Пластические массы

ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ (пластмассы, пластики), полимерные материалы, формуемые в изделия в пластическом или вязкотекучем состоянии обычно при повыш. т-ре и под давлением. В обычных условиях находятся в твердом стеклообразном или кристаллич. состоянии. Помимо полимера могут содержать твердые или газообразные наполнители и разл. модифицирующие добавки, улучшающие технол. и(или) эксплуатац. св-ва, снижающие стоимость и изменяющие внеш. вид изделий. В зависимости от природы твердого наполнителя различают асбопластики, боропластики, графи-топласты, металлополимеры, органопластики, стеклопластики, углепластики. П. м., содержащие твердые наполнители в виде дисперсных частиц разл. формы (напр., сферической, игольчатой, волокнистой, пластинчатой, чешуйчатой) и размеров, распределенных в полимерной матрице (связующем), наз. дисперсно-наполненными. П.м., содержащие наполнители волокнистого типа в виде ткани, бумаги, жгута, ленты, нити и др., образующие прочную непрерывную фазу в полимерной матрице, наз. армированными (см. Армированные пластики, Композиционные материалы). В П. м. могут также сочетаться твердые дисперсные и(или) непрерывные наполнители одинаковой или разл. природы (т. наз. гибридные, или комбинированные, наполнители). Содержание твердого наполнителя в дисперсно-наполненных П. м. обычно изменяется в пределах 30-70% по объему, в армированных - от 50 до 80%.

П. м., содержащие в качестве наполнителя газ или полые орг. либо неорг. частицы, относят к пенопластом, к-рые также м. б. дисперсно-наполненными или армированными.

Модифицирующие добавки вводят в П. м. в небольших кол-вах для регулирования состава, структуры и св-в полимерной фазы или границы раздела фаз полимер - наполнитель. Для регулирования вязкости на стадиях получения и переработки П. м. используют инертные или активные р-рители, разбавители и загустители, для снижения т-р стеклования, текучести и хрупкости-пластификаторы, для повышения хим., термо- и светостойкости - антиоксиданты, термо- и светостабилизаторы, для снижения горючести-антипирены, для окрашивания - пигменты или красители, для снижения электризуемости - антистатики, для улучшения смачивания наполнителя и повышения адгезионного взаимодействия полимер - наполнитель используют ПАВ и аппретирующие ср-ва (см. Текстильно-вспомогательные вещества). По типу полимерного компонента и характеру физ. и хим. превращений, протекающих в нем при получении и переработке и определяющих способ и условия последних, П. м. подразделяют на два принципиально различных класса - термопласты и реактопласты.

Термопласты (ТП)-П. м. на основе линейных или разветвленных полимеров, сополимеров и их смесей (см. также Высокомолекулярные соединения), обратимо переходящих при нагревании в пластическое или вязкотекучее состояние в результате плавления кристаллич. и(или) размягчения аморфной (стеклообразной) фаз. Наиб. распространены ТП на основе гибкоцепных (гл. обр. карбоцепных) полимеров, сополимеров и их смесей-полиолефинов (полиэтилена, полипропилена, поли-4-метил-1-пентена), поливинилхлорида, полистирола (см. также Полистирол ударопрочный, АБС-пластик), полиметилметакрилата, поливинилацеталей, производимых в больших объемах и имеющих сравнительно низкую стоимость; они обладают низкими т-рами плавления и размягчения, тепло- и термостойкостью. Особое место среди П. м. на основе карбоцепных полимеров занимают фторопласты, для к-рых характерны высокие т-ры плавления и уникальные хим. стойкость и термостойкость, антифрикц. св-ва. В меньших масштабах используют ТП на основе гетероцепных полимеров, сополимеров и их смесей, напр. гибкоцепных алифатических и жесткоцепных ароматических простых и сложных полиэфиров (см., напр., Пента-пласт, Полисульфоны, Полифениленоксиды, Полиэтилен-терефталат, Поликарбонаты, Полиарилаты), полиамидов (см. также Поли-e-капроамид, Полигексаметиленадипинамид, Поли-м-фениленизофталамид), полиацеталей (см. Поли-формальдегид), полиимидов и полиуретанов.

По фазовому состоянию не содержащие наполнителей (ненаполненные) ТП м. б. одно- и двухфазными аморфными, аморфно-кристаллическими и жидкокристаллическими. К однофазным аморфным ТП относятся полистирол, поли-метакрилаты, Полифениленоксиды, к-рые эксплуатируются в стеклообразном состоянии и обладают высокой хрупкостью. По св-вам им близки стеклообразные аморфно-кристаллич. ТП, имеющие низкую степень кристалличности (менее 25%), напр. поливинилхлорид, поликарбонаты, полиэтилентере-фталат, и двухфазные аморфные ТП на основе смесей полимеров и привитых сополимеров, напр. ударопрочный полистирол, АБС-пластики, состоящие из непрерывной стеклообразной и тонкодиспергир. эластичной фаз. Деформац. теплостойкость таких ТП определяет т-ра стеклования, лежащая в интервале 90-220⁰C.

