Радиационная стойкость – способность противостоять ионизации и возбуждению, из-за которых происходит разрыв связей и образование свободных радикалов. Основными вредными проявлениями являются сшивание цепей или деструкция. При сшивании увеличивается молекулярная масса, повышается теплостойкость и механические свойства.
При деструкции происходит снижение молекулярной массы и уменьшение прочности. Деструкция характерна для полипропилена, полиэтилена и полиамида. Наиболее устойчивы к радиации бензолы (полистирол). Устранение вредного влияния радиации достигается введением антирадов – ароматических аминов, устраняющих энергию возбуждения и обеспечивающих ее рассеяние.
Вакуумстойкость полимеров. При вакуумировании возможно ухудшение свойств из-за выделения добавок из материала (пластификаторов, стабилизаторов) и деструкция. К примеру, это может быть деполимеризация. К потере вакуумстойкости склонны полиэтилен, полипропилен, полиамиды. Оценка вакуумстойкости проводится по газопроницаемости, газовыделению и вакуумплотности.
Газопроницаемость – это способность пропускать газ через уплотнитель. На газопроницаемость влияют состав, структура, природа газа, температура. Газопроницаемость меньше у полярных и линейных полимеров, выше у гибких макромолекул, при введении пластификаторов, и в меньшей степени при введении минеральных наполнителей.
Абляция – разрушение материала, сопровождаемое уносом его массы газовым потоком.
Ее характеризуют через абляционную стойкость. Она определяется устойчивостью к механической, тепловой и термоокислительной деструкции. Для линейных полимеров характерна низкая стойкость к деструкции и деполимеризации, для лестничных и сетчатых характерно структурирование и обезуглероживание. Для повышения абляционной стойкости материала, его армируют более теплопроводящими материалами, например, железом.
Адгезия – это слипание разнородных тел из-за межмолекулярного взаимодействия. Это явление используется при нанесении пленок и покрытий. Для полимеров может встречаться и аутогезия – самослипаемость. Ее причинами являются адсорбция, электростатическое притяжение, диффузия макромолекул.
ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Пластмассы – массы, получаемые на основе органических полимерных связующих. Они способны при нагреве быть пластическими, а отверждаются при дальнейшем нагреве или охлаждении.
Состав, классификация и свойства пластмасс.
В состав пластических масс входят:
1. Связующие (синтетические смолы, эфиры, целлюлозы) и наполнители – порошкообразные или волокнисты. При пропитке наполнителя связующими и их опрессовывании получается монолитная масса.
2. Наполнители служат для повышения механических свойств, снижения усадки и придания специфических свойств.
3. Пластификаторы повышают эластичность и облегчают обработку.
4. Отвердители – амины
5. Катализаторы – перекисные соединения для ускорения отвержения термореактивных полимеров
6. Ингибиторы предохраняют массы от самопроизвольного отвержения
7. Красители.
Свойства пластмасс определяются составом компонентов, сочетанием компонентов и их количественным соотношением.
Классификация пластмасс.
Пластмассы классифицируют
1. по типу связующего
1.1. термопласты – удобны, усадка менее 1-3%, упруги, нехрупки, способны ориентироваться и иметь ориентационное упрочнение.
1.2. реактопласты – хрупки, усадка до 10-15%, для повышения их свойств вводят усиливающие или пластифицирующие наполнители.
2. По виду наполнителя
2.1. порошковые (карболиты) – наполнителем является древесная мука, графит, тальк
2.2. волокнистые – в качестве волокна используют очесы хлопка или льна, стекловолокно, асбест.
2.3. слоистые – используют листовые наполнители
2.4. газонаполненные – пено-поропласты, где наполнителем является воздух или нейтральные газы.
3. По применению
3.1. силовые – конструкционные, фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные
3.2. несиловые – прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, декоративные, уплотнительные.
Особенности пластмасс
Их достоинствами являются:
1. малая плотность 1-2 т/м3
2. низкая теплопроводность 0.1 – 0,3Вт/мК
3. Электроизоляционные свойства
4. химическая стойкость
5. антифрикционность
6. прочность
7. технологичность.
Недостатками являются:
1. низкая теплостойкость
2. высокое тепловое расширение (в 10-30 раз больше, чем у стали)
3. низкая упругость и вязкость
4. склонность к старению
ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Термопласты – полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда с пластификатором. Свойства – Траб – обычно не выше 60-700С, теплостойкие до 150-2500С, термостойкость с жесткими цепям и циклическими структурами – до 400 – 6000С.
Особенности эксплуатации – при эксплуатации происходит снижение прочности и вынужденная эластичность при длительном статическом нагружении. – повышение хрупкости с ростом скорости деформации. Прочность – 10-100МПа, модуль упругости 1,8-3,5х103 МПа. Хорошо сопротивляются усталости сигма 0,2-0,3 от предела прочности.
