Свойства полимерных матриц

3.1.3.2. Полиамид 66 (полигексаметиленадипинамид).

Торговое название: полиамид 66, анид (РФ); найлон 66, зайтел (США); маранил, сутрон, брулон (Великобритания); перлон Т, игамид А, этернамид (Германия).

ПА-66 представляет собой гетероцепной, линейный, полярный, алифатический полимер со следующим строением звена: HN(CH2)6NHCO(CH2)4CO .

В промышленности ПА-66 получают поликонденсацией на границе раздела двух фаз или в расплаве гексаметилендиамина и адипиновой кислоты (соли АГ). ПА-66 является белым, рогоподобным, в тонких слоях слегка прозрачным материалом, находящимся из-за высокого межмолекулярного взаимодействия в аморфно-кристаллическом состоянии. Молекулярная масса промышленных марок колеблется от 15 до 25 тысяч.

По отношению к неорганическим и органическим соединениям ведет себя аналогично ПА-6. Растворяется в муравьиной, концентрированной серной и кипящей соляной кислотах, а также в фенолах. ПА-66 является гидрофильным полимером, содержащим в состоянии насыщения до 10 % воды.

При температуре выше 350 °С расплав ПА-66 разлагается с выделением СО, СО2 и аммиака. ПА-66 имеет наиболее высокие прочность, жесткость, абразивостойкость, а также теплостойкость по сравнению с другими алифатическими полиамидами. В сухой атмосфере является хорошим диэлектриком.

Он применяется как конструкционный материал в машиностроении, автомобильной, химической и других отраслях промышленности, а также для производства химических волокон.

Детали из ПА-66 можно сваривать токами высокой частоты или тепловой сваркой, а также склеивать раствором ПА-66 в муравьиной кислоте.

3.1.3.3. Ароматические полиамиды.

В промышленности наибольшее распространение получил поли-μ- фениленизофталамид. Торговое название: фенилон (РФ), номекс (США), конекс (Япония).

Фенилон – линейный, жесткоцепной, ароматический полиамид со следующим строением основного звена:

Макромолекула имеет конформацию коленчатого вала.

В промышленности фенилон получают поликонденсацией дихлорангидрида изофталевой кислоты с μ-фенилендиамином. В результате получается белый, аморфный полимер с температурой стеклования 270 °С, кристаллизующийся при 340-360 °С. Молекулярная масса промышленных марок колеблется от 20 до 120 тысяч.

Фенилон устойчив к действию бензина, керосина, нефти, кетонов, различных растворителей, кипящей воды, концентрированной соляной кислоты, 98%-ной уксусной кислоты, разбавленных щелочей. При комнатной температу-

11

ре растворяется в концентрированной серной кислоте, диметилформамиде и диметилацетамиде.

Фенилон является конструкционным материалом инженернотехнического назначения, обладающим наиболее высокими физикомеханическими и теплофизическими свойствами по сравнению с другими промышленными термопластами. Относится к классу негорючих материалов.

Порошкообразный фенилон выпускается трех марок, из которых для переработки в изделия широко используется фенилон С2.

Фенилон С2 сохраняет прочностные показатели в широком интервале температур. Особенностью этого термопласта является сочетание большой жесткости и прочности с высокой ударной вязкостью и способностью к пластическим деформациям под действием предельных нагрузок вплоть до 120 °С. Одновременно фенилон С2 отличается низкой ползучестью и высокой усталостной и долговременной прочностью. Применяется для замены металлов с целью облегчения силовых деталей, повышения их износостойкости, упрощения получения. Фенилон С2 может быть использован при создании новой техники, в случае если традиционные материалы не могут обеспечить выполнения предъявляемых требований.

Перерабатывается прессованием в уплотнительные детали герметизирующих узлов в электропневматических устройствах, детали запорной аппаратуры и т.п. Показатели основных свойств фенилона С2 приведены ниже:

3.1.4. Полиарилаты.

Торговое название: полиарилаты (РФ), лексан (США), РЕС (Германия). Полиарилаты представляют собой сложные полиэфиры двухатомных фе-

нолов и дикарбоновых кислот. Наибольшее практическое значение в качестве самостоятельного конструкционного материала имеют производные диоксидифенилпропана (диана, бисфенола А) и терефталевой кислоты (ПАТ).

Полиарилат (ПАТ) – гетероцепной, линейный, сложный полиэфир со строением звена макромолекулы:

ПАТ являются кристаллическими, слабополярными, прозрачными (коэффициент пропускания 85 %) или светло-желтыми полимерами, обладающими высокой теплостойкостью: температура размягчения 350 °С, деструкции 360°С. Молекулярная масса промышленных марок полиарилатов колеблется от 28 до 30 тысяч.

