2. Пластические массы и их свойства

2.1. Общая характеристика пластмасс

Пластическими массами (или пластмассами) называют материалы на основе полимеров. В зависимости от вида входящего полимера различают термопластичные и термореактивные пластмассы. Полимеры, являющиеся основой любой пластмассы, определяют ее свойства и технологию получения изделий из пластмасс.

По составу пластмассы могут быть простые, состоящие из чистого полимера, и многокомпонентные, включающие в себя кроме полимера технологические добавки различного назначения, такие как наполнители, отвердители, стабилизаторы, красители и т.д.

Наполнители вводят для улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств пластмасс, уменьшения усадки при отверждении, повышения их стойкости к действию агрессивных сред, а так же для экономии полимера. В качестве наполнителей могут использоваться древесные отходы, хлопковые очесы, мел, тальк, слюду, асбест, ткани, бумагу, металлические порошки и т.д.

Пластификаторы – специальные добавки, вводимые в пластмассы с целью повышения эластичности, а так же пластичности. Они повышают их морозостойкость за счет снижения температуры стеклования полимеров, а за счет снижения температуры текучести облегчают переработку пластмасс. В качестве пластификаторов используют камфору, олеиновую кислоту и др.

Стабилизаторы – вещества замедляющие процесс старения полимеров т.е. уменьшают необратимые изменения свойств пластмасс под влиянием окружающей среды.

Отвердители вводят в реактопласты в количестве нескольких процентов для соединения полимерных молекул химическими связями. При этом линейная структура полимера превращается в трехмерную (сетчатую), а молекулы отвердителя становятся частями этой сетки. В качестве отвердителей используют серу, органические перекиси и другие соединения.

Красители – вещества, которые добавляют для окрашивания пластмасс. Они могут быть как органические, так и неорганические.

В состав пластмасс могут входить и специальные добавки для снижения горючести, ускорения или замедления отверждения и т.д.

2.2. Основные свойства пластмасс

Основными положительными свойствами пластмасс являются достаточно высокая удельная прочность, теплоизоляционные свойства, шумопоглощяющие и вибропоглощяющие свойства. Пластмассы характеризуются малой плотностью (1 – 2 г/см³), низкой теплопроводностью (0,1 – 0,3 Вт/мК), значительным тепловым расширением – в 20 –30 раз больше, чем у стали [(15 – 100)  10^{-6 о}С^-1], хорошими электроизоляционными свойствами (  10⁶ Ом  м), а также фрикционными и антифрикционными свойствами.

К недостаткам пластмасс можно отнести невысокую теплостойкость (100 – 200 ^оС), низкую твердость (30 – 600 МПа), модуль упругости (300 – 600 МПа) и ударную вязкость (4 – 160 кДж/м²), старение под действием света, температуры и влаги, а также анизотропию свойств. Интенсивность старения определяется условиями эксплуатации и структурой пластмасс. При старении пластмасс поисходит как разрыв молекул на куски, так и соединение кусков и самих молекул друг с другом поперечными связями (деструкция).

Влаго- и водостойкость полимеров зависят от их химической природы. Например, полиэтилен, полистирол и фторопласты практически не поглощают воду и водяные пары, а полиамиды и полиуретан заметно поглощают воду.

Большинство полимеров стойки против долговременного действия агрессивных сред, включая щелочи и концентрированные кислоты. Их применяют для изготовления защитных покрытий на металлы. В отличие от металлов полимеры не подвержены электрохимической коррозии.

Особенности механических свойств пластмасс определяют ряд характеристик полимеров, таких как: способность полимеров к большим обратимым деформациям, способность полимеров приобретать анизотропию свойств и сохранять ее при прекращении механического воздействия, а также способность их под действием силовых нагрузок претерпевать химические превращения.

Механические свойства этих материалов существенно зависят от структурных особенностей полимеров и степени полимеризации. Так, например, увеличение степени полимеризации n приводит к увеличению суммарной величины силы межмолекулярного притяжения, т.е. увеличению прочности материала. Примером может служить полиэтилен с разной степенью полимеризации: при n = 20 он представляет собой жидкость, при n = 200 – твердую эластичную массу, а при n = 600 – прочный твердый материал.

Прочностные характеристики пластмасс зависят также от конфигурации и взаимного расположения макромолекул. Линейные (свернутые в клубок) молекулы обеспечивают эластичность и растворимость полимера. Вытянутые линейные молекулы, расположенные параллельно (результат ориентации), придают ему прочность в направлении вытяжки, но уменьшают эластичность. Сшивка молекул повышает прочность, уменьшает растворимость, лишает вещество плавкости. Густосетчатая структура полимера обеспечивает получение пространственной макромолекулы, обладающей прочностью, жесткостью при почти полном отсутствии растворимости и эластичности.

Под действием механического нагружения в пластмассах развиваются упругие, высокоэластические и пластические деформации. Упругая деформация обратима и развивается со скоростью звука. При снятии нагрузки она также быстро исчезает, как и развивается. Она составляет небольшую величину от общей деформации и обусловлена изменением межмолекулярных расстояний, а также деформацией валентных углов макромолекул. Высокоэластическая деформация также обратима, но, обусловленная изменением равновесного расположения звеньев макромолекул, достигает очень больших величин (более 200%). Эта деформация развивается и исчезает при разгрузке медленно (минуты, часы, сутки). Пластическая деформация – это необратимая деформация, обусловленная относительным сдвигом макромолекул.