пластмассы 2010 (Что-то вроде лекций или метод)

29

)

РОДИОНОВ Е.М.

Конспект лекций по курсу

«ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ»

Раздел – Технологические основы конструирования деталей, изготавливаемых из пластмасс

Редакция 2010 года

Изготовление пластмассовых деталей (заготовок

Пластмассы – это искусственные материалы, полученные на основе органических полимерных связующих веществ.

Полимерами (высокомолекулярными соединениями) называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1000000. При таких больших размерах макромолекул свойства вещества определяются не только химическими составами этих молекул, но и их взаимным расположением и строением. Молекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Поперечное сечение цепочки несколько ангстрем, а длина несколько тысяч ангстрем, поэтому макромолекулам полимеров свойственны гибкость. Молекулы полимеров характеризуются прочными связями в самих макромолекулах (это связь химическая) и относительно слабыми (в 10 – 50 раз меньше) между ними.

Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: в стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем (см. Рис.1).

Рис.1 Термомеханическая кривая а) термопласта, б) реактопласта см.стр.1 рукописи

I – Стеклообразное состояние – твердое аморфное (атомы, входящие в состав молекулярной цепи, совершают колебательное движение около положения равновесия; движения звеньев и перемещение макромолекул не происходит).

II – Высокоэластическое состояние – материал способен к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках (колеблются звенья, и макромолекула приобретает способность изгибаться).

III – Вязкотекучее состояние напоминает жидкость, но отличается от нее очень большой вязкостью (подвижна вся макромолекула).

Процесс технологической переработки полимеров происходит в области вязкотекучего состояния.

В зависимости от числа компонентов все пластмассы подразделяют на простые и композиционные. Простые (полиэтилен, полистирол и др.) состоят из одного компонента – синтетической смолы; композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) – из нескольких составляющих, каждая из которых выполняет определенную фукциональную роль. В композиционных пластмассах смола является связующим для других составляющих. Свойства связующего во многом обуславливают физико-механические и технологические свойства пластмассы. Содержание связующего в пластмассах достигает 30 – 70 %.

Помимо связующих в состав композиционных пластмасс входят следующие составляющие:

1) наполнители различного происхождения, которые вводят для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости композиции; органические наполнители – древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, хлопчатобумажная ткань, бумага, древесный шпон и др.; неорганические – графит, асбест, кварц, стекловолокно, стеклоткань и др.

2) пластификаторы (дибутилфталат, касторовое масло и др.), которые увеличивают эластичность, текучесть, гибкость и уменьшают хрупкость пластмасс;

3) смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кислота и др.), которые увеличивают текучесть, уменьшают трение между частицами композиции, устраняют прилипание к прессформам;

4) катализаторы (известь, магнезия и др.), ускоряющие отвердение пластмасс;

5) Красители (сурик, мумия, нигрозин и др.), придающие пластмассам нужный цвет.

В зависимости от поведения полимера в процессе нагревания пластмассы делят на два типа: термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопласты и их механические свойства

Термопласты при нагревании (см. Рис.1а) 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 или разветвленной структуры. 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-за Cl, 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, при m = 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, что хорошо видно на термомеханической кривой (см. Рис.1б).

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 тзделие, 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%, где l и lo – размеры детали при температуре прессования (145 – 180°С) и комнатной температуре соответственно.

Усадку необходимо учитывать при конструировании детали и оснастки для ее изготовления.