Полиарилат устойчив к действию бензина, керосина, нефти, спиртов, ке-

12

тонов, разных растворителей, кипящей воды, разбавленных растворов минеральных и органических кислот, ультрафиолетового изучения. ПАТ разрушается щелочами, концентрированной серной кислотой, аммиаком, при нагревании

– органическими кислотами. Горит после удаления из пламени.

ПАТ обладает высокими физико-механическими показатлями, теплостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Уступая ароматическим полиамидам по теплостойкости и физико-механическим свойствам, ПАТ превосходят их по технологическим свойствам – способности перерабатываться литьем под давлением и экструзией, а также негигроскопичности, обусловливающей высокую стабильность физико-механических и диэлектрических показателей в условиях повышенной влажности.

Полиарилаты используются как конструкционные материалы инженернотехнического назначения, в электротехнической промышленности как высокотемпературные диэлектрики, превосходящие по диэлектрическим свойствам ПММА и ПК. Для полиарилатов характерна невысокая жесткость, и, следовательно, отличная демпфирующая способность. Теплостойкость и физикомеханические свойства позволяют использовать полиарилаты для формования изделий, испытывающих значительные механические нагрузки. Основные свойства полиарилатов приведены ниже.

3.1.5. Поливинилхлорид.

Поливинилхлорид (ПВХ) – линейный, гибкоцепной, слаборазветвленный полимер со строением звена макромолекулы: H2C – CHCl .

ПВХ является слабополярным, аморфным (степень кристалличности не превышает 10 %), капиллярно-пористым порошкообразным материалом белого цвета, с размером частиц от 100 до 200 мкм, находящимся при комнатной температуре в стеклообразном состоянии (Тс – от 78 до 105 °С)

Молекулярная масса ПВХ в зависимости от способа синтеза находится в пределах от 8 до 190 тысяч. Эмульсионный ПВХ имеет узкое молекулярномассовое распределение (в отличие от суспензионного и массового).

ПВХ устойчив к действию фенола, бензина, керосина, нефти, спиртов, различных растворителей, воды, разбавленных и концентрированных солей, кислот и щелочей, промышленных газов, содержащих хлор, оксиды азота, фторид водорода. ПВХ физиологически безвреден и может использоваться в изделиях медицинского назначения. Растворяется в хлорированных углеводородах (дихлорэтан, тетрахлорид углерода и др.), кетонах. Деструкция ПВХ начинается выше 60 °С при действии серной, азотной, уксусной кислот. При нагревании

13

выше 150 °С при переходе в вязкотекучее состоянии ПВХ подвергается термоокислительной деструкции с выделением хлорида водорода и образованием сопряженных двойных связей, что приводит к потемнению полимера.

Для повышения тепло- и светостойкости ПВХ в него вводят добавки. Технологические свойства и применение ПВХ зависят от молекулярной

массы. При переходе от марочного сортамента массового ПВХ к суспензионному и эмульсионному растворимость полимера уменьшается, а молекулярная масса возрастает. На основе ПВХ выпускают винипласты, пластикаты и полимерные пасты (пластизоли).

Винипласт.

Торговое название: жесткий поливинилхлорид, винипласт (РФ); бреон, корвик (Великобритания); хосталит, винидур , децелит (Германия); винибан (Япония).

Винипласт представляет собой негорючий, жесткий, термопласт на основе суспензионного ПВХ. В состав винипласта кроме поливинилхлорида входят до 10 % стабилизаторов. Рецептура винипласта включает антиоксиданты, ослабляющие вредное действие эксплуатационных факторов. Кроме того, винипласт содержит от 0,5 до 10 % лубрикантов, обладающих смазывающим действием. Показатели основных свойств винипласта приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Показатели основных свойств ПВХ.

Недостатками винипласта являются низкие теплостойкость (65-70 °С) и морозостойкость (-10 °С), а также склонность к короблению при переменных температурах эксплуатации.

14

Пластикат.

Торговое название: пластикат (РФ), кохинор, джеон (США), люколен (Германия), винихлон (Япония).

