Властивості пігментів

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Властивості пігментів

лакофарбовий теплоізоляційний будівельний

У кольорових покриттях крім кольорів пігмент забезпечує укривність, підвищує атмосферостійкість і твердість, відбиває або поглинає світло, знижує набрякання плівки у воді та ін. У ґрунтовках він сприяє вповільненню корозії металів, заповнює пори деревини, поліпшує адгезію і т.д. У шпаклівках, що містять велику кількість пігментів і наповнювачів, пігменти разом з іншими компонентами сприяють вирівнюванню поверхні, крім того забезпечують високу твердість покриття і здатність шліфуватися. Пігменти, призначені для термостійких фарб, при нагріванні не повинні міняти свої кольори. Наприклад, червона кіновар і деякі органічні пігменти при 150-200 ^оС різко змінюють кольори, а мінеральні пігменти - хромат стронцію, білила титанові й цинкові, залізний сурик та деякі інші - витримують тривале нагревіння при температурі вище 500 °С без зміни кольорів. Як наповнювачі в шпаклівки, ґрунтовки, фарби й емалі вводять барит (важкий шпат), каолін (глину), кремнезем, тальк, слюду та інші, звичайно слабкобарвні мінеральні сполуки. Наявність тальку у фарбах знижує швидкість седиментації пігментів і полегшує розмішування осаду на дні тари, а також підвищує атмосферостійкість покриттів. Слюда -- досить ефективний наповнювач для термостійких, кремнійорганічних емалей. Вона підвищує термостійкість покриття на 50-100 °С. Пластинчасті часточки слюди немовби армують плівку покриття, локалізуючи внутрішні напруження, які виникають у ній при старінні й перепадах температури. Барій і тальк вводять у ґрунтовки, призначені для ґрунтування деревини. Вони сприяють поліпшенню якості й декоративних властивостей поверхні. Крейда в сполученні з іншими наповнювачами й пігментами широко застосовується в шпаклівках, призначених для виробів, експлуатованих у приміщеннях.

Осад на дні банки з лакофарбовим матеріалом може утворюваться в результаті осадження твердих часток пігментів. Швидкість осадження залежить від їхніх розмірів, прискорення сили тяжіння, різниці в щільності твердих часток і рідини й в'язкості середовища. Здавалося б, якщо частки будуть досить дрібними (2-4 мкм), то осад не утвориться. Але дрібні часточки можуть під впливом сил Ван-дер-Ваальса притягатися одна до одної з утворенням великих агломератів, які швидко осаджуються. Щоб цього не відбувалося, частки пігменту обробляють поверхнево-активними речовинами в процесі їх помелу. Такі речовини містять у молекулі полярні аніонні угруповання, що зв'язані з неполярним вуглеводним ланцюгом з 10-12 атомів вуглецю. Існують також поверхнево-активні речовини, вибір яких залежить від полярності пігменту, наприклад оліати циклічних амінів, лецитин, сульфати жирних кислот та ін. При диспергуванні пігментів у присутності поверхнево-активних речовин останні внаслідок їх високої поверхневої енергії «розклинюють» агломерати (грудочки) пігментів, що різко прискорює процес їхнього подрібнювання. У результаті енергоємність процесу диспергування знижується в 1,5-2,0 раза. Пігменти, оброблені таким способом, перебуваючи у фарбі, менше піддані седиментації (осадженню). Седиментацію можна сповільнити, вводячи поверхнево-активні добавки безпосередньо у фарбу. Якби щільності розчину зв'язуючого й пігментів були однакові, седиментація б не відбувалася. Однак щільність пігментів в кілька разів більша щільності розчину, тому вони завжди прагнуть осісти на дно банки з фарбою. Причому пігменти з більшою щільністю, а також більші частки осядуть на дно порівняно швидко, а більш легкі й більш дрібні залишаться у завислому стані.

Укривність пігменту характеризується витратою пігменту (у грамах) до площі поверхні (1 м²), яку укривають фарбою. Барвна здатність визначається мінімальною кількістю пігменту, необхідною для надання свого колірного тону суміші з білим пігментом. Тонкість помелу пігменту впливає як на укривність, так і на барвну здатність: зі збільшенням дисперсності пігменту підвищуються його укривність і барвна здатність. Пігменти мають також певну маслоємкість, що характеризується кількістю плавкоутворювача, що слід додати до 100 г пігменту, щоб одержати барвну пасту необхідної консистенції. Чим менша маслоємкість пігменту, тим економічніше й довговічніше лакофарбове покриття. Важливими властивостями пігментів є світло- й атмосферо стійкість, хімічна стійкість, що визначають можливість їхнього застосування в різних умовах. Крім того, для багатьох пігментів потрібна певна антикорозійна стійкість, тобто здатність захищати метали від корозії і не реагувати з продуктами корозії.

2. Зв'язувальні речовини (плівкоутворюючі)

Зв'язувальними називають речовини, що створюють із пігментами барвисті сполуки й додають після висихання на пофарбованій поверхні тонку плівку декоративного або антикорозійного призначення. Зв'язувальні речовини, які використовують для приготування барвистих сполук, можуть бути умовно розділені на такі основні групи: для масляних фарб, для водних і емульсійних фарб. Основні властивості лакофарбових сумішей, такі як зручнонаносимість, міцність і стійкість, значною мірою залежать від виду зв'язувальної речовини й відносного вмісту його у складі фарби.

