Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

Сходная картина наблюдается при растяжении кристаллических полимеров. При пластическом течении кристаллического полимера исходная кристаллическая структура заменяется новой, в которой кристаллы имеют другую форму и преимущественно одинаковую ориентацию. Этот процесс называется рекристаллизацией.

Рекристаллизация состоит из трех последовательных этапов: разрушения кристаллов под действием напряжения; вытягивания молекул по направлению растягивающей силы на участке с разрушенными кристаллами; появления новых кристаллов между параллельно расположенными макромолекулами. Новые кристаллы закрепляют полученную высокоэластичную деформацию, поэтому вытяжка сохраняется после снятия нагрузки. Термопластичные пластмассы с ориентированной молекулярной структурой при растяжении вдоль направления ориентации не обнаруживают пластического течения. В этом случае диаграмма растяжения имеет вид, показанный на рис. 13.15, б.

Под нагрузкой в изделиях из термопластов развивается вынужденная высокоэластичная деформация и размеры изделий искажаются. При нагреве выше 20 — 25 ° С ускоряется ползучесть, растет остаточная деформация. У термопластов с низкими tCT и tKp при приближении к этим температурам вообще теряется способность воспринимать нагрузку, например, у поливинилхлорида или полиэтилена это происходит уже при температуре выше 50 ° С.

Фторопласт-4 является кристаллическим полимером с tKp = 327° С. Несмотря на преобладание в его структуре кристаллов, при 20 - 25 ° С он склонен к высокоэластичной деформации. Из-за этого приходится уменьшать допустимые напряжения.

Для снижения ползучести термопластов вводят наполнители, уменьшают содержание пластификаторов, а иногда применяют специальную обработку деталей для образования поперечных связей между молекулами (в частности, изделия из полиэтилена облучают потоком электронов).

При температурах ниже 20 — 25 ° С прочность термопластов повышается, однако снижается ударная вязкость и увеличивается чувствительность к надрезу (рис. 13.16). При отрицательных температурах возможно хрупкое разрушение полимеров (у поливинилхлорида уже при 0° С). Для предупреждения этого разрушения в полимеры добавляют пластификаторы, синтетические каучуки, хотя при этом прочность материала понижается.

С увеличением скорости деформирования возрастает жесткость пластмасс (так как не успевает развиваться высокоэластичная деформация), повышается склонность к хрупкому разрушению.

В кристаллических полимерах механические свойства зависят от степени кристаллизации. Чем она больше, тем выше прочность и жесткость. У некоторых полимеров при увеличении степени кристаллизации свыше 85 % проявляется хрупкость.

Модули упругости термопластичных полимеров и пластмасс в 10 -100 раз меньше, чем у металлов и керамики. Наиболее жесткие полистирол и органическое стекло при 25 ° С имеют модули упругости соответственно 3,5 и 3,3 ГПа, а наименее жесткий полиэтилен — всего 1,8 ГПа, да и то при —

50° С.

Прочность термопластов находится в пределах 10 - 100 МПа. Этого вполне достаточно для многих целей, несмотря на то, что допускаемые напряжения не превышают 10 МПа. Термопластичные пластмассы хорошо сопротивляются усталости (σ-1 = 0,2 ... 0,З σв), а долговечность пластмасс выше, чем у многих сталей и сплавов. Однако, когда нагрузка изменяется с частотой выше 20 Гц, пластмассы разрушаются быстро из-за поглощения энергии, разогрева и уменьшения прочности.

Механические свойства термопластов улучшаются при использовании в качестве наполнителя стеклянного волокна в количестве 20 - 30 %. При этом сохраняется возможность переработки термопластов с использованием литья под давлением и экструзии. Наполненные пластмассы отличаются высокой стабильностью размеров под действием нагрузки, повышенной прочностью, но хуже сопротивляются ударам.

Механические свойства термопластов ухудшаются под влиянием окружающей среды — под действием света и кислорода воздуха при изменении температуры. Условия атмосферного старения типичны для многих изделий из волокон, пленки, а также массивных изделий.

