Состав, строение и свойства пластмасс

Пластмассами называют искусственно изготовленные материалы, состоящие из высокополимерных органических соединений и других веществ, обладающих способностью принимать под действием температуры и давления заданную форму и сохранять ее после затвердевания. Высокополимерными называют соединения, молекулы которых состоят из связанных друг с другом многократно повторяющихся частиц – элементарных звеньев.

В состав сложных пластмасс входят различные вещества, которые по выполняемым функциям называют наполнителями, пластификаторами, красителями, смазывающими веществами, стабилизаторами.

Наполнители – вещества, вводимые в полимерные материалы для придания требуемых свойств. Количество их составляет 40-70%. В зависимости от формы частиц наполнители подразделяются на порошковые (древесная и кварцевая мука, порошки металлов, слюда), волокнистые (асбестовое, стеклянное, хлопчатобумажное и синтетическое волокно), листовые, армирующие (бумага, хлопчатобумажные, стеклянные ткани, проволочные сетки, металлическая фольга).

Пластификаторы придают твердому полимеру пластичность и упругость. В качестве пластификатора применяют камфору, крезилфосфат, дибутилфосфат и др.

Красители, вводимые в количестве 1,0-1,5%, окрашивают пластмассы в требуемый цвет (охра, окись хрома и др.).

Смазывающие вещества предотвращают прилипание прессуемых изделий к пресс-формам (олеиновая кислота, стеарат кальция и др.).

Стабилизаторы предотвращают распад полимера под действием света или повышенной температуры. Например, для защиты полиэтилена от действия ультрафиолетовых лучей в него вводят сажу.

Все пластмассы органического происхождения разделяются по химической природе полимера на 4 класса.

Класс А – пластмассы на основе полимеров, получаемых цепной полимеризацией. Полимеризация – реакция, при которой образование полимера происходит путем соединения одинаковых молекул с прибавлением концевых групп без выделения каких-либо побочных продуктов реакции. Образующийся таким путем полимер имеет молекулярный вес, равный сумме молекулярных весов вступивших в реакцию молекул. К классу А относятся: полиэтилен, полихлорвинил, полистирол, фторопласт, акрилопласты.

Класс Б – пластмассы на основе высокополимеров, получаемых поликонденсацией. Поликонденсация – реакция образования высокомолекулярных веществ, сопровождаемая выделением побочных продуктов (вода, аммиак и др.). В результате получаются макромолекулы линейного и пространственного строения. К классу Б относятся: фенопласты, наволочные, резольные и эпоксидные смолы, капрон, нейлон и др.

Класс В – пластмассы на основе химически модифицированных природных полимеров. При модификации природных полимеров различными химическими воздействиями сохраняется скелет молекулы исходного вещества. К классу В относятся: целлюлоза, нитроцеллюлоза, ацетилцеллюлоза, этрол и др.

Класс Г – пластмассы на основе природных и нефтяных асфальтовых смол, получаемых при сухой перегонке различных органических веществ. К этому классу относятся битумоасфальтовые пластмассы.

В зависимости от поведения пластмасс при переработке в изделия их разделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные материалы (термопласты) под действием температуры и давления переходят в пластичное состояние, не претерпевая существенных химических изменений. Их превращения обратимы. При действии температуры и давления они повторно переходят в пластичное состояние и могут быть многократно переформованы. К числу наиболее распространенных термопластов относятся: полиэтилен, полипропилен, полихлорвинил, оргстекло, фторопласт, полистирол, капрон и др.

Термореактивные материалы (реактопласты) под действием температуры и давления также переходят в пластичное состояние, но при этом претерпевают существенные химические изменения. Их превращения необратимы. При повторном действии температуры и давления они не переходят в пластичное состояние и не могут быть повторно переформованы. К числу реактопластов относятся: фенопласты, аминопласты, эпоксидные смолы, текстолит, гетинакс и др.