Зв'язувальною речовиною для масляних сполук служать висихаючі рослинні й мінеральні олії, синтетичні смоли й масляні лаки. Залежно від виду зв'язуючої речовини лакофарбові плівки висихають за рахунок окислювання рослинних масел, випару летучих розчинників або полімеризації синтетичних смол. Час повного висихання плівки не повинен перевищувати 24 годин.

Оліфа - є масляна рідина, яка після нанесення на поверхню висихає з утворенням міцної еластичної плівки. Промисловість випускає натуральні, напівнатуральні й штучні оліфи. Натуральні оліфи одержують шляхом варіння при температурі близько 200 °С рослинних масел (лляного, конопляного та ін.) із введенням сикативів-окислювачів, що сприяють прискоренню висихання оліфи. Натуральні оліфи утворюють міцні й довговічні плівки, їх застосовують для приготування високоякісних фарб, які використовують для фарбування металевих конструкцій, дверних полотен, віконних плетінь, дощатих підлог й ін. Однак з урахуванням економії дорогих рослинних масел уживання їх у будівництві обмежене.

Напівнатуральні оліфи (ущільнені) складаються приблизно наполовину з рослинних масел, згущених нагріванням, а наполовину з летучих органічних розчинників (уайт-спіриту або сольвент-нафти), менш дорогих, ніж рослинні масла. Ущільнені оліфи випускають наступних видів: оліфа оксоль, оксоль-суміш, оліфа полімерізована та ін. Плівки, що утворюються після висихання напівнатуральних оліф, відрізняються від плівок натуральних оліф меншою товщиною, більше сильним глянцем і підвищеною твердістю, але дещо меншою довговічністю.

Напівнатуральні оліфи поширені в будівництві для розведення олійних фарб до необхідної консистенції. Отримані барвисті сполуки використовують для зовнішнього й внутрішнього фарбування металів, дерева й штукатурки.

Штучні оліфи виготовляють з нафтопродуктів без введення рослинних масел (сланцева оліфа) або із введенням їх у кількості до 35 % (гліфталева оліфа). Ці оліфи мають темні кольори й володіють порівняно низькою атмосферо- і вологостійкістю. З них готують барвисті сполуки для внутрішнього фарбування металів, дерева й штукатурки.

Лаки масляні одержують розчиненням природних або штучних смол у рослинних маслах, що висихають. Для прискорення висихання вони містять сикативи й розчинники. Смола надає плівці покриття блиск і твердість, сикативи забезпечують швидке висихання, а розчинники -- необхідну малярську консистенцію. Масляні лаки застосовують як зв'язуюче для приготування емалевих фарб, що характеризуються підвищеною стійкістю до атмосферних впливів.

Зв'язуючі для водних фарбових сумішей за походженням бувають мінеральні, тваринні, рослинні, штучні й синтетичні. Ці зв'язуючі, за винятком деяких мінеральних видів, утворюють на пофарбованій поверхні плівку за рахунок випару води.

Для приготування водних фарбових сумішей використовують такі мінеральні в'яжучі: портландцемент, вапно й рідке калієве скло. У більшості випадків доцільно вживати білий портландцемент. Будівельне вапно у водних фарбах є одночасно білим пігментом і в'яжучим. Звичайно використовують високоактивне свіжогашене вапно. Натрієве або калієве рідке скло служить в'яжучим у силікатних фарбах, якими фарбують фасади будинків і поверхні внутрішніх приміщень.

Клеї теж застосовують для приготування водних фарб. Використовують тваринні, рослинні, штучні й синтетичні клеї.

Тваринний клей буває кістковий і міздровий. Одержують плитковий і дроблений клей, а також клей-холодець. Клей не повинен мати гнильного запаху, нальотів цвілі, повинен розпливатися при зануренні в підігріту воду. Клей зберігають у сухому місці.

Казеїновий клей -- порошок, що складається із суміші казеїну, гашеного вапна й мінеральних солей. При змішуванні клею з водою в пропорції за масою 1:2 утворюється однорідний розчин. Зберігати клей рекомендується в сухому приміщенні. Застосовують його як зв'язуючу речовину у фарбах із лугостійкими пігментами, а також для клейових ґрунтовок і шпаклівок.

Рослинний клей одержують шляхом заварювання в окропі крохмалю, борошна або декстрину. Він призначений для клейових фарб, ґрунтовок і шпаклівок, а також для наклеювання шпалер.

Синтетичні клеї -- натрій-карбоксіметилцелюлоза (КМЦ) і метилцелюлоза є розчинами штучних смол у воді. Ці клеї мало піддаються гниттю, здатні набухати й розчинятися у воді. Їх використовують у клейових і мінеральних фарбах, при обклеюванні стін шпалерами.

Полівінілацетатний клей застосовують у вигляді спиртоводних розчинів і розведених водою емульсій для приклеювання плівкових матеріалів й шпалер, що миються.

Емульсії поширені у виробництві малярських робіт як зв'язуюче. Масляні емульсії виготовляють в емульгаторах з оліфи, вапняного молока й розчину тваринного клею або інших компонентів. Розводити емульсію до робочої консистенції рекомендується безпосередньо перед застосуванням. Використання емульсійних фарбових сумішей дозволяє заощаджувати натуральні оліфи.

Сикативи - розчини металевих солей жирних кислот в органічних розчинниках. Їх додають у кількості 5...8 % за масою до оліф і масляних фарб для прискорення висихання їхніх плівок. Олійні фарби виготовляють шляхом ретельного розтирання оліфи з пігментами у спеціальних машинах. При цьому одержують густу пасту, яку називають густотертою фарбою. Перед уживанням її розводять.

