Глава 9. Неметаллические материалы

151

Рис. 9.4. Влияние температуры / и скорости приложения нагрузки W

на характер кривых растяжения для аморфного полимера:

a - tl<t2<t3;6-W]>W2>}V3

Долговечность полимеров и пластмасс понижается сростом на­пряжения или температуры эксплуатации.

Полимеры обладают также способностью к релаксации механиче­ских напряжений. Вследствие специфики строения в полимерах под нагрузкой происходят структурные изменения, приводящие к посте­пенному снижению напряжений в материале. Время релаксации в за­висимости от природы полимера и условий приложения нагрузки со­ставляет от нескольких минут до нескольких месяцев и даже лет.

К недостаткам полимеров и пластмасс относится их склонность к старению. Под старением понимают самопроизвольные изменения (снижения) свойств материалов в процессе хранения и эксплуатации.

9.3. Пластмассы и полимерные композиционные материалы

Пластмассами называют синтетические материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих и специальных напол­нителей. Они способны формоваться при определенных температуре И давлении, в результате чего изделиям придается заданная форма.

Полимерными композиционными материалами (ПКМ) называются материалы с полимерной матрицей и армирующим волокнистым на­полнителем. Они имеют низкую плотность, высокую удельную проч-

ность и жесткость, стабильные свойства в широком интервале темпе­ратур. Свойства ПКМ определяются свойствами их компонентов, их соотношением, характером взаимодействия на границе матрица - армирующий элемент (наполнитель) и технологией изготовления.

9.3.1. Состав и классификация пластмасс

-

Пластмассы разделяют на простые и сложные. Простые пластмассы представляют собой чистые полимеры, например полиэтилен, органи­ческие стекла и др. Сложные пластмассы состоят из связующего веще­ства, наполнителя, отвердителя, ингибитора, пластификатора, краси­теля и смазывающих добавок.

В качестве связующего вещества используют синтетические смолы и эфиры целлюлозы. По виду связующего все пластмассы подразде­ляют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реак-топласты). Термопласты отличаются высокотехнологичностью и не­большой усадкой при формовке, обладают значительной эластично­стью и не склонны к хрупкому разрушению. Реактопласты хрупкие и дают большую усадку, поэтому использование в них наполнителя обязательно.

Наполнитель вводят с целью снижения стоимости и обеспечения заданных свойств материала, в первую очередь прочностных. К наи­более распространенным наполнителям относятся древесная или ми­неральная мука (порошковые наполнители), асбестовое, хлопчатобу­мажное или другое органическое волокно (волокниты). Полимеры с наполнителем - стекловолокном называют стекловолокнитами, листами бумаги - гетинаксами, тканью - текстолитами.

Пластификатор повышает пластичность пластмасс. В качестве пластификаторов применяют эфиры многоатомных спиртов и много-основных кислот. Отвердители (инициаторы, активаторы) ускоряют, а ингибиторы замедляют переход термоактивных смол в неплавкое состояние или термопластичных - в твердое. Смазывающие добавки повышают текучесть материала при переработке и предупреждают прилипание изделия к формообразующей оснастке.

Термопласты делят на неполярные и полярные. К первым относят­ся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4, ко вто­рым -- органическое стекло, фторопласт-3, поливинилхлорид, поли­амиды, полиуретаны, поликарбонаты, полиформальдегид и др.

Полиэтилен в зависимости от способа полимеризации и достигае­мой плотности подразделяют на полиэтилены низкого и высокого давления, отличающиеся степенью разветвления молекул (она выше у полиэтилена высокого давления), а также молекулярной массой и степенью кристалличности. Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше его прочность, ударная вязкость, относитель­ное удлинение и теплостойкость. Газопроницаемость полиэтилена высокого давления выше в 4...8 раз, а химическая стойкость ниже, чем у полиэтилена низкого давления. При нагреве на воздухе (290 °С) подвергается термодеструкции (разложению), под влиянием сол­нечной радиации - термостарению. Полиэтилен перерабатывается литьем под давлением, прессованием, сваривается и поддается меха­нической обработке. Из него изготавливают кислотостойкие трубы, краны, пленки и различную арматуру. Обладает высокими диэлектри­ческими свойствами и служит в качестве защитных покрытий от кор­розии.

Полипропилен обладает высокой стойкостью к многократным из­гибам, износостойкостью, стойкостью к агрессивным средам. Явля­ется сырьем для получения эластичных и устойчивых к кислотам и щелочам волокон. Из пропилена литьем под давлением, экструзией, прессованием, сваркой, раздувом изготавливают пленки, трубы, де­тали холодильников, мотоциклов и автомобилей. Его недостатками являются невысокая морозостойкость (до -20 °С).

