тряпки4 (тряпки шпоры), страница 4

12.3. Неметаллические материалы

Общая характеристика и классифика­ция пластмасс. Пластическими массами или просто пластмассами называют ма­териалы, изготовленные на основе поли­меров. Состав композиций разнообра­зен: простые пластмассы-это поли­меры без добавок, сложные пласт­массы-это смеси полимеров с раз­личными добавками (наполнители, ста­билизаторы, пластификаторы и др.).

Наполнители добавляют в количестве 40-70% (по массе) для повышения меха­нических свойств, снижения стоимости и изменения других параметров, Напол-

стели-это органические и неорганиче-:ие вещества в виде порошков (древес-1я мука, сажа, слюда, SiO^, тальк, Юд, графит), волокон (хлопчатобу-ажные, стеклянные, асбестовые, поли-ерные), листов (бумага, ткани из раз-1чных волокон, древесный шпон).

Стабилизаторы - различные органиче-ше вещества, которые вводят в количе--ве нескольких процентов для сохране-ия структуры молекул и стабилизации юйств. Под влиянием окружающей эеды происходит как разрыв макромо-жул на части, гак и соединение макро-олекул друг с другом поперечными »язями. Изменения исходной струк-фы макромолекул составляют сущ-эсть старения пластмасс, которое нс-зратимо снижает прочность и долго-япость изделий. Добавки стабилизато-зв замедляют старение.

Пластификаторы добавляют в коли-;стве 10 20 "ц для уменьшения хрупко-ги и улучшения формуемости. Пласти-икаторами являются вещества, ко-зрые уменьшают межмолекулярное шимодействие и хорошо совмещаются полимерами. Часто пластификаторами тужат эфиры, а иногда и полимеры

гибкими молекулами.

Специальные добавки -смазочные ма-;риалы, красители, добавки для умень-епия статических зарядов и горючести, ч я защиты от плесени, ускорители

замедлители отверждения и другие-1ужат для изменения или усиления ка-эго-либо свойства.

Отвердители в количестве нескольких зоцентов добавляют к термореак-1вным пластмассам для отверждения. ри этом между макромолекулами воз-дкают поперечные связи, а молекулы гвердителя встраиваются в общую олекулярную сетку. В качестве от-фдителей используют органические грекиси и другие вещества, серу (в эзинах).

Основой классификации пластмасс 1ужит химический состав полимера.

зависимости от полимера пластмассы

разделяют на фенолоформальдегидные (фенопласты), эпоксидные, полиамид­ные, полиуретановые, стирольные и др.

Применение пластмасс как конструк­ционных материалов экономически це­лесообразно. По сравнению с металла­ми переработка пластмасс менее тру­доемка, число операций в несколько раз меньше и отходов получается немного. Пластмассовые детали, как правило, не нуждаются в отделочных операциях.

Характерными особенностями пласт­масс являются малая плотность (1-2 т/м³), а у пенопластов от 0,015 до 0,8 т/м³; высокая химическая стойкость, хо­рошие электроизоляционные свойства, невысокая теплопроводность [0,2-0,3 Вт/ (м • °С)] и значительное тепловое расширение, в 10-30 раз больше, чем у обычных сталей. Преимущества пласт­масс в сочетании с удобством перера­ботки обеспечили им применение в ма­шиностроении, несмотря на ограничен­ную теплостойкость, малую жесткость и небольшую вязкость по сравнению с металлами.

Механические свойства термопла­стичных пластмасс. Термопластичные пластмассы (термопласты) в отличие от термореактивных нашли более широкое применение и производятся в больших количествах. Значительная часть термо­пластичных полимеров перерабатывает­ся в пленку, волокна и изделия из во­локна, которые трудно или вовсе невоз­можно изготовить из термореактивных -полимеров.

Под нагрузкой полимеры ведут себя как вязкоунругие вещества, а их дефор­мация является суммой трех слагаемых:

упругой деформации, высокоэластичной деформации и деформации вязкого те­чения. Соотношения между составными частями деформации непостоянны и за­висят как от структуры полимера, так и от условий деформирования и темпе­ратуры.

Поведение пластмассы под нагрузкой имеет очень сложный характер. Стан­

дартные испытания на растяжение и удар дают приближенную оценку ме­ханических свойств. Эта оценка спра­ведлива лишь для конкретных условий испытания (определенная скорость на-гружения, температура, состояние образца). При других условиях испыта­ния результаты окажутся другими. Из­менения внешних условий и скоростей деформирования, которые совсем не от­ражаются на механических свойствах металлических сплавов, резко изменяют механические свойства термопла­стичных полимеров и пластмасс. Чув­ствительность механических свойств термопластов к скорости деформирова­ния, времени действия нагрузки, темпе­ратуре, структуре является их типичной особенностью.