Нітролаки - розчини нітроцелюлози в органічних розчинниках з додаванням як пластифікаторів різних смол. Нітролаки швидко твердіють і дають блискучу плівку. Застосовують їх для лакування пофарбованих і незабарвлених виробів з дерева.

Спиртові лаки й політура є спиртовими розчинами природних і штучних смол. Виготовляють їх різних колірів, застосовують для полірування дерев'яних поверхонь і покриття виробів зі скла й металу.

Емалеві фарби (емалі) виготовляють шляхом перетирання сухих пігментів з алкідними, гліфталевими, пентафталевими та іншими лаками. Випускають їх у готовому для застосування вигляді й наносять на поверхню, яку фарбують, кистями, валиками або фарбопультами. Емалеві фарби, нанесені тонким шаром на поверхню різних матеріалів, швидко висихають і мають високу світло-, водо- і антикорозійну стійкість.

Гліфталеві емалеві фарби мають обмежену водостійкість, через що їх використовують для обробки внутрішніх приміщень, металу, деревини, бетону і штукатурки. Вони не рекомендуються у приміщеннях з вологим режимом експлуатації.

Пентафталеві емалеві фарби застосовують для високоякісного зовнішнього фарбування по металу, дереву, бетону й штукатурці, а також для фарбування санітарно-технічних вузлів і кухонь.

Алкідно-стирольні емалеві фарби мають гарну водостійкість, твердість і блиск, але вони недостатньо атмосферостійкі. Їх застосовують для фарбування дверних і віконних блоків, радіаторів, виробничого устаткування.

Нітроемалеві фарби -- швидковисихаючі. Їх наносять на дерев'яні й металеві поверхні, раніше покриті нітрогрунтовочними сполуками.

Водорозріджені фарби випускають на мінеральній основі, клейові, водоемульсійні (латексні) й полімерцементні.

Фарби на мінеральній основі -- суміші лугостійких пігментів і мінеральної в'яжучої речовини з різними добавками, розведені водою до стану малярської консистенції. Залежно від виду в'яжучого ці фарби бувають цементними, вапняними й силікатними.

Цементні фарби заводського виготовлення безпосередньо перед застосуванням змішують з водою. Вони характеризуються підвищеною довговічністю й атмосферостійкістю. Ці фарби служать для зовнішнього фарбування каменю, цегли, бетону, штукатурки та інших пористих матеріалів, а також для фарбування внутрішніх приміщень з підвищеною вологістю.

Вапняні фарби готують на місці виконання малярських робіт. Для цього у вапняне молоко додають мінеральні лугостійкі пігменти й у невеликій кількості добавки -- поварену сіль й хлористий кальцій. Вапняні фарбові покриття набувають міцність завдяки карбонізації вапна. Вапняними фарбами покривають фасади й оштукатурені поверхні стін і стель.

Силікатні фарби - це сухі суміші лугостійких пігментів з меленою крейдою, які змішують перед застосуванням з розчином калієвого рідкого скла. Їх широко використовують для фарбування фасадів будинків, цегельних й оштукатурених поверхонь внутрішніх приміщень.

Клейові фарби складаються із суміші пігментів і меленої крейди. Їх замішують водяними розчинами тваринного або рослинного клею. Ці фарби неводостійкі, тому вони застосовуються тільки для фарбування оштукатурених стін внутрішніх сухих приміщень.

3. Маркування лакофарбових матеріалів

На етикетках банок з фарбами можна прочитати такі маркіровки: ГФ-020, ПФ-0030, ЭП-140, ДО-811, тощо. Для того щоб споживачі легко могли зрозуміти, який вид фарби перед ними, розроблена система позначень лакофарбових матеріалів. Всі матеріали поділяються на 26 типів залежно від природи плівкоутворювальної речовини. Кожен тип має літерне позначення: нітроцелюлозні -Нц, гліфталеві - Гф, перхлорвінілові - Хв, поліуретанові - Ур, кремнійорганічні - Ко, поліакрилатні - Ак, каучукові - Кч, масляні - Ма тощо. Алецього недостатньо для того, щоб зрозуміти призначення матеріалу, тому що ґрунтовка може виготовлятися й на основі гліфталевого ГФ в'яжучого, і на основі акрілатного АК, і на основі кремнійорганічного ДО і т.д. Тому в позначення входять цифри, що свідчать про призначення лакофарбового матеріалу, наприклад: ґрунтовка - 0; шпаклівка - 00; атмосферостійкі матеріали - 1, обмежено атмосферостійкі (для приміщення) - 2; водостійкі - 4; спеціальні - 5; маслобензостійкі - 6; хімічно стійкі - 8; електроізоляційні - 9. Наступні цифри позначають номер рецептури, під яким вона значиться на заводі, який виготовляє лакофарбові матеріали.

Дивлячись на позначення (марку) лакофарбового матеріалу, легко можна уявити, що перед вами. Наприклад, Гф-020 - це гліфталева (ГФ) ґрунтовка (0) рецептури № 20; Ак-070-поліакрилатна (АК) ґрунтовка (0) рецептури № 70; Эп-140-епоксидна (ЭП) атмосферостійка (1) рецептури № 40; Ко-811-кремнійорганічна (ДО) термостійка (8) рецептури № 11 тощо.

