Лабораторная работа № 4 Изучение пластических масс (Продолжительность лабораторной работы 2 ч;

домашняя подготовка ─ 4 ч)

1. Введение

Пластмассами (пластиками) называются твердые, прочные и упругие материалы, получаемые на основе полимерных соединений и чаще всего формуемых в изделия методами, основанными на использовании их пластических деформаций. Свойства полимеров, являющихся основой пластмасс, определяют свойства и технологический процесс производства пластмассовых изделий. Пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные по реакции на теплоту. К термопластичным пластмассам относятся пластмассы с линейной или разветвленной структурой полимеров, свойства которых обратимо изменяются при многократном нагревании и охлаждении.

Пластмассы могут быть простые, представляющие собой чистые полимеры, и сложные, в состав которых помимо полимера могут быть введены наполнители, пластификаторы, красители и другие добавки различного назначения.

В зависимости от методов переработки пластмассы разделяются на литьевые (обычно термопласты), штамповочные (листовые термопласты), прессовочные (преимущественно термореактивные пластмассы).

По типу применяемых наполнителей пластмассы подразделяются на пресс-порошки, волокнистые (волокниты) и слоистые пластики.

Основными положительными особенностями пластмасс являются простота технологического процесса изготовления изделий из них, высокая устойчивость к агрессивным средам и атмосферным условиям, низкий удельный вес изделия, высокие диэлектрические и теплоизоляционные свойства. В ряде случаев пластмассы обладают хорошей механической прочностью, антифрикционными свойствами, износостойкостью, коррозионной стойкостью.

Изделия из пластмасс, как правило, отличаются высоким декоративным эффектом.

II. Краткие прикладные и теоретические сведения по изучаемым вопросам

ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ. Полиэтилен. Различают полиэтилен низкого (степень кристаллизации 80...90%) и высокого давления (степень кристаллизации 55...65 %).

Характерные свойства: высокая химическая стойкость, хорошие диэлектрические свойства, низкая стойкость к атмосферным влияниям и к ультразвуковому облучению. [Для защиты от деструкции в полиэтилен вводят стабилизаторы].

Области применения: трубы и арматура, емкости, пленочные материалы, изоляции высокочастотных кабелей; из волокон изготовляют канаты, спецодежду.

Способы переработки: литье под давлением, горячее прессование, сварка, склейка, обработка давлением.

Полипропилен. Характерные свойства. Полипропилен обладает многими положительными качествами, присущими полиэтилену, и в меньшей степени его недостатками. Это, объясняется большим молекулярным весом и большей степенью кристалличности структуры полипропилена. Основной недостаток полипропилена — низкая морозостойкость. На базе полиэтилена и полипропилена производят сополимеры, сочетающие в себе положительные свойства обоих материалов (высокая стойкость в атмосфере, теплостойкость и морозостойкость).

Области применения: трубы, арматура, насосы, вентиляторы, емкости, мелкие детали машин, электроизоляционные детали.

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

Политрифторхлорэтилен (фторопласт-3). Характерные свойства: высокая химическая теплостойкость, очень хорошие электроизоляционные свойства, охрупчивание при температуре выше 120 °С и интервал рабочих температур от —105 до +70 °С.

Области применения: электроизоляционные детали для высоких температур, коррозионно-стойкие детали типа труб, мембран, покрытия металлов.

Политетрафторэтилен (фторопласт-4). Характерные свойства: исключительная стойкость к действию любых растворителей, отличные электроизоляционные и диэлектрические свойства, низкий коэффициент трения. Область рабочих температур от —200 до +260 °С. Недостатки: низкая твердость, склонность к ползучести.

Области применения: уплотнительные детали, химически стойкие детали и покрытия, пленки, волокна, тканевые материалы, подшипники, не требующие смазки, электро- и радиотехнические детали.

Способы переработки: спекание отпрессованных профилен, механическая обработка.

Поливинилхлорид. Из поливинилхлорида изготовляют две разновидности пластмасс: винипласт и пластикат.

Характерные свойства: винипласт имеет высокую механическую прочность, стоек против воздействия почти всех минеральных кислот, щелочей и растворов солей. Недостатки:

склонность к ползучести, набухаемость в воде, низкая ударная вязкость, малая теплостойкость, резкая зависимость свойств от температуры и большой коэффициент теплового расширения. Пластикат менее химически стоек, чем винипласт.