Стеклообразные термопласты при растяжении, как правило, сильно вытя­гиваются. При разрыве остаточная де­формация составляет десятки и сотни процентов. Эта деформация называется вынужденной высокоэластичной; она возникает в результате вытягивания скрученных макромолекул под дей­ствием нагрузки. При растяжении мате­риал начинает течь, в образце появляет­ся шейка. Пластическое течение образца на участке тп (рис. 12.14) есть не что иное, как постепенное распространение шейки на весь образец. При разрыве образца вынужденная высокоэластичная

деформация не падает до нуля, так как в стеклообразном состоянии растянутые макромолекулы не могут скручиваться и сохраняют полученную вытяжку. Чем больше молекулярная масса полимера, тем больше общая деформация перед разрывом. Сходная картина наблюдает­ся при растяжении кристаллических по­лимеров. При пластическом течении кристаллического полимера исходная кристаллическая структура заменяется новой, в которой кристаллы имеют дру­гую форму и преимущественно одина­ковую ориентацию. Этот процесс назы­вается рекристаллизацией. Рекристалли­зация состоит из трех последовательных этапов: разрушения кристаллов под действием напряжения; вытягивания молекул по направлению растягиваю­щей силы на участке с разрушенными кристаллами; появления новых кристал­лов между параллельно расположенны­ми макромолекулами. Новые кристаллы закрепляют полученную высокоэластич-ную деформацию, поэтому вытяжка со­храняется после снятия нагрузки. Тер­мопластичные пластмассы с ориентиро­ванной молекулярной структурой при растяжении вдоль направления ориента­ции не обнаруживают пластического те­чения. В этом случае диаграмма растя­жения имеет вид, показанный на рис. 12.14, а удлинение не превышает десятков процентов.

Особенности механических свойств термопластов рассмотрены ниже.

1. Зависимость от температуры. При нагреве уменьшается прочность (рис. 12.15), пластмассы становятся бо­лее вязкими и склонными к ползучести. Вблизи температуры стеклования (или температуры кристаллизации для кри­сталлических термопластов) теряется несущая способность. Полиэтилен, по­листирол, поливинилхлорид при темпе­ратурах ниже 100 °С теряют прочность так сильно, что их нельзя использовать как конструкционные материалы уже и при 50 °С.

При охлаждении ниже 25 °С про­чность растет, но одновременно увели­чиваются хрупкость и чувствительность к надрезам (рис. 12,16).

2. Зависимость от длительности на-гружения. При длительном действии на­грузки уменьшается прочность (рис. 12.17), появляется остаточная де­формация. Эта деформация предста­вляет собой вынужденную высокоэла­стичную деформацию. При статическом нагружении в течение года временное сопротивление понижается вдвое.

3. Зависимость от скорости деформи­рования. При увеличении скорости де­формирования повышается жесткость пластмасс, так как не успевает разви­ваться высокоэластичная деформация,

и возрастает склонность к хрупкому разрушению.

4. Зависимость от структуры. Пласт­массы с ориентированной молекулярной структурой анизотропны. Вытяжка тср-мопластов в 2-4 раза увеличивает их прочность .вдвое. Прочность максималь­на вдоль ориентированных вытянутых молекул, а в поперечном направле­нии-уменьшена. Ориентация моле­кул-одна из причин растрескивания из­делий, особенно под влиянием неко­торых растворителей и других активных сред.

В кристаллических полимерах механи­ческие свойства зависят от степени кри­сталлизации. Чем она больше, тем вы­ше прочность и жесткость. У некоторых полимеров при увеличении степени кри­сталлизации свыше 85% проявляется хрупкость.

Модули упругости термопластичных полимеров и пластмасс в 10-100 раз меньше, чем у металлов и керамики. Наиболее жесткие полистирол и органи­ческое стекло при 25 °С имеют модули упругости соответственно 3,5 • 10³ и 3,3 • 10³ МПа, а наименее жесткий поли­этилен имеет модуль упругости всего 1,8-Ю³ МПа, да и то при -50°С.

Прочность термопластов находится

в пределах 10-100 МПа. Этого вполне достаточно для многих целей, несмотря на то, что допускаемые напряжения не превышают 10 МПа. Термопластичные пластмассы хорошо сопротивляются усталости, а долговечность пластмасс выше, чем у многих сталей и сплавов. Предел выносливости равен 0,2-0,3 вре­менного сопротивления. Однако, когда нагрузка изменяется с частотой выше 20 Гц, пластмассы разрушаются быстро из-за поглощения энергии, разогрева и уменьшения прочности.

