Пластические массы (пластмассы, пластики)

Пластическими массами или пластмассами называют материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

Пластмассы являются важнейшими современными конструкционными материалами, занимая по применению ведущее место среди неметаллических материалов.

Состав пластмасс:

1. полимер;

2. наполнитель (твердые материалы органического и неорганического происхождения) для повышения прочности, твердости, теплостойкости и придания специальных свойств;

3. пластификаторы (олеиновая кислота, стеарин и др.) для повышения пластичности, что необходимо при изготовлении изделий из пластмасс;

4. отвердители, ускоряющие переход пластмасс в твердое состояние;

5. стабилизаторы, предотвращающие или замедляющие процесс старения пластмассы;

6. красители.

По типу связующего пластмассы делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Термопласты получают на основе термопластичных полимеров. Они хорошо перерабатываются в изделия, характеризуются значительной упругостью и малой хрупкостью. Обычно они не содержат наполнителей.

Реактопласты изготавливают на основе термореактивных полимеров. Они отличаются хрупкостью, при изготовлении изделий часто дают большую усадку, поэтому в них необходимо вводить усиливающие наполнители

По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые, волокнистые, слоистые, газонаполненные, без наполнителя.

По способу переработки в изделия пластмассы подразделяют на литьевые и прессовочные. Литьевые перерабатывают в изделия методами литьевого прессования и являются термопластичными. Прессовочные перерабатываются в изделия методами горячего прессования и являются термореактивными.

Основные методы переработки термопластов – литье под давлением, экструзия, вакуум формование, пневмоформование. Изделия из реактопластов изготовляют прессованием и литьем под давлением.

По назначению пластмассы бывают конструкционные, химически стойкие, прокладочные и уплотнительные, фрикционные, антифрикционные, теплоизоляционные, теплозащитные, электроизоляционные, оптически прозрачные, облицовочно-декоративные и отделочные. Это деление условно, т.к. одна и та же пластмасса может обладать различными свойствами.

Пластмассы без наполнителя чаще всего являются термопластичными материалами.

Полиэтилен. Занимает первое место в общем объеме мирового производства пластмасс. Различают полиэтилен получаемый полимеризацией при высоком давлении (ПЭВД) и при низком давлении (ПЭНД). Один из самых легких материалов, имеет высокую эластичность, отличные электроизоляционные свойства, химически стоек, водонепроницаем, морозостоек до -70⁰С, недорог, технологичен. Недостатки – склонность к старению и невысокая теплостойкость до +70⁰С. Для защиты от старения в полиэтилен вводят стабилизаторы (2-3% сажи) Полиэтилен используют при изготовлении пленки, изоляции проводов, изготовления коррозионно-стойких труб, уплотнительных деталей. Полиэтилен применяют для покрытия металлов с целью защиты их от коррозии.

Стекло органическое – прозрачный термопластичный твердый материал на основе органических полимеров, например полиакриловой смолы, полистирола, поликарбонатов. Отличается высокой оптической прозрачностью, пропускает ультрафиолетовые лучи, имеет высокий коэффициент преломления, обладает низкой плотностью (в два раза легче минеральных стекол), малой хрупкостью, размягчается при более низкой температуре, чем силикатное стекло, обладает химической стойкостью в среде разбавленных растворов кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазок. Применяют как конструкционный материал в авиа-, автомобиле- и судостроении для остекления, для прозрачных деталей в приборостроении. Выпускается в виде листов толщиной до 25 мм. Недостатки – низкая твердость и теплостойкость (до +80⁰С).

Фторопласты – производные этилена, в которых все атомы водорода заменены галогенами. Они имеют наибольшую термическую и химическую стойкость из всех термопластичных полимеров. Фторопласт-4–тефлон (-F₂C- CF₂-)_n , имеет плотность 2,2г/см³, водостоек, не горит, не растворяется в обычных растворителях, обладает электроизоляционными и антифрикционными свойствами. По химической стойкости превосходит все известные материалы. Выдерживает температуру от -269 до +260⁰С. Недостаток – трудность переработки в изделия. Применяют для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах, при высокой температуре, для антифрикционных покрытий на металлах, прокладок, электроизоляции.

Термореактивные смолы являются основой термореактивных пластмасс, которые содержат различные наполнители. Поэтому смолы должны обладать высокой клеящей способностью, теплостойкостью, химической стойкость, простотой переработки, небольшой усадкой. Температурные коэффициенты расширения смолы и наполнителя должны быть близки по величине.

Фенолформальдегидные смолы получают в результате реакции поликонденсации между фенолом Н₅С₆-ОН и формальдегидом Н₂СО. Эти смолы также называют бакелитовыми. Поликонденсация происходит при высокой температуре в присутствии катализатора. Пластмассы, полученные на основе фенолформальдегидных смол, называют фенопластами. При изготовлении пластмасс используют также карбамидные, эпоксидные, кремний органические, полиэфирные смолы.

Слоистые пластмассы получают прессованием (или намоткой) слоистых наполнителей, пропитанных смолой. Слоистые пластмассы выпускаются обычно в виде листов, плит, труб, из которых механической обработкой получают различные детали.

