Неметалеві матеріали

Лекція 12

Тема: « Пластмаси. Гуми. Клеї».

План лекції

1 Загальні відомості про пластмаси

2 Способи отримання виробів з пластмас

3 Гуми

4 Способи отримання виробів з гуми

5 Клеї

Неметалеві матеріали

До неметалевих матеріалів належать пластмаси, деревина, ґума, скло, клеї, герметики, лакофарбові покриття та ін. Частка неметалевих матеріалів у сучасних конструкціях невпинно зростає за рахунок зменшення у них частки металів. Найрозповсюдженішими серед неметалевих матеріалів є пластмаси.

Пластичними масами (пластмасами) називають штучно створювані матеріали на основі синтетичних або природних високомолекулярних сполук, яким у період формування виробу надають високу пластичність за рахунок підвищення температури.

Сировиною, з якої отримують синтетичні високомолекулярні матеріали, є нафта, природний газ, кам'яне вугілля, сланці. Основними позитивними властивостями пластмас є простота способів виготовлення з них виробів, низька густина, значна тривкість проти агресивних середовищ, добрі діелект­ричні й теплоізоляційні властивості, а також задовільні міцність і жорсткість.

Залежно від кількості компонентів пластмаси поділяють на прості і компо­зитні (складні).

Прості пластмаси складаються з одного компоненту—високомолекулярної сполуки (наприклад, поліетилену, поліпропілену, полівінілхлориду, полісти­ролу тощо).

Композитні (складні) пластмаси, крім високомолекулярної сполуки, містять ще й інші компоненти (зміцнювальні, пластифікатори, мастильні речо­вини, каталізатори, барвники, стабілізатори, антипірени, антистатики, пороутворювачі) сумарною кількістю 20...80 % за об'ємом.

Високомолекулярні сполуки в полімерних композитних матеріалах викону­ють роль матриці, тобто зв'язувальної речовини, їх отримують внаслідок реакції полімеризації або поліконденсації.

Полімеризація — процес утворення високомолекулярної сполуки (полімера) із низькомолекулярних (мономерів), під час якого не виділяються побічні продукти реакції.

Поліконденсація — утворення високомолекулярної сполуки (полімера) із низькомолекулярних сполук (мономерів), яке супроводжується здебільш ви­діленням побічних речовин (Н,О, НС1, КН3 та ін.). Унаслідок поліконденсації, наприклад, утворюється смола з фенолу і формальдегіду.

Зміцнювальні компоненти (наповнювачі) — органічні й неорганічні речовини у вигляді порошків, волокон або листів, що додаються для підвищення міцності, жорсткості, теплотривкості, зменшення усадки, а також зниження вар­тості пластмаси.

Пластифікатори підвищують пластичність й полегшують переробку пласт­мас у вироби. Водночас пластифікатори зменшують міцність і жорсткість пластмаси. До них належать малолеткі органічні речовини типу гліцерину та касторової олії, які проникають у пластмасу, зменшуючи взаємодію між моле­кулами.

Мастильні речовини (стеарин, олеїнова кислота та ін.) усувають прилипан­ня матеріалу до пресформи та збільшують його текучість, зменшуючи тертя між частинками композиції.

Каталізатори(уротропін, оксиди металів) прискорюють твердіння пластмаси.

Барвники (пігменти, природні лаки) надають пластмасовим виробам деко­ративного вигляду.

Стабілізатори (нафталін, сажа, антрацен) — речовини, що сповільнюють атмосферне старіння пластмас під дією світла, тепла, кисню й озону. Цей про­цес супроводжується поступовою зміною структури й погіршенням властиво­ї/І еіі матеріалу.

Антистатики перешкоджають виникненню й нагромадженню статичного електричного заряду у виробах з полімерних матеріалів.

Види компонентів та їх кількісне співвідношення впливають на властивості Пластмас.

Пороутворювачі— речовини, які розпадаються під час нагрівання, виділя­ючи гази, що спінюють смолу, внаслідок чого утворюється пориста структура й поро- та пінопластах.

Залежно від поведінки під час нагрівання та твердіння пластмаси поділя­ти, на термопластичні й термореактивні.

Термопластичні пластмаси (термопласти) під час кожного нагрівання спочат- ку розм'якають і переходять у в'зкотекучий стан, а під час охолодження тверднуть. Вони належать до простих пластмас.

Термореактивні пластмаси (реактопласти) під час нагрівання спочатку розм'якають, а згодом при певній температурі тверднуть внаслідок утворення міцних ковалентних поперечних зв'язків між макромолекулами.

Полімери можуть перебувати у трьох фізичних станах: склоподібному, високоеластичному та в'язкотекучому.

У склоподібному стані полімер є твердим і пружним тілом, в якому атоми коливаються лише навколо положення рівноваги, а макромолекули чи їх ланки нерухомі. Під навантаженням унаслідок деякого збільшення відстані між атомами пружна деформація не перевищує кількох відсотків і практично моментально зменшується до нуля після зняття навантаження.

У високоеластичному стані полімер може зазнавати значної оборотної де­формації у певному температурному інтервалі під дією невеликих напружень. При зазначених умовах окремі ділянки макромолекул випрямляються, а після •Іняття напружень ці ділянки поступово повертаються до вихідних конфігура­цій, внаслідок чого здеформоване тіло поступово набуває попередньої форми та розмірів. Відновлення форми й розмірів тіла може тривати досить довго. Це яінпце називають пружною післядією.

Полімер у в'язкотекучому стані нагадує рідину з дуже високою в'язкістю. При температурі переходу від високоеластичного до в'язкотекучого стану сили міжмолекулярної взаємодії істотно зменшуються, унаслідок чого макромолекули можуть порівняно легко переміщуватись. Зі зняттям напружень течіння рідини припиняється.

