Конструкционные пластики - микроструктура, характеристики, применения

Н. МИЛЛС





                КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПЛАСТИКИ




МИКРОСТРУКТУРА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИМЕНЕНИЯ
Перевод с английского С.В. Котомина под редакцией С.Л. Баженова







                                                          Издательский Дом
                                                          ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2011

   Н. Миллс
      Конструкционные пластики — микроструктура, характеристики, применения. Пер. с англ.: Учебно-справочное руководство / Н. Миллс — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. — 512 с.
   ISBN 978-5-91559-047-1

      Книга известного английского специалиста, выдержавшая уже три последовательно совершенствуемых издания. В ней компактно и четко изложены как механические и физико-химические свойства пластических масс, так и их промышленные применения в конкретных конструкциях от труб и компакт-дисков до тросов и биоматериалов. При этом несомненным достоинством книги является установление связи микроструктуры полимеров и композиционных материалов с характеристиками конечной продукции при использовании разнообразных технологических процессов.
      Учебно-справочное руководство адресовано необходимо студентам и преподавателям химико-технологических, материаловедческих и машиностроительных специальностей, конструкторам и технологам.





                                                       Plastics
                                                       Microstructure and Applications

                                                       Third Edition

                                                       N J Mills











   ISBN 978-5-91559-047-1
   ISBN 978-07506-5148-6 (англ.)

                                      © 2005, Nigel Mills. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved
                                      © 2011, ООО Издательский Дом «Интеллект», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ









    Предисловие....................................................... 17

    Глава 1
    ВВЕДЕНИЕ.......................................................... 18
       1.1. Введение.................................................. 18
       1.2. Полимеры в бытовых изделиях............................... 18
           1.2.1. Пластиковыйчайник................................... 19
           1.2.2. Устройство видеокассеты (VHS)........................21
           1.2.3. Разборное полимерное кресло..........................22
           1.2.4. Телефонная трубка....................................24
           1.2.5. Резюме...............................................25
       1.3. Механические и оптические свойства полимеров...............25
           1.3.1. Образование трещин и разрушение шариковой ручки......25
           1.3.2. Пластичность лент из полиэтилена низкой плотности....26
           1.3.3. Оптические свойства компакт-дисков (CD) и полиэтиленовой пленки......................................................27
           1.3.4. Старение полимеров под действием солнечного света....28
           1.3.5. Вязкоупругость пенопластовых покрытий................29
       1.4. Идентификация полимеров....................................29
           1.4.1. Маркировка для вторичной переработки.................29
           1.4.2. Внешний вид неокрашенного изделия....................30
           1.4.3. Плотность............................................30
           1.4.4. Температура плавления................................30
           1.4.5. Модуль упругости.....................................30
       1.5. Особенности полимеров при переработке......................32
           1.5.1. Изделия, получаемые раздувом.........................32
           1.5.2. Изделия, получаемые экструзией.......................33
           1.5.3. Изделия, получаемые литьем под давлением.............34

_J Оглавление

           1.5.4. Изделия, получаемые термоформованием..................35
           1.5.5. Пленки, получаемые экструзией с раздувом..............36
           1.5.6. Бутылки, получаемые литьем под давлением с раздувом...36
       1.6. Заключение..................................................37

