Пластмассы и их свойства

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Кафедра «Сварочное производство и технология конструкционных материалов»

ПЛАСТМАССЫ И ИХ СВОЙСТВА

Методические указания к выполнению лабораторной работы

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2013

1

elib.pstu.ru

Составители: д-р техн. наук, профессор И.Л. Синани, ст. преподаватель Т.В. Лодягина

УДК 678.5.01:[53+54](076.5) П37

Рецензент д-р техн. наук, профессор В.Я. Беленький

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Пластмассы и их свойства : метод. указания к выполнению П37 лаборат. работы / сост. И.Л. Синани, Т.В. Лодягина. – Пермь :

Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. – 44 с.

Описано строение, свойства, состав и классификация пластмасс, рассмотрено влияние строения полимера на свойства пластмасс. Изложены способы получения изделий из пластмасс. Даны рекомендации по определению прочности, пластичности и ударной вязкости пластмасс.

Предназначены для студентов технических специальностей.

УДК 678.5.01:[53+54](076.5)

© ПНИПУ, 2013

2

elib.pstu.ru

3

elib.pstu.ru

1. СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Цели работы

1.Ознакомиться с классификацией полимеров и пластмасс, их строением, составом и свойствами; изучить способы получения изделий из пластмасс.

2.Научиться определять прочность, пластичность и ударную вязкость пластмасс.

3.Уяснить влияние строения полимера и вида наполнителя на свойства пластмасс.

Материалы и оборудование

1.Набор образцов пластмасс для испытания: простых и сложных (на основе фенолформальдегидной смолы с различными наполнителями).

2.Разрывная машина типа РМП-50У.

3.Маятниковый копер типа МК-05.

4.Микрометр.

5.Штангенциркуль.

6.Линейка.

7.Термометр 0–60 С.

Порядок выполнения лабораторной работы

1.Усвоить теоретические основы работы.

2.Ознакомиться с методиками определения прочности и пластичности, ударной вязкости.

3.Экспериментально определить прочность и пластичность простых пластмасс при испытаниях на растяжение, построить кривые растяжения.

4.Экспериментально определить удельную ударную вязкость сложных пластмасс.

5.По полученным данным сделать выводы о влиянии различных факторов на механические свойства пластмасс.

4

elib.pstu.ru

Структура отчета

1.Название работы.

2.Цель работы.

3.Материалы и оборудование.

4.Теоретическая часть.

5.Практическая часть.

6.Выводы по работе.

7.Фамилия студента, выполнившего работу.

8.Дата.

5

elib.pstu.ru

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Одним из эффективных путей снижения металлоемкости конструкций, уменьшения их массы, повышения надежности и долговечности является применение конструкционных неметаллических материалов природного происхождения и искусственно созданных или синтезированных.

Одним из классов неметаллических материалов являются пластмассы. Пластмассы (пластические массы, пластики) – это искусственные материалы на основе высокомолекулярных органических веществ – полимеров, которые при обычных условиях (температуре, давлении) являются твердыми упругими телами.

Достоинством таких материалов является сочетание требуемого уровня химических, физических и механических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий сложной конфигурации. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5–6 раз ниже, и они

в4–5 раз дешевле по сравнению с металлическими.

Всвязи с этим непрерывно возрастает использование неметаллических материалов в различных отраслях промышленности, в том числе в авиационной, космической и ракетной, радиотехнической и электротехническойпромышленностии во многих других.

Успех в применении пластмасс определяется знанием их свойств, технологическими методами изготовления и переработки пластмасс в изделия. Именно эти сведения нужны конструкторумашиностроителю при создании машин, аппаратов и агрегатов из неметаллических материалов.

Если в полимер вводят небольшое количество добавок (1– 2 мас. %), то пластмассу называют простой. К таким пластмассам относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и другие, состоящие практически из одного полимера.

При введении в полимер добавок в количестве до 40–70 мас. % пластмасса называется сложной или композиционной. В такие пластмассы помимо полимера входят наполнители, пластификаторы, стаби-

6

elib.pstu.ru

лизаторы, красители, отвердители и другие специальные добавки (ингредиенты). Книмотносятсягетинакс, текстолит, стеклопластикиит.п.

В целом свойства пластмасс определяются:

–строением молекулы и свойствами полимера, лежащего в основе пластмассы;

–технологией изготовления полимера;

–добавками, вводимыми в пластмассу для изменения свойств этого полимера и придания пластмассе специфических свойств.

2.1. Пластмассы и их компоненты

Полимеры как основа пластмасс: их строение и получение

Полимеры – высокомолекулярные соединения, состоящие из макромолекул, отдельные звенья которых представляют собой периодически повторяющиеся участки с одинаковым химическим составом и строением. Схематичное изображение строения полимера показано на рис. 1 (напримеремакромолекулыполипропилена).

