Физико-механические свойства

ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС

 

Цель работы: изучить структуру, фи­зико-механические свойства и применение пластмасс (термо- и реактопласты). Сравнение свойств металлов и пластмасс.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Пластические массы (пластики, пластмассы) — важ­ные конструкционные материалы, широко применяемые в машиностроении, электро- и радиотехнике, строитель­стве, пищевой промышленности и других отраслях народного хозяйства и в быту.

Незначительная трудоемкость изготовления пластмас­совых деталей (по сравнению с металлическими), их ма­лая себестоимость, технологичность (легко формуются, склеиваются, свариваются, обрабатываются резанием), специфические физико-механические свойства обуслов­ливают эффективность применения и зачастую незамени­мость пластмасс в машиностроении.

Основными достоинствами пластмасс являются: ма­лая плотность и возможность ее изменения, хорошие тепло-, электро- и звукоизоляционные характеристики, высо­кая химическая стойкость в ряде сред и неподвер­женность коррозии, высокие оптические свойства (бесцветность и прозрачность органических стекол), хо­рошие фрикционные и антифрикционные свойства, до­статочно высокая прочность (прочность некоторых пла­стиков сопоставима с прочностью стали), хорошие деко­ративные свойства, бесшумность в работе (применительно к зубчатым передачам) и некоторые другие. Недостатки пластмасс - невысокая теплостойкость, низкие ударная вязкость и модуль упругости, склонность некоторых пластмасс к старению.

Пластмассы - это материалы на основе природ­ных, а чаще всего искусственных (синтетических) поли­меров, которые под действием нагревания и давления способны формоваться в изделия заданной формы и за­тем устойчиво сохранять ее. Кроме основного компонен­та - связующего вещества, в состав пластмасс могут входить наполнители, пластификаторы, отвердители, красители, стабилизаторы, порообразователи, ингибито­ры и некоторые другие добавки. Соотношение названных компонентов в пластмассах может быть, например, та­ким (массовая доля): связующее вещество - 30...60 %, наполнители - 40...65, пластификаторы - около 1, кра­сители - 1...1,5, смазывающие вещества - 1...2 %.

Связующие вещества, от которых в наибольшей сте­пени зависят свойства пластмасс,— это природные или синтетические полимеры. Под полимерами понимают вы­сокомолекулярные вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров). Молекулярная масса их может со­ставлять от 5000 до 1000000.

Природные полимеры — белки и нуклеиновые кисло­ты, из которых построены клетки живых организмов, природные смолы (янтарь, копал, шеллак), натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит и др.

Синтетические полимеры - это полиэтилен, полипропи­лен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды, поликар­бонаты, фторопласты, фенопласты, полиметилметакрилат, фенолоформальдегидные смолы, эпоксидные смолы и др. В отдельных случаях пластмасса, например поли­этилен, может целиком состоять из связующего веще­ства — полимера. Полимеры, преимущественно синтети­ческие, получаемые химическим синтезом простых органических веществ (мономеров) в макромолекулы ме­тодами полимеризации или поликонденсации, являются основой не только пластмасс, но и резины, химических во­локон, лаков, красок, клеев и т. д. Так, полиэтилен син­тезируют путем полимеризации газа — этилена, получа­емого из природного газа или нефтепродуктов. Макро­молекулы полимера представляют собой цепочки из звеньев мономера, атомы в которых связаны прочной хи­мической (ковалентной) связью.

 

 

12.1. Форма строения макромолекул полимеров:

а - линейная; б - разветвленная; в - сетчатая (схемы)

 

Различие структур макромолекул (линейные, разветв­ленные, сетчатые - рис. 12.1) обусловливает неодинако­вость свойств полимеров. Так, линейные (полиэтилены, полиамиды и др.) и разветвленные (полиизобутилен и др.) полимеры характеризуются способностью образо­вывать анизотропные волокна и пленки и находиться в высокоэластичном состоянии; редкосетчатые полиме­ры (резины) обладают упругостью, густосетчатые (смо­лы) - хрупкие.

