Состав, классификация и свойства пластмасс

Пластмассы разделяют на простые и сложные. Если в высокомолекулярное вещество вводят небольшие добавки [1…2 % (по массе)] пластификаторов, стабилизаторов, красителей и др., то получаемый материал называют простыми пластмассами. К ним относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, состоящие, в основном, из чистого полимера того же наименования.

При введении в высокомолекулярное вещество кроме указанных добавок наполнителей (кварцевая мука, асбестовое волокно, графит, стеклянные волокна, ткани и др.), количество которых составляет обычно 40…70 % (по массе), получают сложные или композиционные пластмассы. К ним относятся, например, пресспорошки, фаолит, текстолит, стеклопластики и т.п.

В качестве связующего вещества используют синтетические смолы и эфиры целлюлозы. По виду связующего все пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты) - полиэтилен, полипропилен, полистирол, фторопласт, винипласт и др., термореактивные (реактопласты) - текстолит, стеклотекстолит, гетинакс, древесно-слоистые пластики, асботекстолит, пенопласт, поропласт и др. Термопласты отличаются высокотехнологичностью и небольшой усадкой при формовке, обладают значительной эластичностью и не склонны к хрупкому разрушению. Реактопласты хрупкие и дают большую усадку, поэтому использование в них наполнителя обязательно.

Наполнитель вводят с целью снижения стоимости и обеспечения заданных свойств материала, в первую очередь прочностных. К наиболее распространенным наполнителям относятся древесная или минеральная мука (порошковые наполнители), асбестовое, хлопчатобумажное или другое органическое волокно (волокниты). Полимеры с наполнителем - стекловолокном называют стекловолокнитами, листами бумаги - гетинаксами, тканью - текстолитами.

Пластификатор повышает пластичность пластмасс. В качестве пластификаторов применяют эфиры многоатомных спиртов и многоосновных кислот. Отвердители (инициаторы, активаторы) ускоряют, а ингибиторы замедляют переход термоактивных смол в неплавкое состояние или термопластичных - в твердое. Смазывающие добавки повышают текучесть материала при переработке и предупреждают прилипание изделия к формообразующей оснастке.

Термопластыделят на неполярные и полярные. К первым относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4, ко вторым - органическое стекло, фторопласт-3, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты, полиформальдегид и др.

При изготовлении поро- и пенопластов добавляют газообразователи - вещества, которые при нагреве разлагаются, выделяя большое количество газов, вспенивающих смолу. Газообразователи уменьшают плотность пластмасс, придают тепло- и электроизоляционные свойства.

Свойства пластмасс. Свойства пластмасс определяются физико-механическими характеристиками их основы - смолы, и зависят от содержания связующего (30…70 %), количества и вида добавок.

Широкое применение пластмасс в машиностроении стало возможным благодаря их специфическим свойствам. К ним относятся:

малая плотность (для большинства пластмасс - 0,9…1,8 г/см³), позволяющая значительно уменьшать массу деталей и оборудования;

высокая коррозионная стойкость - не подвержены электрохимической коррозии в щелочах и кислотах;

высокие электроизоляционные характеристики;

хорошие антифрикционные свойства ряда пластмасс позволяют с успехом применять их для изготовления подшипников скольжения;

применение некоторых пластмасс с высоким коэффициентом трения для изготовления деталей тормозных устройств;

высокая прозрачность и другие оптические свойства некоторых пластмасс;

большой диапазон твердости и эластичности, зависящие от структуры, температуры, среды и т.д.;

возможность переработки в изделия самыми производительными способами - литьем, выдавливанием и т.п. с коэффициентом использования материала 0,90…0,95.

Вместе с тем при выборе пластмасс для изготовления различных деталей необходимо учитывать, что им присущи:

малая прочность, жесткость и твердость;

большая ползучесть, особенно у термопластов;

низкая теплостойкость: для большинства пластмасс рабочая температура составляет от -60 до +200 °С, немногие могут работать при 300…400 °С;

низкая теплопроводность (в 500…600 раз меньше, чем у металлов), затрудняющая отвод тепла в узлах трения, например в подшипниках скольжения;

старение - потеря свойств под действием тепла, света, воды и других факторов.

Основными технологическими свойствами пластмасс являются текучесть, усадка, скорость отверждения (реактопластов) и термостабильность (термопластов).