Общими недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, не­стабильность свойств из-за старения, ползучесть под действием нагрузки. Чем выше значения 4г и tup, тем лучше оказывается теплостойкость.

Механические свойства термопластов улучшаются при использовании в каче­стве наполнителя 20-30% стеклянного волокна. При этом сохраняется возмож­ность переработки термопластов с ис­пользованием литья под давлением и экструзии. Наполненные пластмассы отличаются высокой стабильностью размеров под действием нагрузки, по­вышенной прочностью, но хуже сопро­тивляются ударам.

Механические свойства термопластов изменяются под влиянием окружающей среды: атмосферного старения под дей­ствием влаги, света и кислорода возду­ха. Условия атмосферного старения ти­пичны для многих изделий из волокон, пленки, а также массивных изделий.

Хорошую стойкость против старения имеет органическое стекло, большин­ство термопластов также достаточно устойчивы, хотя их прочность и умень­шается. Полиэтилен наименее стоек: за два-три года сильно разрушается, осо­бенно на солнечном свету под дей­ствием ультрафиолетовых лучей. Для замедления старения полиэтилена при­меняют особые противостарители. Их используют для сохранения естествен­ного цвета и светопрозрачности мате­риала. Добавки сажи (2-3%) также за-

8*

медляют скорость старения примерно в 30 раз, преобразуя жесткое ультрафио­летовое излучение в неопасное тепло­вое.

Термопласты, как правило, не взаимо­действуют с водой и не изменяют меха­нические свойства под действием влаги. Исключением являются полиамиды, способные поглотить от 3 до 10% Н^О. Для них вода является своеобразным пластификатором, снижающим проч­ность и увеличивающим сопротивление удару (табл. 12.6). Водяной пар (выше 100 °С) разрушает полиамиды, поэтому изделия изготовляют из сухого мате­риала, а затем они в течение нескольких суток поглощают влагу из атмосферы до насыщения. Насыщенное состояние достаточно устойчиво и мало изменяет­ся даже при колебаниях влажности воз­духа.

В своем большинстве термопласты нечувствительны к топливу и сма­зочным материалам и в контакте с ни­ми прочность не снижают.

При выборе термопластов учитывает­ся их горючесть. Как правило, термо­пласты самозатухают после удаления из пламени. При их горении выделяются различные вредные вещества-НС1 и др. Одним из самых огнеопасных полиме­ров является полистирол и, особенно, пористые пластмассы на его основе. В необходимых случаях горючесть пластмасс уменьшают специальными добавками.

Механические свойства термореак­тивных пластмасс. Термореактивные пластмассы (реактопласты) получают на основе эпоксидных, полиэфирных, по-лиуретановых, фен ол оформал ьдегидных и кремнийорганических полимеров. Пластмассы применяют в отвержден-ном виде; они имеют сетчатую структу­ру и поэтому при нагреве не плавятся, устойчивы против старения и не взаи­модействуют с топливом и смазочными материалами. Термореактивные пласт­массы нерастворимы, способны лишь набухать в отдельных растворителях,

водостойки и поглощают не более 0,1-0,5% Н^О.

Все полимеры при отверждении дают усадку; она минимальна у эпоксидных полимеров (0,5-2%) и особенно велика у полиэфиров (~ 10%). Для уменьшения усадки и повышения прочности ис­пользуют наполнители и регулируют условия отверждения. Отвержденйе эпоксидных и полиэфирных пластмасс не связано с выделением побочных ве­ществ, поэтому при изготовлении изде­лий нет надобности в больших давле-ниях. Эти пластмассы пригодны для изделий больших размеров. Если при отверждении выделяются низкомолеку­лярные вещества (например, у фенопла-стов), то изделия получают под давле­нием во избежание образования вред­ной пористости и других дефектов. При переработке фенолоформальдегидных и некоторых других пластмасс необхо­димые давления велики в пределах 10— 100 МПа, поэтому размеры изделий ограничены техническими возможностя­ми прессового оборудования. Все тер­мореактивные полимеры после отвер­ждения имеют низкую ударную вяз­кость и поэтому используются с напол­нителями.

Преимуществом наполненных термо­реактивных пластмасс является боль­шая стабильность механических свойств и относительно малая зависимость от температуры, скорости деформирования и длительности действия нагрузки. Они более надежны, чем термопласты. При испытаниях на растяжение материалы разрушаются без пластическою течения и образования шейки (см. рис. 12.14). Верхняя граница рабочих температур реактопластов определяется термичес­кой устойчивостью полимера или на­полнителя (меньшей из двух). Несмотря