Пластикат представляет собой мягкий материал на основе пластифицированных суспензионного или массового ПВХ с молекулярной массой от 90 до 115 тысяч. В качестве пластификаторов ПВХ используют трикрезилфосфат, диоктилсебацинат, диоктилфталат и др. В состав пластиката входят термостабилизаторы (от 3 до 15 масс. ч.), антиоксиданты (от 0,02 до 0,5 % от массы пластификатора), наполнители (до 30 масс. ч.), лубриканты (от 1 до 3 масс. ч.), органические или минеральные пигменты (от 0,1 до 3 масс. ч.).

Пластикат применяют в качестве изоляции электрических проводов и кабелей, для изготовления профильных и погонажных изделий, тары, трубок, искусственной кожи, товаров домашнего обихода, обуви, одежды и др.

Гранулированный пластикат перерабатывают экструзией, каландрованием, прессованием или литьем под давлением. Основные свойства пластикатов приведены в таблице 3.

Пластизоли (пасты полимерные).

Торговое название: диплазоль, пластизоль (РФ); велвик, декорт (Великобритания); корогель (США); дибенол (Германия); випласт (Италия).

Пластизоль представляет собой пластично-вязкий материал на основе ПВХ с молекулярной массой от 150 до 180 тысяч. В состав пластизоля входят первичные и вторичные пластификаторы, от 2 до 20 % наполнителей – аэросила, мела и других, а также пигменты, антипирены, антистатики и другие добавки.

При комнатной температуре пластизоль является дисперсией ПВХ, т.к. частицы ПВХ в этих условиях не набухают, что делает пластизоли стабильными в течение продолжительного времени. При нагревании до 35-40 °С происходит желатинизация с превращением пластизоля в высоковязкую массу, которая при охлаждении превращается в твердый эластичный износостойкий материал.

Полимерные пасты используются для изготовления линолеума, искусственной кожи, клеенки, пено- и поропластов и т.п. Полимерные пасты низкой и средней вязкости перерабатывают методом макания с погружением модели ванну с пластизолем. Методом макания получают перчатки, пипетки, прокладки, антикоррозионные покрытия на металлах.

Полые изделия – манекены, поплавки и т.п. – изготавливают ротационным формованием, загружая дозированую порцию пластизоля во вращающуюся металлическую фору, нагретую до температуры терможелатинизирования (гелеобразования). Изоляцию на провода и кабели наносят методом экструзии.

3.1.6. Полиимиды.

Торговое название: полиимид, ПМ (РФ); каптон, NR-150 (США); унилекс (Япония). Полиимиды – линейные, гетероцепные полимеры, содержащие в ос-

15

новной цепи макромолекулы циклические имидные группы:

В промышленности полиимиды получают двухстадийной поликонденсацией. Полиимид является аморфным, прозрачным, окрашенным в желтокоричневые тона аморфным полимером с плотностью от 1350 до 1480 кг/м3 и температурой стеклования от 300 до 400 °С.

Молекулярная масса промышленных марок полиимидов колеблется от 50 до 150 тысяч. Для полиимидов характерны высокая по сравнению с другими полимерами теплопроводность 0,35-0,37 Вт/м·К и низкий коэффициент трения по стали – от 0,05 до 0,17. Деструкция расплава начинается при 410-415 °С.

Полиимид устойчив к действию бензина, керосина, нефти, спиртов, кетонов, различных растворителей, кипящей воды, разбавленных кислот. Растворяется в концентрированных окисляющих кислотах (серная и азотная). Отличается высокой озоностойкостью. Морозостойкость от -180 до 200 °С.

Пленочные материалы на основе полиимидов обладают высоким модулем упругости (от 300 до 10000 МПа), стабильностью размеров и низкой ползучестью при повышенных температурах.

Полиимиды используются как термостойкий материал (ТМ – от 180 до 200 °С), предназначенный для формования изделий, эксплуатирующихся при температуре 250-300 °С, – эмалей обмоточных проводов, связующих композиционных материалов, клеев, заливочных компаундов, пленок. Свойства поли-

3.1.7.Поликарбонаты.

Поликарбонаты представляют собой сложные полиэфиры угольной ки-

слоты. Наибольшее применение в промышленности получили производные дифенилпропана (диана, бисфенола А).

Торговое название поликарбонатов на основе дифенилолпропана (бисфенола А): ПК, ДАК, дифлон (РФ); лексан, мерлон (США); макролон (Германия); юпилон, тоуфлон, пенлайт (Япония).

Поликарбонаты (ПК) – линейные сложные полиэфиры угольной кислоты

ибисфенола А со строением звена макромолекулы:

Впромышленности ПК получают по механизму межфазной поликонден-

16

сации раствора фосгена в метиленхлориде со щелочным раствором бисфенола А в присутствии катализатора.

