Технические свойства полимерных материалов

    В. К. Крыжановский, В. В. Бурлов, А. Д. Паниматченко, Ю. В. Крыжановская







            ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ


             Учебно-справочное пособие
       Под общей редакцией проф. В.К. Крыжановского

         Издание второе, исправленное и дополненное







Санкт-Петербург

2007

УДК 678.01:53
ББК35.71я2
К85


К85 Технические свойства полимерных материалов: Учеб.-справ, пособие/ В.К. Крыжановскин, В.В. Бурлов, А.Д. Паниматченко, IO.B. Крыжанов-ская. — 2-е изд., испр. и доп. — СПб.: Профессия. 2007. — 240 стр., пл.
     ISBN 5-93913-093-3

         В книге рассмотрены основные разновидности современных промышленных полимерных материалов, их деформационно-прочностные и термомсханические свойства. Приведены современные снедения но тепло- и химической стойкости, горючести пластмасс, их электрическим, триботехническим. ниброакустиче-ским характеристикам, а также псрерабатывасмости материалов.
         Практическая направленность издания поможет специалистам полимерной отрасли правильно выбирать и эффективно перерабатывать материалы. Книга будет полезна студентам профильных специальностей высших и средних специальных учебных заведений.


УДК 678.01:53
ББК 35.71 я2











           Все прана защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена н какой бы то ни было форме бел письменного разрешения владельцев авторских нрав.


ISBN 5-93913-093-3

        © Крыжановскин В. К., Бурлов В. В.. Паниматченко А. Д., Крыжанов-ская 10. В., 2005

                                     © Изд-во « Профессия», 2007

            Содержание




Предисловие ко второму изданию.........................................5
Введение...............................................................$
1. Полимеры и пластмассы ..............................................$
   1.1. Полимеры (основные понятия)....................................$
   1.2. Пластмассы.....................................................
      1.2.1. Наполнители...............................................
      1.2.2. Пластификаторы............................................
      1.2.3. Смазки и реологические добавки...........................23
      1.2.4. Пигменты и красители.....................................24
      1.2.5. Стабилизаторы и ингибиторы..............................—   24
      1.2.6. Отвердители..............................................25
      1.2.7. Антистатики и антисептики................................26
2. Основные разновидности промышленных полимеров и пластмасс..........28
   2.1. Полиэтилен........................••..........................28
   2.2. Полипропилен..................................................32
   2.3. Фторопласты...................................................33
   2.4. Полистиролы .......................................—...........
   2.5. Поливинилхлорид...............................................37
   2.6. Полиметилметакрилат...........................................38
   2.7. Полиамиды......................................................
   2.8. Пол иформальдсгнд......................-......................40
   2.9. Полимеры с повышенной теплостойкостью..........................42
   2.10. Сложные полиэфиры..........................................  44
   2.11. Ненасыщенные полиэфирные смолы (НПЭ).........................45
   2.12. Эпоксидные смолы (ЭС)........................-...............46
   2.13. Фенопласты (ФФП).............................................47
   2.14. Аминопласты................................................  48
   2.15. Кремнийоргапические полимерные материалы.....................49
3. Армированные полимерные материалы..................................51
   3.1. Особенности процесса армирования..............................52
   3.2. Разновидности наполнителей....................................53
   3.3. Типы структур армирования..............~.......................

Технические свойства полимерных материалов

      3.4. Основные особенности технологии.................................58
      3.5. Свойства полимерных армированных пластиков......................64
    4.  Прочность и долговечность..........................................69
      4.1. Общие понятия...................................................69
      4.2. Вязкоупругость и релаксация.....................................7!
      4.3. Долговечность...................................................76
      4.4. Прочность и деформируемость в статических условиях..............78
          4.4.1. Растяжение................................................79
          4.4.2. Сжатие....................................................82
          4.4.3. Изгиб.....................................................84
          4.4.4. Кручение и срез м..........„..............................86
      4.5. Прочность в динамических условиях.............................  88
          4.5.1. Циклические напряжения....................................88
          4.5.2. Ударная прочность.........................................91
    5. Влияние условий эксплуатации на прочность полимерных материалов.....94
      5.1. Температура окружающей среды....................................94
      5.2. Влажность......................................................КХ)
      5.3. Агрессивные среды „........................................    103
    6.  Твердость.........................................................107
    7.  Термомеханические свойства........................................111
    8.  Теплофизические свойства..........................................120
      8.1. Дилатометрические свойства .....................................120
      8.2. Теплофизические коэффициенты...................................124
    9. Термо-, тепло- и морозостойкость...................................130
    10. Электрические свойства............................................135
      10.1. Диэлектрическая проницаемость.................................135
      10.2. Диэлектрические потери........................................137
      10.3. Электрическая проводимость....................................140
      10.4. Электрическая прочность.......................................144
    И. Внешнее трение и изнашивание.......................................147
      11.1 . Параметры трения и изнашивания...........................-...148
      11.2  . Трибон ласты................................................149
          11.2.1 . Антифрикционные полимерные материалы (АПМ).............149
          11.2.2 . Удельная мощность трения...............................154
          11.2.3 . Фрикционные полимерные материалы (ФПМ).................155
    12. Акустические свойства.............................................158
      12.1. Акустические характеристики...................................158
      12.2. Акустические материалы........................................159
    13. Горючесть пластмасс...............................................168
    14. Перерабатываемое™ полимерных материалов...........................174
      14.1. Термопласты...............................................    174
      14.2. Реактопласты..................................................182
    Список литературы.....................................................187
    Основные условные обозначения ........................................189
    Используемые сокращения...............................................191
    Приложения............................................................193

