Пластические массы

Низкомодульные наполнители (эластификаторы), в качестве которых  обычно используют эластомеры, не понижая  теплостойкости и твердости полимера, придают материалу повышенную устойчивость к знакопеременным и ударным нагрузкам, предотвращают прорастание микротрещин в связующем.

Эластификатор диспергируют в связующем виде частиц размером 0,2-10 мкм. Это достигается полимеризацией мономера на поверхности частиц синтетических  латексов, отверждением олигомера, в котором диспергирован эластомер, механическим перетиранием смеси жесткоцепного полимера с эластомером. Наполнение должно сопровождаться образованием блок- или привитого сополимера на границе раздела частиц эластификатора со связующим. Это обеспечивает кооперативную реакцию связующего и эластификатора на внешнее воздействие в условиях эксплуатации материала.

Чем выше модуль упругости  наполнителя и степень наполнения материала, тем выше деформационная устойчивость наполненного пластика. Однако введение высокомодульных наполнителей в подавляющем большинстве случаев способствует возникновению остаточных напряжений в связующем, а следовательно понижению прочности и монолитности полимерной фазы.

Свойства пластиков с  твердым наполнителем определяются степенью наполнения, типом наполнителя и связующего, прочностью сцепления на границе контакта, толщиной пограничного слоя, формой, размером и взаимным  расположением частиц наполнителя.

Пластики с частицами  наполнителя малых размеров, равномерно распределенными по материалу, характеризуются изотропией свойств, оптимум которых достигается при степени наполнения, обеспечивающей адсорбцию всего объема связующего поверхностью частиц наполнителя. При повышении температуры и давления часть связующего десорбируется с поверхности наполнителя, благодаря чему материал можно формовать в изделия сложных форм с хрупкими армирующими элементами. Мелкие частицы наполнителя, в зависимости от их природы, до различных пределов повышают модуль упругости изделия, его твердость, прочность при нагружении, придают ему фрикционные или антифрикционные качества, теплоизоляционные, теплопроводящие или электропроводящие свойства.

Для получения  пластиков низкой плотности применяют  наполнители в виде полых частиц. Такие материалы (синтетические пены) обладают хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами

Применение  в качестве наполнителей природных  и синтетических органических волокон, стеклянных, кварцевых, борных, углеродных, асбестовых, хотя и ограничивает выбор методов формования и затрудняет изготовление изделий сложной конфигурации, но резко повышает прочность материала. Упрочняющая роль волокон (диаметром 3-12 мкм) в волокнитах и органоволокнитах, стекловолокнитах, асбоволокнитах, карбоволокнитах проявляется уже при длине волокна в 2-4 мм. С увеличением длины волокон прочность возрастает благодаря взаимному их переплетению и понижению напряжения в связующем, локализованных по концам волокон.

В тех случаях, когда это допускается формой изделия, волокна скрепляют между собой в нити и в ткани различного плетения. Пластические массы, наполненные тканью (текстолиты), принадлежат к числу слоистых пластиков, отличающихся анизотропией свойств, в частности высокой прочностью вдоль слоя наполнителя и низкой в перпендикулярном направлении. Этот недостаток слоистых пластиков отчасти устраняется применением так называемых объемнотканых тканей, в которых полотна переплетены между собой в перпендикулярном направлении. Связующее заполняет неплотности переплетения, и, отверждаясь, фиксирует форму, приданную заготовке из наполнителя.

В изделиях несложных  форм, и особенно в полых телах  вращения, волокна-наполнители укладывают по направлению действия внешних  сил. Прочность таких пластиков  в заданном направлении определяется в основном прочностью волокон; связующее лишь фиксирует форму изделия и равномерно распределяет нагрузку по волокнам.

Для панельных конструкций  удобно использовать слоистые пластики с наполнителем из древесного шпона  или бумаги, в том числе из синтетического волокна. Значительное понижение массы панелей при сохранении жесткости достигается применением материалов трехслойной, или сэндвичевой, конструкции, в которых сотопласты защищены тонкими листами обшивки из слоистого пластика.[4]

2.2 Основные виды термопластов и особенности их свойств

Среди термопластов наиболее разнообразно применение материалов из полиэтилена, поливинилхлорида и  полистирола, преимущественно в  виде гомогенных или эластифицированных материалов, реже газонаполненных и  наполненных минеральными порошками или короткими стеклянными, углеродными либо синтетическими органическими волокнами.

