70 15 Время, мин

1 — СЭП; 2 — ПЭНД;3 — ПЭВД; 4 - фторо-пласт-4; 5 — полистирол; 6 — трвацетат целлю­лозы

452

труб, конструкционных деталей автомобилей, мотоциклов, холо­дильников, корпусов насосов, различных емкостей и др. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые.

Полистирол (—СН₂—СНС₆Н₅—)_Л — твердый, жесткий, про­зрачный, аморфный полимер. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензоле. Полистирол наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения по сравнению .с другими термопластами (присутствиев макромолекулах фениль-ного радикала С₆Н₆).

Недостатками полистирола являются его невысокая теплостой­кость, склонность к старению, образованию трещин.

Ударопрочный полистирол представляет собой блоксополимер стирола с каучуком (УПС). Такой материал имеет в 3—5 раз более высокую ударную вязкость и в 10 раз более высокое относительное удлинение по сравнению с обычным полистиролом. Высокопроч­ные АБС-пластики (акрилонитрилбутадиенстирольные) отлича­ются повышенной химической стойкостью и светотермостабиль-ностью. Однако такие сополимеры имеют более низкие диэлектри­ческие свойства по сравнению с чистым полистиролом. Из поли­стирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции, а АБС-пластики применяют для деталей автомобилей, телевизоров, лодок, труб и т. д.

Фторопласт-4 (фторлон-4) политетрафторэтилен (—СР₂— СР_а—)_п является аморфно-кристаллическим полимером. До тем­пературы 250 °С скорость кристаллизации мала и не влияет на его механические свойства, поэтому длительно эксплуатировать фторопласт-4 можно до температуры 250 °С. Разрушение материала происходит при температуре выше 415 °С. Аморфная фаза нахо­дится в высокоэластическом состоянии, что придает фторопласту-4 относительную мягкость. При весьма низких температурах (до —269 ^СС) пластик не охрупчивается. Фторопласт-4 стоек к дей­ствию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Практически он разрушается только под действием расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора, кроме того, пластик не смачи­вается водой. Политетрафторэтилен малоустойчив к облучению. Это наиболее высококачественный диэлектрик. Фторопласт-4 обладает очень низким коэффициентом трения (/" = 0,04), который не зависит от температуры (до 327 "С когда начинает плавиться кристаллическая фаза).

Недостатками фторопласта-4 являются хладотекучесть (ре­зультат рекристаллизации), выделение токсичного фтора при вы­сокой температуре и трудность его переработки (вследствие отсут­ствия пластичности).

Фторопласт-4 применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет, сильфонов, электрорадиотехиических деталей, антифрикционных покрытий на металлах (подшипники, втулки),

453

Разновидностью фторопласта является фторопласт-4Д, отли­чающийся формой и размером частиц, меньшей молекулярной массой. Это облегчает переработку материала в изделия. Физико-механические свойства его такие же, как и у фторопласта-4.

Волокно и пленку фторлон изготовляют из фторопласта-42. Фторлоновая ткань не горит, химически стойка, применяется для емкостей, рукавов, спецодежды, диафрагм и т. д. Фторо-пласт-40 обладает высокой твердостью, почти не склонен к ползу­чести, стоек к воздействию ионизирующего излучения и техноло­гичен.

Физико-механические свойства неполярных термопластичных пластмасс приведены в табл. 45.

Полярные термопластичные пластмассы. К полярным пласти­кам относятся фторопласт-3, органическое стекло, поливинил-

454

хлорид, полиамида, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поли­карбонат, полиарилаты, пентапласт, полиформальдегид.

Фторопласт-3 (фторлон-3) - - полимер трифторхлортилена, имеет формулу (—СР₂—СРС1—)„. Введение атома хлора нарушает симметрию звеньев макромолекул, материал становится поляр­ным, диэлектрические свойства снижаются, но появляется плас­тичность и облегчается переработка материала в изделия. Фторо­пласт-3, медленно охлажденный после формования, имеет кристал­личность около 80—85 %, а закаленный — 30—40 %. Интервал рабочих температур от —105 до 70 °С. При температуре 315 °С начинается термическое разрушение. Хладотекучесть у полимера проявляется слабее, чем у фторопласта-4. По химической стой­кости он уступает политетрафторэтилену, но все же обладает высокой стойкостью к действию кислот, окислителей, растворов щелочей и органических растворителей.

