Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ. Пластические массы (пластики, пластмассы) — важ­ные конструкционные материалы, широко применяемые в машиностроении






 

Пластические массы (пластики, пластмассы) — важ­ные конструкционные материалы, широко применяемые в машиностроении, электро- и радиотехнике, строитель­стве, пищевой промышленности и других отраслях народного хозяйства и в быту.

Незначительная трудоемкость изготовления пластмас­совых деталей (по сравнению с металлическими), их ма­лая себестоимость, технологичность (легко формуются, склеиваются, свариваются, обрабатываются резанием), специфические физико-механические свойства обуслов­ливают эффективность применения и зачастую незамени­мость пластмасс в машиностроении.

Основными достоинствами пластмасс являются: ма­лая плотность и возможность ее изменения, хорошие тепло-, электро- и звукоизоляционные характеристики, высо­кая химическая стойкость в ряде сред и неподвер­женность коррозии, высокие оптические свойства (бесцветность и прозрачность органических стекол), хо­рошие фрикционные и антифрикционные свойства, до­статочно высокая прочность (прочность некоторых пла­стиков сопоставима с прочностью стали), хорошие деко­ративные свойства, бесшумность в работе (применительно к зубчатым передачам) и некоторые другие. Недостатки пластмасс - невысокая теплостойкость, низкие ударная вязкость и модуль упругости, склонность некоторых пластмасс к старению.

Пластмассы - это материалы на основе природ­ных, а чаще всего искусственных (синтетических) поли­меров, которые под действием нагревания и давления способны формоваться в изделия заданной формы и за­тем устойчиво сохранять ее. Кроме основного компонен­та - связующего вещества, в состав пластмасс могут входить наполнители, пластификаторы, отвердители, красители, стабилизаторы, порообразователи, ингибито­ры и некоторые другие добавки. Соотношение названных компонентов в пластмассах может быть, например, та­ким (массовая доля): связующее вещество - 30...60 %, наполнители - 40...65, пластификаторы - около 1, кра­сители - 1...1, 5, смазывающие вещества - 1...2 %.

Связующие вещества , от которых в наибольшей сте­пени зависят свойства пластмасс, — это природные или синтетические полимеры. Под полимерами понимают вы­сокомолекулярные вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров). Молекулярная масса их может со­ставлять от 5000 до 1000000.

Природные полимеры — белки и нуклеиновые кисло­ты, из которых построены клетки живых организмов, природные смолы (янтарь, копал, шеллак), натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит и др.

Синтетические полимеры - это полиэтилен, полипропи­лен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды, поликар­бонаты, фторопласты, фенопласты, полиметилметакрилат, фенолоформальдегидные смолы, эпоксидные смолы и др. В отдельных случаях пластмасса, например поли­этилен, может целиком состоять из связующего веще­ства — полимера. Полимеры, преимущественно синтети­ческие, получаемые химическим синтезом простых органических веществ (мономеров) в макромолекулы ме­тодами полимеризации или поликонденсации, являются основой не только пластмасс, но и резины, химических во­локон, лаков, красок, клеев и т. д. Так, полиэтилен син­тезируют путем полимеризации газа — этилена, получа­емого из природного газа или нефтепродуктов. Макро­молекулы полимера представляют собой цепочки из звеньев мономера, атомы в которых связаны прочной хи­мической (ковалентной) связью.

 

 

12.1. Форма строения макромолекул полимеров:

а - линейная; б - разветвленная; в - сетчатая (схемы)

 

Различие структур макромолекул (линейные, разветв­ленные, сетчатые - рис. 12.1) обусловливает неодинако­вость свойств полимеров. Так, линейные (полиэтилены, полиамиды и др.) и разветвленные (полиизобутилен и др.) полимеры характеризуются способностью образо­вывать анизотропные волокна и пленки и находиться в высокоэластичном состоянии; редкосетчатые полиме­ры (резины) обладают упругостью, густосетчатые (смо­лы) - хрупкие.

