Розділ і. Пластичні маси

§ 1. Загальні відомості про пластичні маси

1. Короткі відомості про полімери. Пластмасами, називають матеріали на основі природних або синтетичних високомолекулярних сполук, які можна під дією нагрівання і тиску перероб­ляти у вироби, причому останні зберігають надану їм форму.

Пластмаси мають ряд цінних властивостей. Найголовніші з них такі: мала густина—від 940 до 1500, рідше до 2300 кг/м³ (0,94—1, рідше до 2,3 г/см³); високі діелектричні властивості і стійкість проти корозії; низька теплопровідність; антифрикцій­ні властивості в одних і фрикційні властивості в інших пласт­мас; значна механічна міцність у волокнистих і шаруватих пласт­мас; цінні декоративні властивості; високі технологічні власти­вості, що дають змогу виготовляти вироби високопродуктивними методами (без знімання стружки).

Пластмаси мають І недоліки. Деякі пластмаси розм'якають і деформуються при нагріванні, а при низьких температурах стають крихкими. Більшість пластмас мають низьку теплостій­кість, що не перевищує 100—120° С. Деякі пластмаси інтенсивно вбирають вологу (набухають). Багато які пластмаси змінюють свої властивості під впливом атмосферних, температурних і хі­мічних факторів (старіють); при цьому в них зменшується ела­стичність, виникають жорсткість і крихкість, знижується меха­нічна міцність.

2. Структура молекул полімерів. Основою (зв'язуючою речо­виною) пластмас є високомолекулярні сполуки — полімери. Більша частина полімерів перебуває в аморфному стані. Такі полімери називаються смолами. У виробництві пластмас зви­чайно застосовують синтетичні і рідше — природні смоли.

Для добування синтетичних смол використовують речовини, що складаються з простих молекул-мономерів (наприклад ети­лен СН2=СН2 з молекулярною вагою 28). У високомолекулярних сполуках (полімерах) з окремих мономерів утворюються складні макромолекули. Це такі полімери, як. наприклад, полі­етилен (С2-H4)п, молекулярна вага якого може досягати десятків тисяч. Збільшення молекулярної ваги сполук одного ряду пов'я­зане з підвищенням температури плавлення і кипіння, а також із зменшенням розчинності і леткості.

Рис. 191. Схеми будо­ви макромолекул по­лімерів

За формою макромолекул полімери по­діляють на лінійні (рис. 191, а), розгалу­жені (рис. 191,6) і сітчасті (рис. 191, в).

Полімери бувають аморфні (полістирол, вініпласт та ін.) і такі, що кристалізуються, які складаються з аморфної і кристалічної фаз (поліаміди, поліформальдегід та ін.). Наявність аморфної фази зменшує жорст­кість полімеру, надає йому еластичності. Полімери з розвинутою сітчастою структу­рою практично не кристалізуються.

3. Термопластичні і термореактивні полі­мери. Залежно від поведінки смол при на­гріванні пластмаси, вироблені на їх основі, поділяються на термопластичні і термореак­тивні.

Термопластичні пластмаси при багаторазовому нагріванні і охолоджу­ванні зберігають здатність розм'якати, пла­витись і знову затвердівати.

Термореактивні пластмаси при нагріванні роз­плавляються і при певній температурі затвердівають внаслідок утворення складних тривимірних молекул; повторне нагрівання не повертає їм здатності плавитись.

4. Склад пластмас. Крім смоли, пластмаси можуть містити до 40—70% наповнювачів, пластифікатори та інші добавки.

Наповнювачами є порошкові, волокнисті і листові ма­теріали. Вони зміцнюють і здешевлюють пластмасу, а також на­дають їй певних фізико-механічних і технологічних властивостей. Велика група полімерів (наприклад прозорих) наповнювача не має.

Пластифікаторами називаються малолеткі низько­молекулярні речовини (гліцерин, парафінове масло та ін.), які вводять до складу пластмас, щоб підвищити їх пластичність і еластичність.

