Огневой В.Я. Машиностроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

101

ориентационное упрочнение используется при получении волокон и

пленок.

Для полимерных материалов характерен процесс структурной

перестройки при воздействии внешних силовых факторов как на

уровне отдельных звеньев макромолекул, так и на уровне

надмолекулярных структур до установления нового равновесного со-

стояния, соответствующего уровню действующего напряжения. Это

явление называется релаксацией. Время, в течение которого

тело

переходит в новое равновесное состояние, называется временем

релаксации

В инженерных расчетах полимерных деталей обычно учитывают

релаксацию напряжений и деформаций. Под релаксацией напряжений

понимается снижение с течением времени уровня напряжений,

необходимых для поддержания определенной деформации, по

сравнению с первоначальным напряжением, которое необходимо

приложить для создания этой деформации. Под релаксацией

деформаций понимается изменение, относительного удлинения с

течением времени при действии

постоянного приложенного

напряжения. Время релаксации зависит от структуры полимера,

величины действующего напряжения, температуры и других внешних

факторов и может составлять от нескольких минут до нескольких лет.

Для термопластов, находящихся в высокоэластическом со-

стоянии, при приложении внешней нагрузки и постоянной тем-

пературе характерно развитие трех видов деформаций: упругой;

высокоэластической и пластической (рис

. 13, а). Упругая деформация

УПР

устанавливается практически мгновенно при действии силы и

мгновенно исчезает при ее снятии. Высокоэластическая деформация

ВЭЛ

развивается во времени, но после снятия нагрузки исчезает тоже

во времени. Пластическая деформация

ПЛ

развивается непрерывно во

времени при воздействии механической нагрузки и не исчезает после

ее снятия. Для термореактивных материалов пластическая

деформация незначительна (рис. 13, б).

102

а)

б)

Рис. 13. Зависимость деформации

от длительности действия

нагрузки

для термопласта (а) и реактопласта (б) [19]:

УП

ВЭЛ

ПЛ

- соответственно деформация упругая, высокоэластическая и

пластическая; (

- моменты начала приложения и снятия

нагрузки;

момент завершения высокоэластической

деформации).

Полимеры, также как и металлы, характеризуются свойствами:

физико-химическими, механическими, технологическими и

эксплуатационными. Некоторые из них и способы их измерения

приводятся ниже.

Твердость – как и для металлов это способность полимеров

сопротивляться вдавливанию другого тела. Твердость полимеров

определяют вдавливанием стального шарика диаметром 5 мм по

глубине отпечатка при

заданной силе (ГОСТ 4670-91) или при

заданной глубине по величине приложенной силы. Размерность

твердости – размерность напряжения, т.е. МПа, либо кгс/см

103

Растяжение. При растяжении на стандартных образцах

определяют (ГОСТ 11262-80): разрушающее напряжение

(МПа,

либо кгс/см

); предел текучести

Т.Р.

(МПа, либо

кгс/см

);

относительное удлинение при разрыве

(%); относительное

удлинение, соответствующее пределу текучести

Т.Р.

(%); несущую

способность Р (кгс/см), т.е. нагрузку, разрушающую образец,

отнесенную к его рабочей ширине и др. При растяжении полимерных

пленок толщиной до 1,0 мм на образцах длиной 150 мм и шириной 10-

25 мм определяют (ГОСТ 14236-81): разрушающее напряжение , МПа

(кгс/см

); предел текучести, МПа (кгс/см

); условный предел

текучести, МПа (кгс/см

); относительное удлинение при разрыве, %;

относительное удлинение при достижении предела текучести, %.

Сжатие. Метод испытания (ГОСТ 4651-82) состоит в

определении: разрушающего напряжения сжатия; предела текучести

при сжатии; условного (смешанного) предела текучести; напряжения

при заданной относительной деформации сжатия; относительной

деформации сжатия при разрушении; относительной деформации при

пределе текучести. Испытания производятся на образцах в виде

цилиндра, трубки или параллелепипеда.

