Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость,

изкие модуль упругости и ударная вязкость по сравнению с

еталлами и сплавами, а для неко орых пластмасс склонность к

тарению.

м т

л етвленной структуры, иногда в состав

поли

ограни

те

вы

ув н ь

вы иногда

даже

кр

со

О долговечность выше,

чем у

пр

ра

по с

бе

по

по низкой плотности, получаемый в процессе

полим

55 иче и лиэ

пл и

кр

вы

по енять при температуре до 60—100 °С.

Моро

хи

од

ст

пр

действием ионизирующего излучения полиэтилен

тв ет: приобретает большую прочность и теплостойкость.

15* 451

2. ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры

инейной или разв

меров вводят пластификаторы. Термопласты имеют

ченную рабочую температуру, свыше 60—70 °С начинается

езкое снижение физико-механических свойств. Более

плостойкие структуры могут работать до 150—250 °С, а

рмостойкие с жесткими цепями и циклические структуры

стойчивы до 400—600 °С.

При длительном статическом нагружении появляется

нужденно-эластическая деформация и прочность понижается. С

еличе ием скорости деформирования не успевает развиват ся

со-коэластическая деформация и появляется жесткость,

хрупкое разрушение. Более прочными и жесткими являются

исталлические полимеры. Предел прочности термопластов

ставляет 10—100 МПа. Модуль упругости (1,8—3,5)10

МПа.

ни хорошо сопротивляются усталости, их

металлов. Предел выносливости составляет 0,2—0,3 предела

очности. При частотах нагружения свыше 20 Гц происходят

зогрев материала и уменьшение прочности.

Термопласт делят на неполярные и полярные.

Неполярные термопластичные пластмассы. К ним относятся

лиэтилен, полипропилен, поли тирол и фторопласт-4.

Полиэтилен (—СН

—СН

—)

— продукт полимеризации

сцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся

лимерам. По плотности полиэтилен подразделяют на

лиэтилен

еризации при высоком давлении (ПЭВД), содержащий

—65 % кристалл ской фазы, по тилен высокой

отности, получаемый пр низком давлении (ПЭНД), имеющий

исталличность до 74— 95 %.

Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем

ше прочность и теплостойкость материала. Длительно

лиэтилен можно прим

зостойкость достигает — 70 °С и ниже. Полиэтилен

мически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в

ном из известных растворителей.

Недостатком полиэтилена является его подверженность

арению. Для защиты от старения в полиэтилен вводят

абилизаторы и ингибиторы (2—3 % сажи замедляют

оцессы старения в 30 раз).

Под

ерде

Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и

прессованн

с 1-

С и,

п о с к

н и

с с

в а

Н ть σ и ε для

поли и

т ий, труб,

гиб

а.

П т

п , ащ ел с -

л и

ф и а е от

п С.

П ы и более газонепроницаемы, чем

поли

и.

Н й ю.

ых несиловых деталей, пленок, он служит покрытием на

еталлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока.

Сополимеры этилена с пропиленом выпускаются под маркой СЭП

винилацетатом — «сэвилен», «миравитен» (ГДР), с буте-ном —

ЭБ. Эти материалы имеют меньшую степень кристалличност

овышенную гибк сть, ударную прочно ть, прозрачность, стойкость

изким температурам и стойкость к растрескиванию; адгезию

пособность к наполнению, свариваемость. Однако по сравнению

олиэтиленом их жесткость и температура

плавления ниже. Пр

ведении 15—30 % сополимера материал приобретает свойств

аучука.

а рис. 209 приведена температурная зависимос

этилена и СЭП, а на рис. 210 — водопоглощение пленкам

ермопластов. Применяют сополимеры для литых издел

ких шлангов, фитингов, пленок и др.

Полипропилен (—СН

—СНСН

—)

является производной этилен

рименяя металлоорганические катализаторы, получаю

олипропилен содерж ий значит ьное количе тво стереорегу

ярной структуры. Это жесткий нетоксичный материал с высоким

изико-механическими свойствам . По ср вн нию с полиэтиленом эт

ластик более теплостоек: сохраняет форму до температуры 150 °

олипропиленовые пленки прочн

этиленовые, а волокна эластичны, прочны и

химически стойк

естабилизированны полипропилен подвержен быстрому старени

едостатком пропилена является его

евысокая морозостойкость (от —10 до —20

С). Полипропилен применяют для

зготовления

труб, конструкционных деталей автомобилей, мотоциклов,

холодильников, корпусов насосов, различных емкостей и др.

Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые.