По фазовому состоянию полимеры могут быть аморф­ными или кристаллическими. В большинстве случаев ре­альные полимеры содержат аморфную и кристаллическую фазы. Содержание в полимере (в процентах) веществ в кристаллическом состоянии называют степенью кри­сталличности. Кристал­лическую структуру имеют полимеры с макромолекула­ми строго регулярной линейной или редкосетчатой формы. Кристаллические полимеры имеют более высокие теплостойкость и механические свойства.

По полярности различают неполярные (например, по­лиэтилен, полипропилен, фторопласт-4) и полярные (на­пример, поливинилхлорид) полимеры. Неполярные поли­меры в отличие от полярных обладают более высокими морозостойкостью и диэлектрическими свойствами.

В зависимости от поведения при нагреве различают термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты) полимеры. Соответственно называют и пластмассы на основе этих связующих веществ.

Термопластичными называют полимеры или пластмассы, кото­рые с повышением температуры размягчаются, плавятся, при формовании не претерпевают никаких химических изменений, по мере охлаждения затвердевают и сохра­няют способность пластически деформироваться при пов­торном нагреве. Такие полимеры (полиэтилен, полисти­рол, капрон и др.) имеют линейную или разветвленную структуру макромолекул.

Термореактивные полимеры и пластмассы при нагреве и формовании претерпевают существенные химические изменения, затвердевают и, те­ряя способность пластически деформироваться, остают­ся твердыми. Линейная структура таких полимеров при нагреве преобразуется в пространственную.

Физико-механические свойства полимеров зависят как от их структуры, температуры, так и от физического состояния. Из-за высокой молекулярной массы полиме­ры не способны образовывать низковязкие жидкости или переходить в газообразное состояние, они могут нахо­диться в одном из трех физических состояний - стекло­образном, высокоэластическом и вязкотекучем. Полиме­ры в стеклообразном состоянии характеризуются про­странственной структурой макромолекул, отличаются твердостью и аморфностью.

Атомы находятся в равновесном положении, и макро­молекулы не перемещаются. Высокоэластическое состоя­ние макромолекул характерно для высокополимеров и выражается в их способности к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках. Атомы ко­леблются, а макромолекулы способны изгибаться. Макро­молекулы в целом не перемещаются, но их отдельные сегменты подвижны за счет вращения групп атомов во­круг связи

в мономерных звеньях цепи. Полиме­ры в вязкотекучем состоянии (линейные или разветвлен­ные) отличаются от жидких веществ большей вязкостью. При этом подвижной является вся макромолекула.

 

Рис. 12.2. Термомеханические кривые для полимеров:

а – аморфного; б - кристаллического; в – редкосетчатого для различных состояний: I – стеклообразного; II – высокоэластичного; III – вязкотекучего; IV – химического разложения

 

На рис. 12.2 приведены зависимости степени дефор­мации полимеров с различ­ной структурой от темпера­туры их нагрева (термоме­ханические кривые). По этим кривым можно судить о ха­рактере изменения механи­ческих и технологических свойств полимеров при раз­личных температурах. Так, полимеры или пластмассы на их основе эксплуатируют­ся при температурах ниже температуры стеклования t_c, когда они находятся в твер­дом состоянии.

Формование изделий из полимеров или пластмасс ведут в области их вязкотекучего состояния. Температура t_хр (ниже t_c ) соответствует переходу по­лимеров в хрупкое состояние (для полистирола t_c = 100 °С и t_хр = 90°С, для полиметилметакрилата t_c = 100°С и t_хр = 10°С). В кристаллизую­щихся полимерах при темпе­ратуре t_к их кристалличе­ская часть плавится и далее, от t_к до t_T, полимер находится в высокоэластичном состоянии. Свыше температур t_T аморфные и кристаллизующиеся полимеры переходят в вязкотекучее состояние. Для редкосетчатых полимеров температура t_х – начало химического разложения полимера.

