Краткие теоретические сведения. Пластические массы (пластики, пластмассы) – важные конструкционные материалы, широко применяемые в пищевом машиностроении
Пластические массы (пластики, пластмассы) – важные конструкционные материалы, широко применяемые в пищевом машиностроении, в том числе в качестве упаковочных материалов. Незначительная трудоемкость изготовления пластмассовых деталей и упаковки (по сравнению с металлическими), их малая себестоимость, технологичность (легко формуются, склеиваются, свариваются, обрабатываются резанием), специфические физико-механические свойства обусловливают эффективность применения и зачастую незаменимость пластмасс в машиностроении.
Основными достоинствами пластмасс являются: малая плотность и возможность ее изменения, хорошие тепло-, электро- и звукоизоляционные характеристики, высокая химическая стойкость в ряде сред и неподверженность коррозии, высокие оптические свойства (бесцветность и прозрачность органических стекол), хорошие фрикционные и антифрикционные свойства, достаточно высокая прочность (прочность некоторых пластиков сопоставима с прочностью стали), хорошие декоративные свойства, бесшумность в работе (применительно к зубчатым передачам) и некоторые другие. Недостатки пластмасс – невысокая теплостойкость, низкие ударная вязкость и модуль упругости, склонность некоторых пластмасс к старению.
Пластмассы – это материалы на основе природных, а чаще всего искусственных (синтетических) полимеров, которые под действием нагревания и давления способны формоваться в изделия заданной формы и затем устойчиво сохранять ее. Кроме основного компонента – связующего вещества, в состав пластмасс могут входить наполнители, пластификаторы, отвердители, красители, стабилизаторы, порообразователи, ингибиторы и некоторые другие добавки. Соотношение названных компонентов в пластмассах может быть, например, таким (массовая доля): связующее вещество 30…60 %, наполнители 40…65 %, пластификаторы около 1 %, красители 1-1,5 %, смазывающие вещества 1-2 %.
Связующие вещества, от которых в наибольшей степени зависят свойства пластмасс, – это природные или синтетические полимеры. Под полимерами понимают высокомолекулярные вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров). Молекулярная масса их может составлять от 5000 до 1000000. Природные полимеры – белки и нуклеиновые кислоты, из которых построены клетки живых организмов, природные смолы (янтарь, копал, шеллак), натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит и др. Синтетические полимеры – это полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды, поликарбонаты, фторопласты, фенопласты, полиметилметакрилат, фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы и др. В отдельных случаях пластмасса, например полиэтилен, может целиком состоять из связующего вещества – полимера. Полимеры, преимущественно синтетические, получаемые химическим синтезом простых органических веществ (мономеров) в макромолекулы методами полимеризации или поликонденсации, являются основой не только пластмасс, но и резины, химических волокон, лаков, красок, клеев и т. д. Так, полиэтилен синтезируют путем полимеризации газа – этилена, получаемого из природного газа или нефтепродуктов.
Макромолекулы полимера представляют собой цепочки из звеньев мономера, атомы в которых связаны прочной химической (ковалентной) связью.
По фазовому состоянию полимеры могут быть аморфными или кристаллическими. В большинстве случаев реальные полимеры содержат аморфную и кристаллическую фазы. Содержание в полимере (в процентах) веществ в кристаллическом состоянии называют степенью кристалличности. Кристаллические полимеры имеют более высокие теплостойкость и механические свойства.
По полярности различают неполярные (например, полиэтилен, полипропилен, фторопласт-4) и полярные (например, поливинилхлорид) полимеры. Неполярные полимеры в отличие от полярных обладают более высокими морозостойкостью и диэлектрическими свойствами.
В зависимости от поведения при нагреве различают термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты) полимеры. Соответственно называют и пластмассы на основе этих связующих веществ. Термопластичными называют полимеры или пластмассы, которые с повышением температуры размягчаются, плавятся, при формовании не претерпевают никаких химических изменений, по мере охлаждения затвердевают и сохраняют способность пластически деформироваться при повторном нагреве. Такие полимеры (полиэтилен, полистирол, капрон и др.) имеют линейную или разветвленную структуру макромолекул. Термореактивные полимеры и пластмассы при нагреве и формовании претерпевают существенные химические изменения, затвердевают и, теряя способность пластически деформироваться, остаются твердыми. Линейная структура таких полимеров при нагреве преобразуется в пространственную.