Полистирол (—СН

—СНС

—)

— твердый, жесткий,

прозрачный, аморфный полимер. Удобен для механической

обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензоле. Полистирол

наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения по

сравнению с другими термопластами (присутствие в

макромолекулах фениль-ного радикала С

Недостатками полистирола являются его невысокая

теплостойкость, склонность к старению, образованию трещин.

Ударопрочный полистирол представляет собой блоксополимер

стирола с каучуком (УПС). Такой материал имеет в 3—5 раз более

высокую ударную вязкость и в 10 раз более высокое относительное

у о с

хи

является аморфно-кристаллическим полимером. До

те

5°С. Аморфная фаза

ту-4

длинение п сравнению обычным полистиролом.

Высокопрочные АБС-пластики

(акрилонитрилбутадиенстирольные) отличаются повышенной

мической стойкостью и светотермостабиль-ностыо. Однако такие

сополимеры имеют более низкие диэлектрические свойства по

сравнению с чистым полистиролом. Из полистирол

ИЗГОТОВЛЯЮТ

детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин,

сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для

электроизоляции, а АБС-пластики применяют для деталей

автомобилей, телевизоров, одок, труб и т. д.

Фторопласт-4 (фторлон-4) политетрафторэтилен (—CF

—

—)

2 n

мпературы 250 °С скорость кристаллизации мала и не влияет

на его механические свойства, поэтому длительно эксплуатировать

фторопласт-4 можно до температуры 250 °С. Разрушение материала

происходит При температуре выше 41

аходится в высокоэластическом состоянии, что придает

фтороплас относительную мягкость. При весьма низких

температурах (до —269 °С) пластик

не охрупчивается.

Фторопласт-4 стоек к действию растворителей, кислот, щелочей,

окислителей. Практически он разрушается только под действием

расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора, кроме

того, пластик не смачивается водой. Политетрафторэтилен

малоустойчив к облучению. Это наиболее высококачественный

диэлектрик. Фторопласт-4 обладает очень низким коэффициентом

трения (f = 0,04), который не зависит от температуры (до 327 °С

когда начинает плавиться кристаллическая фаза).

Недостатками фторопласта-4 являются хладотекучесть

(результат рекристаллизации), выделение токсичного фтора при

высокой температуре и трудность его переработки (вследствие

отсутствия пластичности).

Фторопласт-4 применяют для изготовления труб, вентилей,

кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет,

сильфонов, электрорадиотехнических деталей, антифрикционных

покрытий на металлах (подшипники, втулки),

453

Разновидностью фторопласта является фторопласт-4

отличающийся формой и размером частиц, меньшей молекулярно

массой. Это облегчает переработку материала в изделия. Физик

механические свойства его такие же, как и у фторопласта-4.

Волокно и пленку фторлон изготовляют из фторопласта-4

Фт нь ка

Д,

о-

ля

454

орлоновая тка не горит, химически стой , применяется д

емкостей, рукавов, спецодежды, диафрагм и т. д. Фторо-пласт-40

обладает высокой твердостью, почти не склонен к ползучести, стоек

воздействию ионизирующего излучения и технологичен.

Физико-механические свойства неполярных термопластичны

пластмасс приведены в табл. 45.

Полярные термопластичные пластмассы. К полярным пластика

относятся фторопласт-3, органическое стекло, поливинил-

хлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат,

поликарбонат, полиарилаты, пентапласт, полиформальдегид.

Фторопласт-3 (фторлон-3) — полимер трифторхлортилена,

имеет формулу (—CF

—CFCl—)

. Введение атома хлора нарушает

симметрию звеньев макромолекул, материал становится

полярным, диэлектрические свойства снижаются, но появляется

пластичность и облегчается переработка материала в изделия.

Фторопласт-3, медленно охлажденный после формования, имеет

кристалличность около 80—85 %, а закаленный — 30—40 % .

Интервал рабочих температур от —105 до 70 °С. При температуре

315 °С начинается термическое разрушение. Хладотекучесть у

полимера проявляется слабее, чем

у фторопласта-4. По химической

стойкости он уступает политетрафторэтилену, но все же

обладает высокой стойкостью к действию кислот, окислителей,

растворов щелочей и органических растворителей.

Модифицированный политрифторхлорэтилен — фторопласт-

ЗМ обладает большей теплостойкостью (рабочая температура

150— 170 °С), он более эластичен и легче формуется, чем

фторопласт-3.

Фторопласт-3 используют как низкочастотный диэлектрик,

кроме того, из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы,

защитные покрытия металлов и др.

Органическое стекло — это прозрачный аморфный термопласт

на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот.

