Наукоемкие технологии получения пластмасс, отвечающие эколого-экономическим показателям

3. Винипласт

 
      Винипласт ГОСТ 9639-71 является непластифицированной поливинилхлоридной смолой, получаемой путем полимеризации хлористого винила. Одним из главных достоинств винипласта, его исключительная антикоррозионная стойкость в химически анрессивных средах. Он легко обрабатывается, практически водонепроницаем, легко сваривается и склеивается. Недостаток – малая теплостойкость (до 60°С, и морозостойкость до - 30°С). Большой коэффициент линейного расширения( в 7 раз больше чем у стали) и малая ударная вязкость. Винипласт является самым дешевым термопластом, используется для гидроизоляции, в качестве кровельного покрытия. Весьма перспективным является армированный винипласт. В этом случае повышается прочность винипласта, и он может использоватся в несущих конструкциях.

 Стеклопластики и органопластики

Все выше перечисленные виды пластмасс  относятся к двум основным группам пластиков, это стеклопластики и органопластики.

                                                                                                              Таблица 1.

               Свойства полимерных композиционных  материалов

Тип материала	Арматурное волокно	Тип связующего	Плотность, ρ, кг/м²	Модуль упругости, МПа	Прочность при растяжении, МПа	Удельная жесткость , Дж/кг	Удельная прочность , Дж/кг	Тип полимера
Стекло-пластик	Стеклян-ное (Е стекло 65)	Эпоксидное	1880	60,7	1360	32,5	0,72	Термопласт, реактопласт
Органопластик	Органическое (Кевлар 49)	Эпоксидное	1220	91,0	1540	76,2	1,29	Термопласт
Фторопласт-4	Стеклянное волокно	Эпоксидное	2200	1500	28	681	0.013	Термопласт
Гетинакс(I)	Бумага	Фенол-формальде-гидная смола	1400	10800	120	7714	0.085	Термопласт
Вини-пласт	Ткань	Эпоксидное	1400	3100	55	2214	0.039	Термопласт

   

Из таблицы 1. видно, что  стеклопластики и органопластики обладают такими характерными свойствами как  высокие прочностные характеристики. Показатели конечно разные из за того что свойства у них различные, определяются природой волокна и связующего, видом, ориентацией и содержанием наполнителя, взаимодействием на границе волокно-связующее, технологией изготовления.

Удельная прочность:      где - предел прочности материала, МПа.

Удельная жесткость:      Е=      где Е₀ - модуль упругости, МПа.

      Стеклопластики — материалы с малым удельным весом и заданными свойствами, имеющие широкий спектр применения. Стеклопластики обладают очень низкой теплопроводностью (примерно, как у дерева), прочностью как у стали, биологической стойкостью, влагостойкостью и атмосферостойкостью полимеров, не обладая недостатками, присущими термопластам.

      Стеклопластики уступают стали по абсолютным значениям предела прочности, но в 3,5 раза легче её и превосходят стали по удельной прочности. При изготовлении равнопрочных конструкций из стали и стеклопластика, стеклопластиковая конструкция будет в несколько раз легче. Коэффициент линейного расширения стеклокомпозита близок к стеклу (составляет 11… 13 х 106 1/ °С), что делает его наиболее подходящим материалом для светопроницаемых конструкций. Плотность стеклопластика, полученного путем прессования или намотки, составляет 1,8-2,0 г/см³.

      Органопластики - композиционные материалы, содержащие в качестве армирующего наполнителя орг. волокна в виде нитей, жгутов, тканей, нетканых материалов, матов, войлока, бумаги. Наиб. широко применяют синтетич. волокна (особенно арамидные), реже-природные и искусственные (см. Волокна химические. Термостойкие волокна).

     Характерные св-ва О.: низкая плотн. (1100-1400кг/м³), высокие прочностные, диэлектрич., теплоизоляц. характеристики, ударная вязкость, хим. стойкость, радиопрозрачность, более высокая способность демпфировать мех. и звуковую вибрацию, чем у стеклопластиков и др. композиц. материалов. Св-ва определяются природой волокна и связующего, видом, ориентацией и содержанием наполнителя, взаимод. на границе волокно-связующее, технологией изготовления.