Изгиб статический. Испытания производятся путем приложения

нагрузки к середине стандартного образца 80х10х4 мм, лежащего на

двух опорах (ГОСТ 4648-71). Определяют: разрушающее напряжение

при изгибе, МПа (кгс/см

); изгибающее напряжение при заданной

величине прогиба, равной 1,5 толщины образца для полимеров, не

разрушающихся при изгибе, МПа (кгс/см

); максимальное напряжение

при изгибе, МПа (кгс/см

Прочность на срез. Метод испытания (ГОСТ 17302-71)

заключается в определении перерезывающей силы при срезе образца

размерами 100х15х10 мм одновременно по двум плоскостям (образец

разрезается на три части).

Ударная вязкость определяется на приборах типа диностатов

путем ударного разрушения образцов размерами 15х10х1,5-4,5 мм с

надрезом или без надреза, Дж/м

(кгс⋅м/см

). Одновременно можно

определять коэффициент ослабления ударной вязкости при нанесении

надреза по сравнению с ударной вязкостью образцов без надреза, %.

Долговечность (статическая усталость, замедление

разрушения) – фундаментальная характеристика свойств полимеров,

104

определяемая временем от момента нагружения до разрушения

полимерного тела при постоянной нагрузке и неизменной

температуре.

Абразивная износостойкость. За показатель истирания образца

из полимера принимается величина уменьшения его объема на

единицу пути истирания шлифовальной шкуркой (мм

/м) при

скорости 30 м/с и нагрузке 1-5 кгс (ГОСТ 11012-69).

Водопоглощение характеризуется массой воды, поглощенной

образцом при нахождении его в холодной (23

С) или кипящей

воде (для полимеров с теплостойкостью выше 100

С). Определяется

(ГОСТ 4650-80) взвешиванием предварительно высушенного образца,

выдержкой его в воде, вторичным взвешиванием и подсчетом

чистоговодопоглощения (мг) и удельного водопоглощения (%).

Газопроницаемость – способность полимерной мембраны

пропускать газы при наличии перепада давления или температуры.

Определяется коэффициентом газопроницаемости (1 см

/(с⋅кгс/см

т.е. 1 см

газа, прошедшего за 1 с через плошадь мембраны (1 см

при ее толшине 1 см, при разности давления газа в 1 кгс/см

, при

данной химической природе и структуре полимера, природе газа и

температуре испытания.

Горючесть определяется способностью стандартного образца

размерами 120х15х10 мм гореть после пребывания в течение 1 мин в

пламени газовой горелки. Степень горючести: образец не загорается;

горит менее 15 с; горит более 15 с.

Старение (деструкция) полимерного материала – процесс

необратимого изменения его

строения и (или) состава, приводящего к

изменению свойств. Старение определяется по 10-балльной шкале по

появлению волосных трещин и растрескиванию (при 0-м балле

образец рассыпается) под воздействием естественных климатических

факторов (атмосферостойкость), либо искусственных (освещение,

тепло, пар, вода). Стойкость материала к старению в тех или иных

условиях определяют также по коэффициенту сохранения

механических

свойств материала К

после выдержки образцов в этих

условиях.

Для повышения стойкости материалов к старению в полимеры

вводят в небольших дозах (0,1...2,0%) стабилизаторы, — вещества,

способные подавлять цепные процессы деструкции полимерных

молекул под воздействием внешних факторов.

105

На свойства полимеров большое влияние оказывают иони-

зирующие излучения. Радиационную стойкость обычно количе-

ственно характеризуют предельными значениями дозы облучения и ее

мощности, при которых полимерный материал становится

непригодным в конкретных условиях применения. Пороговое

значение определяется изменением в результате облучения тех

физических свойств, которые являются критическими для данного

материала, например, механические (

для конструкционных

материалов), электрические (для электроизоляционных и радио-

технических), газонепроницаемость (для герметизирующих систем).