По фазовому состоянию полимеры могут быть аморф­ными или кристаллическими. В большинстве случаев ре­альные полимеры содержат аморфную и кристаллическую фазы. Содержание в полимере (в процентах) веществ в кристаллическом состоянии называют степенью кри­сталличности. Кристал­лическую структуру имеют полимеры с макромолекула­ми строго регулярной линейной или редкосетчатой формы. Кристаллические полимеры имеют более высокие теплостойкость и механические свойства.

По полярности различают неполярные (например, по­лиэтилен, полипропилен, фторопласт-4) и полярные (на­пример, поливинилхлорид) полимеры. Неполярные поли­меры в отличие от полярных обладают более высокими морозостойкостью и диэлектрическими свойствами.

В зависимости от поведения при нагреве различают термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты) полимеры. Соответственно называют и пластмассы на основе этих связующих веществ.

Термопластичными называют полимеры или пластмассы, кото­рые с повышением температуры размягчаются, плавятся, при формовании не претерпевают никаких химических изменений, по мере охлаждения затвердевают и сохра­няют способность пластически деформироваться при пов­торном нагреве. Такие полимеры (полиэтилен, полисти­рол, капрон и др.) имеют линейную или разветвленную структуру макромолекул.

Термореактивные полимеры и пластмассы при нагреве и формовании претерпевают существенные химические изменения, затвердевают и, те­ряя способность пластически деформироваться, остают­ся твердыми. Линейная структура таких полимеров при нагреве преобразуется в пространственную.

Физико-механические свойства полимеров зависят как от их структуры, температуры, так и от физического состояния. Из-за высокой молекулярной массы полиме­ры не способны образовывать низковязкие жидкости или переходить в газообразное состояние, они могут нахо­диться в одном из трех физических состояний - стекло­образном, высокоэластическом и вязкотекучем. Полиме­ры в стеклообразном состоянии характеризуются про­странственной структурой макромолекул, отличаются твердостью и аморфностью.

Атомы находятся в равновесном положении, и макро­молекулы не перемещаются. Высокоэластическое состоя­ние макромолекул характерно для высокополимеров и выражается в их способности к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках. Атомы ко­леблются, а макромолекулы способны изгибаться. Макро­молекулы в целом не перемещаются, но их отдельные сегменты подвижны за счет вращения групп атомов во­круг связи

в мономерных звеньях цепи. Полиме­ры в вязкотекучем состоянии (линейные или разветвлен­ные) отличаются от жидких веществ большей вязкостью. При этом подвижной является вся макромолекула.

 

Рис. 12.2. Термомеханические кривые для полимеров:

а – аморфного; б - кристаллического; в – редкосетчатого для различных состояний: I – стеклообразного; II – высокоэластичного; III – вязкотекучего; IV – химического разложения

 

На рис. 12.2 приведены зависимости степени дефор­мации полимеров с различ­ной структурой от темпера­туры их нагрева (термоме­ханические кривые). По этим кривым можно судить о ха­рактере изменения механи­ческих и технологических свойств полимеров при раз­личных температурах. Так, полимеры или пластмассы на их основе эксплуатируют­ся при температурах ниже температуры стеклования tc , когда они находятся в твер­дом состоянии.

Формование изделий из полимеров или пластмасс ведут в области их вязкотекучего состояния. Температура tхр (ниже tc ) соответствует переходу по­лимеров в хрупкое состояние (для полистирола tc = 100 °С и tхр = 90°С, для полиметилметакрилата tc = 100°С и tхр = 10°С). В кристаллизую­щихся полимерах при темпе­ратуре tк их кристалличе­ская часть плавится и далее, от tк до tT , полимер находится в высокоэластичном состоянии. Свыше температур tT аморфные и кристаллизующиеся полимеры переходят в вязкотекучее состояние. Для редкосетчатых полимеров температура tх – начало химического разложения полимера.

