10.2. Пластмассы

Для получения материалов с заданными свойствами в технике часто используют не сами полимеры, а их сочетания с другими материалами органического или неорганического происхождения (металлопласты, пластмассы, полимербетоны, стеклопластики и др.).

Пластмассы (пластики) – искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Достоинство пластмасс: малая плотность, химическая стойкость, электро- и теплоизоляционные свойства, высокая технологичность. Недостатки: ограниченная теплостойкость, малая жесткость, вязкость, склонность к старению. В состав пластмасс входят.

1. Связующее вещество – синтетические смолы, реже эфиры – обязательный компонент пластмасс. Простые пластмассы состоят из одного связующего (органическое стекло, полиэтилен, полипропилен).

2. Наполнители:

– порошковые (сажа, графит, тальк, древесная мука);

– волокнистые (волокна хлопка, стекла, асбеста);

– листовые (бумага, ткань, древесный шпон).

Наполнители повышают механическую прочность, снижают стоимость пластмасс и придают им нужные эксплуатационные свойства. Их содержание доходит до 70 %.

3. Стабилизаторы – необходимы для того, чтобы структура и свойства макромолекул полимеров не изменялись с течением времени.

4. Пластификаторы – (до 20 %) добавляют для облегчения формования пластмасс и снижения хрупкости (олеиновая кислота, стеарин).

5. Отвердители – нужны для пластмасс на основе термореактивных смол в качестве катализаторов процесса твердения.

6. Специальные добавки – красители, смазки, антистатики и др.

Термопластичные пластмассы (термопласты) могут многократно размягчаться при нагреве и снова затвердевать при охлаждении. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, фторопласт, капрон, органическое стекло и др.

Термореактивные пластмассы (реактопласты) при нагреве размягчаются, затем необратимо затвердевают. При повторном нагреве их можно обуглить, сжечь, но не размягчить. К ним относятся эпоксидные и фенолформальдегидные смолы, полиэфиры и полиуретаны, кремнийорганические полимеры, стеклотекстолиты и стекловолокниты.

Различие в свойствах термопластичных и термореактивных пластмасс объясняется разным строением макромолекул полимеров. К термопластам относят полимеры с линейной структурой (см. рис. 10.2,а), к реактопластам – с замкнутой структурой (рис. 10.2,г). Полимеры с замкнутой пространственной структурой обладают большей жесткостью и теплостойкостью, чем полимеры с линейной структурой. Полимеры со структурами, показанными на рис. 10.2,б и 10.2,в, проявляют промежуточные свойства по сравнению с предельными случаями.

Механические свойства пластмасс. Деформация полимера –сумма упругой, высокоэластичной и вязкотекучей деформаций. Соотношение между составляющими общей деформации зависит от структуры материала, температуры и условий деформирования (рис. 10.3).

В ысокоэластичная деформация возникает при вытягивании макромолекул под воздействием напряжений. При растяжении образца появляется шейка. Пластическое течение представляет постепенное развитие шейки по всему образцу (участок тп на рис. 10.3,а). Механические нагрузки допустимы только в области упругой деформации (заштрихованные области). Пластическая деформация кристаллических термопластов (рис. 10.3,а) сопровождается рекристаллизацией, которая состоит из трех последовательных этапов: разрушение кристаллов под действием напряжения; вытягивание молекул вдоль направления растяжения на участке с разрушенными кристаллами; образования новых, ориентированных кристаллов между параллельно ориентированными молекулами. Новые кристаллы фиксируют высокоэластичную деформацию, которая сохраняется после снятия нагрузки.

Хрупкость пластмасс возрастает при увеличении количества связей и степени кристалличности полимеров. Термореактивные пластмассы не имеют области высокоэластичной деформации и разрушаются с незначительной остаточной деформацией (рис. 10.3,б). Для уменьшения хрупкости применяют пластификаторы, волокнистые наполнители.

Механические характеристики пластмасс изменяются в широких пределах и являются условными величинами, поскольку зависят от времени действия нагрузки и скорости ее приложения. Реактопласты имеют более высокие прочностные характеристики, чем термопласты. Их свойства менее зависят от температуры, чем свойства термопластов. Предел прочности стеклотекстолита – 600 МПа, по удельной жесткости и удельной прочности он превосходит, некоторые стали, сплавы титана и алюминия. Образование кристаллической структуры приводит к повышению прочности полимера: для полиэтилена низкого давления со степенью кристалличности 80–90 % разрушающее напряжение при растяжении составляет около 30 МПа, для полиэтилена высокого давления (степень кристалличности 50–60 %) – не более 16 МПа.