Виды термопластов – полярные и неполярные. Неполярные – полиэтилен, полипропилен, полистирол, фторопласт 4. Полярные термопласты – фторопласт 3, ПВХ, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталаты, поликарбонаты, полиакрилат, пентапласты, полиформальдегиды.
Термостойкие пластики
Термостойкость обеспечивается за счет введения фениленовых звеньев, что обеспечивает работоспособность при 4000С и при замене гибких звеньев на жесткие гетероциклические, что повышает Траб до 6000С. Виды термостойких пластиков: ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфоны, гетероциклические полиимиды.
Термопласты с наполнителями
Связующим является полимерная основа. Наполнители – стекловолокно, асбест, органические волокно, углеродные волокна и пр. Волокнистые наполнители образуют каркас и упрочняют материал. Промышленное использование имеют полиамиды и поликарбонаты, наполненные рубленным стекловолокном. Это повышает прочность до 90-149 МПа, обеспечивает повышенное сопротивление усталости и износу при Тисп 60-1800С.
Перспективны термопласты с синтетическим наполнителем – пропиленом, капроном, лавсаном, винолом. При близкой химической природе и типе связей обеспечивается совместная работа на упрочнение и рост длительной прочности в десятки раз.
Слоистые термопласты – в них используются ткани из различных волокон. Пример: полиамид, армированный стеклотканью, имеет предел прочности 430 МПа, предел текучести 280 МПа, ударную вязкость а = 250 КДж/м2, Тисп = 2200С.
ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ ПЛАСТМАССЫ
Связующими являются термореактивные смолы с пластификаторами, отвердителями, катализаторами, замедлителями и пр. Смола склеивает слои наполнителя, что необходимо для прочности при расслаивании. Адгезивность обеспечивается полярностью.
Виды связующих – фенолформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные смолы, имеющие наибольшею адгезию. Это дает возможность использовать армированные пластики. Они обладают высокой прочностью.
Теплостойкость кремнийорганических смол 260-3700С, фенолформальдегидных до 2600С, эпоксидных до 2000С.
Для крупногабаритных деталей используют непредельные полиэфиры и эпоксидные смолы. Они твердеют не только при повышенной, но и нормальной температуре без усадки и выделения вредных веществ.
Используются наполнители – порошковые, волокнистые, слоистые. В качестве порошковых используют органические (древесная мука), минеральные (молотый кварц, асбест, слюда, графит). Порошковые пластмассы отличают изотропность, низкая прочность и вязкость. Их применяют в несиловых конструкциях. Пластмассы с минеральными наполнителями имеют хорошую водостойкость, химическую стойкость, электроизоляционность.
ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ПЛАСТМАССЫ
Газонаполненные пластмассы – это гетерогенные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Структура состоит из связующих, образующих стенки пор или ячеек с распределенной в них газовой фазой. Основными свойствами являются малая масса и высокие тепло и звукоизолирующие свойства.
Основные виды газонаполненных пластмасс – пенопласты, поропласты, сотопласты.
Пенопласты. В них ячеистая структура представлена газообразным наполнителем и изолирована друг от друга тонкими слоями полимерного связующего. Свойства: плавучесть, термоизоляционность, невысокая прочность. Используются пенополистирол ПС с Тисп до +-600С, фенолкаучуковые ФК Е120-1600С, пенополиэпоксиды и др.
Поропласты – губчатые материалы с открытопористой структурой, где включения газа свободно сообщаются между собой и атмосферой. Применяются для водопоглощения и пр.
Сотопласты – тонколистовые материалы в виде гофра, склеиваются в виде пчелиных сот. В качестве материала в настоящее время используются ткани.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАСТМАСС
1. снижение материалоемкости за счет малой массы в 4-5 раз
2. снижение трудоемкости вместо литья, ковки и резания только формообразование – в 4-5 раз, например, вместо 30-50 операций производится только одна – литье.
3. снижение капиталовложений на оборудование и инвентарь – в 4-6 раз.
4. себестоимость продукции уменьшается в 2-3 раза, дешевле цветных металлов в 4-9 раз, дешевле черных металлов в 2-6 раз.
2.2. Методические основы выбора пластмасс
Применение пластмасс в изделиях эффективно только в том случае, если материал выбирается с учетом условий эксплуатации и режима формования изделий. Поэтому сначала выбирают вид пластмассы исходя из требований к ее эксплуатационным свойствам, а затем базовую марку и марку с улучшенными эксплуатационными и технологическими свойствами, которая эффективно перерабатывается заданным методом.
Методы выбора вида пластмассы по заданным требованиям эксплуатации различны. Если трудно задать точные значения параметров эксплуатационных свойств пластмассы, обеспечивающие работоспособность изделия в заданных условиях эксплуатации, а можно указать только требования к эксплуатационным свойствам и ориентировочные значения параметров этих свойств, можно воспользоваться методом аналогий.