Физико-механические свойства полимеров зависят как от их структуры, температуры, так и от физического состояния. Из-за высокой молекулярной массы полимеры не способны образовывать низковязкие жидкости или переходить в газообразное состояние, они могут находиться в одном из трех физических состояний – стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Полимеры в стеклообразном состоянии характеризуются пространственной структурой макромолекул, отличаются твердостью и аморфностью. Атомы находятся в равновесном положении, и макромолекулы не перемещаются. Высокоэластическое состояние макромолекул характерно для высокополимеров и выражается в их способности к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках. Атомы колеблются, а макромолекулы способны изгибаться.
На рис. 1 приведены зависимости степени дефор 
мации полимеров с различной структурой (а – аморфной; б – кристаллической; в – редкосетчатой) от температуры их нагрева.
По этим кривым можно судить о характере изменения механических и технологических свойств полимеров при различных температурах. Так, полимеры или пластмассы на их основе эксплуатируются при температурах ниже температуры стеклования tc, когда они находятся в твердом состоянии.
Формование изделий из полимеров или пластмасс ведут в области их вязкотекучего состояния.
Температура txр(ниже tc) соответствует переходу полимеров в хрупкое состояние (для полистирола tc=100 °С и txр=90°С, для полиметилметакрилата tc = 100 °С и tхр = 10 °С). В кристаллизующихся полимерах при температуре tких кристаллическая часть плавится и далее, от tкдо tt, полимер находится в высокоэластичном состоянии. Свыше температур tтаморфные и кристаллизующиеся полимеры переходят в вязко-текучее состояние. Для редкосетчатых полимеров температура tх– начало химического разложения полимера.
Зависимость степени деформации кристаллических полимеров (полиэтилен, полиамиды, полиэтилентерефталат и др.) от напряжения выражается линией, состоящей из трех участков (рис. 2).
Первоначально (участок I) удлинение прямо пропорционально усилию. По достижении некоторого усилия (точка А) удлинение полимера увеличивается при неизменном усилии (участок II). Это вызвано резким местным сужением образца, образова
| |
Важным компонентом пластмасс являются наполнители. Они повышают механическую прочность пластмасс, уменьшают их усадку при формовании изделии, влияют на вязкость, водостойкость, придают им специальные свойства, (фрикционные, антифрикционные и др.).
Рис. 2. Зависимость удлинения от усилия при деформации
кристаллического полимера
Наполнители могут быть органическими или минеральными в виде порошков, волокон, листов (сажа, древесная мука, сульфидная целлюлоза, асбест, тальк, очесы хлопка или льна, стекловолокно, бумага, ткани, древесный шпон и др.).
Органические наполнители повышают прочность, снижают хрупкость, но ухудшают термо- и водостойкость пластмасс.
Минеральные наполнители повышают прочность, водостойкость, химическую стойкость, тепло- и электроизоляционные свойства пластмасс, но часто повышают и их хрупкость и плотность.
В зависимости от вида наполнителя различают порошковые (карболиты), волокнистые (волокниты), слоистые (содержащие листовые наполнители) и некоторые другие пластмассы.
Пластификаторы способствуют повышению пластичности пластмасс или расширению температурного интервала их вязкотекучего состояния. В качестве пластификаторов широко используют органические вещества с высокой температурой кипения и низкой температурой замерзания (стеарин, дибутилфталат, олеиновую кислоту и др.).
Отвердители (различные амины), или катализаторы (перекисные соединения) вводят в термореактивные пластмассы для ускорения процессов отверждения пластмасс.
Красители органического или минерального происхождения придают пластмассам желаемый цвет.
Стабилизаторы, например сажа, препятствуют старению полимерных материалов.
