Глава 3. Полимерные пластические материалы (пластмассы)

Полимерные пластические материалы— искусственные мате­риалы, получаемые на основе природных или синтетических высоко­молекулярных полимеров при нагреве путем формования в размяг­ченном состоянии под давлением и с последующим переходом в твер­дое состояние сформованной массы при дальнейшем ее нагревании (термореактивная) или охлаждении (термопластичная). В инженерной практике такие материалы получили наименование «пластмассы».

Пластмасса— материал, представляющий собой композицию полимера или олигомера с различными ингредиентами, находящуюся при формовании изделий в вязкотекучем или эластичном состоянии, а при эксплуатации — в стеклообразном или кристаллическом со­стоянии.

Широкое распространение пластмасс предопределили сле­дующие их достоинства: неограниченные запасы сырья; легкость переработки в изделия с небольшими трудовыми за­тратами; комплекс ценных свойств; малая себестоимость.

Отличительными особенностями пластмасс являются:

- плотность:

плотных пластмасс — 900 (полипропилен)...2200 (полимер­ный бетон) кг/м³; ячеистых с пористостью до 95% — 10...20 кг/м³;

- теплопроводность пластмасс при отсутствии наполнителей — 0.116...0,348 Вт/(м^.К), а поропластов —0,028...0,0348 Вт/(м^.К);

σ_сж= 150 (древесно-слоистые пластики)...350 (стеклопластики) МПа;

- конструктивная прочность σ_сж/ρ = 1...2 (для кирпича — 0,02, бетона — 0,06, древесины — 0,07);

Е = (0,1...0,31)^.10⁵ МПа (для ненаполненных пластмасс — (0.001...0,045^.10⁵ МПа);

- водопоглощение:

для плотных пластмасс — 0,1 ...0,5%; для пористых пластмасс — 30...90%;

- хорошие фрикционные и антифрикционные свойства;

низкая истираемость — 0,035...0,05 г/см² (истираемость наибо­лее твердых горных пород — 0,01...0,1 г/см²);

- диэлектрические свойства;

- высокие оптические свойства (бесцветность и прозрачность органических стекол);

- высокая химическая стойкость в ряде сред и неподверженность коррозии;

- хорошие декоративные свойства (окрашиваются в любые цвета и долго сохраняют цвет);

- долговечность.

Ценным свойством пластмасс является легкость их обработки для придания им разнообразной, даже самой сложной формы с помощью разнообразных технологических приемов (литье, прессование, экструзия и др.), которые могут быть механизированы и автоматизированы. Большая группа пластмасс позволяет сваривать их между собой и, таким образом, изготовлять сложной формы трубы и различные емкости.

К недостаткам пластмасс следует отнести следующие свойства;

- низкая ударная вязкость;

- повышенная ползучесть;

- высокий температурный коэффициент линейного расширения α^.10^-6 (поливинилхлорид — 80...90; полиэтилен — 160...230). У сталей этот показатель равен 9... 12, алюминия — 22...24, бетона— 12, стекла — 0,8...8;

- низкая теплостойкость (при средней теплостойкости, равной 80... 150°С, до 400°С у кремнийорганических полимеров);

- способность воспламеняться или подвергаться деструкции под действием огня;

- накопление зарядов на поверхности изделий (нужны антистатики);

- старение;

- токсичность;

- пожароопасность.

Общая классификация пластмасс может быть дана по следую­щим признакам: по происхождению полимеров, составу и структуре, происхождению наполнителей и их виду, упругим свойствам при нормальной температуре, отношению к нагреву и области применения.

По происхождению полимеры, используемые для изготовлении пластмасс, делятся на природные и синтетические. Природные полимеры, в свою очередь, могут быть органическими и неорганическими.

По составу пластмассы могут быть простыми ненаполненными (чистый полимер) и сложными наполненными, в том числе газонаполненными.

По структуре пластмассы делят на гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные). Структура пластмасс в первую очередь определяется их составом.

Наполнители для пластмасс по происхождению различают как органические (хлопковые очесы, ткани, бумага и др.), неорганические (слюда, кварц, стеклянное волокно, мука и др.) и газовоздушные.

По виду наполнители для пластмасс делятся на порошкообраз­ные, волокнистые и листовые.

