Пластичні маси. Велика радянська енциклопедія

30.09.2015

Російські універсальні енциклопедії

Брокгауз-Єфрон і Велика Радянська Енциклопедія

об’єднаний словник

Пласт і етичні м а сси, пластмаси, пластики, матеріали, що містять у своєму складі полімер , який в період формування виробів знаходиться в вязкотекучому або існувати у високоеластичном стані, а під час експлуатації в склоподібному або кристалічному стані. Залежно від характеру процесів, що супроводжують формування виробів, П. м. ділять на реактопласти і термопласти. До числа реактопластів відносять матеріали, переробка у вироби яких супроводжується хімічною реакцією утворення сітчастого полімеру — затвердінням; при цьому пластик необоротно втрачає здатність переходити у в’язкотекучий стан (розчин або розплав). При формуванні виробів з термопластів не відбувається затвердіння, і матеріал у виробі зберігає здатність знову переходити в в’язкотекучий стан.

П. м. зазвичай складаються з декількох взаємно поєднаних і несовмещающихся компонентів. При цьому, крім полімеру, до складу П. м. можуть входити наповнювачі полімерних матеріалів. пластифікатори , знижують температуру плавлення і в’язкість полімеру, стабілізатори полімерних матеріалів , уповільнюють його старіння, барвники та ін. П. м. можуть бути однофазними (гомогенними) чи багатофазними (гетерогенними, композиційними) матеріалами. В гомогенних П. м. полімер є основним компонентом, що визначає властивості матеріалу. Інші компоненти розчинені в полімері і здатні покращувати ті чи інші його властивості. В гетерогенних П. м. полімер виконує функцію дисперсійного середовища (сполучного) по відношенню до дисперговані у ньому компонентів, що становлять самостійні фази. Для розподілу зовнішнього впливу на компоненти гетерогенного пластику необхідно забезпечити міцне зчеплення на кордоні контакту сполучного з частинками наповнювача, що досягається адсорбцією або хімічною реакцією сполучного з поверхнею наповнювача.

Наповнені пластики. Наповнювач в П. м. може бути в газовій або конденсованій фазах. В останньому випадку його модуль пружності може бути нижче (низькомодульної наповнювачі) або вище (високомодульні наповнювачі) модуля пружності сполучного.

До числа газонаповнених пластиків відносять пінопласти — матеріали найлегші з усіх П. м.; їх удавана щільність становить зазвичай від 0,02 до 0,8 г/см 3 .

Низькомодульної наповнювачі (їх іноді називають эластификаторами), в якості яких використовують еластомери, не знижуючи теплостійкості і твердості полімеру, надають матеріалу підвищену стійкість до знакозмінних і ударних навантажень (див. табл. 1), запобігають проростанню мікротріщин в сполучному. Однак коефіцієнт термічного розширення эластифицированных П. м. вище, а деформаційна стійкість нижче, ніж монолітних зв’язуючих. Еластіфікатор диспергируют в сполучному у вигляді частинок розміром 0,2—10 мкм. Це досягається полімеризацією мономеру на поверхні частинок синтетичних латексів , затвердінням олігомеру, у якому дисперговані еластомер, механічним перетиранием суміші твердого полімеру з еластомером. Наповнення повинно супроводжуватися утворенням сополімеру на межі розділу частинок эластификатора зі сполучною. Це забезпечує кооперативну реакцію сполучної і эластификатора на зовнішній вплив в умовах експлуатації матеріалу. Чим вище модуль пружності наповнювача і ступінь наповнення ним матеріалу, тим вище деформаційна стійкість наповненого пластику. Однак введення високомодульних наповнювачів у більшості випадків сприяє виникненню залишкових напружень в сполучному, а отже, зниження міцності і монолітності полімерної фази.

