Основные виды термопластичных полимеров. Влияние их свойств и характеристик на процесс вакуумного формования | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 2 ноября, печатный экземпляр отправим 6 ноября.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №48 (182) декабрь 2017 г.

Дата публикации: 05.12.2017

Статья просмотрена: 310 раз

Библиографическое описание:

Симогостицкий А. А. Основные виды термопластичных полимеров. Влияние их свойств и характеристик на процесс вакуумного формования // Молодой ученый. — 2017. — №48. — С. 48-51. — URL https://moluch.ru/archive/182/46926/ (дата обращения: 19.10.2019).



В статье приводятся основные виды полимеров, используемые при производстве изделий методом вакуумного формования. Дается описание их свойств и характеристик, влияющих на готовые изделия и процесс вакуумного формования в целом.

Актуальность темы заключается в анализе существующих видов термопластов, их свойств и характеристик. Термопласты имеют определенные особенности, что позволяет использовать их в вакуумном формовании. Задача состоит в том, чтобы изучить данные характеристики и их влияние на процесс вакуумного формования. Важное значение имеют технологические свойства термопластов. Выбор оптимального варианта материала осуществляется на основании условий эксплуатации изготавливаемого изделия. К изготовленным изделиям предъявляются определенные требования по эксплуатации в различных климатических условиях, условиях повышенного износа, в среде химически активных веществ и различного рода излучений.

Основная часть

Пластик достаточно молодой материал, однако быстро заменил собой металл, древесину и камень, так как легко обрабатывается и перерабатывается, является более дешевым материалом, а процесс изготовления изделий из пластика менее трудоемкий и затратный. В настоящее время для обработки листового пластика очень широко используется метод вакуумного формования, при котором лист пластика нагревается и переносится на специальную форму, между разогретым листом пластика и формой создается вакуум и пластик приобретает очертания формы. Данный метод используется в машиностроении и пищевой промышленности для изготовления различных деталей машин, упаковки, рекламы и много другого. Качество выпускаемой продукции складывается из множества факторов и ключевым из них является состав пластика, его свойства. Существует множество разновидностей полимеров, но для процесса вакуумного формования используются в основном термопластичные полимеры (термопласты). При обычной температуре термопласты находится в твердом состоянии, а при повышении температуры они переходят в эластичное или же текучее состояние, что обеспечивает возможность формования вакуумным методом. Для вакуумного формования используются такие термопласты как полиэтилен, полипропилен, полистирол, AБС-пластики, поликарбонат, полиамид и ещё ряд полимеров со схожими свойствами. Так как детали из пластика используются в различных сферах деятельности человека, то к ним должны предъявляться определенные требования. К примеру, детали машин должны обладать такими качествами, как твердость, теплостойкость, плотность и морозостойкость.

Полиэтилен является полимером этилена и имеет хорошие амортизационные и диэлектрические свойства. Полиэтилен устойчив к нагреву в атмосфере инертных газов и в условиях вакуума, но на воздухе при нагревании уже при 80 °С начинается процесс деструкции. Под воздействием ультрафиолетовых лучей подвергается фотодеструкции, однако устойчив к низким температурам до –70 °С. Имея не высокую температуру деструкции, он легко перерабатывается и подвергается внешнему воздействию, модификации. Из полиэтилена изготавливают в основном упаковку, так как он подвержен изменению своей структуры в присутствии ультрафиолета, но его использование в качестве различных деталей также возможно посредством фторирования, хлорирования, сульфирования, а также смешением с другими полимерами. Этими способами ему можно придать эластичность, улучшить теплостойкость и стойкость в химически активных средах, придать ударную вязкость. Многие свойства зависят от молекулярной массы и плотности термопласта, поэтому для разных видов полиэтилена они разные. По своим свойствам различают полиэтилен высокого давления (ПВД) и низкого давления (ПНД). Полиэтилен высокого давления имеет более разветвленную структуру и более мягкий, чем ПНД, поэтому детали из ПНД более плотные и имеют высокую износостойкость. Интервал рабочих температур ПВД колеблется в пределах от -260 до +120 °С, поэтому он часто используется для изготовления деталей, эксплуатируемых при низких температурах. Полиэтилены с молекулярной массой более 1 млн. имеют высокую прочность, поэтому часто используются в химически агрессивных средах, а также обладают низким коэффициентом трения. ПНД получают полимеризацией на катализаторах типа Циглера-Натта протекающей при 80°С и давлении 0,3–0,5 МПа в суспензии или газовой фазе, поэтому наличие остатков катализаторов не позволяет использовать ПНД в качестве упаковки для пищевых продуктов [1, с.15].

