Виды пластмасс и их физико-механические свойства.
Цель работы: определение некоторых физико-механических свойств термопластичных и термореактивных пластмасс.
Краткие сведения из теории.
Пластмассами (пластиками) называются твердые, прочные и упругие материалы, получаемые на основе полимерных соединений и часто формируемыми в изделия методами пластической деформации. Основу пластмасс составляют полимеры, которые определяют свойства и технологический процесс производства пластмассовых изделий. При разработке технологического процесса учитывают влияние теплоты на полимеры. По реакции на теплоту пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные.
Термопластичными пластмассами называют пластмассы, которые с повышением температуры размягчаются или плавятся, при формировании нет никаких химических изменений, по мере охлаждения затвердевают и пластически деформируются при повторном нагреве. Такие пластмассы имеют линейную или разветвленную структуру (рис. 1).
Рис. 1 Форма строения макромолекул полимеров
а- линейная; б- разветвленная; в – сетчатая, пространственная (схема).
Термореактивные полимеры и пластмассы при нагревании и формировании претерпевают существенные химические изменения, затвердевают и утрачивают способность вновь пластически деформироваться, остаются твердыми.
Линейная структура таких полимеров при нагреве необратимо преобразуется в пространственную.
Различие структур макромолекул (линейные, разветвленные, сетчатые (рис. 1)) обуславливает различие свойств полимеров. Например, линейные (полиэтилены, полиамиды и др.) и разветвленные (полиизобутилен и др.) полимеры образовывают анизотропные волокна и пленки и находятся в высокоэластичном состоянии. Редкосетчатые полимеры (резина) обладают упругостью, а густосетчатые (смолы) – повышенной хрупкостью.
По фазовому составу полимеры могут быть аморфными и кристаллическими.
Большинство полимеров содержат как аморфную, так и кристаллическую фазы.
Кристаллическую структуру имеют полимеры с макромолекулами строго регулярной линейной или редкосетчатой формы. Кристаллические полимеры имеют более высокие теплостойкость и механические свойства.
Физико-механические свойства полимеров зависят от их структуры, температуры и физического состояния. Высокая молекулярная масса полимеров способствует образованию одного из трех состояний – стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего. Полимеры в стеклообразном состоянии характеризуются пространственной структурой макромолекул, отличаются твердостью и аморфностью.
Положительными особенностями пластмасс можно считать следующие: простота технологического изготовления изделий из них, высокая устойчивость к агрессивным средам и атмосферным условиям, низкая плотность изделия, высокие теплоизоляционные и диэлектрические свойства. Некоторые пластмассы обладают сравнительно высокой прочностью, хорошими антифрикционными свойствами, износостойкостью, коррозионной стойкостью.
В ряде случаев возможно создание комбинированных деталей металл-пластмасса, при этом возможно использование положительных свойств металла (высокая жесткость и прочность) и положительных свойств пластмасс (стойкость против коррозии, антифрикционные свойства).
Недостаток пластмасс состоит в том, что они склонны к старению, т.е. самопроизвольному необратимому изменению свойств при эксплуатации и хранении в направлении их ухудшения.
В состав пластмасс входят: связующее вещество, наполнители, пластификаторы, отвердители, катализаторы, ингибиторы, красители и др.
Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.
Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель.
Наполнители влияют на свойства пластмасс, в том числе и на механические. Наполнители могут быть органическими или минеральными в виде порошков, волокон, листов (сажа, целлюлоза, асбест, очесы хлопка или льна, стекловолокно, бумага, ткани и др.). Органические наполнители повышают прочность, снижают хрупкость, но ухудшают термостойкость и водостойкость пластмасс. Минеральные наполнители повышают прочность, водостойкость, химическую активность, тепло- и электроизоляционные свойства пластмасс. Однако часто наполнители увеличивают хрупкость и плотность. Наполнители подразделяются на порошковые (карболиты), волокнистые (волокниты), слоистые (листовые).
Пластификаторы обуславливают увеличение пластичности или расширяют температурный интервал вязкотекучего состояния пластмасс. В качестве пластификаторов часто используют стеарин, олеиновую кислоту, дибутилфтолат и др.
Отвердители вводят в термореактивные пластмассы для ускорения отверждения их. Для этой цели используют амины или катализаторы (перекисные соединения).
Красители минеральные или органические обеспечивают заданный цвет пластмасс.
Стабилизаторы препятствуют старению пластмасс. В качестве стабилизатора часто используют сажу.
