Классификация полимеров
· по происхождению полимеры делятся на:
ü - природные – натуральный каучук, асбест, целлюлоза и др.;
ü - синтетические – полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.;
ü - искусственные – получают путем обработки (модифицирования природных)
· по химическому составу все полимеры подразделяются:
ü - органические – молекулы которых содержат атомы углерода, водорода, азота, кислорода и серы, входящие в состав главной цепи и боковых групп полимера (например, полиолефины, фторопласты, полиамиды, полиимиды, фенолформальдегидные смолы, полисилоксаны, эпоксидные смолы);
ü - неорганические – не содержат в составе макромолекул атомов углерода, (основу составляют соединения SiO2, CaO, MgO, Al2O3, например, силикатные стекла, керамика, асбест, слюда);
ü - элементоорганические - содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель — кремнийорганические соединения.
Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания разных групп полимеров. Это композиционные материалы (например, стеклопластики).
· по структуре (или форме) макромолекул полимеры делят на:
ü линейные или цепевидные;
ü разветвленные (частный случай — звездообразные);
ü ленточные или лестничные;
ü пространственные или сетчатые;
ü паркетные и так далее.
· по отношению к нагреву полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные:
ü Термопластичные полимеры – термопласты (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают без участия химических реакций. Этот процесс обратим. Имеют ленточную или разветвленную структуру макромолекул – высокоэластичны.
ü Термореактивныеполимеры – термореакты при нагреве выше определенных температур, подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления при участии химической реакции и становятся практически нерастворимыми. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную (пространственную) структуру, полученную путём сшивки (например, вулканизация) цепных полимерных молекул. Имеют повышенную тепловую и химическую стойкость. Упругие свойства термореактивных полимеров выше, чем у термопластов, однако, термореактивные полимеры практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения.
Присутствие в основной молекулярной цепи атомов других, кроме углерода, элементов сообщает полимеру те или иные специфические свойства, например:
· фосфор и хлор – повышают огнестойкость;
· сера – увеличивает газонепроницаемость;
· кислород – способствует повышению эластичности;
· фтор – обеспечивает высокую химическую стойкость.
По назначению пластмассы подразделяются на ряд групп: конструкционные, электроизоляционные, химически стойкие, фрикционные, тепло- и звукоизоляционные, светотехнические и др.
Свойства и область применения
Ø Малая плотность. Плотность различных пластмасс колеблется от 0,9 до 2,2 г/см3. В среднем пластмассы в два раза легче алюминия, в 5—7 раз легче стали, меди, свинца, бронзы и т.д.
Ø Физико-механические свойства. Пластмассы представляют собой материалы с разнообразными физико-механическими свойствами: от жестких материалов, напоминающих керамику, дерево, кость, до гибких, упругих, резиноподобных.
Конструкционные пластмассы характеризуются высокими механическими свойствами. К ним относятся: полистирол, фенопласты, стеклопластики (стекловолокниты, стеклотекстелиты).
Область применения: используются в нагруженных узлах и деталях конструкции.
Ø Коррозионная стойкость. Химически стойкие пластмассы: фторопласт-4, полиэтилен, поливинилхлорид (винипласт), асбоволокниты способны сопротивляться действию влаги и различных химических соединений.
Область применения:
из них изготавливают химическую аппаратуру, емкости, трубы, химически стойкие покрытия на металл и др.
Ø Фрикционные свойства. Фрикционные пластмассы обладают в условиях сухого трения высоким коэффициентом трения и высокой износостойкостью (асбоволокниты, асботекстолиты, асбокаучуковые материалы).
Область применения:
работают в узлах, передающих кинетическую энергию (фрикционные диски муфт сцепления) или рассеивающих ее (накладки, колодки тормозных устройств).
Ø Антифрикционные свойства. Антифрикционные пластмассы: фторопласт-4, полиамиды (капрон), лавсан, текстолиты, древесно-слоистые пластики, имеют малый коэффициент трения и высокую износостойкость. Износоустойчивость капрона выше, чем у бронзы и баббита, при смазке в 10—20 раз, при сухом трении в 100—160 раз.
Область применения:
Изготавливают вкладыши подшипников скольжения, зубчатые колеса и др. детали, образующие пары трения.
Ø Диэлектрические свойства. Большинство пластмасс (полиэтилены высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления, полистирол, фторопласты (фторопласт-3 и фторопласт-4), гетинакс, текстолит) — хорошие диэлектрики, т. е. плохо или совсем не проводят электрический ток, причем некоторые из них известны как лучшие диэлектрики современной техники, а в высокочастотных устройствах радиосвязи, телевидения, генераторах токов высокой частоты они незаменимы.
Область применения:
используют при изготовлении электроизолирующих и диэлектрических деталей, пленок, шлангов, изолирующих покрытиях на металлах и т.п.
Ø Тепло- и звукоизоляционные свойства. Такие пластмассы как: пенополистирол, пенополиуретан, пенополиэпоксид, пенополисилаксан, обладают низким коэффициентом теплопроводности, высокой звукопоглащающей способностью.
Область применения:
используют для теплоизоляции холодильников, труб, тепло- и звукоизоляции кабин и др., также в качестве легкого заполнителя силовых элементовконструкций, для изготовления труднозатопляемых изделий.
Ø Светотехнические и оптические свойства. Некоторые пластмассы по праву носят название органических стекол (полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонат). Они бесцветны, прозрачны, способны пропускать лучи света с широким диапазоном волн, в том числе и ультрафиолетовые, и значительно превосходят в этом отношении силикатные стекла. Например, полиметилметакрилатное органическое стекло пропускает 73,5% ультрафиолетовых лучей, а силикатное — всего 1 - 3%. Эти пластмассы стойки к воздействию света и обладают высокими оптическими свойствами.