    Глава 2 МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ПОЛИМЕРОВ ...................................38
       2.1. Введение....................................................38
           2.1.1. Масштабный фактор.....................................38
           2.1.2. Типы полимеров........................................38
           2.1.3. Крупнотоннажные и конструкционные термопласты.........39
           2.1.4. Термореактивные полимеры и каучуки....................40
       2.2. Межмолекулярные связи в полимерах...........................41
           2.2.1. Ковалентные связи.....................................41
           2.2.2. Ван-дер-ваальсовое взаимодействие.....................42
           2.2.3. Водородные связи......................................44
           2.2.4. Ионные связи..........................................44
       2.3. Полимеризация...............................................44
           2.3.1. Полимеры, получаемые радикальной полимеризацией.......44
           2.3.2. Поликонденсация.......................................46
           2.3.3. Молекулярно-массовое распределение....................48
       2.4. Регулярность цепи...........................................51
           2.4.1. Радикальная полимеризация стереорегулярных полимеров....................................................51
           2.4.2. Сополимеризация.......................................53
           2.4.3. Блок-сополимеры.......................................54
       2.5. Разветвленные и сшитые полимеры.............................55
           2.5.1. Разветвление цепи.....................................55
           2.5.2. Термореактивные полимеры..............................56
           2.5.3. Каучуки...............................................58
       2.6. Технология и экономика производства.........................59
           2.6.1. Производство мономеров................................59
           2.6.2. Технологические процессы при полимеризации............62
           2.6.3. Экономика и масштаб производства......................63
       2.7. Марки и характеристики крупнотоннажных полимеров............64

Оглавление -*J   5

       2.7.1. Полиэтилен............................................64
            2.7.1.1. Плотность и индекс текучести расплава......... 66
       2.7.2. Полипропилен..........................................67
       2.7.3. Поливинилхлорид.......................................68
       2.7.4. Полистирол............................................72
       2.7.5. Добавки...............................................72

Глава 3 СТРУКТУРА ПОЛИМЕРОВ.................................................74
   3.1. Введение....................................................74
   3.2. Моделирование формы макромолекул............................75
       3.2.1. Структура и конформация С-С-связи.....................75
       3.2.2. Метод случайных блужданий по кристаллической решетке......................................................76
   3.3. Аморфные полимеры...........................................78
       3.3.1. Основные формы полимеров..............................78
       3.3.2. Молекулярная масса и размер молекулы..................79
       3.3.3. Сетка зацеплений макромолекул в расплавах полимеров...82
       3.3.4. Упругость полимерной цепи в сетчатой структуре........84
       3.3.5. Каучуки...............................................86
       3.3.6. Температура стеклования...............................89
       3.3.7. Микроструктура аморфных полимеров.....................91
       3.3.8. Модуль упругости аморфных полимеров...................93
   3.4. Частично-кристаллические полимеры...........................95
       3.4.1. Введение .............................................95
       3.4.2. Кристаллическая решетка...............................95
       3.4.3. Модули упругости кристаллов...........................98
       3.4.4. Форма кристаллов......................................99
       3.4.5. Строение кристаллов................................. 100
       3.4.6. Сферолиты........................................... 101
       3.4.7. Скоростькристаллизации.............................. 104
       3.4.8. Степенькристалличности.............................. 105
       3.4.9. Дифракция рентгеновских лучей....................... 106
       3.4.10. Ориентация кристаллической фазы.................... 109
       3.4.11. Заключение......................................... 112

Оглавление

Глава 4 ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ.............................................. 113
    4.1. Введение................................................. 113
    4.2. Модуль упругости......................................... 114
       4.2.1. Модуль сдвига металлополимерных пружин.............. 114
       4.2.2. Сжатие многослойных пружин.......................... 116
       4.2.3. Модуль упругости в направлении ориентации волокон... 118
       4.2.4. Предельные значения модуля упругости................ 119
    4.3. Многослойные структуры................................... 119
       4.3.1. Жесткость при изгибе................................ 119
       4.3.2. Литье под давлением конструкционных пенопластов..... 121
    4.4. Упрочнение каучуками..................................... 122
       4.4.1. Упрочнение и структура.............................. 122
       4.4.2. Модуль упругости и концентрация напряжений.......... 123
       4.4.3. Текучесть и возникновение трещин.................... 125
       4.4.4. Пластическое течение................................ 127
    4.5. Многофазные структуры.................................... 130
       4.5.1. Блок-сополимеры..................................... 130
       4.5.2. Литье под давлением сшивающегося полиуретана........ 131
       4.5.3. Термоэластопласты................................... 133
    4.6. Модуль упругости полиэтилена со сферолитной структурой... 135
       4.6.1. Механизмы деформации сферолитов..................... 135
        4.6.2. Модуль упругости полиэтилена со сферолитной структурой................................................ 137
    4.7. Пенопласты............................................... 138
       4.7.1. Получение пенополиуретана........................... 138
       4.7.2. Структура пенопласта с открытыми порами............. 139
       4.7.3. Сжатие пенопластов с открытыми порами............... 140
       4.7.4. Структура пенопласта с закрытыми порами............. 143
       4.7.5. Сжатие поропластов с закрытыми порами............... 144
    4.8. Армирование короткими волокнами.......................... 145
       4.8.1. Волокна и их ориентация............................. 145
       4.8.2. Модуль упругости.................................... 148
       4.8.3. Прочность на растяжение............................. 148

