Термопластичные полимеры и материалы на их основе
Полиэтилен (ПЭ)
[- CH2 - CH2 -]n
Полиэтилен получают реакцией радикальной полимеризации этилена под давлением или ионной полимеризации при небольшом или атмосферном давлении. В зависимости от метода полимеризации свойства ПЭ довольно значительно отличаются, особенно это проявляется в плотности, температуре плавления, прочности и твердости. Различают полиэтилен высокого давления (ПЭВД), образующийся при Т = 200 0 С и давлении 1000 атм, и полиэтилен низкого давления (ПЭНД), образующийся при Т = 60-70 0 С и давлении 5-6 атм. благодаря применению комплексных катализаторов. Основной причиной, вызывающей различие в свойствах ПЭВД и ПЭНД является разветвленность макромолекул: чем больше разветвленность цепи, тем выше эластичность, ниже кристалличность, плотность, прочность и твердость.
ПЭ отличается высокой химической стойкостью, небольшой теплопроводностью, большим коэффициентом термического расширения, повышенной радиационной стойкостью.
Недостатки ПЭ: старение под действием солнечного света, ползучесть, горючесть, сравнительно невысокая рабочая температура.
Применяют полиэтилен для изоляции подводных кабелей, проводов, разночастотных кабелей, технических деталей, а также для производства пленок,
Пленки выпускаются толщиной 0,03-0,30 мм, шириной 1400 мм и длиной до 300 м, листы - толщиной 1-6 мм и шириной до 1400 мм. Их применяют в качестве электроизоляционного материала. На основе пленок из ПЭ могут быть изготовлены липкие ленты, пригодные для ремонта кабельных линий высокочастотной связи. Трубы характеризуются легкостью, коррозионной стойкостью, гибкостью, морозостойкостью. Выпускается также облученный ПЭ, сшитый поперечными связями и вулканизирующийся ПЭ, у которого сшивание макромолекул происходит с помощью перекисных соединений. Эти полимеры отличаются более высокой нагревостойкостью.
Полипропилен (ПП)
ПП получается полимеризацией пропилена и представляет термопластичный продукт с температурой плавления 165-1700 С.
[- CН2 - CH -]n
I
CH3
ПП является более легким, жестким и прозрачным полимером, чем ПЭ; отличается более высокой термической стойкостью.
ПП обладает двумя существенными недостатками - низкой морозостойкостью (-300 С) и более легкой окисляемостью при действии кислорода воздуха и солнечного света.
ПП используется для электроизоляции, изготовления труб, пленки, технических деталей, волокон, пенопластов.
Низкая плотность, поверхностный глянец, хорошие акустические свойства и высокая ударная прочность делают наполненные и огнестойкие композиции на основе ПП пригодными для изготовления корпусов и панелей радио- и телеаппаратуры, магнитофонов, конденсаторов, индукционных катушек, радарных установок и портативных приборов.
Полистирол (ПС)
[- СН2 - СН -]n
ô
ПС - твердый, жесткий и прозрачный полимер (пропускает 90% видимого света). В зависимости от способа полимеризации получают аморфный или кристаллический ПС. Промышленностью выпускается полистирол, имеющий аморфное строение и характеризующийся значительной разветвленностью.
ПС отличается высокой водостойкостью и стойкостью к действию водных растворов кислот, щелочей и солей, растворим в мономере (стироле), в ароматических и хлорированных углеводородах.
К недостаткам ПС относятся: невысокая механическая прочность, особенно ударная вязкость и сравнительно низкая теплостойкость (800 С). Эти недостатки устраняются в полимерах производных стирола (хлорстирола, метилстирола и др.), а также при сополимеризации стирола или полистирола с другими мономерами.
Вследствие хрупкости, особенно при ударных нагрузках, ПС непригоден для изготовления многих изделий. Этого недостатка не имеют УПС (ударопрочный ПС) и АБС-сополимеры.
Совмещением сополимера стирола и акрилонитрила с бутадиен-нитрильным каучуком в промышленности изготовлен высокопрочный полистирол (СНП).
