3.4. Пластические массы

Пластические массы (пластмассы это композиционные материалы, состоящие обычно из связующего (полимера), наполнителей и других ингредиентов и находящиеся при эксплуатации в стеклообразном или кристаллическом состоянии. Основными образующими их компонентами являются связующее и наполнители.

Связующее образует непрерывную фазу матрицу, которая объединяет в единое целое все составные части пластмассы и в значиельной мере обусловливает комплекс ее эксплуатационно–технических характеристик. В качестве связующего обычно используют органические смолы синтетические или природные, термопластичные или термореактивные, способные при нагреве и одновременном воздействии давления формоваться деформироваться и приобретать заданную форму. Иногда используют неорганическое связующее, например цемент в асбоцементе, стекла в микалексе. Формование термопластов не сопровождается изменением химического состава полимера и, следовательно, его свойств. При формовании реактопластов протекают химические процессы отверждения олигомеров, в результате чего образуется трехмерный («сшитый») полимер, имеющий другую структуру и свойства.

Наполнители образуют прерывистую фазу, прочно сцепленную связующим. Наполнители в основном инертные вещества. По своей природе они разделяются на органические и неорганические, которые, в свою очередь, делятся на наполнители порошкообразные, волокнистые и листовые. К органическим наполнителям порошкообразным относятся древесная мука, лигнин и другие дисперсные полимеры, к волокнистым — хлопковые и льняные очесы, линтер, сульфатная целлюлоза, синтетические волокна, текстильная и бумажная крошка, к листовым бумага, ткань. К неорганическим наполнителям порошкообразным относятся молотые слюда и горные породы, тальк, каолин, кальцит, кварцевая мука, ферромагнитный порошок (см. магнитодиэлектрики), к волокнистым стекловолокно, длинноволокнистый асбест, базальтовое волокно, к листовым слюда, стеклоткань. Наполнители улучшают механические характеристики пластмассы, часто увеличивают нагревостойкость и существенно удешевляют ее. Однако при этом гигроскопичность и электрические свойства могут ухудшаться, поэтому в пластмассы, от которых требуются высокие электроизоляционные свойства, наполнители обычно не вводят.

Кроме наполнителя, в пластмассы для придания им желаемых свойств вводят пластификаторы, отвердители, смазывающие вещества, красители, антипирены и другие специальные добавки. Таким образом, пластмасса обычно является многокомпонентной системой.

Пластификаторы применяют для улучшения технологических и эксплуатационных свойств пластмасс. Они понижают температуру стеклования и температуру хрупкости, расширяют интервал высокоэластического состояния полимера.

Отвердители (сшивающие агенты) вводят в композиции на определенной стадии переработки в целях создания (или увеличения) поперечных (боковых) химических связей между молекулами полимера.

Смазывающие вещества (парафин, воск, силиконовые жидкости и другие вещества) используют в целях увеличения текучести и предотвращения прилипания пластмасс к оборудованию во время их изготовления и переработки в изделия.

Стабилизаторами являются вещества, повышающие стойкость полимеров к воздействию тепла, света или кислорода воздуха. Поэтому различают термостабилизаторы, фотостабилизаторы, антиоксиданты стабилизаторы против термоокислительной деструкции.

Путем подбора полимеров (или олигомеров) в качестве связующего, наполнителей и других ингредиентов получают пластмассы с разнообразными свойствами. Пластмассы с небольшим содержанием добавок (смазок, стабилизаторов, красителей) называют не наполненными, а с большим (до 65%), в том числе с наполнителями, наполненными.

Пластмассы – это большой класс материалов, отличающихся широким диапазоном свойств и областей применения. В электро и радиотехнике они используются в качестве как электроизоляционных, так и конструкционных материалов, что обусловлено достаточно высоким уровнем их электрических и механических свойств, стойкостью к воздействию высоких и низких температур, химо– и влагостойкостью, эластичностью, небольшой плотностью и легкостью переработки в изделия. В зависимости от физического состояния полимера (связующего) в момент формообразования различают следующие основные методы переработки пластмасс:

1) переработка в вязкотекучем состоянии литье под давлением, экструзия, горячее прессование, выдавливание и др.;

2. переработка в высокоэластическом состоянии горячая штамповка, пневмо– и вакуумформовка, обработка резанием и др.;

3. переработка в стеклообразном состоянии разделительная штамповка, обработка резанием и др.

Существует метод изготовления изделий непосредственно из жидкого мономера — путем его полимеризации в специальной форме.

Прессматериалы с порошкообразным наполнителем (пресспорошки)

Чаще всего исходным материалом для изготовления из пластмасс многих изделий самой разнообразной формы являются пресспорошки, в которых наполнитель применяют в порошкообразном виде. Пресспорошки представляют собой навески всех компонентов, высушенных, тонко измельченных и тщательно перемешанных. В зависимости от назначения изделий к пресспорошкам предъявляются различные требования.

Прессматериалы с волокнистым наполнителем

Изделия, полученные из пресс–порошков, имеют недостаточно высокие механические характеристики. Поэтому в ряде областей используют пресс–материалы с волокнистым наполнителем. Из волокнистых материалов наиболее широко применяются хлопковая целлюлоза, длинноволокнистый асбест и стеклянное волокно. Прессматериалы, в которых в качестве наполнителя использована хлопковая целлюлоза, называют волокнитами, длинноволокнистый асбест – асбомассами и фаолитами, стеклянное волокно – стекловолокнитами.