Термопластичні пластмаси — це полімери лінійної або розгалуженої будови. мають порівняно невисоку верхню межу робочої температури. З-поміж гермопластів найпоширенішими є поліетилен, поліпропілен, полівінілхлорид, полістирол.

Поліетилен — продукт полімеризації етилену. Залежно від тиску, під яким відбувається процес полімеризації, розрізняють поліетилен високого тиску (ПЕВТ), поліетилен середнього тиску (ПЕСТ) й поліетилен низького тиску (ПЕНТ). Поліетилен — дешевий, нетоксичний матеріал, без запаху, хімічно тривкий, не змочується водою, прозорий у тонкому й непрозорий у товстому шарі, легко переробляється, добрий діелектрик. Його можна експлуатувати в межах температур від -60 до 100 °С. До недоліків належать здатність поліетилену старіти під впливом сонячного світла, горючість і мала міцність.Поліетилен використовують для виготовлення плівок, листів, труб, різних місткостей, вішаків для одягу, ізоляції електропроводів тощо. Покриття з полі­етилену захищає метал від корозії.

Поліпропілен утворюється внаслідок полімеризації пропілену. Порівняно з поліетиленом він міцніший, жорсткіший, теплотривкіший і відзначається меншою густиною. Поліпропілен прозорий, але може бути забарвлений у будь-який колір, нетоксичний, хімічно тривкий, має добрі діелектричні властивості, витримує температуру до 120... 150 °С. Головний недолік поліпропілену — погана морозотривкість (-5...-15 °С).

Використовується для виробництва текстильних і технічних волокон, труб, посуду, корпусів акумуляторів, електроізоляції, деталей автомобілів, холодиль­ників, меблів і телефонів.

Полівінілхлорид— продукт полімеризації вінілхлориду. (ПВХ) за обсягами виробництва стоїть на другому місці після поліетилену. Він добрий діелектрик, не токсичний, тривкий до старіння і до дії багатьох хімікатів. застосовується для виготовлення труб, деталей насосів, лінолеуму, штучної шкіри, плівок, електроізоляції Проводів і кабелів.

Полістирол— аморфний полімер, продукт полімеризації стиролу. Він твердий, жорсткий, прозорий, хімічнотривкий у розчинах багатьох лугів і кислот. Витримує температуру від -20 до 80 °С, має добрі діелектричні мокачники, набуває забарвлення різного кольору. використовують для виготовлення корпусів телевізорів, настінних шафок, деталей холодильників, меблевої фурнітури, підносів, футлярів, канцелярських товарів, І уд інків, електроізоляційних плівок і багатьох деталей в електро- і радіотехнічній промисловості. Недоліки полістиролу — низька теплотривкість і швидке старіння.

Пінополістирол — пластик на основі полістиролу, замкнуті порожнини в якому наповнені газом, внаслідок чого він відзначається низькою густиною, добри­ми тепло- та звукоізоляційними властивостями. Використовується як тепло- й шукоізолятор у будівництві, літако- й суднобудуванні, холодильній техніці.

Термореактивні пластмаси, що входять у полімерні композитні матеріали, виготовляють переважно на основі синтетичних смол.

На стадії формування виробу створюють умови для утворення в полімері сітчастої або просторової будови. Крім полімеру, до складу термореактивних пластмас входять зміцню­вальні компоненти та деякі інші компоненти. Реактопласти відрізняються від термопластів вищою теплотривкістю, нерозчинністю і стабільністю властивостей в робочому інтервалі температур. Найпоширенішими синтетичними полімерами для термореактивних пластмас є сечовино-формальдегідні, меламіно- формальдегідні та епоксидні смоли.

Сечовино-формальдегідні смоли — продукти поліконденсації сечовини (карбаміду) з формальдегідом. У незатверділому стані смоли мають невелику молекулярну масу. Під час їх затвердіння між макромолекулами утворюються поперечні ковалентні зв'язки. Каталізаторами затвердіння є неорганічні кислоти (соляна, фосфорна) та деякі солі. Сечовино-формальдегідні смоли світлотривкі, добре забарвлюються і зберігаються. На їх основі виробляють полімерні композитні матеріали з порошкоподібними, волоконними й шару­ватими зміцнювачами, а також клеї, лаки, фарби та емалі. Основним спо­живачем сечовино-формальдегідних смол є деревообробна промисловість.

Меламіно-формальдегідні смоли — продукти поліконденсації білого ' кристалічного порошку—меламіну з формальдегідом. Ці смоли тверднуть і при кімнатній температурі, і під час нагрівання. З них виготовляють полімерні композитні матеріали, клеї, лаки та емалі.

Феноло-формальдегідні смоли отримують поліконденсацією фенолу з фор­мальдегідом. У лужному середовищі й за наявності надлишку формальдегіду утворюються термореактивні (резольні) смоли, а у кислому середовищі — термо­пластичні (новолачні) смоли. Резольна смола є сумішшю лінійних і розгалужених макромолекул з невеликою молекулярною масою. Смола розчиняється у суміші спирту й бензолу, топиться при температурі 80.. .90 °С. Зшивання макромолекул поперечними зв'язками відбувається під час нагрівання резольної смоли до температури 175...190 °С. З феноло-формальдегідних смол виготовляють композитні полімерні матеріали, а також клеї, лаки, електротехнічні деталі і шліфувальні круги.

Епоксидні смоли — продукти поліконденсації епіхлоргідрину з дифенілпро-піленом. Вони термопластичні, але після додавання до їх складу затверджувачів стають термореактивними. Ці смоли мають добрі адгезійні , механічні й діелектричні властивості, тверднуть в холодному і в нагрітому стані. З них виготовляють клеї, лаки, шаруваті пластики.