§ 3.2 Пластические массы.

Пластмассы (пластики) - это искусственные материалы, полученные на основе органических полимерных связующих веществ. Пластмассы имеют небольшую плотность = 1- 2 г/см³; низкую теплопроводность. Прочность силовых пластиков сопоставима со сталью, но может быть и выше.

Обязательным компонентом пластмасс являются связующие вещества. В их качестве обычно используют синтетические смолы, иногда эфиры и целлюлозы. (В органическом стекле только одно связующее).

Другим важным компонентом является наполнитель - порошковые или волокнистые вещества.

После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывается в монолитную массу.

Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу специфические свойства.

Для повышения эластичности и облегчения обработки добавляют пластификаторы (олеиновую кислоту и т.п.).

Исходная композиция может содержать отвердители или катализаторы процесса отвердения связующих; ингибиторы, предохраняющие полуфабрикаты от их самопроизвольного отвердения; стабилизаторы- защищающие полимер от старения, а также красители.

Свойства пластмасс зависят от состава, сочетания и количественного соотношения отдельных компонентов.

Пластмассы подразделяются на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты) (см. § 3.1).

Термопласты- удобны для переработки в изделия; дают незначительную усадку при формовании (1- 3%); имеют высокую упругость, малую хрупкость.

Их основу составляют полимеры линейной или разветвленной структуры. Обычно имеют ограниченную рабочую температуру T_раб  70C. В теплостойких пластмассах - Т_раб 250С, в термостойких - Т_раб 600С. Предел прочности термопластов _вр= 10- 100 МПа, модуль упругости Е= (1,8- 3,5)10³МПа, предел усталости _-1= (0,2- 0,3)_в.

К неполярным термопластам относятся: полиэтилен (-СН₂- СН₂ -)n; полипропилен, полистирол.

Полиэтилен может получаться при низком давлении (имеет низкую плотность) и при высоком давлении (имеет высокую плотность, кристалличность 74- 95%). У полиэтиленов при повышении температуры снижаются рабочие напряжения, а относительное удлинение растет примерно до температур 40- 60С и затем падает. Из полиэтиленов изготавливают трубы, пленки и т.п.

Полистирол- это твердый, жесткий, прозрачный, аморфный материал. Изготавливают из него радиотехнические детали, детали машин, сосуды для воды и химикатов.

Фторпласт-4 (фторлон- 4)- это политетрафторэтилен, аморфно- кристаллический полимер. Он стоек к растворителям, кислотам, щелочам, окислителям, к облучению. Хороший диэлектрик. У него низкий коэффициент трения = 0,04 и не зависит от температуры (примерно до 327С). Недостаток- хладотекучесть из-за рекристаллизации, выделение токсичного фтора при высокой температуре и трудность переработки из-за малой пластичности. Изготавливают из него трубы, вентили, краны, насосы, мембраны, электротехнические детали, антифрикционные покрытия в подшипниках.

В звязи с тем, что коэффициент трения мал и незначительно зависит от температуры, то этот полимер хорошо применять в парах трения с малыми скоростями скольжения, работающими в механических системах без отрицательной обратной связи по скорости. В этом случае, в отличие от применения других полимеров, выходной вал системы (привода) будет перемещаться более равномерно. [4]

Полярные термопласты: фторпласт- 3, полиметилметакрилат (органическое стекло), поливинилхлорид (ПВХ), полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты, пентапласт и др.

Фторпласт-3 (фторлон-3)- это полимер трифторхлорэтилена. Диэлектрические свойства понижены, но он пластичен и легче поддается обработке. Изготавливают трубы, шланги, клапаны, защитные покрытия металлов и др.

Органическое стекло - изготавливают на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Плотность 1,18 г/см³, прозрачен, пропускает 75% ультрафиолетового излучения. При Т= 80С размягчается, при Т= 105- 150С появляется пластичность и это позволяет формовать из него разные детали. Стоек к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазочных материалов. Недостаток- невысокая поверхностная твердость.

Полиамиды (содержат амидную группу -NH-CO-)- капрон, нейлон, анид и др. Это кристаллизующиеся полимеры. Имеют низкий коэффициент трения  0,05, хорошо работают на истирание, ударопрочны, поглощают вибрацию, стойки к щелочам, бензину, спирту, устойчивы в тропических условиях. Недостаток- гигроскопичность и подверженность старению из- за окисляемости при переработке. Изготавливают шестерни, втулки, подшипники, гайки....

Полиуретаны (содержат уретановую группу -NH-COO-). Они износостойки, атмосферо- и морозостойки. Рабочие температуры до 170С.

Поливинилхлорид стоек во многих средах: воде, щелочах, разбавленных кислотах, маслах, бензине. Используется в виде винипласта и пластиката. Температура размягчения Т= 70С.

Термостойкие пластики- это полимеры с гибкими звеньями для Т400С и с жесткими цепями для Т 600С.

