- Короткі відомості про пластмаси
- Класифікація та властивості полімерів
- Термопластичні пластмаси. Властивості і область застосування
Короткі відомості про пластмаси
Класифікація та властивості полімерів
Термопластичні пластмаси. Властивості і область застосування
Короткі відомості про пластмаси
Пластичні маси (пластмаси і пластики) - матеріали на основі природних або синтетичних полімерів, здатні під впливом нагрівання і тиску формуватися в вироби складної конфігурації і потім стійко зберігати додану форму.
Пластмаси є вельми перспективним конструкційним матеріалом. Їх використовують не тільки як замінники металів, що не та як самостійний матеріал для різних виробів, що володіють багатьма позитивними якостями.
Виготовлення пластмасових конструкцій, як правило, менш трудомістким і енергоємні, ніж з інших матеріалів. Вони з успіхом замінюють конструкції з легованих сталей, дорогоцінних металів, бетону і дерева, дозволяючи тим самим економити промислово важливі матеріали.
Вироби із пластмас відрізняються:
малою щільністю (малу вагу) (1,0 ... 1,8 г / см3);
високими діелектричними властивостями;
хорошими теплоізоляційними характеристиками (низька теплопровідність);
стійкістю до атмосферних впливів;
стійкістю до агресивних середовищ; пластмаси майже не піддаються електрохімічної корозії і дуже стійкі проти агресивних хімічних середовищ - деякі пластмаси по хімічній стійкості перевершують золото і платину;
стійкістю до різких змін температури, зокрема, стабільністю розмірів;
високу механічну міцність при різних навантаженнях;
меншими витратами енергії для переробки, ніж металеві матеріали (це обумовлено технологічними властивостями пластмас);
високою еластичністю;
оптичної прозорістю;
простотою формування виробів;
різноманітністю колірної гами (не вимагають забарвлення);
Пластмаси - найважливіші конструкційні матеріали сучасної техніки. Їх використовують:
в машинобудуванні (резервуари; підшипники ковзання; зубчасті і черв'ячні колеса; деталі гальмівних вузлів; робочі органи насосів і турбомашин; технологічне оснащення та ін.);
в елетро- і радіотехніці (пристрій телеграфних стовпів; різних деталей і ін.);
на залізничному та інших видах транспорту (деталі автомобілів, літаків, ракет; кузова різного транспорту; трубопроводи та ін .;
в будівництві (створення великопрольотних панелей покриття до 12 м; оболонок; в якості оздоблювального матеріалу; світлопрозорі огородження; навіси; вентиляційні пристрої; димові труби;
віконні рами; світлопрозорі стіни та ін .;
в сільському господарстві (теплиці та ін.);
в медицині (прилади; апарати; виготовлення «запасних» частин людського організму - кісток, суглобів, аорт та інших великих кровоносних судин);
в побуті (посуд, одяг, взуття, хутра та ін.).
При заміні металу вага деталі зменшується в 3 ... 5 разів (при заміні залізобетону - в 5 ... 10 разів), її собівартість падає в 3 ... 6 разів, трудомісткість виготовлення - в 3 ... 8 разів.
Пластмаси мають досить хорошими механічними властивостями. Якщо зіставити питому міцність, то виникає можливість застосування пластмас для несучих конструкцій, що видно з табл. 1.
Таблиця 1
Матеріалσв, МПаγ, г / см2Питома міцністьσв / γЩодо до Ст.3
маловуглецевої сталі Ст. 3 440 8,0 55 1,0 Чавун 150 8,0 19 0,35 Дюралюміній 390 2,8 140 2,5 полихлоридов 300 1,7 170 3,1 Вініпласт 57 1,4 41 0,75 Поліетилен 16 0,92 17,5 0,32
Пластмаси використовуються практично у всіх областях виробництва і життя, а обсяг їх застосування в подальшому буде збільшуватися.
↑ наверх
Класифікація та властивості полімерів
Основою пластмас є високомолекулярні сполуки, які складаються з гігантських молекул. Такі речовини називаються полімерами, а вихідні низькомолекулярні продукти, що використовуються для отримання соєвого молока, називаються мономерами.