 

Рис. 12.3. Зависимость удлинения от усилия при деформации

кристалли­ческого полимера

Зависимость степени деформации кристаллических по­лимеров (полиэтилен, полиамиды, полиэтилентерефталат и др.) от напряжения выражается линией, состоящей из трех участков (рис. 12.3). Первоначально (участок I) удлинение прямо пропорционально усилию. По дости­жении некоторого усилия (точка А) удлинение полимера увеличивается при неизменном усилии (участок II).Это вызвано резким местным сужением образца, образова­нием «шейки», распространяющейся на всю его длину. Затем на­блюдается растяжение тонкого, но ориентиро­ванного образца вплоть до разрыва (участок III). Деформация по­лимера зависит также от скорости и темпера­туры нагружения.

Недостаток полиме­ров, а, следовательно, и пластмасс, - склон­ность к старению, т. е. необратимому самопроизвольному изменению важнейших характери­стик при эксплуатации и хранении.

Важным компонен­том пластмасс являют­ся наполнители. Они повышают механиче­скую прочность пласт­масс, уменьшают их усадку при формовании изделий, влияют на вязкость, водостойкость пластмасс, придают им специальные свойства, (фрикционные, антифрикцион­ные и др.). Наполнители могут быть органическими или минеральными в виде порошков, волокон, листов (сажа, древесная мука, сульфидная целлюлоза, асбест, тальк, очесы хлопка или льна, стекловолокно, бумага, ткани, древесный шпон и др.). Органические наполнители повы­шают прочность, снижают хрупкость, но ухудшают термо- и водостойкость пластмасс. Минеральные наполните­ли повышают прочность, водостойкость, химическую стой­кость, тепло- и электроизоляционные свойства пластмасс, но часто повышают и их хрупкость и плотность. В зави­симости от вида наполнителя различают порошковые (карболиты), волокнистые (волокниты), слоистые (со­держащие листовые наполнители) и некоторые другие пластмассы.

Пластификаторы способствуют повышению пластич­ности пластмасс или расширению температурного интер­вала их вязкотекучего состояния. В качестве пластифи­каторов широко используют органические вещества с вы­сокой температурой кипения и низкой температурой замерзания (стеарин, дибутилфталат, олеиновую кисло­ту и др.).

Отвердители (различные амины), или катализаторы (перекисные соединения) вводят в термореактивные пластмассы для ускорения процессов отверждения пласт­масс.

Красители органического или минерального проис­хождения придают пластмассам желаемый цвет.

Стабилизаторы, например сажа, препятствуют старе­нию полимерных материалов.

Порообразователи, переходя при формовании в газо­образное состояние, способствуют образованию пор в та­ких пластмассах, как пенополистирол, пенополивинилхлорид, поролон, пенополиуретан и др.

Смазывающие вещества вводят для уменьшения прилипаемости пластмассовых изделий к металлическим частям пресс-формы.

Кроме названных, в пластмассы вводятся с различ­ными целями и другие добавки.

Дадим краткую характеристику свойств и областей применения некоторых пластмасс. К термопластичным пластмассам, основой или связующим веществом в кото­рых являются полимеры с макромолекулами линейной или разветвленной структуры, относятся неполярные: полиолефины (полиэтилен, полипропилен и полиизобутилен), полистирол, фторопласт-4; полярные: полиметилметакрилат, поливинилхлорид, полиамиды и др.

Полиэтилен — кристаллизующийся полимер, который производят полимеризацией этилена (СН₂=СН₂). Разли­чают полиэтилен низкой плотности, получаемый при высоком давлении (ПЭВД) и содержащий 35...65 % кристаллической фазы, а также полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком давлении (ПЭНД) и содержащий 60...95 % кристаллической фазы. Полиэти­лен химически стоек, нерастворим в воде, ацетоне, спир­те, морозостоек до – 70 °С (чем выше плотность, тем вы­ше теплостойкость и механическая прочность), но склонен к старению. Из него изготавливают несиловые детали (контейнеры, емкости, вентили, детали химических насо­сов, трубы для транспортирования агрессивных жидко­стей), защитные покрытия на металлах, пленку для раз­личных целей (электроизоляционная, парниковая).