Прессматериалы с листовым наполнителем. Прессматериалы с листовым наполнителем имеют слоистую структуру, поэтому и называются слоистыми пластиками. К ним относятся гетинаксы, текстолиты, стеклотекстолиты, асботекстолиты, стекловолокнистые анизотропные материалы (СВАМ) и древеснослоистые пластики (ДСП). В электро– и радиотехнике наиболее применимы первые три слоистых пластика. При изготовлении СВАМ и ДСП в качестве листового наполнителя используют шпон стеклянный и древесный, соответственно. Стеклянный шпон изготавливают из ориентированных стеклянных волокон (наполнитель) и связующего ФФ олигомера. Для изготовления древесного шпона используют березу или бук.

Слоистые пластики представляют собой пластмассы, в которых наполнителем является листовой волокнистый материал (бумага, ткань, нетканый материал) с параллельно расположенными слоями, что определяет анизотропию их свойств. В зависимости от назначения различают слоистые пластики конструкционные, электроизоляционные и декоративные. Производят слоистые пластики листового строения, профильные и в виде трубок и цилиндров. Последние называют намотанными изделиями. Ниже рассматриваются преимущественно электроизоляционные пластики. Они обладают высоким уровнем механических свойств в широком интервале температур. В зависимости от химической природы связующего и наполнителя электрические свойства электроизоляционных слоистых пластиков могут изменяться в широких пределах (ε = 6–8; ρ = 10⁸–10¹⁴ Ом•м; tgδ ≈ (2–10)•10^–2; Е_пр= 8–33 кВ/мм при h = 1 мм), а сами пластики длительно эксплуатироваться при температурах до 180°С. Наиболее распространенные виды этого материала гетинакс и текстолит с различными наполнителями и намотанные изделия. Все эти материалы получают методом горячего прессования или намотки листовых волокнистых материалов, предварительно пропитанных или лакированных термореактивным связующим.

Гетинакс слоистый пластик. Получают его путем прессования бумаги в два или несколько слоев, пропитанной олигомерами феноло– или крезолоформальдегидных смол, или других реактопластов, или их смесями. Прессование производится при температуре 150–160°С, давлении 6–10 МПа и времени выдержки под давлением из расчета 25 мин/мм толщины. При этой температуре олигомер расплавляется, заполняет поры между волокнами бумаги и отдельными ее листами и затвердевает (переходит в стадию резит). Производят гетинакс в зависимости от числа слоев толщиной от 0,2 до 50 мм, его плотность 1350–1450 кг/м³ . Материал имеет заметную анизотропию свойств. Например, объемное сопротивление гетинакса вдоль слоев в 50–100 раз, а Е_пр в 5–8 раз ниже, чем поперек слоев. Недостатком его, так же как и других пластмасс на основе ФФ смол, является низкая трекингостойкость.

Сравнительно новые материалы гетинакс на основе полиэтилентерефталатной бумаги и эпоксидной смолы (гетинакс марки ЛГ) и гетинакс, облицованный с обеих сторон слоем полиэтилентерефталатной бумаги, пропитанной эпоксидной смолой (гетинакс марки VIIIВ). Отличительные особенности гетинакса на основе ПЭТФ–бумаги высокие показатели влагостойкости, механических и электрических свойств, хорошая перерабатываемость методом штамповки. Известен гетинакс, изготовленный на основе стеклянной бумаги стеклогетинакс.

Фольгированный гетинакс производят для изготовления печатных схем низкочастотных цепей радиоаппаратуры. Он представляет собой листовой материал, покрытый с одной или с обеих сторон фольгой из электролитической меди (99,9%) толщиной 5; 18; 25; 35; 50; 70 или 105 мкм. Чем тоньше медная фольга, тем более плотный металлический рисунок можно получить.

Текстолит представляет собой слоистый пластик, изготовленный из двух или большего числа слоев ткани, предварительно пропитанной олигомером ФФ смолы или другого реактопласта. В качестве наполнителя могут использоваться ткани хлопчатобумажная, стеклянная (стеклотекстолит), полиэтилентерефталатная (лавсановый текстолит), асбестовая (асботекстолит), а также нетканые материалы.

Наиболее распространенным является текстолит на основе хлопчатобумажной ткани. В сравнении с гетинаксом у него более высокие значения удельной ударной вязкости, стойкости к истиранию и сопротивлению раскалывания при вдавливании клина в торец доски. Электрические свойства примерно такие же, как и у гетинакса, исключение составляет электрическая прочность, которая заметно ниже. Однако стоимость текстолита в несколько раз выше стоимости гетинакса, так как при его изготовлении используют дорогой наполнитель – хлопчатобумажную ткань. Поэтому его целесообразно применять лишь в изделиях, подвергающихся ударным нагрузкам или истиранию (детали переключателей и т.п.).

В производстве электротехнического стеклотекстолита используют стеклоткань, полученную из алюмоборсиликатного стекла с содержанием окислов щелочных металлов не более 0,5%. В качестве связующего используют кремнийорганические лаки или композиции на основе кремнийорганических и эпоксидных смол. Изготавливают также фольгированный стеклотекстолит, который в сравнении с фольгированным гетинаксом имеет более высокую стойкость к повышенным температурам и влажности и высокую тропикостойкость. Электрическая прочность стеклотекстолита почти в три раза выше, чем у текстолита из хлопчатобумажной ткани.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Каковы основные особенности органических диэлектрических материалов.

2. Чем отличается реакция полимеризации от реакции поликонденсации.

3. Для каких целей производят изделия из композиционных пластмасс.

4. Назовите основные преимущества эпоксидных компаундов. Каков механизм их отверждения.

5. В чем основные преимущества кремнийорганических соединений.

6. Назовите основные реактопласты (термореактивные полимеры).

7. Что из себя представляют слоистые пластики.

8. Перечислите основные компоненты пластических масс, применяемых в качестве диэлектрических материалов.