Контрольные вопросы:

1. Какие свойства неметаллических материалов обеспечивают их широкое применение?

2. На какие группы подразделяются неметаллические материалы по происхождению? Охарактеризуйте эти группы.

3. Что такое высокомолекулярные соединения?

4. Назовите основные типы макромолекул и объясните, какие свойства они определяют.

5. Какими методами получают синтетические полимеры? В чем суть этих методов?

6. Что такое кристаллические и аморфные полимеры? Каковы их свойства?

7. На какие группы можно разделить полимеры по использованию и назначению?

7.1.1. Пластмассы или пластики

Пластическими массами называют полимерные ма­териалы, полимерная фаза которых находится в период фор­мования изделия в вязкотекучем или высокоэластическом со­стоянии, а при эксплуатации в аморфном стеклообразном или кристаллическом состоянии.

По природе полимера, составляющего полимерную фазу, пластмассы делятся на:

полимеризационные: полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиакрилонитрил, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен;

поликонденсационные, из которых наиболее распространены феноло-альдегидные или фенопласты и анилино-альдегидные или аминопласты, и модифицированные на основе цел­люлозы (целлулоид, этролы).

Состав конкретных пластмасс зависит от их назначения и требуе­мых свойств и может меняться в широких пределах: от почти чистого полимера (полиэтилен, полипропилен) до систем, со­держащих 50 и более процентов различных добавок.

В общем случае в состав пластмассы входят следующие компоненты, каждый из которых выполняет определенную функцию: полимеры (связующие, полимерная фаза), создающие ос­нову материала; наполнители, обеспечивающие нужные механические свойства, прочность и повышающие экономичность производ­ства; пластификаторы; стабилизаторы; красители; отвердители, создающие трехмерную сшитую структуру полимера.

Основную массу производимых пластмасс составляют полиолефины, полистирол, поливинилхлорид, фенолальдегидные и карбамидные полимеры. Они составляют около 85% от всего про­изводства пластических масс.

В состав композиционных пластмасс (в зависимости от назначе­ния изделия) часто вводят в небольших количествах и другие до­бавки: смазывающие вещества, облегчающие прессо­вание и удаление изделий из формы; порообразователи - вещества, которые обеспечивают получение пено- и поропластов; катализаторы - вещества (магнезия, известь) ускоряющие отвердение пластмасс; фунгициды — вещества, вво­димые против разрушающего действия плесени и антипирены, понижающие горючесть пластмасс (инертные и химически активные, вступающие в реакцию с полимером).

По отношению к нагреванию пластмассы подразделяются на два типа: тер­мопластичные или термопласты, полимерная фаза которых при горячем формовании изделия не отверждается и пластмасса со­храняет способность переходить вновь в вязкотекучее состоя­ние при повторном нагреве, и термореактивные или реактопласты, переработка которых в изделия сопровождается реакци­ями образования трехмерной структуры в полимерной фазе (отверждение полимера) и изделие необратимо теряет способность переходить в вязкотекучее состояние.

Термопласты получают на основе полимеров, молекулы которых свя­заны слабыми межмолекулярными силами. Наличие таких межмоле­кулярных связей позволяет полимеру много раз размягчаться при на­гревании и твердеть при охлаждении, не теряя свои первоначальные свойства. К термопластам относят полиэтилен, полистирол, фторопласт, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, лавсан и др.

Термопласты отличаются низкой усадкой. Для них характерны малая хрупкость, большая упругость и способность к ориентации.

Основу термопластичных пластмасс составляют полимеры с линейной и разветвленной структурой. Помимо основы они иногда содержат пластифи­каторы. Термопласты способны работать при температурах не выше 60 - 70 °С, поскольку выше этих температур их физико-механические свойства резко снижаются. Некоторые теплостойкие пластмассы способны работать при 150 - 200 °С, а термостойкие полимеры с жесткими цепями и циклической структурой устойчивы до 400 - 600 °С.

Самым распространенным термопластом является полиэтилен – твердое полупрозрачное вещество. Отличается высокой прочностью, хорошо выдерживает низкую температуру (до-70⁰С). Он влаго- и газонепро­ницаем, не набухает в воде, эластичен в широком интервале темпера­тур, устойчив к действию кислот и щелочей, обладает очень хорошими диэлектрическими свойствами. Не растворяется в обычных органических растворителях.

Получают полиэтилен полимеризацией бесцветного газа этилена при низком и высоком давлении. Его выпускают в виде плен­ки, листов, труб, блоков. Различают полиэтилен низкого (НД) и высокого (ВД) давления.