Порообразователи, переходя при формовании в газообразное состояние, способствуют образованию пор в таких пластмассах, как пенополистирол, пенополивинилхлорид, поролон, пенополиуретан и др.
Смазывающие вещества вводят для уменьшения прилипаемости пластмассовых изделий к металлическим частям пресс-формы.
Кроме названных, в пластмассы вводятся с различными целями и другие добавки.
Дадим краткую характеристику свойств и областей применения некоторых пластмасс.
К термопластичным пластмассам, основой или связующим веществом в которых являются полимеры с макромолекулами линейной или разветвленной структуры, относятся неполярные: полиолефины (полиэтилен, полипропилен и полиизобутилен), полистирол, фторопласт-4; полярные: полиметилметакрилат, поливинилхлорид, полиамиды и др.
Полиэтилен – кристаллизующийся полимер, который производят полимеризацией этилена. Различают полиэтилен низкой плотности, получаемый при высоком давлении (ПЭВД) и содержащий 35-65 % кристаллической фазы, а также полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком давлении (ПЭНД) и содержащий 60-95 % кристаллической фазы. Полиэтилен химически стоек, нерастворим в воде, ацетоне, спирте, морозостоек до -70 °С (чем выше плотность, тем выше теплостой
кость и механическая прочность), но склонен к старению.
Из него изготавливают не силовые детали (контейнеры, емкости, вентили, детали химических насосов, трубы для транспортирования агрессивных жидкостей), защитные покрытия на металлах, пленку для различных целей (электроизоляционная, парниковая). Пленки из полиолефинов – полиэтилена низкой плотности, обладает высокой эластичностью, морозостойкостью до -70 °С, стойкостью к кислотам, щелочам и многим органическим растворителям до температуры 60 °С при хорошей водостойкости и паропроницаемости. Пленка легко сваривается контактным, термоимпульсным и другими методами сварки.
Недостатками пленки является невысокая механическая прочность (около 12 МПа ), значительное относительное удлинение при разрыве, склонность к старению, рабочая теплостойкость до 85 °С. Пленку из полиэтилена применяют для упаковки широкого ассортимента продуктов хлебопекарной, кондитерской, молочной, винодельческой, рыбной промышленности, овощей и фруктов, пищевых концентратов, замороженных продуктов. Благодаря высокой морозостойкости пакеты из полиэтиленовой пленки используют для упаковки замороженных фруктов и ягод, охлажденного мяса и полуфабрикатов. Пленки из полиэтилена высокой плотности обладает большей жесткостью и прочностью при растяжении, отличается большей газопроницаемостью, а также теплостойкостью до 120 °С.
Полипропилен получают полимеризацией из пропилена в присутствии металлоорганических катализаторов. Он более теплостоек (до 150 °С), чем полиэтилен, но менее морозостоек (до -15 °С).
Из полипропилена изготавливают некоторые конструкционные детали автомобилей, мотоциклов, корпуса насосов, трубы для транспортирования агрессивных сред, емкости.
Пленка из полипропилена по механической прочности превосходит полиэтиленовую пленку. Рабочая теплостойкость полипропилена 135…140 °С, что позволяет применять пленку из него для упаковки кулинарных изделий, подвергаемых разогреванию в пленке. Недостатками полипропилена являются низкая морозостойкость (-15 °С) и невысокая стойкость
к старению.
Полистирол – прозрачный, аморфный полимер, диэлектрик, химически стоек, нерастворим в растворителях, но склонен к старению и имеет низкую (до 80 °С) теплостойкость. Применяется он для изготовления деталей машин и приборов (ручки, корпуса и т. д.), емкостей и сосудов для химикатов. Пленка из полистирола обладает высокой химической стойкостью и влагостойкостью, низкой проницаемостью для воды и жиров. Недостатками являются невысокая теплостойкость и хрупкость. Применяется в пищевой промышленности благодаря высокой влагостойкости, термосвариваемости и экономической доступности.
Фторопласт-4, или политетрафторэтилен – полимер, имеющий макромолекулы в виде спиралей, диэлектрик, химически стоек. Из него изготавливают уплотнительные прокладки, трубы для транспортирования агрессивных сред, сильфоны, антикоррозионные покрытия на металлах. По химической стойкости он превосходит все известные пластмассы.