Властивості П. м. з твердим наповнювачем визначаються ступенем наповнення, типом наповнювача й сполучного, міцністю зчеплення на кордоні контакту, товщиною прикордонного шару, формою, розміром і взаємним розташуванням частинок наповнювача. П. м. з частинками наповнювача малих розмірів, рівномірно розподіленими по матеріалу, характеризуються изотропией властивостей, оптимум яких досягається при ступені наповнення, що забезпечує адсорбцію всього обсягу сполучного поверхнею частинок наповнювача. При підвищенні температури і тиску частина сполучного десорбується з поверхні наповнювача, завдяки чому матеріал можна формувати у вироби складних форм з крихкими армуючими елементами. Дрібні частинки наповнювача в залежності від їх природи до різних меж підвищують модуль пружності виробу, його твердість, міцність, надають йому фрикційні, антифрикційні, теплоізоляційні, теплопровідні або електропровідні властивості.

Для отримання П. м. низької щільності застосовують наповнювачі у вигляді порожнистих частинок. Такі матеріали (іноді звані синтактическими пінами), крім того, володіють хорошими звуко — і теплоізоляційними властивостями.

Застосування в якості наповнювачів природних і синтетичних органічних волокон, а також неорганічних волокон (скляних, кварцових, вуглецевих, борних, азбестових), хоча і обмежує вибір методів формування і ускладнює виготовлення виробів складної конфігурації, але різко підвищує міцність матеріалу. Зміцнююча роль волокон в волокнитах , матеріалах, наповнених хімічними волокнами (т. н. органоволокнитах), карбоволокнитах (див. Углеродопласты ) і стекловолокнитах проявляється вже при довжині волокна 2-4 мм. З збільшенням довжини волокон міцність зростає завдяки взаємному їх переплетення і пониження напруги в сполучному (при высокомодульном наповнювачі), локалізованих по кінцях волокон. У тих випадках, коли це допускається формою вироби, волокна скріплюють між собою в нитки і тканини різного плетіння. П. м. наповнені тканиною (текстоліти ), відносяться до шаруватим пластикам, відрізняється анізотропією властивостей, зокрема високою міцністю уздовж шарів наповнювача і низькою в перпендикулярному напрямку. Цей недолік шаруватих пластиків частково усувається застосуванням т. н. объемнотканых тканин, в яких окремі полотна (шари) переплетені між собою. Сполучна заповнює нещільності переплетень і, отверждаясь, фіксує форму, надану заготівлі з наповнювача.

У виробах нескладних форм, і особливо в порожнистих тіл обертання, волокна-наповнювачі розташовані за напрямом дії зовнішніх сил. Міцність таких П. м. в заданому напрямку визначається в основному міцністю волокон; сполучна лише фіксує форму виробу і рівномірно розподіляє навантаження по волокнах. Модуль пружності і міцність при розтягуванні вироби уздовж розташування волокон досягають дуже високих значень (див. табл. 1). Ці показники залежать від ступеня наповнення П. м.

Для панельних конструкцій зручно використовувати шаруваті пластики з наповнювачем з деревного шпону або папери, у тому числі паперу з синтетичного волокна (див. Деревні пластики. Гетинакс ). Значне зниження маси панелей при збереженні твердості досягається застосуванням матеріалів тришарової, або сэндвичевой, конструкції з проміжним шаром з пінопласту або сотопласта.

Основні види термопластів. Серед термопластів найбільш різноманітне застосування поліетилену. полівінілхлориду полістиролу , переважно у вигляді гомогенних або эластифицированных матеріалів, рідше газонаповнених і наповнених мінеральними порошками або синтетичними органічними волокнами.

П. м. на основі поліетилену легко формуються і зварюються у вироби складних форм, вони стійкі до ударних і вібраційних навантажень, хімічно стійки, відрізняються високими електроізоляційними властивостями (діелектрична проникність 2,1—2,3) і низькою щільністю. Вироби з підвищеною міцністю і теплостійкістю отримують з поліетилену, наповненого коротким (до 3 мм ) скловолокном. При ступені наповнення 20% міцність при розтягуванні зростає в 2,5 рази, при вигині — в 2 рази, ударна в’язкість — у 4 рази і теплостійкість — в 2,2 рази.

Жорстка П. м. на основі полівінілхлориду — вініпласт , в тому числі еластифікованний (ударостійкий), формується значно важче поліетиленових пластиків, але міцність її до статичних навантажень набагато вище, повзучість нижче і твердість вище. Більш широке застосування знаходить пластифікований полівінілхлорид — пластикат . Він легко формується і надійно зварюється, а необхідне поєднання в ньому міцності, деформаційної стійкості і теплостійкості досягається підбором співвідношення пластифікатора і твердого наповнювача.