Полиэтилен низкого давления име­ет высокую плотность и кристалличность до 74 - 95%. Температура плавления около -135⁰С.

Полиэтилен низкого давления обладает большей механической прочностью и жесткостью, чем полиэтилен высокого давления, и используется для изготовления труб, шлангов, листов, плен­ки, деталей высокочастотных установок и радиоаппаратуры, различных емкостей. Литьем изготовляют вентили, краны, золотники, зубчатые ко­леса, работающие с малой нагрузкой.

Макромолекулы полиэтилена высокого давления имеют более разветвленное строение. Температура плавления 115⁰С. В результате полиэтилен ВД отличается пониженной плотностью и со­держит в структуре до 55 - 65% кристаллической составляющей. С уве­личением плотности и кристалличности полиэтилена возрастают его прочность и теплостойкость.

Полиэтилен высокого давления применяют как упаковочный материал в виде пленки или в виде небью­щейся химической посуды.

Полиэтилен хорошо обрабатыва­ется и перерабатывается всеми известными способами: литьем под давле­нием, вакуум-фор-мованием, экструзией, механической обработкой, сваркой.

Полиэтилен подвержен старению. Для защиты от старения в полиэтилен вводят сажу 2—3%, замедляющую процесс старения в 30 раз.

Однако ввиду недостаточной прочности для изготовления деталей ма­шин его применяют ограниченно. Основной недостаток полиэтилена — его невысокая теплостойкость, изделия из него рекомендуется исполь­зовать при температуре не выше 80°С.

Полистирол – также представитель термопластических пластмасс. Это аморфный, твердый, жесткий, прозрачный полимер, имеющий преимущественно линейное строение. Применяются для изготовления листов и деталей ме­тодом литья под давлением. Он обладает абсолютной водостойкостью.

Полистиролу присущи высокие диэлектрические свойства, удовлетвори­тельная механическая прочность, невысокая рабочая температура (до 100°С), химическая стойкость в щелочах, минеральных и органических кислотах, маслах, стоек к плесени, Он набухает в 65%-ной азотной, ледяной уксусной кислотах, бензине и керосине. При температуре выше 200 °С разлагается, образуя стирол.

К недостаткам полистирола от­носят его малую теплостойкость, хрупкость и подверженность к старе­нию и растрескиванию. Для предотвращения растрескивания в полистирольные материалы вводят пластификаторы или минеральные наполни­тели. Перерабатывается полистирол методом литья под давлением, экструзией и пневматическим формированием. Изделия из полистирола можно подвергать любым видам механической обработки.

Из полистирола изготовляют панели, катушки, лабораторную посуду. Из блочного полистирола экструзией - выдавливанием можно получать трубки, стержни и другие профильные изделия, пленки, ленты и нити различной толщины. Полистирольные трубки применяют для изоляции высокочастотных проводов, изготовления деталей радиолокационной аппаратуры, изоляторов. Этот полимер широко используют для изготов­ления бытовых изделий.

Большую группу термопластов составляют фторопласты, имеющие аморфно-кристаллическую структуру. Эти полимеры состоят преимущественно из углерода и фтора.

Наибольшее применение в промышленности получил непро­зрачный для света фторопласт-4.

Фторопласт-4 химиче­ски абсолютно стоек. На него оказывают действие только расплавы со­лей щелочных металлов и фтор при высоких температурах. Коэффици­ент трения фторопласта-4 в семь раз ниже коэффициента трения хоро­шо полированной стали, что способствует использованию его в маши­ностроении для трущихся деталей без применения смазки, однако при незначительных нагрузках, так как фторопласт-4 обладает хладотекучестью, увеличивающейся с повышением температуры. Фторопласт-4 работает в интервале температур от —250 до +260°С. Фторопласт-4 не перерабатывается обычными методами для переработки термопластов, так как не переходит в вязко-текучее состояние. Изделия из фторопласта-4 получают спеканием при температуре 350—370°С порошка, спрессован­ного по форме детали.

Фторопласты других марок широко применяются для изготовления уплотнительных деталей - прокладок, набивок, работающих в агрессивных средах, дета­лей (труб, гибких шлангов, кранов и т. д.), самосмазывающихся вклады­шей подшипников, насосов, тары пищевых продуктов, используют в вос­становительной хирургии. Фторопласты также нашли применение для защиты металла от воздействия агрессивных сред. Покрытие произво­дится из суспензий или эмульсий с последующим спеканием.

Поливинилхлорид. Пластифицированный поливинилхлорид называ­ют пластикатом, непластифицированный твердый листовой материал - винипластом.

