Понятие о пластмассах и их классификация

В условиях ускорения научно-технического прогрес­са, обновления производства, внедрения прогрессивных ресурсосберегающих видов техники и технологии, эко­номии общественного труда во всех отраслях народного хозяйства большое и все возрастающее значение приоб­рел относительно новый класс конструкционных мате­риалов — пластические массы (пластмассы), В 1990 г. их выпуск составит 6,8—7,1 млн. т против 5,2 млн. т в 1985 г.

В настоящее время производство пластмасс достигло наибольших масштабов по сравнению с другими поли­мерными материалами. Так, в двенадцатой пятилетке производство новейших их видов увеличится в 5 раз.

Пластмассы представляют собой твердые полимер­ные материалы, которые вследствие своей пластичности способны под воздействием тепла и давления принимать и устойчиво сохранять придаваемую им форму. По свое­му составу они представляют собой композиционные ма­териалы, основу которых составляют высокомолекуляр­ные соединения (30—60%) и, кроме того, наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, смазывающие вещест­ва, катализаторы, антистатики, антипирены, красители и газообразователи.

Наполнители (40—70 %) вводятся для повышения механической прочности, теплостойкости, улучшения электроизоляционных, фрикционных и антифрикционных свойств, уменьшения усадки и снижения стоимости пластмасс. В качестве наполнителей используются ор­ганические вещества (древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, хлопчатобумажная ткань, бумага, древес­ный шпон) и неорганические (асбест, графит, слюда, кварц, стеклоткань, стекловолокно).

Пластификаторы (дибутилфталат, трикрезолфосфат и др.) предназначены для увеличения текучести, элас­тичности, гибкости и морозостойкости пластмасс, умень­шения их хрупкости.

Стабилизаторы (ароматические амины, фенолы, га­зовая сажа) представляют собой соединения, повышаю­щие стойкость пластмасс против старения.

Смазывающие вещества снижают вязкость компози­ций и предотвращают прилипание пластмасс к обору­дованию в процессах изготовления изделий.

Катализаторы (отвердители) — вещества, ускоряю­щие процесс отверждения пластмасс.

Антистатики уменьшают их электризацию в процес­сах переработки и использования, антипирены понижа­ют горючесть.

Красители применяют для производства цветных пластмасс, а газообразователи представляют собой ве­щества, которые при нагревании переходят в газообраз­ное состояние и используются для получения вспененных (газонаполненных) пластмасс.

Классификация пластмасспредполагает их деление по нескольким признакам.

В зависимости от химической природы полимеров пластмассы подразделяются на четыре класса:

А — пластмассы на основе высокомолекулярных сое­динений, получаемых цепной полимеризацией (поли­этилен, полипропилен, винипласт, поливинилхлорид, фто­ропласты, полистирол и др.);

Б — пластмассы на основе высокомолекулярных сое­динений, получаемых поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией (фенопласты, аминопласты, полиамиды и др.);

В — пластмассы на основе химически модифициро­ванных природных полимеров (целлулоид, этролы);

Г — пластмассы на основе асфальтов (битумопла­сты).

В зависимости от пластической деформации при на­греве различают пластмассы термопластичные и термо­реактивные, по диэлектрическим свойствам — неполяр­ные (нейтральные) и полярные (электропроводящие), по физико-механическим свойствам при обычной температуре — жесткие, полужесткие, мягкие и эластичные, по виду наполнителя — с порошковым, волокнистым, ли­стовым, газовоздушным наполнителями или без них.

По назначению пластмассы подразделяются на сило­вые, ударопрочные, антифрикционные и фрикционные, термо-, радиационно-, тропико-, вибро-, тепло-, звуко- и влагохимостойкие, электроизоляционные, прокладочно-уплотнительные, светотехнические, оптические (прозрач­ные) и декоративные.

Силовые пластмассы предназначены для изготовле­ния деталей, несущих силовые нагрузки, ударопроч­ные — устойчивых к ударным нагрузкам, антифрикцион­ные (обладают малым коэффициентом трения) — дета­лей скольжения, фрикционные (обладают большим коэффициентом трения) — деталей трения.

