книги / Механическая обработка пластиков

11

В настоящее время наиболее распространенными видами пластмасс являются термопласты на основе полиолефинов (полиэтилен, полипропилен), также значительна доля хлорсодержащих пластиков (поливинилхлорид) и полиамидов, содержащих амидные группы (капрон). Широко распространены фторопласты (фторопласт 4), которые обладают высокой химической и температурной стойкостью, акриловые пластики на основе акриловой кислоты (плексиглас). Акрилонитрилбутадиенстирольные (АБС) пластики нашли широкое применение в качестве конструкционных благодаря высокой ударной прочности и теплостойкости.

Современные пластики делятся:

–на конструкционные (температура плавления 100–150 °С). На основе полиамида, поликарбоната, полиоксиметилена и др.

–суперконструкционные (температура плавления выше 150 °С). На основе полиэфиримидов, полифениленсульфида и др.

Применение перечисленных пластиков обеспечивает для изделий:

–температурную и размерную устойчивость, возможность использования в широком температурном диапазоне;

–снижение массы конструкции при сохранении требуемой прочности;

–высокий уровень электрической стойкости. Конструкционные полимеры могут быть наполненными с

целью улучшения механических, технологических или иных функциональных свойств (стекловолокно, углеволокно).

Антифрикционными пластиками являются полиамиды, фторопласты полипропилен и др. Они имеют низкий коэффициент трения по стали: безсмазки0,1–0,2, с маслянойсмазкой0,05–0,1.

Перспективной маркой полиамида является ПА-66, который используют вместо ПА-6 (капролон), когда необходимо увеличить жесткость материала. Материал обладает хорошей износостойкостью и малым коэффициентом трения, поэтому в парах трения при его применении не требуется смазка. При этом недостатком материала является высокая гигроскопичность.

12

ПА-66 применяют в качестве материала шкивов, зубчатых колес, направляющих. С целью улучшения антифрикционных качеств в полиамиды можно вводить твердые смазки (дисульфид молибдена, графит).

Полиоксиметилен (ПОМ) обладает высокой ударопрочностью и усталостной прочностью, при этом стойкостью к влаге и маслам. Исходя из этого данный материал используют для тяжелонагруженных деталей машин. ПОМ используют для изготовления зубчатых колес, подшипников, эксцентриков. Детали из ПОМ хорошо сохраняют форму и могут работать в водной среде при значениях температуры до +70 °C.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) обладает высокой химической стойкостью и ударопрочностью. Его высокая износостойкость сохраняется до +80 °С. Недостатком данного материала является усадка при прессовании. СВМПЭ применяют в качестве материала подшипников, поршней.

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) обладает высокой жесткостью и термостойкостью, имеет рабочие значения температуры до +150 °C. ПЭТ обладает хорошей усталостной прочностью, электрической стойкостью, химической стойкостью. ПЭТ используется в качестве основы для композитов с добавлением стекловолокна. ПЭТ используют в электротехнике и автомобилестроении.

Полибутилентерефталат (ПБТ) обладает высокой жесткостью, теплостойкостью и гигроскопичностью. ПБТ используется в качестве основы для композитов с добавлением стекловолокна, которые имеют рабочие значения температуры до +140 °C. ПБТ используют для изготовления подшипников, зубчатых колес. Широко применяют в электротехнике и автомобилестроении.

Полиэфирэфиркетон (PEEK) обладает высокой прочностью и термостойкостью, имеет рабочие значения температуры до +240 °C. Также обладает целым рядом полезных свойств, таких как химическая стойкость, электрическая стойкость, устойчивость к воздействию радиации. При этом не устойчив к действию ультрафиолетового излучения. PEEK используют для изготовле-

13

ния подшипников скольжения, роликов, зубчатых колес, работающих в тяжелых условиях эксплуатации. Также PEEK широко используется в электротехнике.

Полиамидимид (PAI) сохраняет механическую прочность и жесткость в широком температурном диапазоне, стоек к износу и истиранию, ультрафиолетовому излучению и радиации. Имеет рабочие значения температуры до +250 °C. К недостаткам материала можно отнести сравнительно высокое влагопоглощение. PAI применяютдля изготовлениядеталей скольжения в компрессорах.

