Термореактивные пластмассы
Термореактивные пластмассы производят на основе термореактивных смол: фенолформальдегидных, аминоальгидных, эпоксидных, полиамидных, кремнийорганических, ненасыщенных полиэфиров. Пластмассы на основе этих смол отличаются повышенной прочностью, не склонны к ползучести и способны работать при повышенных температурах. Смолы в пластмассах являются связкой и должны обладать высокой клеящей способностью, теплостойкостью, химической стойкостью в агрессивных средах, электроизоляционными свойствами, доступной технологией переработки, малой усадкой при затвердевании.
Смолы — высокомолекулярные органические соединения, получаемые по реакциям полимеризации и поликонденсации.
В реакции полимеризации могут участвовать два мономера и более, а получаемые вещества называют сополимерами. Введение в реакцию дополнительных веществ, помимо основного мономера, необходимо для изменения свойств полимеров в требуемом направлении. Таким образом, например, происходит образование сополимера из полистирола и каучука.
Процесс поликонденсации сопровождается отщеплением низкомолекулярных соединений (аммиак, вода, спирт и др.) в результате взаимодействия функциональных групп исходных мономеров. Здесь имеет место несовпадение элементарного состава мономеров, получаемых на основе полимеров. Поликонденсация протекает как при наличии, так и при отсутствии катализатора.
Фенолформальдегиднал (бакелитовая) смола — продукт поликонденсации фенола Н5С6 — ОН с формальдегидом Н2СО.
В зависимости от условий поликонденсации образуются резольные (термореактивные) или новолачные (термопластичные) смолы, способные отверждаться при последующей переработке.
Новолачные смолы получают при избытке фенола, в присутствии кислотного катализатора при последующем нагреве для удаления воды. Новолак — твердая, хрупкая, прозрачная смола — плавится при 100-120 °С, растворяется в этиловом спирте, ацетоне. Новолачные смолы отверждают нагревом совместно с уротропином, но значительно быстрее резольных. Новолаки часто применяют для изготовления пресс-порошков. Резольные смолы получают поликонденсацией фенола с избытком формальдегида в щелочной среде.
Резольные смолы длительное время при переработке сохраняют вязкотекучее состояние, что позволяет применять их в производстве толстостенных слоистых пластиков. Эти смолы способны отверждаться без подвода теплоты в присутствии кислот. Отверждение идет с большей скоростью, но эксплуатационные свойства полимера в этом случае невысоки. Отвержденная фенолформальдегидная смола с частой сетчато-пространственной структурой обладает повышенной хрупкостью. Смола обладает высокой адгезионной способностью ко многим наполнителям. В чистом виде эпоксидные смолы — вязкие жидкости, способные длительное время сохранять свойства без изменений. Они растворяются во многих органических растворителях (ацетон, толуол и др.) и не растворимы в воде, бензине. В присутствии отвердителей (амины, их производные, ангидриды карбоновых кислот и др.) эпоксидные смолы быстро затвердевают, приобретая сетчато-пространственное строение. Отверждение смолы — полимеризационный процесс, протекающий без выделения воды или низкомолекулярных веществ и развивающийся равномерно в весьма толстом слое.
Получению монолитной массы затвердевшей эпоксидной смолы способствует сравнительно малая, всего 0,5-2 %, усадка. Из-за наличия в затвердевшей смоле гидроксильной группы — ОН ее адгезия ко многим материалам (стекло, металлы, некоторые пластмассы и др.) высока.
Кремнийорганические смолы (силиконы) содержат в составе элементарного звена макромолекулы атомов углерода и кремния. По строению макромолекулы могут быть линейными, разветвленными и пространственными.
Без наполнителя смола способна работать при 250-300 °С, а с наполнителями (слюда, асбест, стеклянное волокно и др.) — до 400-450 °С.
Недостатками силоксановых полимеров следует считать невысокую механическую прочность и пластичность при температурах выше 150 °С и низкую адгезионную способность к большинству других материалов.
Кремнийорганические полимеры широко используют в качестве связующих в производстве стеклотекстолитов, а также в производстве термостойких резин (каучук СКТ), лакокрасочных покрытий, клеев, герметиков.
Полиэфирные смолы получают поликонденсацией различных спиртов и кислот (или их ангидридов). Полиэфирные смолы, полученные из двухатомных спиртов (гликолей), содержащих в молекуле две гидроксильные группы —ОН, и из двухосновных органических кислот, имеющих две карбоксильные группы —СООН в молекуле, термопластичны. Термореактивные смолы получают из трехатомных спиртов и кислот.
Глифталевые смолы (алкидные) получают поликонденсацией трехатомного спирта — глицерина НО—СН2—СНОН—СН2—ОН и фталиевого ангидрида.