Рис. 1. Строение полипропилена

Каждое звено представляет собой измененную молекулу исходного низкомолеклярного вещества – мономера. Число мономерных звеньев n определяет степень полимеризации полимера.

В зависимости от формы макромолекулы различают:

– полимеры с линейной (рис. 2, а) и разветвленной (рис. 2, б)

формой макромолекулы, атомы в которых связаны прочной кова-

7

elib.pstu.ru

лентной связью, а между отдельными макромолекулами действуют более слабая химическая связь – молекулярная (за счет сил Ван- дер-Ваальса);

– полимеры с сетчатой (сшитой, пространственной) формой макромолекулы (рис. 2, в), представляющие собой несколько линейных макромолекул, между которыми образуются поперечные ковалентные связи или межмолекулярная водородная связь.

Рис. 2. Форма макромолекулы полимера: а – линейная; б – разветвленная; в – сетчатая (А – звено макромолекулы; ковалентная связь, молекулярная связь)

Синтетические полимеры получают в результате полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация – это процесс образования макромолекулы полимера при соединении молекул мономера за счет перераспределения связей в молекуле мономера. Процесс осуществляется без выделения побочных продуктов. Название полимера в этом случае слагается из приставки поли- и названия мономера. Например, при полимеризации этилена получают полиэтилен:

n(CH2 = CH2) (– CH2 – CH2 –)n.

этилен полиэтилен (мономер) (полимер)

где n – степень полимеризации.

8

elib.pstu.ru

Совместная полимеризация двух или более мономеров называется сополимеризацией, а полученный продукт – сополимером.

Поликонденсация – это процесс образования макромолекул полимера при взаимодействии молекул мономеров с выделением побочных веществ (например, воды, хлора, аммиака и др.). Название полимера в этом случае складывается из названия мономеров с прибавлением слова смола. Например, при взаимодействии фенола с формальдегидом образуется фенолформальдегидная смола и выделяется побочный продукт – вода:

фенол + формальдегид фенолформальдегидная смола + вода (мономер 1) (мономер 2) (полимер)

Добавки, вводимые в состав пластмасс

1. Наполнители (40–70 мас. %) – органические и неорганические вещества в виде:

–порошков (древесная мука, сажа, слюда, тальк, графит);

–волокон(хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые волокна);

–листов (бумага, ткань, древесный шпон), улучшающих физи- ко-механические свойства пластмасс.

К числу наполнителей можно отнести и воздушные поры в газонаполненных пластмассах (пено- и поропласты).

Наполнители дешевле высокомолекулярных веществ и снижают стоимость пластмасс. Кроме того, введение наполнителей придает материалу необходимые свойства. Например, при использовании листовых и волокнистых наполнителей значительно повышается прочность пластмасс на изгиб и растяжение. Сажа или графит повышают тепло- и электропроводность пластмассы. Воздушные поры, занимающие более 90 об. %, делают пластмассу идеальным теплоизолятором.

9

elib.pstu.ru

2.Пластификаторы (10–20 мас. %) – низкомолекулярные жидкости с низкой температурой замерзания, хорошо совмещающиеся с полимерами (например, глицерин, стеарин и др.).

Пластификаторы применяются:

– для снижения температуры хрупкости пластмасс;

– придания пластмассе пластичности и эластичности;

– расширения (или создания) области высокоэластического состояния снижением температуры стеклования полимера;

– улучшения технологических свойств пластмасс снижением температуры текучести полимера.

Пластификаторы позволяют проводить переработку пластмасс

визделия при более низких температурах, что существенно улучшает не только условия работы, но и качество производимого продукта.

3.Стабилизаторы (амины, фенолы, сажа) вводятся в количестве нескольких процентов и не влияют на первоначальные свойства пластмасс. Стабилизаторы придают пластмассе устойчивость к старению – химическому разрушению полимера под действием света, тепла, кислорода, влаги, механических воздействий.

4.Отвердители – вещества (амины, органические перекиси и др.), вводимые в состав пластмасс в количестве нескольких процентов для отверждения, – образования поперечных связей между макромолекулами с получением сетчатой или пространственной структуры за счет встраивания молекул отвердителя между макромолекулами полимера.

2.2. Классификация пластмасс

Чаще всего пластмассы классифицируют по отношению к нагреву, по роду наполнителя и по назначению.

По отношению к нагреву пластмассы делят: на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопластичные пластмассы (термопласты) – пластмассы на основе термопластичных полимеров, которые после многократного нагрева (до температур, не превышающих температур дест-

10

elib.pstu.ru