Современное состояние и проблемы производства конструкционных пластиков
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт природных ресурсов
Направление – Химическая технология
Кафедра – Технологии органических веществ и полимерных материалов
Реферат
«Современное состояние и проблемы производства конструкционных пластиков»
Исполнитель
Студент гр. 2ДМ31
Руководитель |
************ |
к.х.н., доцент |
Л. И. Бондалетова |
Томск – 2013г
Оглавление
Введение
Слово пластмасса настолько глубоко проникло в наше общество и культуру, что многие считают, что наступила эра пластмассы. Полимеры - это материалы состоящие из молекул с высокой молекулярной массой. Уникальные свойства полимерных материалов и многообразие методов их переработки объясняются их молекулярной структурой. Легкость, с которой пластмассы перерабатываются и с которой отдельные части становятся единым целым, а также большая прочность при малом весе, делает этот материал наиболее привлекательным в настоящее время.
На протяжении многовековой истории человечества органические полимеры являются тем важным атрибутом цивилизованной жизни, который стал незаменимой составляющей практически во всех сферах деятельности, будь то производство пищевых продуктов, одежды и даже транспортных средств. Основными продуктами индустрии полимеров являются волокна, упаковочные материалы, синтетический каучук, облицовочные материалы, покрытия, клеящие вещества и большая группа материалов, называемых пластиками.
В данный момент наиболее заманчивая перспектива — применение синтетических полимеров в качестве конструкционных материалов для строительства жилых домов и других зданий, а также производства автомобилей, самолетов, кораблей. Пластики и синтетические покрытия стали широко использоваться для отделочных работ в строительстве (полы, изоляция, украшения и т. п.).
Пластмассы обладают комплексом свойств, исключительно ценных для строительства: легкостью (т. е. малым объемным весом) и в то же время значительной прочностью, хорошими теплоизоляционными и электроизоляционными качествами, стойкостью к коррозийным воздействиям и долговечностью, а также красивым внешним видом. Некоторые пластмассы, кроме того, обладают прозрачностью и высокой клеящей способностью; отдельные пластмассы могут образовывать тонкие пленки и защитные покрытия. Пластмассы обладают также замечательной способностью легко перерабатываться в изделия требуемой формы и заданных размеров.
Строительные изделия из пластмасс получают удобными для производства высокотехнологичными методами формования. Пластмассы можно отливать в формы, прессовать, штамповать, размягчать и в таком виде продавливать через мундштуки машины, чтобы изготовить трубы, бруски и другие профилированные детали. Пластмассы можно легко сваривать и склеивать. Применение пластмасс способствует улучшению конструктивных элементов зданий, уменьшению их веса и повышению эксплуатационных качеств, и, как следствие, обеспечивает стремительное развитие технического прогресса в строительстве.
В настоящее время пластмассы приобретают исключительно важное значение как строительные материалы, часто применяемые в комбинации с древесиной, металлами и вяжущими веществами.
Общая характеристика конструкционных материалов
Конструкционные пластмассы в строительстве применяют в составе элементов несущих и ограждающих конструкций. К ним относятся:
- стеклопластики;
- пенопласты;
- оргстекло;
- воздухо - и водонепроницаемые ткани и пленки;
- древесные пластики.
Стеклопластики – это листовой материал из стеклянных волокон или тканей, связанных синтетической смолой. Стеклянные волокна (наполнитель) служат армирующими элементами: они воспринимают основные нагрузки при работе материалов конструкций. Смола не только связывает стеклянные волокна, но и распределяет усилия между ними, защищает материал от внешних воздействий.
Пенопласты – это ячеистые газонаполненные конструкционные пластмассы. Они представляют собой нетвердую пену, состоящую из массы замкнутых ячеек, заполненных воздухом или безвредным газом.
Наполнителями являются газы, выделяющиеся в процессе пенообразования.
Пенопласты образуются путем горячего вспенивания термопластичных смол или введением отвердителей и пенообразователей в состав термореактивных смол в процессе их твердения.
Применяют для слоистых плит, панелей покрытий и стен.
Органическое стекло (оргстекло) полностью состоит из термопластичной смолы полиметилметакрилата без каких-либо наполнителей и изготовляется в виде листов или плит.
