Термопластичные полимеры и пластмассы

Лекция 16. Неметаллические материалы

16.1. Пластмассы: свойства и классификация

Особенностями пластмасс являются малый вес, хорошая химическая стойкость, высокие диэлектрические свойства, низкая теплопроводность и сравнительно большое термическое расширение. По прочности пластмассы уступают большинству сталей, но часто превосходят их по удельной прочности.

Основой пластмасс являются полимеры – высокомолекулярные соединения. В зависимости от формы молекул полимеры могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми.

Составляющими пластмасс являются:

· связующие – полимерные вещества;

· наполнители – вещества (бумага, хлопчатобумажная ткань, угольная пыль и др.), добавляемые в пластмассы для улучшения механических свойств и удешевления;

· пластификаторы – сложные эфиры, низкомолекулярные полимеры и т.д., которые улучшают эластичность пластмасс, в т.ч. при низких температурах;

· стабилизаторы вводят в пластмассы для замедления термо- и фотоокислительных реакций, т.е. для повышения долговечности;

· отвердители вводят в количестве нескольких процентов в реактопласты для соединения полимерных молекул химическими связями. При этом образуется сетчатая структура. В качестве отвердителей используют серу (в каучуках), органические перекиси и т.д.;

· порообразующие или вспенивающие вещества применяют для производства газонаполненных пластмасс. Порообразователем является, например, метилметакрилат, из которого при нагреве выделяются газы.

Пластмассы классифицируют по химическому составу, назначению (на конструкционные, электро- и радиотехнические, звуко- и теплоизоляционные, фрикционные и антифрикционные, антикоррозионные, стойкие к агрессивным средам) и строению (на термопластичные и термореактивные).

Они делятся на неполярные и полярные. К неполярным относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт – 4, а к полярным - фторопласт-3. органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды и многие другие. Отличие полярных состоит в отсутствии полной симметрии молекулы-мономера. Например, фторопласт 3 - полимер трифторхлортилена, имеет формулу . Введение атома хлора нарушает симметрию звеньев макромолекул.

Полиэтилен стоек к щелочам, кислотам, органическим растворителям, водостоек, однако не стоек против окисления. Защиту от старения на свету обеспечивают антиокислители или 2...5 % сажи.

Полиэтилен используется для изоляции, в производстве различных изделий, пленки и тары.

Полипропилен во многом похож на полиэтилен, однако менее плотный, более твердый и стокий к истиранию, более термостойкий.

Полиамиды стойки в щелочах и разбавленных кислотах, топливе и смазках., но нестойки в некоторых растворителях (феноле и др.), концентрированных кислотах, начиная со 150 °С быстро гидролизуются водой и паром, стареют на свету. Полиамиды поглощают воду и набухают, однако это не влияет на эксплуатационные свойства. Они принадлежат к наиболее прочным, жестким и вязким термопластам. Чистые полиамиды используют для деталей, подверженных ударам, а полиамиды со стеклянным волокном - для износостойких деталей. Из полиамидов делают вкладыши подшипников скольжения, кулачки, зубчатые колеса, лопатки рабочих колес центробежных насосов, гребные винты и др., а также волокно для сетей, автомобильных шин и канатов.

Фторопласт - 4 получают в виде высокомолекулярного неплавкого порошка, изделия из которого получают прессованием и спеканием.

Фторопласт - 4 исключительно стоек в любых агрессивных средах, водостоек и нерастворим. При нагреве он начинает разлагаться при температуре 250 °С, а выше 400 °С он, не плавясь, быстро разрушается и выделяет ядовитые газы (фтор и др.). Особенностью фторопласта - 4 является аллотропическое превращение около 20 °С. При охлаждении ниже 20 °С объем уменьшается примерно на 1 % и меняется коэффициент теплового расширения.

Фторопласт - 3 по сравнению с фторопластом - 4 легче перерабатывается (в том числе литьем под давлением), не порист, более прочен и жесток, но зато не имеет антифрикционных свойств, хуже как диэлектрик и уступает по химической стойкости.

Преимущества фторопластов: уникальное сочетание высокой химической стойкости, теплостойкости и диэлектрических свойств, широкий интервал рабочих температур, негорючесть, водостойкость. Недостатки: высокая стоимость и трудность переработки.

Фторопласт - 4 с наполнителями используют для изготовления подшипников, в уплотнениях подвижных (манжеты, сальники) и неподвижных (стыки труб и пр.) соединений; для покрытий. Как диэлектрик, фторопласт - 4 применяют главным образом в высокочастотной технике. Фторопласт - 3 используют также для защитных покрытий на металлах.

Полистирол отличается прозрачностью и отсутствием цвета. Он водостоек, стоек против действия растворов кислот и щелочей, растворяется в ароматических углеводородах и других растворителях, медленно стареет на открытом воздухе, набухает в топливе и смазках. Он является хорошим высокочастотным диэлектриком. Его недостатки: хрупкость, низкая теплостойкость, горючесть, электризуемость при трении, склонность к растрескиванию.

Полистирол используют в виде литых деталей, пленки для теплоизоляции и упаковки, для изготовления крупногабаритных литейных моделей.

Поливинилхлорид без пластификаторов называется винипластом, а его смеси с пластификаторами называются пластикатами. Винипласт и пластикаты обычно непрозрачны.

Винипласт стоек к щелочам и кислотам, не реагирует с бензином и смазками. Он водостоек и лишь немного набухает в горячей воде при 40...60 °С. На воздухе он стареет медленно, но при нагреве, а также на свету разлагается, выделяя хлористый водород. При переработке в винипласт обязательно добавляют стабилизаторы для защиты от термического разложения.

Преимущества винипласта и пластикатов: дешевизна, сочетание химической стойкости, прочности и износостойкости, негорючесть, свариваемость, большая электрическая прочность. Их недостатки: плохая теплостойкость, выделение хлористого водорода при разложении, хрупкость винипласта в присутствии концентраторов напряжений, малая прочность пластикатов, плохая дугостойкость.

Винипласт применяют для изготовления труб для воды и для сточных промышленных вод. Из пластикатов и сополимеров винилхлорида делают гибкие трубы и шланги, линолеум, искусственную кожу для самолетов и автомобилей, наружную изоляцию электропроводов, упаковку и изоляцию и т.п.

Органическое стекло (полиметилметакрилат) стойко к щелочам, разбавленным кислотам, топливу, смазкам. В воде оно немного набухает (поглощает до 2 % воды при 100 % влажности), но это мало отражается на свойствах. Стекло растворимо в дихлорэтане и других растворителях и поэтому легко склеивается. Стекло исключительно стойко против атмосферного старения.

По комплексу свойств стекло применяют без наполнителей для остекления. Благодаря способности выделять большое количество газов под действием электрической дуги, стекло используют также в качестве твердого дугогасящего материала.

Дата добавления: 2014-01-05