ГЛАВА 5. ПЛАСТМАССЫ

5.1. Основные виды, свойства и применение

Пластмассами называют материалы, получаемые на основе природных или синтетических полимеров, которые на определенной стадии производства или переработки обладают высокой пла­стичностью.

Пластмассы широко применяются практически во всех отраслях народного хозяйства, что обусловлено наличием у различных видов пластмасс широкого спектра полезных свойств.

Пластмассы получаются синтезом (соединением) молекул простых органических и неоргани­ческих веществ (мономеров) с получением больших макромолекул - полимеров ("поли"- много).

В зависимости от поведения при нагревании пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные.

Пластмассы, свойства и строение которых после нагревания и последующего охлаждения не изменяются, называются термопластичными - каждый раз при нагревании они размягчаются, а при охлаждении затвердевают, не изменяя своих свойств, поэтому могут перерабатываться много­кратно. Полимеры, которые при нагревании или охлаждении необратимо изменяют структуру, теряя способность плавиться и растворяться, называются термореактивными. Эти полимеры могут об­рабатываться однократно.

Для придания пластмассе различных полезных свойств в ее состав вводят наполнители, пластификаторы и различные добавки.

Наполнителями служат органические или неорганические вещества в виде порошков (дре­весной или кварцевой муки, графита), волокон (бумажных, хлопчатобумажных, асбестовых, стеклян­ных) или листов (ткани, слюды, древесного шпона). Наполнители повышают прочность, теплостой­кость, износостойкость и другие свойства пластмасс.

Пластификаторами называют вещества, вводимые в состав пластмасс с целью повыше­ния их пластичности и эластичности.

158

К добавкам откосятся вещества, замедляющие разрушение пластмасс при воздействии теп­ла, света и других факторов. Для изменения цвета пластмассы в нее добавляют красители.

По происхождению пластмассы делятся на природные и синтетические. К природным поли­мерам относятся материалы, созданные на основе целлюлозы (продукта переработки древесины и хлопка) - целлофан, целлулоид, ацетатное волокно, нитролаки, кинопленка и др.

Экономически наиболее эффективными являются синтетические пластмассы, получаемые поли­меризацией или поликонденсацией.

Полимеризацией называется процесс образования высокомолекулярных соединений - по­лимеров, при котором макромолекулы образуются путем последовательного соединения молекул низкомолекулярного вещества - мономера, при этом не происходит образование каких-либо по­бочных продуктов.

Поликонденсацией называется процесс образования высокомолекулярных соединений не менее чем из двух мономеров, проходящий с выделением низкомолекулярных продуктов (низкомоле­кулярных веществ - воды, спирта и т. д.).

Широкое применение пластмасс определяется их ценными физическими и химическими свойствами. Для органических полимеров и пластмасс на их основе характерна низкая плотность, что определяет их широкое использование в авиа-, авто-, ракето- и судостроении.

Многие пластмассы отличаются высокой химической стойкостью. Они не подвержены элек­трохимической коррозии, на них не действуют слабые кислоты и щелочи. Некоторые из пластмасс (фторопласты, поливинилхлориды, полиолефины и др.) находят применение в химическом машино­строении, в ракетостроении, служат для защиты металлов от коррозии. Большинство пластмасс без­вредно в санитарном отношении.

Пластмассы обладают высокими диэлектрическими свойствами и широко применяются в электро-, радиотехнике и радиоэлектронике.

Пластмассы имеют низкую теплопроводность (в 70-220 раз ниже теплопроводности стали), что позволяет их использовать в качестве теплоизоляторов.

159

Механические свойства пластмасс находятся в широком диапазоне. В зависимости от вида они могут быть твердыми и прочными или же гибкими и упругими. Ряд видов пластмасс по механиче­ской прочности превосходит чугун и бронзу.

Многие пластмассы обладают высокой морозостойкостью и теплостойкостью (например, фторопласт может применяться при температурах от -269 до +260°С).

Хорошие антифрикционные свойства одних видов пластмасс позволяют применять их для изготовления подшипников скольжения, высокий коэффициент трения других видов позволяет их ис­пользовать для изготовления деталей тормозящих устройств.

Пластмассы обладают хорошей восприимчивостью к окрашиванию. Некоторые пластмассы могут быть изготовлены прозрачными, не уступающими по своим оптическим свойствам стеклу. При этом пластмассы, в отличие от стекла, пропускают ультрафиолетовые лучи.