Текучесть - способность материалов заполнять форму при определенных температуре и давлении - зависит от вида и содержания в материале смолы, наполнителя, пластификатора, смазочного материала, а также от конструктивных особенностей пресс-формы. Для ненаполненных термопластов за показатель текучести принимают «индекс расплава» - количество материала, выдавливаемого через сопло диаметром 2,095 мм при определенных температуре и давлении в единицу времени.

Под усадкой понимают абсолютное или относительное уменьшение размеров детали по сравнению с размером полости пресс-формы.

Продолжительность процесса перехода реактопластов из высокоэластичного или вязкотекучего состояния в состояние полной полимеризации определяет скорость отверждения. Скорость отверждения (полимеризации) зависит от свойств связующего (термореактивной смолы) и температуры переработки. Низкая скорость отверждения увеличивает время выдержки материала в пресс-форме под давлением и снижает производительность процесса. Повышенная скорость отверждения может вызвать преждевременную полимеризацию материала в пресс-форме, в результате чего отдельные участки формующей полости не будут заполнены пресс-материалом.

Под термостабильностью понимают время, в течение которого термопласт выдерживает определенную температуру без разложения. Высокую термостабильность имеют полиэтилен, полипропилен, полистирол и др. Переработка их в детали сравнительно проста. Для материалов с низкой термостабильностью (полиформальдегид, поливинилхлорид и др.) необходимо предусматривать меры, предотвращающие возможность разложения их в процессе переработки: например, увеличение сечения литников, диаметра цилиндра и т.д.

В зависимости от физического состояния, технологических свойств и других факторов все способы переработки пластмасс в детали наиболее целесообразно разбить на следующие основные группы: переработка в вязкотекучем состоянии (прессованием, литьем под давлением, выдавливанием и др.); переработка в высокоэластичном состоянии (пневмо- и вакуум-формовкой штамповкой и др.); получение деталей из жидких пластмасс различными способами формообразования; переработка в твердом состоянии разделительной штамповкой и обработкой резанием; получение неразъемных соединений сваркой, склеиванием и др.; различные способы переработки (спекание, напыление и др.).

Резиновые материалы

Резины представляют собой продукт вулканизации каучука в смеси с добавками и наполнителями. Под вулканизацией понимают процесс сшивки макромолекул каучука в пространственно-сетчатую структуру с целью получения высокоэластичного материала. Основой резины является каучук натуральный или синтетический. Подавляющее большинство резиновых материалов производится на основе синтетических каучуков (известно около 250 видов). Наиболее важное практическое применение имеют каучуки бутадиеновые, бутадиенстирольные, бутадиеннитрильные, хлоропреновые, бутиловые, этиленпропиленовые, кремнийорганические, полиуретановые и др.

Сырьем для получения синтетических каучуков является этиловый спирт, ацетилен, бутан, этилен, бензол, изобутилен, нефть, нефтепродукты, природный газ, древесина.

Помимо каучуковой основы в состав вулканизируемой смеси входят следующие инградиенты.

Вулканизирующие вещества (агенты). Для большинства каучуков вулканизирующим агентом номер один является сера, сшивающая макромолекулы каучука за счет образования поперечных связей между ними. При небольших добавках серы (массовая доля до 5 %) образуется редкосетчатый полимер, обладающий высокой эластичностью. По мере увеличения содержания серы твердость полимера возрастает и при массовой доле серы свыше 30 % образуется твердый материал - эбонит. Кроме серы в качестве вулканизирующих агентов могут использоваться селен, оксиды некоторых металлов и другие вещества.

Наполнители вводят для улучшения механических свойств (сажа, оксид цинка) и снижения стоимости (мел, барит, тальк) резины. Иногда в качестве наполнителей используются измельченные производственные отходы резины и старые резиновые изделия.

Антиоксиданты (противостарители) замедляют процесс старения резины в результате окисления. К ним относятся альдоль и неозон Д.

Мягчители (пластификаторы) составляют 8…30 % от массы каучуковой основы. Мягчителями служат вазелин, парафин, растительные масла, битумы и другие вещества.

Вулканизирующие вещества, придающие резине требуемую твердость, прочность, упругость (сера, перекись марганца, свинец, бензол); ускорители вулканизации - оксиды марганца, цинка и др.