При сравнении этих двух видов полиэтилена, можно с уверенностью сказать, что ПНД имеет более высокие показатели прочности и теплостойкости, улучшенные характеристики жесткости и твердости, обладает большей стойкостью к различным растворителям, чем ПВД. Однако ПВД легче подвергается обработке методом вакуумного формования, так как более мягкий. Данные характеристики ПВД очень востребованы при производстве сложных изделий с высокой степенью детализации, при том, что более мягкий материал легче подвергается формованию.

Полипропилен является полимером пропилена, который получают полимеризацией в растворителях в присутствии катализаторов типа Циглера-Натта. Степень кристалличности полипропилена достигает 73–75 % при температуре плавления 165–170°С [1, с.17]. Полипропилен отличается высокой прочностью и пластичностью, высокой износостойкостью, обладает хорошими электроизоляционными свойствами, высокой химической стойкостью к кислотам и щелочам. Является хорошим материалом для формования именно из-за своей пластичности. Однако в процессе вакуумного формования способен накапливать электростатические заряды. Изделия из полипропилена имеют низкую морозостойкость -15°С [2, с.10], поэтому используются только при положительных температурах, что значительно сокращает области применения деталей из полипропилена. При введении в макромолекулу изотактического полипропилена звеньев этилена можно повысить показатели морозостойкости. К недостаткам так же можно отнести чувствительность к ионизирующим и ультрафиолетовым излучениям. Изделия из полипропилена нашли широкое применение в медицине, пищевой промышленности и электротехнике. Тонкий срез полипропилена практически прозрачен, поэтому из него так же изготавливаются прозрачные упаковочные плёнки.

Поликарбонат — сложный полиэфир угольной кислоты и соединений пропана. Это термопластичный конструкционный полимерный материал, который обладает высокой прочностью и жесткостью в сочетании с высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Поликарбонат кристаллизуется очень медленно и в процессе вакуумного формования остается практически аморфным и прозрачным. Коэффициент светопропускания составляет порядка 90 %, а регулярное строение макромолекул обеспечивает степень кристалличности до 10–40 %. Детали из поликарбоната сохраняют стабильность свойств и размеров благодаря высокому уровню межмолекулярного взаимодействия, так же это обеспечивает высокие температуры стеклования (141–149°С) и плавления (220–230°С). Температура деструкции достигает 380°С. Поликарбонат обладает высокой морозостойкостью до -100°С, что позволяет осуществлять его массовое использование в северных широтах. Склонен к незначительному поглощению воды, поэтому требует сушки перед началом вакуумного формования. Излишняя влага после нагрева и формования, на этапе остывания, при больших размерах детали может привести к её деформации. Поэтому для предотвращения деструкции при температурах формования поликарбонат предварительно сушат в вакууме при 115±5 °C до содержания влаги не более 0,02 %. Поликарбонат восприимчив к длительному воздействию ультрафиолетового и ионизирующего излучения. Под воздействием ультрафиолета происходит изменение оптических (помутнение, пожелтение) и механических свойств деталей. Поэтому во избежание этого используются ультрафиолетовые-стабилизаторы, которые образуют специальное покрытие для повышения устойчивости к атмосферным воздействиям. Поликарбонат применяется для изготовления оптически прозрачных, ударостойких деталей в машиностроении, электротехнике, приборостроении, медицинской промышленности, в промышленном и гражданском строительстве. Из поликарбоната изготавливаются также прецизионные детали, корпусные детали бытовой техники, световые табло, изделия индивидуальной защиты. Благодаря высокой прочности и ударной вязкости (250–500 кдж/м2) [2, с. 10] применяются в качестве конструкционных материалов в различных отраслях промышленности, используются при изготовлении защитных шлемов и пуленепробиваемых стекол. При этом для улучшения механических свойств применяются и наполненные стекловолокном композиции.