Пластмассы обладают хорошими технологическими свойствами - при обработке хорошо льются, прессуются, обрабатываются резанием. Изделия из пластмасс изготавливают способами безотходной технологии (без снятия стружки) - литьем, прессованием, формованием с применением невысоких давлений в вакууме.

Недостатком пластмасс являются: малая прочность, жесткость и твердость, большая ползу­честь, особенно у термопластов, низкая теплостойкость (для большинства пластмасс температура составляет от -60° до +200°), старение, плохая теплопроводность. Однако положительные свойства пластмасс несравнимо выше их недостатков, поэтому их применение очень высокое и непрерывно растет. Рассмотрим наиболее часто применяемые виды пластмасс.

5.2. Основные виды термопластичных пластмасс, их свойства и применение

Из полимеризационных пластмасс наиболее широко используются: полиэтилен, полипро­пилен, полистирол, винипласт, фторопласт и полиакрилат.

160

Полиэтилен. Полиэтилен является продуктом полимеризации этилена. Его получают при крекинге нефти, из коксового газа, из этилового спирта.

Полиэтилен выпускается в виде пленок толщиной 0,03-0,3 мм, шириной 1400 мм и длиной до 300 м, а также в виде листов толщиной 1-6 мм и шириной до 1400 мм. Полиэтилен обладает исклю­чительно высокими диэлектрическими свойствами, поэтому находит широкое применение при изго­товлении кабельной изоляции, деталей для радиоаппаратуры, телевизионных и телеграфных уста­новок. Вследствие водонепроницаемости и химической стойкости (при температурах до 60°С он стоек против соляной, серной, азотной кислот, растворов щелочей и многих органических растворителей) полиэтилен применяют для изготовления деталей химической аппаратуры, нефте- и газопроводов, цистерн, им выстилают каналы оросительных сетей. Полиэтилен нетоксичен, поэтому из него изго­тавливают пленку для хранения пищевых продуктов, применяют для изготовления предметов до­машнего обихода. Так как полиэтилен прозрачен, то его применяют в качестве заменителя стекла, в сельском хозяйстве полиэтиленовой пленкой покрывают парники. Из полиэтилена изготавливают крышки подшипников, детали вентиляторов и насосов, гайки, шайбы, полые изделия вместимостью до 200 л, тару  для хранения и транспортировки кислот и щелочей.

Полипропилен является производным этилена. По сравнению с полиэтиленом полипропи­лен имеет более высокую механическую прочность и жесткость, большую теплостойкость и меньшую склонность к старению. Недостатком полипропилена является его невысокая морозостойкость.

Полипропилен применяют для изготовления антикоррозионного покрытия резервуаров, труб и арматуры трубопроводов, электроизоляторов, а также для изготовления деталей, применяемых при работе в агрессивных средах. Из полипропилена изготавливают корпуса автомобилей и аккумулято­ров, прокладки, трубы, фланцы, водонапорную арматуру, пленки, пленочные покрытия бумаги и кар­тона, корпуса воздушных фильтров, конденсаторы, зубчатые и червячные колеса, ролики, подшипни­ки скольжения, фильтры масляных и воздушных систем, уплотнения, детали приборов и автоматов точной механики, кулачковые механизмы, детали телевизоров, магнитофонов, холодильников, сти­ральных машин, изоляцию проводов и кабелей и т.д. Полипропилен обладает хорошими технологи­ческими свойствами - способностью к литью, экструзии, прессованию, сварке и обработке резанием.

161

Отходы при производстве полипропилена и отработавшие изделия из него используют для повтор­ной переработки.

Полистирол - продукт полимеризации стирола. Твердый, жесткий, бесцветный, прозрачный полимер, водостоек, обладает прекрасными диэлектрическими свойствами, химически инертен, легко окрашивается в различные цвета. Недостатками полистирола являются его повышенная хрупкость при ударных нагрузках, склонность к старению, невысокая тепло- и морозостойкость.

Полистирол перерабатывается в изделия литьем под давлением, экструзией. Его применяют для изготовления деталей радио- и электроаппаратуры, предметов домашнего обихода, детских иг­рушек, трубок для изоляции проводов, пленок для изоляции в электрических кабелях и конденсато­рах, открытых емкостей (лотков, тарелок, подносов), прокладок, втулок, светофильтров, крупногаба­ритных изделий радиотехники (корпусов транзисторных приемников), деталей электропылесосов, мебельной фурнитуры, конструкционных изделий с антистатическими свойствами. Ударопрочным полистиролом облицовывают пассажирские вагоны, салоны автобусов и самолетов. Из него изготав­ливают крупногабаритные детали холодильников, корпуса радиоприемников, телефонных аппаратов и т. д.

