Свойства полимерных матриц

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ»

СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТРИЦ

Методические указания к лабораторной работе

Волгоград

2008

УДК 678.5:620.22

Р е ц е н з е н т

доц. кафедры «Технология материалов» канд. техн. наук

Э. В. Седов

Издается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

Свойства полимерных матриц: метод. указания к лаб. работе / сост. Н. А. Адаменко, А. В. Фетисов, А. В Казуров; ВолгГТУ. – Волгоград,

2008. – 38 с.

Рассмотрены основные виды, свойства, строение, методы переработки

иобласти применения термопластичных и термореактивных полимерных материалов.

Предназначены для студентов, обучающихся по специальности 150502 «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов» и направлению подготовки магистратуры 150600 «Перспективные конструкционные материалы

ивысокоэффективные технологии». Рассмотрены основные виды, свойства, строение, методы переработки и области применения термопластичных и термореактивных полимерных материалов

Волгоградский государственный технический университет, 2008

2

Лабораторная работа Свойства полимерных матриц

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

1.1.Ознакомиться с основными видами полимерных материалов.

1.2.Изучить термопластичные и термореактивные полимерные матрицы.

1.3.Изучить свойства основных типов полимерных матриц, влияние на них различных факторов.

2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

2.1.Ознакомление с методическими указаниями к лабораторной работе и поставленной задачей.

2.2.Ознакомление с коллекциями полимерных материалов.

2.3.Изучение и анализ свойств исследуемых полимеров, способов переработки и областей применения.

2.4.Оформление отчета к лабораторной работе.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Развитие и совершенствование современной техники неразрывно связано с прогрессом в области создания новых современных материалов. Причем особая роль принадлежит полимерным композиционным материалам (ПКМ), в первую очередь вследствие их особых, часто уникальных свойств. Специфика композиционных материалов, представляющих собой гетерофазные системы, основана на непрерывности матрицы и характера взаимодействия ее с армирующей фазой – наполнителем различной природы. Матрица воспринимает на себя нагрузку и перераспределяет ее на наполнитель. Наряду с деформационнопрочностными свойствами матриц необходимо учитывать тепло-, термо-, огне-, светостойкость, химическую и радиационную стойкость, степень сохранения свойств при нагреве, выдержке в различных средах [1].

Одним из направлений совершенствования ПКМ является разработка полимерных матриц с высокими прочностными (до 250 МПа) свойствами, высокой теплостойкостью (200-300 °С), низким водопоглощением (< 1%), с температурами переработки до 300-350 °С, вязкостью расплава 102–104 Па и т.д.

Полимерные матрицы изменяют свои свойства под воздействием температуры. По этому признаку различают две большие группы полимерных матриц: термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются, или плавятся, при охлаждении затвердевают; при этом способность к формованию сохраняется у них и при повторных переработках в изделия. Структура макромолекул таких полимеров линейная и разветвленная.

Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в

3

дальнейшем остаются твердыми.

3.1. Термопластичные полимеры.

До недавнего времени термопласты не имели значительного разнообразия. Однако в 1970-е годы номенклатура термопластов значительно расширилась и некоторые из линейных полимеров превзошли по теплостойкости традиционно применявшиеся для армирования реактопласты (рисунок 1) [1].

Рисунок 1 – Сравнительные температурные и деформационно-прочностные области работоспособности при растяжении конструкционных материалов на основе: 1 – эпоксидных смол; 2 – полифениленоксида; 3 – поликарбоната; 4 – сополимеров формальдегида; 5 – полиэтилентерефталата; 6 – полибутилентерефталата; 7 – полисульфона; 8 – фенопластов; 9 – полифениленсульфида; 10 – полиамида; 11 – полиимида; 12 – полиалканимида; 13 – полиарилата; 14 – диаллилфталата; 15 – пентапласта; 16 – фторлона; 17 – полипропилена; 18 – аминопластов; 19 – полиэтилена высокой плотности; 20 – полиакрилата; 21 – ненасыщенных полиэфиров; 22 – полистирола; 23 – полиуретана; 24 – поливинилхлорида; 25 – эфиров целлюлозы; 26 – полиэтилена низкой плотности.