Полистирол относится к термопластам общетехнического назначения и широко используется в производстве товаров бытового и культурно-бытового назначения, строительстве, светотехнике, медицинской технике и рекламе. При нормальных условиях полистирол жесткий материал, а отсутствие кристаллической фазы делает его прозрачным, с коэффициентом светопропускания до 90 %. Полистирол широко применяется в электротехнике, так как является хорошим диэлектриком, используется в производстве светофильтров и тонких ориентированных конденсаторных пленок. Методом вакуумного формования из полистирола производят различные рекламные вывески, фасады мебели, различные объемные детали, рассеиватели фар, корпуса и приборные панели. Однако данным методом не производятся сложные детали, так как после остывания на стадии охлаждения полистирол становится хрупким, имеет низкую ударную прочность и извлечь готовую деталь из сложной формы, не повредив её, практически невозможно. К недостаткам полистирола так же можно отнести небольшую теплостойкость, стойкость к воздействию ультрафиолетовых излучений и химически агрессивным средам. Полистирол хорошо совмещается с пластификаторами, но улучшенными характеристиками обладают сополимеры стирола, которые получили широкое распространение в автомобилестроении. Сополимеры обладают более высокой химической стойкостью, повышенной теплостойкостью (до 95°С) и прочностью при изгибе (до 130 МПа) по сравнению с полистиролом. Наибольшее распространение обработкой методом вакуумного формования получили ударопрочные сополимеры стирола. Ударопрочный полистирол — продукт привитой сополимеризации стирола с каучуком. Доля сополимера составляет около 15 % [3]. Введение каучука в состав стирола приводит к снижению жесткости, прочности и твердости ударопрочного полистирола, при этом уменьшается его теплостойкость на 20–25°С и прозрачность. Наличие частиц каучука ухудшает электроизоляционные свойства сополимера, однако данные характеристики нашли применение в приборостроении и изготовлении одноразовой посуды и тары.

Более высокой стойкостью к ударным нагрузкам по сравнению c ударопрочным полистиролом и другими сополимерами стирола обладает АБС-пластик. АБС-пластик — ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. Пропорции могут варьироваться в пределах: 15–35 % акрилонитрила, 5–30 % бутадиена и 40–60 % стирола. Выдерживает кратковременный нагрев до 90–100 °С, а также длительную эксплуатацию при температурах в 75–80 °С. АБС-пластик обладает оптимальным сочетанием эластичности и ударопрочности, что делает его одним из самых востребованных пластиков для производства сложных формованных изделий с высокой степенью вытяжки и точности изготовления. В настоящее время получил широкое применение в системах быстрого прототипирования (3D принтерах) благодаря своей высокой температуре стеклования. При эксплуатации готовых деталей в условиях невысоких температур не возникает деформаций, что говорит о достаточно высокой размерной стабильности. АБС не стоек к ультрафиолетовому излучению. Под длительным воздействием солнечного света меняется структура кристаллической решетки, ослабляются связи, что приводит в конечном итоге к разрушению даже при небольших нагрузках. Поэтому в основном используется для производства деталей, мало контактирующих с ультрафиолетовым излучением. Хладотекучесть пластика позволяет также формовать его при высоких давлениях ниже температуры стеклования. Используются АБС-пластики для изготовления крупногабаритных корпусных деталей в машиностроении, мебели, сантехники, корпусов крупной бытовой техники, деталей оружия и многого другого.