Поливинилхлоридные пластмассы. Пластмассы на основе поливинилхлорида (поли­хлорвинил или сокращенно ПХВ) имеют хорошие электроизоляционные свойства, химически стойки, не поддерживают горения, атмосферо-, водо-, масло- и бензостойки.

Обработкой порошкового ПХВ получают винипласт в виде пленок, листов, труб, стержней. Винипластовые детали хорошо механически обрабатываются и хорошо свариваются. Из винипласта изготавливают трубы для транспортировки воды, агрессивных жидкостей и газов, коррозионно-стойкие емкости, защитные покрытия для электропроводки, детали вентиляционных установок, теп­лообменников, шланги вакуум-проводов, защитные покрытия для металлических емкостей, изоляцию проводов и кабелей. Поливинилхлорид используют для получения пенопластов, линолеума, искусст­венной кожи, объемной тары, товаров бытовой химии, вибропоглощающих материалов в машино­строении и на всех видах транспорта, водо-, бензо- и антифризостойких трубок, прокладок и т.д.

162

Фторопласты - производные этилена, где все атомы водорода заменены галогенами. Наибо­лее широкое распространение получил фторопласт-4 (тефлон), или политетрафторэтилен.

Фторопласт-4 в изделиях представляет собой белое вещество со скользкой, не смачиваю­щейся водой поверхностью. Он имеет исключительно высокие диэлектрические свойства, по химиче­ской стойкости превосходит все известные материалы, включая благородные металлы, может дли­тельно выдерживать температуры до 250ºС. Пленка из него не становится хрупкой даже в среде жид­кого гелия. Он стоек к воздействию минеральных и органических щелочей, кислот, органических рас­творителей, не набухает в воде, не смачивается жидкостями и вязкотекучими средами пищевых про­изводств (тестом, патокой, вареньем и т.д.). При непосредственном контакте не оказывает влияния на организм человека, разрушается только под действием расплавленных щелочных металлов. Фто­ропласт-4 имеет низкий коэффициент трения и применяется для изготовления подшипников сколь­жения без смазки. Фторопласты широко применяются в электро- и радиотехнической промышленно­сти, а также для изготовления химически стойких труб, кранов, мембран, насосов, подшипников, де­талей медицинской техники, коррозионно-стойких конструкций, тепло- и морозостойких деталей (вту­лок, пластин, дисков, прокладок, сальников, клапанов), для облицовки внутренних поверхностей раз­личных криогенных емкостей.

Полиакрилаты. Наиболее известным представителем этой группы является органическое стекло (оргстекло). Оно термопластично, достаточно прочно, легче стекла, обладает высокой про­зрачностью и пропускает ультрафиолетовые лучи, имеет высокий коэффициент преломления. Его применяют для изготовления оптических стекол, из него делают окна самолетов и кораблей, предме­ты домашнего обихода. Недостаток - низкая поверхностная твердость.

Полиамиды включают в себя такие известные пластмассы, как нейлон, капрон и др. Их применяют для изготовления зубчатых колес и др. деталей машин - получают методом литья под давлением, для электроизоляции проводов - путем нанесения на них расплавленной смолы, для из­готовления волокна - при продавливании смолы через фильеры, для изготовления пленки и клея. Волокна из полиамидов используют для корда автопокрышек, изготовления буксировочных канатов,

163

для производства чулочно-носочных изделий и т.д. Полиамиды имеют низкий коэффициент трения и могут использоваться в качестве подшипников.

Полиуретаны характеризуются высокой упругостью, износостойкостью, низким коэффици­ентом трения. Их используют для изготовления изоляции, фильтровальных и парашютных тканей, применяют для получения пенопластов, каучуков, пленок антикоррозионных покрытий.

