Лекция №13.
Полимеры и пластмассы.
1.Классификация полимеров .Термопластичные и термореактивные
полимеры.
2.Свойства полимеров.
3.Модифицирование полимеров.
4.Полиэтилен. Полипропилен. Винипласт. Капрон. Полистирол.
Классификация полимеров.
Коррозионная стойкость, технологичность и другие характеристики
металлических материалов все чаще не удовлетворяют возрастающим
требованиям автомобилестроения при разработке новых моделей и
технологий. Поэтому современное материаловедение занято
разработкой новых материалов на основе нетрадиционных материалов,
более полным использованием вторичных ресурсов. Важная роль
принадлежит созданию новых машиностроительных материалов на
основе синтетических, природных и искусственных связующих. Среди
наиболее распространенных и перспективных материалов- полимеры и
пластические массы.
По происхождению полимеры разделяют на:
-природные.,
-синтетические.,
-искусственные.
Типичными представителями природных полимеров являются
целлюлоза, крахмал, натуральный каучук.
Синтетические полимеры представляют собой продукт синтеза-
целенаправленного получения сложных веществ из более простых.
Номенклатура синтетических полимеров постоянно пополняется.
Искусственные
полимеры получают путем обработки
(модифицирования) природных. Например, искусственный полимер-
нитроцеллюлозу получают путем нитрирования целлюлозы.
155
По химическому составу макромолекул различают полимеры:
-органические.,
-неорганические.,
-элементоорганические.
К органическим полимерам относят соединения, молекулы которых
содержат атомы углерода, водорода, азота, кислорода и серы, входящие
в состав главной цепи и боковых групп полимера.
Неорганические полимеры- это соединения, которые не содержат в
составе макромолекул атомов углерода.
В процессе получения полимерного соединения мономерные звенья
выстраиваются в определенную цепь. По характеру строения
полимерных цепей различают полимеры линейного, разветвленного и
сетчатого строения.
Полимерные материалы изменяют свои свойства под воздействием
температуры. По этому признаку полимеры подразделяют на:
-термореактивные.,
-термопластичные.
Термореактивные полимеры (термореакты) при нагревании выше
определенных, характерных для этого типа полимера, температур,
становятся неплавкими и практически нерастворимыми.
Темропластичные полимеры (термопласты) обладают свойством
многократно переходить при нагревании в расплавленное состояние.
Термопластичные и термореактивные полимеры.
По отношению к нагреву полимеры подразделяются на
термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры имеют линейную или разветвленную
структуру молекул. При нагреве они размягчаются, могут плавиться,
при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим.
Термореактивные полимеры в начальной стадии образования имеют
линейную структуру. При нагреве они размягчаются. Далее образуется
пространственная структура, полимер получает термостабильное
твердое состояние.
Особенности строения полимеров определяют их свойства. Высокая
молекулярная масса приводит к невозможности перехода в
газообразное состояние или образованию низковязких жидкостей.
Термостабильные полимеры не размягчаются. Полимеры могут
находиться в трех стабильных состояниях: стеклообразном,
высокоэластичном и вязкотекучем.
Стеклообразное- твердое аморфное состояние, где нет движения
звеньев и перемещения макромолекул. Высокоэластичное состояние
характеризуется способностью материала к большим обратимым
изменениям формы под действием незначительных нагрузок.
156
Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние с большой
вязкостью.
Полимеры стареют (самопроизвольно и необратимо изменяются их
важнейшие механические свойства) под воздействием света, кислорода
(озона), влажности, теплоты, длительного хранения. Процессы старения
ускоряются под воздействием механических напряжений. Сущность
старения заключена в сложной цепной реакции с образованием
свободных радикалов. Наиболее устойчивы к воздействию высоких
атмосферных температур и влаги полиэтилен, полиамидные волокна.
Для замедления старения в полимеры добавляют стабилизаторы.
Например, срок службы полиэтилена, стабилизированного сажей,
увеличивается до 5 лет, поливинилхлорид имеет срок служб до 25
лет.
Свойства полимеров.
Полимерным материалам свойственны только два агрегатных
состояния: твердое и жидкое. Перевод полимерного материала в
газообразное состояние без разрушения связей в основной цепи
макромолекул невозможен.
Полимерные материалы могут находиться в четырех физических
состояниях:
-кристаллическом.,
-стеклообразном.,
-высокоэластическом.,
-вязкотекучем.
Состояние полимеров, при котором главным видом деформаций
являются большие упругие деформации, называют высокоэластическим.
При температуре текучести воздействие на полимер механической
нагрузки приводит к развитию в нем необратимой деформации-
состояние вязкотекучести.
Важной особенностью полимерных материалов является сочетание
высокой удельной прочности и больших обратимых деформаций. Это
их свойство обусловлено наличием в макромолекулах полимеров двух
типов связей- прочных внутримолекулярных (межатомных) и более
слабых межмолекулярных.
Долговечность полимерных материалов- это отрезок времени от
момента приложения нагрузки до разрушения материала. Установлена
функциональная зависимость долговечности полимерных материалов
от разрушающего напряжения, из которой следует, что прочность
полимерных материалов изменяется во времени и зависит от
температуры. Поэтому при выборе полимерных материалов по
эксплуатационным характеристикам необходимо учитывать не только
предельную нагрузку, но и время, в течение которого материал не
разрушается.
157
Прочность полимерных материалов существенно зависит от
структуры, которую они приобретают в процессе переработки. Широко
используется метод упрочнения полимеров путем ориентации
макромолекул.
Модифицирование полимеров.
Для улучшения свойств полимерных материалов применяют их
физическое и химическое модифицирование- введение в составы:
-стабилизаторов.,
-пластификаторов,
-смазок,
-антипиренов,
-красителей,
-легирующих элементов.