П. м. на основі полістиролу формуються значно легше, ніж з вініпласту, їх діелектричні властивості близькі до властивостей поліетиленових П. м. вони оптично прозорі і по міцності до статичних навантажень мало поступаються винипласту, але більш тендітні, менш стійкі до дії розчинників і горючі. Низька ударна в’язкість і руйнування внаслідок швидкого проростання мікротріщин — властивості, особливо характерні для полістирольних пластиків, усуваються наповненням їх еластомерами, тобто полімерами або сополімерами з температурою склування нижче — 40 °С. Еластифікованний (ударостійкий) полістирол найбільш високої якості одержують полімеризацією стиролу на частинках бутадієнстирольного або бутадієн-нітрильного латексу. Матеріал, названий АБС, містить близько 15% гель-фракції (блок — і прищеплені сополімери полістиролу і зазначених співполімерів бутадієну), складовою граничний шар і сполучає частинки еластомеру з матрицею з полістиролу. Морозостійкість матеріалу обмежує температура склування еластомеру, теплостійкість — температура склування полістиролу.

Теплостійкість перерахованих термопластів знаходиться в межах 60-80 °С, коефіцієнт термічного розширення високий і становить 1 • 10 -4 , їх властивості різко змінюються при незначній зміні температури, деформаційна стійкість під навантаженням низька. Частково позбавлені цих недоліків термопласти, які відносяться до групи іономіри, наприклад сополімери етилену, пропілену або стиролу з мономерами, що містять іоногенні групи (зазвичай ненасичені карбонові кислоти або їх солі). Нижче температури плинності завдяки взаємодії йоногенних груп між макромолекулами створюються міцні фізичні зв’язки, які руйнуються при розм’якшення полімеру. У иономерах вдало поєднуються властивості термопластів, сприятливі для формування виробів, з властивостями, характерними для сітчастих полімерів, тобто з підвищеною деформаційної стійкістю і жорсткістю. Проте присутність йоногенних груп у складі полімеру знижує його діелектричні властивості і вологостійкість.

П. м. з більш високою теплостійкістю (100-130 °С) і менш різкою зміною властивостей з підвищенням температури виробляють на основі поліпропілену. поліформальдегіду. полікарбонатів. поліакрилатів. поліамідів , особливо ароматичних поліамідів. Швидко розширюється номенклатура виробів, що виготовляються з полікарбонату, у тому числі наповнених скловолокном.

Для деталей, що працюють у вузлах тертя, широко застосовуються пластики з аліфатичних поліамідів, наповнених теплопровідними матеріалами, наприклад графітом.

Особливо високі хімічна стійкість, міцність до ударних навантажень і діелектричні властивості пластиків на основі політетрафторетилену та кополімерів тетрафторетилену (див. Фторопласты ). В матеріалах на основі поліуретанів вдало поєднується зносостійкість з морозостійкістю і тривалою міцністю в умовах знакозмінних навантажень. Поліметилметакрилат використовують для виготовлення оптично прозорих атмосферостійких матеріалів (див. також Скло органічне ).

Обсяг виробництва термопластів з підвищеною теплостійкістю і органічних стекол становить близько 10% загального обсягу всіх полімерів, призначених для виготовлення П. м.

Відсутність реакцій затвердіння під час формування термопластів дає можливість гранично інтенсифікувати процес переробки. Основні методи формування виробів з термопластів — лиття під тиском. екструзія. вакуумформование пневмоформование . Оскільки в’язкість розплаву високомолекулярних полімерів велика, формування термопластів на ливарних машинах або екструдерах вимагає питомих тисків 30-130 Мн/м = (300-1300 кгс/см 2 ).

Подальший розвиток виробництва термопластів спрямоване на створення матеріалів з тих же полімерів, але з новими комбінаціями властивостей, застосуванням эластификаторов, порошкових і коротковолокнистого наповнювачів.

