Пластмассы

Большие успехи в развитии органической химии обусловили широкий выбор пластических масс с самыми различными свойствами. В автомобилестроении всё шире используют различные пластмассы, обладающие необходимыми для различных деталей и узлов свойствами и, вместе с тем, лёгкие, прочные и сравнительно недорогие.

Толчок к использованию пластмасс на автомобилях дала конструктивная разработка автомобилей “Жигули”. Затем, на основе опыта ВАЗ, шире стали использовать пластмассовые детали заводы АЗЛК, ЗИЛ, ГАЗ, УАЗ.

Пластические массы имеют ряд положительных качеств, предопределивших их широкое применение:

дешевизна;

невысокая плотность (как правило, не более 1500 кг/м³);

довольно высокая прочность;

хорошие электро-, тепло- и звукоизоляционные свойства;

лёгкая обрабатываемость — литьё под давлением, при невысокой степени сложности технологического процесса, позволяет получить детали сложной конфигурации с высокой чистотой поверхности;

высокая стойкость к различным агрессивным средам;

возможность изменения коэффициента трения в очень широких пределах (от подшипников скольжения до фрикционных накладок);

возможность получения как прозрачного материала, так и окрашенного в любой цвет;

устойчивость к вибрациям.

Наряду с положительными свойствами, пластические массы имеют и ряд недостатков:

невысокая температуро- и огнестойкость;

снижение прочности при длительных нагрузках;

невысокая поверхностная прочность;

недостаточная жёсткость и упругость;

снижение удельной прочности с увеличением площади рабочего сечения пластмассовой детали;

способность некоторых пластмасс выделять вредные для человека газы, особенно при нагревании.

Но тщательный подбор пластмасс для конкретных деталей и узлов позволяет:

снизить материалоёмкость конструкций за счёт применения крупногабаритных и других деталей;

повысить безопасность за счёт применения нетравмирующих человека деталей (полужёстких рулевых колёс), смягчающих удары бамперов и других деталей;

сократить трудоёмкость изготовления узлов и автотранспортных средств в целом.

По своему составу пластмассы являются сложными веществами. В зависимости от типа пластмассы, она может состоять только из одного полимера или же из целого ряда составляющих компонентов, таких как:

полимеры;

наполнители;

пластификаторы;

антистарители;

красители.

Полимер — основной элемент пластмассы, выполняющий роль связующего вещества.

Полимер — результат реакции полимеризации (объединения) молекул мономера в макромолекулы с линейным строением. Молекулы могут быть одного или нескольких видов с различным чередованием в линейной или пространственной структуре полимера.

Наполнители предназначены для придания пластмассам необходимых (наперёд заказываемых) физико-химических, механических свойств, объёмности и уменьшения усадки при отвердевании, которая достигает в некоторых случаях 10...20% по объёму. Различают органические наполнители (древесная мука, измельчённая целлюлоза, ткань, бумага и т. д.) и минеральные (каолин, мел, тальк, металлопорошки, кварцевая мука, цемент, асбест, слюда и др.).

По структуре наполнители делят на порошкообразные, волокнистые и слоистые.

У пенопластов, кроме смол, вторым основным компонентом может быть газообразователь, т. е. добавка, разрушающаяся при размягчении смолы и образующая газообразные вещества (чаще всего азот).

Пластификаторы вводят в состав для повышения эластичности и снижения хрупкости, что повышает морозостойкость пластмасс. Это своеобразные растворители замедленного действия. Сравнительно небольшие молекулы пластификатора, проникая между цепочками полимера, разобщают их, ослабляя силы взаимодействия между атомами соседних цепочек, обеспечивая достаточно большую свободу перемещения цепочек. Твёрдый полимер может преобразовываться в эластичный.

Со временем пластификаторы могут выделяться из материала и испаряться, вследствие чего жёсткость и хрупкость материала может увеличиваться.