Пластики на основе полиэтилена  легко формуются и свариваются  в изделия сложных форм, они  устойчивы к ударным и вибрационным нагрузкам, химически стойки, отличаются высокими электроизоляционными свойствами и низкой плотностью. Пластические массы с особенно удачным сочетанием свойств получаются при наполнении полиэтилена коротким (до 3 мм) стекловолокном. При степени наполнения 20% прочность при растяжении возрастает в 2,5 раза, при изгибе – в 2 раза, ударная вязкость – в 4 раза и теплостойкость – в 2,2 раза.

Жесткий пластик на основе поливинилхлорида – винилпласт, в  том числе эластифицированный (ударопрочный), формуется значительно труднее  полиэтиленовых пластиков, но прочность его к статическим нагрузкам много выше, ползучесть ниже и твердость выше. Наиболее широкое применение находит пластифицированный поливинилхлорид – пластикат. Он легко формуется и надежно сваривается, а требуемое сочетание в нем прочности, деформационной устойчивости и теплостойкости достигается изменением количества пластификатора и твердого наполнителя.

Пластики на основе полистирола  формуются много легче, чем из винилпласта, их диэлектрические свойства близки к свойствам полиэтиленовых пластических масс, они оптически прозрачны и по прочности к статическим нагрузкам мало уступают винилпласту, но более хрупки, менее устойчивы к действию растворителей и горючи. Низкая ударная вязкость и разрушение вследствие быстрого прорастания микротрещин устраняются при наполнении полистирольных пластиков полимерами или сополимерами с температурой стеклования ниже -40ºС. Эластифицированный (ударопрочный) полистирол наиболее высокого качества получают полимеризацией стирола на частицах латекса из сополимеров бутадиена со стиролом или с акрилонитрилом. Материал, названный АБС, содержит около 15% гель-фракции, состоящей из блок- и привитых сополимеров полистирола и указанного сополимера бутадиена, эластифицирующего эластомера и полистирола, создающего жесткую матрицу. Морозостойкость материала ограничивает температура стеклования эластомера, теплостойкость – температура стеклования полистирола.

Термостойкость перечисленных  термопластов (ненаполненных) лежит  в пределе 60-80ºС, их свойства резко изменяются при незначительном изменении температуры, низка деформационная устойчивость под нагрузкой. Этих недостатков ненаполненных термопластов отчасти лишены иономеры, например сополимеры этилена, пропилена, стирола с мономерами, содержащими ионогенные нруппы (обычно ненасыщенные карбоновые кислоты или их соли). Ниже температуры текучести благодаря взаимодействию ионогенных групп между макромолекулами создаются прочные узлы и образуется сетчатая структура, которая размягчается при размягчении полимера. В иономерах удачно сочетаются свойства термопластов, благоприятные для формования изделий с повышенными деформационной устойчивостью и жесткостью, со свойствами, характерными для сетчатых полимеров. Однако с повышением концентрации ионогенных групп в составе полимера ухудшаются его диэлектрические свойства и понижается влагостойкость.

Пластики с более высокой  теплостойкостью (100-130ºС) и менее резким изменением свойств с повышением температуры производят на основе полипропилена, полиформальдегида, поликарбонатов, полиакрилатов, ароматических полиамидов. Особенно быстро расширяется номенклатура изделий, изготавливаемых из поликарбонатов, в том числе наполненных стекловолокном.

Для деталей, работающих в  узлах трения, широко применяются  пластики из алифатических полиамидов, наполненных теплопроводящими материалами.

Особенно высоки химическая стойкость, прочность к  ударным нагрузкам и диэлектрические  свойства пластиков на основе политетрафторэтилена и сополимеров тетрафторэтилена. В материалах на основе полиуретанов удачно сочетается износостойкость с морозостойкостью и длительной прочностью в условиях знакопеременных нагрузок. Полиметилметакрилат используют для изготовления оптически прозрачных атмосферостойких материалов, применяемых в качестве ударопрочных, легких, легко штампуемых, механически обрабатываемых и свариваемых органических стекол. Объем производства термопластов с повышенной теплостойкостью и органических стекол составляет около 10% общего объема всех полимеров предназначенных для изготовления пластических масс.

Отсутствие  реакций отверждения во время  формования термопластов дает возможность предельно интенсифицировать процесс переработки, производить вакуум- и пневмоформование ранее изготовленных листов и профилей, раздув трубчатых заготовок в пленки и полые изделия, сборку сложных конструкций сваркой и повторное формование амортизированных изделий.