Основні види реактопластів. Після закінчення формування виробів з реактопластів полімерна фаза набуває сітчасту (тривимірну) структуру. Завдяки цьому затверділі реактопласти мають більш високі, ніж термопласти, показники по міцності, модуля пружності, теплостійкості, втомної міцності, більш низький коефіцієнт термічного розширення; при цьому властивості затверділих реактопластів не настільки різко залежать від температури. Однак нездатність отверднених реактопластів переходити у в’язкотекучий стан змушує проводити синтез полімеру в кілька стадій.

Першу стадію закінчують одержанням олігомерів (смол) — полімерів з молекулярною масою 500-1000. Завдяки низькій в’язкості розчину або розплаву смолу легко розподілити по поверхні частинок наповнювача навіть у тому випадку, коли ступінь наповнення досягає 80-85% (по масі). Після введення всіх компонентів плинність реактопласта залишається настільки високою, що вироби з нього можна формувати заливкою (литтям), контактним формуванням, намотуванням. Такі реактопласти називаються преміксами в тому випадку, коли вони містять наповнювач у вигляді дрібних частинок, і препрегами, якщо наповнювачем є безперервні волокна, тканина, папір. Технологічна оснастка для формування виробів з преміксів і препрегів проста і енергетичні витрати невеликі, але процеси пов’язані з витримкою матеріалу в індивідуальних формах для затвердіння сполучного. Якщо смола затвердне по реакції поліконденсації, то формування виробів супроводжується сильною усадкою матеріалу і в ньому виникають значні залишкові напруги, а монолітність, щільність і міцність далеко не досягають граничних значень (за винятком виробів, отриманих намотуванням з натягом). Щоб уникнути цих недоліків, в технології виготовлення виробів зі смол, отверждающихся по реакції поліконденсації, передбачена додаткова стадія (після змішування компонентів) — предотверждение сполучного, здійснюване при вальцевании або сушці. При цьому скорочується тривалість подальшої витримки матеріалу у формах і підвищується якість виробів, однак заповнення форм із-за зниження плинності сполучного стає можливим тільки при тисках 25-60 Мн/м 2 (250-600 кгс/см 2 ).

Смола реактопластах може отверждаться мимовільно (чим вище температура, тим більше швидкість) або з допомогою поліфункціонального низькомолекулярного речовини — затверджувача.

Реактопласти з будь-яким наповнювачем виготовляють, застосовуючи в якості сполучного феноло-альдегідні смоли , часто эластифицированные поливинилбутиралем (див. Поливинилацетали ), бутадієн-нитрильным каучуком , поліамідами, полівінілхлоридом (такі матеріали називають фенопластами ), епоксидні смоли , іноді модифіковані феноло — або аніліно-формальдегідів смолами або отверждающимися олигоэфирами.

Високоміцні П. м. з термостійкістю до 200 °С виробляють, поєднуючи скляні волокна або тканини з отверждающимися олигоэфирами, феноло-формальдегідів або епоксидними смолами. У виробництві виробів, що довгостроково працюють при 300 °С, застосовують склопластики або асбопластики з кремнійорганічним сполучною; при 300-340 °С — полііміди в поєднанні з кремнеземными, азбестовими або вуглецевими волокнами; при 250-500 °С у повітряній і при 2000-2500 °С в інертному середовищах — фенопластові або пластики на основі поліамідів, наповнені вуглецевим волокном і піддані карбонізації (графитации) після формування виробів.

Високомодульні П. м. [модуль пружності 250-350 Гн/м 2 (25 000-35 000 кгс/мм 2 )> виробляють, поєднуючи епоксидні смоли з вуглецевими, боровими або монокристаллическими волокнами (див. також Композиційні матеріали ). Монолітні і легкі П. м. стійкі до вібраційних і ударних навантажень, водостійкі і зберігають діелектричні властивості і герметичність в умовах складного навантаження, виготовляють, поєднуючи епоксидні, поліефірні або меламіно-формальдегідні смоли з синтетичними волокнами або тканинами, папером з цих волокон.

Найбільш високі діелектричні властивості (діелектрична проникність 3,5—4,0) характерні для матеріалів на основі кварцових волокон і поліефірних або кремнійорганічних зв’язувальних.

Деревно-шаруваті пластики широко використовують у промисловості будматеріалів і в суднобудуванні.