Особенно перспективным является производство тройного сополимера, содержащего 5-35% акрилонитрила, 10-40% бутадиена и 25-80% стирола - АБС-сополимеры, которые обладают повышенными механической прочностью, теплостойкостью и химической стойкостью.
Основное назначение АБС-пластиков: изготовление труб, листов и изделий из листовых материалов, внутренняя отделка самолетов и т.д. Выпускаются также композиции на основе ПС и различных добавок, например, полистирол светотехнический готовится на основе ПС, светорассеивающих добавок, оптических отбеливателей, стабилизаторов и используется для изготовления светотехнических изделий.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторопласт-4, фторлон-4)
[- CF2 - CF2 -]n
Фторопласт-4 представляет собой рыхлый белый волокнистый порошок, степень кристалличности 45-85%. ПТФЭ практически ни в чем не растворим и обладает необычайно высокой химической стойкостью к действию минеральных и органических кислот, щелочей и других агрессивных сред. По этому показателю превосходит все известные химически стойкие материалы (золото, платину, стекло, фарфор). Разрушение полимера наблюдается лишь при действии расплавленных щелочных металлов, их растворов в аммиаке, элементарного фтора и трехфтористого хлора при повышенных температурах. Технические свойства практически не изменяются при температурах от -100 до 2500 С. Максимальная рабочая температура равна 2600 С, минимальная составляет -269 0 С, температура плавления 3270 С. ПТФЭ негорюч, вода не оказывает никакого воздействия при любых температурах, устойчив к действию тропического климата и не подвержен действию грибковой плесени, обладает высокими антифрикционными свойствами, причем коэффициент трения снижается с увеличением нагрузки. Однако Ф-4 с его низкими прочностью и теплопроводностью редко используетcя в антифрикционных изделиях, работающих под нагрузкой; для этого создаются наполненные композиции, содержащие графитированный уголь, кокс, стекловолокно, дисульфид молибдена, или так называемые металлофторопластовые композиции, обладающие повышенной твердостью, износостойкостью и теплопроводностью.
Недостатком Ф-4 является ползучесть, увеличивающаяся при повышении температуры.
Оптические свойства Ф-4 невысоки, он прозрачен для видимого света только при толщинах, измеряемых десятками микрометров. Ф-4 малоустойчив к облучению.
В машиностроении Ф-4 в чистом и наполненном виде применяется для изготовления деталей машин и аппаратов, подшипников, работающих без смазки в коррозионных средах, в виде уплотнений компрессоров и т.д.
Политрифторхлорэтилен (ПТФХЭ, фторопласт-3, фторлон-3)
[ - CF2 – CFCl - ]n
Термическая стойкость Ф-3 ниже, чем у Ф-4. Ф-3 исключительно морозостоек (изделия можно эксплуатировать при температуре -1960 С). Обладает хорошими диэлектрическими свойствами, но уступает ПТФЭ. По химическим свойствам уступает ПТФЭ, однако, достаточно устойчив к действию кислот, щелочей и органических растворителей.
В качестве антикоррозионного покрытие Ф-3 значительно превосходит Ф-4 и другие материалы. Коэффициент диффузии у Ф-3 примерно в 100 раз меньше, чем у Ф-4 и покрытия на основе практически бездиффузионны. По работостойкости в вакууме Ф-3 превосходит такие материалы как алюминий, фарфор, что весьма ценно для исследования его в условиях космоса.
Изделия формуют обычным методом – прессованием, литьём под давлением, экструзией. Изделия, плёнки, листы из Ф-3 применяются в машино- и приборостроительной промышленности, в электротехнике и радиоэлектронике, криогенной и космической технике.
Разновидностями Ф-3 являются Ф-3 Б, отличающийся более высокой прозрачностью и повышенной термостойкостью; Ф-3 М эластичен и легко перерабатывается, не менее стоек к растворителям.
Полиамиды (ПА)
Полиамиды-гетороцепные полимеры линейного строения, содержащие в основной цепи макро молекулы, повторяющиеся амидные группы.
.. - С – NH –....
||
O
Существует широкий марочный ассортимент ПА (литьевые, экструзионые, пластифицированные, армированные, наполненные, пленочные, клеевые, лаковые и другие).
