Термореактивні синтетичні смоли.

Епоксидна смола - олігомер, що містить епоксидні групи і здатні під дією отверджувачів (поліамінів та ін.) утворювати зшиті полімери. Олігомер - молекула у вигляді ланцюжка з невеликого числа однакових складених ланок, ступінь полімеризації якого зазвичай знаходиться в межах від 10 до 100.

Процес отвердження смоли є реакцією поліприєднання, в якій в якості отверджувачів можуть застосовуватися органічні і неорганічні кислоти, ангідриди кислот, аміни і аміди а також синтетичні смоли. Швидкість процесу отвердження залежить від температури і кількості отверджувача. Деякі отверджувачі реагують зі смолою при кімнатній температурі, інші - лише при нагріванні. Найкраще отвердження поліамінами досягається при температурі вище 100°С.

Важливою характеристикою епоксидних смол є висока адгезія по відношенню до майже усіх пластмас і металів.

Епоксидні смоли стійки до дії галогенів, кислот, лугів. Вони мають хороші механічні і електричні властивості. З епоксидних смол готують різні види клею, електроізоляційні лаки, заливальні компаунди (герметики) для захисту плат електронних пристроїв і приладів. Епоксидну смолу використовують для виготовлення композитних матеріалів в якості зв’язуючого. Із склотканини, просоченої епоксидною смолою, роблять корпуси плавзасобів, які здатні витримувати значне ударне навантаження, різні деталі для автомобілів і інших транспортних засобів.

Епоксидна смола є прозорою рідиною. Отверджена за правильною технологією епоксидна смола практично нешкідлива. У неотвердженому стані епоксидні смоли є токсичними. Епоксидна смола горить у вогні, хоча і важко спалахує, має різкий запах під час горіння.

Кремнійорганічні смоли - з'єднання, в молекулах яких є атоми кремнію і вуглецю. Кремнійорганічні смоли іноді називають сіліконами і використовують для виробництва мастил, полімерів, гум, каучуків, кремнійорганічних рідин і емульсій. Кремнійорганічні з'єднання застосовуються в косметиці, побутовій хімії, лакофарбових матеріалах, миючих засобах.

Особливістю продукції на основі кремнійорганічних смол є більш високі експлуатаційні характеристики (зокрема, теплові), а також безпека для людей. Кремнійорганічні полімери можуть використовуватися для виготовлення форм в кулінарії. Процес полімеризація кремнійорганічних компаундів і герметиків безпечна для людини.

Фенолформальдегідні смоли - рідкі або тверді олігомерні продукти поліконденсації фенолу з формальдегідом в лужному або кислому середовищі (бакеліти, новолачні і резольні смоли). Після отвердження перетворюються на полімери аморфної мікрогетерогенної структури.

Використовуються як зв’язуючий компонент у виробництві наповнених пресс-композиций з різними наповнювачами (целюлоза, скловолокно, деревне борошно) деревно-волокнистих і деревностружкових плит, клеїв, просочувальних і заливних композицій типу фанери, тканих і наповнених волокном матеріалів. Також застосовують для отримання пластичних мас (резитів, карболітів, неолейкоритів), синтетичних клеїв, лаків, вимикачів, гальмівних накладок, підшипників. З карболіту виготовляють корпуси виробів електротехнічного призначення.

Вироби з пластмас на основі фенолформальдегідних смол мають відносно високу міцність, високу корозійну стійкість і електроізоляційні властивості

Фенол і формальдегід отруйні і вогненебезпечні. Формальдегід має канцерогенну дію. Фенолформальдегідні смоли шкідливо діють на шкіру, викликають дерматити і екзему. При отвердженні фенолформальдегідних смол в пластмасах (фенопластах) відбувається зшивання олігомерних фрагментів смоли, при цьому вміст фенолу знижується до практично нешкідливого рівня.

 

Запитання для самоперевірки:

1. Що таке полімери і яким чином їх отримують?

2. Як поділяють полімери за походженням і за реакцією на температуру?

3. Яким чином структура полімера впливає на його властивості?

