Розділ 10. пластмаси й їх класифікація, властивість і галузь застосування
Загальні відомості про пластмаси й їх класифікація
За об’ємами виробництва пластмас Україна значно відстає від технологій розвинених країн. Це призводить до значних перевитрат сталі, що щорічно перевищує ~3–5 млн тонн.
Пластмасами (пластиками) називаються тверді, міцні й пружні матеріали, одержані на основі полімерних сполук. Найчастіше формуються у вироби методами, заснованими на використанні їх пластичних деформацій.
Основою пластмас є полімери, властивості яких визначають властивості й технологічні процеси виробництва пластмасових виробів.
Пластмаси, як і полімери, поділяються на термопластичні й термореактивні.
Пластмаси можуть бути прості, що представляють собою чисті полімери, і складні, до складу яких крім полімеру можуть бути введені наповнювачі, пластифікатори, барвники й інші добавки різного призначення.
Залежно від методів переробки, пластмаси поділяються на ливарні (звичайні термопласти), штампувальні (листові термопласти), пресувальні (переважно термореактивні пластмаси).
За типом застосовуваних наповнювачів пластмаси поділяються на преспорошки, волокнисті й складні пластики.
Основними позитивними особливостями пластмас є простота технологічного процесу виготовлення з них виробів із максимальним використанням матеріалу (93–95 %), висока стійкість до агресивних середовищ і атмосферних впливів, низька питома вага виробів, високі діелектричні й теплоізоляційні властивості. У ряді випадків пластмаси мають хорошу механічну міцність, антифрикційні властивості, зносостійкість.
Вироби із пластмас відрізняються високим декоративним ефектом, оскільки пластмаси мають високу пластичність й оброблюваність.
Термопластичні пластмаси
Термопластичні матеріали мають властивість багаторазової переробки без зміни атомно-молекулярної будови.
Дамо характеристику найбільш широко розповсюдженим термопластичним пластмасам (термопласти).
Поліетилен. Залежно від способу виготовлення, може мати або низьку щільність (γ = 0,918–0,93 г/см3) і ступінь кристалічності 55– 65 %, або високу щільність (γ = 0,949–0,96 г/см3) і ступінь кристалічності 74–95 %. Він хімічно стійкий, має температурний інтервал експлуатації 70–100 °С. Кристалічна фаза надає поліетилену теплостійкість і високу механічну міцність (σв = 8,5–45 МПа). Щоб підвищити стійкість поліетилену до старіння, в нього вводять 2–3 % сажі. Використовується для виробництва плівок, труб, ізоляції проводів і кабелів, покриттів на металах і т. д.
У поліпропілену (γ = 0,9–0,92 г/см3) переважає кристалічна фаза. Хімічно стійкий, температура експлуатації становить від -15 до +150 °С, має високі фізико-механічні властивості (σв = 25 МПа). Основний недолік поліпропілену – низька морозостійкість. Застосовується у виробництві текстильних виробів у якості еластичних і міцних волокон. Плівки з поліпропілену більш міцні й менш газопроникні, ніж із поліетилену. Ці властивості поліпропілену дають підстави для його вибору в господарській діяльності людини. Наприклад, ми звикли накривати теплиці поліетиленовою плівкою, знаючи, що найменший зачіп за виступаючу частину каркаса може легко привести до її розриву. Крім плівок із поліпропілену виготовляють труби, водопровідні арматури, насоси, вентилятори, ємності, електроізоляційні деталі й деякі деталі машин.
Способи переробки: лиття під тиском, склеювання, зварювання, екструзія (видавлювання), механічна обробка.
Фторопласт. Існують дві модифікації фторопласта: фторопласт-3 (політрифторхлоретилен) і фторопласт-4 (політетрафторетилен). Більш широке застосування в народному господарстві одержав фторопласт-4. Це термічно стійкий матеріал, його температурна область застосування – від -269 до +250 °С. Механічна міцність фторопласта (σв = 14–35 МПа) зберігається до температури +250 °С. Він відрізняється високою механічною стійкістю проти кислот, лугів, окислювачів і розчинників, не змочується водою, характеризується малим коефіцієнтом тертя.
Галузь застосування: ущільнювальні деталі, хімічно стійкі деталі й покриття, плівки, волокна, тканинні матеріали, підшипники, що не вимагають змащення, електро- і радіотехнічні деталі.
Полівінілхлорид. Із полівінілхлориду виготовляють два різновиди пластмас: вініпласт і пластикам.
Характерні властивості: вініпласт має високу механічну міцність, стійкий проти впливу майже всіх мінеральних кислот, лугів і розчинів солей. Недоліки: схильність до повзучості, набухання у воді, низька ударна в'язкість, мала теплостійкість, великий коефіцієнт теплового розширення. Пластикам менш хімічно стійкий, ніж вініпласт.
Галузь застосування: з вініпласту виготовляють ємності для зберігання хімікатів, труби, деталі арматур.
Способи переробки: екструзія, прокатування, пресування, лиття під тиском, механічна обробка, зварювання.
Поліметилметакрилат (органічне скло). Від звичайних силікатних стекол органічне скло відрізняється низькою питомою вагою, пружністю, відсутністю крихкості аж до -50…-60 °С, вищою світлопрозорістю, легким формуванням й простотою механічної обробки.
Органічне скло використається у виробництві освітлювальної апаратури, в остекленні огороджувальних щитків на верстатах і т. д.