Полибензоимидазол (PBI) обладает высокой прочностью и термостойкостью, имеет рабочие значения температуры до +310 °C, также обладает стойкостью к радиационному излучению, возгоранию, диэлектрическими свойствами. PBI имеет низкий коэффициент теплового расширения и низкую дегазацию. Из-за высокой стоимости получения материала PBI используется только в полупроводниковой и аэрокосмической сферах. Механическая обработка PBI затруднена из-за высокой твердости материала.

Особый интерес представляют жидкокристаллические полимеры с молекулярной структурой Вектра. Жидкокристаллический полимерный расплав представляет собой набор стержневидных макромолекул. При нагревании и формовке жесткие макромолекулы упорядочиваются в волокна и фибриллы, а затем сохраняют структуру при охлаждении. Жесткая стержнеобразная структура приводит к значительному улучшению механических свойств в направлении ориентации волокон, увеличению эксплуатационной температуры до +240 °C, очень низкой вязкости расплава, высокой размерной точности, низкому коэффициенту линейного расширения, сравнимому со сталью и керамикой.

Перспективным направлением является и применение длинноволоконных термопластичных материалов (Цельстран, Тикона). Их получают путем добавления в термопласты усиливающего волокна длиной 10–15 мм из различных материалов (стекла, угля, стали). Производство осуществляется методом пултрузии.

14

1.3. Армирование как способ формирования физико-механических свойств полимерных композиционных материалов

Для придания пластикам большей прочности и износостойкости в них добавляют различные наполнители, например стекловолокно. Такие пластики называют армированными, т.е. упрочненными. Армированные пластики находят применение в различных отраслях машиностроения и строительства.

Армированные пластики обладают рядом отличительных качеств:

1.Высокая прочность материала при относительно низкой плотности, что позволяет облегчать конструкции машин. Это также ведет к уменьшению материалоемкости и в большинстве случаев себестоимости изделия.

2.Химическая стойкость, диэлектрические свойства. Это позволяет эффективно использовать данные материалы в химической

иаэрокосмическойотраслях промышленности, в электротехнике.

3.Пластичность материала матрицы при нагреве, что позволяет упростить технологии изготовления и ремонта деталей.

В настоящее время наиболее распространенным видом армированных пластиков являются стеклопластики. В них в качестве армирующих элементов используют стекловолокно, которое изготавливают в виде стеклотканей. Стеклоткани широко распространены, имеют низкую стоимость, поэтому именно стеклопластики получили такое широкое распространение. В настоящее время стеклопластики используются в судостроении, автомобилестроении, а также в сфере строительства.

В композицию стеклопластика, кроме связующего (смола), входят отвердитель, пигменты и другие добавки, регулирующие ее свойства. В табл. 1.2 приведены свойства стеклопластиков на основе различных смол. Стеклопластики на основе эпоксидной смолы являются наиболее прочными, также они обладают большей выносливостью и теплостойкостью. Однако стеклопластики на основе поли-

15

эфирной смолы имеют более низкую стоимость. В настоящее время всеуказанные виды связующих широко используются.

Таблица 1.2 Свойства стеклопластиков на основе различных связующих

Благодаря поиску новых материалов для аэрокосмической отрасли появились армированные пластики с добавлением углеродных волокон (углепластики), а затем и более прочных волокон типа кевлар.

Из табл. 1.3 видно, что по удельным прочностным свойствам армированные полимерные композиты намного превосходят металлические сплавы.

Армированные пластики классифицируют по следующим критериям:

1.Тип химической связи полимера (термореактивный или термопластичный).

2.Вид наполнителя (стеклянные, угольные и др.).

3.Форма армирующих элементов (частицы, волокна, ткани, пленки и др.).

4.Структура армирования (одно-, двух- и трехмерные).

5.Степень армирования (низкая – до 40 %; высокая – до 70 %; предельная – до 100 %).

16

6. Метод изготовления (экструзия, намотка, напыление, литье и др.).