К основным радиационно-химическим процессам, протекающим

в полимерах, относятся: сшивание, деструкция, окисление. При

сшивании увеличивается молекулярная масса, повышаются

теплостойкость и механические свойства. К структурирующимся

под действием радиации полимерам относятся: полиэтилен,

полиизопропилен, полисилоксаны, полистирол, поливинилхлорид,

полиамиды, поликарбонат, феноло-формальдегидные

эпоксидные смолы, полимеры, содержащие ненасыщенные

полициклические соединения.

При деструкции, наоборот, молекулярная масса снижается,

повышается растворимость, уменьшается прочность. К деструк-

тируемым под действием радиации материалам относятся поли-

тетрафторэтилен, политрифторхлорэтилен, полиметилметакрилат.

Для подавления цепных процессов деструкции полимерных

макромолекул применяют специальные добавки -

стабилизаторы. В зависимости от основного назначения они

подразделяются на антиоксиданты

- ингибиторы термической и

термоокислительной деструкции (амины, фенолы, серосодержащие

соединения, оксидифенил и др.); антиозонаты, - ингибиторы

озонного старения; светостабилизаторы - ингибиторы

фотоокислительной деструкции; антирады - ингибиторы

радиационной деструкции. Снижению горючести полимеров

способствуют антипирены, в качестве которых используют, главным

образом, галогеносодержащие соединения. Возникновению и

накоплению статического электричества препятствуют антистатики

(различные поверхностно-активные вещества

). Антимикробные

(органические соединения олова, ртути, мышьяка, меркаптаны и др.)

препятствуют зарождению и размножению микроорганизмов в

106

полимерных материалах. Эти компоненты вводят в количестве 0,01

...2% при синтезе или переработке полимеров. Для повышения

пластичности при переработке и расширения интервала

высокоэластического состояния в пластмассы вводят

пластифакторы. В этом качестве используют органические вещества

с высокой температурой кипения и низкой температурой замерзания,

например, олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и т.п.

Для

получения окрашенных полимеров применяют органические

красители различных классов (минеральные пигменты и спиртовые

растворы органических красок).

С целью образования поперечных связей в термореактивных

смолах в некоторые композиции вводят сшивающие агенты и

отвердители (различные амины, перекиси, бензосульфокислоты,

катализаторы отверждения и др.).

2.2. Конструкционные полимерные материалы

Наиболее широкое применение в различных отраслях

промышленности нашли термопластичные полимеры - полиолефины,

полиамиды, поливинилхлорид, фторопласты, полиуретаны, а также

термореактивные - феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремний-

органические, полиэфирные и полиимидные смолы.

Термопластичные материалы имеют линейную или разветв-

ленную структуру макромолекул с невысокой температурой перехода

в вязкотекучее состояние. Они хорошо перерабатываются литьем под

давлением, экструзией

и прессованием. Применяются термопласты в

качестве высоко- и низкочастотных диэлектриков, химически стойких

конструкционных материалов, прозрачных оптических стекол,

пленок, волокон и т.д.

Термореактивные полимеры в ненаполненном виде как кон-

струкционные материалы не применяются вследствие высокой усадки

(до 15%) и хрупкости. Используются они в основном в качестве

связующих для получения композиционных материалов,

лаков, клеев

и др.

2.2.1. Термопластичные полимеры

107

Полиэтилен [—CH

—CH

—]

представляет собой продукт

полимеризации этилена. Это относительно твердый и упругий ма-

териал, без запаха, белый в толстом слое и прозрачный в тонком,

относится к кристаллизующимся неполярным материалам. Различают

полиэтилен по плотности, которая зависит от технологии получения.

Промышленностью выпускается полиэтилен, получаемый

полимеризацией при низком (ПЭНД), высоком (ПЭВД) и среднем

(ПЭСД) давлении

. Их свойства приведены в табл. 34. С увеличением

плотности полиэтилена увеличивается степень его кристалличности с

55 до 95%, возрастают прочность, твердость и теплостойкость

материала. Последнее время освоено производство

сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с молекулярной

массой до 3,5 млн.