Полиамиды — полимерные материалы, в которых взаимодействие между молекулами находится на высоком уровне из-за наличия достаточно большого количества водородных связей. Обладают гибкой молекулярной цепочкой и кристаллизируются с большой скоростью. Степень кристаллизации составляет 40–70 %. Переход из твердого состояния в расплав происходит на узком интервале температур, при низкой вязкости. В зависимости от марки, полиамиды имеют разные температуры плавления от 180 до 260°С и стеклования от 40 до 60°С [4]. Полиамиды обладают высокой прочностью и ударной вязкостью в широком диапазоне температур. Благодаря своим характеристикам отлично формуются. Готовые детали из полиамида обладают высокой морозостойкостью -60°С и износостойкостью, поэтому область их применения очень обширна. Однако свойства и размеры изготовленных из них деталей во многом зависят от окружающей среды, а именно от влажности и ультрафиолетового излучения. К ультрафиолетовому излучению имеют низкую стойкость, а водопоглощение достигает нескольких процентов, поэтому полиамиды имеют плохие диэлектрические свойства. Именно поэтому, перед началом процесса формования, листы полиамида просушиваются, чтобы избежать дальнейшего брака на этапах формования и охлаждения. Хорошо просушенный полиамид не накапливает электростатических зарядов и обладает высокой масло- и бензостойкостью. Ассортимент изготавливаемых изделий из полиамида очень велик. Полиамиды используются как электроизоляционный, конструкционный и антифрикционный материал в различных областях промышленности. В автомобильной промышленности из полиамидов методом вакуумного формования изготавливаются теплостойкие и износостойкие корпусные детали, крышки катушек зажигания, колпаки колес, приборные панели и многое другое. Изготавливаются так же изделия технического и бытового назначения, рекламные вывески, декоративные элементы зданий и сооружений, корпуса бытовой техники и другие изделия, к которым предъявляются требования высокой прочности и износостойкости.

Выводы

Анализ современного рынка полимерных материалов позволил выделить несколько самых распространённых видов пластмасс. Среди них широкое применение получили термопластичные полимеры, такие как полипропилен, полиэтилен, полистирол, полиамид, АБС-пластик и другие. Данные материалы используются в производстве изделий методом вакуумного формования. Основные характеристики термопластов: морозостойкость, температура пластификация, стеклования, деструкции, вязкость, плотность, износостойкость и защищенность от различного рода излучений. Данные характеристики являются основой критерия выбора необходимого термопласта в зависимости от требований, предъявленных к выпускаемым изделиям. Приведены примеры использования термопластов и изготовления деталей методом вакуумного формования.

Литература:

  1. Власов С. В., Кандырин Л. Б., Кулезнев В. Н., Марков А. В., Симонов-Емельянов И. Д.,Суриков П. В., Ушаков О. Б. Основы технологии переработки пластмасс. — М.: Химия, 2004. — 600 с.
  2. Шерышев М. А., Пылаев Б. А. Пневмо- и вакуумформование. — Л.: Химия, 1975. — 96 с.
  3. Полистирол // Полимерные материалы. URL: http://www.polymerbranch.com/catalogp/view/5.html&viewinfo=2 (дата обращения: 30.11.2017).
  4. Полиамид // РустХим. URL: http://poliamid.ru/ (дата обращения: 30.11.2017).
Основные термины (генерируются автоматически): вакуумное формование, высокая прочность, деталь, свойство, изделие, ультрафиолетовое излучение, ударная вязкость, ударопрочный полистирол, полиамид, поликарбонат.


Похожие статьи

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных...

По литературным данным известно, что результаты были получены для ударопрочного полистирола, эпоксидных и других матриц.

При содержании наполнителя выше оптимального многие свойства композита ухудшаются. Изделия из наполненных полимеров сочетают в себе...

Послойная трехмерная печать на основе полиамид-имида

На данный момент из полиамид-имида изготавливают детали преимущественно методом литья с

Перечисленные свойства полиамид-имида можно дополнить отличной устойчивостью к возгоранию, высокими

Полимерный материал имеет повышенную ударную вязкость [2].

Обзор триботехнических самосмазывающихся материалов на...

Для полиэфирных смол характерны низкая ударная вязкость, высокий коэффициент трения, высокая усадка и т. д. Но вместе с тем полиэфирные композиты отличаются высокой прочностью, низкой стоимостью и возможностью формовать изделие при низких...

