Краткие сведения о пластмассах

Краткие сведения о пластмассах

  Пластические  массы (пластмассы и пластики) - материалы  на основе природных или синтетических  полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формироваться  в изделия сложной конфигурации и затем устойчиво сохранять  приданную форму.

  Пластмассы  являются весьма перспективным конструкционным  материалом. Их используют не только как  заменители металлов, не и как самостоятельный  материал для различных изделий, обладающих многими положительными качествами.

  Изготовление  пластмассовых конструкций, как  правило, менее трудоёмко и энергоёмко, чем из других материалов. Они с  успехом заменяют конструкции из легированных сталей, драгоценных металлов, бетона и дерева, позволяя тем самым  экономить промышленно важные материалы.

  Изделия из пластмасс отличаются:

• малой плотностью (малый вес) (1,0...1,8 г/см³);
• высокими диэлектрическими свойствами;
• хорошими теплоизоляционными характеристиками (низкая теплопроводность);
• устойчивостью к атмосферным воздействиям;
• стойкостью к агрессивным средам; пластмассы почти не подвергаются электрохимической коррозии и очень стойки против агрессивных химических сред - некоторые пластмассы по химической стойкости превосходят золото и платину;
• стойкостью к резким сменам температуры, в частности, стабильностью размеров;
• высокой механической прочностью при различных нагрузках;
• меньшими затратами энергии для переработки, чем металлические материалы (это обусловлено технологическими свойствами пластмасс);
• высокой эластичностью;
• оптической прозрачностью;
• простотой формирования изделий;
• разнообразием цветовой гаммы (не требуют окраски);

  Пластмассы - важнейшие конструкционные материалы  современной техники. Их используют:

• в машиностроении (резервуары; подшипники скольжения; зубчатые и червячные колеса; детали тормозных узлов; рабочие органы насосов и турбомашин; технологическая оснастка и др.);
• в элетро- и радиотехнике (устройство телеграфных столбов; различных деталей и др.);
• на железнодорожном и других видах транспорта (детали автомобилей, самолетов, ракет; кузова различного транспорта; трубопроводы и др.;
• в строительстве (создание большепролетных панелей покрытия до 12 м; оболочек; в качестве отделочного материала; светопрозрачные ограждения; навесы; вентиляционные устройства; дымовые трубы;
• оконные переплеты; светопрозрачные стены и др.;
• в сельском хозяйстве (теплицы и др.);
• в медицине (приборы; аппараты; изготовление «запасных» частей человеческого организма - костей, суставов, аорт и других крупных кровеносных сосудов);
• в быту (посуда, одежда, обувь, меха и др.).

  При замене металла вес детали уменьшается  в 3...5 раз (при замене железобетона - в 5...10 раз), ее себестоимость падает в 3...6 раз, трудоемкость изготовления - в 3...8 раз.

  Пластмассы  обладают довольно хорошими механическими  свойствами. Если сопоставить удельную прочность, то возникает возможность  применения пластмасс для несущих  конструкций, что видно из табл. 1.

  Таблица 1

  Пластмассы  используются практически во всех областях производства и жизни, а объем  их применения в дальнейшем будет  увеличиваться.

↑ наверх

Классификация и свойства полимеров

  Основой пластмасс являются высокомолекулярные соединения, которые состоят из гигантских молекул. Такие вещества называются полимерами, а исходные низкомолекулярные  продукты, используемые для получения  полимеров, называются мономерами.

  Отличительной особенностью строения полимеров является наличие цепных молекул - макромолекул, в которых последовательно связано  большое количество атомных группировок, называемых звеньями, В группировках атомы соединяются очень прочными химическими связями, действующими на расстоянии 1,0...1,5 Å (один ангстрем равен 10^-10 м или одной десятимиллионной мм). Между звеньями (цепями) на расстоянии 3...4 Å действуют значительно более слабые (ван-дер-ваальсовые связи, имеющие электрическую природу) межмолекулярные силы. Прочностью этих связей и плотностью их в единице объема, в конечном счете, и определяется прочность высокомолекулярных систем.

  Пластмассы  различаются.

  1. По строении макромолекул:

• линейные,
• разветвленные,
• сетчатые пространственные.

  У линейных полимеров макромолекулы представляют собой длинные зигзагообразные  цепи длиной до 1,27-10 Å (0,127 мм).

  Разветвленные пластмассы состоят из макромолекул с боковыми ответвлениями, число  и длина которых могут варьироваться  в широких пределах.

  Сетчатые  пластмассы построены из длинных  цепей, соединенных друг с другом в трехмерную сетку поперечными  химическими связями.

  Следует отметить, что любой полимер неоднороден  по молекулярной массе (полимолекулярен), то есть наряду с очень большими молекулами в полимере могут быть и молекулы средних и малых размеров.