Чаще всего применяется полиметилметакрилат, иногда

пластифицированный дибутилфталатом. Материал более чем в 2

раза легче минеральных стекол (1180 кг/м

), отличается высокой

атмосферо-стойкостью, оптически прозрачен (светопрозрачность

92 %), пропускает 75 % ультрафиолетового излучения (силикатные

— 0,5 %). При температуре 80 °С органическое стекло начинает

размягчаться; при температуре 105—150 °С появляется

пластичность, что позволяет формовать из него различные детали.

Критерием, определяющим пригодность органических стекол для

эксплуатации, является не только их прочность, но и появление на

поверхности и внутри

материала мелких трещин, так

наз а. т с ро

е у

ук-

455

ываемого серебр Этот дефек нижает п зрачность и

прочность стекла. Причиной появления «серебра» являются

внутренние напряжения, возникающие в связи с низкой

теплопроводностью и высоким коэффициентом расширения.

дОрганическое стекло стойко к ействию разбавленных кислот

и щелочей, углеводородных топлив и смазочных материалов.

Старение органического стекла в естественных условиях

протекает медленно. Недостатком органического стекла является

невысокая поверхностная твердость.

ар и Увеличение термостойкости и уд ной вязкост органического

стекла достигается ориентировани м; при этом величивается

в несколько раз ударная вязкость и стойкость к «серебрению»;

сополимеризацией или привитой полимеризацией полиметилмета-

крилата с другими полимерами получают частично сшитую стр

туру (те мостабильны стекла); применением многослойных

стекол («триплексов»). Органическое стекло используют

р е

са

е а

х установок,

те

ература (

не свыше 60—70 °С) под нагрузкой,

бо

лучают полихлорвиниловый

пл

до ел

та а е

идные

во

з я

ибрацию. Стойки к щелочам,

бе

(полиамид П-12) до 11—12 % (капрон, П-54). Устойчив

полиамидов

456

молетостроении, автомобилестроении. Из него изготовляют

светотехнические детали, оптические линзы и др. На основе

полиметилм так-рилат получают самоотверждающиеся

пластмассы: ACT, стира-крил, АКР. Указанные материалы

применяют для изготовления штампов, литейных моделей и

абразивного инструмента.

Поливинилхлорид является аморфным полимером с химической

формулой (—СН

—СНСl—)

. Пластмассы имеют хорошие

электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не

поддерживают горение, атмосферостойки. Непластифицированный

твердый поливинилхлорид называется винипластом. Винипл сты

имеют высокую прочность и упругость. Из винипласта

изготовляют трубы, детали вентиляционны

плообменников, защитные покрытия для металлических

емкостей, строительные облицовочные плитки. Недостатками этого

материала являются низкая длительная прочность и низкая

рабочая темп

льшой коэффициент линейного расширения, хрупкость при

низких температурах (t

= —10 °С).

При введении пластификатора по

астикат, имеющий морозостойкость от —15 до —50 °С и

температуру размягчения 160—195 °С применяется для изоляции

прово в и кабелей, уплотнит ьных прокладок.

Полиамиды — это группа пластмасс с известными названиями:

капрон, нейлон, анид и др. В составе макромолекул полимера

присутствует амидная группа (—NH—СО—), а также метиленовые

группы (—СН

—), повторяющиеся от 2 до 10 раз. Общая формула

полиамидов имеет вид:

—NH—CO—(CH

)

—NH—CO—(СН

)

— ...

Полиамиды — кристаллизующиеся полимеры. Отдельные

цепочки макромолекул располагаются ким обр зом, что м жду

группами СО и NH, принадлежащими различным цепочкам,

возникает одородная связь, повышающая температуру плавления

до 210— 264 °С и способствующая образованию регулярной

структуры. При одноосной ориентации получаются полиам

локна, нити, пленки.

Свойства разных видов полиамидов довольно близки. Они

имеют ни кий коэффициент трени (f < 0,05), продолжительное

время могут работать на истирание; кроме того, полиамиды

ударопрочны и способны поглощать в

нзину, спирту; устойчивы в тропических условиях.

К недостаткам полиамидов относятся некоторая

гигроскопичность и подверженность старению вследствие

окисляемости при переработке (рис. 211). Водопоглощение зависит

от содержания амидных групп и структуры и составляет от 1,75 %

ость

ст

св

на

товл

бо

П в

элект

п ,

кр

п в

от ры в

К т м ,

эл

со ретана в основном близки к

свой

ст

при получении

поли

тв

вы .