За властивостями і призначенням всі лакофарбові матеріали можна поділити приблизно на 24 групи, кожна з яких містить кілька марок матеріалів, об'єднаних своїми специфічними властивостями, наприклад термостійкістю, або атмосферостійкістю, або хімічною стійкістю тощо.

В усьому світі безупинно ведуться роботи із синтезу нових лакофарбових матеріалів, удосконалюються методи нанесення й вивчається механізм захисної дії лакофарбових покриттів. Особлива увага приділяється створенню лакофарбових матеріалів, що не містять токсичних і горючих органічних розчинників.

4. Полімерні, гідро- і теплоізоляційні будівельні матеріали

4.1 Полімерні матеріали

Полімери - високомолекулярні сполуки (ВМС), речовини з великою молекулярною масою (від декількох тисяч до декількох мільйонів), в яких атоми, сполучені хімічними зв'язками, утворюють лінійні або розгалужені ланцюги, а також просторові тривимірні структури. До полімерів належать численні природні сполуки: білки, нуклеїнові кислоти, целюлоза, крохмаль, каучук та інші органічні речовини. Велику кількість полімерів одержують синтетичним шляхом на основі найпростіших елементів природного походження шляхом реакцій полімеризації, поліконденсації і хімічних перетворень.

Залежно від будови основного ланцюга полімери діляться на лінійні, розгалужені, й просторові структури. Лінійні й розгалужені ланцюги можна перетворити в тривимірні дією хімічних агентів, світла, і радіації, а також шляхом вулканізації. Лінійні ВМС можуть мати як кристалічну, так й аморфну (склоподібну) структуру. Розгалужені й тривимірні полімери, як правило, є аморфними. При нагріванні вони переходять у високоеластичний стан подібно до каучука, гуми та інших еластомірів. При дії особливо високих температур, окислювачів, кислот і лугів органічні й елементоорганічні ВМС піддаються поступовому розкладанню з утворенням газоподібних, рідких і твердих сполук.

Фізико-механічні властивості лінійних і розгалужених полімерів багато в чому пов'язані з міжмолекулярною взаємодією за рахунок сил побічних валентностей. Наприклад, молекули целюлози взаємодіють між собою по всій довжині молекули, це явище забезпечує високу міцність целюлозних волокон. Розгалужені молекули крохмалю взаємодіють лише окремими ділянками, тому не здатні утворювати міцні волокна. Особливо міцні волокна дають багато синтетичних полімерів, лінійні молекули яких розташовані уздовж осі розтягання (поліаміди, поліефіри, поліпропілен та ін.). Тривимірні структури можуть лише тимчасово деформуватися при розтяганні, якщо вони мають порівняно рідку сітку (подібно гумі), а при наявності густої просторової сітки вони бувають пружними або крихкими залежно від будови.

ВМС діляться на дві великі групи: гомоланцюжні, якщо ланцюг складається з однакових атомів (у тому числі карболанцюжні, що складаються тільки з вуглецевих атомів), і гетероланцюжні, коли ланцюг включає атоми різних елементів. Усередині цих груп полімери підрозділяються на класи відповідно до прийнятими в хімічній науці принципами. Так, якщо в основну або бічні ланцюги входять метали, сірка, фосфор, кремній та ін., полімери належать до елементоорганічних сполук.

Полімерні матеріали поділяються на три основні групи: пластичні маси, каучуки, хімічні волокна. Вони широко застосовуються в багатьох областях людської діяльності, задовольняючи потреби різних галузей промисловості, сільського господарства, медицини, культури й побуту.

4.2 Властивості полімерів

Механічні властивості. Одна з основних особливостей полімерів полягає в тому, що окремі відрізки ланцюгів (сегменти) можуть переміщуватися шляхом повороту навколо з'єднання й зміни кута. Такий зсув не вимагає великої енергії і відбувається при невисокій температурі. У той же час більша довжина скривлених і спіралеподібних молекул, їх розгалуження і взаємна зшивка утруднюють зсув, внаслідок чого полімер набуває властивості твердого тіла.

Полімерам поряд зі звичайною пружною деформацією властива високоеластична деформація, що стає переважною при підвищенні температури. Перехід з высокоеластичного стану в склоподібне, що характеризується лише пружною деформацією, називається склуванням. Температура склування різних полімерів перебуває в межах 130...300 ^оС.

Найбільш еластичні полімери - еластомери (каучуки) мають модуль пружності E=10 МПа, тому навіть високомодульні полімери уступають за твердостю металам у десятки й сотні разів. Цей недолік вдається значною мірою перебороти введенням у полімер волокнистих і листових наповнювачів.

Особливістю полімерів є також те, що їх міцність залежить від часу, тобто гранична деформація встановлюється не відразу після навантаження. Така сповільнена реакція їх на механічні напруження обумовлена інерційністю процесу.

Теплофізичні властивості. Коефіцієнт теплопровідності полімерів значно нижчий, ніж інших твердих тіл, близько 0,2...0,3 Вт/(м·К), тому вони є теплоізоляторами. Висока еластичність полімерів і порівняно невеликий інтервал робочих температур дозволяє широко використовувати їх у вигляді плівок, нанесених на поверхню різних матеріалів.

Діапазон температур, при яких можна експлуатувати полімери без погіршення їх механічних властивостей, обмежений. Теплостійкість більшості полімерів, дуже низка - тільки 320...400 К і обмежується початком розм'якшення (деформаційна стійкість). Крім втрати міцності підвищення температури може викликати й хімічні зміни в складі полімеру, що проявляються як втрата маси. Здатність полімерів зберігати свої сполуки при нагріванні кількісно характеризується відносним зменшенням маси при нагріванні до робочої температури. Припустимим значенням втрати маси вважається 0,1...1 %. Полімери, стійкі при 500 ^оС, вважаються теплостійкими, а при 600...700 ^оС - високонагрівостійкими.