Полипропилен (—СН₂—СНСН₂—) получают полиме­ризацией из пропилена в присутствии металлоорганических катализаторов. Он более теплостоек (до 150°С), чем полиэтилен, но менее морозостоек (до - 10...- 20°С). Из полипропилена изготавливают некоторые конструк­ционные детали автомобилей, мотоциклов, корпуса насо­сов, трубы для транспортирования агрессивных сред, пленки, емкости.

Полистирол (—СН₂ — CHC₆H₅—) - прозрачный, аморфный полимер, диэлектрик, химически стоек, нера­створим в растворителях, но склонен к старению и имеет низкую (до 80 °С) теплостойкость. Применяется он для изготовления деталей машин и приборов (ручки, корпуса и т. д.), емкостей и сосудов для химикатов, пленки и т. д.

Фторопласт-4, или политетрафторэтилен (— CF₂—CF₂)n, - полимер, имеющий макромолекулы в виде спиралей, диэлектрик, химически стоек. Из него изготав­ливают уплотнительные прокладки, трубы для транспор­тирования агрессивных сред, сильфоны, антикоррозион­ные покрытия на металлах. По химической стойкости он превосходит все известные пластмассы.

Полиметилметакрилат (органическое стекло, или пле­ксиглас) — полярный, прозрачный, аморфный полимер на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. В отличие от минерального стекла органическое значительно легче (более чем в два раза), пропускает ультрафиолетовые лучи, технологично (хорошо обраба­тывается резанием, склеивается, сваривается, полирует­ся), но обладает меньшими твердостью, прочностью и теплостойкостью. Идет на остекление и изготовление оптики, светотехнических деталей, емкостей. На основе полиметилметакрилата изготавливают самоотверждающиеся пластмассы типа стиракрила, которые применяют в производстве штампов, литейных моделей, абразивного инструмента.

Полиамиды (капрон, нейлон и др.) — полярные пласт­массы на основе кристаллизующегося полимера, содер­жащего группы СО, NH и СН₂. Они характеризуются вы­сокими прочностью, теплостойкостью, износостойкостью и низким коэффициентом трения (f < 0,05), способностью погашать вибрации. Недостатки полиамидов — склон­ность к старению и некоторая гигроскопичность. Введе­ние наполнителей (графит, тальк, дисульфид молибдена) обеспечивает повышение антифрикционных и некоторых других их свойств. Полиамиды применяют в машино­строении, электротехнике, медицине.

Поливинилхлорид — полярный, аморфный полимер состава (-СН₂-СНСl-). Непластифицированный поливинилхлорид называют винипластом и применяют для изготовления различных деталей химического оборудова­ния, труб, деталей вентиляционных и теплообменных установок, муфт, элементов насосов, вентиляторов, за­щитных покрытий на металлах, облицовочной плитки. Пластикат (полихлорвинилхлорид с пластификатором) используют для изготовления труб, конвейерных лент, пе­чатных валиков, линолеума и т. д.

Наиболее крупнотоннажный по производству вид реактопластов — фенопласты, т. е. пластмассы, получаемые на основе фенолоформальдегидных смол. Различают сле­дующие виды фенопластов: ненаполненные, порошковые (наполнители - древесная мука, тальк, графит и др.), волокнистые (волокниты, асбо- и стекловолокниты), слоистые (гетинакс, текстолит и др.).

Волокниты. получают пропиткой очесов льна или хлопка фенолоформальдегидным связующим и применя­ют для изготовления деталей, работающих на изгиб и кручение и устойчивых к ударным нагрузкам (шкивы, фланцы, стойки, направляющие втулки, маховики и т. д.).

Асбоволокниты получают пропиткой асбеста фенолоформальдегидной смолой. Они обладают высокими ударопрочностью, химической стойкостью, фрикционными свойствами и применяются для изготовления элементов тормозов (накладки, колодки, диски подъемно-транспорт­ных устройств, автомобилей и т. д.), кислотоупорных конструкций.

