Термопласты

Термопласты (термопластичные материалы) – класс полимеров, характеризующийся способностью обратимо изменять агрегатное состояние в зависимости от температуры без изменения химического состава.

При стандартных условиях термопласты находятся в твердом состоянии. По мере повышения температуры будет наблюдаться плавный переход из твердого состояния в жидкое: высокоэластичное или вязкотекучее (для литьевых термопластов). Эти переходы происходят в определенных интервалах температур, индивидуальных для каждого полимера.

Такая способность обратимо изменять агрегатное состояние без изменения химической структуры позволяет многократно переформовывать (обрабатывать) материалы. Также это свойство позволяет расширять сырьевую базу: отработанные полимерные материалы можно использовать как вторсырье, что делает термопласты более экологичными, по сравнению с термореактопластами – полимерами, изменяющими свою химическую структуру при термическом воздействии.

Физико-химические характеристики термопластов

1. Структура термопластов

Химическая структура звеньев полимера зависит от химической структуры мономеров. Так, можно проклассифицировать полимеры по принадлежности их мономеров к различным классам (по наличию различных функциональных групп). Но это слишком громоздкая классификация ввиду широкого разнообразия мономеров.

Реакция полимера на нагрев зависит от того, как структурные звенья будут располагаться в пространстве друг относительно друга. Различают следующие виды полимеров:

• Линейные (длинная прямая цепь)

• Разветвленные (длинная прямая цепь с небольшими ответвлениями)

• Лестничные (длинные прямые сдвоенные цепи или регулярные линейные сетки)

• Трехмерные или сетчатые (наблюдаются частые соединения в структуре)

Для термопластов характерна двухмерная (нежесткая) структура полимера: линейная или разветвленная. Благодаря нежесткой структуре полимер может вернуться в исходное состояние после прекращения термического воздействия без ее изменения.

2. Типы кристаллических решеток полимеров и способность к кристаллизации

Существует 2 типа кристаллических решеток в твердофазном состоянии: кристаллическая и аморфная.

Про кристаллические следует говорить «кристаллизующиеся», т.к. после кристаллизации в структуре сохраняется доля аморфного полимера. Иногда их называют частично-кристаллическими.

В кристаллизующихся полимерах упаковка макромолекул должна быть максимально плотной. Существует 3 вида плотной упаковки цепей:

1) упаковка «шаров»

2) упаковка спиралевидных макромолекул

3) упаковка длинных прямых цепей (наиболее жесткие материалы)

Чтобы предсказать поведение термопласта (тип решетки готового полимера) в различных технологических режимах, ввели понятие способности к кристаллизации. Способность к кристаллизации зависит от регулярности цепи полимера и возможности образования плотной упаковки его молекул.

Для кристаллизующихся полимеров характерно понятие степени кристалличности. Степень кристалличности – соотношение кристаллической и аморфной фазы. Чем выше этот показатель, тем больше макромолекул находится в кристаллитах.

Атактические полимеры (беспорядочное присоединение структурных звеньев) не кристаллизуются, т.к. плотная упаковка макромолекул нерегулярной структуры затруднительна. Таким образом, атактические полимеры существуют только в аморфном состоянии (не кристаллизуются).

Ниже представлены схематичные изображения расположения полимерных цепей друг относительно друга в разных типах решеток.

Рис.1 – кристаллическая решетка аморфных термопластов

Рис. 2 – кристаллическая решетка частично кристаллизующихся термопластов

К аморфным полимерам обычно относят и материалы с небольшой степенью кристалличности:

➤ABS (АБС, сополимер акрилонитрил-бутадиен-стирол)

➤GPPS (полистирол общего назначения)

➤HIPS (высокопрочный полистирол)

➤PC (поликарбонат)

➤PES (полиэфирсульфон)

➤PMMA (полиметилметакрилат)

➤PPO (полифениленоксид)

➤PVC (ПВХ, поливинилхлорид листовой)

К частично кристаллизующимся – с высокой:

➤PA 6 (ПА 6, полиамид 6, нейлон, капролон)