Из полистирола литьем под давлением, экструзией, вакуум- и пнев-моформированием получают нити, пленочные материалы, различные легко нагруженные фасонные изделия. Высокие диэлектрические свойства позволяют применять его в радиотехнике и электронике. Полистирол - хрупкий полимер, обладает высокой радиационной стойкостью, подвергается старению, разрушается кислотами, набуха­ет в бензине и керосине. Его недостатками являются невысокая теп­лостойкость и склонность к трещинообразованию.

Фторопласт-4 - линейный полимер аморфно-кристаллического строения. Наиболее химически стоек из всех полимеров, обладает низким коэффициентом трения и свойствами самосмазки, относи­тельно мягок, хрупок при низких температурах (-27 °С). Он пере­рабатывается спеканием предварительно спрессованных изделий. Подвергается закалке. При переработке степень кристалличности снижается до 45...85 %. Из фторопласта-4 изготавливают подшипники, уплотнительные элементы и химически стойкие детали: трубы, кра­ны, вентили, мембраны и т. д.

Фторопласт-3 уступает по химической стойкости фторопласту-4, но превосходит другие полимеры. Он может работать при температу­рах не выше 70 °С. Его применяют для изготовления деталей насосов, счетчиков, клапанов, мембран и диафрагм.

Органическое стекло имеет аморфную структуру. Марки стекол оп­ределяются химическим составом и свойствами. А-стекла (высоко­щелочные) прозрачны, используются для производства емкостей и листового стекла. С-стекла (натрийборсиликатные) химически стой­кие, их применяют в химической промышленности. Е-стекла (алю-моборсиликатные) идут на изготовление текстильного стекловолокна. S-стекла (магнийалюмосиликатные) высокопрочные, их применяют в самолетостроении и ракетостроении. L-стекла (свинцовые) приме­няют для радиационной зашиты.

Из чистой поливинилхлоридной смолы со стабилизаторами полу­чают винипласт - аморфный полимер. Для винипласта характерна повышенная жесткость и высокая механическая прочность. Этот ма­териал хорошо обрабатывается, сваривается и склеивается; не под­держивает горение; химически стоек. Из винипласта изготавливают детали запорной арматуры, используемой в химической промышлен­ности, и элементы крупных вентиляционных систем в помещениях с агрессивной средой. Кроме винипласта из поливинилхлорида полу­чают поливинилхлоридный пластикат, который в основном использует­ся для изготовления бытовых изделий и в качестве заменителя кожи.

Полиамиды характеризуются высокой усталостной прочностью, сопротивлением к истиранию и ударным нагрузкам, низкой гигро­скопичностью, стабильностью свойств при повышенных температу­рах. Перерабатываются литьем под давлением, экструзией, прессова­нием, поддаются механической обработке. К полиамидам относят капрон, нейлон, фенилон. Из полиамидов изготавливают делали узлов трения, втулки, подшипники, шестерни зубчатых передач. Капрон применяется в авиа- и судостроении. Капроновые волокна использу­ются при изготовлении сетей, строп и т. д. Нейлон обладает более вы­сокой теплостойкостью и износостойкостью по сравнению с капро­ном. Используется для производства синтетического волокна.

Свойства полиамидов стабильны до 300 °С. Они являются диэлек­триками. Имеют стабильность при высоких температурах. Обладают низким коэффициентом трения. Перерабатываются литьем под дав­лением и прессованием.

Поликарбонат оптически прозрачен, обладает низкой гигроско-; пичностью, сохраняет прочность до 200 °С. Перерабатывается холод­ной штамповкой, прокаткой, сваркой, механической обработкой. Из него изготавливают подшипники, шестерни, медицинское оборудо­вание, радиодетали.

Пластмассы с волокнистыми наполнителями - волокнистые компо­зиционные материалы - обладают анизотропией механических свойств. Степень анизотропности определяется длиной волокон и распределе­нием наполнителя. Различают следующие их виды: волокниты, асбо-волокниты и стекловолокниты. В качестве связующего используют фенолформальдегидные смолы, а наполнителем являются очесы хлоп­ка, волокна асбеста и стекловолокно. Волокнистые пластмассы отли­чаются повышенными теплостойкостью (до 280 °С) и ударной вязко­стью (25... 150 кДж/м2). Их применяют для изготовления фланцев, шкивов, втулок. Из стекловолокнитов изготавливают детали с резь­бой и электромеханические силовые элементы.

