Физико-механические свойства пластических масс

Лекция №10.

Физико-механические свойства пластических масс (пластмасс).

Изделия чисто из одних полимеров практически не встречаются, за исключением тонко-плёночных изделий, упаковочной тары, синтетических нитей. Любая пластмасса состоит из полимера, наполнителя, пластификатора  плюс специальные  добавки: красители, антиоксиданты и т.п.  (Почему тонкие плёнки делают из полимеров без добавок наполнителей?). Например, древесина: полимер-целлюлоза, наполнитель – лигнин, пластификатор – вода. Автомобильные покрышки: полимер-сополимер бутадиена и стирола, наполнитель – сажа, оксид кремния, оксид титана, пластификатор – минеральные масла. Рассмотрим, какова роль каждого из ингредиентов.

Полимер обеспечивает изделиям гибкость, пластичность, эластичность. Надо понимать, что всеми этими свойствами полимеры обладают в температурном диапазоне, где они находятся в некристаллическом (аморфном) состоянии. Если молекулы полимера склонны к упорядоченному расположению, то материал из такого полимера будет твёрдым и хрупким. Склонность к кристаллическому упорядочению нарастает при понижении температуры, поэтому все пластмассы при низких температурах становятся хрупкими. Правда, некоторые каучуки сохраняют гибкость и пластичность до -100 °С. В некоторых случаях  кристаллизация полимера придаёт положительные качества, так например, синтетические нити получаются из полимерных расплавов при вытягивании, при этом удельная прочность нитей в десятки раз превосходит прочность полимерного вещества. Это происходит потому, что в нити молекулы полимера, за счёт внешней силы, приходят в упорядоченное состояние.

Наполнитель. Хорошая адгезия, стойкость к внешним воздействиям, огнестойкость, цвет.

Пластификатор. Обязательное свойство – набухание полимера. Это обеспечивает подвижность фрагментов макромолекул. Более того, как раз пластификатор во многом определяет пластичность и гибкость молекул полимера. Для каждого полимера свой пластификатор.

Армированные пластмассы. Прочность синтетической нити может быть сравнима с прочностью стали, но массивная пластмасса, конечно намного менее прочна, поэтому её желательно армировать сверхпрочными волокнами. Таким образом получают стеклопластики и углепластики.

Даже армирование бетона синтетическими нитями, хоть мы и не смогли добиться равномерного распределения. Композиционные материалы сейчас получают всё большее хождение, объясните из каких соображений выбирается длина нитей и их концентрация?

Роль наночастиц в полимерных композитах. Чем хороша физическая вулканизация? Можно расплавить и снова собрать.

Рекомендуемые материалы

Поликарбонат

Поликарбонат (основной полимер полибисфенол-А-карбоната) один из наиболее удачных заменителей стекла в применении к светопрозрачным конструкциям. Он сочетает в себе высокую прочность, низкий вес, хорошие оптические свойства, широкий (в срав-нении с другими пластиками) температурный диапазон применения (-40°С +120°С), гиб-кость, достаточные (в многостенных панелях) теплоизоляционные свойства, огнестой-кость, долговечность. Поликарбонат обладает высокой химической устойчивостью к большинству неинертных веществ, что дает возможность применять его в агрессивных средах. Однако, поликарбонат по своей природе не устойчив к воздействию ультра-фиолетовых лучей. Материал, не имеющий специальной защиты, в течение нескольких лет станет непригодным для дальнейшей эксплуатации. Для удобства определения слоя с Уф защитой производителями на поверхностную защитную полиэтиленовую пленку наносится маркировка.
По экологическим параметрам поликарбонат не уступает таким материалам, как стекло, а по прочности намного превосходит его. Его свойства мало изменяются с ростом темпера-туры, а критически низкие температуры, ведущие к хрупким разрушениям, находятся за пределами возможных отрицательных температур эксплуатации. По технологии произ-водства делится на сотовый поликарбонат и поликарбонат листовой.

Применение поликарбоната

Основное применение ПК – поликарбонатная пленка для упаковки пищи при повышен-ных температурах. Перспективные области применения - пакеты, стерилизуемые в автоклавах и упаковки для микроволновых печей, упаковка медицинских изделий.

Поликарбонатная пленка

Проницаемость пленки для газа и паров воды высокая, поэтому для улучшения барьерных свойств на ПК пленку наносят покрытие. Выдающимся свойством поликарбонатной пленки является ее размерная стабильность, она совершенно непригодна в качестве усадочной пленки; нагревание пленки до 150°С (т.е. выше точки размягчения) в течение 10 минут дает усадку всего 2%. ПК легко сваривается как импульсным, так и ультразву-ковым способами, а также обычной сваркой горячими электродами. Из поликарбоната формуют разогреваемые подносики с готовыми блюдами (упаковка типа "кипяти-в-упаковке").