В качестве пластификаторов применяют различные низкомолекулярные высококипящие малолетучие жидкости (сложные эфиры фталевой, фосфорной, себациновой и других кислот) и твёрдые низкомолекулярные каучукоподобные или воскоподобные смолы.

Для сохранения приданных свойств пластификатор должен обладать возможно меньшей летучестью.

Антистарители (антиокислители) замедляют скорость окисления пластмасс в процессе их применения, особенно при повышенной температуре и воздействии света, что приводит к изменению первоначальных свойств пластмасс (прозрачность, эластичность, прочность и др.).

Красители используют для получения пластмасс требуемой окраски. Используют как органические, так и минеральные тонкоизмельчённые красители. Кроме окраски, красители могут повышать и некоторые другие свойства (долговечность, химическую и термическую стабильность и др.).

Кроме перечисленных компонентов, в пластические массы вводят стабилизаторы, связывающие низкомолекулярные продукты разложения полимеров, ускорители или замедлители процесса отверждения пластмасс, а также смазывающие вещества для лучшей пластификации и предотвращения прилипания изделий к прессформам. Наиболее часто используют для этого парафин, стеарин.

В зависимости от химической природы полимеров пластмассы разделяют на четыре класса.

Класс А. Пластмассы на основе высокомолекулярных соединений, получаемых цепной полимеризацией: полиэтилены низкого и высокого давления (НД и ВД), пропилен, винипласт и т. д.

Класс Б. Пластмассы на основе полимеров, получаемых поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией: фенопласты с различными наполнителями (пресс-порошки, стекловолокниты, фаолиты и др.), аминопласты, полиамиды (капрон и др.), эпоксипласты и т. п.

Класс В. Пластические массы на основе химически модифицированных природных полимеров — целлюлозные (целлулоид, этролы), галолит.

Класс Г. Пластмассы на основе природных и нефтяных асфальтов и смол: битумопласты с различными наполнителями.

Кроме этой классификации, пластмассы делят на две основные группы (термореактивные и термопластичные) и на подгруппы, в зависимости от присущих физико-химических свойств.

Среди свойств пластмасс можно выделить основные: плотность, прочность, теплостойкость, морозостойкость, теплопроводность, оптические свойства, коррозионная стойкость, диэлектрические свойства, фрикционные свойства и устойчивость к атмосферным осадкам.

Плотность для большинства пластмасс составляет 900...1500, иногда до 2200 кг/м³. Невысокая плотность позволяет значительно снизить массу деталей — в 5...8 раз против стальных. В среднем, каждый килограмм пластмассы заменяет 2,5 кг металла.

Прочность является весьма важным свойством. В отличие от металла прочностные свойства пластмасс зависят от конфигурации изделия и продолжительности эксплуатации. Характерная особенность пластмасс — изменение размеров под постоянной нагрузкой и, кроме того, снижение прочности. При этом переменные нагрузки, благодаря своей эластичности, пластмассовые детали выдерживают лучше, нежели металлические.

Рабочий температурный интервал у пластмасс, особенно у термопластических, значительно уже, чем у сталей. Жёсткость у пластмасс также невысока, и для некоторых деталей пластмассу армируют металлом. У наиболее прочной пластмассы — стеклопластика — предел прочности при растяжении достигает 70 кг/мм².

Теплостойкость определяет рабочий температурный интервал. Обычно он находится в пределах от минус 50⁰С до плюс 80⁰С (у термореактивных — до +120⁰С). Пластмассы на основе кремнийорганических полимеров и фторопласты работоспособны при температурах до +500⁰С. Большинство же пластмасс при температурах 250...300⁰С подвергается деструкции, т. е. процессу разложения полимера на мономеры и другие вещества (воду, углекислый газ, альдегиды и т. п.). Невысокая теплостойкость — главный недостаток пластмасс, как конструкционного материала.