Связующими в термореактивных О. служат эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, полиимиды; степень наполнения 40-70%. Наиб. высокими мех. св-вами обладают О. на основе арамидных волокон (табл. 1). По уд. прочности при растяжении эти О. превосходят стеклопластики в 1,5-1,8 раза, а по уд. модулю упругости - более чем в 2 раза. При растяжении О. на основе непрерывных ориентированных арамидных волокон в интервале от -250 до 200 °С наблюдается линейная зависимость деформации от нагрузки, а также рост модуля упругости с понижением температуры. При сжатии у арамидных О., а также при растяжении и сжатии у О., армированных большинством др. волокон, проявляются пластические св-ва.

Выводы к разделу 1

1. Итак, ясно что в  среднем пластмассы примерно в 2 раза легче алюминия и в 5-8 раз легче стали, меди  и других металлов, а некоторые сорта пенопластов более  чем  в  10  раз  легче пробки. Прочность  некоторых  видов  пластмасс  даже  превосходит  прочность некоторых марок стали, чугуна, дюралюминия и др.    По химической  стойкости пластмассы не имеют себе равных среди металлов.
2. Известно, у большинства пластмасс существенная часть объема приходится на долю наполнителей, а некоторые пластмассы на 80...90 % (по объему) состоят из них (например, древесностружечные плиты, полимербетоны, пенопласты). Наполнители, уменьшая содержание полимера в пластмассах, значительно снижают их стоимость, усадку и деформативность.
3. Выявлено, что наиболее используемые в строительстве - органопластики и стеклопластики. В 2007 году мировой рынок композитов составил 9 млн.тонн. из них стеклопластиков ~95%, органопластики ~2,5% и др. Но стеклопластики уступают стали по абсолютным значениям предела прочности, но в 3,5 раза легче её и превосходят стали по удельной прочности.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАСТМАСС

 

       В  среднем пластмассы примерно в 2 раза легче алюминия и в 5-8 раз легче стали, меди  и других металлов, а некоторые сорта пенопластов более  чем  в  10  раз  легче пробки. Прочность  некоторых  видов  пластмасс  даже  превосходит  прочность некоторых марок стали, чугуна, дюралюминия и др.    По химической  стойкости пластмассы не имеют себе равных среди металлов. Они устойчивы  не  только  к действию влаги воздуха, но и  таких  сильнодействующих  химических  веществ, как кислоты  и  щелочи.         Обычно  пластмассы  являются  диэлектриками. Отдельные сорта пластмасс представляют  собой  лучшие  диэлектрики  из  всех известных  в  современной  технике. В  настоящее  время  известен  целый  ряд

пластмасс, обладающих значительной тепло- и морозостойкостью, что  позволяет применять их  для  изготовления  изделий,  работающих  в  широком  интервале температур.

         Плотность пластиеских масс колеблется в широких пределах в зависимости от типа составляющих компонентов, их соотношения и технологии получения. Самая легкая пластмасса – мипора ( ρ = 0,02 г/см²), а самая тяжелая – прессматериал на основе фенолформальдегидной смолы и свинцовой пыли ( ρ = 10 г/см²). Подавляющее большинство пластмасс имеет плотность в пределах ρ = 0,9…1,8 г/см².

        Пластмассы обладают высокими механическими показателями. Так, пластмассы с порошкообразными и волокнистыми наполнителями имеют предел прочности при сжатии до 120... 200 МПа, а предел прочности при изгибе — до 200 МПа. Прочность пластмасс на растяжение с листообразными наполнителями достигает 150 МПа, а стекловолокнистого анизотропного материала (СВАМ) — 480...950 МПа.    '

        Пластмассы не подвергаются коррозии, они стойки против действия растворов слабых кислот и щелочей, а некоторые пластмассы, например из полиэтилена, полиизобутилена, полистирола, поливинилхлорида, стойки к воздействию даже концентрированных растворов кислот, солей и щелочей; их используют при строительстве предприятий химической промышленности, канализационных сетей, для изоляции емкостей.