Хімічні властивості. Для полімерів характерна висока стійкість стосовно неорганічних реактивів і менша - до органічних. У принципі, всі полімери нестійкі в середовищах, що мають різко виражені окислювальні властивості, але серед них є й такі, хімічна стійкість яких вища, ніж золота й платини. Тому полімери широко використовуються як контейнери для особливо чистих реактивів і води, захисту й герметизації радіокомпонентів, напівпровідникових приладів й ИС.

Полімери виконують роль захисту металевих поверхонь від корозії у випадках, коли:

товщина шару велика;

полімер пасивує активні (дефектні) центри металу, тим самим придушуючи корозійну дію вологи, що проникає до поверхні металу.

Герметизуючі можливості полімерів обмежені, а їхня дія, що пасивує не є універсальною. Тому полімерна герметизація застосовується в невідповідальних виробах, що експлуатуються у сприятливих умовах.

Для більшості полімерів характерне старіння -- необоротна зміна структури й властивостей, що призводить до зниження їх міцності. Сукупність хімічних процесів, що приводять під дією агресивних середовищ (кисень, озон, розчини кислот і лугів) до зміни будови й молекулярної маси, називається хімічною деструкцією. Найпоширеніший її вид - це термоокислювальна деструкція, відбувається під дією окислювачів при підвищеній температурі. При деструкції не всі властивості деградують рівною мірою: наприклад, при окислюванні кремнійорганічних полімерів їх діелектричні параметри погіршуються несуттєво, тому що Si окисляється до оксиду, що є гарним діелектриком.

Електричні властивості. Як правило, полімери є діелектриками, за багатьма параметрами кращими в сучасній техніці. Величина питомого об'ємного опору залежить не тільки від будови, але й від вмісту іонізованих домішок -- аніонів Сl^-, F^-, I^-, катіонів Н⁺, Na⁺ та інших, які найчастіше вводяться в смолу разом з модифікаторами й добавками, що сприяють твердінню. Їхня концентрація може бути високою, якщо реакції твердіння не були доведені до кінця. Рухливість цих іонів різко збільшується з підвищенням температури, що приводить до падіння питомого опору. Наявність навіть малої кількості вологи здатна значно зменшити питомий об'ємний опір полімерів. Це відбувається тому, що розчинені у воді домішки дисоціюють на іони, крім того, присутність води сприяє дисоціації молекул самого полімеру або домішок, наявних у ньому. При підвищеній вологості значно зменшується питомий поверхневий опір деяких полімерів, що обумовлено адсорбцією вологи.

Будова макромолекул, характер їхнього теплового руху, наявність домішок або спеціальних добавок впливають на вид, концентрацію і рухливість носіїв. Так, питомий опір поліетилену підвищується в 10...1000 разів після очищення від низькомолекулярних домішок.

З метою одержання матеріалу із заданими механічними, електричними й теплофізичними властивостями широко застосовуються композиції, що складаються з полімеру, наповнювачів та інших добавок. У таких полімерах спостерігається й міграційна поляризація.

Для полімерів характерні процеси нагромадження поверхневих зарядів -- електризація. Ці заряди виникають у результаті тертя, контакту з іншим тілом, електролітичних процесів на поверхні. Механізми електризації до кінця неясні. Одним з них є виникнення при контакті двох тіл так званого подвійного шару, що складається із шарів позитивних і негативних зарядів, розташованих один проти другого. Можливо також утворення на поверхні контактуючих матеріалів тонкої плівки води, в якій є умови для дисоціації молекул домішок. При зіткненні або терті руйнується плівка води з подвійним шаром і частина зарядів залишається на роз'єднаних поверхнях. Електролітичний механізм нагромадження зарядів при контактуванні має місце в полімерних матеріалах, на поверхні яких можуть бути низькомолекулярні іоногені речовини - залишки каталізаторів, пилу, вологи.

Технологічні властивості. Приналежність полімерів до термопластичного або термореактивного виду багато в чому визначає і способи їх переробки у вироби. Співвідношення їх випуску приблизно 3:1 на користь термопластичних матеріалів, але слід враховувати, що термореактивні полімери, як правило, використаються в суміші з наповнювачами, частка яких може досягати 80 %. Тому в готових виробах співвідношення виявляється зворотним: більша їх кількість -- реактопласти. Це обумовлено високою технологічністю фенолформальдегідних, поліефірних і особливо епоксидних смол. У виробництві останніх одержання полімеру вдається призупинити на початковій стадії, коли молекулярна маса становить усього 50...1000. Такі речовини за довжиною ланцюга середні між мономерами й полімерами, що мають низьку в'язкість, називаються олігомерами. Саме їхня поява зробила в 60-ті роки ХХ ст. переворот у технології переробки полімерів у вироби, що раніше ґрунтувалася на застосуванні тиску.