Применяют для создания светопрозрачных участков в покрытиях и стенах. Малая теплостойкость оргстекла позволяет формовать из нагретых листов гнущиеся поверхности фонарей.
Воздухо - и водонепроницаемые ткани и пленки – материал, состоящий:
- из технического
текстиля (прочностная основа тканей).
Технический текстиль
- Из эластичных покрытий
(обеспечивают
Применяют для изготовления пневматических конструкций:
-воздухоопорных пневмооболочек, состоящих из тканевой оболочки, опорного контура, входного шлюза, воздуходувной установки. Воздухоопорные оболочки могут образовывать покрытия пролетом до 60 м. Они имеют небольшую массу (1 кг/м2), могут перевозиться любым видом транспорта в сложенном виде и устанавливаться на опорный контур в считанные дни.
-пневмовантовых конструкций, представляющих собой такую же воздухоопорную оболочку, в состав которой включены стальные тросы – ванты, которые воспринимают основную часть усилий, действующих в оболочке, и поэтому пролеты пневмовантовых конструкций могут быть значительно больше и достигать 100 м.
-пневмокаркасных конструкций, состоящих из пневмоэлементов: пневмостоек, пневмобалок, пневмоарок, которые представляют собой герметически замкнутые баллоны из особо прочной воздухонепроницаемой ткани. Они могут служить стойками, балками, арками небольших (до 12 м) пролетов.
Древесные пластики – материалы, полученные соединением продуктов переработки натуральной древесины синтетическими смолами.
К ним относятся:
-древеснослоистые пластики - листы или плиты, изготовленные из тонкого лущеного шпона, пропитанного и склеенного формальдегидными полимерами термореактивного типа при высокой температуре и под большим давлением.
К группе ДСП относятся:
- балинит – пластик, полученный из шпона, выщелоченного в растворе едкого натрия и пропитанного фенолформальдегидной смолой;
- арктилит – армированный пластик, полученный из шпона, слои которого чередуются со слоями ткани и металлической сетки.
- древесностружечные плиты (марки ПС и ПТ) получают горячим прессованием под давлением древесных стружек, пропитанных термореактивными смолами: фенолформальдегидными, мочевиноформальдегидными и др. Количество смолы составляет 10 %, древесной стружки – 90 %. Применяют в строительстве в качестве перегородок и для декоративной отделки стен и потолков.
-древесноволокнистые плиты (ДВП) получают путем горячего прессования волокнистой массы, состоящей из органических, преимущественно целлюлозных волокон, воды, наполнителей, синтетических полимеров и некоторых специальных добавок. Сырьем служат отходы деревообрабатывающей промышленности, которые размалываются до волокнистого состояния. Применяют в строительстве в качестве перегородок и для декоративной отделки стен и потолков.
А так же современные конструкционные пластики подразделяются на пластики с температурой плавления от 100 °С до 150 °С и суперконструкционные пластики с температурой плавления свыше 150 °С . К конструкционным пластикам относят полимеры на основе полиоксиметилена, поликарбоната, полиамида, полибутилентерефталата, полиэтилентерефталата, СВМПЭ, полиэфиркетона, полиамидимида и ряда других полимеров.
К суперконструкционным пластикам относят полимеры на основе полифениленсульфида, полиэриловых эфир сульфонов, полиэфир имидов, жидкокристаллические полимеры и длинноволоконные термопласты.
Все эти пластики еще подразделяются на аморфные и частично кристаллические, что необходимо учитывать при технологии переработки материалов.
Применение таких пластиков при производстве технических изделий обеспечивает для изделий:
-температурную и размерную устойчивость и соответственно возможность использования в широком температурном диапазоне;
-возможность снижения
массы конструкций при ее
-высокий уровень безопасности
по электрической прочности,
-высокий уровень стойкости к УФ илучению;
-возможность использования красителей для создания цветовой гаммы для изделий.
Современное состояние
Производство конструкционных пластиков не стоит на месте и день ото дня находятся все новые и новые материалы и места их применения.
Появление на рынке сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с высокими физико-механическими характеристиками расширило его применение в тех областях, где обычные марки ПЭ и других термопластов не выдерживают жестких условий эксплуатации.