Модифицированный политрифторхлорэтилен — фторопласт-ЗМ обладает большей теплостойкостью (рабочая температура 150— 170 ^СС), он более эластичен и легче фюрмуется, чем фторопласт-3.

Фторопласт-3 используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того, из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др.

Органическое стекло — это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Чаще всего применяется полиметилметакрилат, иногда пластифи­цированный дибутилфталатом. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол (1180 кг/м³), отличается высокой атмосферо-стойкостью, оптически прозрачен (светопрозрачность 92 %), про­пускает 75 % ультрафиолетового излучения (силикатные — 0,5 %). При температуре 80 °С органическое стекло начинает размяг­чаться; при температуре 105—150 °С появляется пластичность, что позволяет формовать из него различные детали. Критерием, определяющим пригодность органических стекол для эксплуата­ции, является не только их прочность, но и появление на поверх­ности и внутри материала мелких трещин, так называемого се­ребра. Этот дефект снижает прозрачность и прочность стекла. Причиной появления «серебра» являются внутренние напряже­ния, возникающие в связи с низкой теплопроводностью и высоким коэффициентом расширения.

Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазочных материалов. Старение органического стекла в естественных условиях проте­кает медленно. Недостатком органического стекла является невы­сокая поверхностная твердость.

Увеличение термостойкости и ударной вязкости органического стекла достигается ориентированием; при этом увеличивается в несколько раз ударная вязкость и стойкость к «серебрению»; сополимеризацией или привитой полимеризацией полиметилмета-крилата с другими полимерами получают частично сшитую струк-

455

туру (термостабильные стекла); применением многослойных сте­кол («триплексов»). Органическое стекло используют в самолето­строении, автомобилестроении. Из него изготовляют светотехни­ческие детали, оптические линзы и др. На основе полиметилыетак-рилата получают самоотверждающиеся пластмассы: АСТ, стира-крил, АКР. Указанные материалы применяют для изготовле­ния штампов» литейных моделей и абразивного инструмента.

Поливинилхлорид является аморфным полимером с химической формулой (—СН_Е—СНС1—)_п. Пластмассы имеют хорошие элек­троизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не под­держивают горение, атмосферостойки. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Винипласты имеют высокую прочность и упругость. Из винипласта изгото­вляют трубы, детали вентиляционных установок, теплообменни­ков, защитные покрытия для металлических емкостей, строитель­ные облицовочные плитки. Недостатками этого материала являются низкая длительная прочность и низкая рабочая температура (не свыше 60—70 °С) под нагрузкой, большой коэффициент линейного расширения, хрупкость при низких температурах (^_хр = —10 °С).

При введении пластификатора получают полихлорвиниловый пластикат, имеющий морозостойкость от —15 до —50 °С и темпе­ратуру размягчения 160—195 °С применяется для изоляции прово­дов и кабелей, уплотнительных прокладок.

Полиамиды — это группа пластмасс с известными названиями: капрон, нейлон, анид и др. В составе макромолекул полимера присутствует амидная группа (—гШ—СО—), а также метиленовые группы (~СН₃—), повторяющиеся от 2 до 10раз. Общая формула полиамидов имеет вид:

-ЫН-СО—

Полиамиды — кристаллизующиеся полимеры. Отдельные цепоч­ки макромолекул располагаются таким образом, что между груп­пами СО и МН, принадлежащими различным цепочкам, возникает водородная связь, повышающая температуру плавления до 210— 264 °С и способствующая образованию регулярной структуры. При одноосной ориентации получаются полиамидные волокна, нити, пленки.

Свойства разных видов полиамидов довольно близки. Они имеют низкий коэффициент трения (/ < 0,05), продолжительное время могут работать на истирание; кроме того, полиамиды ударопрочны и способны поглощать вибрацию. Стойкий щелочам, бензину, спирту; устойчивы в тропических условиях.

К недостаткам полиамидов относятся некоторая гигроскопич­ность и подверженность старению вследствие окисляемости при переработке (рис. 211). В о до поглощение зависит от содержания амидных групп и структуры и составляет от 1,75 % (полиамид П-12) до 11—12 % (капрон, П-54). Устойчивость полиамидов

456

ксвету повышается введениемстабилизатора, а антифрикци­онные свойства — введением на­полнителя (графита и др.).