Обсяг виробництва та структура споживання пластмас. Пластичні матеріали на основі природних смол (каніфолі, шелаку, бітумів та ін) відомі з давніх часів. Найстарішою П. м. приготовленої з штучного полімеру нітрату целюлози , є целулоїд, виробництво якого було розпочато в США в 1872 році. В 1906-10 в Росії та Німеччині в дослідному виробництві налагоджується випуск перших реактопластів — матеріалів на основі феноло-формальдегідної смоли. У 30-х рр. в СРСР, США, Німеччині та інших промислово розвинених країнах організується виробництво термопластів — полівінілхлориду, поліметилметакрилату, поліамідів, полістиролу. Однак бурхливий розвиток промисловості пластмас почалося тільки після 2-ї світової війни 1939-45. У 50-х рр. у багатьох країнах починається випуск самої великотоннажної П. м.— поліетилену.

В СРСР становлення промисловості П. м. як самостійної галузі відноситься до періоду довоєнних п’ятирічок (1929-40). Виробництво пластмас склало (в тис. т ): в 1940 — 24, в 1950 — 75, в 1960 — 312, в 1970 — 1673, в 1973 — близько 2300. Основні підприємства зосереджені в Європейській частині (84% загальносоюзного виробництва П. м.). До їх числа відносяться орєхово-зуєвський завод «Карболит», Казанський завод органічного синтезу, Полоцький хімічний комбінат, Свердловський завод пластмас, Володимирський хімічний завод, Горлівський хімічний комбінат, Московський нафтопереробний завод. В перспективі у зв’язку з створенням найбільших Томського і Тобольського нафтохімічних комплексів на базі Тюменських нафтових родовищ, розвитком Омського нафтохімічного комплексу та відповідних заводів пластмас близько 30% виробництва припадає на східні райони. Основні діючі підприємства в цих районах — кемеровський завод «Карболит», Тюменський завод пластмас.

Виробництво П. м. в 1973 в деяких промислово розвинених капіталістичних країнах характеризується наступними даними (тис. т ): США — 13200, Японія — 6500, ФРН — 6500, Франція — 2500, Італія — 2300, Великобританія — 1900.

У 1973 світове виробництво полімерів для П. м. досягло

43 млн. т. З них близько 75% припадало на частку термопластів (25% поліетилену, 20% полівінілхлориду, 14% полістиролу і його похідних, 16% інших пластиків). Існує тенденція до подальшого збільшення частки термопластів (в основному поліетилену) в загальному виробництві П. м.

Хоча частка термореактивних смол у загальному випуску полімерів для П. м. становить всього близько 25%, фактично обсяг виробництва реактопластів вище, ніж термопластів, з-за високої ступеня наповнення (60-80%) смоли.

Застосування П. м. в різних областях техніки характеризують дані (табл. 2).

Виробництво П. м. розвивається значно інтенсивніше, ніж у таких традиційних конструкційних матеріалів, як чавун і алюміній (табл. 3).

Споживання П. м. в будівництві безперервно зростає. При збільшенні світового виробництва П. м. в 1960-70 приблизно в 4 рази обсяг їх споживання у будівництві зріс у 8 разів. Це обумовлено не тільки унікальними фізико-механічними властивостями полімерів, але також і їх цінними архітектурно-будівельними характеристиками. Основні переваги П. м. перед ін. будівельними матеріалами — легкість і порівняно велика питома міцність. Завдяки цьому може бути істотно зменшена маса будівельних конструкцій, що є найважливішою проблемою сучасного індустріального будівництва. Найбільш широко П. м. (головним чином рулонні і плиткові матеріали) використовують для покриття підлог та ін оздоблювальних робіт (див. також Полімербетон ), герметизації, гідро — та теплоізоляції будівель, у виробництві труб та санітарно-технічного обладнання. Їх застосовують і у вигляді стінових панелей, перегородок, елементів покрівельних покриттів (у т. ч. світлопрозорих), віконних рам, дверей, пневматичних будівельних конструкцій, будиночків для туристів, літніх павільйонів та ін.