Полиметилметакрилат (органическое стекло, или плексиглас) – полярный, прозрачный, аморфный полимер на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. В отличие от минерального стекла органическое значительно легче (более чем в два раза), пропускает ультрафиолетовые лучи, технологично (хорошо обрабатывается резанием, склеивается, сваривается, полируется), но обладает меньшей твердостью, прочностью и теплостойкостью. Идет на остекление и изготовление оптики, светотехнических деталей, емкостей.
Полиамиды(капрон, нейлон и др.) – полярные пластмассы на основе кристаллизующегося полимера. Они характеризуются высокими прочностью, теплостойкостью, износостойкостью и низким коэффициентом трения, способностью погашать вибрации. Недостатки полиамидов – склонность к старению и некоторая гигроскопичность. Введение наполнителей {графит, тальк, дисульфид молибдена) обеспечивает повышение антифрикционных и некоторых других свойств. Полиамиды применяют в машиностроении, электротехнике, медицине.
Поливинилхлорид – полярный аморфный полимер. Непластифицированный поливинилхлорид называют винипластом и применяют для изготовления различных деталей химического оборудования, труб, деталей вентиляционных и теплообменных установок, муфт, элементов насосов, вентиляторов, защитных покрытий на металлах, облицовочной плитки. Пленки из непластифицированного поливинилхлорида имеют хорошую механическую прочность, жесткость и высокую механическую стойкость. Пленки легко формуются, склеиваются и свариваются токами высокой частоты. Применяются для изготовления жесткой потребительской тары для пищевых продуктов. Пленка может быть использована в качестве вкладышей в деревянные ящики и бочки для упаковки животных жиров. Пластикат (полихлорвинилхлорид с пластификатором) используют для изготовления труб, конвейерных лент, печатных валиков, линолеума и т.д. Пленка из пластифицированного поливинилхлорида мягкая, эластичная, но имеет более низкую теплостойкость, механическую и химическую стойкость. Применяется для упаковки рыбных и сухих продуктов.
Наиболее крупнотоннажный по производству вид реактопластов – фенопласты,т. е. пластмассы, получаемые на основе фенолоформальдегидных смол. Различают следующие виды фенопластов: ненаполиенные, порошковые (наполнители – древесная мука, тальк, графит и др.), волокнистые (волокниты, асбо- и стекловолокниты), слоистые (гетинакс, текстолит и др.).
Волокнитыполучают пропиткой очесов льна или хлопка фенолоформальдегидным связующим и применяют для изготовления деталей, работающих на изгиб и кручение и устойчивых к ударным нагрузкам (шкивы, фланцы, стойки, направляющие втулки, маховики и т.д.).
Асбоволокнитыполучают пропиткой асбеста феноло-формальдегидной смолой. Они обладают высокими ударопрочностью, химической стойкостью, фрикционными свойствами и применяются для изготовления элементов тормозов (накладки, колодки, диски подъемно-транспортных устройств, автомобилей и т. д.), кислотоупорных конструкций.
Из слоистых пластмасс значительный интерес представляет текстолит,получаемый из связующего (фенолоформальдегидная смола) и наполнителя (хлопчатобумажные ткани – шифон, миткаль, бязь и др.). Текстолит отличается прочностью, способностью поглощать шумы и гасить вибрации, однако он может работать только при невысоких температурах (до 90 °С). Из текстолита изготовляют зубчатые колеса, вкладыши подшипников, шкивы, втулки, прокладки в машиностроении, распределительные щиты и монтажные панели в электротехнике и т. д.
В табл. 12 приведены основные физико-механические свойства некоторых названных пластмасс. Механические свойства пластмасс определяют при проведении лабораторных статических испытаний на растяжение (ГОСТ 11202-80), сжатие (ГОСТ 4651-82), изгиб (ГОСТ 4648-71), динамических испытаний по определению ударной вязкости (ГОСТ 4647-80), путем измерения твердости (ГОСТ 4670-91).