2.3. Термопластичные пластмассы

Термопластичные пластмассы (термопласты) находят применение в машиностроении для изготовления деталей, от которых требуются высокая эластичность, антифрикционность, хорошая водо- и химическая стойкость. Некоторые из наиболее распространенных термопластов представлены в таблице 2.1. Большой диапазон свойств одной марки пластмасс обусловлен степенью полимеризации и взаимным расположением молекул.

Таблица 2.1. Термопластичные пластмассы и их свойства

Наименование пластмасс	Плотность, кг/м3	Влагопоглощение, %	Термостойкость оС, не более	Предел прочности, МПа		Относительное удлинение при разрыве, %	Ударная вязкость, кДж/м2	Удельная прочность, м
				При растяжении	При изгибе
Полиэтилен	920	0,03	100	10 - 30	10 - 40	50 - 600	20 - 160	1000 – 3000
Полипропилен	900	0,01	120	25 - 40	80	200 - 800	33 - 80	2500 – 4000
Полистирол	1050	0,2 – 0,3	65	37 - 48	65 - 105	1 - 4	1 .4 - 2	3500 – 4500
Фторопласт-4	2150	0	260	15 - 35	14 - 18	250 - 500	100	750 – 1500
Фторопласт-3	2120	0	160	30 - 45	60 - 80	20 - 200	20 - 160	1500 – 2250
Органическое Стекло	1200	1,2 – 2,4	100	63 – 100	90 - 120	2,5 - 20	50 - 100	6000 – 10000
Поливинолхлорид (ПВХ)	1290	0,1 – 0,5	65	40 – 120	40 - 120	5 - 100	70 - 80	4000 – 12000
Полиамиды	1200	2,4 – 3,3	60	50 - 60	45 - 70	100 - 150	100 - 125	5000 – 6000
Поликарбонаты	1300	0,15 – 0,2	140	45 - 90	75 - 110	2,5 - 80	20 - 140	4000 - 8000

Для данных полимеров характерна низкая рабочая температура. Наиболее теплостойкими из перечисленных пластмасс полиамиды и фторопласты. Кроме невысокой теплостойкости к недостаткам следует отнести недостаточную прочность, склонность к старению и повышенную ползучесть. Поэтому термопласты не рекомендуются для деталей и конструкций, работающих под действием высоких нагрузок. Однако, при введении определенного количества наполнителя, без ущерба для технологических свойств пластмасс можно существенно повысить их механические свойства. Например, применение волокнистого наполнителя (до 25%) позволяет почти в пять раз уменьшить ползучесть термопласта, повысить его длительную прочность и износостойкость.

Термопласты, за исключением полиамидов, характеризуются малым водопоглощением. При контакте с нефтепродуктами они не изменяют своих свойств. В большинстве своем термопласты горючи, но почти все гаснут при выносе из пламени. Эти материалы достаточно морозостойки до –269 ^оС (фторопласт-4).

Рассмотрим наиболее характерные и распространенные представители термопластичных пластмасс более подробно.

Полиэтилен – твердое полупрозрачное вещество, напоминающее на ощупь парафин. Представляет собой продукт полимеризации этилена и имеет линейную структуру макромолекул (…- CH₂ - CH₂ - …). Существует, в зависимости от технологии получения, три вида этого полимера: полиэтилен низкого, среднего и высокого давления. Наиболее распространенными являются полиэтилены высокого и низкого давления. Первый из них (до 70% общего производства) получают радикальной полимеризацией этилена при температуре 150 – 180 ^оС и давлении свыше 100 МПа, второй с использованием комплексных металлорганических катализаторов при 60 –80 ^оС и давлении до 1,0 МПа. Полиэтилен низкого давления обладает большей механической прочностью, жесткостью и теплостойкостью. Широкое распространение полиэтилена связано с уникальным сочетанием хороших механических свойств, легкостью переработки в вязкотекучем состоянии, высокой химической и термической стойкостью при температуре до 100 ^оС.

Из полиэтилена производят пленки, трубы, изолирующие оболочки электрических проводов, детали высокочастотных установок и радиоаппаратуры, вентили, краны, бесшумно работающие зубчатые колеса, сосуды для хранения жидкостей.

Полиэтилен плавится при температуре 105 – 130 ^оС, быстро загорается, горит синим пламенем с оплавлением и подтеканием полимера. Дым имеет запах горящей парафиновой свечи.

Полистирол – (- CH₂ – CHС₅Н₅ -)_n при обычной температуре представляет собой аморфный твердый прозрачный материал, похожий на стекло, пропускающий до 90% видимой части спектра света. Он бесцветен, лишен запаха и вкуса, размягчается при 85 ^оС, устойчив к агрессивным жидкостям, хорошо растворяется в ароматических углеводах и сложных эфирах, образуя клейкую массу, которую используют для склеивания изделий из полистирола, обладает абсолютной водостойкостью, высокой химической стойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами, а также высокой стойкостью к радиоактивному облучению. Недостатком полистирола является его хрупкость. Однако этот недостаток можно устранить добавлением к нему каучука. Полистирол горит с сильно коптящим пламенем и удушливым запахом.