Хорошую стойкость против старения имеет органическое стекло, большинство термопластов также достаточно устойчивы, хотя их прочность и уменьшается. Полиэтилен наименее стоек — за два-три года он сильно разрушается, особенно на солнечном свету под действием ультрафиолетовых лучей. Для замедления старения полиэтилена применяют особые противостарители. Их используют для сохранения естественного цвета и светопрозрачности материала. Добавки сажи (2 - 3 %) также замедляют скорость старения примерно в 30 раз, преобразуя жесткое ультрафиолетовое

излучение в неопасное тепловое.

Термопласты, как правило, не взаимодействуют с водой. Исключением являются полиамиды, способные поглотить от 3 до 10 % НгО. Для них вода является своеобразным пластификатором, снижающим прочность и увеличивающим сопротивление удару (табл. 13.6).

Всвоем большинстве термопласты нечувствительны к топливу и смазочным материалам и в контакте с ними прочность не снижают.

Пластмассы с ориентированной молекулярной структурой анизотропны. Вытяжка термопластов в 2 - 4 раза вдвое увеличивает их прочность вдоль ориентированных вытянутых молекул. Однако в поперечном направлении прочность при этом уменьшается. Ориентация молекул — одна из причин растрескивания изделий, особенно под влиянием некоторых растворителей и других активных сред.

Визделиях из термопластов структура, сформировавшаяся при их изготовлении и последующем охлаждении, обычно является неравновесной.

Отжиг при температурах ниже tcr (или tкр) частично устраняет отклонение от равновесия, но ориентация полимерных молекул в изделии при таком отжиге

не устраняется. Отжиг изделий при температурах выше tCT (или tкр) невозможен из-за полной утраты изделием формы либо больших ее искажений. Сохранение ориентации молекул является причиной неоднородности механических свойств изделия.

Наряду с известными термопластами за последние 25 лет в машиностроении нашли массовое применение новые материалы, лучше обеспечивающие постоянство размеров нагруженных деталей. Эти полимерные

материалы имеют высокие значения tCT (и tкр ), что предопределяет их малую склонность к ползучести. Наиболее известны пять групп теплостойких термопластов: полиамиды (табл. 13.7); поликарбонаты; ацетали полиформальдегид и др.); полифениленоксид и насыщенные полиэфиры (полиэтилентерефталат и др.). Производство материалов каждой группы превышает 100 тыс. т/год. К ним можно добавить более теплостойкие, но и более дорогие полиимиды.

Кроме чистых полимеров используют более дешевые сополимеры, а также пластмассы повышенной прочности, наполненные стеклянным (25 - 30%) и углеродным (~ 40%) волокном (табл. 13.8). Каждая группа помимо высокой прочности и жесткости отличается особыми свойствами.

Таблица 13.7. Свойства теплостойких полимеров

*' В скобках приведены значения свойств ударопрочного полиформальдегида. *2 Степень кристаллизации < 50 %.

*3Из группы ароматических аморфных полиимидов с высокой теплостойкостью.

Таблица 13.8. Свойства полиамидов

'Поглощение H2O за 24 ч.

Полиамиды имеют tK > 200 ° С, а допустимые температуры продолжительной эксплуатации изделий из них достигают 150 ° С. Повышенная прочность и сопротивление абразивному изнашиванию объясняются сильным межмолекулярным взаимодействием благодаря водородным связям. Эти связи возникают между амидными группами (-CO-NH-) в соседних молекулах. Полиамиды имеют малый коэффициент трения в паре со сталью

ипо комплексу свойств нашли применение как антифрикционные материалы узлов трения. Полиамиды, содержащие в молекулах бензольные кольца, имеют повышенную жесткость.

Ацетали и их сополимеры без наполнителей выделяются повышенной прочностью и жесткостью. Эти полимеры стойки против растрескивания и изнашивания. Они достаточно технологичны для производства отливок и экструдированных изделий. Полиформальдегид в паре со сталью имеет коэффициент трения 0,33, который почти не изменяется при нагреве до 100 ° С.

При производстве изделий и их эксплуатации полиформальдегид нельзя нагревать выше 218 ° С, так как в противном случае наступает быстрое разложение полимера, сопровождающееся выделением формальдегида.

Поликарбонаты уникальны своим высоким сопротивлением удару. Их ударная вязкость (250 - 500 кДж/м2) близка ударной вязкости среднеуглеродистых сталей. Недостатком поликарбонатов является склонность к растрескиванию, чему способствуют растворители (даже их пары) и напряжения. При 20 - 25 ° С критическое напряжение равно 14 МПа при постоянной нагрузке

и28 МПа в случаях, когда нагрузка действует периодически.