Морозостойкость отражает характер изменения механических свойств пластмасс при понижении температур в область отрицательных. Большинство пластмасс при отрицательных температурах, особенно термопластичные, теряют эластичность, становятся хрупкими. Но известны, так называемые, антифрикционные самосмазывающиеся пластмассы (АСП), состоящие из полимера и твёрдых смазок в качестве наполнителя. Их можно применять в узлах трения при температуре от минус 100⁰С до +300⁰С.

Теплопроводность у пластмасс значительно меньше, чем у металлов (в 500...600 раз). Это позволяет широко использовать пластмассы как утеплители и теплоизоляторы тех нагреваемых деталей, с которыми контактирует человек.

Оптические свойства. Органическое стекло с поверхностью высокой чистоты обработки имеет прозрачность не меньшую, чем силикатное, при разрушении гораздо менее опасно и, к тому же, хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи.

Коррозионная стойкость. Как правило, пластические массы, в отличие от металлов, обладают повышенной стойкостью к воздействию кислот, щелочей, солей и растворителей. А с фторопластами по химической стойкости не может сравниться ни одно другое вещество, даже золото и платина.

Диэлектрические свойства присущи всем пластмассам, а фторосодержащий полимер — политетрафторэтилен (фторопласт 4) — является одним из лучших диэлектриков из всех известных природных и синтетических веществ.

Фрикционные свойства. Слоистые пластики (капрон) характеризуются низким коэффициентом трения и большой износостойкостью, поэтому применяются в подшипниках и других узлах трения. Пластики на базе фенольных смол с асбестовым наполнителем — асбоволокниты — имеют большой коэффициент трения, и применяются в качестве фрикционных накладок.

Устойчивость к атмосферным воздействиям определяет изменение свойств пластмасс под воздействием влаги, света и воды. Основная причина старения пластмасс — деструкция полимеров под воздействием солнечных лучей и тепла и одновременно протекающих процессов окисления полимеров. Относительная недолговечность пластмасс является их серьёзным недостатком по сравнению с металлами. Она вызывает необходимость проведения мер, предотвращающих старение или своевременной замены деталей.

Основные физико-механические свойства наиболее часто применяемых в автомобилестроении пластмасс приведены в таблице 12.2.

Как было сказано выше, пластические массы делят на два больших класса: термореактивные пластмассы (реактопласты) и термопластичные пластмассы (термопласты). Рассмотрим эти пластмассы и изделия, которые из них изготавливают.

Термореактивные пластмассы при изготовлении превращаются в твёрдые вещества, не изменяющие своих пластичных свойств после окончания полимеризации. Термостабильное состояние образуется при 160⁰...200⁰С. К термореактивным смолам относят фенольно-формальдегидные, полиэфирные, эпоксидные и др.

Наиболее широко распространены фенопласты. Вследствие повышенной хрупкости в чистом виде фенолоальдегидные пластики используют весьма редко. Хрупкость снижают наполнителями, придающими и другие, необходимые для использования в автомобилестроении, свойства. Чаще всего используют асботекстолит, текстолит, карболит.

Из асботекстолита с добавкой каолина изготавливают накладки дисков сцепления и тормозов.

Из специального текстолита изготавливают шестерни распределительного вала двигателей, упорные шайбы водяных насосов двигателей, упорные шайбы распредвалов и др.

Таблица 12.2

Физико-механические свойства некоторых пластмасс

Материал	Плотность, кг/м^3	Разрушаю-щее напря- жение при растяжении sр, МПа	Относитель-ное удлине- ние при раз- рыве	Ударная вязкость, кДж/м^2	Твёрдость по Бриннелю НБ, МПа
Полиэтилен низ- кого давления 19003-002	951...956	22,5		—	—
Полистирол ПСМ-115	1050...1080	38,0...41,5	1...3		140...160
Фторопласт - 50	2100...2200	24,0...32,0	320...340	—	39...49
Полиметилмета- крилат Дакрил-6	—		2,5	1,6
Фенопласт Э5-101-30		40...45	2...3		500...650
Гетинакс ГРТ	1300...1400		—	18,0	—
Текстолит ПТР-1	1300...1400	98...100	—	26...27	—
Асботекстолит А	1500...1700		—	29...34	295...300
Полиамид ПА 610-1-109	1340...1350	90...120	6...9		—
Стеклопластик полиамидный однонаправленный	1670...1750	900...1000	2,5		—

Из карболита изготавливают крышку и ротор прерывателя-распределителя, изоляторы катушки зажигания и другие детали.