 

Рис. 12.3. Зависимость удлинения от усилия при деформации

кристалли­ческого полимера

Зависимость степени деформации кристаллических по­лимеров (полиэтилен, полиамиды, полиэтилентерефталат и др.) от напряжения выражается линией, состоящей из трех участков (рис. 12.3). Первоначально (участок I ) удлинение прямо пропорционально усилию. По дости­жении некоторого усилия (точка А ) удлинение полимера увеличивается при неизменном усилии (участок II ).Это вызвано резким местным сужением образца, образова­нием «шейки», распространяющейся на всю его длину. Затем на­блюдается растяжение тонкого, но ориентиро­ванного образца вплоть до разрыва (участок III ). Деформация по­лимера зависит также от скорости и темпера­туры нагружения.

Недостаток полиме­ров, а, следовательно, и пластмасс, - склон­ность к старению, т. е. необратимому самопроизвольному изменению важнейших характери­стик при эксплуатации и хранении.

Важным компонен­том пластмасс являют­ся наполнители . Они повышают механиче­скую прочность пласт­масс, уменьшают их усадку при формовании изделий, влияют на вязкость, водостойкость пластмасс, придают им специальные свойства, (фрикционные, антифрикцион­ные и др.). Наполнители могут быть органическими или минеральными в виде порошков, волокон, листов (сажа, древесная мука, сульфидная целлюлоза, асбест, тальк, очесы хлопка или льна, стекловолокно, бумага, ткани, древесный шпон и др.). Органические наполнители повы­шают прочность, снижают хрупкость, но ухудшают термо- и водостойкость пластмасс. Минеральные наполните­ли повышают прочность, водостойкость, химическую стой­кость, тепло- и электроизоляционные свойства пластмасс, но часто повышают и их хрупкость и плотность. В зави­симости от вида наполнителя различают порошковые (карболиты), волокнистые (волокниты), слоистые (со­держащие листовые наполнители) и некоторые другие пластмассы.

Пластификаторы способствуют повышению пластич­ности пластмасс или расширению температурного интер­вала их вязкотекучего состояния. В качестве пластифи­каторов широко используют органические вещества с вы­сокой температурой кипения и низкой температурой замерзания (стеарин, дибутилфталат, олеиновую кисло­ту и др.).

Отвердители (различные амины), или катализаторы (перекисные соединения) вводят в термореактивные пластмассы для ускорения процессов отверждения пласт­масс.

Красители органического или минерального проис­хождения придают пластмассам желаемый цвет.

Стабилизаторы , например сажа, препятствуют старе­нию полимерных материалов.

Порообразователи , переходя при формовании в газо­образное состояние, способствуют образованию пор в та­ких пластмассах, как пенополистирол, пенополивинилхлорид, поролон, пенополиуретан и др.

Смазывающие вещества вводят для уменьшения прилипаемости пластмассовых изделий к металлическим частям пресс-формы.

Кроме названных, в пластмассы вводятся с различ­ными целями и другие добавки.

Дадим краткую характеристику свойств и областей применения некоторых пластмасс. К термопластичным пластмассам, основой или связующим веществом в кото­рых являются полимеры с макромолекулами линейной или разветвленной структуры, относятся неполярные: полиолефины (полиэтилен, полипропилен и полиизобутилен), полистирол, фторопласт-4; полярные: полиметилметакрилат, поливинилхлорид, полиамиды и др.

Полиэтилен кристаллизующийся полимер, который производят полимеризацией этилена ( СН2=СН2 ). Разли­чают полиэтилен низкой плотности, получаемый при высоком давлении ( ПЭВД ) и содержащий 35...65 % кристаллической фазы, а также полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком давлении ( ПЭНД ) и содержащий 60...95 % кристаллической фазы. Полиэти­лен химически стоек, нерастворим в воде, ацетоне, спир­те, морозостоек до – 70 °С (чем выше плотность, тем вы­ше теплостойкость и механическая прочность), но склонен к старению. Из него изготавливают несиловые детали (контейнеры, емкости, вентили, детали химических насо­сов, трубы для транспортирования агрессивных жидко­стей), защитные покрытия на металлах, пленку для раз­личных целей (электроизоляционная, парниковая).