Из слоистых пластмасс значительный интерес пред­ставляет текстолит, получаемый из связующего (фенолоформальдегидная смола) и наполнителя (хлопчатобу­мажные ткани - шифон, миткаль, бязь и др.). Текстолит отличается прочностью, способностью поглощать шумы и гасить вибрации, однако он может работать только при невысоких температурах (до 90 °С). Из текстолита изго­товляют зубчатые колеса, вкладыши подшипников, шки­вы, втулки, прокладки в машиностроении, распредели­тельные щиты и монтажные панели в электротехнике и т. д.

В табл. 12.1 приведены основные физико-механические свойства некоторых названных пластмасс. Механические свойства пластмасс определяют при проведении лабора­торных статических испытаний на растяжение (ГОСТ 11262—80) или сжатие, изгиб, динамических испытаний по определению ударной вязкости (ГОСТ 4647—80), пу­тем измерения твердости (по Бринеллю ГОСТ 4670—77 с помощью твердомера ТММ-2 или по Роквеллу, Виккерсу, Шору).

При назначении материалов для использования в конструкциях, узлах машин и аппаратов пищевой промышленности, тары и упаковки необходимо также учитывать и ограничения, налагаемые спецификой взаимодействия материала с пищевыми средами.

Краткие сведения о взаимодействии пластмасс с технологическими и пищевыми средами, а также областях их использования, разрешенных органами Минздравоохранения и социального развития РФ, приведены в табл. 12.2 и 12.3.

 

 

Таблица 12.1

Некоторые физико-механические свойства пластмасс

 

Характеристика	Полиэтилен	Полипропилен	Полистирол	Фторопласт	Полиметилметакрилат	Полиамиды	Поливинилхлорид	Текстолит
ПЭВД	ПЭНД
Плотность, кг/м^3   Разрушающее напряжение при растяжении, МПа   Относительное удлинение при разрыве, %   Твердость по Бринеллю, МПа	918 - 940   10 - 17   500 - 600   14 - 25	950 -   22 -     300 - 800   45 - 60	500 -   25 -     200 - 800     60 - 65	1050 -   37 -     1,5 - 3     140 - 150	2150 -   14 -     250 - 350   30 - 40	65 -     2,5 - 4	1100 -   50 -     50 - 150     -	40 -     10 - 50     100 - 160	1300 -   65 -         -
Окончание таблицы 12.1
Ударная вязкость, МДж/м^2   Рабочая температура, ^оС: максимальная   минимальная   Диэлектрическая проницаемость при частоте тока 10^6 Гц	Не ломается   105 -108   -40- -70 и ниже   2,2- 2,3	Не ломается   120 -125   -70 и ниже     2,1- 2,4	3,3 - 3,8       -15   2,2	1 - 2,2       -20   2,5 - 2,7	-269   1,9 - 2,2	1,2 - 1,3       -60	8 - 13   60 - 110     -20 - 60   3 - 4	до 15   65 - 80     -40   3 - 5	3,5       -50

 

Таблица 12.2

Коррозионная стойкость пластмасс в технологических и пищевых средах

 