Пластмассы на основе поливинилхлорида обладают хоро­шими диэлектрическими и механическими свойствами. Однако они име­ют невысокую термостойкость: до 60⁰С. Поливинилхлорид не стоек к действию ароматических и хлорированных углеводородов и концентри­рованной азотной кислоты.

Винипласт выпускают главным образом в виде листов, труб, стерж­ней, уголка. Изделия из винипласта изготовляют выдавливанием, штам­повкой, гибкой механической обработкой, сваркой, склейкой. Склеива­ние осуществляют перхлорвиниловым клеем. Штамповку, вытяж­ку можно проводить при нагреве (130°С).

Из винипласта изготовляют емкости в химическом машиностроении, аккумуляторные баки и сепараторы для аккумуляторов, вентили, кла­паны, фитинги для трубопроводов, крышки, пробки, плитки для футе­ровки электролизных и травильных ванн, детали насосов и вентилято­ров и другие изделия.

Изделия из винипласта не должны подвергаться толчкам и ударам при низких температурах, их прочность зависит от величины и продолжи­тельности действия деформирующих усилий. Во все композиции на ос­нове поливинилхлорида вводят стабилизирующие вещества для защиты от теплоты и света.

Полиамиды. Они отличаются сравнительно высокой прочностью и низким коэффициентом трения. Наибольшее распространение из поли­амидов получил капрон как относительно дешевый и наименее дефицит­ный материал. Его износостойкость в несколько раз выше, чем стали, чугуна и некоторых цветных металлов. Наилучшими антифрикционны­ми свойствами обладает капрон с добавлением 3-5% графита. Ввиду низ­кой теплопроводности капрона (в 250 - 300 раз меньше, чем у металлов) при конструировании подшипников необходимо принимать меры для обеспечения хорошего теплоотвода. Капрон отличается удовлетворитель­ной химической стойкостью, а также стойкостью к щелочам и большин­ству растворителей (бензину, спирту и др.).

Для изготовления деталей из капрона и других полиамидов наиболее широко используют метод литья под давлением. Капрон хорошо обра­батывается резанием, склеивается и сваривается. Из него выполняют детали антифрикционного назначения, подшипники, зубчатые колеса, кронштейны, рукоятки, крышки, корпуса, трубопроводную арматуру, прокладки, шайбы и др.

Полиметилметакрилат (органичес­кое стекло). Это термопластический материал, обладающий прозрачностью, твердостью, стойкостью к атмосферным воздействиям, водостойкостью, стойкостью ко многим минеральным и органическим растворителям, высокими электроизоля­ционными и антикоррозионными свойствами. Он выпускается в виде прозрачных листов и блоков.

Органические стекла выгодно отличаются от минеральных стекол низ­кой плотностью, упругостью, отсутствием хрупкости вплоть до 50 - 60°С, более высокой светопрозрачностью, легкой формуемостью в детали слож­ной формы, простотой механической обработки, а также свариваемостью и склеиваемостью. Однако по сравнению с минеральными стеклами ор­ганические стекла обладают более низкой поверхностной твердостью. Поэтому поверхность органического стекла легко повреждается, и его оптические свойства нарушаются. Теплостойкость органического стекла ниже, чем у минерального; кроме того, органическое стекло легко заго­рается.

Органическое стекло применяется для изготовления санитарно-технического оборудования, светильников, фонарей, деталей приборов управления.

Лавсан представляет собой сложный полиэфир. Это кристаллический полимер, при быстром охлаждении может стать аморфным. Обладает хорошей химической стойкостью и морозостойкостью (до —70°С). Механическая прочность сравнительно невелика, но она может быть увеличена за счет за­данной ориентации макромолекул. Из лавсана изготов­ляют волокна, ткани, пленки, канаты, ремни, зубчатые колеса и другие изделия.

В термореактивных пластмассах (реактопластах) связующими являются термореактивные полимеры, чаще всего это эпоксидные (стеклопластики на их основе спо­собны к длительной эксплуатации при температурах до 200 °С), фенолоформальдегидные (до 260 °С), кремний-органические (до 370 °С) и полиимидные (до 350 °С) смолы, а также непредельные полиэфиры (до 200 °С). Связующие должны обладать высокой адгезией, тепло­стойкостью, химической стойкостью, малой усадкой, тех­нологичностью.