Стеклонаполненные термопласты представляют собой армирован­ные композиционные материалы, состоящие из расплавленного ком­паунда, коротких стекловолокон (а Также углеграфитовых, арамид^ ных, асбестовых и Других волокон) и наполнителей (слюда, тальк, стеклосферы, кремний, песок и т. д.). Подшипники скольжения, зуб­чатые колеса, панели приборов, детали транспортных средств из стек-лонаполненных термопластов изготавливают экструзией и литьем под давлением.

Стеклопластики относят к ОКМ на основе термопластичных и тер­мореактивных связующих, армированных стекловолокнами, стек­лотканью, пряжей. Они обладают высокой удельной прочностью и жесткостью, усталостной прочностью, особыми химическими, тепло­изолирующими, электрическими свойствами. Детали из них изготав­ливают штамповкой, формовкой с нагревом, литьем под давлением. Широко применяются в различных отраслях промышленности и тех­нике. Из них изготавливают армированные сэндвичевые конструк­ции в самолетостроении и судостроении.

Термореактивные пластмассы. В термореактивных пластмассах свя­зующим веществом являются термореактивные смолы (фенолофор-мальдегидные, эпоксидные и кремнийорганические), а также нена­сыщенные полиэфирные и полибутановые смолы. Термореактивные пластмассы с учетом структурного, состояния используемого напол­нителя делят на порошковые, волокнистые и листовые.

В качестве наполнителей для порошковых пластмасс используют древесную муку, графит, кварц, слюду. Однородное распределение по­рошка в связующей массе обеспечивает высокую степень изотропно­сти структуры и механических свойств пластмасс. Прочность и пла­стичность их невысокие: временное сопротивление 30 МПа^ предел прочности при изгибе 60 МПа, ударная вязкость 4...6 кДж/м2. Пласт­массы с минеральными наполнителями обладают химической стойко­стью и повышенными электроизоляционными свойствами. Материа­лы на эпоксидной основе используются для «залечивания» отливок и восстановления изношенных деталей при изготовлении инструмен­тальной и литейной оснастки.

К слоистым пластмассам относятся текстолит, гетинакс, асботек-столит, стеклотекстолит и древесно-слоистый пластик (ДСП). В тек­столите наполнителем служит хлопчатобумажная ткань. Текстолиты хорошо гасят вибрации и не подвержены раскалыванию, являются отличным материалом для слабонагруженных подшипников и зубча­тых колес. В гетинаксе наполнителем служит бумага, и он использует­ся в качестве электротехнического и декоративного (облицовочного) материала. Стеклотекстолиты в зависимости от природы связующего обладают разнообразными свойствами. Древесно-слоистые пластики с наполнителем из листов древесного шпона имеют хорошие механи­ческие свойства и отличаются низким коэффициентом трения.

Фенолоформальдегидные смолы обеспечивают повышенную теп­лостойкость и электроизоляционные свойства, кремнийорганические смолы - повышенные морозостойкость и химическую стойкость, эпоксидные смолы - высокие механические свойства. Они служат связующим при изготовлении волокнистыхреактопластов, например боропластиков (ПКМ, упрочненных борными волокнами), углепла­стиков (ПКМ, упрочненных арамидными волокнами). Детали из по­лимерных композиционных материалов применяют в авиации, воен­ной технике, судостроении, автомобилестроении.

Газонаполненные пластмассы. Легкие и сверхлегкие газонаполнен­ные пластмассы представляют особый класс материалов, состоящих из твердой и газообразной фаз. Такая особенность строения материа­ла обусловливает его высокие теплозвукоизоляционные характери­стики. По структуре газонаполненные пластмассы делят на пенопла-сты, поропласты и сотопласты.

Пенопласты имеют ячеистую структуру, в которой микрообъемы газообразного наполнителя изолированы друг от друга тонкой пленкой связующего. В поропластах формируется открытая пористая структура. Сотопласты изготавливают из гофрированных листов, которые склеи­ваются в виде сот.

Рабочие характеристики газонаполненных пластмасс (указаны нижние и верхние пределы): кажущаяся плотность 25...300 кг/м3; рабо­чая температура -60...300 °С; временное сопротивление 0,1...4,5 МПа; предел прочности при изгибе - 0,5...7,0 МПа; ударная вязкость - 0,2...1,9кДж/м2.

Газонаполненные пластмассы используются для теплоизоляции хо­лодильников, трубопроводов, кабин и салонов транспортных средств. Их применяют в строительстве, в радиоэлектронной и других отраслях промышленности.