Проблемы лазерной прочности прозрачных полимеров и методы...

Лазеры на красителях в твердой матрице позволяют получать когерентное излучение, перестраиваемое в широкой области спектра – от ультрафиолетового до инфракрасного.

Из этой группы выделяется один полимер, который обладает высокой лазерной прочностью...

Композитные материалы на основе углеродных волокон

2. Формование. Изготавливается модель изделия (матрица) из гипса, алебастра, монтажной

Проанализировав ценные свойства углепластиков, высокая прочность, жёсткость

Например, в изготовлении лёгких, но прочных деталей, заменяя собой металлы, во многих изделиях от...

Базисные полимеры, применяемые в стоматологии для...

Далее предпринимались попытки использовать наряду с реактопластами — термопласты, поликарбонат, полипропилен, полистирол

«Это недостаточная прочность при статическом изгибе, низкая удельная ударная вязкость, что приводит к частым поломкам протезов» [11].

Технологии производства волокнистых материалов из...

Особенности ПП определяются сочетанием эластичных свойств и высокой прочности волокон.

Спандонд (англ. spunbond) – формование бесконечной нити из расплава фильерным способом, с последующим вытягиванием в струе воздуха.

Эпоксидные компаунды, наполненные дисперсным минеральным...

Базальт негорюч и способен выдерживать температуры до 9000С, прочен и устойчив к механическим воздействиям, обладает высокими звуко- и теплоизоляционными свойствами, биологической стойкостью, а также химической нейтральностью

Ударная вязкость, кДж/м2.

Похожие статьи

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных...

По литературным данным известно, что результаты были получены для ударопрочного полистирола, эпоксидных и других матриц.

При содержании наполнителя выше оптимального многие свойства композита ухудшаются. Изделия из наполненных полимеров сочетают в себе...

Послойная трехмерная печать на основе полиамид-имида

На данный момент из полиамид-имида изготавливают детали преимущественно методом литья с

Перечисленные свойства полиамид-имида можно дополнить отличной устойчивостью к возгоранию, высокими

Полимерный материал имеет повышенную ударную вязкость [2].

Обзор триботехнических самосмазывающихся материалов на...

Для полиэфирных смол характерны низкая ударная вязкость, высокий коэффициент трения, высокая усадка и т. д. Но вместе с тем полиэфирные композиты отличаются высокой прочностью, низкой стоимостью и возможностью формовать изделие при низких...

Проблемы лазерной прочности прозрачных полимеров и методы...

Лазеры на красителях в твердой матрице позволяют получать когерентное излучение, перестраиваемое в широкой области спектра – от ультрафиолетового до инфракрасного.

Из этой группы выделяется один полимер, который обладает высокой лазерной прочностью...

Композитные материалы на основе углеродных волокон

2. Формование. Изготавливается модель изделия (матрица) из гипса, алебастра, монтажной

Проанализировав ценные свойства углепластиков, высокая прочность, жёсткость

Например, в изготовлении лёгких, но прочных деталей, заменяя собой металлы, во многих изделиях от...

Базисные полимеры, применяемые в стоматологии для...

Далее предпринимались попытки использовать наряду с реактопластами — термопласты, поликарбонат, полипропилен, полистирол

«Это недостаточная прочность при статическом изгибе, низкая удельная ударная вязкость, что приводит к частым поломкам протезов» [11].

Технологии производства волокнистых материалов из...

Особенности ПП определяются сочетанием эластичных свойств и высокой прочности волокон.

Спандонд (англ. spunbond) – формование бесконечной нити из расплава фильерным способом, с последующим вытягиванием в струе воздуха.

Эпоксидные компаунды, наполненные дисперсным минеральным...

Базальт негорюч и способен выдерживать температуры до 9000С, прочен и устойчив к механическим воздействиям, обладает высокими звуко- и теплоизоляционными свойствами, биологической стойкостью, а также химической нейтральностью

Ударная вязкость, кДж/м2.

Задать вопрос