Термопластичные материалы и их механические свойства

28.03.2016 Термопласты при нагревании переходят в вязкотекучее состояние, а при охлаждении возвращаются в стеклообразное состояние. Повторное нагревание вновь приводит пластмассу в вязкотекучее состояние, т.е. такой материал обратим. В основе этих пластмасс лежат полимеры линейной илиразветвленнойструктуры. Их применяют в качестве прозрачных органических стекол, диэлектриков, химически стойких материалов. Детали, выполненные из таких материалов, имеют ограниченную рабочую температуру (не выше 60 – 70°С)
 Примеры термопластов:
 Полиэтилен(-СН2-СН2-)n– продукт полимеризации бесцветного газа этилена. Содержит от 55 до 95% кристаллической фазы, которая вместе с плотностью повышает механическую прочность и теплостойкость. Теплостойкость полиэтилена невысокая (до 60 – 100°С).
Высокая упругость и эластичность полиэтилена позволяет получать из него тонкие прозрачные пленки, пропускающие ультрафиолетовые лучи. Полиэтилен химически стоек и при комнатной температуре не растворим ни в одном из известных растворителей. Устойчив к кислотам и щелочам до 60°С.
Недостаток – склонность к старению, под действием радиации полиэтилен твердеет.
Применение – трубы, литые и прессованные несиловые детали, пленки, как покрытие металлов для защиты от коррозии
Полипропилен– Степень кристаллизации 56 -63%, более теплостоек, пленки более прочны. Недостаток – невысокая морозостойкость (-15 - -20°C).
Полистирол– твердый жесткий прозрачный аморфный и слабополярный полимер, хорошо окрашивается, удобен для механической обработки, наиболее стоек к радиации.
Ударопрочный полистирол– блоксополимер полистирола с 10 – 15% синтетического каучука. Имеет в 3 – 5 раз более высокую прочность на удар и в 10 раз более высокое относительное удлинение по сравнению с обычным полистиролом.
Применение– детали фотооборудования: катушки, бачки, рамки, футляры, сосуды для воды.
Фторопласты– (-CF2-CF2-)n термостоек за счет высокой энергии связи C-F, стоек к действию растворителей, кислот, щелочей,окислителей.
Недостатки: трудность переработки в изделия из-за малой пластичности.
Применение: трубы для химикатов, уплотнительные прокладки, манжеты, сильфоны, антифрикционные покрытия металлов (подшипники).
Полярные термопласты:
Фторопласт-3, оргстекло, поливинилхлорид, полиамиды и др.
Фторопласт-3 (CF2-CFCl-)n– кристаллический полимер, полярен из-заCl, диэлектрические свойства снижаются, но появляется пластичность и облегчается переработка в изделия.

Оргстекло- аморфный материал.
Полиамиды – капрон, нейлон, анид, рилсан.
Общая формула –NH-CO-(CH2)m-NH-CO-(CH2)n- .
Например, приm=n=5получается формула капрона. Свойства разных видов полиамидов близки: низкая плотность, в = 5 -11 кг/мм2, удлинение от 10 -100% до 200 – 350%, прочность 60 кг/мм2, имеют низкий коэффициент трения (f< 0,05), способны поглощать вибрацию.
Недостаток– некоторая гигроскопичность (поглощают воду).
Применение: шестерни, втулки, подшипники, уплотнители и т.д. Прочность термопластов находится в пределах 10 – 100 МПа. Это вполне достаточно для многих целей, несмотря на то, что допускаемые напряжения не превышают 10 МПа. Термопласты хорошо сопротивляются усталости, а долговечность пластмасс выше, чем у многих сталей и сплавов. Предел выносливости равен 0,2 – 0,3 временного сопротивления. Модуль упругости в 10 – 100 раз меньше, чем у металлов и керамики. Кроме того, механические свойства термопластов имеют следующие особенности.
1. Зависимость от температуры. При нагревании уменьшается прочность так, что некоторые пластмассы нельзя использовать как конструкционные материалы уже при 50°С. При охлаждении прочность растет, но увеличивается хрупкость.
2. Зависимость от длительности нагрузки. При длительном действии нагрузки уменьшается прочность.
3. Зависимость от скорости деформации и внешних условий. При увеличении скорости деформирования повышается жесткость пластмасс, так как не успевает развиваться высокоэластическая деформация.
4. Зависимость от структуры Пластмассы с высокоориентированной молекулярной структурой анизотропны. В кристаллических полимерах механические свойства зависят от степени кристаллизации: чем она больше, тем выше прочность. Общими недостатками термопластов являются невысокая теплостойкость, нестабильность свойств из-за старения, ползучесть под действием нагрузки. Механические свойства термопластов улучшаются при использовании в качестве наполнителя 20 -30% стеклянного волокна. Такие пластмассы называются наполненными. При этом сохраняется возможность переработки термопластов в детали литьем под давлением. Наполненные пластмассы отличаются высокой стабильностью размеров под действием нагрузки, повышенной прочностью, но хуже сопротивляются ударам.