Полипропилен ( —СН2—СНСН2 ) получают полиме­ризацией из пропилена в присутствии металлоорганических катализаторов. Он более теплостоек (до 150°С), чем полиэтилен, но менее морозостоек (до - 10...- 20°С). Из полипропилена изготавливают некоторые конструк­ционные детали автомобилей, мотоциклов, корпуса насо­сов, трубы для транспортирования агрессивных сред, пленки, емкости.

Полистирол ( —СН2 — CHC6H5 ) - прозрачный, аморфный полимер, диэлектрик, химически стоек, нера­створим в растворителях, но склонен к старению и имеет низкую (до 80 °С) теплостойкость. Применяется он для изготовления деталей машин и приборов (ручки, корпуса и т. д.), емкостей и сосудов для химикатов, пленки и т. д.

Фторопласт-4 , или политетрафторэтилен (— CF2—CF2)n , - полимер, имеющий макромолекулы в виде спиралей, диэлектрик, химически стоек. Из него изготав­ливают уплотнительные прокладки, трубы для транспор­тирования агрессивных сред, сильфоны, антикоррозион­ные покрытия на металлах. По химической стойкости он превосходит все известные пластмассы.

Полиметилметакрилат (органическое стекло, или пле­ксиглас) — полярный, прозрачный, аморфный полимер на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. В отличие от минерального стекла органическое значительно легче (более чем в два раза), пропускает ультрафиолетовые лучи, технологично (хорошо обраба­тывается резанием, склеивается, сваривается, полирует­ся), но обладает меньшими твердостью, прочностью и теплостойкостью. Идет на остекление и изготовление оптики, светотехнических деталей, емкостей. На основе полиметилметакрилата изготавливают самоотверждающиеся пластмассы типа стиракрила, которые применяют в производстве штампов, литейных моделей, абразивного инструмента.

Полиамиды (капрон, нейлон и др.) — полярные пласт­массы на основе кристаллизующегося полимера, содер­жащего группы СО , NH и СН2 . Они характеризуются вы­сокими прочностью, теплостойкостью, износостойкостью и низким коэффициентом трения ( f < 0, 05), способностью погашать вибрации. Недостатки полиамидов — склон­ность к старению и некоторая гигроскопичность. Введе­ние наполнителей (графит, тальк, дисульфид молибдена) обеспечивает повышение антифрикционных и некоторых других их свойств. Полиамиды применяют в машино­строении, электротехнике, медицине.

Поливинилхлорид полярный, аморфный полимер состава ( -СН2-СНСl- ). Непластифицированный поливинилхлорид называют винипластом и применяют для изготовления различных деталей химического оборудова­ния, труб, деталей вентиляционных и теплообменных установок, муфт, элементов насосов, вентиляторов, за­щитных покрытий на металлах, облицовочной плитки. Пластикат (полихлорвинилхлорид с пластификатором) используют для изготовления труб, конвейерных лент, пе­чатных валиков, линолеума и т. д.

Наиболее крупнотоннажный по производству вид реактопластов — фенопласты , т. е. пластмассы, получаемые на основе фенолоформальдегидных смол. Различают сле­дующие виды фенопластов: ненаполненные, порошковые (наполнители - древесная мука, тальк, графит и др.), волокнистые (волокниты, асбо- и стекловолокниты), слоистые (гетинакс, текстолит и др.).

Волокниты . получают пропиткой очесов льна или хлопка фенолоформальдегидным связующим и применя­ют для изготовления деталей, работающих на изгиб и кручение и устойчивых к ударным нагрузкам (шкивы, фланцы, стойки, направляющие втулки, маховики и т. д.).

Асбоволокниты получают пропиткой асбеста фенолоформальдегидной смолой. Они обладают высокими ударопрочностью, химической стойкостью, фрикционными свойствами и применяются для изготовления элементов тормозов (накладки, колодки, диски подъемно-транспорт­ных устройств, автомобилей и т. д.), кислотоупорных конструкций.