Для изготовления изделий, работающих в контакте с влагой и химическими соединениями, применяют вла­гохимостойкие пластмассы, в условиях ионизирующего облучения, повышенных температур и влажного возду­ха, вибрации — соответственно радиационно-, тропико-и вибростойкие пластмассы.

Электроизоляционные пластмассы используются для изоляции арматуры токопроводящих частей электрообо­рудования и проводов, прокладочно-уплотнительные — для обеспечения герметичности подвижных и неподвиж­ных соединений узлов, тепло- и звукоизоляционные — для изоляции оборудования и строительных конструк­ций от воздействия перепадов температур и шума.

Кроме того, различают сырьевые и поделочные пласт­массы. Сырьевые пластмассы выпускаются в виде гра­нул, крошки, пресс-порошков, волокнитов, масс для литья, а поделочные — в виде листов, пластин, блоков, пленок и заготовок,

Сырьевые пластмассы

Сырьевыми называют пластмассы, предназначенные для изготовления различных изделий методами прессо­вания, литья или экструзии.

Прессованием (горячим или литьевым) изготавлива­ют детали из термореактивных полимерных пресс-мате­риалов. Технологический процесс осуществляется в стальных пресс-формах на гидравлических прессах в ус­ловиях высоких давления и температуру,

Литье под давлением используется дли изготовления деталей из термопластичных материалов и осуществля­ется в специальных литьевых машинах.

Метод экструзии представляет собой непрерывное выдавливание термопластичных полимерных материалов на специальных прессах-экструдерах с целью получения труб, различных профилей и пленок.

К основным видам сырьевых пластмасс относятся полиолефины (полиэтилен, полипропилен, сополимеры этилена с пропиленом или бутиленом), поливинилхлорид, полистирол, фенопласты, аминопласты, фторопла­сты, кремнийорганические и эпоксидные прессовочные материалы, полиамиды и т. д.

Полиолефины — продукты, получаемые полимериза­цией этилена, пропилена, изобутилена и других непре­дельных углеводородов. Они отличаются небольшой плотностью (не более 970 кг/м³), хорошей окрашивае­мостью, химической стойкостью, не имеют вкуса, запаха и безвредны для организма, обладают высокими диэ­лектрическими свойствами, которые особенно ценны для высокочастотной техники, легко перерабатывают­ся всеми известными современной технике спосо­бами.

Основной вид пластмасс этой группы — полиэтилен. Он обладает низким водопоглощением, высокой химиче­ской стойкостью, в том числе к концентрированным кис­лотам, щелочам и растворителям (кроме толуола, кси­лола, бензола и других ароматических углеводородов при температуре свыше 80°C), эластичностью, стой­костью к растрескиванию, морозостойкостью, не ток­сичен.

В зависимости от условий полимеризации полиэтилен выпускается двух видов — высокого давления (ПЭВД) и низкого давления (ПЭНД).

ПЭВД (ГОСТ 16337—77E), называемый также поли­этиленом низкой плотности (917—926 кг/м³), получают при температуре 180°C и давлении до 150 МПа, ПЭНД (ГОСТ 16338—85E) или полиэтилен высокой плотно­сти — при температуре ниже 80°C и давлении в не­сколько десятых МПа В отличие от ПЭВД он обладает большей механической прочностью и жесткостью.

Сырьевой полиэтилен представляет собой гранулы белого цвета, выпускается в виде базовых марок и ком­позиций.

Обозначение базовых марок полиэтилена состоит из наименования «Полиэтилен» и восьми цифр, где пер­вая — условия процесса полимеризации (давление, тем­пература, оборудование, характеристика катализатора, инициаторов и др.), две следующие — порядковый но­мер базовой марки, четвертая — степень гомогенизации (однородности), пятая — условная группа плотности, последние три (пишутся через дефис) — десятикратное значение индекса расплава (показателя текучести). По­сле обозначения марки указывается сорт и номер стан­дарта.

В обозначении композиций первые три цифры анало­гичны базовым маркам. Далее (через дефис) указыва­ется номер рецептуры добавок, сорт и номер стандарта. После первых пяти цифр может проставляться буква, обозначающая область применения композиций.

