Конструкционные материалы

4.1. Термопластичные  пластмассы.

    В основе термопластичных пластмасс  лежат полимеры линейной или разветвленной  структуры, иногда в состав полимеров  вводят пластификаторы. Термопластичные  пластмассы применяют в качестве прозрачных органических стекол, высоко- и низкочастотных диэлектриков, химически стойких материалов; из этих пластмасс изготовляют тонкие пленки и волокна.

    Неполярные  термопластичные пластмассы. К неполярным пластикам относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.

    Полиэтилен (- CH2 – CH2 -)n - продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. Теплостойкость полиэтилена невысока, поэтому длительно его можно применять при температурах до 60 - 100ºС. Морозостойкость полиэтилена достигает - 70ºС и ниже. Полиэтилен используют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, полиэтиленовых пленок для изоляции проводов и кабелей, чехлов, остекленения парников, облицовки водоемов; кроме того, полиэтилен служит покрытием на металлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока и др.

    Полипропилен (- CH2 – CHCH3 -)n – является производной  этилена. Это жесткий нетоксичный  материал с высокими физико–механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом этот пластик более теплостоек: сохраняет форму до температуры 150ºС. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки.

    Полипропилен  применяют для изготовления труб, конструкционных деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных емкостей и др. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые

    Полистирол (- CH2 – CHC6H5 -)n - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. По диэлектрическим характеристикам близок к полиэтилену, удобен для механической обработки, хорошо окрашивается. Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость, склонность к старению, образование трещин. Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции.

    Фторопласт-4 являются термически и химически  стойкими материалами. Фторопласт-4 можно  длительно эксплуатировать при  температуре до 250ºС. Разрушение материала  происходит при температуре выше 415ºС. Фторопласт-4 стоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Фторопласт-4 применяют для изготовления труб для химикатов, деталей (вентили, краны, насосы, мембраны), уплотнительных прокладок, манжет, сильфонов, электрорадиотехнических деталей, антифрикционных покрытий на металлах.

    Полярные  термопластичные пластмассы. К полярным пластикам относятся фторопласт-3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиарилаты, пентапласт, полиформальдегид.

    Фторопласт-3 полимер трифторхлорэтилена, имеет  формулу (-CF2 – CFCl-)n и является кристаллическим  полимером. Интервал рабочих температур фторопласта-3 от -105 до +70ºС. При температуре 315ºС начинается термическое разрушение. Фторопласт-3 используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металла и др.

    Органическое  стекло – это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. При температуре 80ºС органическое стекло начинает размягчаться; при температуре 105 - 150ºС появляется пластичность, что позволяет формировать из него различные детали. Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазок, растворяется в эфирах и кетонах, в органических кислотах, ароматических и хлорированных углеводородах. Органическое стекло используют в самолетостроении, автомобилестроении. Из органического стекла изготовляют светотехнические детали и оптические линзы.

    Поливинилхлорид является полярным аморфным полимером  с химической формулой (- CH2 – CHCl -)n. Пластмассы на основе поливинилхлорида имеют хорошие  электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Из винипласта изготовляют трубы для подачи агрессивных газов, жидкостей и воды, защитные покрытия для электропроводки, детали вентиляционных установок, теплообменников, защитные покрытия для металлических емкостей, строительные облицовочные плитки.

    Полиамиды – это кристаллизующиеся полимеры. У них низкая плотность. Полиамиды имеют низкий коэффициент трения, продолжительное время могут работать на истирание; кроме того, полиамиды ударопрочны и способны поглощать вибрацию. Они стойки к щелочам, бензину, спирту; устойчивы в тропических условиях. Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы, детали ткацких станков, маслобензопроводы, уплотнители гидросистем, колеса центробежных насосов, турбин, турбобуров, буксирные канаты и т. д. Полиамиды используют в электротехнической промышленности, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия металлов.

    Полиуретаны содержат уретановую группу – NH – COO -. Свойства полиуретана в основном близки к свойствам полиамидов. Из полиуретана вырабатывают пленочные материалы и волокна, которые малогигроскопичны и химически стойки.

    Полиэтилентерефталат  является кристаллическим полимером. Является диэлектриком и обладает относительно высокой химической стойкостью, устойчив в условиях тропического климата. Из полиэтилентерефталата изготовляют шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.

    Поликарбонат  – сложный полиэфир угольной кислоты. Химически стоек к растворам  солей, разбавленным кислотам и щелочам, топливу, маслам; разрушается крепкими щелочами. Выдерживает светотепловакуумное старение и тепловые удары. Поликарбонат имеет ограниченную стойкость к ионизирующим излучениям. Из поликарбоната изготовляют шестерни, подшипники, автодетали, радиодетали.

    Полиарилаты – сложные гетероцепные полиэфиры. Полиарилатам присущи высокая термическая  стойкость и морозостойкость, хорошие  показатели механической прочности  и антифрикционные свойства. Полиарилаты  применяются для подшипников, работающих в глубоком вакууме без смазки, в качестве уплотнительных материалов в буровой технике.

    Пентапласт  обладает удовлетворительными электроизоляционными свойствами. Кроме того, он водостоек. Из пентапласта изготовляют трубы, клапаны, детали насосов и точных приборов, емкости, пленки и защитные покрытия на металлах.