Сверхвысокомолекулярным принято считать полиэтилен с молекулярной массой более 1,5•106. СВМПЭ характеризуется линейной структурой макромолекул, практически не имеющих боковых ответвлений.
Механические свойства
СВМПЭ обусловлены его
К основным эксплуатационным
характеристикам СВМПЭ следует
отнести его чрезвычайно
В машиностроении СВМПЭ используется при изготовлении втулок, шестерен, опор, подпятников, подшипников, клапанов, поршней, крыльчаток насосов и др.)
Несмотря на явные преимущества СВМПЭ и изделий из него по целому ряду механических показателей, этот материал не лишен серьезных недостатков. Одним из них остается сравнительно низкая теплопроводность полимера. В результате неполного прогрева внутреннего объема изделия может наблюдаться недостаточное спекание частиц СВМПЭ, и как следствие, потеря прочности массивных деталей.
Следующим недостатком СВМПЭ являются существенные усадки при формовании изделий, следует отметить и повышенную горючесть СВМПЭ (как и других полиэтиленов).
Наполнители, как правило, позволяют избежать технологических усадок при формовании. Неорганические наполнители позволяют заметно понизить и горючесть материала. Кроме этого, правильным подбором наполнителей можно регулировать такие характеристики материала, как твердость, износостойкость, модуль упругости, ползучесть, ударная вязкость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения. Также, значительным фактором при производстве значительных объемов продукции является снижение себестоимости материала за счет использования более дешевых по сравнению с основным полимером инертных наполнителей.
Все более широкое применение находят новые марки полиамида на основе ПА 66 и в сравнении с ПA6, этот материал более плотный и жесткий, но также и более хрупкий. ПА 66 используют вместо ПА 6, когда требуется более высокая плотность и жесткость материала в ущерб упругости. ПА 66 имеет высокую износостойкость, низкий коэффициент трения, поэтому для скользящих деталей не требуется смазка. Материал имеет очень высокое растягивающее напряжение и прочность на сжатие, а вязкость материала более высокая, чем у полиамида 6.Однако к недостаткам следует отнести гигроскопичность материала и недостаточную маслостойкость, что может привести к изменению его механических и электрических свойств, геометрических размеров изделий. Обычно ПА 66 различных марок применяют при производстве зубчатых колес, эксцентриков, шкивов, малоизнашивающихся направляющих, колес и механических деталей.
Марка полиамида PA4T (DSM), позволяет получить размерную стабильность, совместимость для бессвинцовой пайки, высокую жесткость и механическую прочность при повышенных температурах и находит применение в автомобильных электрических системах, воздушно/топливных, и трансмиссионных компонентах.
Новые марки ПА 66 предназначены для крупных компонентов в отсеке двигателя, таких как корпуса головок цилиндров или торцевые заглушки системы охлаждения, что дает возможность как для уменьшения массы, так и для выполнения требований по горючести материала. Для изделий, работающих в тяжелых условиях эксплуатации все более широкое применение находит полиоксиметилен (ПОМ). Материал обладает высокими механическим характеристикам, стойкостью к воздействию влаги и масла, высокой усталостной прочностью, ударопрочностью, в том числе ми при низких температурах, хорошей стабильностью размеров изделий, низким коэффициентом трения. В сравнении с ПА 6 ПОМ имеет более низкое сопротивление истиранию.
Из ПОМ изготавливают подшипники, эксцентрики, зубчатые передачи с низким вращающим моментом, зубчатые колеса, конвейерные ролики и детали с точной обработкой, требующие хороших параметров формоустойчивости и плотности. Изделия из ПОМ могут использоваться в воде при температуре 80° C.
Так как материал не гигроскопичен, он обычно используется для таких электрических деталей, как изоляторы, а благодаря своим хорошим химическим свойствам он подходит для изготовления из него деталей насосов, фланцев и комплектующих для химического оборудования.