Базовые марки полиэтилена и его композиции при­меняются для изготовления различных видов пленки (упаковочной, для покрытия парников и теплиц, фоторазрушаемой), материалов, эквивалентных костной и мягкой биологической ткани, создания защитных, экра­низирующих и электроизоляционных покрытий проводов и кабелей, производства полых изделий вместимостью до 200 л, листов, моноволокон, труб, шлангов, деталей высокочастотной аппаратуры и др.

Полипропилен обладает теми же положительными качествами, что и полиэтилен, а по термостойкости (из­делия из него сохраняют неизменный внешний вид и форму до 150°C и могут эксплуатироваться при 100— 120°C), по пределу прочности при растяжении и удель­ной ударной вязкости превосходят последний.

Полипропилен выпускается в виде базовых марок и композиций, условное обозначение которых состоит из буквы Π (полипропилен) и дроби, где числитель — плотность, знаменатель — значение индекса расплава.

Базовые марки полипропилена используются для из­готовления труб, пленок, аккумуляторных баков, элек­троизоляционных покрытий, точных деталей машин (благодаря малой усадке), предметов домашнего оби­хода, волокон, а композиции (элпон, мопрон и силпон) — для изготовления деталей технического и радиотехниче­ского назначения, работающих в интервале темпера­тур —60...+110°C.

Поливинилхлорид— материал, обладающий высокой механической прочностью и небольшим относительным удлинением при растяжении. Растворим в дихлорэтане, циклогексане, диоксане, набухает в ацетоне, бензоле, нерастворим в воде, спирте и бензине. Под действием света и тепла разлагается с выделением хлористого во­дорода, ускоряющего процесс дегидрохлорирования.

В качестве основной характеристики поливинилхлорида применяется константа Фикентчера (средний мо­лекулярный вес), по значению которой различают его марки.

Поливинилхлорид базовых марок выпускается эмуль­сионный (ПВХ-Е) и суспензионный (ПВХ-С) высшего, первого и второго сортов.

Эмульсионный поливинилхлорид выпускается марок ПВХ-Е74П, ПВХ-Е70, ПВХ-Е70П, ПВХ-Е58, ПВХ-Е54, где цифра — константа Фикентчера, Π — для изготов­ления паст.

Суспензионный поливинилхлорид выпускается марок ПВХ-С74, ПВХ-С70, ПВХ-С70Т, ПВХ-С63М, ПВХ-С63Ж, ПВХ-С58, ПВХ-С63СС, ПВХ-С70СС, где Т —термоста­билизированный, M — мягкий, Ж — жесткий, CC — су­хие смеси.

Крупнейший потребитель поливинилхлорида и компо­зиций на его основе (пластикатов) — кабельная промыш­ленность. Его применение позволяет экономить свинец, каучук, бумагу, натуральный шелк. Кроме того, кабель­ные конструкции из поливинилхлорида в 1,5—2 раза легче традиционных, более стойки к высоким темпера­турам и различным агрессивным средам.

Пластикаты поливинилхлорида используются также для изготовления водо-, бензо- и антифризостойких тру­бок (ПВ-1, ПБ-1, ПБ-2, ПА-1), шлангов (Ш-62-0), фу­теровки гальванических ванн (ПХ-1, ПХ-2), медицинских трубок (Т-35, ПМ-1/42, ПМ-2/42), различных изделий литьем под давлением и экструзией (B-60M, В-70М, В-80М, В-90М, В-90М-1), изоляционных трубок (Э-40-1, Т-50), листовых материалов (линолеума, плитки для по­ла, моющихся обоев), приборов, аппаратуры, емкостей для бензина, машинного масла, скипидара, растворите­лей, товаров бытовой химии, а также в качестве прокладочно-уплотнительного, антивибрационного, атмосферо- и химически стойкого материала

Полистирол — бесцветное твердое стеклоподобное ве­щество, пропускающее до 90 % лучей видимого спектра.

Его плотность — 1050 кг/м³. При температуре 80—125°C представляет собой каучукоподобный материал, а при более высоких температурах разлагается с образовани­ем стирола и некоторых других продуктов. Стоек к ще­лочам, кислотам, трансформаторному маслу, глицерину. Исключение составляет 65 %-я азотная и ледяная ук­сусная кислоты, бензин и керосин, ib которых изделия из полистирола набухают и несколько изменяют свой внешний вид. Полистирол растворим в ароматических и хлорированных углеводородах, сложных эфирах, кето­нах, сероуглероде.