О 30 60 90 ;_.

Время, сутни

Рис. 211. Коэффициенты изменения механических свойств капрона К._а

( ) и К& ( ) в процессе

старения при различных температу­рах

Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы и др. По­лиамиды используют в электро­технической промышленности, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия ме­таллов. На рис. 212 и 213 пока­заны зависимости прочности не­которых термопластов от темпе­ратуры и времени нагружения.

Полиуретаны содержат уретановую группу (—ЫН—СОО—). Кислород в молекулярной цепи сообщает полимерам гибкость, эластичность; им присуща высокая атмосферостойкость и морозо­стойкость (от —60 до —70 °С). Верхний температурный предел составляет 120—170 °С. Свойства полиуретана в основном близки к свойствам полиамидов. Из полиуретана вырабатывают пленоч­ные материалы и волокна, которые малогигроскопичны и хими­чески стойки.

В зависимости от исходных веществ, применяемых при полу­чении полиуретанов, они могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными и даже термореактивными.

Полиэтилентерефталат — сложный полиэфир, в СССР выпу­скается под названием лавсан, за рубежом — майлар, терилен. Полиэтилентерефталат является кристаллическим полимером; при быстром охлаждении расплава можно получать аморфный поли-

6*,

70

7

Время, V

Рис. 213. Зависимость прочности тер-мопластоз от времени нагружения:

/ — полистирол; 2 — АБС; 3 — полная-ннлхлорид; 4 — органическое стекло

-ВО-иО 0 40 80 12О

Рис. 212. Зависимость прочности тер­мопластов от температуры:

/ — полиэтилен; 2 — полихлорвинил; 3 — фторопласт-4; 4 — полннмид; 5 — поли­амид

160

457

Латуни в наклепанном состоянии или с высокими остаточными напряжениями и содержащие свыше 20 % 2п склонны к корро­зионному («сезонному») растрескиванию в присутствии влаги, кислорода и аммиака. Для предотвращения растрескивания полу­фабрикаты из латуни указанных составов отжигают при 250— 650 °С, а изделия из латуни — при 250—270 °С.

Все латуни по технологическому признаку подразделяют на две группы: деформированные, из которых изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку и другие полуфабрикаты, и литейные — для фасонного литья.

Литейные латуни обладают хорошей жидкотекучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойствами.

Когда требуются высокая пластичность, повышенная тепло­проводность и важно отсутствие склонности к коррозионному растрескиванию, применяют а-латуни с высоким содержанием меди (Л96 и Л90). Латуни Л62, Л60~, Л59 (а + р'-латуни) с боль­шим содержанием цинка обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, дешевле, но хуже сопротивля­ются коррозии. Наибольшей пластичностью обладает а-латунь (Л68), которую чаще используют для изготовления деталей штамповкой,

411

мер, который при нагреве свыше 80 °С начинает кристаллизо­ваться. Присутствие кислорода в основной цепи сообщает хорошую морозостойкость (—70 °С). Бензольное кольцо повышает тепло­стойкость (температура плавления 255—257 °С). Полиэтилен-терефталат является диэлектриком и обладает сравнительно высо­кой химической стойкостью, устойчив в условиях тропического климата. Из полиэтилентерефталата изготовляют шестерни, крон­штейны, канаты, ремни, ткани, пленки, волокна и др.

Поликарбонат — сложный полиэфир угольной кислоты; выпу­скается под названием дифлон. Это кристаллический полимер, которому при плавлении и последующем охлаждении можно при­дать аморфную структуру. Такой материал становится стеклооб­разным и прозрачным. Свойства поликарбонатов своеобразны -им присущи гибкость и одновременно прочность и жесткость. По прочности при разрыве материал близок к винипласту и отли­чается высокой ударной вязкостью, он нехладотекуч. При дли­тельном нагреве, вплоть до температуры размягчения, образцы сохраняют свои размеры и остаются эластичными при низких температурах.

Поликарбонат химически стоек к растворам солей, разбавлен­ным кислотам и щелочам, маслам; разрушается крепкими щело­чами; выдерживает светотепловакуумное старение и тепловые удары, тропикостоек. Поликарбонат имеет ограниченную стой­кость к воздействию ионизирующего излучения.