Красители обеспечивают резине необходимую окраску, а в ряде случаев - замедляют старение резины под действием солнечного света.

Резиновые смеси перед вулканизацией подвергают специальной механической или термической обработке с целью их пластификации. Сам процесс вулканизации проводят при температуре 140…180 °С при оптимальном времени.

Резины - химически стойкие материалы, обладающие газо- и водонепроницаемостью, высокой стойкостью к истиранию и хорошими электроизоляционными свойствами. Эти материалы имеют низкий модуль упругости (Е = 1…10 МПа); являются малосжимаемыми; склонны к снижению работоспособности за счет воздействия теплоты, выделяющейся вследствие внутреннего трения при многократном нагружении изделия, обладают способностью многократно изгибаться, поглощать вибрации; стойки против воздействия жидкого топлива и месел.

Механические свойства резин сильно зависят от температуры, повышение которой вызывает снижение их прочности и твердости.

Резины по назначению делятся на две основные группы: резины общего назначения и резины специального назначения.

К резинам общего назначения относятся материалы на основе натурального, бутадиенового, изопренового, бутадиенстирольного, хлоропренового, бутилового каучуков. Из этих резин изготавливают шины, конвейерные ленты, приводные ремни, кабельную изоляцию и фасонные резинотехнические изделия. Изделия из резин общего назначения могут работать при температурах в интервале -35…150 °С, их отличает стойкость в воздухе, воде и слабых растворах кислот и щелочей.

К резинам специального назначения относятся теплостойкие, морозостойкие, маслобензостойкие, износостойкие, электропроводящие, магнитные, диэлектрические, стойкие к действию агрессивных сред и др.

Основой теплостойких резин являются этиленпропиленовые и полисилоксановые каучуки, которые обеспечивают возможность работы при температурах 150…200 °С, а в отдельных случаях даже при 350…400 °С.

Морозостойкие резины получают на основе каучуков с низкой температурой стеклования, преимущественно кремнийорганических, либо с обычной температурой стеклования, например бутадиеннитрильных, но со специальными пластификаторами. Рабочие температуры достигают -76 °С.

Маслобензостойкие резины на основе хлоропреновых, уретановых, полисульфидных, бутадиеннитрильных и других каучуков могут работать в условиях длительного контакта с нефтепродуктами и растительными маслами.

На основе полиуретановых каучуков получают износостойкие резины, а на основе бутадиеннитрильных, кремнийорганических, хлоропреновых, акрилатных каучуков - резины, стойкие к действию агрессивных сред.

Электропроводящие и магнитные резины изготавливают путем введения электропроводящих и магнитных наполнителей в полярные бутадиеннитрильные каучуки.

Основой диэлектрических резин являются кремнийорганические, этиленпропиленовые, изопреновые и некоторые другие каучуки. Помимо рассмотренных, существуют и другие виды специальных резин: пищевые, медицинские, вакуумные, огнестойкие, радиационно стойкие и т.д.

Уплотнительные - в виде уплотнительных профилей, уплотнительных манжет, втулок (сальников, прокладок и т.д.).

Вибро- и звукоизолирующие и противоударные - типа подшипников, амортизаторов и т.п.

Силовые - такие, как шестерни, корпуса различных агрегатов, муфты и т.п.

Опоры скольжения - различные резинометаллические подшипники, подпятники, опоры и т.п.

Трубы для транспортирования жидкостей (воды, топлива, масел) и газов - как правило, резинотканевые изделия, очень часто армированные проволокой. К резинотканевым изделиям относятся также приводные плоские или клиновые ремни, транспортерные ленты для перемещения грузов.

Противоизносные - протекторы пневматических шин, катки, шины для автомашин, мотоциклов, самолетов.

Фрикционные изделия и инструменты - как, например, шлифовальные доски, тормозные устройства и т.п.

Несиловые и защитные - ковры для электрозащиты, ручки и т.п.

Декоративные - в виде различных полос, шнуров и т.п.

Номенклатура резиновых изделий чрезвычайно широка, она насчитывает десятки тысяч наименований. Резина является продуктом переработки каучуков. Натуральный каучук получают из растений. Наибольшее применение нашли синтетические каучуки.

Композиционные материалы

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: