Виды пластмасс и их физико-механические свойства.

Цель работы: определение некоторых физико-механических свойств термопластичных и термореактивных пластмасс.

Краткие сведения из теории.

Пластмассами (пластиками) называются твердые, прочные и упругие материалы, получаемые на основе полимерных соединений и часто формируемыми в изделия методами пластической деформации. Основу пластмасс составляют полимеры, которые определяют свойства и технологический процесс производства пластмассовых изделий. При разработке технологического процесса учитывают влияние теплоты на полимеры. По реакции на теплоту пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные.

Термопластичными пластмассами называют пластмассы, которые с повышением температуры размягчаются или плавятся, при формировании нет никаких химических изменений, по мере охлаждения затвердевают и пластически деформируются при повторном нагреве. Такие пластмассы имеют линейную или разветвленную структуру (рис. 1).

Рис. 1 Форма строения макромолекул полимеров

а- линейная; б- разветвленная; в – сетчатая, пространственная (схема).

Термореактивные полимеры и пластмассы при нагревании и формировании претерпевают существенные химические изменения, затвердевают и утрачивают способность вновь пластически деформироваться, остаются твердыми.

Линейная структура таких полимеров при нагреве необратимо преобразуется в пространственную.

Различие структур макромолекул (линейные, разветвленные, сетчатые (рис. 1)) обуславливает различие свойств полимеров. Например, линейные (полиэтилены, полиамиды и др.) и разветвленные (полиизобутилен и др.) полимеры образовывают анизотропные волокна и пленки и находятся в высокоэластичном состоянии. Редкосетчатые полимеры (резина) обладают упругостью, а густосетчатые (смолы) – повышенной хрупкостью.

По фазовому составу полимеры могут быть аморфными и кристаллическими.

Большинство полимеров содержат как аморфную, так и кристаллическую фазы.

Кристаллическую структуру имеют полимеры с макромолекулами строго регулярной линейной или редкосетчатой формы. Кристаллические полимеры имеют более высокие теплостойкость и механические свойства.

Физико-механические свойства полимеров зависят от их структуры, температуры и физического состояния. Высокая молекулярная масса полимеров способствует образованию одного из трех состояний – стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего. Полимеры в стеклообразном состоянии характеризуются пространственной структурой макромолекул, отличаются твердостью и аморфностью.

Положительными особенностями пластмасс можно считать следующие: простота технологического изготовления изделий из них, высокая устойчивость к агрессивным средам и атмосферным условиям, низкая плотность изделия, высокие теплоизоляционные и диэлектрические свойства. Некоторые пластмассы обладают сравнительно высокой прочностью, хорошими антифрикционными свойствами, износостойкостью, коррозионной стойкостью.

В ряде случаев возможно создание комбинированных деталей металл-пластмасса, при этом возможно использование положительных свойств металла (высокая жесткость и прочность) и положительных свойств пластмасс (стойкость против коррозии, антифрикционные свойства).

Недостаток пластмасс состоит в том, что они склонны к старению, т.е. самопроизвольному необратимому изменению свойств при эксплуатации и хранении в направлении их ухудшения.

В состав пластмасс входят: связующее вещество, наполнители, пластификаторы, отвердители, катализаторы, ингибиторы, красители и др.

Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.

Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель.

Наполнители влияют на свойства пластмасс, в том числе и на механические. Наполнители могут быть органическими или минеральными в виде порошков, волокон, листов (сажа, целлюлоза, асбест, очесы хлопка или льна, стекловолокно, бумага, ткани и др.). Органические наполнители повышают прочность, снижают хрупкость, но ухудшают термостойкость и водостойкость пластмасс. Минеральные наполнители повышают прочность, водостойкость, химическую активность, тепло- и электроизоляционные свойства пластмасс. Однако часто наполнители увеличивают хрупкость и плотность. Наполнители подразделяются на порошковые (карболиты), волокнистые (волокниты), слоистые (листовые).

Пластификаторы обуславливают увеличение пластичности или расширяют температурный интервал вязкотекучего состояния пластмасс. В качестве пластификаторов часто используют стеарин, олеиновую кислоту, дибутилфтолат и др.

Отвердители вводят в термореактивные пластмассы для ускорения отверждения их. Для этой цели используют амины или катализаторы (перекисные соединения).

Красители минеральные или органические обеспечивают заданный цвет пластмасс.

Стабилизаторы препятствуют старению пластмасс. В качестве стабилизатора часто используют сажу.

Парообразователи превращаются при температуре формообразования в газообразное состояние, в результате чего образуются поры в таких пластмассах, как поролон, пенополиуретан, пенополистирол и др.

Смазывающие вещества вводят для уменьшения прилипания пластмассовых изделий к металлическим частям пресс-форм.

Рассмотрим некоторые виды термореактивных пластмасс, свойства которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства термореактивных пластмасс

Свойства	Полиэтилен	Полипро-пилен	Полистирол	Фторопласт	Органи-ческое стекло	Вини-пласт	Поли-амиды

Плотность, г/см³	0,92- 0,96	0,9	1,05-1,1	2,15-2,35	2,1-2,16	1,2	1,4	1,1-1,14
Рабочая температура, °С:
максимальная минимальная	+120 -70	+150 -15	+80 -20	+250 -270	+125 -195	+60 -60	+65 -40	+60..+110 -35
s_в МПа	12....38		35...40	14...31	30...50		40...60	25...70
s_сж, МПа	—				50...57		80...160	70...90
s_изг, МПа	12...38		50...100		60...80		80...120	18...100
Относительное удлинение, %	150...900	100...400	0,4...3,5	250...350		2,5...4,0	10..50
Ударная вязкость, Дж/см²	не ломается	33..80	10…22		20..160		50...100	100…130

Полиэтилен. Различают полиэтилен низкого (степень кристаллизации 80…90%) и высокого давления (степень кристаллизации 55…65%).

К характерным свойствам полиэтилена относят высокую химическую стойкость, хорошие диэлектрические свойства, низкую стойкость к атмосферным влияниям и к ультразвуковому облучению. Полиэтилен защищают от разрушения путем ввода стабилизаторов.

Изделия из полиэтилена получают литьем под давлением, горячим прессованием, обработкой давлением.

Полиэтилен используют для производства труб и арматуры, емкостей, пленочных материалов, изоляции высокочастотных кабелей, из волокон изготавливают канаты, спецодежду.

Полипропилен обладает многими положительными качествами, характерными для полиэтилена. Основной недостаток полипропилена - низкая морозостойкость (-10...-20)⁰ С.

Из полипропилена изготавливают трубы, арматуру, насосы, вентиляторы, емкости, некоторые детали машин, электроизоляционные детали.

Изделия получают литьем под давлением, экструзией (выдавливанием), склеиванием, сваркой и механической обработкой.

Полиметилметакрилат (органическое стекло).

От силикатных органические стекла отличаются низким удельным весом, упругостью, отсутствием хрупкости до -50...-60⁰С, лучшей светопропускаемостью и более простой механической обработкой. Недостатками органических стекол является более низкая поверхностная твердость и низкая теплостойкость. Повышают прочность органических стекол, многоосным растяжением его листов при температуре на 10..15⁰С выше температуры стеклования.

Органическое стекло используют в производстве осветительной аппаратуры, в самолетостроении, оградительных щитков на станках, в часовой и оптической промышленности. В настоящее время используют новые полиакриловые материалы (петралиты), которые по сравнению с полиметилметакрилатом имеют большую теплостойкость, прочность и твердость при повышенной температуре.

К петралитам относятся метралит, авиалит и фокалит. Области использования их аналогичны органическому стеклу.