Области применения: из винипласта изготовляют трубы, детали арматуры, емкости для хранения химикатов. В машиностроении винипласт используется в качестве корпусных материалов в сложных конструкциях, изготовляемых методом сварки. Пластифицированный пластикат используется в качестве корпусных материалов в сложных конструкциях, изготовляемых методом сварки, для приводных ремней, армированных тканью, транспортных лент, уплотнения штоков насосов и компрессоров, бытовых изделий в качестве заменителя кожи, для изготовления линолеума, пленки.

Способы переработки: экструзия, прокатывание, прессование, литьевое прессование, горячее формование полуфабрикатов давлением, литье под давлением, механическая обработка, сварка.

Полиметилметакрилат (органическое стекло). Характерные свойства: от силикатных стекол органические стекла отличаются низким удельным весом, упругостью, отсутствием хрупкости вплоть до —50...60 °С, более высокой светопрозрачностью, легкой формуемостью и простотой механической обработки. Недостатками органических стекол являются низкая поверхностная твердость и низкая теплостойкость. Повысить прочностные свойства органических стекол можно многоосным растяжением его листов при температурах на 10...15°С выше температуры стеклования.

Области применения: органическое стекло используется в производстве осветительной аппаратуры, в остеклении самолетов и автомобилей, оградительных щитков на станках, в часовой и оптической промышленности и пр. В настоящее время разработаны новые полиакриловые материалы (петралиты), которые по сравнению с полиметилметакрилатом имеют большую теплостойкость, прочность и твердость при повышенной температуре.

К петралитам относятся метралит, авиалит и фокалит. Области использования их аналогичны органическому стеклу. Полиакрилаты используются для прозрачных ограждений технических устройств, что способствует улучшению техники безопасности, повышению производительности труда (облегчается контроль за течением технологических процессов).

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

Полиамиды. Характерные свойства: высокая упругость, механическая прочность, низкий коэффициент трения, стойкость к маслам и бензину. Недостатками полиамидов являются низкая морозостойкость, отсутствие стойкости к растворам кислот и окислителей, малая атмосферостойкость и резкое падение прочности при температуре выше 100 °С, влагоемкость и зависимость свойств от поглощения воды.

Области применения: наибольшее применение имеют полиамиды типа капрона, нейлона, лавсана. Полиамиды используются при производстве высокопрочных волокон, пленок, для изготовления деталей приборо- и машиностроения. Из полиамидов изготовляют шестерни, приводные ремни, подшипники. Полиамидное волокно идет на изготовление шинного корда, канатов, рыболовных сетей, а также находит широкое применение при изготовлении изделий широкого потребления.

Способы переработки: литье под давлением, экструзия профилей, выдувание, механическая обработка, сваривание.

Для упрочнения термопластов используются наполнители в виде стекловолокна.

ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ ПЛАСТМАССЫ. Пластические массы на основе термореактивных полимеров (реактопласты) отличаются от термопластов практически полным отсутствием хладотекучести под нагрузкой, повышенной теплостойкостью, нерастворимостью, малой набухаемостью, постоянством физико-механических свойств в температурном интервале их эксплуатации. Отверждающиеся пластические массы, как правило, относятся к сложным пластмассам (ПКМ), которые в своем составе наряду со связующими (смолы) имеют различные наполнители: порошковые, волокнистые или слоистые.

В зависимости от характера наполнителя отверждающие пластмассы подразделяются на пресс-порошки, волокнистые и слоистые пластики.

Изделия из пресс-порошков. Фенолформальдегидные смолы сочетаются с любым порошковым наполнителем. В качестве наполнителей в изделиях общетехнического назначения применяют древесную муку. Для получения изделий, обладающих высокой термостойкостью, применяют асбестовую муку. Повышение водостойкости и диэлектрических свойств достигается кварцевой мукой. Для снижения хрупкости изделий на основе фенолформальдегидной смолы ее смешивают с полиамидами или с синтетическим каучуком.

Из пресс-порошков изготовляют корпуса и крышки приборов, детали, предназначенные для работы при повышенных температурах или в условиях высокой влажности, но сравнительно малонагруженные, особенно динамическими нагрузками.

Изделия из волокнитов. Волокниты относятся к классу ПКМ и представляют собой сочетание отверждающейся смолы с каким-либо волокнистым наполнителем (хлопчатобумажные очесы, асбестовые волокна, стекловолокно). Изделия из волокнитов используются для нагруженных деталей, работающих при температурах до 100...120 °С. Волокниты отличаются высокой ударной прочностью. Асбестоволокниты имеют высокие электроизоляционные свойства при повышенных температурах и используются для изготовления электроизоляционных изделий (детали коллекторов и контактных панелей). Вальцованные в виде листов асбестоволокниты применяют в качестве теплозащитного покрытия или кислотоупорного материала для обкладки разных изделий (баки, трубы, реакторы). Замена фенолформальдегидной смолы в асбестоволокнитах на полисилоксаны значительно повышает термостойкость асбестоволокнита и из такого материала изготовляют электроизоляционные изделия, работающие при температурах 200...300 °С.