Область применения:
для изготовления оптических деталей и арматуры осветителей; полиметилметакрилат (органическое стекло) используют для остекления автомобилей, судов, самолетов, для изготовления рассеивателей и других светотехнических изделий; из полистирола изготавливают прозрачные колпаки приборов, часовые стекла и т.п.
Ø Декоративные свойства. Большинство пластмасс и изделия из них имеют твердую, блестящую поверхность. Изделия из пластмасс не нуждаются в лакировке, а также поверхностном окрашивании, так и процессе производства путем добавления различных пигментов можно получить любые цвета и оттенки изделий, в том числе и многоцветные имитации натуральных камней, кожи, перламутра.
Область применения:
гетинакс применяют для отделки (облицовки) мебели, салонов автобусов, самолетов, кабин судов, пассажирских железнодорожных вагонов, вагонов метро и др.
Ø Простота переработки в изделия. Главное преимущество пластмасс — возможность формования из них изделий при помощи разнообразных методов: простого литья, литья под давлением, прессования, каландирования, экструзии и др. Трудоемкость изготовления самых сложных деталей из пластмасс ничтожна по сравнению с трудоемкостью изготовления изделий из других материалов механической обработкой.
Ø Коэффициент использования материала при переработке пластмасс 0,95—0,98, а у металлов при механической обработке 0,2—0,6, при литье 0,6—0,8.
Ø Доступность сырья. Синтетические пластмассы получают путем химических превращений (на основе реакции поликонденсации или полимеризации) из простых химических веществ, которые, в свою очередь, получают из столь доступных видов сырья, как уголь, нефть, воздух, известь и т. д. Отечественная сырьевая база для получения органических синтетических материалов практически неисчерпаема.
Одновременно с перечисленными выше ценными свойствами пластмассам присущи и некоторые недостатки.
o Низкая теплостойкость. Основные группы пластмасс могут удовлетворительно работать лишь в сравнительно небольшом интервале температур: от — 60 до +120° С. Рабочие температуры пластмасс на основе кремнийорганических полимеров и фторопластов гораздо выше (200°С и более).
o Низкая теплопроводность. Теплопроводность пластических масс в 500—600 раз ниже теплопроводности металлов, что вызывает значительные трудности при их применении в узлах и деталях машин, где необходим быстрый отвод тепла. Для повышения теплопроводности пластмасс иногда прибегают к применению теплопроводящих наполнителей (графита, металлических порошков и др.).
o Низкая твердость. Твердость по Бринеллю колеблется в интервале 6—60 кгс/мм.
o Ползучесть. Это свойство у пластмасс, особенно термопластов, выражено гораздо сильнее, чем у металлов, что необходимо учитывать при конструировании деталей.
o Прочность. Механическая прочность самых жестких пластмасс (стеклопластиков) в 1,2—1,5 раза меньше, чем у металлов.
o Старение. Пластмассы изменяют свои свойства под действием нагрузки, тепла, влаги, света, воды, при длительном пребывании в атмосферных условиях.
Разрушение материала, сопровождающееся уносом его массы при воздействии горячего газового потока, называется абляцией.
Композиционные материалы – сложные материалы, состоящие из нерастворимых или малорастворимых друг в друге компонентов, сильно отличающихся по свойствам и разделенные в матрице ярко выраженной границей.
Основа (матрица) композиционного материала может быть металлической (применяют алюминий, магний, никель, титан, сталь) и неметаллической (полимерной, углеродной, керамической).
В матрице равномерно распределены компоненты, наполняющие и упрочняющие композиционный материал – упрочнители и армирующие материалы. Упрочняющие компоненты должны обладать высокой прочностью, твердостью, модулем упругости. По этим характеристикам они должны значительно превосходить материал матрицы. По геометрическим параметрам армирующие материалы могут быть нуль-мерными, одномерными и двумерными.
Материалы, армированные нуль-мерными упрочнителями, называют дисперсно-упрочненными. В качестве дисперсных частиц чаще используют тугоплавкие оксиды, карбиды, нитриды, бориды. При работе дисперсно-упрочненных материалов основную нагрузку воспринимает матрица. Широкое распространение получили:
-спеченные алюминиевые пудры (САП)- материалы с алюминиевой матрицей, упрочненные чешуйками Al2O3;
-высокую жаропрочность имеют материалы на основе никеля с 2…3% двуокиси тория (ВДУ-1) или двуокиси гафния (ВДУ-2).
Материалы с одномерными или одномерными и нуль-мерными наполнителями называют волокнистыми композиционными материалами. Упрочнители:
ü - проволока из металлов и сплавов (Mo, W, B,Ta, высокопрочная сталь);
ü - волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений (С, В, SiC, Al2O3, борсик – волокна бора с выращенными на них в целях улучшения сцепления с матрицей кристаллами карбида кремния). В качестве матрицы: полимеры (эпоксидные, фенолформальдегидные, полиамидные и др. смолы); керамические и углеродистые материалы; металлы (Al, Mg, Ti, Ni…). Например, материалы с алюминиевой матрицей армируют стальной проволокой (КАС), борным волокном (ВКА), углеродным волокном (ВКУ).
При растяжении нагрузку воспринимают волокна, матрица же служит средой для передачи усилия. Чем больше соотношение Ев/Ем и чем выше объемное содержание волокна, тем большая доля нагрузки приходится на волокно.