 Сотовый поликарбонат. Свойства и характеристики сотового поликарбоната
Сотовый поликарбонат - пластик, который производится из высококачественного поликарбоната методом экструзии, что подразумевает расплавление гранул пластика и выдавливание этой массы через особую форму (фильеру), которая определяет строение и конструкцию листа. Получаются полые листы ячеистой структуры, в которых 2 или более слоев поликарбоната соединены внутренними продольными ребрами жесткости ориентированными в направлении длины листа. Высокая пластичность и прочность самого материала делает возможным получать экструзионным способом листы с очень тонкими стенками (0,3-0,7 мм) без потери ударопрочных характеристик и в то же время с очень малым весом. Воздух, содержащийся в пустотах между слоями листа, обеспечивает его высокие теплоизоляционные свойства, а ребра жесткости - большую конструктивную прочность по отношению к весу. Основные преимущества сотового ПК:

• Сверхвысокая ударная прочность (сотовый поликарбонат при малом весе в 200 раз прочнее стекла и в 8 раз прочнее акриловых пластиков и ПВХ).
• Высокая термостойкость
• Высокая огнестойкость
• Чрезвычайная легкость, малый удельный вес (сотовый поликарбонат весит в 16 раз меньше, чем стекло и в 3 раза меньше, чем акрил аналогичной толщины)
• Высокие теплоизоляционные свойства, низкая теплопроводность
• Высокая светопроницаемость (прозрачность - до 86 %)
• Хорошая шумо- и звукоизоляция
• Высокая химическая устойчивость
• Прочность на изгиб и на разрыв
• Отличная устойчивость к атмосферным воздействиям
• Долговечность, неизменность свойств (гарантийный срок службы изделий из поликарбоната 10-12 лет
• Безопасность остекления ( поликарбонат не разбивается, не даёт трещин, а следовательно, острых осколков при ударе)
• Защита от ультрафиолетового излучения (специальный защитный слой препятствует проникновению наиболее вредных для внутреннего помещения УФ излучений)
• Прекрасные конструкционные возможности, легкость листов позволяет создавать легкие, оригинальные и элегантные конструкции

Монолитный поликарбонат
Светопрозрачный пластик, обладающий теми же преимуществами, что и сотовый поликарбонат, но гораздо более прочный (лист толщиной 12 мм не пробивает пистолетная пуля), однако и более тяжелый и дорогой. Монолитный поликарбонат - идеальный материал для остекления, где требуется сочетание легкости и прочности материала.

Переработка отходов поликарбоната.

Отдельный сегмент современного рынка - рециклинг поликарбоната. Многие компании в России и мире специализируются на покупке поликарбонатных отходов с дальнейшей переработкой и продажей или использованием вторичного поликарбоната. Как правило, для этого применяется технология экструдирования очищенных отходов и последующим дроблением и получением вторичного гранулированного материала пригодного для изготовления изделий. Хотя подобный метод для ПК сопряжен с рядом трудностей.

Полиуретаны

Полиуретановые эластомеры характеризуются высокими значениями прочности и сопротивления раздиру, износостойкостью, устойчивостью к набуханию в различных маслах и растворителях, а также озоно- и радиационностойкостью. Сочетание высокой эластичности с широким диапазоном твердости определяет превосходные эксплуа-тационные свойства изделий на их основе.Особенность полиуретанов - исключительно высокие физико- механические свойства, по некоторым параметрам превосходящие не только все типы резин, каучуков, но и металлы. Полиуретан придает изделиям такие полезные свойства, которые недостижимы для обычных резин. Во-первых, это повышен-ное значение твердости, что позволяет использовать полиуретан для изделий, работающих с особо сильным механическим нагружением, например, для валов холодной прокатки или гибки стали. Во-вторых, непревзойденная износостойкость и абразивная стойкость. Литьевые полиуретаны превосходят резины, пластики и металлы по своей абразивной стойкости в несколько раз. В-третьих, при повышенной твердости полиуретан сохраняет высокую эластичность, предел деформации при разрыве обычно не менее 350%. Это обеспечивает очень высокое значение прочности- до 50 МПа.

В условиях постоянной динамической нагрузки верхним пределом высокой температуры эксплуатации полиуретанов является 120С. Низкие температуры не оказывают особого влияния на свойства полиуретановых эластомеров до -70С.

Полиуретаны обладают высокими диэлектрическими свойствами, имеют отличную стойкость к маслам и растворителям, не склонны к озоновому старению, имеют высокую стойкость к микроорганизмам и плесени.

Литьевая технология формования деталей позволяет получать изделия практически любой формы и размеров, недоступных для формирования резиновых изделий. Высокая стоимость резинотехнических изделий позволяет полиуретанам конкурировать с резиной и в ценовом плане. Серьезный минус полиуретанов (главным образом – ППУ), это – трудности с переработкой отходов полимера.