Термореактивные пластмассы (реактопласты)
Это композиции, в которые в качестве связующих веществ входят термореактивные полимеры (феноло-формальдегидные, мочевиноформальдегидные, эпоксидные и др.). Полимер склеивает как отдельные слои наполнителя, так и элементарные волокна и воспринимает нагрузку одновременно с ним. Важно, чтобы коэффициент термического расширения связующего и наполнителя был близок по величине.
Реактопласты при нагревании переходят в вязкотекучее состояние и при дальнейшем нагревании затвердевают.
В зависимости от вида наполнителя реактопласты делятся на три вида: с порошковым наполнителем, с волокнистым наполнителем (волокниты) и слоистые пластики.
В порошковых пластмассах в качестве наполнителей применяются органические порошки (древесная мука, целлюлоза) и минеральные (молотый кварц, тальк, цемент, графит и т.д.)
Порошковые пластмассы наиболее однородны по свойствам, хорошо прессуются и применяются для наиболее сложных по форме изделий. Широко известны такие порошковые пластмассы как фенопласты т аминопласты, из которых изготавливают несиловые и конструкционные и электроизоляционные детали: рукоятки, патроны, кнопки, выключатели. Недостаток порошковых пластмасс – пониженная ударная вязкость. Волокниты – это пластмассы, в которых наполнителями являются волокна в виде очесов хлопка, асбеста, а связующим феноло-формальдегидные смолы. Они отличаются повышенной прочностью, а главное, ударной вязкостью. Волокниты, наполненные асбестовым волокном, сочетают теплостойкость (до 200°С) с высоким коэффициентом трения в паре со сталью. Стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое стекловолокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, метеллической арматурой. Материал получается изотропным. Представителем такого стекловолокнита является материал АГ-4В. Если применять наполнитель в виде длинных стеклянных волокон, располагающихся отдельными прядями, получится ориентированный стекловолокнит (АГ-4С) с более высокой прочностью (в = 20 - 40 кг/мм2). Стекловолокниты из-за высоких физико-механических характеристик применяют для деталей высокой точности любой конфигурации с арматурой и резьбой. Могут работать при температурах от -60 до 200°С.
Слоистые пластмассы выпускаются в виде листов, плит, труб, прутков, из которых механической обработкой получают различные детали. Гетинакс – смола и различные сорта бумаги. Текстолит – смола и хлопчатобумажные ткани. Возможность применения пластмасс в приборостроении определяется следующими их свойствами:
а) Свойства пластмасс, способствующие их использованию:
1. Малая плотность (1 – 2 кг/см3).
2. Способность работать без смазки.
3. Высокие демпфирующие свойства (пружинение, упругость).
4. Огнестойкость (не все марки).
5. Высокие диэлектрические свойства.
6. Высокие технологические свойства (обрабатываемость).
б) Недостатки пластмасс:
1. Малый модуль упругости (на порядок).
2. Низкая твердость.
3. Низкая теплостойкость (температура плавления 100 – 150°С).
4. Нестабильность во времени при нагрузке
5. Высокая стоимость (1 кг чугуна в 100 раз дешевле 1 кг АГ2)
При решении вопроса о целесообразности применения пластмасс необходимо учитывать все эти факторы.
Технологические свойства пластмасс
Свойства пластмасс, проявляющиеся в процессе переработки в изделие, принято называть технологическими. От технологических свойств зависят режимы переработки пластмасс, конфигурация, размеры и качество изделия. Ниже приводятся основные технологические свойства пластмасс.
Показатель текучести расплава (ПТР)
Этот показатель характеризует скорость течения расплавленного термопласта через капилляр стандартных размеров специальной формы при заданных температуре и давлении. ПТР выражается в граммах материала, выдавливаемого за 10 мин.Чем больше ПТР материала, тем меньше его вязкость.
Усадка
Заключается в уменьшении размеров деталей от момента затвердевания пластмассы до полного остывания. Действительная усадка lд = [(l–lo)/lo] х 100%, гдеlиlo– размеры детали при температуре прессования (145 – 180°С) и комнатной температуре соответственно. Усадку необходимо учитывать при конструировании детали и оснастки для ее изготовления.
Влажность и летучие материалы, содержащиеся в литьевых материалах, влияют на качество изделия. При большом содержании влаги и летучих веществ в материале образуются пузыри и другие дефекты, требуется большее время выдержки под давлением в процессе прессования, в результате чего уменьшается производительность. Недостаток влаги, выполняющий роль связки, ухудшает условия таблетирования и прессования. Содержание влаги и летучих веществ определяется взвешиванием порции материала до нагревания и после нагревания в термостате. Скорость отверждения термореактивных пластмасс– это время в секундах, необходимое для отверждения 1 мм толщины детали. Насыпная плотность, гранулометрический состав, сыпучесть и др. –объемные характеристики сыпучих материалов в твердом состоянии, определяющие процессы дозирования, уплотнения гранул или порошка (например, при прессовании и пластификации), слеживание (при хранении).