➤PA 66 (ПА 66, полиамид 66)

➤PBT (ПБТ, полибутилентерефталат)

➤PE (ПЭ, полиэтилен)

➤PET (ПЭТ, полиэтилентерефталат)

➤POM (полиацеталь)

➤PP (ПП, полипропилен)

➤PPS (ПФС, полифениленсульфид)

3. Критические температуры и их значение

Как было сказано ранее, полимеры претерпевают фазовые переходы в определенных температурных интервалах, индивидуальных для каждого вещества. Знание этих интервалов позволяет подобрать материал с наиболее подходящими характеристиками в данных эксплуатационных условиях.

3.1. Температура стеклования

Стеклование – процесс, при котором происходят структурные изменения в материале, вследствие чего он становится более хрупким и твердым. Это происходит при температуре (равной или ниже её), называемой температурой стеклования.

Стеклование происходит с полимерами в аморфном состоянии. В кристаллизующихся полимерах есть участки с аморфной структурой, поэтому температура стеклования характерна для всех термопластов.

Температура стеклования – это важная эксплуатационная характеристика полимерного материала, так как она соответствует верхней температурной границе теплостойкости пластмасс и нижней границе морозостойкости каучуков и резин.

При необходимости можно изменять температуру стеклования путем ввода в полимер пластификаторов. Они позволяют сделать материал более прочным и пластичным.

3.2. Температура плавления

Плавление – процесс обратимого разрушения кристаллической решетки у кристаллизующихся полимеров под температурным воздействием. Оно происходит при температуре плавления.

В частично кристаллизованных термопластах наряду с аморфными участками содержатся и некоторые участки с упорядоченными и упакованными макромолекулами. Эти связанные структуры называются кристаллитами. Именно эти структуры подвергаются разрушению: макромолекулы покидают свои упорядоченные места, и структура становится аморфной.

Для термопластов температура плавления совпадает с температурой размягчения. Размягчение полимера – процесс, при котором материал может испытывать только небольшие упругие деформации без изменения формы.

Температура плавления (размягчения) определяет верхний температурный предел эксплуатации изделия.

Некоторые свойства термопластов промышленных марок

Технологические параметры

Свойства полимеров, определяющие процессы переработки, принято называть технологическими.

Основные технологические свойства:

1) Реологические:

• Вязкостные (определяют процесс вязкого течения);

• Высокоэластичные (определяют процесс развитие и накопление обратимой высокоэластичной деформации при течении);

• Релаксационные (определяют процессы релаксации касательных и нормальных напряжений, высокоэластичной деформации и ориентированных макромолекулярных цепей);

2) Стойкость к термоокислительной, гидролитической и механической деструкции в процессе переработки под действием температуры, кислорода, влаги, и механических напряжений;

3) Теплофизические;

4) Влажность;

5) Объемные характеристики сыпучих материалов:

• Насыпная плотность;

• Гранулометрический состав;

• Сыпучесть и тд.

На технологические свойства полимеров в условиях переработки влияют технологические параметры: давление, температура, скорость и напряжение деформации, скорость нагревания и охлаждения.

Показатели качества изделий и их связь с технологией переработки

Качество изделий из полимерных материалов определяется внешним видом и эксплуатационными показателями.

Существуют определенные требования к внешнему виду. Недопустимо наличие трещин, пузырей, сколов, утяжин, вздутий, пятен и других дефектов поверхности.

Эксплуатационные показатели делятся на несколько групп:

1) Механические;

2) Диэлектрические;

3) Стойкость к горению;

4) Химическая стойкость;

5) Размерная точность;

6) Размерная стабильность.

Показатели качества зависят от технологии обработки и переработки термопластов.

Внешний вид зависит от условий переработки (технологические режимы, чистота обработки поверхностей и конструкция оборудования), чистоты материала и условий его подготовки к формованию.

Диэлектрические показатели и химическая стойкость зависят от химической структуры и модификации полимеров.

Механические показатели (ударная стойкость, деформационные свойства, жесткость, теплостойкость) определяются надмолекулярной структурой – типом решетки и степенью кристалличности.