Крім названих компонентів, до складу пластмас можуть вхо­дити різні добавки: стабілізатори, що гальмують руй­нування (старіння) полімеру під дією світла, підвищеної тем­ператури та інших факторів (сажа, сполуки олова і свинцю та ін.); каталізатори, що прискорюють затвердіння пласт­мас (наприклад, для фенолформальдегідної смоли каталізато­ром є уротропін); мастильні речовини, що полегшують пресування пластмас і перешкоджають прилипанню їх до стінок прес-форми (стеарин, віск та ін.); барвники, що забарвлюють пластмасу в різні кольори (вохра, крон. сурик та ін.).

$2. Класифікація, експлуатаційні властивості і призначення пластмас

Останнім часом почали застосовувати кілька тисяч пластмас. що відрізняються одна від одної складом і властивостями.

Пластмаси, що використовують як конструкційні матеріали, звичайно класифікують за видом наповнювачів. За цією ознакою їх поділяють на пластмаси без наповнювачів, з наповнювача­ми — порошковими, волокнистими і шаруватими, а також газо-наповнені полімерні матеріали.

1. Пластмаси без наповнювачів—це здебільшого термопла­стичні полімери. Випускають їх у вигляді порошків і гранул, що використовуються для виготовлення різних деталей І напівфаб­рикатів. Іноді до складу цих пластмас вводять невеликі кількості наповнювачів, щоб надати їм спеціальних фізичних або меха­нічних властивостей.

Поліетилен (—СН₂—CH₂—)п — білий, жирний на до­тик матеріал, що злегка просвічується, легко ріжеться ножем; він має густину 920—960 кг/м³ (0,92—0,96 г/см³). Теплостійкість поліетилену—110—120° С, морозостійкість—до —70° С. Полі­етилен стійкий проти дії лугів, розчинів солей і сильних кислот низької концентрації.

З поліетилену виготовляють деталі арматури і сантехніки, труби, стержні, листи, плівку та ін. Поліетиленом ізолюють елек­тричні проводи і кабель. З нього виготовляють бутлі, балони, плащі; з волокон поліетилену виготовляють водонепроникний одяг, морські канати та ін.

Поліпропілен [— СН₂ — СН (СН₃) —] η має вищу міц­ність і більшу теплостійкість (до 140°С), ніж поліетилен, але його морозостійкість нижча (до —5°, —15°). Поліпропілен—хороший діелектрик. Це водостійкий і хімічно стійкий матеріал. З нього виготовляють плівки, труби для гарячої води, місткості для збе­рігання агресивних рідин, волокна та ін.

Вініпласт—полімери хлористого вінілу СН₂=СНСl. Вони мають ще назву полівінілхлорид (поліхлорвініл), що скорочено позначається ПВХ. Робоча температура вініпластів не перевищує 60—70° С. Вони стійкі проти мінеральних кислот і лугів, у воді — набухають.

З твердого полівінілхлориду виготовляють труби і листовий матеріал. З листів ПВХ зварюють деталі устаткування для ро­боти в агресивних середовищах, замінюючи свинець, мідь, брон­зу, алюміній і нержавіючу сталь.

Пластикат ПВХ використовують для оболонок електричних кабелів, липкої ізоляційної стрічки і т. п.

Полістирол [— СН₂ — СН (С₆Н₅) — ] η — це пластик, що має високі водостійкість і діелектричні властивості. Він стій­кий проти дії мінеральних кислот, лугів, спиртів, не руйнується азотною кислотою. До недоліків слід віднести: горючість, невисоку теплостійкість (до 95° С); полістирол порівняно крихкий і швидко старіє.

З полістиролу виготовляють деталі технічного і побутового призначення, деталі засобів зв'язку і радіоапаратів, поліграфіч­ні шрифти, плівки і труби.

Фторопласти—похідні етилену (СН₂=СН₂), де атоми водню заміщені атомами фтору.