5.3. Основные виды термореактивных пластмасс, их свойства и применение

Основу термореактивных пластмасс (реактопластов) составляет связующее вещество - химически затвердевающая термореактивная смола. Кроме того, в состав реактопластов вхо­дят наполнители, пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители, раствори­тели. Наполнителями, определяющими структурную основу пластмасс, могут быть порошковые, волокнистые и гибкие листовые материалы. Наиболее известными являются слоистые пласти­ки, представляющие собой композиции из чередующихся слоев связующей смолы и листового наполнителя. В зависимости от вида наполнителя слоистые пластики получают свое наименова­ние: гетинакс (наполнитель - бумага), текстолит (наполнитель - хлопчатобумажная ткань), асбо-текстолит (наполнитель - асбестовая ткань), стеклотекстолит (наполнитель - стеклянная ткань), древеснослоистые пластики -ДСП (наполнитель-древесный шпон).

Слоистые наполнители пропитывают смолой, сушат и режут по размеру. Из готовых листов в этажных прессах горячим способом прессуют плиты, а в пресс-формах - иные заготовки или детали.

Гетинакс применяют в электро- и радиотехнике в листах и плитах для изготовления пане­лей, печатных плат, электроизоляторов, изолирующих шайб, прокладок, а также в виде труб и цилин­дров в трансформаторах.

Текстолит применяется для изготовления зубчатых колес, вкладышей подшипников и, так же как гетинакс, для изготовления электроизоляторов и печатных плат. В сравнении с гетинаксом он прочнее и устойчив при нагревании до 130°С.

164

Асботекстолит отличается теплостойкостью и хорошими фрикционными свойствами. Его применяют для изготовления трущихся деталей дисков сцепления и тормозных колодок.

Стеклотекстолит исключительно прочен и отличный электроизолятор.

При изготовлении поро- и пенопластов добавляют газообразователи - вещества, кото­рые при нагреве разлагаются и выделяют большое количество газов, вспенивающих смолу.

5.4. Производство изделий из пластмасс

Из полимерных материалов делают зерна, нити, пленки, трубы и самые разнообразные изде­лия сложной формы. Выбор метода изготовления изделия определяется видом полимера, его исход­ным состоянием, а также формой и размерами изделия.

Основными методами переработки пластмасс являются: литье, прессование, экструзия, го­рячее напыление, вакуумное и пневматическое формирование, вальцевание, обработка на станках со снятием стружки и др. Большинство пластмасс перерабатывают в вязкотекучем состоянии спо­собами прессования, литья и выдавливания.

Прессование пластмасс производится на гидравлических прессах в пресс-формах и на этаж­ных прессах.

Горячее прессование в пресс-формах - один из основных способов переработки пластмасс-реактопластов в детали.

В полость нагретой матрицы 1 (рис. 5.1, а) пресс-формы загружается материал 2 в виде порошка, таблеток, волокон или гранул.

Затем пресс-форма закрывается, сжимается, прогревается токами высокой частоты для расплав­ления материала. Расплавленный материал под давлением пуансона 3 заполняет всю полость матрицы. После затвердевания пресс-форма открывается и деталь 4 удаляется с помощью выталкивателя 5. Прессование производится на гидравлических прессах. Производительность выпуска деталей относи­тельно невысокая, так как тратится время не только на технологический процесс, но и на закладывание материала, и на выемку детали. Прямым прессованием получают несложные малогабаритные детали, например, пуговицы, пряжки и т.п.

Горячее прессование применяют также для изделий глубокой вытяжки, например, корпусов телевизоров и радиоприемников, телефонных аппаратов и т.д.

Холодное прессование отличается более высокой производительностью, так как не требует нагрева и охлаждения пресс-формы. Его производят при высоком давлении, а после прессования изделия подвергают термической обработке. Этот метод применяют при переработке асфальтопеко-

166

вых пластмасс - для получения баков аккумуляторных батарей, пуговиц, патронов электроламп, вы­ключателей, розеток и т.д.

Литьевое прессование отличается от прямого тем, что прессуемый материал 4 (рис. 5.1, б) поступает не в пресс-форму непосредственно, а в загрузочную камеру 3, где нагревается до вязко-текучего состояния и под давлением пуансона 5 подается в матрицу через литниковое отверстие. После выдержки в течение времени, необходимого для отверждения пресс-материала, пресс-форма раскрывается (при поднятии пуансона 5, загрузочной камеры 3 и пуансона 2) и деталь 6 удаляется из формы с помощью выталкивателя 7. Литьевое прессование позволяет получать сложные по форме детали, часто с глубокими отверстиями и резьбой, со сложной металлической арматурой.