В настоящее время на долю термопластов среди общего объема производства пластмасс приходится 75 %, а на долю реактопластов 25 %. Такой большой объем применения объясняется высокой технологичностью, низкой стоимостью сырья и самих материалов, высокой ударопрочностью, гибкостью, элласичностью и т.д. Термопласты выгодно отличаются от реактопластов тем, что в них макромолекулы и структура полностью формируются при получении

4

полимера, а потом готовый материал перерабатывается в изделие. Области применения основных групп полимеров в машино- и приборостроении показаны в таблице 1 [3].

Таблица 1. – Наиболее распространенные области применения некоторых полимеров для изделий машино- и приборостроения.

*Примечания: 1 – полиамиды; 2 – полиэтилен высокой плотности; 3 – полиэтилен низкой плотности; 4 – сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности; 5 – модифицированный полиэтилен высокой плотности; 6 – полипропилен; 7 – УПС; 8 – ПС; 9 – акрилобутадиенстирольные пластинки; 10 – сополимеры стирола с нитрилом акриловой кислоты; 11 – полиметакрилаты; 12 – ПК; 13 – полиформальдегид; 14 – полиакрилаты; 15 – этрол; 16 – фенопласты фрикционные; 17 – фенопласты высокочастотные; 18 – фенопласты; 19 – волокнит; 20 – аминопласты; 21 – эпоксидные материалы; 22 – ДСП; 23 – текстолит-крошка; 24 – текстолит электротехнический; 25 – текстолит конструкционный; 26 – асботекстолит; 27 – фенилон; 28 – пентапласт; 29 – полиэфирные стеклопластики; 30 – фторопласты; 31 – винипласты; 32 – полиацетали; 33 – полифениленоксид.

5

Освоение промышленных высокопроизводительных методов переработки термопластов – экструзии, литья под давлением, вакуумного формования и других, а также широкий выбор марочного ассортимента промышленных термопластов позволяют получать изделия, отвечающие любым эксплуатационным требованиям. Термопласты применяют для изготовления деталей общетехнического назначения в машиностроении, в авиа- и приборостроении, аэрокосмической технике, радиотехнической, химической, текстильной и пищевой промышленности, медицине, строительстве.

Как и любые другие материалы, термопласты также имеют и ряд недостатков – сравнительно невысокая прочность, хладотекучесть под нагрузкой, относительно невысокая теплостойкость. Во многом указанные недостатки устраняются при введении в термопласты наполнителей. Термопластичные связующие дают возможность получать композиты с более разнообразным сочетанием свойств и заданными параметрами.

В рамках данной лабораторной работы рассмотрим лишь наиболее широко применяемые и перспективные современные термопласты промышленного назначения.

3.1.1. Пентапласт.

Торговое название: пентапласт (РФ), пентон (США). Пентапласт (ПТП) – простой хлорированный гетероцепной полиэфир с содержанием связанного хлора до 45,5 % и строением звена макромолекулы:

ПТП – слабополярный, аморфный, гибкоцепной полимер. Степень кристалличности не превышает 30 %. Молекулярная масса промышленных марок колеблется от 250 до 400 тысяч. Температура текучести 185 °С, стеклования от 0 до 5 °С, деструкции 285 °С. Основные показатели приведены ниже:

ПТП устойчив к действию бензина, керосина, нефти, спиртов, кетонов, различных растворителей, воды, разбавленных и концентрированных солей, кислот и щелочей до 100 °С. При температуре выше 80 °С растворяется в циклогексаноне, хлорбензоле, выше 100 °С – в диметилформамиде, а также в ки-

6

пящем диоксане. Подвергается деструкции под действием олеума и концентрированной азотной кислоты. Недостатком ПТП является невысокая морозостойкость и повышенная вязкость расплава, затрудняющая его переработку.

Обладает высокими диэлектрическими, прочностными, деформационными, антифрикционными показателями, стойкостью к абразивному износу. Не склонен к крипу (ползучести) и хорошо выдерживает динамические и длительные статические нагрузки. Не склонен к электрической поляризации и накоплению статического электричества. Нетоксичен, горит, но при удалении из пламени гаснет.

