2.4. Термореактивные пластмассы

Термореактивные пластмассы (реактопласты) применяются в качестве конструкционных материалов для силовых деталей в различных отраслях техники. Важным их достоинством является высокая прочность и жесткость. По удельной прочности некоторые реактопласты превосходят металлические материалы. Для деталей, работающих под действием динамических нагрузок, применяют реактопласты с наполнителями. Пластические массы на основе термореактивных полимеров отличаются от термопластов практически полным отсутствием хладно текучести под нагрузкой, повышенной теплостойкостью, нерастворимостью, малой набухаемостью, постоянством физико-механических свойств в температурном интервале их эксплуатации.

Основу реактопластов составляют полимеры, которые в процессе отверждения приобретают сетчатую структуру с высокой прочностью полимерных связей. Полимеры при этом претерпевают химические изменения и необратимо теряют способность к повторному формованию. Механическая обработка изделий из таких материалов также затруднена вследствие их хрупкости.

Термореактивные пластмассы получают на основе фенолформальдегидных, мочевиноформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и других материалов и смол. Применяются и модифицированные термореактивные смолы. Кроме связующих, которыми являются указанные смолы, реактопласты, как правило, в качестве основных компонентов имеют наполнители, по виду и степени размельчения которых реактопласты классифицируются на

• порошковые (пресс порошки)

• волокнистые

• слоистые

их разновидности и свойства приведены в таблице 2.2.

Основными методами переработки этих материалов в зависимости от наполнителя являются прессование и литье под давлением.

Таблица 2.2. Термореактивные пластмассы и их свойства

Наимено- вание пластмасс		плот- ность, кг/м3	предел прочности, МПа		ударная вязкость, кДж/м2	термо- стойкость (не более 0С)	влаго-погло-щение, %	темпера-тура форми-рования, 0С	удель-ная проч-ность, м
			при растя-жении	при изгибе
Порош-ковые	Фено- пласт Амино- пласт	1400 1400	30 – 60 50 – 60	60 – 100 60 – 90	4 – 6 5 – 6	115 100	0,02 – 0,1 0,67	160 165	2100 – 4200 3600 – 4200
Волокнистые	Волок-нит Асбово-локнит Стекло-воло-книт (АГ –4В)	1400 1950 1800	30 – 60 30 57	50 –80 70 150	9 – 11 18 – 21 50	120 200 – 300 280	0,40 0,5 – 1,0 0,02 – 0,1	155 185 165	2100 – 4200 1600 3100
Слоистые	Древес- но – сло- истый пластик Стекло-тексто- литы: на фе- нолфор- мальде- гидной смоле; на эпо- ксидной смоле	1350 1850 1650	180 – 300 235 – 270 408	140 - 280 160 414	80 – 90 60 – 115 148	140 – 200 200 175	5 – 18 0,8 – 1,6 0,1 – 0,5	150 150 160	13000 – 22000 12500 – 14500 24000

В порошковых пластмассах в качестве наполнителей применяют органические и минеральные порошки. Так, для изделий общетехнического назначения применяют древесную, а для изделий с высокой термостойкостью – асбестовую муку. Повышение же водостойкости и диэлектрических свойств этих пластмасс достигается добавлением кварцевой муки. Наиболее распространенной основой материалов является фенолформальдегидная смола. Пластмассы, полученные на основе этой смолы, называются фенопластами. Большое разнообразие марок фенопластов объясняется возможностью варьировать наполнителями, добавками других смол и сочетанием фенола и формальдегида в основной смоле.

Фенопласты имеют малую дугостойкость, при нагревании не плавятся, загораются с трудом и при горении выделяют запах фенола и формальдегида.

Пластмассы на основе мочевиноформальдегидной смолы получили название аминопласты. Почти во всем физико-механическим и технологическим свойствам этот материал хуже фенопластов. Из них изготавливают изделия общетехнического и декоративного назначения. Аминопласты загораются с трудом, обугливаются с белым налетом по краям. Дым имеет запах формальдегида и аммиака. Полисилоксановые пресс-порошки обеспечивают теплостойкость изделий более высокую, чем у термопластов, при наличии диэлектрических свойств и малой изменяемости физических свойств в широком диапазоне. Но этот материал обеспечивает малую ударную вязкость.

Для волокнистых пластмасс в качестве связующих веществ используют те же смолы, что и для порошковых, а в качестве наполнителя – хлопчатобумажные очесы, асбестовое волокно, стекловолокно. Причем с хлопчатобумажными очесами сочетают фенолформальдегидные смолы (это волокниты), с асбестовым волокном – фенолформальдегидную смолу (асбестоволокнит К-65, КФ-3, фаолит) или полисилоксановую смолу (например, КМК-218, или К-41-5), со стекловолокном – фенолформальдегидную смолу, совмещенную с анилиноформальдегидной смолой, синтетическим каучуком, эпоксидной смолой или силоксаном (стекловолокниты АГ – 4С, ТВФЭ-2, ВТФ и т.п.).

Физико-механические свойства волокнитов более высокие, чем у порошковых пластмасс, и зависят от свойств наполнителя и самого связующего. Необходимо учесть, что из волокнитов нельзя формовать малогабаритные, тонкостенные и сложной конфигурации изделия вследствие их грубой и жесткой исходной массы. При этом изделия из волокнитов нежелательно подвергать механической обработке, так как при этом вырываются волокна, что нарушает качество поверхности изделия и снижает его прочность. Волокниты отличаются высокой ударной прочностью (до 10 – 20 кДж/м²) и поэтому используются для изготовления достаточно нагруженных деталей, работающих при температуре до 100 – 120 ⁰С.