Из слоистых пластмасс значительный интерес пред­ставляет текстолит , получаемый из связующего (фенолоформальдегидная смола) и наполнителя (хлопчатобу­мажные ткани - шифон, миткаль, бязь и др.). Текстолит отличается прочностью, способностью поглощать шумы и гасить вибрации, однако он может работать только при невысоких температурах (до 90 °С). Из текстолита изго­товляют зубчатые колеса, вкладыши подшипников, шки­вы, втулки, прокладки в машиностроении, распредели­тельные щиты и монтажные панели в электротехнике и т. д.

В табл. 12.1 приведены основные физико-механические свойства некоторых названных пластмасс. Механические свойства пластмасс определяют при проведении лабора­торных статических испытаний на растяжение (ГОСТ 11262—80) или сжатие, изгиб, динамических испытаний по определению ударной вязкости (ГОСТ 4647—80), пу­тем измерения твердости (по Бринеллю ГОСТ 4670—77 с помощью твердомера ТММ-2 или по Роквеллу, Виккерсу, Шору).

При назначении материалов для использования в конструкциях, узлах машин и аппаратов пищевой промышленности, тары и упаковки необходимо также учитывать и ограничения, налагаемые спецификой взаимодействия материала с пищевыми средами.

Краткие сведения о взаимодействии пластмасс с технологическими и пищевыми средами, а также областях их использования, разрешенных органами Минздравоохранения и социального развития РФ, приведены в табл. 12.2 и 12.3.

 

 


Таблица 12.1

Некоторые физико-механические свойства пластмасс

 

Характеристика   Полиэтилен Полипропилен   Полистирол   Фторопласт   Полиметилметакрилат Полиамиды   Поливинилхлорид Текстолит  
ПЭВД ПЭНД
Плотность, кг/м3   Разрушающее напряжение при растяжении, МПа   Относительное удлинение при разрыве, %   Твердость по Бринеллю, МПа 918 - 940   10 - 17   500 - 600   14 - 25   950 -   22 -     300 - 800   45 - 60 500 -   25 -     200 - 800     60 - 65 1050 -   37 -     1, 5 - 3     140 - 150 2150 -   14 -     250 - 350   30 - 40     65 -     2, 5 - 4     1100 -   50 -     50 - 150     -     40 -     10 - 50     100 - 160 1300 -   65 -         -  
Окончание таблицы 12.1
Ударная вязкость, МДж/м2   Рабочая температура, оС: максимальная   минимальная   Диэлектрическая проницаемость при частоте тока 106 Гц Не ломается   105 -108   -40- -70 и ниже   2, 2- 2, 3   Не ломается   120 -125   -70 и ниже     2, 1- 2, 4 3, 3 - 3, 8       -15   2, 2 1 - 2, 2       -20   2, 5 - 2, 7       -269   1, 9 - 2, 2 1, 2 - 1, 3       -60   8 - 13   60 - 110     -20 - 60   3 - 4 до 15   65 - 80     -40   3 - 5 3, 5       -50  

 

Таблица 12.2

Коррозионная стойкость пластмасс в технологических и пищевых средах

 

    Среда       t, оС   Тип полимера
Фенопласт Полиамид Винипласт Поливинилхлорид Полистирол ПЭВД Фторопласт-3 Фторопласт-4 Полиметилметакрилат
Эксплуатационная среда
Ацетон   Бензол   ОС   С ОС   С НС   НС НС   НС ОС   НС ОС   НС С   ОС С   С НС   НС
Химические среды
Аммоний углекислый (насыщенный)   Глюкоза насыщенная   Жиры растительные и животные         -   -     -   -   -     С   С   ОС     -   С   -     -   -   -     -   С   ОС     С   С   С     -   С   С     С   С   С     С  
Продолжение табл. 12.2
Серная кислота   Муравьиная кислота (50 %)   Уксусная кислота (25 %)   Соляная кислота (20 %)   Соляная кислота (20 %)                 -     -     -     -     - -     -     НС     НС     С С     С     С     С     - -     -     -     -     - -     -     -     НС     - С     -     НС     С     - -     -     -     -     - -     С     С     -     - ОС     -     НС     С     -
Соли
Натрий углекислый (насыщенный)   Натрий хлористый (3 %)   Натрий хлористый (20 %)         -   НС     - -   -     С С   С     С -   -     - -   С     С С   С     С -   -     - С   С     С -   -     С
Окончание табл. 12.2
Агрессивные среды пищевой промышленности
Молочнокислые продукты   Сахарный сироп (22 %)   Продукты переработки мяса (pH = 5, 5…7, 4)   Соки плодово-ягодные (кислотность по серной кислоте)   Продукты переработки рыбы             -   -     -     -     -   - -     НС     -     -   С С     С     С     ОС   - -     -     -     НС   - С     С     -     -   - С     -     С     С   - -     -     -     -   - -     -     -     С   - -     -     С     НС   С