ПК является аморфным (степень кристалличности не превышает 40 %), оптически прозрачным (Кпр до 90 %) полимером с высоким уровнем межмолекулярного взаимодействия, что обуславливает высокие температуры стеклования (от 141 до 149°С) и текучести (от 220 до 275 °С). Молекулярная масса промышленных марок колеблется от 32 до 35 тыс. Кристаллизация ПК при переработке и эксплуатации происходит очень медленно и материал остается аморфным и прозрачным в течение всего срока эксплуатации изделий.

ПК устойчив к действию водных растворов солей, кислот и разбавленных щелочей, но набухает и растворяется в большинстве органических растворителей – ароматических и хлорсодержащих углеводородах, диоксане, μ-крезоле, тетрагидрофуране. ПК не растворяется и не набухает в алифатических и циклоалифатических углеводородах, одно- и многоатомных спиртах, за исключением метанола, растительных и животных жирах, минеральных маслах. ПК нетоксичен и может использоваться для формования изделий медицинского назначения. Заметное разложение ПК начинается выше 320 °С. ПК горит после удаления из пламени.

ПК является конструкционным материалом инженерно-технического назначения и применяется для формования изделий, отличающихся высокой ударной вязкостью, стабильностью свойств в широком температурном интервале (от -100 до 200 °С) в сочетании с прозрачностью изделий. ПК перерабатывается литьем под давлением, экструзией, прессованием, пневмовакуумформованием.

В электротехнической промышленности из ПК формуют защитные экраны для кинескопов телевизоров, штепсельные вилки, плиты печатных плат, в автомобильной – прозрачные крышки и колпаки сигнальных ламп, линзы для сигнальных огней, в медицинской – фильтры для крови, зубные протезы и т.п. Из ПК литьем под давлением изготавливают товары культурно-бытового назначения – кухонную утварь, детали холодильников, молочных сепараторов

Экструзией из ПК формуют листы, профильные изделия трубы и шланги. Экструзия с раздувом используется для получения пустотелых изделий (бутыли), применяемых для хранения фармацевтических и косметических препаратов, а также пищевых продуктов. Прессованием ПК получают прозрачные панели с гладкой поверхностью.

Хладотекучесть ПК позволяет перерабатывать его методами холодного формования (штамповка, прокат, клепка, вытяжка) с использованием оборудования для металлообработки. ПК поддается всем видам механической обработки (точение, фрезерование, сверление и т.п.). Изделия из ПК свариваются горячим воздухом с помощью сварочного прутка или склеиваются дихлорэтаном, бензолом и другими растворителями. На поверхность ПК хорошо наносятся лаки и полиграфические краски.

Свойства ПК приведены ниже:

17

3.1.8. Полипропилен.

Торговое название: полипропилен, липол, каплен, топлен, бален (РФ); профакс, поли-про, олеформ (США); пропатен (Великобритания); гостален (Германия); данлай, донбанд (Япония).

Полипропилен (ПП) – линейный полимер, макромолекула которого состоит из мономерных звеньев с асимметричными атомами углерода, имеющими одно и то же пространственное расположение:

ППявляется линейным, слаборазветвленным, неполярным, гибкоцепным полимером, в котором боковые метильные группы расположены спиралеобразно вокруг основной цепи, образуя изотактический ПП. Степень кристалличности изотактического ПП не превышает 73-75 %. Молекулярная масса ПП находится в пределах от 75 до 200 тыс. В промышленных марках ПП всегда присут-

ствует небольшое количество аморфной фазы – атактического ПП плотностью от 810 до 850 кг/м3, хорошо растворяющегося в н-гептане, что и используется в промышленности для его удаления.

ППустойчив к действию бензина, керосина, нефти, спиртов, кетонов, различных растворителей, кипящей воды, что допускает многократную стерилизацию медицинских изделий на его основе, разбавленных и концентрированных солей, кислот и щелочей. При повышенных температурах ПП растворяется

вароматических, гидроароматических и хлорированных углеводородах. При температуре выше 150 °С ПП подвергается термоокислительной деструкции, что сопровождается уменьшением молекулярной массы полимера и ухудшением его физико-механических свойств. Для повышения термостабильности в ПП вводят термостабилизаторы, предотвращающие разложение полимера при переработке. Для улучшения светостойкости в ПП вводят светостабилизаторы, а также наполнители и пигменты – диоксид титана, техуглерод (сажа) и др.