4. Які основні властивості полімерів зумовлюють їх використання?

5. Чим зумовлена висока токсичність полімерів при високих температурах?

 

 

ЛЕКЦІЯ 5. ПЛАСТМАСИ І ЕЛАСТОМІРИ

 

Для отримання матеріалів із заданими властивостями в техніці часто використовують не самі полімери, а їх поєднання з іншими матеріалами як органічного, так і неорганічного походження (металопласти, пластмаси, полімербетони, склопластики та ін.).

Пластмаси - це синтетичні матеріали, які отримують на основі полімерів. Властивості пластмас визначаються головним чином властивостями їх трьох основних компонентів: зв’язуючого, наповнювача і пластифікатора.

Зв’язуючим є той чи інший полімер.

Наповнювачі – це речовини, що додаються до складу пластмас для отримання необхідних властивостей пластмаси або/та здешевлення матеріалу. Вони надають пластмасам підвищеної міцності, твердості, теплостійкості а також деякі спеціальні властивості, наприклад антифрикційні або, навпаки, фрикційні. Крім того, наповнювачі зменшують усадку виробу з пластмаси при пресуванні. Наповнювачами слугують тверді матеріали органічного і неорганічного походження. Найбільш поширеними твердими наповнювачами є деревне і кам’яне борошно, деревна тирса, бавовняна тканина, папір, графіт, азбест, скловолокно, відходи автопокришок, повітря.

В якості пластифікаторів використовують нелетючі рідини з низькою температурою замерзання. Розчиняючись в полімері, пластифікатори підвищують еластичність. Їх вводять для розширення температурної області високоеластичного стану, для зниження жорсткості пластмас і температури крихкості. В якості пластифікаторів застосовують складні ефіри (похідні кислот, що містять кисень), низькомолекулярні полімери та ін. Пластифікатори повинні залишатися стабільними в умовах експлуатації. Їх наявність покращує морозостійкість і вогнестійкість пластмас.

До складу пластмас можуть також входити стабілізатори, отверджувачі, спеціальні хімічні добавки, змащуючі речовини, барвники і інші речовини.

Стабілізатори вводять до складу пластмас для підвищення довговічності. Наприклад, світлостабілізатори запобігають фотоокисленню, а антиоксиданти - термоокислювальним реакціям. Отверджувачі змінюють структуру полімерів, впливаючи на властивості пластмас. Частіше використовують отверджувачі, які прискорюють полімеризацію. До них відносять оксиди деяких металів, уротропін (добавка-консервант E239) та ін. Спеціальні хімічні добавки вводять з різними цілями; наприклад, сильні органічні отрути (фунгіциди) – для оберігання пластмас від плісняви і поїдання комахами в умовах тропіків. Змащуючі речовини (стеарин, олеїнова кислота) застосовують для запобігання прилипанню пластмаси до устаткування при виробництві і експлуатації виробів. Барвники і пігменти надають бажане забарвлення пластмасам.

 

ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАСТМАС

Пластмаси характеризуються наступними властивостями: низькою густиною (зазвичай 1,0 - 1,8 г/см³, в деяких випадках до 0,02 - 0,04 г/см³); високою корозійною стійкістю (пластмаси не схильні до електрохімічної корозії, на них не діють слабкі кислоти і луги; є пластмаси стійкі до дії концентрованих кислот і лугів, більшість пластмас нешкідлива для людини); високими діелектричними властивостями; здатністю забарвлюватись у будь-які кольори (деякі пластмаси можуть бути виготовлені прозорими); відносно високою механічною міцністю (залежно від природи обраних полімерів і наповнювачів пластмаси можуть бути твердими і міцними або ж гнучкими і пружними); антифрикційними властивостями (пластмаси можуть служити повноцінними замінниками антифрикційних сплавів – олов'янистих бронз, бабітів та ін.); високими теплоізоляційними властивостями; високими адгезійними і технологічними властивостями; хорошими технологічними властивостями (вироби з пластмас виготовляють способами безвідходної технології - литвом, пресуванням, формуванням із застосуванням невисоких тисків або у вакуумі).