Среда	t, ^оС	Тип полимера
Фенопласт	Полиамид	Винипласт	Поливинилхлорид	Полистирол	ПЭВД	Фторопласт-3	Фторопласт-4	Полиметилметакрилат
Эксплуатационная среда
Ацетон   Бензол		ОС   С	ОС   С	НС   НС	НС   НС	ОС   НС	ОС   НС	С   ОС	С   С	НС   НС
Химические среды
Аммоний углекислый (насыщенный)   Глюкоза насыщенная   Жиры растительные и животные		-   -     -	-   -     С	С   ОС     -	С   -     -	-   -     -	С   ОС     С	С   С     -	С   С     С	С   С     С
Продолжение табл. 12.2
Серная кислота   Муравьиная кислота (50 %)   Уксусная кислота (25 %)   Соляная кислота (20 %)   Соляная кислота (20 %)		-     -     -     -     -	-     -     НС     НС     С	С     С     С     С     -	-     -     -     -     -	-     -     -     НС     -	С     -     НС     С     -	-     -     -     -     -	-     С     С     -     -	ОС     -     НС     С     -
Соли
Натрий углекислый (насыщенный)   Натрий хлористый (3 %)   Натрий хлористый (20 %)		-   НС     -	-   -     С	С   С     С	-   -     -	-   С     С	С   С     С	-   -     -	С   С     С	-   -     С
Окончание табл. 12.2
Агрессивные среды пищевой промышленности
Молочнокислые продукты   Сахарный сироп (22 %)   Продукты переработки мяса (pH = 5,5…7,4)   Соки плодово-ягодные (кислотность по серной кислоте)   Продукты переработки рыбы	-	-     -     -     -   -	-     НС     -     -   С	С     С     С     ОС   -	-     -     -     НС   -	С     С     -     -   -	С     -     С     С   -	-     -     -     -   -	-     -     -     С   -	-     -     С     НС   С

Таблица 12.3

Использование полимерных материалов, разрешенных для изготовления деталей

технологического оборудования, работающих в непосредственном контакте с пищевыми средами

 

Материал	Назначение
Винипласт   Капролон, капролактам     Пенопласт ФРП-1-УС   Пенопласт ФРП-1     Полиамид-6, ПА6-110, №21     Полипропилен модифицированный марки 02П, 03П, 04П	Детали машин и аппаратов, контактирующих с пищевыми средами, трубопроводы в молочной промышленности и молочная тара (марки 449, 450, 468), емкости под растительное масло (марки П-73, П-74 и др.)   Детали машин и аппаратов, контактирующих непосредственно с мясными и молочными продуктами   Материал для теплоизоляции в конструкции судовых трюмов   Для изоляции холодильных камер на предприятиях мясомолочной и рыбной промышленности, в фургонах для перевозки продуктов   Детали машин, имеющие контакт с мукой и манной крупой, детали фильтров мельничного оборудования и др.   Изделия для аппаратов пищевой промышленности, работающие при температурах до 80 ^0С (жесткие емкостные изделия) и до 100 ^0С (пленочные изделия)
Окончание табл. 12.3
Полистирол ударно-прочный   Полистирол общего назначения     Полиуретан листовой, термопластичный   Фторопласт	Тара в кондитерской, рыбоперерабатывающей промышленности, при переработке хлебопродуктов, для изделий, соприкасающихся с сухими сыпучими пищевыми продуктами   Для изделий, испытывающих многократные контакты при комнатной температуре с сухими сыпучими продуктами, фруктами, овощами, ягодами; упаковочный материал   Для различных материалов мельничного оборудования (сепараторов, шлюзовых затворов и др.)   Изготовление различных деталей при производстве пива, безалкогольных напитков (сильфоны, прокладки и др.), детали тесторазделочных линий, транспортеров в хлебопекарной промышленности, уплотнительных колец в центробежных насосах молочной промышленности, различной тары для упаковки рыбных продуктов и колбасных изделий

 

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями и в случае необходимости, определяемой преподавателем, сдать теоретический зачет по теме.

2. Изучить коллекцию образцов пластмасс.

3. Сравнить свойства пластмасс и металлических материалов (по справочнику)

4. Сделать выводы и составить отчет по работе в соответствии с заданиями.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение пластмасс. Назовите их состав и общие свойства. Как классифицируют пластмассы по связующему и наполнителю?

2. Какова структура полимеров, их фазовое состояние?

3. Возможные виды физического состояния полимеров.

4. Каковы механические свойства полимеров и как они зависят от температуры?

5. Назовите основные термопластичные пластмассы, их состав, разновидности, свойства и применение.

6. Назовите основные термореактивные пластмассы, их состав, разновидности, свойства и применение.

7. Особенности применения пластмасс в пищевой промышленности

Содержание отчета

1. Тема и цель работы.

2. Краткие ответы на контрольные вопросы.

3. Выводы.

 

Практическая работа № 13