Важно отметить, что при эксплуатации полимерных материалов их механические и диэлектрические свойства изменяются.

Для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик термопластов могут применяться наполнители. По их виду полимеры разделяют на стеклопластик (наполнитель из стекла), углепластик (углеродное волокно) и специальные термопласты (с электропроводящими материалами, антифрикционными и увеличивающими износостойкость добавками и т. д.).

Способы переработки термопластов

Полученные термопласты в неформованном состоянии необходимо привести в товарный вид. Для этого существует несколько способов переработки:

Литье под давлением

Полимер доводится до вязкотекучего состояния и заливается в форму под давлением, где происходит его затвердевание и окончательное оформление. После затвердевания изделие извлекается из формы.

Этот способ является наиболее распространенным.

Осуществляется на термопластавтоматах с различными пресс-формами.

Процесс имеет разновидности в зависимости от того, какую форму изделия требуется получить:

• Литье с газом (для толстостенных и полых изделий)

• Литье с декорированием в литьевой форме (для изделий разных цветовых комбинаций с поверхностью, формируемой пленкой)

• Многокомпонентное литье (для комбинированных изделий из нескольких термопластов)

Формование

Этот способ придания формы материалу осуществляется на внутренней поверхности формы.

Формование бывает 4 видов:

• Термоформование (вакуум- и пневмо-формование) (вакуум-формование используется для тонкостенных изделий, пневмо-формование – для материалов, подразумевающих нагрузку и использующихся как в быту, так и в промышленности)

• Ротационное формование (для производства небольших резервуаров и емкостей с толщиной стенок от 6 до 20мм,объемом до 10м3)

• Экструзионно-выдувное формование (для производства небольших емкостей и бутылок)

• Штамповка

Экструзия

Экструзия – процесс переработки расплавленных термопластов посредством их продавливания через формующую головку. Профиль изделия соответствует геометрии выходного отверстияформующей головки.

Методом экструзии производят листы, сварочныепрутки, рукавные пленки, полимерные трубы, строительные изделия, различные профили, изоляцию для проводки. Данному способу переработки поддаются практически все полимеры.

Оборудованием процесса служатэкструдеры различных конструкций.

Сварка

• Автоматическая

Автоматическая (полифузионная) сварка осуществляется соединением предварительно нагретыхторцов деталей изделия под большим давлением и отличаетсявысокимкачеством сварного шва.Данная сваркавыполняется на специальных стыковых станках, которые такжеосуществляют и гибку деталей.Применяется обычнов серийном производстве крупногабаритных изделий.

• Экструзионная

Применение полимерных изделий

Термопласты применяются повсеместно: от элементарных бытовых манипуляций до широкомасштабного производства.

По эксплуатационным характеристикам различают термопласты общетехнического, инженерно-технического назначения и термостойкие.

Термопласты общего назначения имеют низкую стоимость и относительно простую технологию производства. Температура деструкции этих полимеров ниже 100°С. Они широко используются для производства как товаров первой необходимости, так и других товаров ввиду простоты обработки и дешевизны. К ним относятся:

➨Полиэтилен

➨Полипропилен

➨Поливинилхлорид

➨Полистирол

Однако такие материалы не подходят для производства деталей промышленного оборудования. Для этого используют инженерно-технические пластмассы. Температура деструкции таких материалов больше или равна 100°С. Использование таких деталей вместо металлических позволяет снизить вес установки и затраты на ее ремонт. Такими пластиками являются:

➨Полиамиды

➨Высокомолекулярный полиэтилен

➨Поликарбонат

➨Полиацетат

➨Полиэтилентерефталат

Среди инженерно-технических пластмасс выделяют более термостойкие с температурой деструкции 150°С и более. Такие пластмассы могут выдерживать долгое пребывание в областях высоких температур.

Наиболее распространенные термостойкие пластики:

➨Полиэфирсульфон

➨Полисульфон

➨Полифениленсульфид

➨Жидкокристаллические полимеры