Кристаллич. ТП, имеющие высокую степень кристалличности (более 40-50%) и низкую т-ру стеклования, напр. полиолефины, фторопласты, полиформальдегид, алифатич. полиамиды, обычно эксплуатируют при т-рах выше т-р стеклования, когда аморфные области находятся в эластич. состоянии. Их деформац. теплостойкость определяет т-ра плавления, лежащая в интервале 110-360⁰C.

ТП на основе термотропных жидкокристаллич. полимеров (см. Жидкие кристаллы), напр. нек-рых ароматич. сложных полиэфиров и их сополимеров, состоят из изотропной и анизотропной (чаще всего нематической) фаз. Анизотропная фаза характеризуется самопроизвольной ориентацией выпрямленных макромолекул или их участков и оказывает т. наз. эффект самоармирования. Их теплостойкость определяет т-ра плавления жидкокристаллич. фазы, лежащая в пределах 200-250⁰C.

Производят ТП в виде гранул или порошков. Для наполнения с целью снижения стоимости, повышения стабильности формы изделий и улучшения эксплуатац. св-в чаще всего используют коротковолокнистые наполнители орг. или неорг. природы и минер. порошки. Эти наполнители, а также модифицирующие добавки вводят чаще всего при переработке-гранулировании ТП, реже на стадии синтеза полимера (см. Полимеризация на наполнителях). При использовании непрерывных волокнистых наполнителей их пропитывают р-ром или расплавом полимера. Применяют также методы пленочной, волоконной или порошковой технологии, в к-рых наполнитель сочетают с ТП, находящимся в форме пленки, волокна или порошка соотв.; на стадии формования изделий из таких пластмасс ТП расплавляются и наполнитель пропитывается ими.

В качестве газонаполненных ТП наиб. распространены пенополистирол и пенополивинилхлорид, а также синтактические П.м. (наполнитель-полые частицы).

Ненаполненные и дисперсно-наполненные ТП формуют в изделия и полуфабрикаты (напр., прутки, профили, листы) литьем под давлением и экструзией, реже прессованием или спеканием. Изделия из листовых заготовок ТП, в т.ч. армированных непрерывными наполнителями, изготовляют штамповкой, вакуумным и пневмоформованием. Изделия.и полуфабрикаты из ТП можно подвергать мех. обработке (напр., вырубке, резке), сварке, склеиванию и вторичной переработке. Для регулирования структуры ТП и остаточных напряжений в изделиях из них используют дополнит. термообработку (отжиг или закалку). Для снижения ползучести (особенно при повыш. т-рах) ТП подвергают также хим. или радиац. сшиванию, приводящему к образованию пространств. сетки. Важный способ повышения деформационно-прочностных св-в ТП, особенно листовых и пленочных,-ориентац. вытяжка (см. Ориентированное состояние полимеров).

Реактопласты (РП)-П.м. на основе жидких или твердых, способных при нагревании переходить в вязкотекучее состояние, реакционноспособных олигомеров (смол), превращающихся в процессе отверждения при повыш. т-ре и(или) в присут. отвердителей в густосетчатые стеклообразные полимеры, необратимо теряющие способность переходить в вязкотекучее состояние. По типу реакционноспособных олигомеров РП подразделяют на фенопласты (на основе фено-ло-формальд. смол), аминопласты (на основе мочевино- и меламино-формальд. смол), эпоксипласты (на основе эпок-сидных смол), эфиропласты (на основе олигомеров акриловых), имидопласты (на основе олигоимидов или смесей имидообразующих мономеров) и др. Мол. масса олигомеров, тип и кол-во реакционноспособных групп в них, а также природа и кол-во отвердителя определяют св-ва РП на стадиях их получения, переработки в изделия (напр., условия, механизм и скорость отверждения, объемные усадки и выделение летучих в-в), а также эксплуатац. св-ва изделий. Для регулирования технол. св-в РП наиб. широко используют разбавители, загустители и смазки, а для модификации св-в в отвержденном состоянии - пластификаторы и эластифицирующие добавки (напр., жидкие каучуки, простые олигоэфиры), к-рые вводят в олигомер.