Отверждаются смолы в три стадии, как и фенолформальдегидные, с выделением воды. Для этого требуются более высокая температура и значительное время. Глифталевые смолы имеют повышенную теплостойкость (до 150 °С). Они отличаются от бакелитовых смол повышенной эластичностью, стойкостью к старению при повышенных температурах и адгезией. Глифталевые смолы растворяются в ацетоне и спирте, стойки к воздействию воды, кислых сред и имеют хорошие диэлектрические свойства. На основе глифталевых смол получают клеи и лаки.
Резины
Резины — пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим выступает полимер, находящийся в высокопластическом состоянии. В резинах связующим являются натуральные (НК) или синтетические (СК) каучуки. Каучукам присуща высокая пластичность, обусловленная особенностями строения их молекул. Линейные и слаборазветвленные молекулы каучуков имеют зигзагообразную или спиралевидную конфигурацию и отличаются большой гибкостью. Чистый каучук ползет при комнатной температуре и особенно при повышенной, хорошо растворяется в органических растворителях. Такой каучук не может использоваться в готовых изделиях. Для повышения упругих и других физико-механических свойств в каучуке формируют редкосетчатую молекулярную структуру. Это осуществляют вулканизацией — путем введения в каучук химических веществ — вулканизаторов, образующих по перечные химические связи между звеньями макромолекул каучука. В зависимости от числа возникших при вулканизации поперечных связей получают резины различной твердости — мягкие, средней твердости, твердые.
Механические свойства резины определяют по результатам испытаний на растяжение и на твердость. При вдавливании тупой иглы или стального шарика диаметром 5 мм по значению измеренной деформации оценивают твердость. При испытании на растяжение определяют прочность σz (МПа), относительное удлинение в момент разрыва εz (%) и остаточное относительное удлинение θz (%).
В процессе эксплуатации под воздействием внешних факторов (свет, температура, озон, кислород, радиация и др.) резины изменяют свои свойства — стареют. Старение резин оценивают коэффициентом старения Кстар, который определяют, выдерживая стандартизованные образцы в термостате при температуре -70 °С в течение 144 ч, что соответствует естественному старению резины в течение 3 лет. Морозостойкость резины определяется температурой хрупкости tхр , при которой резина теряет эластичность и при ударной нагрузке хрупко разрушается.
Для оценки морозостойкости резин используют коэффициент Км, равный отношению удлинения σМ образца при температуре замораживания к удлинению σ0 при комнатной температуре.
Состав
Резины являются сложной смесью различных ингредиентов, каждый из которых выполняет определенную роль в формировании ее свойств. Помимо основы — каучуков — в состав резин вводят: вулканизирующие вещества, ускорители вулканизации, наполнители, пластификаторы, противостарители и красители.
Вулканизирующие вещества (сера, оксиды цинка или магния, пероксиды и нитросоединения) непосредственно участвуют в образовании поперечных связей между макромолекулами. Их содержание в резинах составляет 5-7 %, а в твердых резинах, например эбоните, — до 30 %. В присутствии ускорителей (тиурам, каптакс, оксиды свинца) процесс вулканизации наиболее активен.
Наполнители по воздействию на каучуки подразделяют на активные и инертные. Активные наполнители (сажа, оксид кремния) повышают твердость и прочность резины и увеличивают ее сопротивление истиранию. Инертные наполнители (тальк, мел и др.) вводят в состав резин в целях их удешевления.
Пластификаторы (вазелин технический, парафин, стеариновая кислота, минеральные и растительные масла и т. д.), присутствуя в составе резин (8-30 %), облегчают их переработку, увеличивают эластичность и морозостойкость.
Противостарители замедляют процесс старения резин, препятствуют присоединению кислорода. Присоединение кислорода происходит по месту двойных связей в каучуке. В результате макромолекулы каучука разрываются на части, укорачиваются. Это приводит к потере эластичности, хрупкости и появлению сетки трещин на поверхности. Противостарители химического действия (альдоль, неозон), взаимодействуя с кислородом, продиффундировавшим в резину, и перекисями каучука, задерживают его окисление. Противостарители физического действия (парафин, воск), образуя поверхностные пленки, затрудняют диффузию кислорода.
Красители (охра, ультрамарин) выполняют не только декоративные функции, но и задерживают световое старение, поглощая коротковолновую часть света.
Решающая роль в формировании основных свойств резин принадлежит каучукам. Натуральный каучук получают из сока (латекса), извлекаемого из стволов каучуковых деревьев. В латексе содержится 30-37 % каучука, частицы которого имеют округлую форму диаметром 0,14-0,6 мкм. Каучук из латекса выделяют коагуляцией с помощью органических кислот (муравьиной или уксусной). Затем рыхлый сгусток промывают водой, раскатывают в листы и сушат. Наибольшее распространение получили сорта натурального каучука смокедшит янтарного цвета и светлого тона.