По объему производства полистирол занимает третье место (после полиолефинов и поливинилхлорида).

По методам получения различают полистирол су­спензионный (ПСС), механический (ПСМ) и вспениваю­щийся (ПСВ). Он применяется для изготовления дета­лей электро- и радиотехнического назначения ПСМ-115, ПСМ-118, ПСС-550), тонкостенных изделий (ПСМ-118, ПСС-500), изделий бытового назначения (ПСС-501, ПCM-111), пленок, нитей и листов (ПСМ-151, ПСС-550), деталей, к которым предъявляются требования повы­шенной теплостойкости (ПСС-520), тепло- и звукоизоля­ционных плит, плавучих средств, декоративных изделий (ПСВ-С, ПСВ-74Р, ПСВ-74S, ПСВ-77Р, ПСВ-С76Х). В обозначении марок ПСВ первая цифра — средняя ве­личина частиц полимера, вторая — содержание поро­образователя, а буквы указывают тип поверхностной обработки (P — фосфатами, S — производными стеари­новой кислоты, С — амидными производными стеари­новой кислоты, X — обладают свойствами самозату­хания).

Обычно полистирол хрупок, у него малая стойкость к ударным нагрузкам. В связи с этим развивается про­изводство ударопрочного полистирола, все марки кото­рого в своем составе имеют каучук. С повышением его содержания увеличивается ударная вязкость и эластич­ность полистирола.

Ударопрочный полистирол применяется для произ­водства изделий бытового назначения (УПМ-325), де­талей радиотехнической и приборостроительной про­мышленности (УПМ-225, УПМ-523), холодильников (УПМ-424) листов (УПС-825Е), корпусов телевизоров и медицинских приборов (УПС-825Т), профилей (УПС-3716), тонкостенных изделий (УПК-625).

В обозначении марок: У — ударопрочный, Π — поли­стирол, M — полученный в результате механического смешивания, С — суспензионный, К— компаундирован­ный, цифры — ударная вязкость, кг/см², (первая) и де­сятые доли остаточного мономера. Буквы, следующие после цифр, обозначают метод переработки.

Фенопласты — термореактивные, негорючие, термо-, атмосферо- и кислотостойкие полимерные материалы, довольно быстро разрушаемые щелочами. Отличаются повышенным коэффициентом трения и высокой стабиль­ностью свойств.

Фенопласты получают из фенол альдегидных смол, которые в зависимости от способа производства подраз­деляются на резольные и новолачные. Сырьевые фено­пласты изготавливаются в виде неслеживающихся по­рошков или волокнистых масс

Порошковые фенопласты (массы прессовочные фе­нольные) выпускаются типов О — общего назначения, СП — специальные безаммиачные, Э — электроизоляцион­ные, У — ударопрочные, ВЧ — высокочастотные, ВЛ — влагостойкие, Ж - жаростойкие, BX — влагохимостойкие, Φ — фрикционные и МДП — магнитодиэлектрические.

Условное обозначение порошковых фенопластов включает название «фенопласт» и обозначение его типа, группы и марки. Например: фенопласт 04-010-12, где 04 — общего назначения высокой водостойкости (тип); 010-12 — на основе новолачной смолы с органическим наполнителем (группа и марка).

Для увеличения ударной прочности изделий выпус­каются фенопласты-волокниты, в том числе натуральные (на основе хлопкового волокна), углепресс-волокниты конструкционные (на основе рубленого высокомодульного углеродного волокна), пресс-порошки PCT (с до­бавками стекловолокна), углепластики теплостойкие П-5-13 (на основе углеродной ткани) и др. Фенопласты используются для изготовления электроизоляционных и других деталей и изделий, в том числе не вызывающих коррозии и обладающих пламягасящими свойствами.

Аминопласты (мочевино- и меламиноформальдегидные пластмассы) представляют собой полимерные мате­риалы, изготавливаемые на основе аминоальдегидных, карбамидных и меламиноформальдегидных смол. Они обладают относительно высокой теплостойкостью (до 90°C), хорошими электроизоляционными свойствами, светостойкостью, не токсичны, хорошо окрашиваются, не имеют запаха, однако отличаются повышенной растрескиваемостью и водопоглощением. Сырьевые аминопласты изготавливаются в виде порошков, крошки, волокнитов и др.