Из полистирола изготавливают химическую посуду, предметы домашнего обихода, детали холодильников, корпуса радио- и телеаппаратуры, облицовку пассажирских вагонов и самолетов и т.д. Способы переработки: литье под давлением, экструзия, прессование.

Поливинилхлорид - (- CH₂ – CHСl -)_n получают радикальной полимеризацией винилхлорида. Поливинилхлорид без пластификаторов называется винипластом, а его смеси с пластификаторами называются пластикатами. Температура стеклования этих полимеров от 70 до 80 ^оС. Винипласты применяются в очень узком интервале температур от 0 до 40 ^оС, при добавлении пластификаторов интервал рабочих температур расширяется до диапазона –40…+60 ^оС. Формуемость этого полимера ограничена его малой пластичностью.

Винипласт стоек к щелочам и кислотам, не реагирует с бензином и смазками. Он водостоек и лишь немного набухает в горячей воде. На воздухе стареет медленно, но при нагреве, а также на свету разлагается, выделяя хлористый водород.

Винипласт хорошо сваривается с помощью присадочного прутка при разогреве зоны сварки струей горячего воздуха до температуры 200 ^оС. Прочность такого сварного шва составляет 80 – 90% от прочности основного материала. Склеивается плохо. Пластикаты имеют небольшую прочность (_в = 7 – 25 МПа), но сохраняет гибкость и эластичность при рабочей температуре. Винипласт и пластикаты стойки против абразивного износа. Как диэлектрики они применяются только при низких частотах.

Винипласт выпускается промышленностью в виде листов, прутков, труб. Его применяют в крупногабаритной химической аппаратуре, дымоходах, газопроводах, для изготовления фильтров, вентилей, втулок, рукояток и т.п. Пластифицированный пластикат, армированный тканью используют для изготовления приводных ремней, транспортерных лент, уплотнения штоков насосов и компрессоров, в качестве заменителей кожи, а также для изготовления линолеума. Изделия получают всеми видами переработки термопластов.

Фторопласты – полимеры фторпроизводные этилена, к важнейшим из которых относят фторопласты 3 и 4.

Фторопласт-4 – (политетрафторэтилен или тефлон) кристаллический полимер, являющийся производным этилена, у которого 4 атома водорода замещены фтором (C₂F₄)_n.

Этот полимер самый тяжелый из существующих, с достаточно низким пределом прочности при растяжении. Фторопласт-4 не смачивается водой и не набухает, имеет наилучшие диэлектрические свойства в сравнении со всеми известными диэлектриками, которые почти не меняются при температуре от –60 до +200 ^оС и практически не зависят от частоты. Фторопласт-4 обладает исключительной стойкостью к действию любых растворителей и кислот. Он выдерживает даже кипячение в «царской водке». Разрушают его только расплавы щелочных металлов.

Область рабочих температур для фторопласта-4 от –200 до +260 ^оС. При нагреве выше 260 ^оС он начинает разлагаться, а выше 400 ^оС, не плавясь, быстро разрушается и выделяет ядовитые газы. Особенностью полимера является происходящее в нем аллотропическое превращение, сопровождающееся уменьшением объема (около 1%) и изменением коэффициента теплового расширения.

Фторопласт-4 – хороший антифрикционный материал. Коэффициент сухого трения в паре со сталью – 0,05…0,1, а при наличии смазки в двое меньше.

Атмосферное воздействие не вызывает старение фторопласта-4, радиоактивное облучение делает его жестким и хрупким. Без наполнителя под нагрузкой он работает плохо из-за большой остаточной деформации. В качестве наполнителей используют кокс, графит, стеклянное волокно, металлические порошки.

Фторопласт-4 используют для изготовления подшипников, в том числе работающих без смазки, в подвижных и неподвижных уплотнениях, в высокочастотной технике и для работы в агрессивных средах.

Основные способы переработки – спекание отпрессованных профилей, экструзия и механическая обработка.

Фторопласт-3 (трифторхлорэтилен) – кристаллический полимер. Менее теплостойкий, чем фторопласт-4, с рабочей температурой в диапазоне от –80 до +150 ^оС. Он легче перерабатывается (в том числе и литьем под давлением), более прочный и жесткий, но его антифрикционные, диэлектрические свойства и химическая стойкость хуже чем у фторопласта-4. Его используют для электроизоляции проводов, работающих при повышенных температурах, при высокой влажности или в агрессивных средах, а также для получения защитных покрытий на металлах.

Полиамиды – представляют собой высокомолекулярные соединения, содержащие в основной цепи макромолекулы повторяющейся амидной группы –CONH-.

