Характеристика пластмасс

Размещено на http://allbest.ru

Характеристика пластмасс

1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС

Пластические массы (пластмассы, пластики) -- материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться в изделия сложной конфигурации и затем устойчиво сохранять приданную форму. Пластмассы подразделяются на реактопласты и термопласты.

В состав пластмасс, кроме полимера, могут входить минеральные или органические наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, смазывающие вещества и др.

На работоспособность пластмассовых деталей большое влияние оказывает процесс старения пластмасс.

При длительном нагружении пластмассы склонны к ползучести. Это еще более усугубляет временной характер прочностных свойств пластмасс. Поэтому такие понятия, как предел текучести, предел прочности, которые используются при расчетах металлических конструкций, являются для пластмасс весьма условными: нельзя решать вопрос о нагрузочной способности пластмассовых деталей, не учитывая времени, в течение которого деталь должна работать. При производстве изделий из пластмасс технолог должен учитывать не только возможность изготовления детали при выбранном режиме, но и то, как технологический процесс влияет на работоспособность детали в процессе ее эксплуатации. Некоторые положения, которые должны быть приняты за основу при проектировании пластмассовых изделий, можно сформулировать в виде следующих правил.

1. Детали из пластмасс следует проектировать так, чтобы силовые нагрузки приходились на наиболее прочные сечения, т. е. с учетом направления волокон наполнителя или ориентации макромолекул.

2. Не рекомендуется изготовлять из пластмасс детали, которые в процессе эксплуатации длительно подвергаются постоянным нагрузкам (хотя и допускаемым). Пластмассовые детали работают лучше в условиях действия кратковременных нагрузок.

3. При проектировании деталей из пластмасс следует учесть их ограниченную жесткость, для повышения которой следует предусмотреть ребра жесткости или арматуру.

4. Проектировать из пластмассы можно только такие детали, которые будут работать в оптимальном для данной пластмассы температурном режиме с учетом возможного влияния нагружения на термические характеристики материала.

5. Пластмассы не могут быть использованы для изготовления деталей, которые работают под значительной нагрузкой и от которых требуется повышенная точность.

1.1 Достоинства и недостатки пластмасс

Пластические массы обладают многими ценными физическими и химическими свойствами, к числу таких свойств относятся: малый объемный вес (плотность), высокие механическая прочность и идеальные электроизоляционные свойства, оптические свойства, красивый, привлекательный внешний вид, химическая стойкость и др. Так, объемный вес большинства пластмасс равен 1-2 грамм/см3, т. е. в 5-8 раз легче черных металлов, а объемный вес пластмасс, имеющих пористую структуру, равен 0,1-0,3 грамм/см3. Поэтому изделия из пластмасс, как правило имеют значительно меньший вес, чем изделия из металлов. Высокая механическая прочность жестких пластмасс (с наполнителями) и слоистых пластиков позволяет заменять ими металлы и использовать их в качестве конструкционных, универсальных материалов для изготовления различных товаров (канистры, футляры радиоприемников и др.).Некоторые пластмассы (поролон) обладают эластичностью, мягкостью, гибкостью, что позволяет изготовлять из них матрацы, подушки, сиденья для мягкой мебели, губки и т. д.Пористые пластмассы (пенопластмассы) отличаются низким коэффициентом теплопроводности, благодаря чему их используют в качестве теплоизоляционных материалов и в производстве домашних холодильников. Высокие электроизоляционные уникальные свойства многих видов пластмасс (полиэтилена, полистирола и др.) позволяют широко применять их в электро- и радиотехнике в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов. Небольшая твердость пластмасс облегчает их механическую обработку резанием, распиливанием, сверлением и шлифованием. Переработка большинства пластмасс в изделия связана с их нагреванием при определенной температуре и давлении. Размягченные или расплавившиеся пластмассы подвергают прессованию, литью под давлением или обработке другими методами, позволяющими получать изделия различной формы с гладкой, блестящей, хорошо отделанной поверхностью, не требующей дальнейшей обработки и отделки. Многие пластмассы (полистирол, органическое стекло) обладают ионными оптическими свойствами (прозрачностью, бесцветностью, пропусканием ультрафиолетовых лучей и т. д.), что позволяет использовать их для производства оптических приборов, небьющихся стекол и т. д. Изделия из пластмасс отличаются красивым внешним видом и окрашиваются в различные цвета, благодаря этому их имитируют под различные драгоценные, цветные и бесцветные камни.

Большим достоинством пластических масс, по сравнению с металлами, является высокая, устойчивая химическая стойкость пластмасс к действию воды, растворов щелочей и кислот, к коррозии, поэтому, многие пластмассы (полиэтилен, поливинилхлорид) широко используют в машиностроении и строительстве в качестве лучшего антикоррозионного материала.