Слоистые пластические массы. На основе фенолформальдегидной смолы изготовляют пластики в виде листов, плит, труб, дисков и т. д. В качестве наполнителя применяются текстильная ткань (текстолит), асбестовая ткань (асботекстолит), бумага (гетинакс), древесный шпон (древеснослоистые пластики— ДСП), стеклянное волокно (стеклотекстолит). Слоистые пластики имеют очень широкое применение; ДСП, например, применяют для изготовления шлюпок, деталей катеров. Из ДСП изготовляют также подшипники, шестерни, опорные рамы.

Изделия из текстолитов — детали машин, шестерни, подшипники — обладают высокой прочностью и износостойкостью. Текстолит используют также как электроизоляционный материал. Гетинакс используется как электроизоляционный материал при температуре от —60 до +70 °С. Особенно широкое применение имеют стеклотекстолиты.

Полиэпоксидные соединения. При взаимодействии соединений, содержащих эпоксигруппы с многоатомными фенолами, в щелочной среде образуется полиэпоксидная смола, имеющая линейное строение.

При нагревании и на холоде при взаимодействии с отвердителями образуются полимеры с пространственной структурой с разной молекулярной массой. В зависимости от молекулярной массы смолы могут быть твердые и жидкие (ЭД-5, ЭД-6, ЭД-13 и др.). Эпоксидные смолы допускают высокую степень наполнения (до 50%) различными наполнителями (кварц, стекло, стекловолокно, тальк, асбест и т. п.) с сохранением высоких механических и химических свойств.

Из смол изготовляют штампы холодной вытяжки, пресс-формы, литейные модели, стержневые ящики и другие инструменты и оснастку, а также фасонные изделия.

Обладая высокими адгезионными свойствами ко многим материалам, прочностью и химической стойкостью против растворителей, щелочей, кислот и других агрессивных сред, эпоксидные смолы используются для изготовления лакокрасочных материалов и различных клеев. Эпоксидные смолы обладают хорошими электроизоляционными свойствами и широко используются в электротехнике.

Кремнийорганические соединения и некоторые другие полимерные материалы. В промышленности находят применение различные Кремнийорганические соединения, свойства которых сильно зависят от средней молекулярной массы и структуры макромолекул. Эти полимеры со степенью полимеризации 20... 30 являются вязкими жидкостями, которые обладают большой сжимаемостью и поэтому широко используются в качестве амортизаторов, смазочных масел с низкой температурой замерзания. Полимеры со степенью полимеризации 800...1500 используют при получении лаков и пластмасс, а со степенью полимеризации 10 000...30 000—для получения каучуков. Пластмассы на основе кремнийорганических смол мало изменяют свои свойства при температурах от —60 до +250 °С и даже до +550 °С.

Наибольшее применение для изготовления пластмасс находят полиметилсилоксаны, полиэтил- и полифенилсилоксаны. В качестве наполнителей применяются асбестовые и стеклянные волокна, металлические порошки, кварцевая мука и другие добавки. Они применяются для изготовления электрического оборудования и приборов, выдерживающих кратковременные нагревы до 2000...3000 °С. Особенность этих материалов — дугостойкость (стойкость против действия электрической дуги), химическая и водостойкость.

Для получения высокотеплостойких материалов применяются элементоорганические соединения, содержащие фосфор, алюминий и другие сополимеры, блок- и привитые полимеры, обладающие весьма высокими комплексами свойств.

Высокопрочные конструкционные материалы — стеклопласты. Стеклопласты — материалы, получаемые на основе синтетических полимеров, образующих пространственную структуру. В качестве наполнителей используются стеклянные волокна, стеклянное полотно. Механические свойства некоторых стеклопластов приведены в табл. 14.3. Стеклопласты на основе кремнийорганических смол не теряют своей прочности при 250 °С, выдерживают нагрев до 270 °С в течение 1...2 мин; более стойки, чем стали, в кислородно-ацетиленовом пламени в течение 1 мин. Из стеклопластов изготовляют направляющие лопатки компрессоров авиационных и ракетных двигателей, пуленепробиваемую броню, корпуса катеров, лодок, кузова автомашин, самолетов, трубы и емкости для агрессивных жидкостей. Стеклопластики используются в качестве защитных жаростойких покрытий при температурах до 10000°С. В частности, сопла ракет работают очень ограниченное время (15...20 с) при 3200...4400 °С, а температура поверхности ракеты при возвращении в земную атмосферу при скорости 7 км/с составляет 11 000...16 000 °С. Применять в этих условиях такие огнеупорные материалы, как графит или керамика, не представляется возможным, так как графит сгорает, керамика растрескивается. Металлы же при этих температурах моментально расплавляются.