Ненаполненные РП сравнительно редко используют как самостоят. материалы из-за высоких объемных усадок при отверждении смол и возникающих вследствие этого больших усадочных напряжений. Обычно смолы, содержащие модифицирующие добавки, служат связующими наполненных РП. Дисперсно-наполненные РП получают в виде OT-верждающихся масс (см. Пресспорошки, Премиксы)совмещением связующего с наполнителем в разл. смесителях; такие РП перерабатывают в изделия методами компрессионного или литьевого прессования и литья под давлением, реже заливкой в формы или трансфертам прессованием. Армированные РП получают в виде препрегов-предрари-тельно пропитанных связующим непрерывных волокнистых наполнителей (см. Волокниты, Гетинакс, Слоистые пластики, Сотопласты). Изделия из таких полуфабрикатов формуют методами намотки, выкладки и протяжки с послед. фиксированием их формы путем отверждения связующего. В др. методах заготовки изделий формуют из "сухого" наполнителя, а затем, предварительно вакуумируя, пропитывают их связующим под давлением, после чего уплотняют и отверждают.

Из газонаполненных РП наиб. распространение получили пенофенопласты и пенополиуретаны.

Осн. преимущества РП по сравнению с ТП-более широкие возможности регулирования вязкости, смачивающей и пропитывающей способности связующего; недостатки обусловлены экзотермич. эффектами, объемными усадками и выделением летучих в-в при отверждении и связанными с этим дефектностью и нестабильностью формы изделий и их хрупкостью. Процессы формования изделий из РП обычно более длительны и трудоемки, чем из ТП. На предельных стадиях отверждения РП не способны к повторному формованию и сварке. Соединение деталей из РП производят склеиванием и мех. методами. При низких степенях отверждения РП способны к т. наз. хим. сварке и приформовке одной детали к другой.

Свойства и применение. Физ.-мех. и др. эксплуатац. св-ва ТП и РП различаются в очень широких пределах в зависимости от типа и содержания полимера, наполнителя и модифицирующих добавок. Так, для ненаполненных П.м. кратковременный модуль упругости при обычных условиях изменяется от 4 ГПа для аморфных стеклообразных до 0,015 ГПа для кристаллических с низкой т-рой стеклования, а прочность при растяжении - от 150-200 до 10 МПа соответственно. Плотность ненаполненных П.м. лежит в пределах 0,85-1,50 г/см³ и только для фторопластов достигает 2,3 г/см³. В широких пределах различаются также диэлект-рич. и теплофиз. св-ва ненаполненных П.м. Очень резко изменяются св-ва П.м. при их наполнении - от легких и мягких пенопластов до жестких и прочных боро-, органов и углепластиков, значительно превосходящих по прочностным показателям конструкц. металлы (см. Наполненные полимеры).

Осн. достоинства П.м.-возможность произ-ва деталей сложной формы и полуфабрикатов (пленок, труб, профилей и т.п.) высокопроизводительными, малоэнергоемкими и безотходными методами формования (см. также Полимерных материалов переработка), низкая плотность, устойчивость в агрессивных средах, к воздействиям вибрации и ударных нагрузок, радиац. излучений, атмосферостойкость, высокие оптич. и диэлектрич. св-ва, легкость окрашивания. К недостаткам относятся горючесть, большое тепловое расширение, низкие термо- и теплостойкость, склонность к ползучести и релаксации напряжения, растрескивание под напряжением.

П.м. применяют во всех отраслях пром-сти и с. х-ва в качестве материалов конструкц., защитного, электротехн., декоративного, фрикц. и антифрикц. назначений.

Термин "П.м." появился в кон. 19 в. Первые пром. материалы были изготовлены на основе нитроцеллюлозы (1862-65) и казеина (1897). Развитие совр. реактопластов началось с разработки фенопластов (Л. Бакеланд, 1907-08) и аминопластов (Г. Поллак, 1921), термопластов-с синтеза полистирола (1930), поливинилхлорида (1937), полиэтилена (1938-39). В России произ-во П.м. начало складываться приблизительно в 1914 и достигло 5,03 млн. т/год (1986); науч. основы и организац. начала связаны с именами Г.С. Петрова, A.M. Настюкова, А.А. Ваншейдта, С.H. Ушакова, И. П. Лосева и др. Совр. пром-сть П. м. включает большой ассортимент материалов на основе разнообразных связующих и наполнителей. Рост мирового произ-ва П.м. идет высокими темпами (ок. 20% в год); оно достигло 72,8 млн. т/год (1985), превысив по объему произ-во металлов.

Лит.: Энциклопедия полимеров, т. 2, M., 1974; Пластики конструкционного назначения (реактопласты), под ред. E. Б. Тростянской, M., 1974; Термопласты конструкционного назначения, под ред. E. Б. Тростянской, M., 1975; Справочник но пластическим массам, под ред. В. H. Катаева, 2 изд., т. 1-2, M.. 1975; Modern plastics encyclopedia, N. Y., 1988. E. Б. Тростянская, А. Г. Бабаевский.