Дальнейшее  развитие производства термопластов направлено на создание материалов из тех же полимеров, но с новыми сочетаниями свойств  применением эластификаторов, порошковых и высокомодульных коротковолокнистых наполнителей.[4]

2.3 Основные  виды реактопластов и особенности  их свойств

После окончания  формования изделий из реактопластов  полимерная фаза приобретает сетчатую (трехмерную) структуру с высокой  плотностью сетки. Благодаря этому  отвержденные реактопласты имеют более высокие, чем термопласты, показатели по твердости, модулю упругости, теплостойкости (до 250-300ºС), усталостной прочности, более низкий температурный коэффициент расширения. Однако неспособность отвержденных реактопластов переходить в вязкотечее состояние вынуждает проводить синтез полимера в несколько стадий.

Первую стадию оканчивают получением олигомеров (смол) с молекулярной массой 500-1000. Благодаря  низкой вязкости раствора или расплава олигомеры легко совмещать с  наполнителем и равномерно распределять по его поверхности даже в том случае, когда степень наполнения достигает 80-85% (по массе). После введения всех компонентов текучесть неотвержденного реактопласта остается настолько высокой, что изделия из него можно формовать заливкой (литьем), контактным формованием, намоткой. Такие реактопласты называются компандами полимерными и премиксами – в том числе, когда они содержат наполнитель в виде мелких частиц, и препрегами – если наполнителями являются непрерывные волокна, ткань, бумага.

Технологическая оснастка для формования изделий из компаундов, премиксов и препрегов проста и энергетические затраты невелики, но процессы связаны с длительной выдержкой материала в индивидуальных формах для отверждения связующего. При этом происходит сильная усадка материала и в нем возникают значительные остаточные напряжения, а монолитность, плотность и прочность далеко не достигают предельных значений (за исключением изделий, полученных намоткой с натяжением), особенно в случае отверждения по реакции поликонденсации.

Чтобы избежать этих недостатков в технологии получения  материала предусмотрена дополнительная стадия (после смешения компонентов) – предотверждение олигомера, осуществляемое при вальцевании или сушке. При  этом сокращается длительность выдержки материала в формах и повышается качество изделий, однако заполнение форм из-за понижения текучести связующего становится возможным только при давлениях       25-60 Мн/м² (250-600 кгс/см²).

Олигомеры в  реактопластах могут отверждаться самопроизвольно (с тем большей скоростью, чем выше температура) или с помощью полифункционального низкомолекулярного вещества – отвердителя. Отверждение может осуществляться по механизму поликонденсации (например, в случае феноло-альдегидных, эпоксидных, карбамидных, кремнийорганических смол) и полимеризации (полиалкиленгликольмалеинаты, олигоэфиракрилаты, форполимеры диаллилфталата).

Реактопласты  с любым наполнителем изготавливают, применяя в качестве связующего феноло-формальдегидные  смолы, часто эластифицированные поливинилбутиралем, бутадиен-нитрильным каучуком, полиамидами, поливинилхлоридом (такие материалы называются фенопластами), и эпоксидные смолы, иногда модифицированные феноло- или анилино-формальдегидными смолами или отверждающимися олигоэфирами.

Высокопрочные пластики с термостойкостью до 200ºС производят сочетанием стеклянных волокон или тканей с отверждающимися олигоэфирами, фенолоальдегидными или эпоксидными смолами. В производстве изделий, длительно работающих при 300ºС, применяют стекло- или асбопластики с кремнийорганическим связующим; при 300-340ºС – полиимиды в сочетании с кремнеземным, асбестовым или углеродным волокном; при 350-500ºС в воздушной и при 2000-2500ºС в инертной средах – фенопласты или пластики на основе полиимидов, наполненные углеродным волокном и подвергнутые карбонизации (графитизации) после формирования изделий.

Высокомодульные пластики производят сочетанием эпоксидных смол с углеродными, борными или  монокристаллическими волокнами. Монолитные и легкие материалы,  устойчивые к вибрационным и ударным нагрузкам, водостойкие и сохраняющие диэлектрические свойства и герметичность в условиях сложного нагружения, изготавливают сочетанием эпоксидных, полиэфирных или меламино-формальдегидных смол с синтетическими волокнами, тканями, бумагой из синтетических волокон.

Наиболее высокие  диэлектрические свойства в сухой  среде характерны для материалов на основе кремнеземных или кварцевых  волокон и полиэфирных или кремнийорганических связующих.[4]

3 Получение пластмасс

Производство синтетических пластмасс  основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул.

3.1 Общая характеристика производства полистирола

Полистирол (              )_n это   карбоцепной термопластичный