В этих условиях полимерные материалы проявили себя с совершенно неожиданной стороны — оказались пригодными в качестве жаростойких покрытий. Это объясняется тем, что полимеры имеют очень низкую теплопроводность и при кратковременном нагреве только обугливаются с поверхности, внутренние же слои остаются неповрежденными. Исследования показали, что при 2500...2800 °С наибольшей жаростойкостью обладают фенопласты с волокнистым стеклянным или нейлоновым наполнителем. Меньшей жаростойкостью обладают силиконовые или эпоксидные смолы с теми же наполнителями. Роль наполнителя в таких покрытиях сводится к предотвращению растрескивания полимера при большой скорости изменения температуры.

Из фенопластов изготовляются ряд футеровок и также детали ракет (сопла, футеровки камеры сгорания и выхлопных каналов, газовые рули, облицовка корпуса двигателя, носовая часть ракеты).

Для наглядности на рис. 1 приведены сравнительные характеристики удельной прочности различных материалов.

Газонаполненные полимерные материалы. Эти материалы подразделяются на пенопласты, у которых микроскопические ячейки, заполненные газом, не сообщаются между собой (плотность до 300 кг/м³), и поропласты, у которых ячейки соединяются между собой (плотность более 300 кг/м³).

Эти материалы отличаются высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами и находят применение в строительстве, холодильной и химической технике, в судо- и самолетостроении, а также для изготовления лодок, поплавков, понтонов, спасательных средств.

Для повышения механических свойств производят армирование газонаполненных пластмасс металлическими листами или листами на более прочных пластических массах.

Изготовление деталей из пластмасс производится на специальном оборудовании. После предварительных операций смешения, таблетирования, сушки производят механическую обработку, сваривают, склеивают, окрашивают, металлизируют. Термопласты перерабатывают литьем под давлением, прямым прессованием, экструзией и обрабатывают различными способами. Реактопласты перерабатывают прямым литьевым прессованием и литьем под давлением, обрабатывают механическим путем, склеиванием и иногда химической сваркой.

Рассмотрим кратко основные методы изготовления изделий из пластмасс. Реактопласты прессуют в пресс-формах прямым или литьевым способом. Схема прямого способа показана на рис. 2. При этом способе материал в виде таблеток, порошка или волокнистой массы закладывается в нагретую загрузочную камеру матрицы 2. С помощью пуансона 1 к нему прикладывается давление, материал размягчается и за счет теплоты форма уплотняется, заполняет всю оформляющую полость 3 и затем отверждается и выталкивается с помощью штока 4.

При литьевом прессовании материал в пресс-форме в отдельной камере сначала разогревается, а затем через литниковые каналы выдавливается в оформительную камеру. Прямое прессование применяется для относительно несложных деталей, литьевое — для небольших деталей сложной конфигурации с повышенной точностью размеров.

Литье под давлением реактопластов проводится на литьевых машинах различных типов. Схема литья под давлением пластмасс с использованием червячной пластикации показана на рис. 3. Реактопласт в виде порошка или гранул поступает из бункера 4 в цилиндр 5, стенки которого обогреваются до 50—100 °С (подогреватель 2). После пластикации материал перемещается червяком 3 вперед, где накапливается определенная доза материала, и затем при поступательном движении червяка впрыскивается через сопло 6 в форму 1, нагретую до 130 — 250 °С. По окончании отверждения материала форма раскрывается и готовая деталь 7 выталкивается толкателем. Литье под давлением термопластов в общих чертах соответствует литью реактопластов, но в период формования термопластов литьевая форма охлаждается.

Переработка термопластичных материалов экструзией осуществляется на специальных машинах — экструдерах (червячных прессах). Детали или полуфабрикаты получаются путем непрерывного выдавливания материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, через отверстия определенного сечения. Выдавливаемые заготовки проходят через калибрующие, охлаждающие и приемные устройства. Экструзией перерабатывают большинство термопластов, из которых получают профильные изделия, трубы, пленки, листы, кабельную изоляцию.