До основних недоліків більшості пластмас можна віднести невисоку теплостійкість (до 100-120°С), здатність до окрихчування при низьких кліматичних температурах, відносно низьку твердість, підвищену гігроскопічність, схильність до старіння; повзучість, холоднотекучість;

За характером зв’язуючого пластмаси поділяють на термопластичні (термопласти), отримувані на основі термопластичних полімерів, і термореактивні (реактопласти).

 

ТЕРМОПЛАСТИЧНІ ПЛАСТМАСИ

Широке застосування мають термопластичні пластмаси на основі поліетилену, поліпропілену, полістиролу, полівінілхлориду, фторопластов, поліамідів і інших полімерів.

Вініпласт – найбільш поширена пластмаса на основі полівінілхлориду і перхлорвінілової смоли. Інше найменування - непластифікований полівінілхлорид (НПВХ). Для поліпшення експлуатаційних властивостей і зниження вартості до її складу вводять до 35% модифікатора (хлорований поліетилен, каучуки), до 20% наповнювача (крейда, сажа), до 10 % пластифікатора, а також термо- і світлостабілізатори, антиоксиданти, змащуючі речовини, пігменти або барвники.

Вініпласт має хороші електроізоляційні властивості і високу технологічність при створенні електричної ізоляції проводів. Стійкий до дії хімікатів, кислот, лугів, розчинів солей, атмосфери, води, олій і бензину, не підтримує горіння. Має порівняно високу механічну міцність і пружність, але порівняно малопластичний. Недоліками вініпласту є схильність до повзучості, низька ударна в'язкість і теплостійкість, різка залежність властивостей від температури.

Вініпласт випускається у вигляді листів, прутків, труб. Деталі з вініпласту добре механічно обробляються і добре зварюються. З нього виготовляють труби для води, агресивних рідин і газів, корозійностійкі ємності, ізоляцію для проводів і кабелів, деталі вентиляційних установок, теплообмінників, захисні покриття для металевих ємностей. Вініпласт має хороші адгезійні властивості, його легко приклеїти до бетонних, дерев'яних і металевих поверхонь.

Поліаміди – пластичні матеріали на основі поліамідних смол. До поліамідів відноситься група відомих термопластичних пластмас таких, як найлон, капрон, дедерон та ін. Поліаміди характеризуються високою міцністю на розтягування (межа міцності до 400 МПа), ударною міцністю, здатністю до поглинання вібрацій. Стійкі до дії лугів, олій, жирів і вуглеводнів. Мають низький коефіцієнт тертя і можуть використовуватися в якості підшипників як без мастила, так і при застосуванні мастильних матеріалів, а також в якості антифрикційних покриттів металів.

Поліаміди використовують для виготовлення конструкційних і електроізоляційних виробів, експлуатованих при температурах від -60 до +100°С, таких, наприклад, як зубчасті передачі, ущільнюючі пристрої, втулки, муфти, підшипники ковзання, лопаті гвинтів.

Полікарбонат - термопластичний полімер на основі удифенілолпропану і фостену, що випускається під назвою дифлон. Полікарбонат характеризується низькою гігроскопічністю і газопроникністю, хорошими діелектричними властивостями, високою жорсткістю, тепло- і хімічною стійкістю, не має запаху і смаку, нешкідливий для людини, безбарвний, прозорий, добре забарвлюється. Стійкий до світлового старіння і дії окисників навіть при нагріванні до 120°С.

Це один з найбільш удароміцних термопластів, що дозволяє використовувати його в якості замінника металів. З полікарбонату виготовляють шестерні, підшипники, корпуси, кришки, клапани і інші деталі, ємності для транспортування фруктових соків, молока, вин і т. д. Його можна використати в кріогенній техніці для роботи в середовищі рідких газів.