Парообразователи превращаются при температуре формообразования в газообразное состояние, в результате чего образуются поры в таких пластмассах, как поролон, пенополиуретан, пенополистирол и др.
Смазывающие вещества вводят для уменьшения прилипания пластмассовых изделий к металлическим частям пресс-форм.
Рассмотрим некоторые виды термореактивных пластмасс, свойства которых приведены в табл. 1.
Таблица 1
Свойства термореактивных пластмасс
|
Свойства
|
Полиэтилен |
Полипро-пилен |
Полистирол |
Фторопласт |
Органи-ческое стекло |
Вини-пласт |
Поли-амиды | |
|
3 |
4 | |||||||
|
Плотность, г/см3 |
0,92- 0,96 |
0,9 |
1,05-1,1 |
2,15-2,35 |
2,1-2,16 |
1,2 |
1,4 |
1,1-1,14 |
|
Рабочая температура, °С: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
максимальная минимальная |
+120 -70 |
+150 -15 |
+80 -20 |
+250 -270 |
+125 -195 |
+60 -60 |
+65 -40 |
+60..+110 -35 |
|
в МПа |
12....38 |
25 |
35...40 |
14...31 |
30...50 |
70 |
40...60 |
25...70 |
|
сж, МПа |
— |
60 |
100 |
20 |
50...57 |
85 |
80...160 |
70...90 |
|
изг, МПа |
12...38 |
80 |
50...100 |
13 |
60...80 |
60 |
80...120 |
18...100 |
|
Относительное удлинение, % |
150...900 |
100...400 |
0,4...3,5 |
250...350 |
200 |
2,5...4,0 |
10..50 |
250 |
|
Ударная вязкость, Дж/см2 |
не ломается |
33..80 |
10…22 |
100 |
20..160 |
12 |
50...100 |
100…130 |
Полиэтилен. Различают полиэтилен низкого (степень кристаллизации 80…90%) и высокого давления (степень кристаллизации 55…65%).
К характерным свойствам полиэтилена относят высокую химическую стойкость, хорошие диэлектрические свойства, низкую стойкость к атмосферным влияниям и к ультразвуковому облучению. Полиэтилен защищают от разрушения путем ввода стабилизаторов.
Изделия из полиэтилена получают литьем под давлением, горячим прессованием, обработкой давлением.
Полиэтилен используют для производства труб и арматуры, емкостей, пленочных материалов, изоляции высокочастотных кабелей, из волокон изготавливают канаты, спецодежду.
Полипропилен обладает многими положительными качествами, характерными для полиэтилена. Основной недостаток полипропилена - низкая морозостойкость (-10...-20)0 С.
Из полипропилена изготавливают трубы, арматуру, насосы, вентиляторы, емкости, некоторые детали машин, электроизоляционные детали.
Изделия получают литьем под давлением, экструзией (выдавливанием), склеиванием, сваркой и механической обработкой.
Полиметилметакрилат (органическое стекло).
От силикатных органические стекла отличаются низким удельным весом, упругостью, отсутствием хрупкости до -50...-600С, лучшей светопропускаемостью и более простой механической обработкой. Недостатками органических стекол является более низкая поверхностная твердость и низкая теплостойкость. Повышают прочность органических стекол, многоосным растяжением его листов при температуре на 10..150С выше температуры стеклования.
Органическое стекло используют в производстве осветительной аппаратуры, в самолетостроении, оградительных щитков на станках, в часовой и оптической промышленности. В настоящее время используют 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.
Полиамиды
Характерными свойствами являются упругость, механическая прочность, хорошие антифрикционные свойства, стойкость к маслам и бензину. Недостатками полиамидов следует считать низкую морозостойкость, низкую атмосферостойкость и резкое падение прочности при температуре выше 1000 С, влагоемкость и зависимость свойств от поглощения воды.
Наибольшее применение имеют полиамиды типа капрона, нейлона и лавсана. Полиамиды используют при изготовлении шестерен, приводных ремней, подшипников скольжения. Полиамидное волокно используют при изготовлении шинного корда, канатов, рыболовных сетей, а также для изготовления изделий, используемых как в различных отраслях техники так и в быту.
Получают изделия из полиамидов литьем под давлением, экструзией различных геометрических профилей, механической обработкой.
Упрочнение термопластов производят введением наполнителя в виде стекловолокна.
Термореактивные отверждающие пластмассы относятся к сложным пластикам (ПКМ), которые содержат наряду со связующими (смолы) и различные наполнители (порошковые, волокнистые и слоистые).
Поэтому в зависимости от вида наполнителя отверждающие пластмассы подразделяются на пресс-порошки, волокнистые и слоистые пластики.