П ляется кристаллическим полимером; при

быстром охлаждении расплава можно получать аморфный поли-

свету повышается введением

абилизатора, а антифрикционные

ойства — введением

полнителя (графита и др.).

Из полиамидов изго яют

естерни, втулки, подшипники,

лты, гайки, шкивы и др.

олиамиды используют

ротехнической

ромышленности, медицине и

оме того, как антифрикционные

окрытия металлов. На рис. 212 и

13 показаны зависимости

рочности некоторых термопласто

температу и ремени

агружения.

Полиуретаны содержат уретановую группу (—NH—СОО—)

ислород в молекулярной цепи сообщае полимера гибкость

астичность; им присуща высокая атмосферостойкость и

орозостойкость (от —60 до —70 °С). Верхний температурный предел

ставляет 120—170 °С. Свойства полиу

ствам полиамидов. Из полиуретана вырабатывают пленочные

атериалы и волокна, которые малогигроскопичны и химически

ойки.

В зависимости от исходных веществ, применяемых

уретанов, они могут обладать различными свойствами, быть

ердыми, эластичными и даже термореактивными.

Полиэтилентерефталат — сложный полиэфир, в СССР

пускается под названием лавсан, за рубежом — майлар, терилен

олиэтилентерефталат яв

мер, который при нагреве

кристаллизоваться. Присутствие

сообщает хорошую морозостойкост

повышает теплостойкость (те

свыше 80 °С начинает

ь (—70 °С). Бензольное кольцо

мпература плавления 255—257°С).

П т диэлектриком и обладает

ой стойкостью, устойчив в

я и . Из полиэтилентерефталата

т ш ншт ны, канаты, ремни, ткани,

др

ы полиэфир угольной кислоты;

флон. Это кристаллический

и и последующем охлаждении

но ру. Такой материал становится

. Свойства поликарбонатов

п су ть и одновременно прочность и

прочности при разрыве материал близок к

ви

ч н

о зц я

е и тепловые удары, тропикостоек. Поликарбонат имеет

подшипники,

ав д о

атам присущи высокая термическая стойкость и

орозостойкость (до —100 °С), хорошие показатели прочности и

антифрикционные свойства (эстеран). Полиарилаты

радиационно-стойки и химически стойки; применяются для

подшипников, работающих в глубоком вакууме без

использования смазочного материала, в качестве

уплотнительных материалов в буровой технике.

Пентапласт является хлорированным простым полиэфиром,

относится к медленно кристаллизующимся полимерам.

Пентапласт более устойчив к нагреву по сравнению с

поливинилхлори-дом (отщепления хлористого водорода под

действием температуры не происходит). Прочность пентапласта

близка к прочности винипласта, но он выдерживает температуру

180 °С и хорошо формуется, нехладотекуч, стоек к истиранию.

Пентапласт, являясь веществом полярным,

обладает

удовлетворительными электроизоляционными свойствами. Кроме

того, он водостоек. По химической стойкости занимает

промежуточное положение между фторопластом и винипластом. Из

пентапласта изготовляют трубы, клапаны, детали насосов и

точных приборов, емкости, пленки и защитные покрытия на

металлах.

458

кислорода в основной цепи

олиэ илен-терефталат является

сравнительно высокой химическ

услови х тропического кл мата

изготовляю естерни, кро ей

пленки, волокна и

Поликарбонат — сложн й

выпускается под названием ди

полимер, которому при плавлени

мож придать аморфную структу

стеклообразным и прозрачным

своеобразны — им ри щи гибкос

жесткость. По

нипласту и отличается высокой

ударной вязкостью, он

нехладотеку . При длитель ом нагреве, вплоть до температуры

размягчения, бра ы сохраняют свои размеры и остаютс

эластичными при низких температурах.

Поликарбонат химически стоек к растворам солей,

разбавленным кислотам и щелочам, маслам; разрушается

крепкими щелочами; выдерживает светотепловакуумное

старени

граниченную стойкость к воздействию ионизирующего

излучения.

Из поликарбоната изготовляют шестерни,

тодетали, радиодетали и т. . Его можно использ вать в

криогенной технике для работы в среде жидких газов. Дифлон

применяется также в виде гибких, прочных пленок.

Полиарилаты — сложные гетероцепные полиэфиры. Полиари

Полиформаль егид — прос й полиэфир — инейный

полимер, имеющий в цепи кислород (—СН

д то л

л п С

т н

подшипников, клапанов, деталей

авт в

и д

е м

ьфон и гетероциклические

пол а ы

со —

озостоек (даже при температуре жидкого азота),

име о и

ьные детали

зап

ч. на

ту у. о ен

е 0 т им

рошие физико-

мех

л о

, Н

) ьш

е с св

459

—О—)

. Повышенная

кристалличность (75 %) и чрезвычайно плотная упаковка

кристаллов дают сочетание таких свойств, как жесткость и

твердость, высокая ударная вязкость и пругость.