Различные пластмассы обладают различными свойствами. К положительным свойствам пластмасс относятся следующие:

1. Низкий удельный вес. Пластмассы в среднем в 2 раза легче алюминиевых сплавов. Удельный вес в значительной степени определяется химическим составом полимера и его структурой. Наиболее легкими являются полимеры с линейными макромолекулами (около 0,9 г/см³). Увеличение удельного веса полимера вызывают галогены (фтор, хлор, иод). Кристаллические полимеры несколько тяжелее аморфных. Значительное влияние на удельный вес пластмасс оказывают наполнители и пластификаторы.

2. Относительно высокие прочностные свойства. Отдельные виды пластмасс прочнее дерева, керамики, цветных металлов и сплавов. Почти все виды пластмасс обладают достаточно высокими значениями ударной вязкости. Механические свойства обусловлены структурными особенностями материала и зависят от степени полимеризации и взаимного расположения молекул полимера. При увеличении числа молекул полимера выше определенного значения его механические свойства улучшаются, так как разрыв будет происходить по главной валентной связи, имеющей постоянное значение. Так как величина межмолекулярных сил в большой степени зависит от расстояния между молекулами, к увеличению прочности приводит ориентация линейных молекул, позволяющая сблизить соседние цепи. Механические свойства полимерных материалов в значительной степени зависят от внешних факторов: температуры, влажности, ультрафиолетового облучения, а также наличия паров растворителя.

3. Высокие диэлектрические свойства. Пластмассы являются одним из лучших электроизоляционных материалов, используемых в электрорадиотехнике.

4. Высокая стойкость к агрессивным средам. Особенно высокой химической стойкостью обладает фторопласт-4.

5. Относительно высокая теплостойкость, составляющая 70-300^оС.

6. Хорошие клеящие свойства. Используются для изготовления клеев, лакокрасочных покрытий, замазок.

7. Хороший товарный вид.

8. Некоторые виды пластмасс прозрачны, пропускают ультрафиолетовые лучи, обладают звукоизоляцией, поглощают и гасят вибрации и т.д.

К отрицательным свойствам пластмасс можно отнести:

1. Старение (ухудшение со временем свойств и товарного вида).

2. Хладотекучесть (деформация при действии постоянной нагрузки даже при комнатной температуре).

Основные свойства некоторых пластмасс представлены в таблице.

Пластмассы нашли широкое применение в промышленности и быту. Полиэтилен используется для изоляции проводов, кабелей, производства деталей радиоаппаратуры, труб, пленок, покрытий металлов и т.д. Из винипласта изготавливают листы, пленки, трубы, стержни, отличающиеся высокой химической стойкостью. Фторопласт применяется для изготовления электро- и радиотехнических деталей, в химическом машиностроении, для покрытия металлов.

 

Основные свойства пластмасс

Наимено- вание	Удель- ный вес, г/см^3	Предел прочнос- ти при растяже-нии, МПа	Твер-дость по Бринеллю, МПа	Ударная вязкость Н/мм^3^/^2	Относи- тельное удлине- ние,%	Область приме- нения
Термопластичные пластмассы
Полиэти- лен(ПЭ 150, ПЭ- 300)	0,92	1000- 1600	430- 520	160	150- 500	Изоля- ционные детали
Фторо-пласт-4	2,2-2,4	1600	30-40	1000	250- 500	Детали уплотне- ний
Полиамид П-68А	1,12- 1,15	4000- 6000	44,5	1000- 2500	100- 350	Анти- фрикци- оный матери- ал
Термореактивные пластмассы
Текстолит	1,3- 1,4	5000- 12000	250- 450	90-110	0,38	Анти- фрикци- оный матери- ал
Гетинакс	1,3- 1,4	7500- 20000	250- 400	130- 400	1,8- 2,0	Детали радио- аппара- туры
Амино- пласт	1,5	4000- 6000	350- 550	50-60	-	Изделия ширпо- треба

 

Полиамидные смолы (капрон, нейлон) используют как ответственные детали машин и приборов. Эти материалы нашли широкое применение как синтетические волокна. Органическое стекло используется при изготовлении линз и для остекления. Пластмассы являются хорошими заменителями черных, цветных и благородных металлов и сплавов.