Полифениленоксид хорошо совмещается с полистиролом, поэтому для облегчения переработки используется в виде смесей с ним. Температура стеклования смеси имеет промежуточное значение между tCT полистирола (100° С) и tCT полифениленоксида (208° С).

Полиимиды выделяются высокой теплостойкостью и по сравнению с теплостойкими кремнийорганическими полимерами имеют прочность, почти вдвое превышающую прочность таких, например, термопластов, как поливинилхлорид и полистирол.

Механические свойства термореактивных пластмасс

Термореактивные пластмассы (реактопласты) получают на основе эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых, фенолоформальдегидных и кремнийорганических полимеров. Пластмассы применяют в отвержден-ном виде; они имеют сетчатую структуру и поэтому при нагреве не плавятся, устойчивы против старения и не взаимодействуют с топливом и смазочными материалами. Термореактивные пластмассы способны лишь набухать в отдельных растворителях, водостойки и поглощают не более 0,1 - 0,5% Н20.

Все полимеры при отверждении дают усадку; она минимальна у эпоксидных полимеров (0,5 - 2%) и особенно велика у полиэфиров (~ 10 %). Для уменьшения усадки и повышения прочности используют наполнители и регулируют условия отверждения. Отверждение эпоксидных и полиэфирных пластмасс не связано с выделением побочных веществ, поэтому при

Волокниты — это пластмассы, в которых наполнителем являются волокна. Они отличаются повышенной прочностью, а главное — ударной вязкостью. Благодаря волокнам ударная вязкость превышает 10 кДж/м2, а при использовании стеклянного волокна достигает 20 - 30кДж/м2. Волокниты, наполненные асбестовым волокном, сочетают теплостойкость (до 200 ° С) с высоким коэффициентом трения в паре со сталью и поэтому применяются в тормозных устройствах для обкладок и колодок. Изделия из волокнитов прессуют при повышенных давлениях. Из-за низкой текучести материала применение волокнитов ограничено изделиями простой формы.

Особую группу волокнитов образуют материалы с параллельно расположенными волокнами наполнителя. Такую структуру имеют изделия, полученные намоткой стеклянного волокна. Ориентация волокон служит причиной анизотропии. Вдоль волокон прочность максимальна, а в поперечном направлении — минимальна.

Слоистые пластики представляют собой группу самых прочных и универсальных по применению конструкционных пластмасс. Листовые наполнители, уложенные слоями, придают материалам анизотропность.

Свойства слоистых пластиков зависят от вида полимера, наполнителя, способа укладки листов и объемного соотношения между полимером и наполнителем. По виду наполнителя слоистые пластики разделяются на следующие виды: текстолиты — с хлопчатобумажными тканями; гетинаксы

— с бумагой; древесно-слоистые пластики — с древесным шпоном; стеклотекстолиты — с тканями из стеклянного волокна. Наименее прочными являются гетинаксы, максимальную прочность имеют стеклотекстолиты. Из всех слоистых пластиков текстолиты отличаются самым прочным сцеплением между полимером и наполнителем и лучше поглощают вибрацию.

Обычно слоистый пластик содержит около 50 % полимера; при меньшем его содержании материал более экономичен, но зато неводостоек и менее прочен.

Способ укладки листов в слоистой пластмассе особенно важен, когда сами листы наполнителя неоднородны по структуре и свойствам. Для древесного шпона различие в прочности вдоль и поперек волокон общеизвестно. В тканях наибольшую однородность свойств обеспечивает полотняное переплетение. Здесь нити основы и нити утка равномерно переплетены между собой. В кордной ткани, напротив, прочность максимальна вдоль нитей основы, а нити утка расположены редко и предназначены только для сплетения основы.

Стеклянное волокно не так эластично, как полимерное или хлопчатобумажное. Стеклоткань полотняного переплетения в стеклотекстолитах обеспечивает минимальную прочность, так как при частых перегибах волокна получается больше обрывов. Наивысшая прочность (правда, в одном направлении) получается при укладке слоев стеклянного волокна в соотношении 10 : 1, т.е. в 10 слоях волокна имеют одинаковое направление, а в одиннадцатом — направление волокон изменяется на 90°. Временное