Из стеклопластиков изготавливают крупногабаритные и высоконагруженные детали (кабины автомобиля МАЗ-543) и др.

Эпоксидные смолы используют для выравнивания неровностей поверхности. Они обладают высокой адгезией к металлам, значительной прочностью, стабильностью, химической стойкостью ко многим веществам.

Эпоксидные смолы обладают диэлектрическими свойствами, что позволяет использовать их при изготовлении и ремонте электрооборудования.

Полиамидные (капроновые) порошки используют для получения антифрикционных слоёв подшипников скольжения. Капрон, особенно в сочетании с закалённой сталью, обладает исключительной износостойкостью даже при дефиците смазки. На легковых автомобилях капроновые вкладыши шарниров рулевых тяг недороги, недефицитны, легкозаменяемы и долго работают.

Полиамидную массу — капрон — широко используют для изготовления самых разнообразных деталей: от шестерён (привода спидометра) до декоративных отделочных ручек, панелей и др.

Термопластичные пластмассы при нагревании (неоднократном) приобретают пластичность и возвращаются в твёрдое состояние при затвердевании. Эти пластмассы можно многократно перерабатывать. Получают их полимеризацией низкомолекулярных органических веществ. Чаще всего это смолы: полиметилметакрилат, полистирол, поливинилхлорид, полиэтилен, политетрафторэтилен, полиамиды, полиуретаны. Все они имеют линейную, а не пространственную структуру молекул.

Кроме обычных для пластмасс диэлектрических свойств, термопласты обладают высокой ударной вязкостью (следствие хладотекучести) и водостойкостью. Но рабочие температуры ограничиваются обычно 60...80⁰С, хотя некоторые (фторопласты) работают и при 150...160⁰С и даже при 250⁰С.

В автомобилестроении используют: полиамиды, акрилопласты (полиметилметакрилат), поливинилхлорид (винипласты), фторопласты, полиэтилен, полистирол, этролы (термопластические эфиры целлюлозы).

Из полиамидов, в том числе капрона (поликапролактама), изготавливают: втулки педалей, дверных петель, рессор и др.; подшипники дверей автобусов, педалей сцепления и т. п.; вкладыши, корпуса сальников, шестерни для небольших нагрузок, манжеты, стеклодержатели, патроны ламп, выключатели, корпуса и крышки карбюратора.

Из полиэтилена высокого давления (ВД) изготавливают крышки, кнопки, осветительные плафоны, трубки, прокладки и другие детали, а также плёнку — основу драпировочных и обивочных тканей для сидений и спинок.

Поливинилхлорид (винипласт) применяют для изготовления банок аккумуляторных батарей, прокладок, уплотнителей, внутренней обшивки кузова. Пластифицированный поливинилхлорид используют для получения обивочных материалов путём нанесения плёнки на хлопчатобумажную ткань, изготовления трубок масло- и топливопроводов и других деталей.

Фторопласты используют для деталей, работающих в химически агрессивных средах и при повышенной температуре.

Из акрилопластов изготавливают пылезащитные линзы, внутренние плафоны, стёкла габаритных фонарей, оконные стёкла и другие детали.

Из этола методом литья под давлением изготавливают: щиток панели для приборов, облицовку рулевого колеса и другие профильные детали.

Применение пластмасс в автомобилестроении позволяет снизить массу автомобиля, повысить долговечность ряда его узлов и агрегатов, снизить трудоёмкость их изготовления. Использование пластмассовых материалов при отделочных и декоративных работах значительно улучшает комфортность и товарный вид автотранспортных средств.

Дата добавления: 2014-01-13