Физико-механічні властивості полікарбонатів покращуються при введенні в них армуючих волокон. Наприклад, при введенні в полікарбонат скловолокна (до 30%) його модуль пружності при розтягуванні збільшується в 3 рази, а твердість за Брінелем - у 1,5 рази. Теплостійкість матеріалу також збільшується, а термічний коефіцієнт лінійного розширення знижується в 3 рази, усадка матеріалу зменшується в 2 рази. Армовані полікарбонати під назвою "Естеран" знайшли застосування у виробництві відповідальних деталей машин, наприклад, підшипників кочення

Скло органічне (плексиглас) отримують полімеризацією складних ефірів метакрилової кислоти. Інша назва – поліметилметакрилат. Хімічна формула метилметакрилата: CH₂=C(CH₃)COOCH₃.

Цей термопласт оптично прозорий (світлопрозорість до 92 %), має низьку густину, високу атмосферостійкість, стійкий до дії розбавлених кислот і лугів, палива і мастил на основі вуглеводнів. Органічне скло випускається у вигляді листів завтовшки до 25 мм, порошків для лиття і формовки, волокон і плівок. Основний недолік - низька поверхнева твердість.

Для підвищення міцності пластмас в якості наповнювача використовують скловолокно. Такі термопласти, як поліпропілен і полістірол, армовані скловолокном, мають вищі механічні властивості і забезпечують незмінність форми виробів в умовах підвищених температур. Вони застосовуються при виготовленні різноманітних деталей в електронній і електротехнічній промисловості, оптичному і точному приладобудуванні, автомобілебудуванні, харчовому і фармацевтичному машинобудуванні.

Пінопласти і поропласти – синтетичні матеріали, у яких в якості наповнювача використовується газ. У пінопластів газонаповнені області не сполучаються між собою, а у поропластів – сполучаються. Густина таких матеріалів менше 0,3 г/см³. Пінопласти і поропласти виготовляють на основі полістиролу (пінополістирол), полівінілхлориду і різних ефірних полімерів.

Пінопласт застосовують в якості теплоізоляційного матеріалу, зокрема – в холодильних камерах різного призначення. Пінополістирол застосовують для теплоізоляції холодильників і торгового устаткування, а також для виробництва виробів, що контактують з харчовими продуктами. Пінополістирол має структуру застиглої піни, він стійкий до дії вологи, агресивних середовищ (крім концентрованої азотної кислоти). Має також високу біологічн стійкість: не гниє, стійкий до дії грибків і бактерій, не ушкоджується гризунами.

Пінополістироли можуть працювати при температурах до 75°С. Недоліком пінополістиролу є присутність у ньому горючого пороутворювача. Пінополістирол застосовується в різних галузях промисловості як термо- і звукоізоляційний матеріал, в харчовій промисловості - для зберігання продуктів харчування при температурі від -15 до -35°С. Коефіцієнт теплопровідності пінополістиролу близький до коефіцієнта теплопровідності повітря. Завдяки хорошим амортизаційним властивостям і малій вазі пінополістирол використовують як пакувальний матеріал.

Поролон - торгова назва еластичного пінополіуретана. Назва походить від назви скандинавської фірми Porolon, яка розпочала випуск цього матеріалу. Поролон - м'яка поліуретанова піна, що складається на 90% з повітря. Завдяки дрібнопористій структурі, поролон має хороші показники еластичності і повітропроникності. Недоліком поролону є його відносно невелика довговічність: дуже старий поролон втрачає пружність і злипається. Головний недолік матеріалу - його горючість; при горінні поролон виділяє токсичні гази. Зараз застосовують негорючі пінополіуретани (виготовляються шляхом введення спеціальних добавок).

Поролон використовується як пом'якшувальний матеріал (м’які меблі), для надання пружності виробам і ізоляції, в якості пакувального і амортизуючого матеріалу, для шумопоглинання.

 

ТЕРМОРЕАКТИВНІ ПЛАСТМАСИ

Зв’язуючим реактопласту є термореактивна смола, що затвердіває в результаті хімічної реакції. До складу реактопластов входять наповнювачі, пластифікатори, отверджувачі, прискорювачі або уповільнювачі і розчинники.