Из поликарбоната изготовляют шестерни, подшипники, авто­детали, радиодетали и т. д. Его можно использовать в криоген­ной технике для работы в среде жидких газов. Дифлон применяется также в виде гибких, прочных пленок.

Полиарилаты — сложные гетероцепные полиэфиры. Полиари-латам присущи высокая термическая стойкость и морозостой­кость (до —100 °С), хорошие показатели прочности и антифрик­ционные свойства (эстеран). Полиарилаты радиационно-стойки и химически стойки; применяются для подшипников, работающих в глубоком вакууме без использования смазочного материала, в качестве уплотнительных материалов в буровой технике.

Пеитапласт является хлорированным простым полиэфиром, относится к медленно кристаллизующимся полимерам. Пента-пласт более устойчив к нагреву по сравнению с поливинилхлори-дом (отщепления хлористого водорода под действием температуры не происходит). Прочность пентапласта близка к прочности вини­пласта, но он выдерживает температуру 180 °С и хорошо форму­ется, нехладотекуч, стоек к истиранию. Пентапласт, являясь веществом полярным, обладает удовлетворительными электро­изоляционными свойствами. Кроме того, он водостоек. По хими­ческой стойкости занимает промежуточное положение между фторопластом и винипластом. Из пентапласта изготовляют трубы, клапаны, детали насосов и точных приборов, емкости, пленки и защитные покрытия на металлах.

458

Полиформальдегид — простой полиэфир — линейный поли­мер, имеющий в цепи кислород (—СН₂—О—)_л. Повышенная кри­сталличность (75 %) и чрезвычайно плотная упаковка кристаллов дают сочетание таких свойств, как жесткость и твердость, высо­кая ударная вязкость и упругость. Температурный интервал применения полимера от —40 до 130 °С; он водостоек, стоек к ми­неральным маслам и бензину. Полиформальдегид используют для изготовления зубчатых передач, шестерен, подшипников, клапанов, деталей автомобилей, конвейеров и т. д.

Физико-механические свойства полярных термопластов при­ведены в табл. 46.

Термостойкие пластики. В этих полимерах фениленовые звенья чередуются с гибкими звеньями (амидными, сульфидными и др.). Температура эксплуатации их до 400 °С. Кроме полимеров с гиб­кими звеньями создается новый класс полимеров с жесткими цепями, в которые вводятся устойчивые гетероциклы. Цикличе­ские структуры устойчивы до 600 °С и выше.

Практический интерес представляют ароматические полиами­ды, полифеннленоксид, полисульфон и гетероциклические поли­меры — полиимиды и полибензимидазолы.

Ароматический полиамид — фенилон — содержит фенильные радикалы, соединенные группами — МН—СО—. Это линейный гетероцепной полимер, способный кристаллизоваться, который может длительно работать при температуре 250—260 °С (^_пп — — 430 °С), морозостоек (даже при температуре жидкого азота), имеет повышенную стойкость к радиации и химическую стойкость. По сравнению с капроном фенилон обладает более высоким сопро­тивлением усталости и износостойкостью.

Из фенилона изготовляют подшипники, уплотнительные детали запорных устройств, зубчатые колеса, детали электрорадиопере­дач. Из него получают пленки, волокна, бумагу (номекс).

Арилоке-полифениленоксид — простой ароматический поли­эфир, аморфен, трудно кристаллизуется, по термической стабиль­ности уступает фенилону. Длительно его можно применять при температуре до 130—150°С; обладает химической стойкостью, низким во до поглощением, имеет хорошие физико-механические характеристики: а_р = 60ч-84; а_ож — 105-:- 115; а_иэг = 100-г-125 МПа; е = 20-НОО %; а = 40-7-140 кДж/м^а. Из полифе-ниленоксида изготовляют детали оборудования, хирургические инструменты, изоляцию на высокочастотных установках.

Полисульфон — простой ароматический полиэфир, в макро­молекулах которого между фениленовыми группами имеются звенья — 5О₂ — (повышают стойкость к нагреву), группы —О—, —С (СН₈)_а — (уменьшают жесткость). Это аморфный, трудно кристаллизующийся полимер. Материал термически стабилен, химически стоек, по прочностным свойствам близок к полифени-леноксиду. Полисульфон применяют в виде пленок, литых изде­лий и покрытий для эксплуатации при температуре от —100 до

459

175°С (в инертной атмосфере до 400 °С). Из него изготовляют детали автомобилей, станков, бытовых машин, электротехниче­ских изделий, металлизованных матриц для типографских клише.