            Предисловие ко второму изданию




   Первое издание книги получило одобрение специалистов не только полимерной промышленности, но и высшего и среднего технического образования. Большое количество откликов и значительный интерес читателей к данной теме послужили стимулом для авторов к продолжению работы по совершенствованию отдельных разделов пособия. Во втором издании сохраняется исходная структура, в которую внесен ряд дополнений.
   Расширена первая часть (главы 1-3), где приводится типология полимеров и полимерных материалов и кратко охарактеризованы основные разновидности промышленных пластмасс с расшифровкой стандартных обозначений их марок. Сюда же вошли сведения по ряду новых, получивших развитие и, соответственно, спрос, марок сополимеров и смесевых полимерных материалов с улучшенными свойствами.
   Основная часть книги, освещающая комплекс физико-механических и релаксационных свойств, термомеханическое поведение пластмасс, их тенлофпзиче-ские, акустические и триботехнические особенности, дополнена сведениями по горючести полимеров, их повелению в агрессивных средах и эксплуатационными характеристиками.
   В главу по персрабатывасмости термопластов вошли сведения по пресс-мате-риалам.
   Во втором издании книги расширен перечень приложений. Приводятся новые данные по индивидуальным функциональным свойствам полимеров, приведены современные торговые названия отечественных и зарубежных материалов, уточнен перечень производителей сырья стран СНГ.
   Краткие пояснения позволяют читателю увереннее давать оценку материалу и выбирать пластмассы, наиболее полно отвечающие техническим условиям эксплуатации разнообразных изделий из полимерных материалов.

   Все конструктивные замечания и пожелания читателей будут с признательностью восприняты авторским коллективом.

            Введение




   Полимерные материалы обладают комплексом характеристик, которые при умелом их использовании обеспечивают эффективные эксплуатационные свойства изделий и рентабельность их производства. К основным достоинствам пластмасс относятся:
   а) высокая технологичность, благодаря которой из производственного цикла можно исключить трудоемкие и дорогостоящие операции механической обработки изделий;
   б) минимальная энергоемкость, обусловленная тем, что температуры переработки этих материалов составляют, как правило, 150-250 °C, что существенно ниже, чем у металлов и керамики;
   в) возможность получения за один цикл формования сразу нескольких изделий, в том числе сложной конфигурации, а при производстве погонажных продуктов вести процесс на высоких скоростях;
   г) практически все процессы переработки полимерных материалов автоматизированы, что позволяет существенно сократить затраты на заработную плату и повысить качество изделий.
   Вследствие перечисленных особенностей полимерные материалы получили исключительно широкое распространение и эффективно используются практически во всех отраслях мирового хозяйства. Нс удивительно, что мировой объем производства пластмасс к 2005 году составил более 200 млн тонн.
   Основными производителями пластмасс являются США. Япония, Германия, Корея и Китай.
   Около 90% всего производства полимерных материалов приходится на несколько разновидностей крупнотоннажных пластиков. Выпуск полиолефинов,

Введение

7

полиэтилена низкой и высокой плотности (ПЭНП и ПЭВП) и полипропилена (ПП), составляет от 35 до 45% общего объема производства, от 11 до 20% — доля поливинилхлорида (ПВХ), 9-13% приходится на полистирольные пластики, от 2 до 7% — на полиамиды. До 4% характеризуется доля эпоксидных смол, ненасыщенных полиэфиров, полиэтилентерефталата (ПЭТФ), поликарбоната (ПК), полиацеталей.
   В настоящее время в России отмечается интенсивный рост как производств пластмасс, так и выпуска изделий из них. В этом процессе весьма активное участие принимают специалисты, которым нередко остро необходима справочно-методическая литература, позволяющая оценить свойства пластиков и выбрать наиболее подходящий из них. Обнаружить такую литературу на полках книжных магазинов практически невозможно, поскольку она не издавалась более десяти лет.
   Цель данной книги — восполнить пробел в обозначенной области. Она содержит не только справочные данные и стандартизованные свойства пластмасс, нои учебно-методические сведения, облегчающие профессионалам-практикам, а также студентам полимерных и технических специальностей обоснованный выбор материала.