Температурный интерва применения олимера от —40 до 130 ° ;

он водос оек, стоек к минераль ым маслам и бензину.

Полиформальдегид используют для изготовления зубчатых

передач, шестерен,

омобилей, кон ейеров и т. д.

Физико-механические свойства полярны термопластов

приведены в табл. 46.

Термостойкие пластики. В этих полимерах фениленовые звенья

чередуются с гибким звеньями (ами ными, сульфидными и др.).

Температура эксплуатации их до 400 °С. Кроме полимеров с

гибкими зв нья и создается новый класс полимеров с жесткими

цепями, в которые вводятся устойчивые гетероциклы.

Циклические структуры устойчивы до 600 °С и выше.

Практический интерес представляют ароматические

полиамиды, полифениленоксид, полисул

имеры — полиимиды и полибензимид зол .

Ароматический полиами — фенилон — содержит фенильные

радикалы, единенные группами — NH СО—. Это линейный

гетероцепной полимер, способный кристаллизоваться, который

может длительно работать при емпературе 250—260 °С (t

пл

= =

430°С), мор

ет п вышенную стойкость к радиаци и химическую стойкость.

По сравнению с капроном фенилон обладает более высоким

сопротивлением усталости и износостойкостью.

Из фенилона изготовляют подшипники, уплотнител

орных устройств, зубчатые колеса, детали

электрорадиопереда Из него получают пленки, волок ,

бумагу (номекс).

Арилокс-полифениленоксид — простой роматический

полиэфир, аморфен, рудно кристаллизуется, по термической

стабильности ус пает фенилон Длительно его м жно прим ять

при температур до 130—15 °С; обладае х ической

стойкостью, низким водопоглощением, имеет хо

анические характеристики: σ

= 60÷84; σ

сж

= 105÷115; σ

изг

100÷ 125 МПа; = 20÷100 %; a = 40÷140 кДж/м

. Из полифе-

ниленоксида изготов яют детали борудования, хирургические

инструменты, изоляцию на высокочастотных ус ановках.

Полисульфон — простой ароматический полиэфир, в

макромолекулах которого между фениленовыми группами

имеются звенья — SO

— (повышают стойкость к нагреву),

группы —О— —С (С

3 2

— (умен ают жесткость). Это

аморфный, трудно кристаллизующийся полимер. Материал

термич ски табилен, химически стоек, по прочностным ойствам

близок к полифени-леноксиду. Полисульфон применяют в виде

пленок, литых изделий и покрытий для эксплуатации при

температуре от — 100 до

1 али

а ий,

епь

м ра,

с . в от

с мопластичными и

терм или

л лиим мид ся в механическими

и чих

т 0 до 300 °С), стойкостью к радиации.

На основе

поли и о т ие

л П ых

к ей

в уме

п алы

а;

изделий

конс , о о ого

н я ых

ми

п В о с

75 °C (в инертной атмосфере до 400 °С). Из него изготовляют дет

втомобилей, станков, бытовых машин, электротехнических издел

еталлизованных матриц для типографских клише.

Полиамиды — ароматические гетероциклические полимеры. Ц

акромолекул содержит имидные циклы и ароматические яд

оединенные гибкими связями — О—, —СО— В за исимости

труктуры полиимиды могут быть тер

ореактивными. Наибольшее практическое применение получ

инейные по иды. Полии ы отличают ысокими

электроизоляционными свойствами, широким диапазоном рабо

емператур (от —20

имидов получают пленк , п прочнос и не уступающ

авсановым. олиимиды стойки к действию растворителей, масел, слаб

ислот и оснований; разрушаются при длительном воздействии кипящ

оды и водяных паров; могут длительно работать в глубоком ваку

ри высоких температурах. Полиимидные прессовочные матери

меют σ

= 90÷ 130 МПа, σ

сж

= 200÷240 МПа; σ

изг

= 180÷230 МП

= 4÷20 %; а = 60÷120 кДж/м

; хорошо сопротивляются ползучести

тойки к истиранию, обладают низким коэффициентом трения.

Пресс-материалы используют для изготовления

трукционного антифрикци нного и электроизоляци нн

азначения. Полиимидные связующие применяют дл наполненн

ластиков.

Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклически

олимерами. основн й цепи макромолекул одержатся