Некоторые пластмассы (мелалит, полиэтилен и др.) обладают хорошими гигиеническими свойствами, позволяющими изготовлять из них и посуду. Из некоторых пластмасс (полиэтилена, поливинилхлорида) можно получать тонкие пленки, а так же химические волокна (полиэфиры, полиамиды)

Недостатком почти всех пластмасс является малая стабильность формы, обусловленная малой жесткостью, мягкостью (изменение формы под действием внешних нагрузок), высоким значением коэффициента линейного расширения (изменение размеров при колебаниях температуры), быстрым размягчением при повышении температуры (у термопластов). Многие пластмассы набухают в воде, керосине, бензине и минеральных маслах. Некоторые пластмассы (политетрафторэтилен) отличаются свойством хладотекучести (ползучести). Под действием сравнительно небольших напряжений (2 -- 5 МПа) такие пластмассы приходят в состояние текучести даже при умеренных температурах (20 -- 60 °С) и неограниченно изменяют размеры, пока действует нагрузка.

К недостаткам пластмассовых изделий следует отнести также сильное влияние режима формования на их прочностные характеристики. Отклонения от технологического режима приводят к рассеиванию прочностных характеристик в пределах одной и той же партии изделий. У деталей сложной формы наблюдается рассеивание прочностных характеристик из-за неоднородности структуры, обусловленной различием условий формирования и отверждения пластмассового материала в различных участках детали.

2. СОСТАВ ПЛАСТМАСС

пластмасса смола полимеризационный

Пластмассы (полимеры) состоят из макромолекул, в которых более или менее регулярно чередуется большое число одинаковых или неодинаковых атомных группировок, соединенных химическими связями в длинные цепи, по форме которых различают линейные полимеры, разветвленные и сетчато-пространственные.

По составу макромолекул полимеры делятся на три класса:

1) карбоцепные, основные цепи которых построены только из углеродных атомов;

2) гетероцепные, в основных цепях которых, кроме атомов углерода, содержатся атомы кислорода, азота, серы;

3) элементоорганические полимеры, содержащие в основных цепях атомы кремния, бора, алюминия, титана и других элементов.

Макромолекулы обладают гибкостью и способны изменять форму под влиянием теплового движения их звеньев или электрического поля. Это свойство связано с внутренним вращением отдельных частей молекулы относительно друг друга. Не перемещаясь в пространстве, каждая макромолекула находится в непрерывном движении, которое выражается в смене ее конформаций.

Гибкость макромолекул характеризует величина сегмента, т. е. число звеньев в ней, которые в условиях данного конкретного воздействия на полимер проявляют себя как кинетически самостоятельные единицы, например в поле ТВЧ как диполи. По реакции к внешним электрическим полям различают полярные (ПЭ, ПП) и неполярные (ПВХ, полиаксилонитрил) полимеры. Между макромолекулами действуют силы притяжения, вызванные ван-дер-ваальсовым взаимодействием, а также водородными связями, ионным взаимодействием. Силы притяжения проявляются при сближении макромолекул на 0,3--0,4 им.

Полярные и неполярные полимеры (пластмассы) между собой несовместимы -- между их макромолекулами не возникает взаимодействия (притяжения), т. е. они между собой не свариваются.

2.1 Роль различных компонентов в формировании качества пластмасс и изделий

Наиболее распространенными конструкционными пластмассами являются группы термопластов на основе полиолефинов: полиэтилена высокого и низкого давления, полипропилена, полиизобутилена.

Полиэтилен [..--СН₂--СН₂--...]_n высокого и низкого давления -- кристаллические термопласты, отличающиеся между собой прочностью, жесткостью, температурой текучести. Полипропилен [--СН₂--СН(СН₃)--]_n более температуростоек, чем полиэтилен, и обладает большей прочностью и жесткостью.

В значительных объемах используются хлорсодержащие пластики на основе полимеров и сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида.

Поливинилхлорид (ПВХ) [--(СН₂--СНСl--)]_n -- аморфный полимер линейного строения, в исходном состоянии является жестким материалом При добавке к нему пластификатора можно получить очень пластичный и хорошо сваривающийся материал -- пластикат. Из жесткого ПВХ -- винипласта -- изготавливают листы, трубы, прутки, а из пластиката -- пленку, шланги и другие изделия. Из ПВХ изготавливаются также вспененные материалы (пенопласты).

Значительную группу полимеров и пластмасс на их основе составляют полиамиды, содержащие в цепи макромолекул амидные группы [--СО--Н--]. Это в большинстве кристаллические термопласты с четко выраженной температурой плавления. Отечественная промышленность выпускает главным образом алифатические полиамиды, используемые для изготовления волокон, отливки деталей машин, получения пленок. К полиамидам относятся, в частности, широко известные поликапролактам и полнамид-66 (капрон).