Відмінною особливістю будови полімерів є наявність ланцюгових молекул - макромолекул, в яких послідовно пов'язана велика кількість атомних угруповань, які називаються ланками, В угрупованнях атоми з'єднуються дуже міцними хімічними зв'язками, які діють на відстані 1,0 ... 1,5 Å (один ангстрем дорівнює 10 -10 м або однієї десятимільйонна мм). Між ланками (ланцюгами) на відстані 3 ... 4 Å діють значно слабші (ван дер Ваальсових зв'язку, які мають електричну природу) міжмолекулярні сили. Міцністю цих зв'язків і щільністю їх в одиниці об'єму, в кінцевому рахунку, і визначається міцність високомолекулярних систем.
Пластмаси різняться.
1. За будові макромолекул:
лінійні,
розгалужені,
сітчасті просторові.
У лінійних полімерів макромолекули являють собою довгі зигзагоподібні ланцюги довжиною до 1,27-10 Å (0,127 мм).
Розгалужені пластмаси складаються з макромолекул з бічними відгалуженнями, число і довжина яких можуть варіюватися в широких межах.
Сітчасті пластмаси побудовані з довгих ланцюгів, з'єднаних один з одним в тривимірну сітку поперечними хімічними зв'язками.
Слід зазначити, що будь-який полімер неоднорідний за молекулярною масою (полімолекулярен), тобто поряд з дуже великими молекулами в полімері можуть бути і молекули середніх і малих розмірів.
2. За способом отримання на виготовлені:
При полімеризації молекули мономера з'єднуються між собою в довгі ланцюгові молекули без виділення побічних продуктів, Наприклад, етилен (мономер) під впливом високої температури і тиску перетворюється в поліетилен (полімер), молекули якого складаються з багаторазово повторюваних залишків мономера - етилену (-СН2-СН2 -) n. Якщо полимеризуются два або більше число мономерів різної будови, то цей процес називається сополимеризация (або спільна полімеризація), в результаті якої утворюється сополимер.
Принципово відрізняється від полімеризації процес отримання соєвого молока поликонденсацией, при якому з'єднання молекул однакового або різного будови супроводжується виділенням найпростіших низькомолекулярних продуктів. Наприклад, при поліконденсації дикарбонових кислот з діаміни виходять поліаміди.
3. По поведінці при тепловій обробці:
Термопласти при нагріванні до певної температури не зазнають корінних хімічних змін. Вони можуть багаторазово нагріватися в зазначеному інтервалі температур, а потім повертатися в початковий стан. До термопластів відноситься більшість полімеризацій пластмас.
Реактопласти під впливом температури піддаються незворотних змін в результаті з'єднання макромолекул між собою поперечними хімічними зв'язками з утворенням тривимірних (просторових) сіток. Вироби з реактопластів при нагріві не розм'якшується і не .могут піддаватися повторній переробці.
Забігаючи трохи наперед, відзначимо, що з'єднанню за допомогою зварювання піддаються тільки термопластичні пластмаси.
Полімерні речовини можуть перебувати тільки в твердому і рідкому (точніше вязкотекучем) станах і не можуть бути переведені в газоподібний стан.
Пластмаси можуть перебувати як в аморфному, так і в кристалічному станах. Якщо макромолекули переплутані і не мають певної орієнтації, полімер знаходиться в аморфному стані. На ділянках, де спостерігається спрямованість макромолекул, вони знаходяться в кристалічному стані. Багато пластмаси ні при яких обставинах не виявляють схильності до кристалізації. Кристалічні ж пластмаси не бувають закристалізовані повністю, зазвичай вони містять і аморфну фазу.
Часто в полімер з різними цілями вводять добавки: стабілізатори, пластифікатори, барвники і наповнювачі.
Стабілізатори служать для підвищення стійкості полімерів при впливі різних факторів: світла, підвищеної температури та інших. Зазвичай вони попереджають розвиток ланцюгової реакції розкладання полімерів, забезпечуючи тим самим довговічність пластмас.
Пластифікатори вводять для додання їм пластичності і розширення інтервалу високоеластичного стану (зменшення температури склування). Пластифікатори полегшують переробку полімерних матеріалів, покращують їх морозостійкість, як пластифікатори застосовують речовини, які добре поєднуються з полімерами, мають малу летючість і високою термо- і світлостійкістю.
Барвники служать для додання пластмасам практично будь-якого кольору як на поверхні, так і по всій товщині виробу.