Наповнювачами можуть бути порошкові, волокнисті і гнучкі листові матеріали (волокна, папір і тканини). В якості порошкових наповнювачів використовують мелений кварц, тальк, графіт, деревне борошно, целюлозу. До пластмас з порошковими наповнювачами відносяться: фенопласти і амінопласти.

Фенопласти (фенолформальдегідні смоли) є термозміцнюваними пластмасами. Існує два основні типи фенолформальдегідних смол: новолак і резол. Резол отримують в спиртових середовищах нагріванням до температури, коли відбувається необооротне зміцнення смоли (реакція утворення сітчастої структури), тому резоли пресують у формах. Новолак отверджується в результаті дії отверджувачів.

Термопласти зміцнюють нагріванням до температур 140-180°С. Зміцнені фенолформальдегідні смоли називають бакелітами. Ця пластмаса добре механічно обробляється інструментами для обробки металу і добре полірується. Бакеліт з новолаку має більшу термостійкість (100-150°С), ніж бакеліт з резолу, але гірші діелектричні властивості.

Бакеліт пагано горить, але в процесі горіння з нього виділяються фенол і формальдегід, що мають токсичні властивості. Бакеліт стійкий до дії розбавлених кислот і лугів, а також до більшості органічних розчинників.

З бакеліту виготовляють електротехнічні елементи (корпуси акумуляторів, вилки, розетки, руків'я і деталі приладів, кнопки), корпуси радіо- і телефонних і апаратів, формувальні штампи, ливарні моделі, деталі пральних машин, захисні шоломи, лаки, клеї, вироби галантереї.

Амінопласти є також термозміцнюваними пластмасами.. До них відносяться карбамідо-формальдегідні і меламін-формальдегідні смоли, які під впливом нагріву чи кислотних каталізаторів зміцнюються, утворюючи просторову сітчасту структуру. Зміцнені амінопласти тверді і жорсткі. Їх можна полірувати і механічно обробляти, вони мають хороші електроізоляційні властивості, легко забарвлюються.

Теплостійкість зміцнених амінопластів близько 100-120°С. Зміцнені амінопласти стійки до дії води, кислот (у тому числі сірчаною і азотною), лугів і органічних розчинників. Для склеювання таких амінопластів можна застосовувати клеї фенол-формальдегідні або карбамід-формальдегідна смоли.

З амінопластів виготовляють клеї для дерева, електротехнічні деталі (розетки, вимикачі), галантерейні вироби, тонкі покриття для прикрас, лаки (так звані пічні), пінисті матеріали.

 

ЕЛАСТОМІРИ

Еластоміри - матеріали на основі каучуку і близьких до нього за властивостями речовин. Каучук характеризується високою еластичністю і малою проникністю для вологи і газів.

Каучуки бувають натуральні і синтетичні. Натуральний каучук отримують коагуляцією латексу (природного соку дерев-каучуконосів, що ростуть у Бразилії, Південно-східній Азії, на Малайському архіпелазі). Каучук виділяється при коагуляції латексу і видаленні домішок. За хімічним складом натуральний каучук являє собою полімерний вуглеводень, що має склад С₅Н₈. Уже при нагріванні до температури 50°С каучук розм'якшується і стає липким, а при низьких температурах – крихким. Каучук розчиняється у вуглеводнях і сірковуглеці. Розчин каучуку в бензині (гумовий клей) застосовується для склеювання каучуку і гуми. Через малу стійкість до дії підвищених і низьких температур, а також розчинників чистий каучук для виготовлення електричної ізоляції не вживають. Каучуки є полімерами з лінійною структурою. При вулканізації вони перетворюються на високоеластичні рідкосітчасті матеріали - гуми.

Синтетичні каучуки (бутадієнові, бутадієн-стирольні) отримують методами полімеризації. Розроблені методи отримання синтетичних каучуків на основі дешевшої сировини, наприклад нафти і ацетилену. Бутадієновий каучук - найбільш розповсюджений синтетичний каучук, синтезується в результаті полімеризації газоподібного вуглеводню бутадієну. Широко застосовується замість натурального каучука або в суміші з ним для виготовлення як м'якої гуми, так і ебоніту.