Натуральный каучук — мягкий эластичный материал плотностью 0,91-0,94 г/см. Он хорошо растворяется в органических растворителях (бензине, бензоле, хлороформе и др.). Натуральный каучук обычно находится в аморфном состоянии. При длительном хранении возможна его кристаллизация. Деформация растяжением натурального каучука вызывает его кристаллизацию. Возникновение кристаллической фазы увеличивает прочность каучука. При температуре -70 °С натуральный каучук утрачивает эластичность и становится хрупким. Нагрев натурального каучука выше 70 °С делает его пластичным, а при температуре выше 200 °С он разлагается. Резины на основе натурального каучука имеют высокую прочность и эластичность, высокие электроизоляционные свойства.
Более широкое применение в производстве резин получили синтетические каучуки, отличающиеся разнообразием свойств. Синтетические каучуки получают из спирта, нефти, попутных газов нефтедобычи, природного газа и т. д.
Бутадиеновый каучук (СКБ) получают полимеризацией газообразного углеводорода бутадиена СН2=СН—СН=СН2 (дивинила) в присутствии металлического натрия. Цепочка макромолекул СКБ имеет вид ...—СН2—СН=СН—СН2—... Это некристаллизующийся каучук, отличающийся пониженной прочностью при растяжении, растворимый в неорганических растворителях.
Морозостойкость бутадиенового каучука невысокая и находится в пределах от -40 до -50 °С. СКБ каучук чаще идет на изготовление специальных резин.
Бутадиенстирольный каучук (СКС) получают совместной полимеризацией бутадиена (С4Н6) со стиролом (СН2=СН6СН5). Свойства каучука зависят от содержания стирольных звеньев. Увеличение стирола повышает прочность, но понижает морозостойкость каучука. Промышленностью освоен выпуск нескольких марок бутадиенстирольных каучуков: СКС-10, СКС-30, СКС-50.
Каучук СКС-30 (содержит 30 % стирола), наиболее универсальный и распространенный, идет на изготовление автомобильных шин, резиновых рукавов и других резиновых изделий. СКС-10 (содержит 10 % стирола) отличается повышенной морозостойкостью (до -77 °С). Каучуки СКС отличаются малой стойкостью к действию органических растворителей (масел и топлива). По диэлектрическим свойствам резины на основе СКС каучуков близки к резинам на основе НК.
Изопреновый каучук (СКИ) получают полимеризацией изопрена (C5H8) в присутствии щелочных металлов (литий) или комплексных катализаторов. Этот каучук по строению, химическим и физико-механическим свойствам близок к натуральному каучуку: СКИ способен кристаллизоваться только при значительном растяжении. Промышленностью выпускаются каучуки СКИ-3 — для изготовления шин, амортизаторов; СКИ-ЗД — для производства электроизоляционных резин; СКИ-ЗВ — для вакуумной техники.
Хлоропреновый каучук (наирит) представляет собой продукт эмульсионной полимеризации хлоропрена. Хлоропреновые каучуки имеют линейное строение макромолекул. Присутствие в макромолекуле каучука хлора (37 %) придает ему полярность. Вследствие полярности наирит обнаруживает невысокие диэлектрические свойства, стойкость к действию масел и бензина, а также озона и других окислителей, огнестойкость. Хлоропреновые каучуки обладают высокими прочностными свойствами. Их применяют при изготовлении резин для шлангов, прокладок, защитных оболочек кабельных изделий.
Бутадиеннитрилъный каучук (СКН) получают совместной полимеризацией бутадиена и нитрила акрильной кислоты. В зависимости от содержания нитрила акриловой кислоты бутадиеннитрильные каучуки разделяют на марки СКН-18, СКН-26, СКН-40. Из-за наличия сильнополярной группы (— CN) бутадиеннитрильные каучуки имеют дипольную природу и низкие электроизоляционные свойства. Они стойки в бензине и нефтяных маслах и по этим показателям превосходят наирит. По теплостойкости СКН превосходят натуральный каучук. На основе СКН производят резины для топливных и масляных шлангов, прокладок и уплотнителей мягких топливных баков.
Синтетический каучук теплостойкий (СКТ) представляет собой продукт поликонденсации циклических сил океанов.
Значительная прочность (374,2 кДж) силоксановой связи (Si — О) придает этим каучукам повышенную термостойкость. Радикалами могут быть соединения СН3 и С6Н5. Силоксановый каучук, содержащий только метильную группу СН3, имеет рабочую температуру от -60 до +250 °С. Замена радикала СН3 на С6Н5 повышает его эластичность и морозостойкость до -80 °С.
Каучуки стойки к действию озона и кислорода, растворяются в ароматических углеводородах и набухают в бензине и маслах, отличаются низкой прочностью и плохой адгезией.
На основе силоксановых каучуков производят резины, предназначенные для изоляции электрических кабелей и для герметизирующих и уплотняющих прокладок.
Дата добавления: 2015-11-10; просмотров: 1675;