Полиамиды относятся к кристаллическим полимерам. Наиболее широко применяются полиамид-68, полиамид-6 (капрон), полиамид-66 (нейлон), капролон. Они представляют собой твердые роговидные вещества, имеющие цвет от белого до светло-желтого, нерастворимы в обычных растворителях: спиртах, углеводородах, эфирах и т.д., но растворимы в кислотах и фенолах. Обладают повышенным водопоглощением, хорошей масло и бензостойкостью, а также хорошей обрабатываемостью резанием. Полиамиды принадлежат к наиболее прочным, жестким и вязким термопластам. Хорошо сопротивляются абразивному износу. В паре с металлами они не схватываются и имеют небольшой коэффициент трения (без смазки 0,2 – 0,4; со смазкой 0,2 – 0,05). Однако полиамиды обладают малой теплопроводностью и большой усадкой при формовании (до 3,5%) и отличаются низкой атмосферостойкостью. Ниже –15…-20 ^оС большинство чистых полиамидов теряет упругость. Их теплостойкость составляет всего 60 – 70 ^оС. Одним из путей улучшения физико-механических свойств полиамидов является применение дисперсных и волокнистых наполнителей.

В машиностроении полиамиды широко применяют для изготовления малонагруженных деталей, от которых требуется стабильность размеров, износостойкость и химическая стойкость. Чистые полиамиды используют для деталей, подверженных ударам, полиамиды армированные стеклянными волокнами – для износостойких деталей. Из них делают вкладыши подшипников скольжения, кулачки, зубчатые колеса, упругие элементы зубчатых и пальцевых муфт, детали ходовых передач, ролики, колеса и т. д. Из них же отливают лопатки рабочих колес центробежных насосов, гребные винты и другие детали постоянно работающие в воде. Полиамиды также используют для изготовления пар трения, работающих без смазки, например, для направляющих бегунков и опор веретен в текстильных машинах. Полиамидное волокно используют в автомобильных шинах, канатах, транспортерных лентах.

Способы переработки: литье под давлением, экструзия профилей, раздувание, механическая обработка, сварка.

Полиамиды горят синеватым пламенем с желтыми краями со стеклованием жидкого полимера. Дым имеет запах жженой кости.

Полиметлметакрилат и другие органические стекла – светопрзрачные пластмассы, стойкие к атмосферному воздействию. По прочности и жесткости они превосходят другие термопласты, однако их ударная вязкость не велика, хотя и мало меняется во всем интервале рабочих температур (от –180 ^оС до +80 ^оС). Стекла плохо сопротивляются истиранию – почти как алюминий. Ценным техническим свойством органических стекол является их высокая способность пропускать ультрафиолетовые лучи – до 3,0…3,5%, тогда как обычные силикатные стекла лишь 0,6%.

Органические стекла легко формуются в детали в детали сложной конфигурации, хорошо обрабатываются резанием, склеиваются и свариваются. Однако органические стекла имеют меньшую поверхностную твердость и более низкую теплостойкость, чем силикатные. Органическое стекло марки СОЛ представляет собой пластифицированный аморфный полиметилметакрилат (плексиглас). Плотность его  = 1,18  10³ кг/м³, предел прочности на растяжение _р = 78 МПа. Коэффициент термического расширения у плексигласса в 6 – 10 раз больше, чем у стали. Оргстекло не разрушается в водных растворах кислот и щелочей. Набухает в бензине и масле. Растворяется в дихлорэтане, уксусной кислоте, ацетоне. Хорошо склеивается, обеспечивая прочность шва, равную прочность материала. Хорошо сваривается методом контактной сварки в разогретом состоянии.

Созданные в последнее время оргсекла отличаются повышенной морозоустойчивостью, теплостойкостью и ударной прочностью, а также стойкостью к воздействию воды, бензина, масла и атмосферы.

Перечисленные свойства позволяют применять их для остекления самолетов и промышленных зданий, в светотехнических устройствах и световодах, в светильниках, автомобильных фарах, в предохранительных щитках на станках и машинах. Как диэлектрики они применяются для изделий, сочетающих электрическую прочность и стойкость против старения.

Органические стекла быстро загораются и при горении выделяют дым имеющий сладковатый острых запах.

Способы переработки: обработка давлением, механическая обработка, склеивание, сварка.

Поликарбонаты – получают поликондесацией эфиров или хлорангидрида угольной кислоты с диоксисоединениями. Они обладают целым комплексом, в которых сочетаются высокая механическая прочность и ударная вязкость, незначительное водопоглощение, стойкость к атмосферным воздействиям, стабильность свойств и размеров изделий в широком интервале температур. Их теплофизические свойства допускают работу изделий в интервале от –100 до +135 ^оС. Для поликарбонатов характерны высокие показатели электрических свойств, хорошие антифрикционные свойства, стойкость к бензину, моющим средствам и маслам. Из них изготавливают шестерни, подшипники, авто детали, радиодетали и т.д. Их можно использовать в криогенной технике.

Поликарбонаты перерабатываются в изделия всеми видами переработки термопластов.

Горят они плохо с выделением копоти, при удалении из пламени гаснут и имеют цветочный запах.