            1. Полимеры и пластмассы




   Термин «полимерные материалы» является обобщающим. Он объединяет три обширных группы синтетических материалов, а именно: полимеры, пластмассы и их морфологическую разновидность — полимерные композиционные материалы (ПКМ) или, как их еще называют, армированные пластики. Общее для перечисленных групп то, что их обязательной частью является полимерная составляющая. которая и определяет основные термодеформационные и технологические свойства материала. Полимерная составляющая представляет собой органическое высокомолекулярное вещество, полученное в результате химической реакции между молекулами исходных низкомолекулярных веществ — мономеров.
   Полимерами принято называть высокомолекулярные вещества (гомополимеры) с введенными в них добавками, а именно стабилизаторами, ингибиторами, пластификаторами, смазками, антирадами и т. д. Физически полимеры являются гомофазными материалами. Они сохраняют все присущие гомополимерам физико-химические особенности.
   Пластмассами называются композиционные материалы па основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Они (дисперсная среда) располагаются в полимерной матрице (дисперсионная среда). Физически пластмассы представляют собой гетерофазные изотропные материалы с одинаковыми во всех направлениях физическими макросвойствами.
   Полимерные армированные материалы являются разновидностью пластмасс. Они отличаются тем, что в них используются не дисперсные, а армирующие, то есть усиливающие наполнители (волокна, ткани, ленты, войлок, монокристаллы), образующие в ПКМ самостоятельную непрерывную фазу. Отдельные разновидности таких ПКМ называют слоистыми пластиками. Такая морфология

Полимеры и пластмассы 9

позволяет получить пластики с весьма высокими деформационно-прочностными, усталостными, электрофизическими, акустическими и иными целевыми характеристиками, соответствующими самым высоким современным требованиям.

        1.1. Полимеры (основные понятия)

   Главная особенность полимеров [1] заключается в специфическом цепном строение молекул, состоящих из многократно повторяющихся структурных группировок (звеньев).
   Звенья представляют собой низкомолекулярные вещества (мономеры), молекулы которых способны в определенных условиях к последовательному соединению друге другом в результате химической реакции синтеза. Таким образом, между собой звенья соединены в цепи химическими связями.
   Макромолекулой принято называть молекулу полимера, молекулярная масса (ММ) которой определяется степенью полимеризации мономеров, то есть числом (п) мономерных звеньев с молекулярной массой (М) в единичном звене:
и-М - ММ.

   В зависимости от значений М и п молекулярная масса полимеров может изменяться в весьма широких пределах от 310² до 5-10⁶единиц.
   Принято следующее, в определенной мере условное, разделение полимеров по величине молекулярной массы:
   • олигомеры— ММ <510³;
   • полимеры — 5-10³ < ММ <= 5-10⁵;
   • сверхвысоко,молекулярные полимеры — М М > 5-10⁵.
   Ко второй группе принадлежит абсолютное большинство разновидностей полимеров.
   Свойства олигомеров существенно зависят от молекулярной массы и, следовательно, от степени полимеризации. Зависимость свойств полимеров от числа мономерных звеньев в цепи значительно меньше. Основные физические параметры полимеров (прочность, теплопроводность, дилатометрические характеристики, характеристические температуры) остаются практически постоянными. Молекулярная масса влияет на реологические показатели их расплавов, на термодеформационные и ряд эксплуатационных свойств. Она существенно зависит от способа получения полимеров, то есть от оборудования и технологии их синтеза. В связи с этим при описании физико-химических свойств полимеров значение молекулярной массы дается в сравнительно широких пределах, например, для ПЭНП - (1,9-4,8)10⁴ [2].

Технические свойства полимерных материалов

   Молекулярно-массовое распределение (ММ Р) отражает неоднородность полимера по размерам цепей и, следовательно, по молекулярной массе составляющих его макромолекул.
   Значение ММР напрямую зависит от технологии производства полимера, характеризующейся энергетическими различиями условий химической реакции соединения мономерных звеньев (не одинаковая на разных участках аппарата синтеза температура, длительность реакции, давление). Любой промышленный полимер представлен набором отдельных фракций, состоящих из макромолекул, отличающихся молекулярной массой. Так, в ПЭНП со средней ММ - 50 000 присутствуют фракции макромолекул с ММ в 20 000, 30 000, 70 000 и даже 100 000.
   Процентное соотношение фракций в объеме полимера оказывает существенное влияние на комплекс его свойств. Чем уже ММР, то есть чем меньше поли-дисперсность полимера, тем уже дисперсия значений его свойств и определеннее его технологические и эксплуатационные характеристики. По физической организации макромолекулы подразделяются на линейные, схематически обозначаемые -А-А-А-А-А-, и разветвленные, имеющие боковые ответвления,

А-А-А
                           I
-А-А-А-А-А-А-АI I
А-А-А А-А.


   Если соседние макромолекулы соединены химическими связями или цепями по схеме:

-А-А-А-А--А-А-АI    I   I
А    А   А
I    I   I
А    А   А
I    I   I
-А-А-А-А-А-А-А-,


то такая структура называется сетчатой или сшитой.
   Соответственно полимеры с той или иной физической организацией макромолекул называются линейными, разветвленными или сетчатыми.
   Физическая организация макромолекул полимеров формирует важнейшие понятия, определяющие доминантные особенности полимеров, а именно термоплас-тичностъ и термореактивностъ.
   Термопластичные полимеры (термопласты) состоят из макромолекул, соединенных между собой только физическими связями. Энергия разрыва физических связей невелика и составляет от 12 до 30 кДж/моль. При нагревании физические