Наибольшую известность из группы фторлонов получил политетрафтор-этилен-фторлон-4 (фторопласт 4). В отличие от других термопластов при нагреве он не переходит в вязкотекучее состояние даже при температуре деструкции (около 415°С), поэтому его сварка требует особых приемов. В настоящее время химической промышленностью освоен выпуск хорошо сваривающихся плавких фторлонов; Ф-4М, Ф-40, Ф-42 и др. Сварные конструкции из фторсодержащих пластиков обладают исключительно высокой стойкостью к агрессивным средам и могут воспринимать рабочие нагрузки в широком диапазоне температур.

На основе акриловой и метакриловой кислоты производятся акриловые пластики. Наиболее известная в практике производная на их основе -- пластмасса полнметилметакрилат (торговая марка «плексиглас»). Эти пластики, обладающие высокой прозрачностью, используются как светопроводящие изделия (в виде листа, прутков и т. д.) Нашли применение также сополимеры метилметакрилата и акрилонитрила, которые обладают большей прочностью и твердостью. Все пластики этой группы хорошо свариваются.

Хорошей прозрачностью отличается группа пластиков на основе полистирола. Этот линейный термопласт хорошо сваривается тепловыми способами.

Для изготовления сварных конструкций преимущественно в электротехнической промышленности используют сополимеры стирола с метилстиролом, акрилонитрилом, метилметакрилатом и, в частности, акрилонитрилбутадиенстирольные (АБС) пластики. Последние отличаются от хрупкого полистирола более высокой ударной прочностью и теплостойкостью.

В сварных конструкциях находят применение пластмассы на основе поликарбонатов -- сложных полиэфиров угольной кислоты. Они обладают более высокой вязкостью расплава, чем другие термопласты, однако свариваются удовлетворительно. Из них изготавливают пленки, листы, трубы и различные детали, в том числе декоративные. Характерными особенностями являются высокие диэлектрические и поляризационные свойства.

3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИМЕРИЗАЦИОННЫХ СМОЛ

Полимеризация -- химическая реакция образования макромолекул путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярных веществ (мономеров) к концам цепей растущих макромолекул.

Для начала полимеризации необходимо ее инициирование -- превращение небольшой доли молекул мономера в активные центры, способные присоединять к себе новые молекулы мономера. Для этого в систему вводят специальные вещества (инициаторы или катализаторы полимеризации). Полимеризацию можно также вызвать действием ионизирующего излучения, света (УФ-излучения) или электрического тока.

Рост цепи макромолекулы происходит путем многократного повторения однотипных реакций присоединения молекул мономера () к активному центру ():

Молекулы мономера, входя в состав цепи, образуют ее мономерные звенья. Количество таких звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации. При полимеризации мономера одного типа образуется. (гомополимеризация), при полимеризации мономеров нескольких типов образуется сополимер (сополимеризация).

Рост макромолекулы прекращается при исчерпании мономера в системе или при дезактивации активного центра. Молекулярные массы и степени полимеризации макромолекул, полученных в ходе полимеризации, могут различаться (полидисперсность полимеров). В этом случае набор молекулярных масс макромолекул описывается молекулярно-массовым распределением.

Полимеризацию осуществляют различными способами, отличающимися по агрегатному состоянию полимеризуемой системы. Выбор способа проведения полимеризации определяется задачами, которые ставятся при осуществлении процесса, предъявляемыми к получаемому продукту требованиями, природой компонентов полимеризационной системы, технологическими требованиями и т. п.

Простейшим случаем является полимеризация жидкого мономера в отсутствие растворителя -- полимеризация в массе. Преимуществом этого способа является возможность использования блоков полимера без последующей переработки и отсутствие стадии отделения растворителя, а основным недостатком -- сложность отвода выделяющегося при реакции тепла. Другой распространенный способ гомогенной жидкофазной полимеризации -- полимеризация в растворе, проблема теплоотвода в котором решается достаточно эффективно, однако очистка от растворителя -- основной технологический недостаток. Полимеризацию в массе и в растворе можно проводить под действием инициаторов как радикального, так и ионного типов.