 

СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ПЛАСТМАСС

    1. Испытания на твердость

    Твердость пластмасс определяют по методу Бринелля - вдавливанием стального шарика диаметром 5,0 мм в испытуемый материал под действием выбранной нагрузки в течение определенного времени. Испытания проводятся на образцах толщиной не менее 5 мм. Твердость определяется по таблицам в зависимости от диаметра отпечатка шарика на поверхности пластмассы.

    2. Испытания на растяжение

    При испытании используются образцы из листовых материалов: полиэтилена, текстолита, гетинакса. Кроме того, для сравнения испытываются образцы стальные, медные, алюминиевые.

    В результате определяют предел прочности при растяжении s_В, удельную прочность k_Р при растяжении и относительное удлинение d.

Величину предела прочности при растяжении определяют по формуле:

s_В = ,

где Р – величина разрывного усилия, Н; F – площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытаний, м².

    Величина удельной прочности при растяжении определяется по формуле:

k_Р = ,

где g - удельный вес испытываемого материала, г/см³.

    Величину относительного удлинения d определяют по формуле:

d = %,

где l₁ – длина образца после разрыва, м; l₀ – расчетная длина образца до разрыва, м.

    3. Испытания на ударную вязкость

   Определение ударной вязкости проводят на образцах без надреза. Для испытаний используются образцы из древесно-стружечных плит (ДСП), текстолита, гетинакса. Испытания осуществляются на копре маятникового типа.

Величину ударной вязкости a пределяют по формуле:

a = ,

где А – работа, затрачиваемая на разрушение образца; b и h – соответственно ширина и толщина образца до испытаний.

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИЗДЕЛИЯМ ИЗ ПЛАСТМАСС

Конструктивные особенности изделий из пластмасс обусловлены их свойствами и способами получения. При проектировании деталей (особенно изготовляемых литьем под давлением и прессованием) необходимо учитывать следующие основные особенности.

Процесс изготовления изделий сопровождается большой усадкой. Поэтому в конструкциях не допускается значительной разностенности, которая вызывает коробление деталей и образование трещин.

Для повышения жесткости в конструкции деталей необходимо вводить ребра жесткости. Для малогабаритных деталей роль ребра жесткости могут выполнять выступы или впадины.

Если возможно по конструктивным соображениям, детали необходимо выполнять с большой конусностью. Сквозные отверстия лучше располагать не в сплошных массивах, а в специальных бобышках с тонкими стенками, что снижает усадку и усилие обхвата стержней пресс-форм.

В конструкциях деталей не следует делать острых углов в местах сопряжения поверхностей, так как это может привести к образованию трещин.

Для облегчения извлечения детали из пресс-формы на наружной и внутренних формообразующих поверхностях необходимо предусматривать технологические уклоны.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Указать цель работы.

2. Изучить и описать состав и основные разновидности пластмасс.

3. Описать положительные и отрицательные свойства пластмасс, указать область их применения.

4. Провести эксперименты по определению основных свойств пластмасс.

5. Изучить и описать конструкторско-технологические требования к изделиям из пластмасс.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каков состав пластмасс? Какие функции выполняют входящие в них вещества?

2. На какие классы делятся пластмассы?

3. В чем основное различие термопластичных и термореактивных пластмасс?

4. Какими положительными и отрицательными свойствами обладают пластмассы?

5. Как проводят испытания пластмасс на твердость?

6. В чем сущность испытаний пластмасс на растяжение? Какие основные свойства при этом определяются?

7. Как определяется ударная вязкость пластмасс?

8. Какие конструктивно-технологические требования предъявляются к изделиям из пластмасс?

 

 

Лабораторная работа №6