Таблица 12.3

Использование полимерных материалов, разрешенных для изготовления деталей

технологического оборудования, работающих в непосредственном контакте с пищевыми средами

 

Материал Назначение
Винипласт   Капролон, капролактам     Пенопласт ФРП-1-УС   Пенопласт ФРП-1     Полиамид-6, ПА6-110, №21     Полипропилен модифицированный марки 02П, 03П, 04П Детали машин и аппаратов, контактирующих с пищевыми средами, трубопроводы в молочной промышленности и молочная тара (марки 449, 450, 468), емкости под растительное масло (марки П-73, П-74 и др.)   Детали машин и аппаратов, контактирующих непосредственно с мясными и молочными продуктами   Материал для теплоизоляции в конструкции судовых трюмов   Для изоляции холодильных камер на предприятиях мясомолочной и рыбной промышленности, в фургонах для перевозки продуктов   Детали машин, имеющие контакт с мукой и манной крупой, детали фильтров мельничного оборудования и др.   Изделия для аппаратов пищевой промышленности, работающие при температурах до 80 0С (жесткие емкостные изделия) и до 100 0С (пленочные изделия)    
Окончание табл. 12.3
Полистирол ударно-прочный   Полистирол общего назначения     Полиуретан листовой, термопластичный   Фторопласт     Тара в кондитерской, рыбоперерабатывающей промышленности, при переработке хлебопродуктов, для изделий, соприкасающихся с сухими сыпучими пищевыми продуктами   Для изделий, испытывающих многократные контакты при комнатной температуре с сухими сыпучими продуктами, фруктами, овощами, ягодами; упаковочный материал   Для различных материалов мельничного оборудования (сепараторов, шлюзовых затворов и др.)   Изготовление различных деталей при производстве пива, безалкогольных напитков (сильфоны, прокладки и др.), детали тесторазделочных линий, транспортеров в хлебопекарной промышленности, уплотнительных колец в центробежных насосах молочной промышленности, различной тары для упаковки рыбных продуктов и колбасных изделий  

 







Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 1470. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Вычисление основной дактилоскопической формулы Вычислением основной дактоформулы обычно занимается следователь. Для этого все десять пальцев разбиваются на пять пар...

Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Характерные черты немецкой классической философии 1. Особое понимание роли философии в истории человечества, в развитии мировой культуры. Классические немецкие философы полагали, что философия призвана быть критической совестью культуры, «душой» культуры. 2. Исследовались не только человеческая...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит...

Кран машиниста усл. № 394 – назначение и устройство Кран машиниста условный номер 394 предназначен для управления тормозами поезда...

Задержки и неисправности пистолета Макарова 1.Что может произойти при стрельбе из пистолета, если загрязнятся пазы на рамке...

Вопрос. Отличие деятельности человека от поведения животных главные отличия деятельности человека от активности животных сводятся к следующему: 1...

Расчет концентрации титрованных растворов с помощью поправочного коэффициента При выполнении серийных анализов ГОСТ или ведомственная инструкция обычно предусматривают применение раствора заданной концентрации или заданного титра...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2023 год . (0.003 сек.) русская версия | украинская версия