Смолы и материалы на их основе

Издавна смолой называли липкий, застывающий на воздухе сок хвойных или других растений. Сок растений еще называется живицей. Во многих растениях живица является очень густой вязкой прозрачной жидкостью от светло-желтого до коричневатого цвета. При попадании на воздух через небольшой промежуток времени живица затвердевает. Образующееся твердое вещество и называется смолой.

Синтетические полимеры, представляющие первоначально густые вязкие жидкости, но со временем твердеющие на воздухе по аналогии с природными, называют синтетическими смолами.

Смола - олигомер, мономер или их смесь, способные при переработке в результате отверждения превращаться в трехмерный полимер, являющийся термореактопластом.

В производстве полимерных композиционных материалов используют преимущественно поликонденсационные синтетические смолы, кремний- и фторорганические полимеры, реже применяют эфиры целлюлозы. Концентрация их в полимерных материалах колеблется в пределах 30 - 60 %. Смолы являются связующим компонентом композитов. Их применяют совместно с наполнителями, отвердителями, пластификаторами, стабилизаторами и др. модифицирующими добавками.

Фенолформальдегидные смолы получают реакцией поликонденсации фенольного спирта, образующего при взаимодействии водных растворов фенола С₆Н₅ОН и формальдегида СН₂О при 70 - 90 °С в присутствии катализаторов, например, кислот. Реакция происходит по уравнению (3.1):

. (3.1)

Далее молекулы сформировавшегося фенолоспирта поликонденсируются по схеме (3.2):

. (3.2)

В зависимости от технологии процесса получают новолачные и бакелитовые (резольные) смолы.

Если поликонденсацию осуществляют с избытком формальдегида в присутствии щелочей [NaOH, Ba(OH)₂, NH₄OH], то образуются бакелитовые смолы. На начальных стадиях поликонденсации формируется полимер, называемый резолом. Он представляет собой смесь линейных и разветвленных олигомеров, содержащих большое число метилольных групп (-CH₂OH), способных к дальнейшим превращениям:

.

При нагревании резола до 110 - 140 °С образуется ретизол. При добавлении в ретизол для полного отверждения уротропина (гексаметилентетрамин) образуется полимер, называемый резитом. Резит также является твердой смолой. Он имеет сложную пространственную структуру:

.

Резол в нормальных условиях может находиться в жидком или твердом состояниях, растворяется в стандартных органических растворителях, в частности, в спирте и плавится. Ретизол представляет собой твердое вещество, нерастворимое в органических растворителях, но набухающее в них. Он не плавится, но размягчается при повышенных температурах. Резит не растворяется в растворителях и не набухает в них, не плавится и не размягчается, но обладает хорошей механической прочностью, устойчив в водных и слабокислых средах, бензине и маслах. Данные смолы являются термореактивными полимерами. Они применяются в производстве текстолитов, гетинаксов, а также композиционных пресс-материалов (фенопластов), клеев и других материалов.

Новолачные смолы получают поликонденсацией с избытком фенола в присутствии кислых (соляной или щавелевой кислоты) катализаторов. Это полимеры линейной структуры, в которых фенольные кольца соединены метиленовыми мостиками и не содержатся CH₂OH-группы:

.

Они представляют собой твердые, хрупкие, прозрачные вещества.

Новолаки плавятся при нагревании до 100 - 120 °С, растворяются в спирте, ацетоне и других органических растворителях. Данные смолы отличаются друг от друга концентрацией фенола (от 2 до 9 %). При добавлении 10 - 15 % уротропина они переходят в термореактивный резит. Новолаки применяют для изготовления корпусов приборов, плат, разъемов, различных кнопок и ручек управления радиоаппаратуры, лаков и как заменитель шеллака.

Пентапластявляется хлорированным простым полиэфиром, относится к медленно кристаллизующимся полимерам. Он более устойчив к нагреву по сравнению с поливинилхлоридом (отщепления хлористого водорода под действием температуры не происходит). Прочность винил- и пентапласта близки, но последний выдерживает температуру 180 °С и хорошо формуется, нехладотекуч, стоек к истиранию. Пентапласт, являясь веществом полярным, обладает удовлетворительными электроизоляционными свойствами. Кроме того, он водостоек. По химической стойкости занимает промежуточное положение между фторо- и винилпластом. Из пентапласта изготовляют трубы, клапаны и емкости, детали точных приборов и насосов, пленки и защитные покрытия на металлах.

Фенилон содержит фенильные радикалы, соединенные группами NH- и CO-. Это линейный гетероцепной полимер, способный кристаллизоваться, который может длительно работать при 250 - 260 °С (Т_пл = 430 °С), морозостоек (даже при температуре жидкого азота), имеет повышенную стойкость к радиации и химическую стойкость. По сравнению с капроном фенилон обладает более высоким сопротивлением усталости и износостойкостью. Из него изготовляют пленки, волокна, уплотнительные детали запорных устройств, подшипники, зубчатые колеса и др.

Полисульфон - простой ароматический полиэфир, в макромолекулах которого между фениленовыми радикалами имеются звенья -SO₂- (повышают стойкость к нагреву), группы -О-, -С(СН₃)₂- (уменьшают жесткость). Это аморфный, трудно кристаллизующийся полимер. Материал термически стабилен, химически стоек, по прочностным свойствам близок к полифениленоксиду. Полисульфон применяют в виде пленок, литых изделий и покрытий для эксплуатации при температуре от -100 до 175 °С (в инертной атмосфере до 400 °С). Из него производят детали станков, электротехнических изделий, бытовых машин и др.

Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполнителя, например, в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформальдегидным связующим. В качестве наполнителей применяются волокна природного, искусственного и синтетического происхождения на основе углеводородов, оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других. Они имеют повышенную теплостойкость (рабочая температура от 100 до 300 °С), прочность и ударную вязкость. Они чаще всего применяются в производстве тепло- и гидроизоляционных материалов, а также для деталей общего технического назначения, работающим на изгиб и кручение (рукоятки, стойки, фланцы, направляющие втулки, шкивы, маховики и т. д.).

Стекловолокниты - это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава. Стекловолокниты могут работать при температурах от -60 до 200 °С, а также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки. Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.).

Текстолит это слоистый материал, полученный методом горячего прессования наполнителя - хлопчатобумажных тканей, пропитанных связующим - фенолформальдегидной смолой. Среди слоистых пластиков он обладает наибольшей способностью поглощать вибрационные нагрузки, хорошо сопротивляться раскалыванию. В зависимости от назначения текстолиты делят на конструкционные (ЛТК, ПТ, ПТМ), электротехнические, графитированные, гибкие и прокладочные. Наибольшее применение имеют конструкционные и электротехнические. Текстолит выпускается в виде листов и плит. Листы обоих видов имеют толщину 0,5 - 8,0 мм. Толщина конструкционных плит колеблется от 8 до 70 мм, а электротехнических лежит в интервале от 0,5 до 50,0 мм. Данные типы текстолитов применяют в диапазоне от -60 до +150 °С и от -60 до +105 °С соответственно. Листовой текстолит применяют как конструкционно-изоляционный материал в производстве деталей, подвергающихся ударным нагрузкам и истиранию, в частности переключателей, панелей, каркасов, щитов, крепежных планок.