Для повышения пластичности и эластичности полимерного
материала при его переработке перед эксплуатацией в его состав
вводят пластификаторы (эфиры кислот и гликолей, полиэфиры,
хлорсодержащие соединения). Для пластификации каучуков применяют
продукты переработки нефти (парафин, церезин, нефтяные масла) и
каменного угля, растительные масла, жирные кислоты.
Противоположным
пластификации
эффектом
обладают
антипластификаторы, обеспечивающие повышение жесткости связи
макромолекул при введении небольших добавок с полярными
группами в стеклообразные полимеры.
Для защиты полимерных материалов от старения применяют
стабилизаторы. Принцип действия стабилизаторов основан на
подавлении процессов разрушения полимерных макромолекул под
воздействием внешних факторов. Различают стабилизаторы следующих
типов:
- антиоксиданты (замедляющие термическое и термоокислительное
разрушение).
-антиозонанты (замедляющие озоновое старение).,
-светостабилизаторы (препятствующие фотоокислительному разрушению
под воздействием солнечных лучей).,
- антирады (препятствующие разрушению полимерного материала под
воздействием радиационного разрушения).,
-противоутомители (замедляющие процессы усталостных явлений в
материале).
Стабилизаторы вводят в небольших количествах (0,01-2% по массе)
при синтезе или переработке полимеров.
158
Полиэтилен.
Типичный представитель подгруппы полиолефинов. В зависимости от
условий полимеризации (давление, вид катализатора, температура)
получают продукт различной молекулярной массы.
Различают полиэтилен:
-высокого давления и низкой плотности.,
-низкого давления и высокой плотности.,
-среднего давления.,
-высокомолекулярный низкого давления.
Полиэтилен обладает рядом ценных свойств: влаго- и
газонепроницаем, не набухает в воде, эластичен в широком интервале
температур, устойчив к действию кислот и щелочей, обладает очень
хорошими диэлектрическими свойствами.
Сочетание высокой химической стойкости, удовлетворительных
механических свойств с технологичностью переработки
(перерабатывается всеми известными способами: литьем под
давлением, механической обработкой, вакуумформованием, сваркой и
др.) и низкой стоимостью определяет его широкое применение в
машиностроении, радиотехнике, химической промышленности.
Полиэтилен низкого давления обладает большей механической
прочностью и жесткостью и используется для изготовления труб,
шлангов, листов, пленки, деталей радиоаппаратуры, различных емкостей.
Литьем под давлением изготовляют вентили, зубчатые колеса,
работающие с малой нагрузкой. Полиэтилен высокого давления
применяют как упаковочный материал в виде пленки или в виде
небьющейся тары (бутылки, канистры, ящики).
Однако ввиду недостаточной механической прочности для
изготовления деталей машин его применяют ограниченно. Главный
недостаток полиэтилена- его невысокая теплостойкость, изделия из него
рекомендуется использовать при температурах не выше 80ºС.
Полипропилен.
Полипропилен- синтетический полимер, характеризуется температурой
плавления около 170ºС. По сравнению с полиэтиленом отличается
более высокой ударной вязкостью, прочностью, износостойкостью,
обладает высокими диэлектрическими свойствами, низкой паро- и
газопроницаемостью, устойчив к действию кипящей воды и щелочей,
но обладает низкой термо- и светостойкостью. Применяется для
изготовления деталей, работающих в контакте с агрессивными
жидкостями.
Винипласт.
159
Достоинствами винипластов являются высокие механические
свойства, химическая стойкость, технологичность переработки в
изделия, обрабатываемость резанием.
Рабочая температура винипласта от 0 до +40ºС, при резких
колебаниях температуры коробится, а при нагреве выше 40ºС
разупрочняется и теряет жесткость. Винипласт при пониженных
температурах становится хрупким. Он не горит, но при температуре
120-140ºС начинает размягчаться, что используется при сварке изделий
из винипласта. Температура разложения 160-200ºС. Склонен к старению
под влиянием атмосферных воздействий и химических реагентов.
Винипласт выпускают преимущественно в виде листов и
профильного проката (труб, прутков, уголка и т.п.). Изделия из
винипласта изготовляют выдавливанием, штамповкой при температуре
130ºС., механической обработкой., сваркой., склейкой перхлорвиниловым
клеем.
Из винипласта изготовляют емкости в химическом машиностроении,
корпуса и сепараторы для аккумуляторных батарей, вентили, клапаны,
фитинги для трубопроводов, детали насосов и вентиляторов и другие
изделия.
Капрон.
Капрон получил наибольшее распространение как относительно
дешевый и наименее дефицитный материал из многих марок
полиамидов. Главным его достоинством как конструкционного
материала является сочетание высокой прочности, износо-, тепло- и
химической стойкости с технологичностью переработки в изделие.
Износостойкость капрона в несколько раз выше, чем стали, чугуна и
некоторых цветных металлов. Наилучшими антифрикционными
свойствами обладает капрон с добавлением 3-5% графита.
Для изготовления деталей из капрона и других полиамидов наиболее
широко используют метол 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.
Полистирол.
Полистирол представляет собой продукт полимеризации стирола.
Выпускают следующие виды полистирола и материалов на его
основе:
-общего назначения.,
-ударопрочный.,
-вспенивающийся.,
160
-сополимеры стирола.
Полистирол общего назначения- это бесцветный прозрачный
материал, обладающий абсолютной водостойкостью, высокими
электроизоляционными свойствами, светостойкостью и твердостью.
Полистирол стоек к плесени, к щелочным и кислым средам. Главное
применение полистирола- детали радиоаппаратуры, неответственные
конструкционные детали, изделия бытового назначения.
Достарыңызбен бөлісу: |