      Пластмассы, как правило, являются плохими проводниками тепла, их теплопроводность К = 0,23...0,8 Вт/(м-°С), а у пено- и поропластов Х = 0,06...0,028 Вт/(м-°С), в связи с этим пластмассы широко используют в качестве теплоизоляционных материалов, их пористость может достигать 95...98%.

Пластмассы  хорошо окрашиваются  в любые цвета и долго сохраняют цвет.

     Водопоглощение пластмасс очень низкое — у плотных материалов оно не превышает 1%.

     На основе полимеров изготовляют клеи для склеивания как пластмассовых изделий между собой, так и с другими материалами — древесиной, металлом, стеклом, тканями. Клеи могут применяться для горячего и холодного отверждения.

     Ценным свойством пластмасс является легкость их обработки — возможность придания им разнообразной, даже самой сложной формы различными способами: литьем, прессованием экструзией.

     Большая группа пластмасс позволяет сваривать их между собой и, таким образом, изготовлять сложной формы трубы и различные емкости.

     Синтетические пластмассы получают из многих химических веществ, например угля, нефти, извести, газа, воздуха, однако их запасы ограничены.

 

1. Механическая обработка пластмасс.  Методы обработки

Методы обработки:

• Литье/Литье под давлением
• Экструзия
• Прессование
• Виброформование
• Вспенивание
• Отливка
• Сварка
• Вакуумная формовка и пр.

       Пластические массы, по сравнению с металлами, обладают повышенной упругой деформацией, вследствие чего при обработке пластмасс применяют более высокие давления, чем при обработке металлов. Применять какую-либо смазку, как правило, не рекомендуют; только в некоторых случаях при окончательной обработке допускают применение минерального масла. Охлаждать изделие и инструмент следует струей воздуха.

      Пластические массы более хрупки, чем металлы, поэтому при обработке пластмасс режущими инструментами надо применить высокие скорости резания и уменьшать подачу. Износ инструмента при обработке пластмасс значительно больше, чем при обработке металлов, почему необходимо применять инструмент из высокоуглеродистой или быстрорежущей стали или же из твердых сплавов. Лезвия режущих инструментов надо затачивать, по возможности, более остро, пользуясь для этого мелкозернистыми кругами.

       Пластмасса может быть обработана на токарном станке, может фрезероваться. Для распиливания может применяться ленточные пилы, дисковые пилы и карборундовые круги.

       Соединение пластмасс между собой может осуществляться механическим путем с помощью болтов, заклепок, склеиванием, растворением с последующим высыханием, а также при помощи сварки. Из перечисленных способов соединения только при помощи сварки можно получить соединение без инородных материалов, а также соединение, которое по свойствам и составу будет максимально приближен к основному материалу. Поэтому сварка пластмасс нашла применение при изготовлении конструкций к которой применяются повышенные требования к герметичности, прочности и других свойств.

     Пластмассы обладают рядом недостатков. Большинство пластмасс имеет невысокую теплостойкость (70...200°С), высокий коэффициент термического расширения (25*...120*), в то время как у стали он равен 10*, это обусловливает значительные остаточные внутренние напряжения, которые могут быть причиной появления трещин в строительных изделиях при резких изменениях температур. Повышенная ползучесть; в них при постоянной нагрузке развивается пластическое течение, большее, чем, например, в стали и бетоне. Существенным недостатком пластических масс является их малая поверхностная твердость. Для пластмасс с волокнистыми наполнителями она достигает 25, для полистирольных и акриловых пластиков—15 кГ/мм2. Наиболее низкой твердостью отличаются целлюлозные пластики (этролы) — 4 —5 кГ/мм2 (у стали этот показатель около 450). Со временем некоторые пластмассы стареют, т. е. происходит постепенное их разрушение (деструкция), снижаются прочность и твердость, появляются хрупкость, потемнение. Старение пластмасс происходит под действием света, воздуха, температуры. При возгорании многие пластмассы выделяют токсические вещества.