Большое промышленное распространение получила полимеризация в водных эмульсиях и суспензиях. В первом случае мономер диспергируют в воде в присутствии эмульгаторов, а для инициирования, как правило, используют водорастворимые инициаторы (чаще всего окислительно-восстановительные системы, эффективные при низких температурах). Эмульсионная полимеризация, в механизме которой важная роль принадлежит адсорбционным слоям эмульгатора на поверхности мономер-полимерных частиц, отличается возможностью осуществлять процесс с высокой скоростью при низких температурах и получать продукт большой молекулярной массы. При суспензионной полимеризации мономер. в виде капель размером 1-1000 мкм и полимеризуют под действием растворимого в мономере инициатора. При эмульсионной полимеризации полимер получают в виде латекса, при суспензионной -- в виде крошки. Недостатками обоих способов являются образование больших количеств загрязненных сточных вод и необходимость удаления из полимера эмульгаторов и стабилизаторов.

Интенсивно исследуется твердофазная полимеризация, при которой охлажденные ниже температуры плавлении мономеры или их растворы полимеризуют под действием ионизирующего излучения. Различают газофазную полимеризацию, при которой мономер находится в газообразном состоянии, инициирование протекает либо в газовой фазе (под действием ионизирующего излучения или газофазного инициатора), либо на поверхности твердого катализатора, а непосредственно полимеризация происходит на поверхности или в объеме твердой фазы образующегося полимера.

Схема полимеризации стирола с образованием полистирола.

3.1 Понятие о сополимеризации

Сополимеризация- это совместная полимеризация двух или более мономеров. В большинстве случаев реакц. способность активных центров на концах растущей цепи определяется природой последнего звена. При С. мономеров М ₁ и М ₂возможны четыре р-ции роста цепи:

Здесь ~m₁* и ~m₂* -активные частицы (олигомеры) с концевыми звеньями соотв. M₁ и М ₂; k₁₁, k₁₂, k₂₂, k₂₁ -константы скорости р-ций. На основании этой схемы можно вывести ур-ние, связывающее составысополимера и мономерной смеси:

где [M₁] и [М ₂]- текущие концентрации мономеров, [m₁] и [m₂]-текущие концентрации мономерных звеньев в сополимере, r₁= k₁₁/k₁₂ и r₂ = k₂₂/k₂₁. Параметры r₁ и r₂ яаз. константами С. или относит. активностями мономеров.

Активность мономеров в С. определяется их пространств. строением, наличием сопряжения и полярностью двойных связей. При радикальной С. на величины r₁ и r₂ могут влиять специфич. взаимодействие мономеров с р-рителем (напр., образование водородных связей), комплексообразование мономеров, их изби-рат. сорбция полимерными клубками. Величины r₁ и r₂, как правило, зависят от природы р-рителя и противоиона. Распределение звеньев в цепях, как правило, статистическое, кроме случая образования чередующихся сополимеров, когда r₁ : 0 и r₂ : 0. При С. до глубоких степеней превращения мономеров валовой сополимер содержит цепи разного состава.

4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИКОНДЕНСАЦИОННЫХ СМОЛ

К поликонденсационным смолам относятся фенолоформальдегидные, мочевино- и меламиноформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные и др.Фенолоформальдегидные, или фенольные, смолы -- продукты конденсации фенолов с формальдегидом. В зависимости от соотношения взятых для конденсации фенола и формальдегида и вида катализаторов получают фенольные смолы, различные по свойствам. К числу этих смол относятся термопластичные смолы (новолачные, идитольные), термореактивные (бакелитовая пленка) и модифицированные канифолью фенолоформальдегидные смолы (синтетические копалы). Фенольные смолы образуют прочные прозрачные, но несветостойкие пленки. Мочевино- и меламиноформальдегидные, или карбамидные, смолы получают из мочевины (карбамида) или меламина и формальдегида. Для приготовления лаков используют растворимые в органических растворителях и совмещающиеся с маслами и пластификаторами модифицированные бутанолом мочевиноформальдегидные смолы. На основе растворов этих смол и пластичных алкидных смол получают лаки и эмали, образующие очень свето-, тепло- и морозостойкие, а также водостойкие покрытия с хорошими механическими свойствами. Полиэфирные смолы -- продукты конденсации многоатомных спиртов (глицерин и др.) и многоосновных кислот (фталевая и др.). Полиэфирные смолы растворяются в стироле и используются для приготовления полиэфирных лаков, образующих покрытия с высокими физико-механическими свойствами. Эпоксидные смолы -- синтетические смолы, полученные путем конденсации соединений, содержащих концевую эпоксигруппу с гидроксилсодержащими веществами (многоатомными фенолами и спиртами).

Эпоксидные смолы термопластичны и растворимы в кетонах, гликолях и смесях спиртов с ароматическими углеводородами. Пленки эпоксидных смол обладают хорошими электроизоляционными свойствами, химической стойкостью и адгезией со многими материалами. На эпоксидных смолах можно готовить лаки и эмали холодного и горячего отверждения.

Размещено на Allbest.ru