетворительными электроизоляционными свойствами. Кроме того, он водостоек. По химической стойкости занимает промежуточное положение между фторопластом и винипластом. Из пентапласта изготовляют трубы, клапаны, детали насосов и точных приборов, емкости, пленки и защитные покрытия на металлах. Полиформальдегид — простой полиэфир — линейный полимер, имеющий в цепи кислород Повышенная кристалличность (75 %) и чрезвычайно плотная упаковка кристаллов дают сочетание таких свойств, как жесткость и твердость, высокая ударная вязкость и упругость. Температурный интервал применения полимера от —40 до 130 °С; он водостоек, стоек к минеральным маслам и бензину. Полиформальдегид используют для изготовления зубчатых передач, шестерен, подшипников, клапанов, деталей автомобилей, конвейеров и т. д. Физико-механические свойства полярных термопластов приведены в табл. 46. Термостойкие пластики. В этих полимерах фениленовые звенья чередуются с гибкими звеньями (амидными, сульфидными и др.). Температура эксплуатации их до 400 °С. Кроме полимеров с гибкими звеньями создается новый класс полимеров с жесткими цепями, в которые вводятся устойчивые гетероциклы. Циклические структуры устойчивы до 600 °С и выше. Практический интерес представляют ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфон и гетероциклические полимеры — полиимиды и полибензимидазолы. Ароматический полиамид — фенилон — содержит фенйльные радикалы, соединенные группами — Это линейный гетероцепной полимер, способный кристаллизоваться, который может длительно работать при температуре морозостоек (даже при температуре жидкого азота), имеет повышенную стойкость к радиации и химическую стойкость. По сравнению с капроном фенилон обладает более высоким сопротивлением усталости и износостойкостью. Из фенилона изготовляют подшипники, уплотнительные детали запорных устройств, зубчатые колеса, детали электрорадиопередач. Из него получают пленки, волокна, бумагу (номекс). Арилокс-полифениленоксид — простой ароматический полиэфир, аморфен, трудно кристаллизуется, по термической стабильности уступает фенилону. Длительно его можно применять при температуре до 130-150 °С; обладает химической стойкостью, низким водопоглощением, имеет хорошие физико-механические характеристики: стр . Из полифениленоксида изготовляют детали оборудования, хирургические инструменты, изоляцию на высокочастотных установках. Полисульфон — простой ароматический полиэфир, в макромолекулах которого между фениленовыми группами имеются звенья — — (повышают стойкость к нагреву), группы — (уменьшают жесткость). Это аморфный, трудно кристаллизующийся полимер. Материал термически стабилен, химически стоек, по прочностным свойствам близок к полифениленоксиду. Полисульфон применяют в виде пленок, литых изделий и покрытий для эксплуатации при температуре от —100 до Таблица 46 (см. скан) Физико-механические свойства полярных термопластов 175 °С (в инертной атмосфере до 400 °С). Из него изготовляют детали автомобилей, станков, бытовых машин, электротехнических изделий, металлизованных матриц для типографских клише. Полиимиды — ароматические гетероциклические полимеры. Цепь макромолекул содержит имидные циклы и ароматические ядра, соединенные гибкими связями . В зависимости от структуры полиимиды могут быть термопластичными и термореактивными. Наибольшее практическое применение получили линейные полиимиды. Полиимиды отличаются высокими механическими и электроизоляционными свойствами, широким диапазоном рабочих температур (от —200 до 300 °С), стойкостью к радиации. На основе полиимидов получают пленки, по прочности не уступающие лавсановым. Полиимиды стойки к действию растворителей, масел, слабых кислот и оснований; разрушаются при длительном воздействии кипящей воды и водяных паров; могут длительно работать в глубоком вакууме при высоких температурах. Полиимидные прессовочные материалы имеют хорошо сопротивляются ползучести, стойки к истиранию, обладают низким коэффициентом трения. Пресс-материалы используют для изготовления изделий конструкционного, антифрикционного и электроизоляционного назначения. Полиимидные связующие применяют для наполненных пластиков. Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. В основной цепи макромолекул содержатся бензимидазольные циклы. Большинство полимеров бесцветные, однако полимеры с ярко выраженной системой сопряжения в цепи имеют темный цвет. Полимеры могут иметь кристаллическое или аморфное строение, быть термопластичными и термореактивными. Сшитая структура получается при введении сшивающих агентов. Полибензимидазолы обладают высокой термостойкостью (температура разложения на воздухе 300-600 °С); хорошими прочностными показателями; высокими диэлектрическими свойствами. Волокна огнестойки и термостойки. Композиции на основе полибензимидазолов могут использоваться в качестве абляционных термозащитных материалов. Антифрикционные материалы —АСП-пластики обладают термостойкостью и самосмазывающимися свойствами. Полибензимидазолы применяют в виде пленок, волокон, тканей для специальных костюмов; из АСП-пластиков изготовляют подшипники, шестерни. Полибензимидазолы могут использоваться в качестве связующих для армированных пластиков. Термопласты с наполнителями. В качестве полимерных матриц (связующего) применяют различные термопласты. В качестве армирующих наполнителей можно использовать стеклянное волокно, асбест, органические волокна и ткани. Волокнистые наполнители образуют в полимере как бы несущий каркас и этим упрочняют материал. В промышленном масштабе применяют полиамиды и поликарбонат, наполненные мелкорубленым стекловолокном. По сравнению с ненаполненными полимерами стекловолокниты обладают повышенными прочностью
Рис. 214. Сопротивление усталости ненаполненных (1, 3) и наполненных стеклянным волокном (2, 4) полиамида (1, 2) и поликарбоната (3, 4) и теплостойкостью, сопротивлением усталости и износостойкостью, небольшой ползучестью (рис. 214). Интервал рабочих температур от —60 до 180 °С. Термопласты с наполнителями в виде синтетических волокон (пропиленовое волокно, капрон, лавсан, винол) являются перспективными. Такие волокна имеют близкую со связующими химическую природу, и упрочнение получается высоким (волокна и связующее работают совместно). Ползучесть волокнистых термопластов уменьшается почти в 5 раз, длительная прочность возрастает в десятки раз. Слоистые термопласты содержат в качестве наполнителей ткани из различных волокон. Для получения высокопрочных пластмасс применяют полиамиды, армированные стеклотканью. Капрон армированный стеклотканью, имеет высокие механические свойства: и может работать до Из волокнистых термопластов изготовляют подшипники, зубчатые передачи, трубы, вентили, емкости для агрессивных сред и др.
|
1 |
Оглавление
|