Применение полиуретанов

ПУ используют в качестве связующих для изготовления древесностружечных плит, полимербетонов, пенопластов, имитирующих древесину, эффективных клеевых составов и покрытий в строительстве и машиностроении, а также клеев и протезов медицинского назначения.

ППУ

Пенополиуретан относится к классу газонаполненных пластмасс или как их еще называют пенопластов.

Любой теплоизоляционный материал на 85-90% состоит из воздуха, поэтому гораздо удобнее и выгоднее изготавливать утеплители на месте строительства, нежели гнать «вагон или фуру с воздухом» из другого конца страны.

Образование пенополиуретана происходит при реакции двух жидких компонентов (двухкомпонентной ПУ смеси): полиола и полиизоционата, в результате образуются микрокапсюли, заполненные воздухом. Из одной тонны сырья, с учетом возможных потерь можно получить 20 кубометров пенополиуретана при плотности 50 кг/м3. Тонна – это четыре 200 литровых бочки. Технологичность, экономическая целесообразность и удобство - очевидны.

Во всем мире готовый пенополиуретан без проблем проходит испытания на токсичность. В России санитарные нормы даже жестче, чем за рубежом, тем не менее в любом регионе нашей страны ЦГСЭН в гигиенических сертификатах указывает «безопасен при применении в качестве теплоизоляционного материала».

Если в компонентах для получения пенополиуретана включены антипирены, то пенопласт горит только там, куда попадает пламя внешнего источника огня, и горит до тех пор, пока это пламя есть. Если убрать факел – пенополиуретан гаснет, не тлеет и не дымит. Если необходимо изолировать трубу, которую затем закопают в землю, то очевидно, что снижение группы по горючести – лишнее. Если же утеплитель укладывается между двух стен жилого дома, следует использовать трудногорючие марки пенополиуретана. Трудно представить самовоспламенение пенополиуретана – для этого стена должна разогреться до сотен градусов, но к этому моменту только пенополиуретан и не сгорит.

Если ингредиенты (изоционат и полиол) смешиваются воздухом, то образуется мелкодисперсная аэрозоль, которая наносится на поверхность. Этот процесс называется НАПЫЛЕНИЕ пенополиуретана.

Если ингредиенты смешиваются без доступа воздуха, то образуется монолитная, ровная струя, которую можно впрыснуть в ограниченную полость. Этот процесс называется ЗАЛИВКА пенополиуретана и в том или ином виде используется во многих отраслях промышленности. ППУ применяется в автомобилестроении и самолетостроении; при производстве мебели; в пищевой индустрии; в трубопроводном транспорте; при упаковке; производстве обуви и спортивного инвентаря, а также при решении многочисленных специфических и узкофункциональных задач.

Напыление пенополиуретана – наиболее перспективный метод создания тепло- и гидро-изоляционных покрытий. Способность пенополиуретана покрывать поверхность сложной формы с хорошей адгезией гарантирует архитекторам возможность проектировать и осуществлять теплоизоляцию различных элементов зданий, имеющих сложные формы: выступы, арки, колонны и т.д.

Пенополиуретан идеально подходит для ремонта поврежденных кровель (с любым углом наклона) старых зданий с недостаточной теплоизоляцией. Как показывает опыт, например, при покрытии кровли методом напыления пенополиуретана, экономия времени по сравнению с традиционными методами, составляет до 80%, а экономия денежных средств – до 50%.

При использовании этой технологии кровля сначала покрывается слоем в 40-50мм теплоизоляционного пенополиуретанового покрытия плотностью 60-80 кг/м3, а затем, защитным и гидроизоляционным слоем пенополиуретана повышенной плотности. Толщина защитного слоя выбирается в диапазоне от 10 до 3 мм (в зависимости от плотности материала: от 120 до 600 кг/м3).

Пенополиуретан прекрасно подходит для теплоизоляции труб, теплотрасс. Нанесенная таким образом изоляция позволяет создать монолитное, полностью гидроизолирующее покрытие трубы. Дополнительной защиты не требуется – только покраска для защиты от прямых солнечных лучей.

Благодаря технологическим свойствам пенополиуретан идеально подходит для утепления чердаков, внутренней стороны крыш (прекрасно ложится даже на потолочную поверхность), а также на вертикальных строительных элементах, таких как стены и фасады. Кроме того, пенополиуретан – идеальное средство изоляции пола, фундамента, подвала - не гниет и не разлагается.

Долговечность пенополиуретана оценивается в 25-30 лет, но и это не предел. В Германии, США, Швеции, Японии специалисты разбирают конструкции стен, крыш, фундаментов, срезают с труб образцы пенополиуретана, залитого в 70-ых годах прошлого века и корректно формулируют – «свойства не изменились». Нет химических причин для разрушения правильно сделанного пенополиуретана. Более 90% ячеек пенополиуретана замкнуты, то есть представляют собой пластиковые капсюли, заполненные углекислым газом.

