72 Изготовление деталей из полимеров и пластмасс

16.1. Пластмассы

Пластмассы – это материалы, основу которых составляют высокомолекулярные соединения – полимеры. Макромолекулы полимеров могут иметь линейную, разветвленную либо пространственную (сшитую) формы

В цепях атомы связаны ковалентными связями, а между цепями – более слабыми межмолекулярными силами. Линейные полимеры хорошо растворяются, т.к. молекулы растворителя внедряются между макромолекулами и ослабляют связи между ними. Разветвления ослабляют межмолекулярные силы, снижают температуру размягчения. Пространственная структура делает полимер нерастворимым и неплавким. В зависимости от температуры полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном или вязкотекучем состоянии. При стеклообразном состоянии колеблются лишь атомы в составе мономеров, а звенья и макромолекулы не перемещаются. Преимущественная деформация в этом

состоянии – упругая. Полимеры с пространственной структурой бывают только в таком стеклообразном состоянии. Высокоэластичное состояние обеспечивается за счет колебания звеньев и изгибов макромолекул, что дает значительное обратимое изменение формы за счет совместных упругих и высокоэластичных деформаций. Вязкотекучее (жидкое) состояние обеспечивается за счет подвиж-

ности макромолекул.

. Классификация полимеров и пластмасс

Полимеры разделяются на простые и сложные. Простые состоят из одного полимера (капрон, полиэтилен, оргстекло). Сложные (композиционные) состоят из следующих компонентов:

• полимер, выполняющий роль связующего вещества (30 ... 70 %);

• наполнители, которые вводятся для придания определенных физико- механических свойств (термостойкости, прочности, износостойкости); под разделяются на органические (древесная мука, хлопковый очес, кожа, целлюлоза, х/б ткань, бумага) и неорганические (асбест, окись Zn, каолин, кварцевая мука, графит, стекловолокно, стеклоткань); по форме частиц наполнители могут быть порошкообразные; волокнистые (органические и стеклянные волокна, асбест); слоистые – листовые (ткани, бумага, шпон);

• стабилизаторы – предотвращают процесс старения, т. е. самопроизвольный распад полимера под действием ультрафиолетовых лучей, повышенной температуры, кислорода, в результате чего пластмассы разлагаются либо твердеют и делаются хрупкими;

• пластификаторы – для облегчения переработки в изделия, увеличения текучести, эластичности, уменьшения хрупкости при формовании (касторовое масло, дибутилфталат и др.);

• красители органические и неорганические;

• специальные добавки: смазывающие, катализаторы – ускорители отверждения (известь, магнезия, олеиновая кислота, стеарин).

Для газонаполненных (поро- и пенопласты) – газообразователи (горючие). По происхождению полимеры бывают природные (натуральный каучук, целлюлоза, асбест) и синтетические (полиэтилен, полистирол, полиамиды, смолы).

По химическому составу разделяются на:

• органические и элементоорганические, молекулярная цепочка которых в основном образована атомами углерода с некоторыми другими элементами (кислород придает гибкость, фтор – химическую стойкость, хлор – огнестойкость и пр.);

• неорганические, основа которых – оксиды Si, Al, Mg и др. (силикатное стекло, керамика, слюда, асбест, графит), отличаются плотностью, хрупкостью и длительной теплостойкостью.

По фазовому составу: аморфные (молекулы неупорядочены) и кристаллические. Кристаллическая фаза придает теплостойкость, жесткость и прочность. По поведению при нагреве: термопластичные (обратимые), имеют линейную или разветвленную структуру; и термореактивные (необратимые), имеют про-

странственную структуру. Термопластичные при нагревании могут изменять агрегатное состояние, пе-

реходить из твердого состояния в жидкое и обратно (полиэтилен, полистирол, акрилат и другие).

Термореактивные при нагревании переходят в вязкотекучее состояние, а потом претерпевают химические изменения (образуются пространственные структуры) и превращаются в твердые и неплавкие материалы, т. е. происходящие в них при нагреве изменения необратимы (фенопласты, аминопласты, полиамиды и др.), затвердевают при нагреве. По прочности: низкой (полиэтилен, фторопласты); средней (фенопласты, поли-

стирол, полиамиды – капрон, капролон); высокой прочности (стеклопластики).Технологические свойства пластмасс: текучесть, усадка, скорость отверждения реактопластов (зависит от состава и температуры), термостабильность термопластов – время, в течение которого термопласт выдерживает определен-

ную температуру без разложения.

Влага и летучие вещества понижают диэлектрические показатели реактопластов, увеличивают время выдержки и коробление, ухудшают внешний вид. Поэтому для них требуется подсушка.

Типовые термопластичные материалы (термопласты)

Полиэтилен: химически стоек, высокая теплостойкость и механическая прочность. Назначение: пленки, трубы, изоляция проводов и кабелей, покрытия на металлах.

Полипропилен: химически стоек. Применяется для текстильных изделий в качестве эластичных и прочных волокон. Изготавливают конструкционные детали и различные емкости.

Полистирол: твердый, жесткий, прозрачный аморфный пластик, растворяется в бензолах, но стоек к слабым кислотам, щелочам, спиртам, не растворяется в маслах и бензоле, склонен к старению и образованию трещин. Ударопрочный полистирол с добавкой синтетического каучука – отличный диэлектрик, обладает абсолютной стойкостью к воде. Применение: детали радио- и телетехники, фотоаппаратуры, корпусов машин, трубы, автомобильные детали.