Достоїнство олігомерів - низька в'язкість, дає змогу формування виробів при мінімальному зусиллі пресування або взагалі без нього, під дією власної ваги. Більше того, навіть у суміші з наповнювачами олігомери зберігають плинність, що дозволяє накидати матеріал на поверхню макета, не застосовуючи тиску, одержувати деталі великих розмірів складної форми. Низька в'язкість олігомерів дозволяє також просочувати аркуші тканини, а їхнє склеювання під пресом й затвердження лежить в основі виробництва шаруватих пластиків - основ друкованих плат. Олігомери, як жоден полімер, підходять для просочення і наклейки компонентів, особливо коли застосування тиску неприпустиме. Для зниження в'язкості в олігомер можна вводити добавки, які сприяють підвищенню пластичності, негорючості, біологічній стійкості й т.п. Застосовувана для цих цілей смола найчастіше є сумішшю різних речовин, що не завжди зручно готувати на місці, на підприємстві-споживачі, через необхідність змішувального й дозуючого устаткування, пожежонебезпеки, токсичності та інших обмежень. Тому одержали поширення компаунди-суміші олігомерів з добавками, що сприяють твердінню та іншими добавками, повністю готові до вживання і мають при звичайній температурі достатню життєстійкість. Компаунди - рідкі або тверді легкоплавкі матеріали - формуються у виріб, після чого при підвищеній температурі проводиться затвердіння і утворення просторової структури.

Якщо вироби на основі термореактивних смол одержують методом гарячого пресування, то композицію, що містить, крім смоли ще рубане скловолокно або який-небудь порошкоподібний наповнювач та інші добавки, готують заздалегідь, вона надходить споживачеві у вигляді гранул або порошку, так званим пресувальним матеріалом або прес-порошком.

Технологічні властивості як термореактивних, так і термопластичних полімерів характеризуються плинністю (здатністю до грузлого плину), усадкою (зменшенням лінійних розмірів виробів стосовно розмірів формуючого інструменту), таблетованість (для прес-порошків).

Незвичайні властивості сумішей рідких смол з дрібнодисперсними наповнювачами, частки яких мають асиметричну форму (тальк, слюдяне борошно, аеросил - колоїдний SiО₂), проявляються в тому, що в спокійному стані вони мають високу в'язкість, властиву гелям, а при механічному впливі (перемішуванні або струшуванні) переходять у рідкий стан. Суміші, що мають цю властивість, називаються тиксотропними. Тиксотропні компаунди знайшли широке застосування для захисту радіодеталей найбільш простим методом - занурення. В'язкість компаунда знижують за допомогою вібрації (нагрівання не потрібно). При витягу деталі з рідкої суміші з одночасним струшуванням, надлишок її стікає, а частина, що залишилася після витягу, знову гелірує, утворюючи рівномірне за товщиною покриття, що не містить міхурів і здуттів, тому що виріб і компаунд не нагріваються. Тиксотропні властивості деяких полімерних композицій використовують також при виготовленні спеціальних фарб і клеїв.

Пластмаси (пластики) - матеріали на основі полімерів, які перебувають у період формування виробів у в'язкотекучому або високоеластичному стані, а при експлуатації - у стлоподібному або кристалічному. У пластмасі поряд з полімером можуть знаходитися наповнювачі, причому в термопласти їх вводять рідше й у меншій кількості, ніж у термореактивні. Тому поняття «термопластичний полімер», «термопласт», «пластик» звичайно збігаються.

Основою так званих «ненаповнених» термопластів є полімери, структура яких майже повністю формується при їхньому синтезі в умовах спеціалізованого хімічного виробництва. Можливості регулювання їх властивостей на стадії виготовлення виробів складаються з несуттєвих змін структури, шляхом відпалу або орієнтації, стабілізації й пластифікації за допомогою добавок, що модифікують і змінюють їх властивості. Такими добавками до полімерів є:

стабілізатори, що підвищують стійкість до термоокислювальних процесів, впливу випромінювання, мікроорганізмів і т.п.;

пластифікатори й еластофікатори, що підвищують плинність у в'язкотекучому стані й еластичність у склоподібному (удароміцність);

легуючі полімери, що змінюють ступінь кристалічності, структуру й властивості матриці;

пігменти для фарбування.

Однією з основних ознак термопластів є можливість мати два твердих стани - склоподібний й високоеластичний - і рідкий стан - в'язкотекучій. Обидва переходи - плавлення й скловання є плавними, нерізкими, механічні властивості майже безупинно й оборотно змінюються при зміні температури.

Відзначена вище особливість хімічної структури термопластів обумовлює їх властивості - гнучкість ланцюгів і можливість зміни конформацій, що й пояснює існування в них нового високоеластичного стану, характерного для широкого діапазону температур.

Першим термопластом, що знайшов широке застосування, був целулоїд - штучний полімер, отриманий шляхом переробки природної целюлози. Він зіграв велику роль у техніці, особливо в кінематографі, але внаслідок великої пожежонебезпеки (сполуки целюлози дуже близькі до бездимного пороху) вже в середині XX ст. її виробництво зменшилося майже до нуля.

Розвиток електроніки, телефонного зв'язку, радіо настійно вимагав створення нових електроізоляційних матеріалів з гарними конструкційними й технологічними властивостями. Так з'явилися штучні полімери, виготовлені на основі тієї ж целюлози, названі за першими буквами областей застосування етролами. У наш час лише 2...3 % світового виробництва полімерів становлять целюлозні пластики, тоді як приблизно 75 % - це синтетичні термопласти, причому 90 % з них складають тільки три: полістирол, поліетилен, полівінілхлор.

Полістирол -- неполярний полімер, який широко застосовується в електротехніці, що зберігає міцність у діапазоні температур 210...350 ^оС. Завдяки введенню різних добавок він здобуває спеціальні властивості: удароміцність, підвищену теплостійкість, антистатичні властивості, атмосферостійкість, пінистість. Недоліки полістиролу - крихкість, низька стійкість до дії органічних розчинників (толуол, бензол, четирьоххлористій вуглець), які легко розчиняють полістирол; у парах бензину, скипидару, спирту він набухає.

