4.4 Пластичні маси

Пластмасами (пластиками) називають штучні матеріали, що одержуються на основі органічних полімерних зв'язуючих речовин. Ці матеріали здатні при нагріванні розм'якшуватися, ставати пластичними, і тоді під тиском їм можна надати задану форму, яка потім зберігається. Залежно від природи зв'язуючої речовини перехід формованої маси у твердий стан відбувається або при подальшому її нагріванні, або при подальшому охолодженні.

4.4.1 Склад, класифікація та властивості пластмас

Обов'язковим компонентом пластмаси є зв'язуюча речовина. В якості зв'язуючих для більшості пластмас використовують синтетичні смоли, рідше застосовують ефіри целюлози. Багато пластмас, головним чином термопластичних, складаються з однієї зв'язуючої речовини, наприклад, поліетилен, органічне скло та ін.

Іншим важливим компонентом пластмас є наповнювачі (порошкоподібні, волокнисті та інші речовини як органічного, так і неорганічного походження). Після просочування наповнювача зв'язуючою речовиною отримують напівфабрикат, який спресовується у монолітну масу. Наповнювачі підвищують механічні властивості, знижують усадку при пресуванні і додають матеріалу ті чи інші специфічні властивості. Для підвищення еластичності і полегшення обробки додають пластифікатори (ефіри кислот, гліколі, поліефіри, які містять хлор). Для пластифікації каучуків застосовують продукти переробки кам'яного вугілля та нафти (парафін, церезин, нафтові олії), рослинні олії, жирні кислоти.

Вихідна композиція може містити затверджувачі (аміни) або каталізатори (пероксидні сполуки) процесу твердіння термореактивних зв'язуючих, а також інгібітори, що запобігають самочинному твердінню напівфабрикатів.

Для захисту полімерних матеріалів від старіння застосовують стабілізатори. Принцип дії стабілізаторів заснований на гальмуванні процесів руйнування полімерних макромолекул під впливом зовнішніх факторів. Розрізняють стабілізатори наступних типів:

- антиоксиданти (сповільнюють термічне і термоокислювальне руйнування);

- антиозонанти (сповільнюють озонове старіння);

- світлостабілізатори (перешкоджають фотоокислювальному руйнуванню під впливом сонячних променів);

- антиради (що перешкоджають руйнування полімерного матеріалу під впливом радіаційного випромінювання);

- противтомлювачи (сповільнюють процеси втоми матеріалів).

Стабілізатори вводять у невеликих кількостях (0,01-2 % за масою) при синтезі або переробці полімерів.

Необхідний колір виробам з полімерів надають барвники. Вони повинні добре змішуватися з полімерним матеріалом, мати високу дисперсність, володіти достатньою термо-, світло- і атмосферною стійкістю, а також стійкістю до впливу технологічних середовищ. Розрізняють органічні і неорганічні барвники (пігменти). В якості барвників широко застосовуються оксиди металів (ТiО₂, Fе₂O₃), солі металів (синій кобальт, ультрамарин), сажу.

Зшивальні агенти вводять в полімери для досягнення необхідного ступеня зшивки макромолекул, що забезпечує певний комплекс експлуатаційних характеристик полімерних матеріалів.

До зшивальних агентів відносяться тверджувачи смол і вулканізуючі агенти гум. Для зшивання каучуків застосовують сірку, селен, фенольні смоли. Тверджувачами епоксидних, поліефірних, фенольних смол служать багатофункціональні сполуки (гліколі тощо) і речовини, що викликають процеси полімеризації (пероксиди та ін.).

Порооутворюючі речовини (порофори) служать для надання полімерному матеріалу звуко- і теплоізоляційних властивостей, зниження об'ємної маси, підвищення точності деталі. При переробці полімерів порофори розкладаються з утворенням газоподібних продуктів.

До спеціальних інгредієнтів відносять:

- технологічні мастильні матеріали, що полегшують витяг полімерних виробів з прес-форми;

- речовини, що зменшують горючість полімерів (антипірени);

- речовини, що знижують статичну електризацію полімерів (антистатики);

- речовини, що усувають біологічну пошкоджуваність полімерів (антимікробні добавки);

- речовини для надання спеціальних властивостей (наприклад. водонепроникності) текстильним виробам.

Властивості пластмас залежать від складу окремих компонентів, їх поєднання і кількісного співвідношення, що дозволяє змінювати характеристики пластиків в досить широких межах.

За характером зв'язуючої речовини пластмаси поділяють на термопластичні (термопласти), що одержані з термопластичних полімерів, і термореактивні (реактопласти), які одержують з термореактивних смол. Термопласти є зручними при переробці у виріб, дають незначну усадку при формуванні (1-3 %). Матеріал відрізняється великою пружністю, малою крихкістю і здатністю до орієнтації. Зазвичай термопласти виготовляють без наповнювача. В останні роки стали застосовувати термопласти з наповнювачами у вигляді мінеральних та синтетичних волокон (органопласти).

Термореактивні полімери після затвердіння і переходу зв'язуючого в термостабільне стан тендітні, часто дають велику усадку (10-15 %) при переробці, тому в їх склад вводять підсилюючі наповнювачі.

По виду наповнювачів пластмаси поділяють на порошкові (карболіти), з наповнювачами у вигляді деревного борошна, графіту, тальку тощо; волокнисті, з наповнювачами у вигляді сміття, бавовни і льону (волокніти); скляного волокна (скловолокніти); азбесту (азбоволокніти); шаруваті, що містять листові наповнювачі (аркуші паперу у гетинаксі, бавовняна, скляна та азбестова тканина відповідно в текстоліті, склотекстоліті та азботекстоліті, деревний шпон у деревно-шаруватих пластиках); газонаповнені (наповнювач – повітря або нейтральні гази); піно- і поропласти.

По застосуванню пластмаси підрозділяють на силові (конструкційні, фрикційні та антифрикційні) і несилові (оптично прозорі, хімічно стійкі, електроізоляційні, теплоізоляційні, декоративні, ущільнювальні, допоміжні). Однак такий розподіл є достатньо умовним, так як одна і та ж пластмаса може володіти різними властивостями.

Особливостями пластмас є мала густина (1-2 кг/м³); низька теплопровідність (0,1-0,3 Вт/мК), значне теплове розширення, яке в 10-30 разів більше, ніж у сталі; високі електроізоляційні властивості; висока хімічна стійкість; фрикційні та антифрикційні властивості. Міцність силових пластиків порівнювана з міцністю сталі. Пластмаси мають високі технологічні характеристики.

Недоліками пластмас є невисока теплостійкість, низький модуль пружності і ударна в'язкість (в порівнянні з металами і сплавами), а для деяких пластмас – схильність до старіння [2,8,9].