    Полиформальдегид  имеет температурный интервал применимости от -40 до +130ºС. Он водостоек, стоек к  минеральным маслам и бензину. Полиформальдегид используют для изготовления зубчатых передач, шестерен, подшипников, клапанов, деталей автомобилей, конвейеров и т. д.

    Термостойкие  пластики. К термостойким пластикам  относятся ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфон, полиимиды  и полибензимидазолы. Температура  эксплуатации до 400ºС.

    Ароматический полиамид имеет повышенную стойкость к радиации и химическую стойкость. Обладает высокой усталостной прочностью и износостойкостью. Из него изготавливают подшипники, уплотнительные детали запорных устройств, зубчатые колеса, детали электропередач.

    Полифениленоксид  обладает химической стойкостью, низким водопоглощением, имеет хорошие  физико-механические характеристики. Длительно его можно применять  до 130 - 150ºС. Из него изготовляют детали оборудования, хирургические инструменты, изоляцию на высокочастотных установках.

    Полисульфон – это термически стабильный, химически  стойкий материал. По прочностным  свойствам близок к полифениленоксиду. Полисульфон применяют в виде пленок, литых изделий и покрытий для эксплуатации при температурах от -100 до +175ºС. Из него изготовляют детали автомобилей, станков, бытовых машин, электротехнических изделий.

    Полиимиды – ароматические гетероциклические  полимеры. В зависимости от структуры  они могут быть термопластичными и термореактивными. Полиимиды отличаются высокими механическими и электроизоляционными свойствами, широким диапазоном рабочих температур (от -200 до +300ºС), стойкостью к радиации. Полиимиды стойки к действию растворителей, масел, слабым кислотам и основаниям. Разрушаются при длительном воздействии кипящей воды и водяных паров. Могут длительно работать в вакууме при высоких температурах.

    Полиимиды применяют в виде пленок для изоляции проводов и кабелей, печатных схем, электронно-вакуумной тепловой изоляции.

    Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. Они обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными показателями, высокими диэлектрическими свойствами. Волокна огнестойки и термостойки. Полибензимидазолы применяют в виде пленок, волокон, тканей для специальных костюмов, могут использоваться в качестве связующих для армированных пластиков.

    Термопласты с наполнителями. В качестве полимерных матриц используют различные термопласты. В качестве армирующих наполнителей можно использовать стеклянное волокно, асбест, органические волокна и ткани.

    В промышленном масштабе применяют полиамиды  и поликарбонат, наполненные мелкорубленым  стекловолокном. Стекловолокниты обладают повышенными прочностью и теплостойкостью, усталостной прочностью и износостойкостью. Интервал рабочих температур от -60 до +150ºС.

    Термопласты с наполнителями в виде синтетических  волокон (капрон, лавсан) являются перспективными. Обладают высокой длительной прочностью.

    Слоистые  термопласты содержат в качестве наполнителей ткани из различных  волокон. Из них изготовляют подшипники, зубчатые передачи, трубы вентили, емкости для агрессивных сред и др.

4.2. Термореактивные  пластмассы.

    В качестве связующих веществ применяются  термореактивные смолы, в которые  иногда вводят пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители, растворители. В зависимости от формы частиц наполнителя термореактивные пластмассы можно подразделить на следующие группы: порошковые, волокнистые и слоистые.

    Пластмассы  с порошковыми наполнителями. В  качестве наполнителя применяют  органические и минеральные порошки. Свойства порошковых пластмасс характеризуются изотропностью, невысокой механической прочностью и низкой ударной вязкостью.

    На  основе фенолоформальдегидных смол с органическими наполнителями  изготовляют пресс-порошки, из которых  прессованием получают несиловые и электроизоляционные детали: рукоятки, детали приборов и др.

    Минеральные наполнители придают пластмассе водостойкость, химическую стойкость, повышенные электроизоляционные свойства, устойчивость к тропическому климату.

    Пластмассы с порошковыми наполнителями широко применяют в машиностроении для изготовления различной инструментальной оснастки, вытяжных и формовочных штампов, корпусов станочных, сборочных и контрольных приспособлений, литейных моделей, копиров и др.

    Пластмассы  с волокнистыми наполнителями. К этой группе пластмасс относятся волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты.

    Волокниты применяют для деталей общего технического назначения с повышенной устойчивостью к ударным нагрузкам, работающим на изгиб и кручение.

    Асбоволокниты обладают повышенной теплостойкостью (свыше 200ºС) и ударопрочностью, устойчивостью к кислым средам и высокими фрикционными свойствами. Асбоволокниты используются в качестве материала тормозных устройств (колодки, накладки, диски подъемных кранов, вагонов, автомобилей и др.); из материала фаолита (разновидность асбоволокнитов) получают кислотоупорные аппараты, ванны, трубы.

    Стекловолокниты получают продавливанием расплавленной  стекломассы через фильеры. В  качестве наполнителя применяют  непрерывное стекловолокно или короткое волокно. Обладают хорошими прочностными характеристиками. Используются для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов).

    Слоистые  пластмассы являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. Листовые наполнители, уложенные слоями, придают пластику анизотропность. Материалы выпускаются в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали.

    Гетинакс  по назначению подразделяют на электротехнический и декоративный, который может иметь различные цвета и текстуру, имитирующую древесные породы. Пластик можно применять при температуре 120 - 140ºС. Он устойчив к действию химикатов, растворителей, пищевых продуктов; используется для внутренней облицовки пассажирских кабин самолетов, железнодорожных вагонов, кают судов, в строительстве.