Глава 19 Пластические массы

19.1. Классификация пластмасс и способов их переработки

Неметаллические материалы – пластические массы (пластмассы), резину, стекло, древесину и др. применяют почти во всех отраслях промышленности. Широкое внедрение неметаллических материалов в машиностроении и приборостроении обусловлено их ценными специфическими свойствами.

Пластмассы характеризуются малой плотностью и относительно высокой механической прочностью, высокой химической и коррозионной стойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами. Благодаря своим ценным свойствам пластмассы используют в машиностроении и приборостроении не как заменители черных и цветных металлов, а как самостоятельные машиностроительные материалы. Применением их достигается экономия большого количества дорогостоящих цветных металлов, повышение стойкости деталей, работающих на трение и изнашивание в агрессивных средах, снижение массы изделий и машин, уменьшение трудоемкости изготовления деталей.

Важным преимуществом технологического процесса переработки пластмасс является возможность совмещения процесса получения исходного материала с заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, формообразовании заготовки и получения готовой продукции. Конечный продукт переработки пластмасс в машиностроении, как правило, называют деталью, хотя в отдельных случаях применяют дополнительную обработку (зачистку заусенцев, обработку резанием и др.). При переработке пластмасс на специализированных заводах конечный продукт называют также изделием. Процесс изготовления пластмассовых деталей (изделий) характеризуется высоким коэффициентом использования материала (0,85÷0,95), малой трудоемкостью, высокой механизацией и автоматизацией.

К пластмассам относят неметаллические материалы, представляющие собой сложные композиции высокомолекулярных соединений. Они характеризуются значительной молекулярной массой, то есть состоят из очень больших молекул, именуемых макромолекулами. По геометрической структуре макромолекулы разделяют на линейные, разветвленные и пространственные (сшитые).

В зависимости от расположения и взаимосвязи макромолекул полимеры могут находиться в аморфном и кристаллическом состояниях. Наличие кристаллической фазы у полимеров оказывает большое влияние на их физико-механические свойства. Так, при переходе полимера из аморфного в кристаллическое состояние повышается его прочность, теплостойкость. Существенное влияние на полимерные материалы оказывает воздействие на них теплоты.

Под действием теплоты аморфные полимеры можно перевести из твердого (стеклообразного) состояния в высоко эластическое и вязко-текучее состояние.

Пластмассы в зависимости от поведения при повышенных температурах подразделяют на две основные группы: термопластичные полимеры (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопласты (полиэтилен, капрон, винипласт, полистирол, фторопласт, органическое стекло и др.) размягчаются и плавятся при повышении температуры и вновь затвердевают при охлаждении. Переход термопластов из твердого или высокоэластического состояния в вязко-текучее и обратно может происходить неоднократно без изменения их химического состава, что имеет решающее значение при выборе способов переработки термопластов.

Реактопласты (текстолиты, пресс-материалы, стеклопластики и др.) при нагревании легко переходят в вязко-текучее состояние, но с увеличением продолжительности действия повышенных температур в результате химической реакции переходят в твердое нерастворимое состояние. Отвердевшие реактопласты нельзя повторным нагревом вновь перевести в вязко-текучее состояние. Термореактивные смолы (полиэфирная, эпоксидная) относятся к самотвердеющих при комнатной температуре. При введении небольшого количества отвердителя они переходят в твердое необратимое состояние. Это также оказывает влияние на технологию получения пластмассовых деталей.

Пластмассы разделяют на жесткие, имеющие незначительное относительное удлинение и называемые пластиками, и мягкие, обладающие большим относительным удлинением и малой упругостью называемые эластиками.

В зависимости от числа компонентов все пластмассы подразделяют на простые и композиционные. Простые (полиэтилен, стирол и т. д.) состоят из одного компонента – синтетической смолы; композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) – нескольких составляющих, каждая из которых выполняет определенную функциональную роль. В композиционных массах смола является связующим для других составляющих. Свойства связующего во многом обусловливают физико-механические и технологические свойства пластмассы. Содержание связующего в пластмассах достигает 30÷70%.

Помимо связующих, в состав композиционных пластмасс входят следующие составляющие:

1) наполнители различного происхождения, которые вводят для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости композиции; органические наполнители – древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, хлопчатобумажная ткань, бумага, древесный шпон и др.; неорганические – графит, асбест, кварц, стекловолокно, стеклоткань и др.;

2) пластификаторы (дибутилфталат, касторовое масло и др., которые увеличивают эластичность, текучесть, гибкость и уменьшают хрупкость пластмасс;

3) смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кислота и, которые увеличивают текучесть, уменьшают трение между частицами композиций, устраняют прилипание к пресс-формам;

4) катализаторы (известь, магнезия и др.), ускоряющие отверждение пластмасс;

5) красители (сурик, мумия, нигрозин и др.), придающие пластмассам нужный цвет.

При изготовлении газонаполненных пластмасс (поро- и пенопластов) в полимеры вводят газообразователи – вещества, которые разлагаются при нагревании с выделением газообразных продуктов. Таким образом, технологический процесс переработки пластмасс в детали характеризуется специфическими особенностями. В зависимости от физического состояния полимерных материалов, поведения их под действием теплоты и других факторов все способы переработки пластмасс в детали наиболее целесообразно разбить на следующие основные группы:

1) переработка в вязко-текучем состоянии (прессованием, литьем под давлением, выдавливанием и др.);

2) переработка в высокоэластическом состоянии (пневмо- и вакуумоформовкой, штамповкой и др.;

3) получение деталей из жидких полимеров (различными способами формообразования);

4) переработка в твердом состоянии (разделительной штамповкой и обработкой резанием);

5) получение неразъемных соединений (сваркой и склеиванием);

6) различные способы переработки (спекание, напыление и др.)

В соответствии с приведенной классификацией в данной главе рассмотрены наиболее часто применяемые способы получения пластмассовых деталей и характерные особенности этих способов, области их использования и вид перерабатываемых материалов.