Фторопласт: термически стойкий, не горит, высокая химическая стойкость,не смачивается водой, имеет низкий коэффициент трения, тепло- и морозоустойчив, высокие диэлектрические свойства. Применение: детали химической аппаратуры, антифрикционные покрытия, электротехника, радиотехника.

Поливинилхлорид: химически стоек, негорюч, упруг и прочен. Винипласт (разновидность поливинилхлорида). Применение: трубы для агрессивных сред, покрытия гальванических ванн.

Полиамиды: капрон, нейлон и др. Стойки к бензину, спирту, щелочам. Прочность полиамидных волокон достигает ?В = 600 МПа. Хорошо работают на износ, удар, имеют низкий коэффициент трения. Недостатки: гигроскопичность, старение за счет окисления. Применение: зубчатые колеса, шкивы, подшипники, уплотнители, трубы, волокна, канаты, антикоррозионные и антифрикционные покрытия.

Лавсан: сложный полиэфир, кристаллический полимер, химически стоек, морозостоек до – 70 °С. Применяется для изготовления волокон, ткани, пленки, ремней, зубчатых колес и др.

Термопластичные пластмассы с наполнителями

Наполнителями могут быть капроновые и лавсановые волокна. В сложных термопластах применяют также стеклоткани. Например, капрон со стеклотканью имеет ?В = 400 ... 430 МПа, t раб. до 220 °С. Полиамиды со стеклянными волокнами имеют прочность до ?В = 90 ... 150 МПа, высокую теплостойкость, износостойкость, усталостную прочность.

Типовые термореактивные материалы (реактопласты)

Связующие – термореактивные полимеры:

• эпоксидные (со стеклопластиком – tраб. до 200 °С);

• фенолформальдегидные (до 260 °С);

• кремнийорганические (до 370 °С);

• полиамидные смолы (до 350 °С), а также непредельные полиэфиры (до 200 °С).

Отвердитель переводит их в твердое необратимое состояние. Связующие должны обладать высокой адгезией, тепло- и химической стойкостью, малой усадкой. Пресс-порошки (фенопласты и аминопласты): наполнители органические (древесная мука, целлюлоза) или минеральные (тальк, графит, кварц) в виде порошков.

Эти пластмассы химически стойки, но имеют низкую ударную вязкость. Применение: электроизоляционные материалы, элементы несиловых конструкций.

Слоистые армированные реактопласты

Волокниты: наполнитель – очесы хлопка.Асбоволокниты: наполнитель – волокнистый асбест, tраб. до 200 °С, химически стойки к кислотам, имеют высокую ударную прочность, высокие фрикционные свойства. Применение: тормозные накладки и вставки.

Стекловолокниты: наполнитель – высокопрочные короткие стеклянные волокна. Химически стойкие, негорючие, технологичные. Их применение в качестве наполнителя длинных ориентированных стеклянных волокон повышает прочность в 3 ... 5 раз. Применение: высокопрочные крепежные детали и детали машин.

Пластмассы с листовыми наполнителями

Гетинакс: с бумажными наполнителями, электротехнический и декоративный, химически стоек. Применение: щитки, панели.

Текстолит: с хлопчатобумажной тканью. Применение: зубчатые колеса, вкладыши подшипников.

Древесно-слоистые пластики (ДСП): наполнитель – древесный шпон, бесшумные в работе и долговечны. Детали швейных и текстильных машин.

Асботекстолит: наполнитель – асбестовая ткань, фрикционный и термоустойчивый материал.

Стеклотекстолит: наполнитель – стеклоткань, химически стоек. Недостатки: анизотропия и невысокий модуль упругости. Применение: корпуса лодок, кузова автомашин. Трудоемкость изготовления пластмассовых деталей ниже в 5 ... 6 раз по сравнению с металлическими за счет короткого цикла производства (малооперационность).

Резиновые материалы

Резина– продукт горячей или холодной вулканизации каучука с серой и другими добавками. Резины химически стойки, газо- и водонепроницаемы, стойки на истирание, являются электроизоляторами, имеют низкий модуль упругости (Е = 1 ...10 МПа), малосжимаемы.Натуральный каучук (НК)имеет плотность ? = 0,91 … 0,92 Мг/м3, аморфный полимер, растворяется в бензине, бензоле и др. растворителях, образуя

клеи, tраб. = 70 ... 130 °С, ?в = 24 ... 34 МПа. Мягкие резины содержат 1 ... 3 % серы (S) от массы каучука, твердые (эбонит) – до 30 % S. Добавка хлористой серы обеспечивает холодную вулканизацию. Ускорители вулканизации (MgO, ZnO) – 0,5 ... 1,5 %. Наполнители резины: порошкообразные сажа, тальк, мел; тканевые – х/б, шелк, корд. Пластификаторы (парафин, стеарин, канифоль) служат для облегчения смешивания резиновой смеси, придания ей мягкости и морозостойкости. Противостарители: вазелин и др. Красители: охра и др. Применение: ремни, рукава, шины, изоляция кабелей и др. изделия из резин общего назначения.

Специальные резины

Маслобензостойкие, например, наирит, плотность ? = 1,225 Мг/м3, высокая эластичность, вибростойкость, но уступает по морозо- и теплостойкости резинам общего назначения. Теплостойкие, плотностью ? = 1,7 … 2 Мг/м3, tэкспл. = 60 ... 200 °С. Износостойкие на основе каучука СКУ. Из спецрезин изготавливают ремни, транспортерные ленты, уплотнители, манжеты, диафрагмы, гибкие шланги.