По теплопроводности пенополиуретан конкурентов не имеет. Отечественные ППУ массового применения устойчиво держат коэффициент теплопроводности 0,028 Вт/м*град и имеют тенденции в ближайшие годы снизится до 0,02 Вт/м*градС. Ближайший по качеству (но уступающий по технологичности) экструдированный пенополистирол имеет коэффициент теплопроводности 0,03 Вт/м*град и снижения его не предвидится.

В отличие от большинства теплоизоляционных материалов теплопроводность пенополиуретана от влажности среды не зависит (чего не скажешь, например, о других утеплителях), хранение под дождем и снегом - нормальное.

Чтобы рассчитать сравнительную теплозащитную эффективность различных строительных материалов достаточно поделить их. Например, для пенополистирола и пенополиуретана это 0,04/0,028=1,43, т.е. 10 см пенополиуретана по теплоизоляционным характеристика эквиваленты 14,3 см сухого пенополистирола.

• При отсутствии механических повреждений срок службы не менее 25 лет;
• Применение в широком диапазоне температур (от -2500С до +1800С);
• Коэффициент теплопроводности (0,023 - 0,032) Вт/мК;
• Материал биологически нейтрален, устойчив к микроорганизмам, плесени, гниению;
• Относится к группе трудносгораемых материалов, самостоятельного горения не поддерживает;
• Водопоглощение материала с поверхностной пленкой при влажности 98 % за 24 часа - 0,04% или 2г/м2.

Фторопласты

Уникальные свойства фторсодержащих полимеризационных пластмасс выдвинули их в число ведущих полимерных материалов. Производство и потребление фторсодержащих полимеров и изделий на их основе постоянно расширяются в связи с возрастанием потребности в этих материалах различных отраслей народного хозяйства.
Класс фторопластов включает самые разнообразные по свойствам продукты: жесткие пластики, эластомеры и эласто-пласты; нерастворимые и ненабухающие полимеры и полимеры, легко растворяющиеся в обычных растворителях; полимеры, выдерживающие длительное радиационное облучение; волокна с прочностью, превосходящей прочность высоколегированной стали; коррозионностойкие покрытия, малопроницаемые для влаги и других коррозионных сред, стойкие к атмосферным воздействиям; пленки с уникальными диэлектрическими свойствами и пленки, выдерживающие температуру жидкого водорода; каучуки, способные работать в особо жестких условиях.
Важнейшими полезными свойствами фторопластов, определяющими основные области их применения, являются очень высокая химическая стойкость, теплостойкость, морозостойкость. Фторопласты имеют низкий коэффициент трения, очень низкое водопоглощение и высокие диэлектрические характеристики в широком интервале частот.
К недостаткам фторопластов можно отнести малую прочность по сравнению с термопластами инженерно-технического назначения, высокую ползучесть и очень высокую цену (исключением является ECTFE).
В настоящее время мировая промышленность выпускает следующие типы литьевых фторопластов:
ECTFE, PE-CTFE, E-CTFE, E/CTFE (Фторопласт-30).Кристаллизующийся материал.
Тпл = 240° С.

ETFE, E/TFE (Фторопласт-40) Кристаллизующийся материал.
Тпл = 225-280 ^оС.

FEP (Фторопласт-4МБ) Кристаллизующийся материал.
Тпл = 259-280 ^оС.

PFA (Фторопласт-50 ) Кристаллизующийся материал.
Тпл = 300 - 315 ^оС. Тс = 90 ^оС.

Вместе с этой лекцией читают "16. Вязкость нефтей и нефтепродуктов".

PVDF (Фторопласт-2М) Кристаллизующийся материал.
Тпл = 135-180 ^оС. Тс = -42 -25 ^оС.

THV (Тройной сополимер тетрафторэтилена, гексафторпропилена и винилиденфторида)

Кристаллизующийся материал.
Тпл = 120-185 ^оС.

Литература

1. Саундерс Д., Фриш К. Химия полиуретанов: Пер. с англ. М.: Химия, 1968. 470 с.
2. Композиционные материалы на основе полиуретанов: Пер. с англ. / Под ред.
Дж.М. Бюиста. М.: Химия, 1982. 240 с.
3. Керча Ю.Ю. Физическая химия полиуретанов. Киев: Наук. думка, 1979. 224 c.
4. Райт П., Камминг А. Полиуретановые эластомеры: Пер. с англ. Л.: Химия, 1973.
304 с.
5. Материалы сайта www.poliuretan.ru

6. Задоркин Р.А. Полиуретан и его свойства.