Полістирол, що вспінюється, широко використовується як теплозвукоізолюючий будівельний матеріал. У радіоелектроніці він знаходить застосування для герметизації виробів, коли треба забезпечити мінімальні механічні напруги, створити тимчасову ізоляцію від впливу тепла, випромінюваного іншими елементами, або низьких температур й усунути їх вплив на електричні властивості, а також -- у бортовій і СВЧ-апаратурі.

Поліетилен -- полімер з широким набором властивостей, використається у великих обсягах, внаслідок чого його вважають королем пластмас. Поліетилен має винятково високу стійкість проти хімічної деструкції: навіть за 10...12 років експлуатації міцність його знижується лише на чверть. Сполучення високих механічних і хімічних властивостей обумовили широке застосування поліетилену в електротехніці, особливо для ізоляції проводів і кабелів.

Крім поліетилену загального призначення випускаються багато його спеціальних модифікацій, серед яких: антистатичний, з підвищеною адгезійною здатністю, светлостабілізований, що самозагасає, інгібітований (для захисту від корозії), електропроводний (для екранування).

Головний недолік поліетилену - низька нагрівостійкість.

Фторопласт (політетрафторетілен -- ПТФЭ) -- один із самих термостійких і холодостійких полімерів, зберігає механічну міцність в інтервалі температур 3...600 ^оС. Густина -- 2,2...2,5 г/см³, відносне подовження - 250...500 %, температура розкладання - не менше 673 ^оС. Питомий опір (10³⁸...10²⁰ Ом·см) мало залежить від вологи і температури. Має високу хімічну стійкість, в том числі до дії впливу морського туману, сонячної радіації, пліснявих грибків. По відношенню до більшості неорганічних й органічних реагентів він настільки пасивний, що методи випробувань на стійкість в цих середовищах відсутні. Фторопласт має також високу радіаційну стійкість, використовується для ізоляції дротів на атомних електростанціях. Такі ж дроти можна використовувати і як нагрівачі, занурені безпосередньо у розчини кислот й лугів. Вони не бояться попадання масел, гасу, гідравлічних рідин при підвищених температурах і широко застосовуються для ізоляції бортових авіаційних кабелів. Мають також переваги і при експлуатації в розрідженій атмосфері, де умови тепловідведення погіршені.

Негорючість фторопласта характеризується тим, що він здатний загорятися тільки в чистому кисні, що різко відрізняє його, наприклад, від поліетилену; теплота згоряння невелика - в 10 разів менша, ніж поліетилену; плавлення при горінні відсутнє, фторопласт у полум'ї тільки обвуглюється; при горінні або тлінні утворюється небагато диму (але дим містить отрутний фторфосген, тому при температурі вище 773 ^оС фторопласт небезпечний); фторопласт горить у відкритому полум'ї, але після його видалення горіння припиняється, тобто він нездатний поширювати горіння. Ці якості свідчать про те, наскільки цінним матеріалом є фторопласт, а також про те, чого в майбутньому можна чекати від полімерів.

У фторопласта є недоліки, які цілком природно продовжують його переваги:

Внаслідок хімічної пасивності він є адгезійно інертнии, тобто важко піддається склеюванню. Але способи подолання цієї інертності вже знайдені. Це або обробка в розплаві окислювачів при Т > 370 ^оС, або в плазмі тліючого розряду в кисні. Завдяки цьому випускаються фольгова ні фторопластові плівки й плівки з однобічним липким шаром.

На відміну від типових термопластів фторопласт при підвищенні температури не переходить у в'язкотекучій стан, його не можна переробляти в екструдерах, тому що в'язкість його при 626 К (350°С) усе ще висока -- близько 10¹⁰ Па·с. Тому плівку готовлять більш дорогим методом строжки на прецизійних токарських верстатах.

Фторопласт має повзучість, погано працює під навантаженням. Механічні властивості його можна поліпшити шляхом радіаційного модифікування й армування скловолокном.

Поліамід -- новий клас термостійких полімерів з високою міцністю, хімічною стійкістю і тугоплавкістю. Поліамідна плівка працездатна при 473К (200°С) протягом декількох років, при 573 К-- 1000 год., при 673 К-- до 6 год. Короткочасно вона не руйнується навіть у струмені плазменного пальника. При деяких специфічних умовах поліамід перевершує за температурною стійкістю навіть алюміній.

Поліамід, на відміну від фторопласта, легко піддається травленню в концентрованих лугах, що дозволяє готувати наскрізні отвори в плівці. Поліамід має підвищене вологовбирання, тому діелектричні втрати зменшуються з підвищенням температури. Поліамід випускається в різних видах:

Плівка товщиною 8...100 мкм, у тому числі фольгована, призначена для гнучких друкованих плат, шлейфів і т.п.

Лак ПАК, стійкий після висихання при 470...520 ^оС, обмежено стійкий при 573 ^оС, короткочасно стійкий при 670 ^оС.

Прес-матеріал для одержання виробів гарячим пресуванням при температурі 590 К^о й тиску 100 МПа.

Пінопласт (пінополіамід) із густиною 0,8...2,5 г/см³, що застосовується в якості тепло- і електроізоляційного матеріалу для температур 90...520 К-

Склопластик на основі поліаміду, стійкий до 670 ^оС, і вуглепластик, що не втрачає механічної міцності при 550 ^оС.