Полиамиды — ароматические гетероциклические полимеры. Цепь макромолекул содержит имидные циклы и ароматические ядра, соединенные гибкими связями — О—, —СО—. В зависи­мости от структуры полиимиды могут быть термопластичными и термореактивными. Наибольшее практическое применение полу­чили линейные полиимиды. Полиимиды отличаются высокими ме­ханическими и электроизоляционными свойствами, широким диа­пазоном рабочих температур (от —200 до 300 °С), стойкостью к ра­диации. На основе полиимидов получают пленки, по прочности не уступающие лавсановым. Полиимиды стойки к действию раство­рителей, масел, слабых кислот и оснований; разрушаются при длительном воздействии кипящей воды и водяных паров; могут длительно работать в глубоком вакууме при высоких температу­рах. Полиамидные прессовочные материалы имеют а_р = 90-н 130 МПа, а_сж = 200-240 МПа; а_изг = 180-^230 МПа; в -= 4-^20 %; а = 604-120 кДж/м²; хорошо сопротивляются пол­зучести, стойки к истиранию, обладают низким коэффициентом трения.

Пресс-матер и алы используют для изготовления изделий кон­струкционного, антифрикционного и электроизоляционного назна­чения . Полиимидные связующие применяют для наполненных пластиков.

Полибензимидазолы являются ароматическими гетероцикли­ческими полимерами. В основной цепи макромолекул содержатся

460

бензимидазольные циклы. Большинство полимеров бесцветные, однако полимеры с ярко выраженной системой сопряжения в цепи имеют темный цвет. Полимеры могут иметь кристаллическое или аморфное строение, быть термопластичными и термореактивными. Сшитая структура получается при введении сшивающих агентов.

Полибензимидазолы обладают высокой термостойкостью (тем­пература разложения на воздухе 300—600 °С); хорошими проч­ностными показателями; высокими диэлектрическими свойствами. Волокна огнестойки и термостойки. Композиции на основе поли-бензимидазолов могут использоваться в качестве абляционных термозащитных материалов. Антифрикционные материалы —АСП-пластики обладают термостойкостью и самосмазывающимися свойствами.

Полибензимидазолы применяют в виде пленок, волокон, тка­ней для специальных костюмов; из АСП-пластиков изготовляют подшипники, шестерни. Полибенэимидазолы могут использо­ваться в качестве связующих для армированных пластиков.

Термопласты с наполнителями. В качестве полимерных мат­риц (связующего) применяют различные термопласты. В качестве армирующих наполнителей можно использовать стеклянное во­локно, асбест, органические волокна и ткани. Волокнистые напол­нители образуют в полимере как бы несущий каркас и этим упроч­няют материал.

В промышленном масштабе применяют полиамиды и поликар­бонат, наполненные мелкорубленым стекловолокном. По сравне­нию с ненаполненными полимерами стекловолокниты обладают повышенными прочностью (<т_в — 90-=-149 МПа; а_сж = 110-=-

461

10

10" Число циклов

10

'

140 МПа; а_изг = 150-г-220 МПа) и теплостой­костью, сопротивлением

усталости и износостойкостью, небольшой ползучестью (рис. 214). Интервал рабочих температур от —60 до 180 °С.

Термопласты с наполнителями в виде синтетических волокон (пропиленовое волокно, капрон, лавсан, винол) являются перспек­тивными. Такие волокна имеют близкую со связующими химиче­скую природу, и упрочнение получается высоким (волокна и свя­зующее работают совместно). Ползучесть волокнистых термо­пластов уменьшается почти в 5 раз, длительная прочность возра­стает в десятки раз.

Слоистые термопласты содержат в качестве наполнителей ткани из различных волокон. Для получения высокопрочных пластмасс применяют полиамиды, армированные стеклотканью. Капрон (П-6), армированный стеклотканью, имеет высокие меха­нические свойства: 0_Й — 400-МЗО МПа, о_сж = 280^-300 МПа, о_ивг = 450^-500 МПа; а = 250-нЗОО кДж/м² и может работать до 220 "С. Из волокнистых термопластов изготовляют подшипники, зубчатые передачи, трубы, вентили, емкости для агрессивных сред и др.

Композиционные материалы

С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