Текстолит – материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смолой. Обладает способностью поглощать вибрационные нагрузки, водостойкостью, высокой ударной вязкостью, электроизоляционными и антифрикционными свойствами. Используется для изготовления зубчатых колес, вкладышей подшипников скольжения, электроизоляционных деталей радиоаппаратуры. Ограничением является низкая теплостойкость (до 80⁰С).

Стеклотекстолит – в качестве наполнителя используется стеклоткань. П.Более прочен и теплостоек. Применяют для изготовления корпусов судов, самолетов, автомобилей и других крупногабаритных изделий, для электроизоляционных деталей, работающих при повышенных температурах.

Асботекстолит – наполнитель асбестовая ткань. Кроме электроизоляционных имеет хорошие теплоизоляционные и фрикционные свойства. Используется для изготовления тормозных колодок, дисков сцепления.

Гетинакс - материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой. Рабочие температуры до 120-140⁰С. Применяют в электротехнике для изготовления печатных плат, в электрических машинах и трансформаторах в качестве изоляции, как декоративно-облицовочный материал.

СВАМ (стекловолокнистый анизотропный материал) получают прессованием листов стеклошпона, пропитанных смолой. Стеклошпон изготавливают из стеклянных нитей, которые склеиваются между собой сразу после изготовления. Волокна соседних листов располагаются под углом 90^0. материал теплостоек до 200-400⁰С. Применяют для изготовления корпусов судов, цистерн, контейнеров, вентиляционных труб, деталей летательных аппаратов.

Волокнистые пластмассы: волокниты (втулки, шкивы, маховики, рукоятки, фланцы); асбоволокниты (тормозные колодки, диски сцепления, кислотоупорная аппаратура);

Стекловолокниты: 1. неориентированные стекловолокниты в качестве наполнителя имеют короткое стекловолокно. Изготавливают детали сложной формы с металлической арматурой. 2. Ориентированные стекловолокниты (стеклопластики) в качестве наполнителя имеют длинные стеклянные волокна, уложенные закономерно отдельными прядями, что придает стеклопластику высокую прочность. Рабочая температура до 250⁰С. Изготавливают детали повышенной прочности и высокой точности.

Резина

Резина – это искусственный материал, который получают в результате специальной обработки (вулканизации) резиновой смеси, основным компонентом которой является каучук. (Можно сказать, что резина – это пластмасса с редкосетчатой структурой, в которой связующим выступает полимер – натуральный (НК) или синтетический (СК) каучук.)

Каучук – это полимер с линейной структурой макромолекулы, находящийся в высокоэластическом состоянии. Его отличительной особенностью является способность к очень большим обратимым деформациям при небольших нагрузках. Это свойство объясняется строением каучука. Его макромолекулы имеют вытянутую извилистую форму. При нагрузке происходит выпрямление макромолекулы, при снятии нагрузки макромолекула принимает первоначальную форму. Натуральный каучук получают коагуляцией латекса (млечного сока) каучуконосных деревьев, растущих в Бразилии, главным образом бразильской гевеи. Основной компонент – полиизопрен. Сырьем для получения синтетических каучуков изопреновых, бутадиеновых и др. служит спирт, на смену которому приходит нефтехимическое сырье. При вулканизации каучук превращается в высокоэластичный редкосетчатый материал (между линейными макромолекулами появляются поперечные связи). Вулканизатором служит чаще всего сера. В зависимости от количества серы образуется различная частота сетки. При введении 1-5% серы резина получается мягкой. При 10-15% серы получают полутвердую резину, при 30% получают твердую резину – эбонит. Обычно в резине содержится 5-8% серы.

Кроме каучука и вулканизатора в состав резины входят другие вещества. Наполнители (15-50% к массе каучука)- сажа, каолин, оксид цинка, оксид магния - служат для повышения механических свойств резины: твердости, прочности, износостойкости. Они вступают во взаимодействие с молекулами каучука. Неактивные наполнители (мел, тальк) снижают стоимость резиновых изделий.

Пластификаторы (8-30%) - парафин, вазелин, мазут, канифоль - предназначены для облегчения переработки резиновой смеси, повышения эластичности и морозостойкости.

Противостарители служат для замедления процесса старения резины. Это вещества, которые связывают кислород быстрее, чем молекула каучука (фенолы), или образуют на поверхности защитную пленку (парафин, церезин)

Красители

Регенераты – отходы резинового производства

Ускорители вулканизации (тиурам) от 0,1 до 2,5%.

Технология производства резины включает следующие этапы: пластификацию каучуков, приготовление резиновой смеси, переработка смеси в полуфабрикаты и изделия и заключительный этап – вулканизация. Разрезанный на куски каучук пропускают через вальцы для придания ему пластичности, затем вносят необходимые добавки и смешивают в специальных смесителях. Полученную таким образом однородную массу называют сырой резиной. Дальнейшая технология переработки может быть различной. Это выдавливание на червячных прессах заготовок для труб, стержней; прессование в пресс-формах для получения гладких или рифленых листов; литье под давлением. Детали сложной формы после изготовления элементов собираются и склеиваются.