  2. По  способу получения на изготовленные:

• полимеризацией
• поликонденсацией

  При полимеризации  молекулы мономера соединяются между  собой в длинные цепные молекулы без выделения побочных продуктов, Например, этилен (мономер) под воздействием высокой температуры и давления превращается в полиэтилен (полимер), молекулы которого состоят из многократно  повторявшихся остатков мономера - этилена (-СН₂-СН₂-)_n. Если полимеризуются два или большее число мономеров разного строения, то этот процесс называется сополимеризация (или совместная полимеризация), в результате которой образуется сополимер.

  Принципиально отличается от полимеризации процесс  получения полимеров поликонденсацией, при котором соединение молекул  одинакового или различного строения сопровождается выделением простейших низкомолекулярных продуктов. Например, при поликонденсации дикарбоновых кислот с диаминами получаются полиамиды.

  3. По  поведению при тепловой обработке:

• термопластичные (термопласты)
• термореактивные (реактопласты)

  Термопласты при нагреве до определенной температуры  не претерпевают коренных химических изменений. Они могут многократно  нагреваться в указанном интервале  температур, а затем возвращаться в исходное состояние. К термопластам относится большинство полимеризационных пластмасс.

  Реактопласты  под воздействием температуры подвергаются необратимым изменениям в результате соединения макромолекул друг с другом поперечными химическими связями  с образованием трехмерных (пространственных) сеток. Изделия из реактопластов  при нагреве не размягчаются и  не .могут подвергаться повторной переработке.

  Забегая несколько вперед, отметим, что соединению с помощью сварки подвергаются только термопластические  пластмассы.

  Полимерные  вещества могут находиться только в  твердом и жидком (точнее вязкотекучем) состояниях и не могут быть переведены в газообразное состояние.

  Пластмассы  могут находиться как в аморфном, так и в кристаллическом состояниях. Если макромолекулы перепутаны и не имеют определённой ориентации, полимер находится в аморфном состоянии. На участках, где наблюдается направленность макромолекул, они находятся в кристаллическом состоянии. Многие пластмассы ни при каких обстоятельствах не проявляют склонности к кристаллизации. Кристаллические же пластмассы не бывают закристаллизованы полностью, обычно они содержат и аморфную фазу.

  Часто в полимер с различными целями вводят добавки: стабилизаторы, пластификаторы, красители и наполнители.

• Стабилизаторы служат для повышения стойкости полимеров при воздействии различных факторов: света, повышенной температуры и других. Обычно они предупреждают развитие цепной реакции разложения полимеров, обеспечивая тем самым долговечность пластмасс.
• Пластификаторы вводят для придания им пластичности и расширения интервала высокоэластического состояния (уменьшения температуры стеклования). Пластификаторы облегчают переработку полимерных материалов, улучшают их морозостойкость, в качестве пластификаторов применяют вещества, которые хорошо совмещаются с полимерами, обладают малой летучестью и высокой термо- и светостойкостью.
• Красители служат для придания пластмассам практически любого цвета как на поверхности, так и по всей толщине изделия.

  Наполнители - вещества (главным образом, тонкодисперсные  порошкообразные и волокнистые), которые вводят в состав пластмасс  с целью облегчения переработки, придания необходимых свойств, а  также удешевления. Наполнители, улучшающие какое-либо свойство полимерного материала, называют активными или усиливающими; не изменяющими свойств - инертными; волокнистые наполнители называют также армирующими.

  В качестве наполнителей для пластмасс применяют  древесную муку хлопковые очесы, асбест, стекловолокно и другие вещества.

  Следует подчеркнуть, что  свойства пластмасс  определяются, главным  образом, их основой - полимером.

  Свойства  пластмасс резко отличаются от свойств  металлов в процессе их деформирования. В частности, пластмассы имеют сравнительно маленькую твердость и у них отсутствует зависимость между твердостью и прочностью при растяжении, характерная для стали.

  Любой аморфный полимер в зависимости  от температуры может находиться в трех состояниях, которые принято  называть физическими состояниями: стеклообразном, высокоэластическом и  вязкотекучем.

  Стеклообразное  состояние характеризуется наличием колебательного движения атомов, входящих в состав цепи около положения  равновесия, а колебания звеньев  и перемещение цепи как единого  целого практически отсутствуют.

  Высокоэластическое  состояние характеризуется наличием колебательного движения звеньев и  групп звеньев, вследствие чего цепь полимера может распрямляться под  воздействием нагрузки и возвращаться в первоначальное состояние после  ее снятия, так как звенья связаны  в цепи.

  При вязкотекучем состоянии макромолекулы полимера путем последовательного перемещения передвигаются относительно друг друга.

  При нагревании полимера сначала появляются колебания  звеньев, а при более высоких  температурах движение цепей. Следовательно, при повышении температуры полимер  переходит из стеклообразного состояния  сначала в высокоэластическое, а  затем в вязкотекучее состояние.

  Переход полимера из одного физического состояния  в другое происходит не при какой-то определенной температуре, а в некотором  интервале температур. Средние температуры  областей перехода называются температурами  перехода.

  Температура перехода из стеклообразного состояния  в высокоэластическое называется температурой стеклования - Тс, а температура перехода из высокоэластического в вязкотекучее - температурой текучести Т_т. Значения критических температур некоторых пластмасс приведены в табл. 2.