Реактопласты получают на основе полимеров, молекулы которых на­ряду с межмолекулярными силами могут связываться химически. Воз­никновение прочных химических связей в полимерах происходит при нагревании или при введении добавок - отвердителей. В результате введения отвердителя образуются пространственные молекулярные цепи, а молекулы отвердителя стано­вятся частями этой цепи. При возникновении химических связей поли­мер превращается в жесткое неплавящееся и нерастворимое вещество. После тепловой обработки - отверждения – полимер переходит в термоста­бильное состояние.

Термореактивные пластмассы отличаются хрупкостью, имеют большую усадку 10 - 15% и содержат в своем составе наполнители.

Рассмотрим основные термореактивные материалы.

Фенопласты. Их изготовляют на основе фенолформальдегидных смол, они широко распространены благодаря простому и дешевому способу получения сырья и его переработки, а также возможности изготовления из этих материалов сложных изделий. Фенопласты отличаются высокой прочностью, теплостойкостью, стойкостью к кислотам, щелочам и орга­ническим растворителям, а также наличием диэлектрических свойств.

Из фенолформальдегидных смол с добавкой наполнителей изготовляют волокнистые и слоистые пластики.

К слоистым пластикам относится текстолит. Это слоистая пластмасса, где в качестве наполнителя ис­пользуется хлопчатобумажная ткань, в качестве связующего - фенолформальдегидная смола.

Текстолит обладает относительно высокой механической прочностью, малой плотностью, высокими антифрикционными свойства­ми, высокой стойкостью к вибрационным нагрузкам, износоустойчи­востью и хорошими диэлектрическими свойствами. Теплостойкость текстолита 120 - 125°С. Текстолит нашел широкое применение как за­менитель цветных металлов для вкладышей подшипников прокатных станов в металлургической промышленности, как конструкционный и поделочный материал в авиа- и машиностроении; для изготовления шестерен в автомобилях и других технических изделиях, к которым предъявляются высокие механические требования. Текстолиты являются хорошими демп­фирующими материалами. Текстолитовые шес­терни в отличие от металлических, работают бесшумно.

Электротехнический текстолит применяют для изготовления электро­изоляционных изделий повышенной прочности - изолирующие роли­ки, пазовые и изолирующие клинья в генераторах, разные изолирующие детали для работы на воздухе и в трансформаторном масле.

Гетинакс. Это слоистая пластмасса на основе фенолформальдегидной смолы и листов бумаги. Гетинакс выпускают под марками А, Б, В, Г. Ге­тинакс марок А и В имеет повышенные электрические свойства, марок Б и Г - повышенную механическую прочность. Гетинакс химически стоек и выдерживает температуру до 150⁰С. Гетинакс выпускают в виде листов толщиной 0,5 - 50 мм, стержней диаметром до 25 мм и тру­бок различных диаметров. Гетинакс применяют главным образом как электроизоляционный материал. Выпускают также декоративный гетинакс для отделочных работ. Из гетинакса готовят фасонные изделия тех­нического и бытового назначения.

Асботекстолит — слоистый пластик на основе асбестовой ткани, про­питанный фенолформальдегидной смолой, устойчив к резким колебаниям температуры и влажности, бензостоек, отличается высокими фрик­ционными, электроизоляционными и теплоизоляционными свойства­ми. Из асботекстолита выполняют тормозные колодки и диски сцепле­ния.

Древесно-слоистые пластики (ДСП) содержат наполнители в виде древес­ного шпона. Изделия из ДСП эксплуатируются до темпе­ратур 140 - 200°С, имеют достаточную прочность, бесшумны в работе и долговечны. Из них выполняют под­шипники, шкивы, детали швейных и текстильных машин, автомобилей, вагонов и др.

К слоистым пластмассам относят и стеклотекстолиты, использующие стеклян­ные ткани. Стеклопластики способны к длительной экс­плуатации при температурах 200 - 400 °С, а кратковре­менно - до нескольких тысяч градусов.. Стеклотекстолиты химически стойки, имеют высокую прочность. Они имеют доста­точную ударную вязкость и более высокую в сравнении с металлами работоспособность. Изделия из стекло­пластиков разнообразны: корпуса лодок, судов; кузова автомашин и др.

Стеклотекстолит является основой для изготовления плат с печатным монтажом, кодовых переключателей, печатных якорей электродвигате­лей и других деталей (фольгированные пластмассы).

Фольгированные пластмассы представляют собой стеклотекстолит, облицованный с одной или двух сторон медной фольгой толщиной 35 или 50мкм. Медную фольгу получают эле­ктролитическим осаждением, что обеспечивает ей однородный состав. Для улучшения сцепления с пластиком одну сторону фольги обрабаты­вают в щелочном растворе (оксидируют). Склеивание фольги с пласти­ком производят клеем БФ-4 в процессе прессования.