Наповнювачі - речовини (головним чином, тонкодисперсні порошкоподібні і волокнисті), які вводять до складу пластмас з метою полегшення переробки, надання необхідних властивостей, а також здешевлення. Наповнювачі, що покращують якесь властивість полімерного матеріалу, називають активними або підсилюють; що не змінюють властивостей - інертними; волокнисті наповнювачі називають також армирующими.
Як наповнювачі для пластмас застосовують деревну муку бавовняні пачоси, азбест, скловолокно та інші речовини.
Слід підкреслити, що властивості пластмас визначаються, головним чином, їх основою - полімером.
Властивості пластмас різко відрізняються від властивостей металів в процесі їх деформування. Зокрема, пластмаси мають порівняно маленьку твердість і у них відсутня залежність між твердістю і міцністю при розтягуванні, характерна для стали.
Будь-аморфний полімер в залежності від температури може знаходитися в трьох станах, які прийнято називати фізичними станами: стеклообразном, високоеластіческом і вязкотекучем.
Склоподібний стан характеризується наявністю коливального руху атомів, що входять до складу ланцюга біля положення рівноваги, а коливання ланок і переміщення ланцюга як єдиного цілого практично відсутні.
Високоеластіческое стан характеризується наявністю коливального руху ланок і груп ланок, внаслідок чого ланцюг полімеру може розпрямлятися під впливом навантаження і повертатися в первісний стан після її зняття, так як ланки пов'язані в ланцюзі.
При вязкотекучем стані макромолекули полімеру шляхом послідовного переміщення пересуваються відносно один одного.
При нагріванні полімеру спочатку з'являються коливання ланок, а при більш високих температурах рух ланцюгів. Отже, при підвищенні температури полімер переходить зі склоподібного стану спочатку в високоеластіческое, а потім в в'язкотекучий стан.
Перехід полімеру з одного фізичного стану в інше відбувається не при якійсь певній температурі, а в деякому інтервалі температур. Середні температури областей переходу називаються температурами переходу.
Температура переходу зі склоподібного стану в високоеластіческое називається температурою склування - Тс, а температура переходу з високоеластичного в вязкотекучее - температурою плинності Тт. Значення критичних температур деяких пластмас наведені в табл. 2.
Таблиця 2
МатеріалТс, ° СТт, ° СТр, ° Сна повітрів азотіПоліетилен високого тиску 20 120 220 340 Поліамід 50 160 300 - Полістирол 80 150 220 - Полівінілхлорид 80 190 140 240 Полиметилметакрилат 110 170 180 - Поліпропілен 120 180 250 -
Термомеханічна крива полімерів, що характеризує залежність деформації від температури при постійному навантаженні (рис. 1), має три ділянки, що відповідають трьом фізичним станам полімерів.
Мал. 1 Термомеханічна крива полімерів (пластмас)
Частина 1. 0 <Т1 <Тс відповідає склоподібного стану, що характеризується великим значенням модуля пружності і невеликими пружними деформаціями. На цій ділянці пластмаси поводяться як крихкий матеріал, тобто при підвищенні температури деформація майже не змінюється.
Частина 2. При подальшому підвищенні температури (Тс <Т2 <Тт) спочатку відбувається різке збільшення деформації до певної межі, після якого вона залишається майже незмінною до температури Тт. Ця ділянка відповідає Високоеластіческая надбання полімеру, для якого характерні високі, але оборотні деформації. Таким чином, в інтервалі від Про до Тт в полімері мають місце практично тільки пружні деформації.
На ділянці 2 матеріал поводиться як високоеластичний гумоподібний матеріал. Якщо тут додати матеріалу будь-яку форму, то зберегти її можна тільки при охолодженні, не знімаючи навантаження. Однак при повторному нагріванні матеріал прийме первісну форму.
Ділянка 3. При Тт <Т3 <Тр настає так зване справжнє протягом полімеру, який переходить у в'язкотекучий стан, що супроводжується різким збільшенням деформації з ростом температури аж до температури розкладання Тр, при якій (і вище) матеріал необоротно змінюється. На цій ділянці матеріал поводиться як високов'язка рідина. Тут мають місце повністю незворотні деформації.
Тривала витримка полімеру при температурі близькій, але нижче Тр, не кажучи вже при Т> Тр, викликає термічний розклад пластмаси - її деструкцію. Повторні нагрівання термопластів до температури нижче Тр можуть бути виконані багаторазово.
Переробка полімерів в вироби здійснюється в в'язкотекучий стані, тому інтервал між температурами плинності і розкладання полімеру визначає температурний інтервал його переробки і зварювання.