Используется как конструкционный материал инженерно-технического назначения в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, аэрокосмической промышленности, химическом машиностроении и других отраслях для изготовления труб, фланцев, зубчатых колес, антикоррозионных покрытий и деталей, работающих в тяжелых условиях воздействия агрессивных сред, статических и динамических нагрузок, температуры а также абразивного износа.

Выпускается в виде порошка или гранул. ПТП и композиции на его основе перерабатываются прессованием, литьем под давлением, напылением, экструзией, а также свариваются в токе горячего воздуха или с использованием прутка из ПТП.

3.1.2.Полиакрилаты

Наиболее важным представителем производных акриловой и метакрило-

вой кислот (акрилатов), имеющим большое практическое значение, является сложный эфир метилового спирта и метакриловой кислоты – полиметилметакрилат (ПММА).

Торговое название суспензионного ПММА: ЛСОН, дакрил (РФ), люсайт (США), диакон (Великобритания), плексигум (Германия), ведрил (Италия); блочного ПММА: церлон, плексиглас (США, Германия), перспекс (Великобритания), кларекс (Япония).

ПММА – гомоцепной сильно разветвленный сложный эфир метилового спирта и метакриловой кислоты со строением звена макромолекулы:

Промышленный ПММА является атактическим, жестким, прозрачным, аморфным материалом, находящимся при комнатной температуре в стеклообразном состоянии (Тс – 105 °С) Молекулярная масса промышленных марок суспензионного ПММА от 20 до 30 тысяч, массового – до 600 тыс. При нагревании выше 120 °С ПММА размягчается и легко деформируется.

ПММА устойчив к действию бензина, керосина, нефти, различных растворителей, воды, растворов солей, кислот и щелочей. Физиологически безвре-

7

ден и стоек к биологическим средам. Растворяется в кетонах, сложных эфирах, хлорированных и ароматических углеводородах. Хорошо совмещается с пластификаторами. При увеличении молекулярной массы до 100 тыс. (органическое стекло) растворимость ПММА уменьшается. Термическая деструкция начинается с 200 °С и протекает с высокой скоростью при 280-300 °С, сопровождаясь выделением исходного мономера – метилметакрилата.

ПММА обладает высокими физико-механическими и диэлектрическими показателями, однако полярность и невысокая теплостойкость ограничивают его применение в электротехнике. ПММА горюч. Горит после удаления из пламени.

ПММА используются как конструкционный материал общетехнического и инженерно-технического назначения в автомобилестроении, авиационной промышленности, медицине и других отраслях для остекления (авиационное стекло), изготовления светотехнических и тому подобных изделий.

Недостатком блочного ПММА является склонность к поверхностному растрескиванию – «серебрению» – под действием растворителей или статических напряжений. Серебрение проявляется в помутнении.

Суспензионный ПММА перерабатывается литьем под давлением и экструзией. При литье под давлением ПММА нельзя смешивать с другими полимерами, так как присутствие даже следов примесей приводит к получению хрупких и слоистых изделий с неудовлетворительным внешним видом. Прессование ПММА применяется значительно реже, чем литье под давлением и экструзия, и используется в основном при производстве крупногабаритных изделий, а также изделий с металлическими вкладышами.

Показатели основных свойств суспензионного ПММА приведены ниже:

3.1.3. Полиамиды.

Полиамиды представляют собой гетероцепные полимеры, содержащие в основной цепи макромолекулы повторяющиеся амидные группы

– HNCO –. В настоящее время синтезировано большое число полиамидов, однако наибольшее практическое значение имеют поли- -капроамид, полиундеканамид, полидодеканамид, полигексаметиленадипинамид, полигексаметиленсебацинамид, а также некоторые другие сополимеры.

При названии полиамидов используют следующие цифровые обозначения, которые отражают их химическое строение. В случае алифатических поли-

8

амидов после слова «полиамид» ставят одну или две цифры. Если полиамид синтезирован из одного мономера – аминокислоты или ее лактама, то ставится одна цифра, соответствующая числу углеродных атомов в мономере. Если полиамид получен поликонденсацией диамина с дикарбоновой кислотой, то после названия полимера ставится двухили трехзначное число, в котором цифра (или цифры) указывают число углеродных атомов в диамине и число атомов углерода в дикарбоновой кислоте. Например, полиамидом 6 (ПА-6) называют поли- -капроамид, а полиамидом 66 (ПА-66) – полигексаметиленадипинамид.