Фольгированные пластики должны удовлетворять требова­ниям, связанным с технологией производства печатных схем, и условиям их эксплуатации. Фольгированный пластик должен выдерживать воздей­ствие повышенных температур в процессе производства печатных плат (взаимодействие припоя при пайке схем) и обеспечивать достаточную прочность сцепления фольги при длительной эксплуатации изделий.

В волокнистых пластмассах, волокнитах наполнитель представляет собой очесы хлопка. Волокниты по теплостойкости и механи­ческим свойствам похожи на пресс-порошки, являются исходными материалами для изготовления шкивов, ру­кояток, фланцев и др.

Асбоволокниты содержащие в качестве наполнителя волокнистый ас­бест, более теплостойки (до 200°С), химически стойки к кислотам, обладают значительной ударопрочностью и высокими фрикционными свойствами. Асбоволокниты используются при создании тормозных устройств

Высо­копрочные короткие стеклянные волокна используются как наполнители в стекловолокнитах. Стекловолокниты химически стойки, негорючи, предельная температура длительной работы 280°С, имеют высокую прочность, технологичны. Если длинные стеклянные во­локна укладываются закономерно и отдельными прядя­ми, то получаются ориентированные стекловолокниты, с более высокими механиче­скими свойствами в сравнении с обычными стекловолокнитами.

Пресс-порошки (композиции) готовят на основе фенолформальдегидных, кремнийорганических и других смол. Другими компонентами пластмасс являются пластификаторы, красители и наполнители - древесная мука, молотый кварц, асбест, слюда, графит. Готовые изделия из пластмасс получают методом прессования.

Пресс-порошки на основе кремнийорганических смол находят примене­ние в высокочастотной и низкочастотной технике для изготовления дуго-стойких и электроизоляционных деталей (каркасы катушек, переключатели, штепсельные разъемы), деталей антенных устройств, работающих при 200 - 250 °С и кратковременно при 350 - 400 °С. Наполнителями в них являются асбест и стекло.

Пресс-порошки, созданные на основе эпоксидных смол, нашли широкое применение для изготовления инструмен­тов, производства штампов и приспособлений, для устранения дефектов литья и др.

В настоящее время широкое применение нашли газонаполненные пластмассы.

Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные систе­мы, состоящие из твердой или упругоэластической фазы - связующего, га­зообразной фазы - наполнителя.

В зависимости от макроструктуры газонаполненные пластмассы делятся на пенопласты и поропласты. Пено- и поропласты получают насыщением расплавленной смолы вспенивателями, при этом происходит вспенивание полимера. В пенопластах 90 - 95% объема занимают газы.

В пенопластах полимерная основа образует систему замкнутых изолированных ячеек, заполненных газом.

В поропластах полимерная основа образует систему ячеек с частично разрушенными пере­городками, сообщающихся между собой. Газообразная фаза в такой системе может циркулировать.

Поропласты (губчатые материалы) эластичны, их объемная масса составляет 25 - 45 кг/м³. Получают поропласты, вводя в со­став композиций вещества, способные выкипать при нагреве или вымывать­ся водой, что и приводит к образованию пор. Поропласты выпускают в виде блоков с пленкой на поверхности. Они отличаются высокой способностью поглощать звуки (70 - 80%) на технических частотах.

Пенопласты - жесткие материалы, имеют малую объемную массу от 20 до 300 кг/м³. Замкнутая ячеистая структура придает им хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности низкий. Пенопласт К-40 на кремнийорганической осно­ве кратковременно выдерживает температуру 300 °С.

Широкое применение получили пенополиуретаны, обладающие высокими диэлектрическими, тепло-, звуко- и виброизоляционными свойствами, высокой удельной прочностью, большой влагостойкостью, стойкостью к кислотам и щелочам, малым коэффициентом теплопро­водности, низкой плотностью (до 20 кг/м-¹).

Наиболее распространенными и прочными являются пенополистирол (ПС) и пенополивинилхлорид (ПХВ), способные работать при +60 °С. Фе-нолкаучуковые (ФК) пенопласты имеют рабочую температуру 120—160 °С. Наличие в их составе алюминиевой пудры (ФК-20-А-20) повышает рабочую температуру до 200—250 °С.

Пенопласты нашли широкое применение в качестве теплоизоляционного материала в конструкциях холодильников, контейнеров, рефрижераторов и др. Они часто используются для заполнения внутренних полостей конструкций и тем самым повышают удельную проч­ность, жесткость и вибропрочность силовых элементов.

.