↑ наверх
Термопластичні пластмаси. Властивості і область застосування
Термопластичні пластмаси використовують для виготовлення різних матеріалів: плівок, волокон, листів, труб. Найбільш широко застосовують термопласти у вигляді гомогенних матеріалів, рідше у вигляді газонаповнених або наповнених порошками або волокнами.
Серед термопластичних полімерів найбільш широке застосування отримали поліаміди, які містять хлор пластмаси, полиолефини, що містять фтор пластмаси і сопластмасси, пластмаси та сопластмасси стиролу, поліакрилати, полікарбонати.
До поліаміду відносяться гетероцепні пластмаси, що містять в основному ланцюзі макромолекули амідні групи (СО-NН-). Поліаміди в більшості випадків - кристалічні речовини з різко вираженою температурою плинності. До поліаміду належать широко відомі нейлон, капрон і інші.
Велика частина полиамидов переробляється на волокно. З поліамідних смол отримують плівку і замінники шкіри, з яких, зокрема, виготовляють приводні ремені.
Завдяки високій твердості і зносостійкості поліаміди знайшли широке застосування при виготовленні підшипників, а також деталей виробів, схильних до кавітації. Мастилом в таких підшипниках є вода, однак вони можуть працювати і без змащення .. З поліамідів виготовляють шестерні, дрібні деталі: болти, гайки, прокладки та інше.
Найчастіше поліаміди переробляють литтям під тиском, використовуючи ту обставину, що поліаміди плавляться в порівняно вузькому інтервалі температур і в розплаві мають порівняно низьку в'язкість. Окремі деталі або частини виливків можуть з'єднуватися між собою склеюванням і зварюванням.
Група хлорвмісних пластмас включає матеріали на основі полімерів і сополімерів вінілхлориду і винилиденхлорида, а також пентапласт. Найбільш широке застосування отримали матеріали на основі полівінілхлориду (ПВХ), що представляє собою полімер лінійного будови (-СН2-СНСl-) n із ступенем кристалічності до 10%. Основна кількість полівінілхлориду, що випускається промисловістю, використовується для виробництва пластикату і вініпласту.
Вініпласт є жорсткий термопластичний матеріал, до складу якого крім полівінілхлориду входять наповнювачі, стабілізатори, модифікатори і пластифікуючі агенти; випускається у вигляді листів, стрижнів, труб. Вініпласт має порівняно високу для пластмас міцністю, еластичністю і малою питомою вагою. Він відрізняється високою хімічною стійкістю до різних агресивних середовищ. Висока хімічна стійкість вініпласту зробила його одним з найбільш поширених в хімічній промисловості антикорозійних матеріалів. Значна порівняно з іншими термопластами механічна міцність дає можливість використовувати винипласт як конструкційний матеріал. Конструкції вініпласту, як правило, легше металевих, а служать не менше, а іноді й довше останніх.
Пластикат - це технічна назва термопластичних сумішей полівінілхлориду, застосовується для виготовлення прокладок, трубок, стрічок.
Під назвою полиолефини прийнято мати на увазі групу матеріалів на основі високомолекулярних сполук, що утворюються при гомо- чи сополимеризации олефінів. До них відносяться поліетилен, поліпропілен, поліізобутилен, полівінілціклогексан і інші.
Більшість поліолефінів - кристалічні пластмаси з порівняно високим ступенем кристалічності. За масштабом промислового виробництва і різноманітності сфер застосування перші два місця серед поліолефінів належать поліетилену і поліпропілену. Це обумовлено цінними технічними властивостями цих полімерів, легкістю їх переробки у вироби, а також наявністю дешевої сировини.
Поліетилен (-СН2-СН2-) п отримують в даний час декількома способами: в залежності від способу виробництва розрізняють поліетилен високого тиску (ПЕВТ) і поліетилен низького тиску (ПЕНД). ПЕНД відрізняється від ПЕВТ більшою щільністю, міцністю, жорсткістю, підвищену теплостійкість. Області застосування поліетилену та поліпропілену дуже різноманітні для виготовлення плівок, труб, листів, ізоляції, будівельних деталей, ємностей, контейнерів і ряду інших виробів. Завдяки нетоксичність і інертності поліетилен широко застосовується в якості матеріалу для небьющейся посуду.