Поліаміди – пластинки, що кристалізуються, відомі під назвами капрон, нейлон й ін. Стійкі до бензину, спирту, лугів. Робоча температура поліамідів – від -60 до +110 °С. Маючи гарні механічні властивості (σв = 50–100 МПа), поліамід є гарним конструкційним матеріалом. Міцність поліамідних волокон досягає σв = 600 МПа. Цей матеріал добре протистоїть зношуванню, має високу ударну міцність і низький коефіцієнт тертя. Саме тому з цього матеріалу виготовляють панчохи, колготки й інші речі.
До поліамідів належить й лавсан (Лабораторія високомолекулярних сполук академії наук СРСР), що має високу хімічну й морозостійкість (до -70 °С).
Найбільше застосування мають поліаміди типу капрону, нейлону, лавсану. Використовуються у виробництві високоміцних волокон, плівок, для виготовлення деталей машинобудування. З поліамідів виготовляють шестірні, приводні ремені, підшипники. Поліамідне волокно йде на виготовлення шинного корду, канатів, рибальських снастей, предметів широкого застосування.
Способи переробки: лиття під тиском, екструзія профілів, видування, механічна обробка, зварювання. Для зміцнення термопластів використовується наповнювач – скловолокна. У шаруватих термопластиках знаходять застосування склотканини. Так, капрон із подібним наповнювачем має σв = 400–430 МПа, а його працездатність підтримується до +220 °С.
Термореактивні пластмаси
Пластичні маси на основі термореактивних полімерів відрізняються від термопластів практично повною відсутністю холодотекучості під навантаженням, підвищеною теплостійкістю, нерозчинністю, малим набуханням, постійністю фізико-механічних властивостей у температурному інтервалі їхньої експлуатації. Твердіючі пластичні маси, як правило, належать до складних пластмас (ПКМ – пластичні композиційні матеріали), які у своїй сполуці, поряд зі смолами, мають різні наповнювачі: порошкові, волокнисті або складні. Тому, залежно від характеру наповнювача, пластмаси поділяються на прес-порошки, волокнисті й складні пластики.
У термореактивних пластмасах (реактопластах) сполучними є термореактивні полімери, найчастіше це епоксидні (склопластики на їхній основі здатні до тривалої експлуатації за температур до 200 °С), фенолформальдегідні (до 260 °С), кремнійорганічні (до 37 °С) і поліамідні (до 350 °С) смоли, а також неорганічні поліефіри (до 20 °С).
У порошкових пластмасах, прес-порошках (ρ = 1,4–1,45 г/см3) наповнювачами слугують органічні (деревне борошно, целюлоза) або мінеральні (графіт, тальк, кварц та ін.) порошки. Ці пластмаси мають хімічну стійкість, теплостійкість до +110 °С, задовільну міцність (σв = 30–60 МПа), але низьку ударну в'язкість. Із них виготовляють електроізоляційні деталі (електричні розетки і т. д.).
Прес-порошки, створені на основі епоксидних смол, знайшли широке застосування в інструментальній справі, виробництві штампів і пристосувань для усунення дефектів лиття і т. д.
У волокнистих пластмасах – волокнітах (γ = 1,35–1,45 г/см3) –наповнювач являє собою очоси бавовни. Волокніти за теплостійкістю й механічними властивостями схожі на прес-порошки, є вихідними матеріалами для виготовлення шківів, фланців і т. д.
Азбоволокніти (γ = 1,95 г/см3) мають наповнювачем волокнистий азбест, більше теплостійкий (до 200 °С), хімічно стійкий до кислот, зі значною ударною в'язкістю і високими фрикційними властивостями. Використаються у виробництві гальмівних пристроїв (гальмівні колодки).
Високоміцні короткі скляні волокна використаються як наповнювачі в скловолокнах марок АГ-4У або ДСВ. Скловолокніти хімічно стійкі, негорючі, гранична температура тривалої роботи становить 280 °С, мають високу міцність (σв = 80–500 МПа) та технологічні властивості. Використовуючи довгі волокна, одержують орієнтовані скловолокніти марок АГ-4С, ВМ-1 та ін. із механічними властивостями, що в 3–5 разів вище звичайних скловолокнітів. Зі скловолокнітів роблять високоточні, будь-якої конфігурації (з різьбою і зі сталевими арматурами) кріпильні вироби й деталі машин.
У складних пластмасах застосовують листові наповнювачі.
Гетинакси з паперовими наповнювачами підрозділяються на електротехнічні й декоративні. Хімічно стійкі, Тmax = 150 °С, σв = 80– 100 МПа. Використаються в електротехнічній промисловості для виготовлення різних щитків і панелей.
Текстоліти мають наповнювач із бавовняних тканин, випускаються марок ПТК, ПТ й інших. Тmax = 80–125 °С, σв = 60–100 МПа. Використаються для виробництва зубчастих коліс, вкладишів, підшипників.
Деревно-шаруваті пластики (ДСП) містять наповнювачі у вигляді деревної шпони. Вироби із ДСП експлуатуються до температури 140–200 °С, σв = 130–300 МПа, безшумні в роботі й довговічні. З них роблять підшипники, шківи, деталі швейних і текстильних машин, автомобілів, вигонів й інше.
В асботекстолітах уякості наповнювача використається азбестова тканина. Це конструкційний, фрикційний і термостійкий матеріал. Використовується для гальмівних пристроїв.
До складних пластмас належать й склотекстоліти з наповнювачем зі склотканин. Здатні до довгої експлуатації за Т = 200–400 °С, а короткочасно – до декількох тисяч градусів. Хімічно стійкі, σв = 600 МПа. Зі стекловолокнітів виготовляють корпуса човнів, судів, кузова автомашин й інше.