Экструзия. Технология экструзии состоит в выдавливании расплава полимера через отверстие, сечение которого определяет форму (профиль) получаемого изделия (рис. 5.2). При обработке методом экструзии получают стержни, трубы, листы и пленки из термопластов (реже из реактопластов), а также из резиновых смесей (в резиновой промышленности экструзию чаще называют шприцеванием).

На рис. 5.2 приведена схема работы экструдера (шприцмашины). Порошкообразный или гра­нулированный полимер (или смесь сырой резины) засыпают в бункер 1, откуда он попадает в рабо­чий цилиндр 3 на вращающийся винтовой шнек 2.

Шнек винтовыми лопостями (как в мясорубке) перемещает полимер в осевом направлении, при этом материал проходит зону обогрева 4 и расплавляется до вязкотекучего состояния. Затем расплав

167

полимера концом шнека выталкивается через калиброванное отверстие в головке 6. Для образования внутреннего отверстия служит оправка 5. Форма профиля фиксируется в результате охлаждения (тер­мопласты), соединения функциональных групп (реактопласты) или вулканизации (резиновые изделия).

Получение пленочных материалов (рис. 5.3, а). Для получения пленки термопласт из рабоче­го цилиндра 8 машины поступает в головку 7 и выдавливается через кольцеобразную щель, составлен­ную мундштуком 6 и дорном 5, в результате чего пластмасса выходит в форме трубы. Она раздувается воздухом, поступающим по магистрали через дорн (указано снизу стрелкой); затем пленка проходит хо­лодильник, обдувающий ее снаружи холодным воздухом (зона 4), направляющие ролики 1 и захваты­вающие ролики 2, которыми трубчатая пленка складывается в сплюснутый плоский рукав. Давление воздуха внутри пузыря для получения рукава данного диаметра (а следовательно, и толщины пленки) остается постоянным. Изменение давления определяет соответствующее уменьшение или увеличение диаметра рукава.

Прессование на этажных прессах. Листы и плиты из термореактивных материалов прес­суют пакетами на гидравлических этажных прессах (рис. 5.3, б), при этом заготовки материала (ткань, стеклоткань, бумага, древесный шпон) пропитывают фенолоформальдегидной смолой и укладывают ме­жду горячими плитами 1 пресса. Так получают листы и плиты из ПВХ, древесно-слоистые пластики, тек­столит, гетинакс, стеклотекстолит и др. материалы.

Литье под давлением (рис. 5.4) - наиболее производительный способ изготовления дета­лей из пластмасс. Литьем под давлением получают детали из термопластов (полистирола, полиэти­лена, полиамидов, фторопласта-3 и др.). Перерабатываемый материал из загрузочного бункера 7 подается дозатором 8 в подогреваемый рабочий цилиндр 5 с электронагревателем 4. При движении поршня 6 определенная порция материала сдвигается в зону нагрева, плавится и через сопло 3 по­ступает в полость 2 пресс-формы 1. После охлаждения и затвердевания материала поршень 6 воз­вращается в исходное положение, форма раскрывается и изделие выталкивается. Одновременно дозирующее устройство подготавливает очередную дозу материала и подает его в рабочий цилиндр. Литьевой пресс может работать в автоматическом режиме и вручную.

Рис. 5.4. Схема литья под давлением

Литьем под давлением получают детали сложной конфигурации, с различной толщиной стенок, с ребрами жесткости и т.д.

Вихревым напылением изготовляют крупногабаритные детали - кузова автомобилей, кор­пуса лодок т.д. По этому способу стеклянное волокно рубят специальным устройством и вместе со смолой, ускорителем и отвердителем наносят на форму (модель изделия) специальным пульвериза­тором. После отвердевания получается готовое изделие.

Намоткой получают стеклопластиковые трубы, наматывая на оправку пропитанное смолой стекловолокно, стеклоленту или стеклоткань.

Центробежным литьем получают детали типа тел вращения аналогично плавке металлов.

Вырубка и пробивка пластмасс осуществляется на штампах, аналогичных штампам для ме­талла. Пластмассы поддаются всем видам резания на металло- и деревообрабатывающих станках.

Многие виды термопластов хорошо поддаются сварке с нагревом мест сварки и присадочно­го материала горячим воздухом, ультразвуком и т.д.

170

В целом следует отметить, что пластмассы все более вытесняют традиционные материалы (металлы, дерево и др.) и занимают их место в промышленности.