Фторопласти (фторлона) - це група пластмас на основі полімерів різних ненасичених фторсодержащих з'єднань. Найбільше технічне застосування серед фторсодержащих полімерів отримав фторопласт - 4 (фторлон - 4) - політетрафторетилен, який не містить ніяких добавок і модифікаторів. На відміну від інших термопластів фторлон-4 не переходить у в'язкотекучий стан навіть при температурі розкладання (вище 415 ° С). Це ускладнює виготовлення виробів з фторлона-4 і в ряді випадків виключає можливість практичного використання його в конструкціях.
В даний час промисловість випускає ряд плавких фторлона, здатних замінити політетрафторетилен. Це фторлона Ф-4М, Ф-40, Ф-42, Ф-3, Ф-32Л, Ф-4Н, Ф-2 та інші. Перевага плавких фторлона полягає в тому, що вони термопластичні і можуть піддаватися багаторазової високотемпературної переробки високопродуктивними методами. Деякі з плавких фторлона мають виборчої розчинність в органічно розчинниках (Ф-42, Ф-32Л, Ф-4Н, Ф-2, Ф-2М).
Все плавкі фторлона переробляють методами пресування, екструзії, лиття під тиском і можуть бути використані для виготовлення плівок, труб, шлангів, листів електроізоляційних і стійких до агресивних середовищ виробів.
Полістирол - лінійний високомолекулярний полімер, легко переробляється литтям під тиском, має гарні оптичні властивості і низьким фактором діелектричних втрат при середніх частотах. З іншого боку, полістирол легко піддається дії багатьох розчинників, має низьку атмосферостойкость, характеризується низькою теплостійкістю і високою крихкістю.
Полімер стиролу є одним з перших і найбільш повно вивчених полімерних пластмас. Завдяки високій водо- і хімічну стійкість, хорошим електроізоляційним властивостями, прозорості полістирол широко застосовується в техніці. Отримують його полімеризацією стиролу, який інакше називається вінілбензол. Хоча вихідний матеріал для отримання полістиролу має токсичні властивості, сам полістирол абсолютно нешкідливий для організму людини.
Пластмаси і сопластмасси стиролу використовують для виготовлення плівок, ниток, пінопластів, деталей світлотехнічної арматури, деталей холодильників, облицювальних листів і плиток.
Група акрилових пластиків включає пластмаси й сополімери акрилової і метакоіловой кислот і їх похідних. Найбільше значення серед акрилових пластмас має поліметилметакрилат, який представляє собою аморфний прозорий полімер, що володіє високою проникністю для випромінювання видимого і ультрафіолетового спектра. При нагріванні вище температури 120 ° С полиметилметакрилат розм'якшується, переходить у високоеластичний стан і легко формується, вище температури 200 ° С починається помітна деполимеризация полімеру.
Промисловістю полиметилметакрилат поставляється, головним чином у вигляді листового органічного скла.
Досить широке застосування отримали сопластмасси метилметакрилату з акрилонитрилом. У порівнянні з поліметілметакрілатом ці сопластмасси володіють вищою твердістю і міцністю, застосовуються головним чином для виготовлення безосколочного ударостійкого органічного скла для автобусів і різних споруд.
До полікарбонату відносяться складні поліефіри вугільної кислоти із загальною формулою (-О-R-О-СО) n. Промислове застосування знайшов, головним чином полікарбонат на основі бісфенолу А, завдяки доступності і дешевизні вихідної сировини. Це оптично прозорий матеріал, що володіє хорошими властивостями міцності, високу теплостійкість і хорошими діелектричними властивостями.
Полікарбонат характеризується більш високою в'язкістю розплаву, ніж інші термопласти, однак може перероблятися усіма широко поширеними методами. Завдяки низькій схильності полімеру до повзучості вироби з полікарбонату характеризуються високою стабільністю розмірів.
За масштабом промислового виробництва і різноманітності сфер застосування одне з перших місць серед термопластичних полімерних матеріалів займають плівки. Найбільшого поширення набули плівки з поліамідів, полівінілхлориду, поліолефінів, полістиролу, полівініліденхлоріда, поліетилентерефталату, полівінілового спирту, фторлона.
Полімерні плівки знаходять широке застосування в якості пакувальних, електроізоляційних, кінофотоматеріалів, декоративно-оздоблювальних матеріалів, для спорудження штучних водойм, каналів, парникових дахів, теплиць.
↑ наверх