Наличие в макромолекуле полярных групп приводит к образованию межмолекулярных водородных связей, увеличивающих жесткость цепи и уменьшающих скорость кристаллизации, поэтому ароматические полиамиды (фенилон) находятся в аморфном, а алифатические – в аморфнокристаллическом состоянии. Интенсивность межмолекулярного взаимодействия за счет образования водородных связей для алифатических полиамидов определяется длиной углеводородной цепи между амидными группами, которая в ряду ПА-12, ПА-11, ПА-610, ПА-6 и ПА-66 уменьшается. Это приводит к соответствующему повышению температур плавления и стеклования: 180, 187, 220

и 264 °С и 39, 45, 48, 50 и 61 °С.

Физико-механические свойства изделий из алифатических полиамидов непосредственно зависят от их аморфно-кристаллической структуры. Полиамиды возможно перерабатывать литьем под давлением, экструзией и прессованием. Все полиамиды горят после удаления из пламени. Показатели основных свойств промышленных полиамидов приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Показатели основных свойств различных полиамидов.

3.1.3.1. Полиамид 6 (поли- -капроамид).

ПА-6 представляет собой гетероцепной линейный, полярный алифатический полимер со следующим строением звена: HN(CH)5CO .

9

ПА-6 литьевой.

Торговое название: капрон, полиамид 6 (РФ); найлон 6, пласкон, найленина (США); перлон L, игамид D (Германия); амилан (Япония).

ПА-6 является белым, рогоподобным, в тонких слоях слегка прозрачным материалом, находящимся в аморфно-кристаллическом состоянии. Температу-

ра начала пластичности 160 °С, Тпл 225 °С, Тразм 210 °С, Тхр от -25 до -30 °С. Молекулярная масса промышленных марок от 10 до 35 тысяч.

ПА-6 устойчив к действию бензина, керосина нефти, кетонов, различных растворителей, воды. При комнатной температуре растворяется в соляной, концентрированной серной и муравьиной кислотах, концентрированном растворе хлорида кальция, этиленгликоле, бензиловом спирте и крезоле. Для предотвращения термоокислительной деструкции в литьевые марки ПА-6 вводят стабилизаторы – соли марганца, β-нафтол и др.

ПА-6 обладает высокими физико-механическими и диэлектрическими показателями, а также хорошей износостойкостью. Нетоксичен и физиологически инертен, вследствие чего в организме человека не рассасывается и может применяться для протезирования.

Недостатком ПА-6 является высокое водопоглощение (до 10,5 %), ухудшающее диэлектрические и физико-механические свойства.

ПА-6 используется как конструкционный материал общетехнического назначения в авиационной промышленности, медицине, электро- и радиотехнике (изоляция), машиностроении и других отраслях. Пленочный ПА-6 используют как упаковочный материм и заменитель стекол в парниках.

ПА-6 блочный.

Торговое название: капролит, капролон (РФ), найлон 6, зайтел (США). ПА-6 является рогоподобным материалом от белого до кремового цвета с

молекулярной массой – до 100 тысяч.

В промышленности блочный ПА-6 получают полимеризацией капролактама в присутствии натриевой соли капролактама как катализатора, в также ацетилкапропактама или изоцианотов в качестве сокатализаторов.

Показатели физико-механических свойств блочного ПА-6 в 1,5 раза превосходят показатели свойств ПА-6, синтезируемого гидролитической полимеризацией.

Блочный ПА-6 применяется для изготовления путем механической обработки блоков крупногабаритных толстостенных и мелкосерийных нестандартных изделий конструкционного и антифрикционного назначения. Капролон марки «А» применяется для изготовления ответственных деталей в самолетостроении, марки «Б» – конструкционных деталей машиностроения.

Блочный ПА-6 устойчив к воздействию углеводородов, спиртов, кетонов, эфиров, щелочей и слабых кислот. Растворяется в фенолах, концентрированных минеральных и муравьиной кислотах. Перерабатывается точением, фрезерованием, сверлением.

10