По упругим свойствам при нормальной температуре различа­ют жесткие (Е > 1 ГПа), полужесткие (Е = 1 ...0,4 ГПа), мягкие (Е = = 0,02...0,1 ГПа) и эластичные (Е < 0,02 ГПа) пластмассы. Жесткие пластмассы имеют предел прочности при сжатии при 50%-ной де­формации более 0,15 МПа, эластичные при аналогичных условиях — менее 0,01 МПа. Примерами жестких пластмасс являются фено- и аминопласты; полужестких — полиамиды и полипропилен; мягких — поливинилацетат и полиэтилен. К эластичным пластмассам относят разнообразные каучуки.

По отношению к нагреву пластмассы могут быть термореак­тивными (реактопласты) и термопластичными (термопласты).

К основным термопластичным полимерам относятся полиэтилен, по­листирол, полиметилметакрилат, поливинилхлорид (винипласт) и др. У этой группы полимеров усадка при формовании изделий достигает всего 1...3%, поэтому термопластичные полимеры, как правило, не сочетают с наполнителями. Недостатком этих пластмасс являются незначительная прочность и теплостойкость.

Среди термореактивных полимеров наибольшее распространение по­лучили фенолформальдегид, а также полиэфирные и полисиликоновые (кремнийорганические) полимеры. Термореактивные полимеры обладают повышенной теплостойкостью, однако для них характерны хрупкость и очень большая усадка при изготовлении изделий (10...15%).

По применению пластмассы можно подразделить на конструкционные общего и специального (фрикционные и антифрикционные, уплотнительные, тепло- и электроизоляционные, химически стойкие, декоративные и др.) назначения и с особыми физико-химическими свойствами (например, оптически прозрачные). Однако это деление условно, т.к. одна и та же пластмасса может обладать разными свойствами.

Общепринятой единой научной классификации пластмасс не существует, более того, один и тот же вид пластмассы может иметь различные фирменные названия, которые не дают никаких представ­лений о свойствах материала.

Пластмассы принято разделять на 4 класса в зависимости отпроисхождения и способа получения основных компонентов смол, входящих в состав пластмасс, с подразделением этих классов на группы по химической структуре смол-полимеров. Каждая группаразделяется, в свою очередь, на виды по химическим и техническим наименованиям пластмасс.

Класс А составляют пластмассы на основе высокомолекуляр­ных соединений, полученных цепной полимеризацией. Пластмасса класса А подразделяются на 9 групп: полимеры этилена, полимеры голоидопроизводных этилена, полимеры алкипроизводных этилена и т.д. Указанные 9 групп разделяются на 35 видов: этиленолоид, этиленолит, хлорвинилоид, хлорвинилит, изобутиленопласт и др.

Класс Б включает пластмассы на основе высокомолекуляркьл соединений, получаемых поликонденсацией. Пластмассы класса Б подразделяются на 7 групп, включающих 32 вида, среди которых фенолит, фенодреволит, резиноасболит, аминоцеллолит и др.

Класс В составляют пластмассы на основе природных химических модифицированных полимеров. В класс В входят 3 группы полимеров: полимеры на основе белковых веществ, а также полимеры на основе простых и сложных эфиров целлюлозы. Эти группы разде­ляются на 7 видов (например, метилцеллопленка, этилцеллолит и др.).

Класс Г составляют пластмассы на основе природных и искусственных асфальтов, а также смол, получаемых деструкцией различ­ных органических веществ. Этот класс делится всего на три вида: битумоцеллолит, пекоасбослой и битуминолит.

Дополнительная классификация пластмасс построена по убы­вающему влиянию наполнителя:

класс I — с листовым наполнителем (текстолит, асботекстолит, гетинакс, древесно-слоистый пластик, стеклотекстолит, пропитанные ткани);

класс II — с волокнистым наполнителем (волокнит, пресс-крошка на основе текстиля, стеклоткани, древесного шпона, асбоволокниты на основе фенолформальдегидных смол, асбоволокниты на основе мочевино-мелавиноформальдегидных смол и др.);

класс III — с порошковым наполнителем (пресс-порошки об­щего назначения, пресс-порошки с высокими электроизоляционными свойствами и др.);

класс IV — без наполнителя (поливилхлориды, поливинилацетаты, полистирол и сополимеры и др.);

класс V — с газовоздушным наполнителем (мипора, пенополивинилхлорид, пенополистирол, пенополиуретан, поролон и др.);

класс VI — наполнители любого типа на основе эпоксидных илиполиэфирных смол;

класс VII — профильные пластмассы, а также стандартизиро­ванные изделия универсального назначения (трубы, арматура и соединительные части, оборудование и детали, пленка и др.).