Из ПА наиболее широкое распространение получили капрон:
О О
|| ||
[-(CH2)5 - C - NH-], энант [-(CH2)6 - C - NH-] и найлон (анид) (-СH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO-)n.
В расплавленном состоянии прозрачны и бесцветны, а в твердом состоянии имеют белый или слегка желтоватый цвет. Полимеры, обладающие низкой степени кристалличности, более прозрачны, чем полимеры с высокой кристалличностью, а некоторые виды ПА совершенно прозрачны.
ПА обладают высокой прочностью, особенно к ударным нагрузкам, хороший бензо- и маслостойкостью, низким коэффициентом трения, легко перерабатывается в изделия всеми методами формования.
ПА широко применяют взамен металлов в производстве шестерен зубчатых передач, подшипников скольжения, втулок, поршней, фитингов, роликов, опор трения, износостойких плит, разъемных корпусов станков, приборов. ПА используются также в качестве изоляционного материала для деталей электроприборов, штепсельных розеток, выключателей, рукояток, устройств, работающих под напряжением, катушек и хомутов для электрокабелей и двойных или многожильных проводов.
Полиуретаны (ПУ)
ПУ называются гетероциные высокомолекулярные соединения, содержащие в основной цепи макромолекулы, повторяющиеся уретановые групп
.... - О - С - NH -....
||
О
ПУ эластомеры обладают высокими физико-механическими свойствами, хорошей сопротивляемостью большим деформациям при сохранении эластичности.
Термопластичные полиуретаны (ТПУ) - одна из разновидностей ПУ эластомеров, отличающиеся высоким модулем упругости, износо-и морозостойкостью, низким коэффициентом трения, стойкостью к вибрациям, а также воздействию масел, бензина и других агрессивных сред.
ПУ используются в производстве клеев, покрытий, лаков. Из ПУ волокон (перлон) изготавливают фильтровальные, защитные и парашутные ткани, приводные ремни, канаты, изоляционный материал для кабелей.
Поликарбонаты (ПК)
Представляют собой нагревостойкие кристаллические полимерные эфиры, получаемые при поликонденсации двухатомных фенолов и угольной кислоты, и имеют следующую химическую формулу:
CH3 O
| ||
- H [- O - - C - - O – C -]n OH
|
CH 3
ПК обладают высокой механической прочностью, гибкостью, химической стойкостью. Применяют ПК в виде пленок, волокон, лаков и литых технических изделий в производстве прецизионных инструментов и контролирующих приборов, вычислительных машин, а также холодильников, калориферов и т.д. Пленки на основе ПК служат для изоляции магнитных сердечников сложной конфигурации. Листовые - используются в качестве оптических стекол и линз.
Полиимиды (ПИ)
Полиимиды- полимеры, макромолекулы которых содержат циклическую имидную группу и имеют следующую структурную формулу:
O O
|| ||
C - - C
. [.- N N - ]n
 | |||||
 | |||||
 | |||||
C C Имидная группа
|| ||
О O
Свойства полиимидов зависят от соотношения имидных и ароматических циклов в звене, характера и количества атомов, разделяющих ароматические циклы.
Полимиды отличаются от других термопластичных материалов нагревостойкостью, высокими механическими, электроизоляционными свой-ствами и радиационной стойкостью при высоких и низких температурах.
Полиимиды устойчивы к действию органических растворителей и нейтральных масел, но разрушаются под действием концентрированных кислот и щелочей. Сохраняют эластичность при длительном нагревании (3000С), изгибаются без растрескивания при намотке, стойки к тепловому удару, длительно сохраняют механические характеристики от температуры жидкого гелия до 3000С.
Полиимидные пленки обладают эластичностью при криогенных температурах. Например, при температуре -2690С их можно наматывать на стержень диаметром 6 мм, и при этом они не ломаются. Срок службы полимидных пленок на воздухе при 2500С - 10 лет, при 2750С - 1,5 года, при 3000С - 3 мес., при 3500С - 6 суток и при 4000С - 12 часов.
Полимидная пленка применялась в качестве наружной теплоизоляции американских лунных кораблей и костюмов космонавтов.