Основы выбора полимерных материалов для создания изделий
При выборе полимерного материала для создания изделий получил признание принцип: марка полимерного материала должна быть доведена до требований каждого изделия. Реализация этого принципа приводит к росту числа марок полимерных материалов. Сейчас промышленностью во всем мире выпускается несколько тысяч марок полимерных материалов. Они включают широкий перечень термореактивных и термопластичных полимеров и композиций на их основе, используемых для изготовления изделий различного назначения. В настоящее время имеется около 50 основных промышленных видов полимеров, в том числе около 36 термопластов и более 12 реактопластов. В каждом виде более 50 типов и модификаций. Однако номенклатура изделий значительно по числу наименований опережает число марок полимерных материалов. Номенклатуру изделий трудно учесть: ориентировочно находится в районе 850 тысяч наименований.
Важно сделать правильный выбор полимерного материала для конкретных условий технологии изготовления данного изделия и его эксплуатации. Лишь в тех случаях, когда такой материал отсутствует, возникает необходимость создания нового материала. Но это является дорогостоящей задачей. В этом случае выбор базового полимера очень важен, поскольку свойства полимерного материала в основном определяются свойствами выбранного полимера. Кроме того, одним из направлений в решении задачи создания нового полимерного материала является модификация уже применяемого полимерного материала до нужных свойств в процессе переработки.
Успешное решение по конструированию изделия возможно лишь при учете различных характерных свойств полимерных материалов в зависимости от условий эксплуатации и методов переработки. Необходимо стремиться к наиболее полному использованию материала при минимальной его стоимости.
Правильному выбору полимерных материалов для изготовления данного изделия способствует знание разных систем классификации полимерных материалов:
² классификация по химической структуре полимера;
² классификация по технологическим свойствам;
² классификация по областям применения;
² классификация по объему производства (крупно-, средне-, мелкотоннажное);
² классификация по стоимости;
² классификация по совокупности параметров эксплуатации.
Из всей совокупности параметров эксплуатации при выборе конструкционного полимерного материала для изготовления изделия первоначально оценивают значения теплостойкости, предела текучести и модуля упругости, твердости. Критерии классификации ПМ по совокупности параметров эксплуатационных свойств представлены на рис. 1.6 и таблице 1.3.
* Еп- модуль ползучести при деформации 0,5% и продолжительности действия нагрузки 1000 ч;
**Тэ – максимальная температура эксплуатации при длителной статической нагрузке.
Рис.1.6. Критерии классификации полимерных материалов по совокупности параметров
эксплуатационных свойств
Таблица 1.3 - Классификация полимерных материалов по совокупности эксплуатационных свойств
Номер группы (рис. 1.6) | Полимерные материалы |
1.1 | Сополимеры этилена и винилацетата, поливинилхлорид пластифицированный, вспененный полиэтилен |
1.2 | Поливинилхлорид непластифицированный, вспененный полистирол, этролы, сополимер стирола с метилметакрилатом и нитрилом акриловой кислоты |
2.1 | Полиэтилен низкой плотности, сополимер этилена и полипропиленом, полиуретаны |
2.2 | Полиэтилен высокой плотности, полиэтилен среднего давления, полипропилен, полистирол, ударопрочные сополимеры стирола, сополимеры стирола с α-метилстиролом или нитрилом акриловой кислоты, фторопласты, жесткие полиуретаны, пентапласт, полиметилметакрилат, сополимер стирола с метилметакрилатом |
3.1 | Пресс-порошки, пенопласты на основе фенолоформальдегидных, аминоальдегидных, эпоксидных смол, премиксы эпоксидных смол |
3.2 | Полиамиды, поликарбонат, сополимеры формальдегида, полибутилентерефталат, полифенилоксид, полисульфон, полиакрилаты, препреги, гетинаксы на основе фенолоформальдегидных смол, листовые слоистые материалы на основе аминоальдегидных смол, текстолит |
Полиамид-66, полиэтилентерефталат, полиэфирсульфон, стеклонаполненные композиции на его основе, эпокси-кремнийоргранические пресс-материалы, стеклотекстолиты на основе фенолоформальдегидных и эпоксидных смол, волокниты, стекло- и асбоволокниты | |
Фенилон, полиимид, полибензоксазол, полиамидоимиды, композиты на основе кремнийорганических смол |
По последней классификации полимерные материалы делят на две большие группы: общетехнического назначения и инженерно-технического назначения.
Конструкционные полимерные материалы общетехнического и инженерно-технического при повышенных температурах и, следовательно, по возможности применения назначения существенно различаются по поведению при воздействии механической нагрузки.
Полимерные материалы общетехнического назначения характеризуются резким снижением механических характеристик с повышением температуры, т.к. имеют низкую теплостойкость. Они неработоспособны при кратковременной нагрузке при температуре свыше 50 0С и главным образом работают в нагруженном состоянии или слабонагруженном состоянии при обычных или средних (до 50 0С) температурах.
Полимерные материалы инженерно-технического назначения имеют более высокие механические характеристики и теплостойкость. У них наблюдается меньшее снижение этих параметров с повышением температуры. Полимерные материалы данного класса могут работать при кратковременной нагрузке при высоких температурах (>250 0С). Могут длительно эксплуатироваться под нагрузкой при повышенных температурах.
Какие полимерные материалы будут наиболее востребованы в будущем? Любые прогнозы здесь нужно применять с оговорками. Так аналитики предсказывали в 1975 г, что к 2005 г применение стандартных пластмасс резко сократится, и они уступят место техническим пластмассам. Однако на сегодняшний момент потребность в стандартных пластмассах составляет порядка 85 %, 14 % - это технические пластмассы, менее 1 % - суперполимеры (полиэфирсульфон, фенилон, полиимид, полибензоксазол, полиамидоимиды). Безусловно, есть тенденция к увеличению доли технических пластмасс – на это указывает усиливающая специализация фирм-производителей на производстве инженерных марок полимеров.
Данные об областях применения пластмасс (рис. 1.7) указывает на то, что наиболее серьезные процессы в развитии полимерных производств, происходят в сфере упаковки, автомобилестроения и электронной техники.
Рис. 1.7. Применение полимерных материалов по отраслям