Оглавление Л, 7

Глава 5
ПЕРЕРАБОТКА ТЕРМОПЛАСТОВ......................................... 151

   5.1. Введение................................................. 151
   5.2. Механизм теплопередачи................................... 152
       5.2.1. Теплопроводность................................... 152
       5.2.2. Конвекция ......................................... 154
       5.2.3. Число Био.......................................... 155
       5.2.4. Излучение.......................................... 155
       5.2.5. Разогрев расплава при вязком течении............... 156
   5.3. Течение расплава термопластов............................ 156
       5.3.1. Сдвиговое течение.................................. 157
       5.3.2. Продольное течение ................................ 158
       5.3.3. Влияниемолекулярноймассы........................... 160
       5.3.4. Влияние температуры на течение расплава............ 162
   5.4. Экструзия................................................ 162
       5.4.1. Плавление и пластификация.......................... 162
       5.4.2. Производительностьэкструдера....................... 164
       5.4.3. Стадия охлаждения.................................. 167
       5.4.4. Плунжерная экструзия............................... 168
   5.5. Формование раздувом...................................... 168
       5.5.1. Получение пленки экструзией с раздувом............. 169
       5.5.2. Экструзия с раздувом............................... 171
       5.5.3. Литье с раздувом................................... 173
       5.5.4. Термоформование.................................... 175
   5.6. Литье под давлением...................................... 179
       5.6.1. Конструкцияпресс-формы............................. 179
       5.6.2. Цикллитья.......................................... 179
       5.6.3. Контроль заполнения пресс-формы.................... 182
       5.6.4. Заполнение пресс-формы............................. 184
       5.6.5. Реакционно-литьевое формование..................... 186
       5.6.6. Формование пенопластов............................. 189
   5.7. Макетирование............................................ 190

-JU Оглавление

Глава 6 ПЕРЕРАБОТКА ТЕРМОПЛАСТОВ В РАСПЛАВЕ............................... 192
    6.1. Введение................................................. 192
    6.2. Изменение микроструктуры................................. 192
        6.2.1. Влияние скорости охлаждения на степень кристалличности и плотность................................................ 192
        6.2.2. Эффекты напряжения в расплавах аморфных полимеров.................................................. 194
        6.2.3. Напряжения в расплаве частично-кристаллических полимеров.................................................. 198
        6.2.4. Сварные швы в полимерном изделии....................200
    6.3. Макроскопические эффекты..................................201
        6.3.1. Усадка и коробление.................................201
        6.3.2. Шероховатость поверхности...........................205
        6.3.3. Остаточные напряжения в экструдатах.................207
        6.3.4. Остаточные напряжения в литьевых изделиях...........209
    6.4. Сплавление частиц и гранул полимеров......................210
        6.4.1. Смешение............................................210
        6.4.2. Переработка порошка ПВХ.............................211
        6.4.3. Переработка порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена.................................................214
        6.4.4. Переработка вспененного гранулированного полистирола.................................................215