Φ τ ο ρ ο π л а с т·3 (— CF₂ — CFCl —) n — напівпрозорий ро­гоподібний матеріал. Його хімічна стійкість вища, ніж інших полімерів. Температура плавлення дорівнює 210° С. З фторопласту-3 виготовляють деталі насосів, лічильників, арматури, клапа­ни, мембрани, діафрагми. Його використовують також як низь­кочастотний діелектрик.

Фторопласт-4 (— CF₂ — CF₂ —) η — пухкий порошок, що перетворюється при холодному пресуванні в тверді таблетки, з яких виготовляють різні вироби. Фторопласт-4 не розчиняється в жодному розчиннику. Він стійкий проти дії концентрованих кислот і лугів. За хімічною стійкістю в ряді середовищ не посту­пається перед золотом і платиною. Він може працювати в інтер­валі температур —190°—+250°. Фторопласт-4 негорючий, негігроскопічний; він є одним з кращих діелектриків, має низький коефіцієнт тертя, малу твердість. З фторопласту-4 виготовляють ущільнювальні прокладки, хімічно стійкі труби, крани, електро- і радіотехнічні вироби (ізолювальні плівки, диски, кільця), мем­брани, фільтри, плівки, волокна та ін.

Поліакрилати виробляють на основі похідних акрило­вої і метакрилової кислот.

З твердих поліакрилатів найбільше значення має поліметилакрилат — органічне скло [— СН₂ — С (СН₃) — —СООСН₃—]n, яке є замінником звичайного силікатного скла; воно еластичне і легше, ніж звичайне скло, більш прозоре, про­пускає ультрафіолетові промені. Органічне скло має високі ді­електричні властивості, масло-, бензо-, водостійке, стійке проти дії розбавлених лугів, кислот, солей, але розчиняється у вугле­воднях, набухає в спиртах, мало термостійке (до 80° С) і недо­статньо тверде, внаслідок чого легко пошкоджується від меха­нічної дії.

Органічне скло використовують для скління літаків, автома­шин і вагонів, в оптичній і годинниковій промисловості, у світло­техніці. З нього виготовляють посуд, люстри і т. п., а в хіміч­ному машинобудуванні — труби, посудини, оглядові стекла апа­ратів.

Полікарбонати — полімерні ефіри вуглекислоти і дифенолів, які мають кристалічність 30—70%; робоча температура— від —100° до +130°С. Полікарбонати атмосферо- і водостійкі, а також стійкі проти дії розбавлених кислот, розчинів солей, роз­кислювачів, мастильних масел, вуглеводнів, але руйнуються лу­гами, бензолом, ацетоном. З полікарбонатів виготовляють шестірні, деталі підшипників, авто- і радіодеталі, плівки, деталі електроапаратури.

Поліамідні смоли (капрон, нейлон, енант) знайшли широке застосування у виробництві синтетичних волокон і мен­шою мірою — як конструкційні пластмаси. При нагріванні вони мають добру рідкотекучість, здатність до кристалізації, а при кімнатній температурі—високу стійкість проти стирання, низь­кий коефіцієнт тертя.

Загальна формула поліамідів — NH — CO — (СН₂)m —NH —CO—(СН₂)n—· При m=n=5 загальна формула капрону буде — NH — CO — (CH₂)₅ —.

Капрон — продукт полімеризації капролактаму NH — (СН₂)₅—CO. Він стійкий проти розбавлених мінеральних кислот, лугів, більшості розчинників, має достатню міцність на розрив, твердість, еластичність. Плавиться він при температурі 225° С, але при температурі понад 100° С і нижче 0° С його ме­ханічна міцність знижується.

Капрон застосовують для виготовлення деталей, що викори­стовуються у вузлах тертя. У деяких випадках він є замінником кольорових металів і сплавів (при виготовленні вкладишів під­шипників, втулок, манжет, зубчастих передач та ін.). Капрон використовують також для виготовлення плівок, волокон, корду, тканин, сіток, канатів та ін.