П. м. займають одне з провідних місць серед конструкційних матеріалів машинобудування. Споживання їх в цій галузі стає порівняним (в одиницях об’єму) зі споживанням стали. Доцільність використання П. м. в машинобудуванні визначається насамперед можливістю здешевлення продукції. При цьому поліпшуються також найважливіші техніко-економічні параметри машин — зменшується маса, підвищуються довговічність, надійність і ін З П. м. виготовляють зубчасті і черв’ячні колеса, шківи, підшипники, ролики, направляючі верстатів, труби, болти, гайки, широкий асортимент технологічного оснащення і ін

Основні переваги П. м. обумовлюють їх широке застосування в авіабудуванні,— легкість, можливість змінювати технічні властивості у великому діапазоні. За період 1940-70 число авіаційних деталей із П. м. збільшилася від 25 до 10 000. Найбільший прогрес у використанні полімерів досягнутий при створенні легких літаків і вертольотів. Тенденція до все більш широкого їх застосування характерна також для виробництва ракет і космічних апаратів, у яких маса деталей з П. м. може становити 50% від загальної маси апарату. З використанням реактопластів виготовляють реактивні двигуни, силові агрегати літаків (оперення, крила, фюзеляж і ін), корпуси ракет, колеса, стійки шасі, несучі гвинти вертольотів, елементи теплового захисту, підвісні паливні баки та ін. Термопласти застосовують у виробництві елементів скління, антенних обтічників, при декоративній обробці інтер’єрів літаків та ін. піно — і сотопласти — як заповнювачі високонавантажених тришарових конструкцій.

Області застосування П. м. в суднобудуванні дуже різноманітні, а перспективи використання практично необмежені. Їх застосовують для виготовлення корпусів суден і корпусних конструкцій (головним чином склопластики), у виробництві деталей суднових механізмів, приладів, для обробки приміщень, їх тепло-, звуко — та гідроізоляції.

В автомобілебудуванні особливо велику перспективу має застосування П. м. для виготовлення кабін, кузовів та їх великогабаритних деталей, т. к. на частку кузова припадає близько половини маси автомобіля і

40% його вартості. Кузова з П. м. більш надійні і довговічні, ніж металеві, а їх ремонт дешевше і простіше. Однак П. м. не отримали великого поширення у виробництві великогабаритних деталей автомобіля, головним чином із-за недостатньої жорсткості і порівняно невисокою атмосферостійкості. Найбільш широко П. м. застосовують для внутрішньої обробки салону автомобіля. З них виготовляють також деталі двигуна, трансмісії, шасі. Величезне значення, яке П. м. грають в електротехніці, визначається тим, що вони є основою або обов’язковим компонентом всіх елементів ізоляції електричних машин, апаратів та кабельних виробів. П. м. часто застосовують і для захисту ізоляції від механічних впливів і агресивних середовищ, для виготовлення конструкційних матеріалів та ін

Тенденція до усе більш широкого застосування П. м. (особливо плівкових матеріалів, див. Плівки полімерні ) характерна для всіх країн з розвиненим сільським господарством. Їх використовують при будівництві культиваційних споруд, для мульчування грунту, дражування насіння , пакування та зберігання с.-х. продукції і т. д. В меліорації і с.-г. водопостачання полімерні плівки служать екранами, запобігають втрати води на фільтрацію з зрошувальних каналів і водоймищ; з П. м. виготовляють труби різного призначення, використовують їх у будівництві водогосподарських споруд і ін

У медичній промисловості застосування П. м. дозволяє здійснювати серійний випуск інструментів, спеціального посуду і різних видів упаковки для ліків. В хірургії використовують пластмасові клапани серця, протези кінцівок, ортопедичні вкладки, тутори, стоматологічні протези, кришталики ока та ін

Лит.: Енциклопедія полімерів, т, 1-2, М. 1972-74; Технологія пластичних мас, під ред. Ст. Ст. Коршака, М. 1972; Лосєв В. П. Тростянська Е. Б. Хімія синтетичних полімерів, 3 изд. М. 1971; Пластики конструкційного призначення, під ред. О. Б. Тростянської, М. 1974.

Е. Б. Тростянська.

Табл. 1.—Властивості пластмас.

Короткий опис статті: пластмаси

Джерело: Пластичні маси / Велика радянська енциклопедія

Також ви можете прочитати