Таблица 1.3

Свойства армированных пластиков и металлических сплавов

Армированные пластики на основе матрицы из термопластов обладают высокой ударной вязкостью и низкой твердостью, а на основе реактопластов, наоборот, низкой ударной вязкостью и высокой твердостью. В настоящее время идут работы по созданию гибридных связующих, которые бы сочетали термопластичные и термореактивные компоненты таким образом, чтобы иметь достоинства обоих типов полимеров.

1.4. Методы получения пластиков различного функционального назначения

Название пластики (пластмассы) говорит о способности данных материалов под действием нагревания и давления формироваться, а затем сохранять заданную форму после охлаждения. Под действием нагрева, когда материал переходит в вязкотекучее состояние, путем давления происходит придание материалу определенной формы, после чего материал охлаждается и отвердевает, сохраняя в будущем заданную форму.

Пластики обладают очень малой механической прочностью (примерно в 100 раз меньшей по сравнению с металлами), малой

17

плотностью, низкой проводимостью тепла, диэлектрическими свойствами. Пластики обладают химической инертностью, не чувствительны к влажности, обладают стойкостью к кислотам и другим агрессивным веществам, некоторые полимеры могут быть не чувствительны к органическим растворителям.

Некоторые пластики физиологически безвредны, и их используют для протезирования и имплантирования в организме человека, другие пластики являются потенциально опасными и вредными для здоровья.

Для получения требуемых свойств пластика к основной массе полимера могут добавлять стабилизаторы (замедляют процесс старения полимера), пластификаторы (улучшают пластичность), антипирены (замедлители горения), антиоксиданты (защищают полимер от действия тепла и кислорода), антистатики (уменьшают склонность к формированию статического электрического заряда), антибактериальные и антигрибковые добавки.

Например, действие гидроксида алюминия заключается в том, что под действием высокой температуры выделяется вода, которая препятствует горению. Пирофосфат аммония вызывает обугливание, в результате стеклообразный слой пирофосфатов приводит к изоляции пластика от кислорода, что препятствует распространению огня.

Синтетические пластики производят за счет использования реакций полимеризации, поликонденсации, полиприсоединения исходных низкомолекулярных веществ (мономеров), которые выделяют изнефти, газа, угля (этилен, бензол, фенол, ацетилен и др.).

Пластики также могут быть композитными (многокомпонентными), т.е. состоять из основного полимера (матрица), в состав которого добавлены другие вещества (наполнитель). Как правило, в качестве наполнителя используют частицы или волокна, обладающие более высокой прочностью, с целью армирования основного материала.

При изготовлении армированных пластиков широко используют олигомеры (эпоксидные, фенолформальдегидные и др.).

18

Во время пропитки они являются вязкими жидкостями, а затем под действием отвердителя превращаются в реактопласты.

Термопласты для изготовления деталей поставляются в виде гранул (4–5 мм).

Для получения конечного изделия пластик может быть подвергнут одному или нескольким методам обработки:

1.Экструзия – процесс формовки пластиков, при котором происходит продавливание нагретого пластика (находящегося в вязко-текучем состоянии) через формующее отверстие специального устройства (экструдера).

2.Пултрузия – процесс формовки пластиков (длинномерные профильные изделия) путем протягивания композиции из полимера и армирующих волокон через формообразующее устройство (пултрузионную головку). При пултрузии рабочим воздействием служит тянущее усилие.

3.Литье, прессование.

4.Сварка.

5.Механическая обработка.

В настоящее время, с появлением новых видов армированных пластиков, ведутся работы по совершенствованию технологий их получения и обработки, совершенствуются способы намотки, пултрузии, впрыска в закрытую форму и др.

Инновационной технологией изготовления армированных пластиков с термопластичной матрицей является их изготовление из смеси волокон, при котором некоторые волокна расплавляются и таким образом связывают другие волокна.

1.5.Проблемы вторичной переработки

иутилизации пластиков

Для более рациональной утилизации пластиковых отходов Обществом пластмассовой промышленности в 1988 г. была предложена система маркировки для всех видов пластика (табл. 1.4). Маркировка пластика состоит из треугольника в форме стрелок,

19

внутри которого находится код, обозначающий тип пластика. Также при маркировке под треугольником указывается буквенное обозначение типа пластика.

Таблица 1.4

Международные универсальные коды переработки пластиков

20