Нейлон витримує тривале нагрівання до 270° С; він має вищі стійкість проти спрацювання і ударну в'язкість, інертний до лугів, стійкий проти розбавлених мінеральних кислот, нафто­вих масел, мастил, нерозчинний у звичайних органічних розчин­никах.

З нейлону виготовляють деталі підшипників, шестірні, елек­тротехнічні деталі, деталі текстильних машин, труби, волокно та ін.

Енант має властивості, що не набагато відрізняються від властивостей капрону і нейлону. Використовують енант як кон­струкційну пластмасу і волокно.

Поліформальдегід (— СН₂ — О —) η — непрозорий ма­теріал, який виробляють з формальдегіду НСНО. Кристаліч­ність його досягає 75%, що надає йому механічної міцності. жорсткості, високої ударної в'язкості і стійкості проти стирання. Його робоча температура—від —40° до +130° С. Він не роз­чиняється у звичайних розчинниках, стійкий проти дії багатьох хімічних середовищ, плісені, комах, має високі діелектричні вла­стивості, але малостійкий проти дії неорганічних кислот і лугів.

З поліформальдегіду виготовляють водопровідну арматуру, деталі з різьбою, дрібні шестірні, ізоляцію для тонких проводів, труби, листи та ін.

2. Фенолформальдегідні смоли. Пластмаси з наповнювачами найчастіше виробляють на основі фенолформальдегідних смол, що утворюються при взаємодії фенолів (фенолу, крезолу, ксиленолу та ін.) і альдегідів (формальдегіду, фурфуролу та ін.) у присутності каталізаторів.

Фенолформальдегідні смоли залежно від хімічного складу можуть бути термопластичними і термореактивними.

Термопластичні (новолакові) смоли утворюються внаслідок поліконденсації формальдегіду НСНО з надлишком фенолу С₆Н₅ОН у присутності мінеральних кислот. Смоли мають лінійну будову. При нагріванні до 100—120° С вони плавляться, а при охолодженні затвердівають. Вони розчиняються в спирті, ацетоні та інших органічних розчинниках.

Термореактивні (резольні) смоли утворюються внаслідок поліконденсації фенолу з надлишком формальдегіду в присутності лугів. У процесі нагрівання ці смоли спочатку пе­реходять у рідкий стан (резол), потім стають еластичними (резитол), а потім переходять у твердий стан (резит), стаючи при цьому неплавкими, нерозчинними, такими, що не набухають, у зв'язку з переходом лінійної будови макромолекул у сітчасту.

Резит має достатню механічну міцність, електроізоляційні властивості, хімічну стійкість і теплостійкість. Резити стійкі про­ти дії водних і слабкокислих середовищ, бензину, масел, орга­нічних розчинників. При температурі близько 300° С відбувається термічна деструкція резиту з виділенням води і фенолу. При вищих температурах утворюється кокс.

Для виготовлення виробів з пластмас на основі новолакових-смол ці смоли переводять у резольні (термореактивні), добавля­ючи до складу спресовуваних порошків таку кількість формаль­дегіду, якої не вистачає (наприклад, 10—15% уротропіну), і нагріваючи суміш. Внаслідок цього утворюється резит.

Фенопласти. Для виготовлення технічних виробів використовують складні композиційні пластичні маси, до складу яких, крім фенолформальдегідної смоли, входять різні наповню­вачі, речовини, які сприяють затвердіванню і переводять смолу в резит (уротропін, оксиди і гідрати окисів кальцію, магнію та ін.), мастило (стеарин), яке поліпшує процес утворення табле­ток з порошків і перешкоджає прилипанню виробів до стінок прес-форми, барвники.