ППобладает достаточно высокими и стабильными в условиях эксплуатации физико-механическими и диэлектрическими показателями, износостойкостью, хорошей химической стойкостью. Некоторые марки ПП используются в медицине и для изготовления изделий, имеющих контакт с пищевыми продуктами. ПП плохо проводит тепло – теплоемкость и теплопроводность полимера составпяют соответственно 0,36 Дж/г·К и 0,15 Вт/м·К. Недостатками ПП являются его низкая морозостойкость (–5 °С), невысокая стойкость к термоокислительной деструкции и склонность к электростатической поляризации с накоп-

18

лением статического электричества, а также горючесть. ПП горит после удаления из пламени.

ПП является конструкционным материалом общетехнического назначения и используется в автомобилестроении, машиностроении и других отраслях для формования неответственных деталей машин, контейнеров, упаковочных материалов.

Показатели основных свойств изотактического ПП приведены ниже:

3.1.9. Полистирол.

Торговое название: полистирол (РФ); сирен, дилен, люстрекс, полистрон, стирекс (США); каринекс, дистрен, стиросел, стирон (Великобритания); стирофлекс, стирофол, вестирон (Германия).

Полистирол (ПС) – гибкоцепной, линейный, сильноразветвленный полимер нерегулярной структуры со строением звена макромолекулы:

ПС является неполярным, аморфным, хрупким в отличие от ПП материалом, находящимся при комнатной температуре в стеклообразном (Тс от 80 до 100 °С) состоянии.ПС обладает высокой светопропускающей способностью (Кпр = 90 %). Молекулярная масса промышленных марок ПС колеблется от 500 до 2000 тысяч.

ПС устойчив к действию масел, спиртов, воды, разбавленных и концентрированных солей, галогенводородных кислот и щелочей. Хорошо растворим в стироле, ароматических и хлорированных углеводородах, сложных эфирах, кетонах. Керосин и высшие спирты приводят к растрескиванию изделий из ПС. Термическая деструкция ПС начинается при 260 °С, термоокислительная – при 200 °С. Под действием УФ-лучей и влаги воздуха в атмосферных условиях происходит фотолиз полимера, сопровождающийся помутнением и пожелтением ПС, увеличением его хрупкости и растрескиванием изделий. Наибольшая рабочая температура применения изделий из ПС не превышает 70 °С. Для повышения тепло- и светостойкости в базовые марки ПС вводят стабилизирующие добавки.

ПС является конструкционным материалом общетехнического назначения, обладает достаточно высокими физико-механическими свойствами. Он отличный диэлектрик со стабильными диэлектрическими свойствами в широком температурно-влажностном (от –80 до 110 °С) и частотном диапазоне (от 100 до 109 Гц), вследствие чего используется в электротехнике, например для фор-

19

мования ориентированных конденсаторных пленок. Кроме того, ПС широко применяется для изготовления изделий культурно-бытового, медицинского, технического назначения, получения пенопластов и ударопрочных сополимеров.

Недостатками ПС являются высокая хрупкость, низкая ударная вязкость, невысокие тепло-, свето- и химическая стойкость, а также склонность к электростатической поляризации и накоплению электрического заряда. ПС горюч, горит после удаления из пламени. Температура самовоспламенения составляет 444 °С. Свойства ПС приведены в таблице 4. ПС перерабатывается литьем под давлением, экструзией, каландрованием, пневмовакуумформованием и другими методами. Изделия из ПС легко свариваются и склеиваются.

Таблица 4 – Показатели основных свойств ПС.

Ударопрочный полистирол.

Торговое название: симак, дилен, стирекс, амоко, стико, стокофлекс (США); каринекс, дистрен, стиросел (Великобритания); стиморал (Германия).

Ударопрочный полистирол (УПС) является продуктом привитой сополимеризации стирола с бутадиеновым и бутадиенстирольным каучуком с молекулярной массой от 70 до 100 тысяч.

По внешнему виду УПС представляет собой непрозрачный материал белого цвета. Он имеет двухфазную структуру, характерную для композиционных материалов: матричная фаза ПС включает частицы микрогеля полистирола овальной формы, окруженные тонкой пленкой привитого сополимера размером 1-5 мкм. УПС сохраняет данную структуру и в расплаве. При переработке в результате сдвигового течения частицы микрогеля ориентируются в направлении потока и фиксируются при стекловании, обусловливая анизотропию механических свойств изделия. Частицы микрогеля снижают концентрацию напряжений, возникающих на конце магистральной трещины, растущей под действием ударной нагрузки, и тем самым резко повышают ударную вязкость ПС.

20