Глава 7 ВЯЗКОУПРУГИЕ     СВОЙСТВА..........................................217
    7.1. Введение..................................................217
    7.2. Линейные вязкоупругие модели..............................218
        7.2.1. Модель Фойгта.......................................218
        7.2.2. Ползучесть в обобщенной модели Фойгта...............221
        7.2.3. Расчет релаксации напряжения........................222
        7.2.4. Температурная зависимость вязкоупругих свойств......224
    7.3. Ползучесть................................................226

Оглавление —J 9

       7.3.1. Расчет ползучести....................................226
       7.3.2. Расчет линейной вязкоупругости.......................227
       7.3.3. Расчет псевдоупругой ползучести......................228
       7.3.4. Восстановление и ползучесть при циклическом нагружении..................................................229
   7.4. Циклическая деформация.....................................231
       7.4.1. Анализ линейной вязкоупругости.......................231
       7.4.2. Виброизоляция машин..................................234
       7.4.3. Демпфирующие покрытия для металлических панелей......236
       7.4.4. Полимеры с высокой демпфирующей способностью.........238

Глава 8
ПЛАСТИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ...............................................240
   8.1. Молекулярный механизм пластического течения................240
       8.1.1. Аморфные полимеры....................................240
       8.1.2. Частично-кристаллические полимеры....................242
   8.2. Деформирование в различных напряженных состояниях..........243
       8.2.1. Образование шейки при растяжении.....................243
       8.2.2. Пластичность при изгибе..............................248
       8.2.3. Потеря устойчивости и пластическое течение при сжатии..................................................249
       8.2.4. Локальное пластическое течение при сжатии и твердость.................................................251
       8.2.5. Локализованное пластическое течение и задир поверхности.................................................252
       8.2.6. Перфорация пленки....................................254
   8.3. Пластическое течение при различных масштабах времени.......255
       8.3.1. Влияние скорости растяжения..........................255
       8.3.2. Разрушение при ползучести ...........................256
   8.4. Ориентационное упрочнение..................................256
   8.5. Микромеханизмы пластического течения.......................259
       8.5.1. Крэйзинг.............................................259
       8.5.2. Энергетика роста крэйза..............................261
       8.5.3. Пластический коллапс пен.............................263

¹⁰ -V

Оглавление

Глава 9
РАЗРУШЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ..............................................266
    9.1. Введение.................................................266
    9.2. Характеристика поверхности разрушения....................267
    9.3. Зарождение трещины.......................................270
       9.3.1. Концентрация упругих напряжений.....................270
       9.3.2. Предел текучести....................................272
       9.3.3. Трещины! в хрупких поверхностных слоях..............275
       9.3.4. Остаточные напряжения...............................276
       9.3.5. Заключение..........................................276
    9.4. Рост трещины.............................................276
       9.4.1. Механика разрушения.................................276
       9.4.2. Коэффициент интенсивности напряжения................279
       9.4.3. Критическое значение коэффициента интенсивности напряжения Ктс............................................280
       9.4.4. Текучесть в кончике трещины и модель Дагдейла.......281
       9.4.5. Разрушение толстых пластин в условиях плоской деформации................................................284
       9.4.6. Разрушение тонких пленок в условиях плосконапряженного состояния.................................................286
       9.4.7. Влияние скорости растяжения.........................288
    9.5. Ударные испытания.........................................289
        9.5.1. Ударные испытания по Изоду и Шарпи..................290
        9.5.2. Ударные испытания тонких пластин...................291
        9.5.3. Испытания на удар изделий..........................293
        9.5.4. Инструментальные испытания на удар.................294


Глава 10
ДЕСТРУКЦИЯ И ВЛИЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ............................298
    10.1. Введение...............................................298
    10.2. Деструкция при переработке.............................299
        10.2.1. Полиолефины:.....................................299
        10.2.2. Поливинилхлорид..................................300
        10.2.3. Вода и полимеры, получаемые ступенчатой полимеризацией..........................................302
    10.3. Деструкция при повышенных температурах.................302