Каучуки (натуральний і синтетичні) є термореактивними матеріалами.

Гума складається з суміші каучуку (основа), наповнювача (сажа, оксид кремнію, оксид титану, крейда, барит, тальк), пом'якшувача (каніфоль, вазелін), стабілізатора (парафін, віск) і агентів вулканізації (сірка, оксид цинку). Головним компонентом гуми, що надає їй високі еластичні властивості, є каучук.

Процес перетворення сирого каучуку на гуму шляхом нагрівання його з сіркою називають вулканізацією. При температурі 130-160°С каучук взаємодіє з сіркою і його молекули зв'язуються між собою атомами сірки. Для прискорення вулканізації до складу гуми вводять оксид цинку. Вулканізація поліпшує як нагрівостійкість, так і морозостійкість каучуку, підвищує його механічну міцність і стійкість до розчинників. Зі збільшенням вмісту вулканізатора сітчаста структура гуми ущільнюється, що приводить до зменшення еластичності гуми.

При максимальному насиченні сіркою (до 30-50%) отримують тверду гуму (ебоніт – твердий матеріал, що має високу стійкість до ударних навантажень), при насиченні сіркою до 10-15% - напівтверду гуму. В м’якій гумі міститься 1-3% сірки.

Гума має високі еластичні властивості (відносне видовження для різних технічних гум складає від 150 до 500%, а для ебоніту - від 2 до 6%), високу пружність і міцність на розрив. Крім того гума має малу густину, високу стійкість проти зношування, хімічну стійкість, хороші електроізоляційні властивості.

Гуму широко застосовують для ізоляції монтажних дротів, гнучких переносних проводів і кабелів. Вона вживається також для виготовлення захисних рукавичок, галош, килимків і ізоляційних трубок. Сукупність хімічних, фізичних і механічних властивостей дозволяє використати гумові матеріали для амортизації і демпфування коливань елементів конструкцій, ущільнення і герметизації з’єднань, хімічного захисту деталей машин, при виробництві тари для зберігання олії і пального, різних трубопроводів, шлангів, для виготовлення покришок і камер коліс автотранспорту, декоративних виробів і т. д. Недоліки гуми як електроізоляційного матеріалу – низька нагрівостійкість (при нагріванні гума старіє, охрупчується і тріскається), мала стійкість до дії нафтових масел, у яких гума набухає, і інших неполярних рідин (бензол, бензин і ін.), а також до дії світла, особливо ультрафіолетового, під впливом якого гума швидко старіє.

Залишки вільної сірки, що є в гумі, шкідливо дію на мідь, особливо при підвищеній температурі (мідь з'єднується із сіркою, утворюючи сірчисту мідь). Тому неприпустимо безпосередньо накладати звичайну гумову ізоляцію на мідну жилу кабельного виробу. Попередньо мідь покривають так званим розділителем - шаром олова або папером. На алюмінієві жили гума може накладатися безпосередньо, без розділителя.

Сажеві гуми містять в якості наповнювача сажу, тому мають чорний колір. Ії електроізоляційні властивості низькі. Такі гуми використовують лише в тих випадках, коли високі електричні властивості ізоляції не потрібні (наприклад, зовнішні захисні оболонки гумових кабелів).

Ебоніт для цілей електротехніки випускається у вигляді листів (дошок), стержнів і трубок. Він добре піддається механічній обробці і застосовується переважно в техніці слабких струмів, для акумуляторних баків і т.п. Останнім часом ебоніт значною мірою витісняється пластмасами.

 

Запитання для самоперевірки:

1. Що таке пластмаси і з чого вони складаються?

2. Які властивості зумовлюють використання пластмас?

3. Назвіть основні види термопластів і дайте їм характеристику.

4. Що таке вініпласт, де і чому він застосовується?

5. Назвіть основні види реактопластів і дайте їм характеристику.

6. Що таке гуми, де і чому вони використовуються?

 

 

ЛЕКЦІЯ 6. ВОЛОКНИСТІ МАТЕРІАЛИ. КОМПОЗИТИ