Термопласты с наполнителями. Содержат полимерную матрицу (термопласт) и армирующий наполнитель (стеклянные волокна, асбест и др.). Пример- капрон, армированный стеклотканью. Имеет характеристики: _в= 400- 430 МПа, _сж= 280- 300 МПа, _изг= 450- 500 МПа, Т_раб200С.

Термореактивные пластмассы (реактопласты).

Связующими веществами здесь являются термореактивные смолы, основное требование к которым заключаются в высоких клеющих способностях (адгезии), теплостойкости, химстойкости, малой усадке, отсутствии токсичности. Для обеспечения высокой адгезии связующие должны быть полярными.

В производстве пластмасс широко используются фенолформальдегидные, кремнийогранические, эпоксидные смолы, непредельные полиэфиры- являющиеся термореактивными полимерами.

В зависимости от формы частиц наполнителя реактопласты делятся на порошковые, волокнистые и слоистые.

Порошковыми наполнителями являются древесная мука, молотый кварц, асбест, слюда....

Их применяют для несиловых конструкционных и электроизоляционных деталей.

Наполнителями в углерод- углеродных композиционных материалах являются углеграфитовые волокна.

Минеральные наполнители придают пластмассам водостойкость, химическую стойкость, повышенные электроизоляционные свойства.

Композиции из эпоксидных смол применяют в машиностроении для инструментальной оснастки, вытяжных и формовых приспособлений, копиров, литейных моделей. Применяют для восстановления изношенных деталей и отливок.

Слоистые пластмассы (пластики) используют для изготовления силовых конструкционных и поделочных материалов. К ним относятся:

-текстолиты, основой которых являются ткани, пропитанные термореактивной синтетической смолой. Есть стеклотекстолиты, асбестотекстолиты, органотекстолиты. Изготавливают изоляционные материалы, зубчатые колеса, вкладыши подшипников и т.п. Из асботекстолитов изготавливают тормозные накладки;

-древесно-слоистые пластики (ДСП). Их изготавливают из тонких листов древесного шпона, пропитанных феноло- и крезольно-формальдегидными смолами, спрессованными в виде листов и плит. После нанесения защитных пленок они широко применяются при изготовлении мебели. Причем в случае разрыва таких пленок испарения указанных смол оказывают негативное экологическое влияние. У ДСП низкий коэффициент трения. Они чувствительны к влаге. Подшипники из ДСП не образуют задиров на металлических валах.

- гетинакс, основой которого является фенолоформальдегидная смола с наполнителем из бумаги.

Стеклопластики - это стекловолокнистый анизотропный материал, где стеклянные нити сразу на выходе из фильер склеиваются между собой в виде стеклянного шпона и затем укладываются как фанера. Связующими могут быть разными. При соотношении продольных и поперечных слоев шпона 1:1 предел прочности составляет _вр= 460- 500 МПа, модуль упругости превышает Е=35000 МПа. Если отмеченное соотношение равно 10:1, то _вр = 850- 950 МПа, Е= 58000 МПа.

Газонаполненные пластмассы.

Например, пенопласты, материалы с ячеистой структурой. Изготавливают вспениванием полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена. Здесь газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Плотность = 0,02- 0,3 г/см³; низкий коэффициент теплопроводности = 0,003- 0,007 Вт/м.к. Прочность мала и зависит от плотности.

Используются для теплоизоляции кабин, холодильников и т.п.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

Эти материалы нашли широкое применение. В качестве неметаллической матрицы используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Распространены следующие полимерные матрицы: эпоксидные, фенолформальдегидные и полиамидные.

Физические свойства однонаправленных композиционных

материалов с полимерной матрицей. Табл. 3.1

Материал	, г/см3	р, МПа	сж, МПа	из, МПа	Ер, ГПа	Еиз , ГПа	G, ГПа	-1 , МПа	сдв, МПа
Карбоволо-книты КМУ- 1л КМУ-1в	1,4 1,55	650 1000	350 540	800 1200	120 180	100 160	2,8 5,35	300 350	25 45
Бороволкни-ты КМБ- 1м КМБ- 3к	2,1 2,0	1300 1300	1160 1500	1750 1450	270 260	250 238	9,8 7,2	400 420	60 75
Карбоволк-нит КУП-ВМ	1,35	200	260	640	160	165	-	240	42

_-1- предел усталости на базе 10⁷циклов.

Углеродные матрицы получают из синтетических полимеров.

Матрица придает композиции форму. Упрочнителями являются нити стеклянные, углеродные, на основе нитевидных кристаллов, а также металлические проволоки с высокой прочностью и жесткостью. Так, бороволокниты состоят из волокон бора и связующей эпоксидной смолы.

Свойства таких материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественных соотношений и прочности связи между ними.

В таблице 3.1 приведены свойства некоторых материалов.

Грамотное применение в машиностроении пластмасс обеспечивает: 1) снижение себестоимости, массы, затрат на материалы, трудоемкость; 2) уменьшение эксплуатационных расходов (например, на смазку); 3) повышение технико-экономических параметров устройств; 4) повышение коэффициента полезного действия использования материалов.

Недостатком пластмассы, как конструкционного материала, является склонность к ползучести и старению.