Подобрать пластмассу по методу аналогий можно используя классификацию пластмасс по эксплуатационному назначению и анализируя сведения о различных полимерах и марках с улучшенными эксплуатационными свойствами, характере эксплуатационных свойств, назначении, достоинствах, ограничениях и рекомендаций по применению и способам переработки.
При выборе пластмасс по методу аналогий можно использовать рекомендации по применению пластмасс для различных типов изделий, работающих в условиях аналогичных заданным. Например, определяют к какому типу изделий относится данное и выбирают пластмассу из рекомендованных для этого типа изделий.
Подбор пластмасс осложняется тем, что параметры эксплуатации оказывают очень сильное влияние на их эксплуатационные свойства. Для правильного выбора пластмасс нужно знать изменение их эксплуатационных свойств в зависимости от параметров эксплуатации.
Другим подходом к выбору пластмасс является выбор по комплексу заданных значений параметров эксплуатационных и технологически свойств. Этот метод применяют, когда можно задать весь комплекс требуемых значений параметров эксплуатационных свойств пластмассы, обеспечивающий работоспособность изделия в заданных условиях эксплуатации. Он основан на сопоставлении заданных параметров эксплуатационных свойств с параметрами эксплуатационных свойств различных пластмасс. Отбирают пластмассы, параметры эксплуатационных свойств которых наиболее точно соответствуют заданным. Для выбора пластмасс разрабатывают банк справочных данных по параметрам свойств различных полимеров и марок на их основе с улучшенными эксплуатационными свойствами.
Первоначально подбирают базовую марку полимера в зависимости от метода переработки. Наиболее существенным показателем перерабатываемости полимера является его вязкость. В каталогах на полимеры указывают назначение каждой базовой марки полимера по вязкости – литьевые, экструзионные, для прессования и т.д. Далее подбирают базовую марку полимера по вязкости в зависимости от конфигурации и размеров изделия. Сравнительно просто подобрать базовую марку для получения экструзионных изделий. В каталогах на пластмассы обычно приводятся конкретные рекомендации по применению экструзионных марок. Порядок выбора литьевых марок для изготовления литьевых изделий более сложен.
Выбор марки с улучшенными технологическими свойствами выбирают на основе базовых с использованием справочной информации о выпускаемых типах марок с улучшенными технологическими свойствами, назначения, экономических эффектах, которые дает применение марок, рекомендациях по применению марок для различных изделий. Основная линия пластмасс для данного применения по вязкости может быть найдена по рис.2.4.
Рис. 2.4. Распределение базовых марок полимеров по методам переработки в зависимости от вязкости.
Распределение базовых марок полимеров по методам переработки и характерным группам изделий приведены в табл.2.1.
Табл. 2.1. Распределение базовых марок полимеров по методам переработки и характерным группам изделий [2]
2.3. Материалы для изготовления уплотнений арматуры
Пластмассы широко используются для седел арматуры. Благодаря им появился целый класс арматуры, называемый арматурой с мягкими уплотнениями. С качественным ростом их свойств и упрощения их переработки, количество используемых пластмасс, например, взамен резиновых и, особенно металлических седел и уплотнений будет возрастать.
В настоящее время пластмассы наиболее широко используются для изготовления деталей или для облицовки внутренних поверхностей, непосредственно соприкасающихся с коррозионными средами.
В и н и п л а с т представляет собой твердую негорючую пластмассу, получаемую путем термической пластификации поливинилхлоридных смол. Обладает высокой химической стойкостью против действия многих агрессивных сред – кислот, щелочей и их растворов. Из винипласта изготовляются детали кранов и пр. Он используется также в качестве материала для защитного покрытия. Применяется для рабочей среды с температурой до 40…60°С.
Среди неметаллических коррозионно стойких материалов особое место занимает ф т о р о п л а с т (политетрафторэтилен C2F4), так как является наиболее коррозионностойким пластмассовым материалом. Молекулу фторопласта можно представить в виде молекулы полиэтилена, в которой атомы водорода замещены атомами фтора. В разных странах он получил разное название: в США – тефлон, галон; в Англии – флюон; в Японии – полифлон; во Франции – сорефлон; в Италии – альгофлон; в ФРГ – хостафлон.
Наибольшее применение получил фторопласт 4, выпуск которого составляет 80 – 90% от всех фторполимеров. Он представляет собой порошок белого цвета плотностью 2,2 г/см3. Фторопласт при нагревании до 327°С плавится, но расплав имеет высокую вязкость и остается в высокоэластичном состоянии до температуры 415°С, выше которой он разлагается с выделением ядовитого газа.
Фторопластовые детали изготавливают механической обработкой из заготовок в виде труб или листов, которые получаются прессованием порошка при давлении 35…100 МПа и последующим спеканием при температуре 365…385°С. Таблетки из фторопласта, полученного эмульсионным методом полимеризации, можно перерабатывать способом экструзии при давлении 10…120 МПа, получая, таким образом, трубы, ленты, профили. После экструзии изделия подвергают спеканию при температуре 370°С.