Асбоволокниты имеют высокие электроизоляционные свойства при повышенной температуре, что позволяет применять их для изготовления деталей коллекторов и контактных панелей. Вальцованные в виде листов асбоволокниты успешно выступают в качестве теплозащитных покрытий или кислотоупорного материала для обкладки разных изделий (баки, трубы, реакторы и т.д.). Замена фенолформальдегидной смолы в асбоволокнитах на полисилоксаны значительно повышает их термостойкость, позволяя изготавливать из такого материала электроизоляционные изделия, работающие при температуре 200 – 300 ⁰С. Благодаря высокому коэффициенту трения в паре со сталью асбоволокниты хорошо работают в качестве накладок для тормозных колодок.

Стекловолокниты находят широкое применение в машиностроении. Стекловолокно позволяет в несколько раз повысить механическую прочность изделий, улучшить их диэлектрические свойства при сохранении теплостойкости, близкой к теплостойкости асбоволокнитов. Технологические свойства стекловолокнитов выше, чем асбоволокнитов. Из них можно формовать изделия сложной конфигурации, малогабаритные и сложноармированные. Изделия из стекловолокнитов могут длительно работать при температуре до 400 ⁰С и кратковременно при 600 – 800 ⁰С. Весьма перспективным является применение стекловолокнитов для изготовления конструкций, выдерживающих в течение нескольких десятков секунд тепловые нагрузки в 5000 – 7000 ⁰С. Существенное влияние на все свойства стекловолокнитов оказывают ориентация стекловолокна и его размеры (рубленное и непрерывное).

К слоистым пластикам относят материалы, получаемые на основе термореактивных смол, армированные параллельно расположенными слоями листового наполнителя. Они характеризуются анизотропией свойств, причем наиболее высокие механические свойства наблюдаются вдоль листа, несколько ниже – поперек листа и наихудшие – по толщине слоистого пластика. Название слоистого пластика определяется наполнителем. В качестве наполнителя применяется текстильная ткань (текстолит), асбестовая ткань (асбестолит), бумага (гетинакс), древесный шпон (древесно-слоистый пластик – ДСП), стеклянное волокно (стеклотекстолит).

Содержание связующего (полимера) в слоистых пластиках обычно составляет около 50%. Уменьшение количества связки удешевляет материал, но при этом снижаются прочность и водостойкость. Все слоистые пластики можно механически обрабатывать. Это основной способ получения из них деталей.

Выбор связующей смолы зависит от вида наполнителя и назначения изделия. Так, для изделий технического назначения с таким наполнителем, как бумага, хлопчатобумажная ткань или древесный шпон применяется, как правило, формальдегидная смола (гетинакс, текстолит, ДСП). При производстве бытовых изделий или декоративных материалов используют мочевиноформальдегидную смолу.

Текстолит применяется до температуры 125 ⁰С. Он износостоек и имеет низкий коэффициент трения в паре со сталью. Выгодно сочетает достаточно высокую механическую прочность с низким удельным весом, высокой стойкостью к вибрационным нагрузкам и с хорошими диэлектрическими свойствами. Текстолиты масло- и бензостойки, достаточно водостойки. Как конструкционный материал текстолит широко применяется для изготовления прокладочных колец, шестерен, вкладышей подшипников, различных деталей в электро- и радиотехнике и т.д.

Асботекстолит – разновидность текстолита. Он теплостоек (до 250 ⁰С), дешев, стоек к кислотам, поглощает до 2% воды и имеет посредственные электрические свойства. Асботекстолит прочнее асбоволокнита и применяется как фрикционный материал в тормозных лентах, дисках, накладках, а также используется как кислотоупорный материал в больших ваннах и баках с горячими растворами кислот.

Гетинакс – дешевый электроизоляционный материал, из которого изготавливают щитки, изоляторы, детали высоковольтной аппаратуры. Недостатками гетинакса являются легкость его расслаивания вдоль листов наполнителя, мешающая обработке резанием и штамповке, а также склонность к поглощению влаги наполнителем, что ухудшает электрические свойства пластиков.

Древесно-слоистый пластик (ДСП) изготавливается из широко доступного материала и требует небольшого количества смолы (20 – 25%). Он имеет высокую механическую прочность. Из ДСП изготавливают крупные изделия: шлюпки, катера, лодки спортивные, панели, плиты и т.д. Плиты ДСП используют для изготовления таких машиностроительных деталей, как вкладыши, подшипники, втулки, шестерни и т.д. Сборку деталей из ДСП и текстолита производят склеиванием или механическим скреплением.

Стеклотекстолиты имеют наибольшее применение, так как в них сочетается малый вес с высокой прочностью и жесткостью. По способности поглощать вибрацию стеклотекстолиты превосходят металлические материалы и лучше последних работают при знакопеременных нагрузках. По коэффициенту теплового расширения они близки к сталям. Общими недостатками стеклопластиков являются анизотропия механических свойств и их большая неоднородность, обусловленные влиянием состава пластика, его структуры и способа изготовления. Как конструкционные материалы стеклотекстолиты применимы до температуры 250 ⁰С, а отдельные марки, у которых связкой служат кремнийорганические полимеры, - до 400 ⁰С, кратковременно (десятки секунд) они выдерживают даже температуру свыше 3000 ⁰С.

Прочность стеклотекстолитов ниже прочности стекловолокнитов, но области применения их гораздо шире и производительность изготовления изделий выше. Детали из этих материалов могут склеиваться и соединятся механическим креплением. При механической обработке стеклотекстолитов выделяется вредная стеклянная пыль, которую необходимо удалять из помещения либо осаждать.

Стеклотекстолиты применяются для изготовления нагруженных изделий, работающих в сухих и влажных средах, стойких к растворам электролитов, маслам и жидким топливам. С целью улучшения механических свойств стеклотекстолиты подвергаются термообработке.