Завершающим этапом является вулканизация готовых изделий. Горячую вулканизацию осуществляют в автоклавах в среде насыщенного водяного пара при температуре 140-160⁰С и давлении 0,3-0,4 МПа в течение 2 часов) или на гидравлических прессах в горячих формах. Холодную вулканизацию применяют для тонких изделий путем введения в резину раствора полухлористой серы.

Для значительного увеличения прочности резины изделия армируют, т.е. вводят в стенки упрочняющий материал – металлокорд, стальную проволоку или сетку, стеклянную или капроновую нить.

Для получения пористой, ячеистой резины в состав сырой резины вводят вещества, которые при нагревании разлагаются, увеличивая объем резины и образуя в ней поры или ячейки.

По назначению резины подразделяют на резины общего и специального назначения. Из резин общего назначения изготовляют автомобильные шины и камеры (50% всего потребления), транспортерные ленты, ремни ременных передач, изоляция кабелей, рукава и шланги, уплотнительные и амортизационные детали, обувь и др. Резины общего назначения могут использоваться в горячей воде, слабых растворах кислот и щелочей, а также на воздухе при температуре от -10 до+150⁰С.

Резины специального назначения подразделяют на теплостойкие, которые могут использоваться до температур 250-350⁰С; морозостойкие, выдерживающие температуру до -70⁰С; маслобензостойкие, работающие в среде бензина и другого топлива, масел и нефтепродуктов и т.д. Свойства резины зависят от используемых каучуков и наполнителей.

Стекла

Стеклом называют твердый аморфный термопластичный материал, который получают путем переохлаждения расплава различных оксидов. В состав стекла входят стеклообразующие кислотные оксиды (SiO₂, Al₂O₃, B₂O₃ и др.), а также основные оксиды (K₂O, CaO, Na₂O и др.), придающие специальные свойства и окраску. Основой большинства стекол является оксид кремния SiO₂ , количество которого составляет от 50 до 100%. По назначению стекла подразделяют на строительные (оконные, витринные), бытовые (стеклотара, посуда, зеркала) и технические (оптические, свето- и электротехнические, химиколабораторные, приборные).

В зависимости от исходного стеклообразующего вещества различают силикатное стекло на основе SiO₂. Боросиликатное (B₂O₃, SiO₂), алюмосиликатное и др.

При нагреве выше температуры стеклования стекло постепенно размягчается, переходя в вязкотекучее, а затем жидкое состояние. При охлаждении расплава происходит постепенное возрастание вязкости и при температуре стеклования переход в твердое и хрупкое состояние. Для большинства промышленных стекол температура стеклования составляет 425- 600⁰С.

Важными свойствами стекла являются оптические. Обычное стекло пропускает около 90% света, отражает – 8% и поглощает -1% видимого света. Механические свойства характеризуются высоким сопротивлением сжатию и низким растяжению. Для большинства стекол термостойкость (разность температур, которую может выдержать стекло без разрушения при охлаждении в воде) составляет 90 – 170⁰С, а для кварцевого стекла – 1000⁰С. Основной недостаток стела – высокая хрупкость.

Закаленное стекло имеет состав обычного оконного стекла (~70% SiO₂, 15% Na₂O, 8% CaO, 4% MgO, 2% K₂O, 1% Al₂O₃). Закалка состоит в нагреве стекла выше температуры стеклования (600-650⁰С) и равномерном охлаждении струей воздуха или в масле. При этом значительно увеличивается прочность и вязкость стекла.

Триплекс (безосколочное стекло) представляет собой два листа закаленного стекла, склеенные прозрачной полимерной пленкой. При разрушении триплекса осколки удерживаются на пленке. Стекла триплекс применяют для остекления транспортных средств.

Пеностекло получают путем спекания при температуре 700-900⁰С смеси стекольного порошка с газообразователями (мел, известняк). Пеностекло применяют в качестве тепло- звуко- и электроизоляционного материала.

Ситаллы – материалы, полученные путем кристаллизации стекол. Ситаллы изготовляют путем плавления стекольного материала с добавкой катализатора кристаллизации. Далее расплав охлаждается до пластического состояния, из него формуют изделия. Кристаллизация обычно происходит при повторном нагревании изделий.

По структуре ситаллы занимают промежуточное место между стеклом и керамикой. Их структура состоит из зерен кристаллической фазы, скрепленных стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы составляет 30-95%. Пористость отсутствует. Ситаллы характеризуются исключительной мелкозернистостью. По внешнему виду могут быть прозрачными и непрозрачными. Ситаллы имеют высокую твердость, высокую прочность при сжатии и низкую при растяжении, обладают жаропрочностью до 900-1200⁰С, жаростойкостью, износостойкостью, высокой химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами. Хрупкость ситаллов меньше, чем у стекла. Применяют ситаллы для деталей, работающих при высоких температурах в агрессивных средах, а также в радиоэлектронике.

Изделия из стекла получают выдуванием, прессованием и отливкой.