Амінопласти (аміноформальдегідні пластмаси) вироб­ляють на основі продуктів поліконденсації сечовини (карбаміду), меламіну і деяких інших сполук з формальдегідом. Карбамідна смола безколірна, її змішують із сульфітною целюлозою (напов­нювач), мастильними речовинами, барвниками та ін., внаслідок чого утворюються прес-порошки, забарвлені в різні кольори. З них методом гарячого пресування виготовляють різні вироби.

Амінопласти мають добру опірність поверхневим електричним розрядам, виділяючи під дією електричної дуги азот, що гасить дугу. їх використовують для виготовлення кольорових телефон­них апаратів, рукояток, меблевої фурнітури, корпусів і абажурів ламп, світильників, харчової тари та ін.

Матеріали на основі фенолформальдегідних, сечовиноформальдегідних, кремнійорганічних, поліефірних, епоксидних та інших смол можна поділити на такі групи: пластмаси з порошко­вими, волокнистими, шаруватими наповнювачами, а також газонаповнені.

3. Пластмаси з порошковими наповнювачами. Ці пластмаси в основному термореактивні. Вони термостійкі (до 110—150° С) і мають порівняно високі механічні властивості. Вид наповнюва­ча впливає на властивості порошкових пластмас. Так, для виго­товлення виробів загальнотехнічного призначення як наповню­вач застосовують деревне борошно, для виробів з вищою термостійкістю — мелений азбест, а для підвищення водостій­кості і діелектричних властивостей — кварцове борошно. Напов­нювачами можуть бути також тальк, діатоміт, мелений шлак, графіт та ін. Пластмаси з порошковими наповнювачами поста­чають у вигляді прес-порошків, які легко спресувати в таблетки; нагріваючи останні с. в. ч., методом пресування виготовляють потрібні вироби.

Є багато прес-порошків різного складу і різного призначення.

4. Пластмаси з волокнистими наповнювачами. У них напов­нювачами є: подрібнена бавовникова целюлоза, азбестові і скля­ні волокна, текстильний дріб'язок або обрізки тканини. Зв'язую­чим є синтетичні термореактивні смоли. Цей вид пластмас вико­ристовується для виготовлення деталей машин будь-якої форми методом пресування.

Волокніт натуральний являє собою волокнисту пластмасу на фенолформальдегідній смолі з наповнювачем із бавовникової целюлози. Це ударноміцний, крупноволокнистий матеріал, що застосовується для виготовлення маховичків, ручок верстатів та інструментів, кришок, різьбових пробок, шківів, кулачків, шестерень, роликів транспортерів і т. п.

Скловолокніт. Наповнювачами є скловолокно або скляний дріб'язок. Границя міцності скловолокніту на затверді­лій поліефірній смолі становить 250—270 Мнім² (2500— 2700 кГ/см²). Скловолокніт застосовують для виготовлення виро­бів, які повинні мати високу механічну міцність, водостійкість і високі електроізоляційні властивості.

Скловолокнистий анізотропний матеріал (СВАМ) вироб­ляють з орієнтованих довгих скляних волокон, зв'язаних рід­кими бутваро-фенольними та іншими смолами. З виробленого таким способом скляного шпону склеюванням під пресом виго­товляють склофанеру—матеріал, що має однакові властивості в поздовжньому і поперечному напрямах. Його міцність досягає міцності сталі і становить 480—560 Мн/м² (48—56 кГ/мм²). СВАМ застосовують для хімічно стійких труб і резервуарів, при будівництві катерів, човнів, баків, кузовів автомобілів, залізнич­них цистерн, електрощитів, деталей електро- і радіотехнічної апаратури.

Азбоволокніт складається з азбестового волокна, меленого кварцу і добавок, зв'язаних кремнійорганічною смо­лою. Він водостійкий, теплостійкий і має високі електроізоля­ційні властивості. Тривала робоча температура є допустимою до 200—300° С, а тимчасове перегрівання — до 600° С. Короткочас­но (десятки секунд) його можна нагрівати до 2000—3000° С. З азбестоволокніту виготовляють найважливіші деталі електро­технічного устаткування і приладів.