Полиэтилен легко перерабатывается различными методами,

сваривается при изготовлении изделий сложной конфигурации,

устойчив к ударным и вибрационным нагрузкам

, агрессивным средам

и воздействию радиации. При

-облучении увеличивается его

твердость, прочность и теплостойкость. Полиэтилен обладает высокой

морозостойкостью (до -70°С) и химической стойкостью. Однако в

присутствии сильных окислителей, таких, как растворы азотной

кислоты и перекиси, материалы на основе полиэтилена разрушаются.

Недостатком этого полимера является также склонность к

фотостарению. Введение стабилизаторов, например 2.„.3% сажи,

замедляет процесс старения в 30 раз.

Эффективно также введение с

этой целью до 0,1% аминов. Применяют полиэтилен для изготовления

труб, литых и прессованных несиловых деталей, пленок, изоляции

Таблица 34

Свойства термопластичных полимеров

Материал

г/см

ПЛ

МПа

KCU

кДж/м

НВ

МПа

Полиэтилен:

ПЭВД

ПЭНД

Полипропилен

0,91-0,93

0,95-0,96

0,92-0,93

103-110

124-132

172

100-170

220-300

30-25

500-600

300-800

200-800

Не лом.

150

5-12

14-25

45-58

60-65

108

Поливинил-

хлорид

Политетрафтор-

этилен

Политрифтор-

хлорэтилен

Полистирол

Полиамиды

Поликарбонат

Пентапласт

1,35-1,42

2,15-2,24

2,09-2,16

1,05

1,12-1,16

1,2

1,39-1,41

180-220

327

210-215

225-240

220-270

185

40-60

14-25

25-40

31-50

50-100

56-78

40-50

5-100

250-500

20-40

12-20

50-150

50-110

10-15

2-10

100

20-160

1,5-2,0

80-130

250-500

130-

160

30-40

100-

130

140-

200

140-

150

150-

160

высокочастотных проводов и кабелей, деталей радиотехнической и

телеграфной аппаратуры, в качестве покрытий для защиты металли-

ческих поверхностей изделий от коррозии.

Выпускают прессовочный, литьевой и экструзионный поли-

этилен, стабилизированный и нестабилизированный, окрашенный и

неокрашенный и композиции на его основе.

Полипропилен [—CH

—СН(СН

)—]

- жесткий, нетоксичный,

неполярный полимер, допускающий более высокую температуру

эксплуатации, чем полиэтилен. Он негигроскопичен, химически стоек

к действию различных агрессивных сред (кислот, щелочей),

диэлектрические свойства его не зависят от влажности воздуха. При

80°С полипропилен растворим в ароматических углеводородах

(ксилоле, толуоле). Материал хорошо формуется в изделия и

сваривается контактной сваркой. Менее

подвержен окислительной

деструкции, чем полиэтилен. К недостаткам полипропилена можно

отнести невысокую морозостойкость (до минус 10-20°С) и склонность

к фотостарению. Методы повышения стойкости к фотостарению те

же, что и для полиэтилена. Выпускается полипропилен в виде гранул

и порошков.

Применяется для антикоррозионной футеровки резервуаров,

арматуры, контактирующих с агрессивной средой трубопроводов,

различных технических изделий

, электроизоляционных деталей

электро-теле-радиоаппаратуры, волокон и пленок. Важное значение

109

имеют сополимеры пропилена с этиленом и другими непредельными

полимерами.

Поливинилхлорид [—CH

—СНС1—]

- аморфный полимер

белого или светло-желтого цвета, обладает высокими диэлектри-

ческими свойствами, атмосфере- и химстойкостью. Стоек к маслам и

бензину, не поддерживает горения.

Непластифицированный поливинилхлорид называется ви-

нипластом. Винипласт обладает высокими механической прочностью

и электроизоляционными свойствами, которые заметно ухудшаются с

увеличением температуры, высокой масло- и бензостойкостью,

абсолютной водостойкостью. Он легко

формуется, хорошо поддается

механической обработке, склеивается и сваривается. Однако

температурный диапазон его использования — от 0 до 70°С.