Изделия из пресс-порошков получают сочетанием фенолформальдегидных смол с любым порошковым наполнителем. В качестве наполнителей в изделиях общетехнического назначения применяют древесную муку.
Из пресс-порошков изготавливают корпуса и крышки приборов, детали эксплуатирующие при повышенных температурах и в условиях повышенной влажности, но не испытывающих динамических нагрузок.
Изделия из волокнитов относятся к классу ПКМ и представляют собой сочетание отверждающей смолы с каким-либо волокнистым наполнителем (хлопчатобумажные очесы, асбестовые волокна, стекловолокно). Изделия из волокнитов используют для изготовления нагруженных деталей, работающих при температуре 100..1200 С. Волокниты отличаются высокой ударной прочностью.
Слоистые пластические массы.
На основе фенолформальдегидной смолы изготавливают пластики в виде листов, плит, труб, дисков и т.д. В качестве наполнителя применяют текстильную ткань (текстолит), асбестовая ткань (асботекстолит), бумага (гетинакс), древесный шпон (древеснослоистые пластики - ДСП, стеклянное волокно (стеклотекстолит). Слоистые пластики имеют широкое применение. Например, ДСП используют, как строительный материал (заменяющие доски), изготавливают подшипники и др.
Из текстолитов изготавливают детали машин, шестерни, подшипники, обладающие высокой прочностью и износостойкостью. Текстолит часто используют в качестве электроизоляционного материала.
Гетинакс используется как электроизоляционный материал при температуре от -60... до +700 С.
Механические свойства некоторых слоистых пластиков представлены в табл. 2.
Таблица 2
Свойства фенопластов
|
Свойства
|
Фенопласты с наполнителем | ||||
|
порошковым |
волокнистым |
слоистым | |||
|
фенопласты (карболиты) |
волокнит
|
гетинакс
|
текстолит
|
ДСП
| |
|
Плотность, г/см3 |
1,4
|
1,35...1,45
|
1,3...1,45
|
1,3...1,4
|
1,3...1,4
|
|
Теплостойкость по Мартенсу,0С |
120...128 |
127...153 |
150...160 |
120...125 |
180 |
|
в , МПа |
30...60 |
30...35 |
60...160 |
65...100 |
130...300 |
|
сж, МПа |
150...190 |
80... 150 |
160...290 |
120...250 |
100...180 |
|
изг, МПа |
5...7,27 |
5...8 |
6...10 |
12...16 |
14...28 |
|
Модуль упругости Е, МПа |
7000...9000 |
8500 |
10 800... 18000 |
6500...10 000 |
30000 |
|
Ударная вяз-кость, Дж/см2 |
40...60 |
90... 104 |
80...200 |
350 |
170...180 |
Порядок выполнения работы.
1. Изучить теоретический материал.
2. Получить образцы различных пластмасс у преподавателя и
а) определить твердость по Бринеллю;
б) оценить на примере полиэтилена влияние степени кристалличности на свойства термопластов;
в) сравнить физико-механические свойства пластмасс со свойствами металлов, приведенными в справочнике.
Содержание отчета.
В отчете следует указать цель работы. Дать краткую характеристику полимеров. Написать отчет по работе и сделать вывод.
Контрольные вопросы.
1. В каких областях техники используют пластмассы?
2. Чем отличаются природные полимеры от пластмасс?
3. В чем различие термопластичных и термореактивных пластмасс?
4. С какой целью используют наполнители при производстве термореактивных пластмасс?
5. От каких факторов зависит физико-механические свойства пластмасс?
6. Назовите, какие материалы используют в качестве наполнителей, отвердителей и стабилизаторов?
СОДЕРЖАНИЕ
|
Лабораторная работа №1…………………………………………… |
3 |
|
Лабораторная работа №2…………………………………………… |
16 |
|
Лабораторная работа №3…………………………………………… |
20 |
|
Лабораторная работа №4…………………………………………… |
35 |
|
Лабораторная работа №5…………………………………………… |
46 |
|
Лабораторная работа №6…………………………………………… |
56 |
|
Лабораторная работа №7…………………………………………… |
65 |
|
Лабораторная работа №8…………………………………………… |
72 |
|
Лабораторная работа №9…………………………………………… |
76 |
|
Лабораторная работа №10………………………………………….. |
82 |
|
Лабораторная работа №11………………………………………….. |
87 |
|
Лабораторная работа №12…………………………………………. |
99 |
|
Лабораторная работа №13………………………………………….. |
111 |