5. Пластмаси з шаруватими наповнювачами виготовляють методом гарячого пресування попередньо просочених синтетич­ними смолами і вкладених шарами полотен тканин, паперу або деревного шпону. В результаті утворюються листи і товсті плити. Вироби з них виго.товляють методом обробки різанням або тиском.

Текстоліт. Як наповнювач він має бавовняну тканину (бязь, міткаль, штапельне полотно, батист, шифон та ін.), зв'яза­ну формальдегідною смолою. Текстоліт випускають у вигляді листів і товстих плит, стержнів, труб і фасонних вирооів. Тепло­стійкість текстоліту досягає 60—155°С. З нього виготовляють найважливіші деталі машин: шестірні, вкладиші підшипників, антифрикційні і електроізоляційні деталі, панелі, прокладки та ін. Границя міцності при розтягуванні текстоліту становить. близько 65 Мнім² (650 кГ/см²).

Склотекстоліт. Наповнювачами є склотканини з різ· ним переплетенням. Зв'язуючими є смоли: фенолформальдегід-ні, кремнійорганічні, поліефірні, епоксидні та ін. Склотекстоліт випускають у вигляді листів і плит завтовшки до ЗО мм. Він" міцніший за текстоліт, стійкіший проти ударних навантажень,, має меншу гігроскопічність і кращі хімічну стійкість і тепло­стійкість (до 200° С), вищі діелектричні властивості. Склотексто­літ є дуже міцним конструкційним матеріалом, границя міцності якого при розтягу досягає 300 Мн/м² (3000 кГ/см²), а також високоякісним електроізоляційним матеріалом.

Азботекстоліт. Наповнювачем є азбестова тканина і азбокартон, просочені резольною фенолформальдегідною смо­лою. Випускають його у вигляді листів і плит завтовшки до 60 мм. З нього виготовляють деталі гальмових пристроїв, фрик­ційні диски, деталі механізмів зчеплення, прокладки, що пра­цюють при температурах до 250° С, та ін.

Гетинакс. Наповнювачем є аркуші спеціального паперу, просочені резольними смолами і спресовані при температурі 150—160° С і тиску 11—16 Мн/м² (110—160 кГ/см²). Гетинакс може працювати при температурах від —60 до +70°С. Його випускають у вигляді листів і плит завтовшки до 50 мм, стерж­нів і трубок. Матеріал має стабільні діелектричні властивості. Використовують його для виготовлення електропанелей, деталей трансформаторів, радіо- і телефонних деталей.

Деревно-шаруваті пластики (ДШП) виробляють з тонких листів лущеної деревини (шпону), просочених і склеєних між собою резольними фенолформальдегідними смолами при температурі 150° С і тиску 5 Мнім² (50 кГ/см²}. ДШП вико­ристовують у вигляді листів і плит завтовшки 1—60 мм. їх вико­ристовують для виготовлення вальців текстильних машин, гвин­тів, вкладишів підшипників ковзання, в електротехнічних конст­рукціях, для деталей високовольтної апаратури, зубчастих коліс у хімічному машинобудуванні.

6. Газонаповнені полімерні матеріали — це пластмаси з малою об'ємною масою (30—300 кг/м³}, які мають багато пор, заповнених газом. Поділяють їх на дві групи: матеріали з ізо­льованими порами—пінопласти— і з порами, що сполучають­ся,—поропласти (губки).

Вихідними речовинами для виготовлення легких пластмас є полівінілхлорид, полістирол, фенопласти, амінопласти, епо­ксидні смоли та ін. Одним з основних способів виготовлення легких пластмас є спінювання вихідного матеріалу внаслідок розширення газів, що виділяються при термічному розкладанні спеціальних речовин (порофорів), введених заздалегідь у компо­зицію (пресовий метод).

Поро- і пінопласти використовують для звукоізоляції, як теплоізоляційний матеріал, для сидінь і спинок у м'яких меблях, для пловучих засобів і т. д.