В зависимости от назначения и свойств аминопласты выпускаются следующих типов:

МФА— для изготовления просвечивающихся изделий технического и бытового назначения, не соприкасающих­ся с пищевыми продуктами;

МФБ — для изготовления изделий электротехниче­ского назначения, в том числе класса В (с повышенными электроизоляционными свойствами), Г (с улучшенными технологическими свойствами), Д (с повышенной тепло-и дугостойкостью), E (с повышенной механической проч­ностью, тепло- и дугостойкостью);

КБ — для изготовления изделий бытового электро­технического назначения, в радиопромышленности, приборостроении;

МБ — для изготовления изделий, соприкасающихся с пищевыми продуктами.

Фторопласты— фторосодержащие полимеры, произ­водные этилена. Они обладают уникальными свойства­ми, а по таким важнейшим показателям, как химическая и термическая стойкость (интервал рабочих температур от —250 до +250°C), диэлектрические и антифрикцион­ные свойства (коэффициент трения ib 7 раз ниже, чем у полированной стали), значительно превосходят многие известные полимерные материалы. Фторопласты — са­мые тяжелые полимерные материалы. Их плотность до­стигает 2200 кг/м³.

Сырьевые фторопласты выпускаются в виде порошка в основном белого цвета и применяются для создания химически стойкого покрытия, изоляции, изготовления труб и пленок (фторопласт 50), изоляции радиочастот­ных коаксиальных кабелей (Ф-4МБ-2 и Ф-4МБ), полу­чения материалов с ионообменными свойствами (Ф-4СФ-П, Ф-4СФГ), деталей антифрикционного назна­чения (Ф-4Г10, Ф-4Г15, Ф-4Г10А, Ф-4Г15А, Ф-4НВ5, Ф-4КС2), получения масел и смазок (фторопласт 3) и др.

Кремнийорганические прессовочные материалыпред­ставляют собой композиции на основе кремнийорганических смол или их модификаций, обладающие повышенными электроизоляционными показателями, высокой те­кучестью, температуро- и дугостойкостью, работоспособ­ностью в большом интервале температур (—60... +300°C; кратковременно — до 400°C).

Они используются для пропитки узлов и деталей электрических машин и приборов (компаунд на основе смолы Т-404), герметизации дросселей и трансформато­ров (ТВК-200), заливки катушек и трансформаторов (ТКЗ-2 и ТКЗ-13), пропитки моточных изделий (ТКП-2 и ТКП-13) и др.

Полиамиды — твердые термопластичные смолы, об­ладающие высокой поверхностной твердостью, прочно­стью на разрыв, значительной прочностью на статиче­ский и ударный изгибы. Они устойчивы к действию углеводородов, жиров, масел, щелочей, растворимы в фенолах, уксусной муравьиной и минеральной кислотах, имеют удовлетворительные диэлектрические свойства, хорошо сопротивляются износу, обладают низким коэф­фициентом трения. Они негорючи, плавятся в узком ин­тервале температур.

Полиамиды применяют для изготовления деталей антифрикционного и конструкционного назначения (по­лиамид 6 наполненный графитом, полиамид 12 стекло­наполненный и др.), пленок, покрытий, клеев, волокон и труб.

Кроме названных в качестве сырьевых пластмасс ис­пользуются эпоксидные, полиуретановые, поликарбонат­ные и полиамидные полимерные материалы.

Эпоксидные смолы и компаунды (композиционные материалы) применяются для производства стеклопла­стиков, клеев, заливочных, пропиточных, электроизоля­ционных и герметизирующих материалов, изготовления технологической оснастки.

Полиуретановые компаунды благодаря низкой исти­раемости, хорошей адгезии к металлам, древесине, бе­тону и асфальту используются для создания синтетиче­ских покрытий, матриц при формовании рельефных же­лезобетонных изделий, расшивки швов, а также заливки, пропитки и герметизации изделий в радио- и электро­технике.

Полимеры и композиционные материалы на основе поликарбонатов применяются для изготовления изделий и деталей конструкционного назначения, листов (дифлон 1), оптических линз и деталей приборов (дифлон 2), тонкостенных изделий сложной конфигурации (дифлон 3) и др.