Материал хрупок при отрицательных температурах (Тхр = -10°С).

Специальными клеями винипласт приклеивается к металлу,

древесине, бетону, благодаря чему его широко используют в качестве

футеровочного материала. В частности, листовой винипласт

применяют вместо свинца для облицовки гальванических

ванн. В

качестве конструкционного материала его используют для произ-

водства различной фурнитуры (краны, задвижки, клапаны, емкости,

детали насосов, вентиляторов и т.д.).

Основное назначение материала указывается в марке соот-

ветствующей буквой: Т — термостабилизированный; М — для

изготовления мягких материалов; Ж — для переработки в жесткие

материалы и изделия; П — пастообразующий. При введении в

поливинилхлорид пластификаторов (дибутилфталата,

трикрезилфосфата) в количестве З0...40% от массы полимера по-

лучают пластифицированный поливинилхлорид, называемый

пластикатом. Морозостойкость такого материала составляет -50°С.

Пластикат применяется для изготовления электроизоляционных лент

и изоляции электропроводов, как прокладочный и

гидроизоляционный материал, для изготовления труб, покрытия

конвейерных лент, полов, в качестве заменителя кожи и др. Широкое

применение

находят сополимеры винилхлорида и винилацетата

(винилит), винилхлорида и метилметакрилата (хлорвинит)и др.

Политетрафторэтилен - [—CF

—CF

—]

(фторопласт-4,

фторлон-4) является фторпроизводным продуктом этилена и

представляет собой тонкодисперсный порошок белого цвета. От-

110

носится к кристаллизующимся неполярным полимерам со степенью

кристалличности до 97%. Температура плавления кристаллических

областей 327°С. В вязкотекучее состояние фторопласт-4 переходит

при температуре 423°С, а при 420°С начинается термоокислительная

деструкция, поэтому литьем под давлением и экструзией его не

перерабатывают, так как выделяющийся фтор очень токсичен.

Изделия из фторопласта-4 прессуют при температуре 360...380°С.

Материал обладает высокой термостойкостью, стоек к действию

растворителей, кислот, щелочей и оксилителей. Его устойчивость к

агрессивным средам превышает даже стойкость золота, платины,

стекла и фарфора. Разрушается он только при воздействии

расплавленных щелочных металлов (калия и натрия) и элементарного

фтора, набухает во фреонах. Фторопласт-4 совершенно не

смачивается водой и не поглощает ее

. Это высококачественный

диэлектрик, свойства которого мало изменяются в широком

диапазоне температур. Материал обладает очень низким

коэффициентом трения, сохраняет свои упругие свойства при

криогенных температурах (до -269°С). К недостаткам можно отнести

его хладотекучесть и низкую радиационную стойкость.

Применяется фторопласт-4 для изготовления высокочастотной

аппаратуры, конденсаторов, уплотнительных элементов, сильфонов,

мембран, фурнитуры, деталей антифрикционного

назначения.

Суспензии фторопласта-4 используют для пропитки материалов.

Фторопласт-4Д с повышенной пластичностью применяют для

изготовления профильных изделий. Более стойким к радиации

является модифицированный фторопласт-4М. Выпускаются марки:

фторопласт-4МП — для прессования, фторопласт-4МД - для

изготовления профильных изделий и фторопласт-4МБ - для

изготовления волокон. Из фторопласта-4 изготавливаются

электроизоляционные пленки (ориентированные и неори

ентированные) толщиной 0,01... 0,15 мм, пленки конденсаторные

толщиной 0,005...0,040 мм и шириной 10...120 мм, а также

прокладочные ленты толщиной 0,2...3,0 мм и шириной 40...100 мм.

Менее склонны к ползучести и обладают большой твердостью и

технологичностью переработки фторопласт-40 и фторопласт-42.

Фторопласт-4011 перерабатывается прессованием, фторопласт-40Ш -

экструзией, а фторопласт-42П - прессованием и экструзией. Для

лаковых покрытий применяют фторопласт-42

Л, а для волокон —