Ізоляційна стрічка, стійка при температурі до 500 ^оС.

Недолік поліаміду -- підвищене вологовбирання (1...3 % за 30 діб.), тому він має потребу в технологічному сушінні (особливо при виготовленні виробів з прес-порошків) і захисту.

Першими реактопластами, отриманими близько 100 років тому, були фенолформальдегідні смоли (ФФС). Компонентами цих смол є фенол і формальдегід, реакція поліконденсації яких відбувається при нагріванні в інтервалі температур 450..470 ^оС. Відомі два типи ФФС - резольні й новолачні, що трохи відрізняються за властивостями. Вихідною сировиною для ФФС є кам'яне вугілля, що й пояснює дешевину й стале зростання виробництва, особливо у вигляді теплоізоляційних пінопластів для будівельної промисловості. Композиції на основі ФФС і рубаного вуглецевого волокна (вуглепресволокніт) мають підвищену нагрівостійкість - короткочасно до 800 ^оС. Широко застосовуються в радіоелектроніці гетинакс і текстоліт - шаруваті пластики на основі ФФС із паперовим і тканинним наповнювачами. Недоліки ФФС - крихкість, висока в'язкість олігомерів і висока температура отвердіння.

Епоксидні смоли -- продукт поліконденсації багатоатомних сполук, що включають епоксігрупу кільцію. Завдяки високій реакційній здатності цих кілець затвердіння епоксидних олігомерів можна здійснювати за допомогою багатьох сполук і в такий спосіб варіювати температурно-тимчасові режими обробки й властивості пластмаси. Життєздатність суміші низька (1...З год), тривалість затвердіння, навпаки, висока - 24 год, причому ступінь полімеризації при цьому лише 60...70 % і продовжує збільшуватися ще протягом 10...30 діб.

Механічна міцність, хімічна стійкість, сумісність з іншими видами смол й олігомерів (ФФС, кремнійорганічними полімерами), великий вибір отверджувачів та інших добавок - якості, які роблять епоксидні смоли незамінними в багатьох галузях техніки. Коли врахувати також їх високі діелектричні й вологозахисні властивості, стає зрозумілим, чому саме епоксидні смоли стали основним герметизуючим матеріалом радіокомпонентів і шаруватого пластика РЭА - стеклотекстоліта. Важливим є й те, що епоксидні олігомери можуть бути очищені від домішок, а що зводить до мінімуму шкідливий вплив на поверхню напівпровідникових приладів. Нарешті, епоксидні смоли в затверділому стані оптично прозорі й широко застосовуються в оптоелектронних приладах (фотоприймачах, світлодіодах, оптопарах).

Властивості епоксидних смол змінюють у широких межах, використовуючи різні добавки, які діляться на наступні групи:

Пластифікатори - органічні сполуки - олігомери, що діють як внутрішнє змащення й поліпшують еластичність, попереджають кристалізацію, відокремлюючи ланцюг полімеру один від одного;

Наповнювачі - у невеликої кількості додаються для поліпшення міцності й діелектричних властивостей, підвищення стабільності розмірів, теплостійкості;

Каталізатори - для прискорення отвердіння;

Пігменти - для надання кольору.

Компаунди можуть бути рідкими й порошкоподібними, вони мають вузьке призначення, тому їх випускають багатьох видів, які можна згрупувати в такий спосіб: герметики, заливальні, просочувальні, еластичні, тиксотропні.

Недоліки реактопластів: непридатність як діелектриків у СВЧ-техниці; неповна відтворюваність технологічних властивостей олігомерів, тому що число епоксигруп мінливо, а це позначається на температурі й тривалості затвердіння.

Шаруваті пластики - композиції, що складаються з волокнистого листового наповнювача (паперу, тканини, склоткани), просочених і склеєних між собою різними полімерними сполуками. Шаруваті пластики відрізняються від інших матеріалів тим, що застосовуваний наповнювач розташовується паралельними шарами. Така структура забезпечує високі механічні характеристики, а використання полімерних сполук - досить високий питомий електричний опір та електричну міцність.

Залежно від виду полімера й наповнювача розрізняють кілька типів шаруватих пластиків, які наведені у табл. 1.

Таблиця 1. Типи шаруватих пластиків

Найбільш дешевим матеріалом діелектричних підстав є гетинакс. Він має високі діелектричні властивості, знаходить широке застосування в побутовій радіоапаратурі. Його недоліком вважається підвищене вологовбирання (1,5...2,5 %) через шари паперу або з відкритих торцевих зрізів, а також крізь полімерне в'яжуче. Випускається гетинакс на основі ацетілірованого паперу, що має підвищену вологостійкість й здатний замінити склотекстоліти.

Текстоліт має більш високу міцність при стиску й ударній в'язкості, тому використовується як конструкційний матеріал. Його випускають не тільки у вигляді листів, але й плит товщиною до 50 мм.

Склотекстоліти завдяки високим властивостям наповнювача мають найбільш високу механічну міцність, теплостійкість й мінімальне вологовбирання. Вони мають кращу стабільність розмірів, а електричні властивості залишаються високими й у вологому середовищі. Внаслідок незвичайної твердості поверхні склотекстоліти зносостійкі. Випускається кілька десятків марок склотекстолітів різного призначення, у тому числі підвищеної нагріво-, тропіко-, гальвано- й вогнестійкості.

Размещено на Allbest.ru