Основное применение ПОМ:
- в автомобилестроении - детали механизма ремней безопасности, механизм сидений, стеклоподъемники, люки, регулировка отопления, решетки вентиляции, дверные замки, датчик уровня топлива, топливный насос, отделитель воды, корпус распределителя, крышка бензобака, сетки и решетки динамиков, направляющие стеклоподъемника, шестерни,
- в производстве
- в машиностроении - шнековые приводы, ролики конвейеров, держатели, буксы, подшипники скольжения, детали конвейерных цепей,
- в электронной промышленности - клавишные блоки телефонов, корпуса катушек, выключатели, пружинные элементы, якорные носители, видеокассеты, аутсертные платы,
- в точной механике и часовой
промышленности - детали для измерительных
приборов различного
Полибутилентерефталат (ПБТ) относят к частично кристалличным термопластичным полиэфирам на основе полибутилентерефталата.
ПБТ характеризуется высокой
ПБТ применяется для изготовления высококачественных и ответственных технических деталей: в электротехнике и электронике, в автомобильной промышленности и в производстве бытовой техники. В точной механике и машиностроении ПБТ используется в качестве материала для шестерен, подшипников и других деталей скольжения. Причем, он идеально комбинируется в этом применении с ПОМ.
Полиэтилентерефталат (ПЭТ) - литьевой термопластичный полиэфир на основе полиэтилентерефталата. Полиэтилентерефталат (ПЭТ) производится поликонденсацией расплава терефталевой кислоты или диметилового эфира терефталевой кислоты с этиленгликолем и характеризуется следующими свойствами - высокой жесткостью и твердостью, очень хорошей устойчивостью к старению, возможностью лакирования поверхности, высокой устойчивостью формы при нагревании (эксплуатационная температура до 150°C), благоприятными свойствами скольжения, отличными электрическими и хорошими диэлектрическими свойствами, высокой устойчивостью по отношению к химикатам и к воздействию атмосферных явлений Для расширения спектра хороших механических свойств практически все марки ПЭТ усиливаются стекловолокном, процентное содержание которого различно в зависимости от конкретной марки.
ПЭТ преимущественно применяется
для тех технических деталей,
к которым предъявляются
По сравнению с другими
Хорошая жесткость и очень хорошая устойчивость к старению делают его весьма важным материалом в машиностроении - ролики, цепи, фасонные детали вентилей, корпуса и рабочие колеса насосов.
Полисульфон (PSU) – это неусиленный,
аморфный полимер, главными характеристиками
которого являются его высокие термические,
электрические и механические свойства,
которые типичны для
В сравнении с полиэфирсульфоном
(PES), данный материал обладает более
низкими термическими свойствами, хотя
их уровень еще высок в сравнении
с большинством других конструкционных
пластмасс. Материал обладает стойкостью
к воздействию высоких
К недостаткам материала можно отнести низкую стойкость к ультрафиолету, поэтому он не может использоваться для наружного применения. Как правило, данный материал используют в электротехнике - печатные платы, катушки, изоляторы. В механике материал применяют там, где требуются высокие эксплуатационные характеристики, как, например, подшипники и высокоточные зубчатые передачи, функционирующие в условиях низких и высоких температур.
Хорошая стойкость к воздействию минеральных кислот, щелочей и солевых растворов, однако PSU разрушается эфирами, хлоридными соединениями и ароматическими углеводородами. В химической промышленности применяют для изготовления комплектующих насосов, фланцев и т.д., которые находятся в контакте с жидкими пищевыми продуктами.
Полиэфирэфиркетон (PEEK) – полукристаллический полимер, материал с высокими механическими и термическими свойствами (свыше 240 °C). Он устойчив к изменению характеристик под нагрузкой и износу, имеет низкий коэффициент трения, термостойкость без нагрузки выше, но она уменьшается при увеличении нагрузки, хотя и в ограниченном размере.
Основные свойства - устойчивость
при температуре до 240°C (температура
деформации материала при тепловом
нагреве = 162°C), стабильность размеров,
хорошая стойкость к
К недостаткам материала можно отнести то, что весовая нагрузка уменьшается при температуре выше 140 °C и не устойчивость к воздействию ультрафиолетовых лучей.
Область применения - сильно нагруженные детали скольжения (втулки, упорные подшипники, направляющие планки и т.д.), детали со стабильными заданными размерами в технике точных приборов- втулки, скользящие планки, шестерни, ролики, распределительные поршни, кулачки, элементы насосов, а также изолирующие детали для электротехники.
Поливинилиденфторид (PVDF) это полимерный материал с высокой максимально допустимой рабочей температурой на воздухе (150°C), с хорошей механической прочностью, жесткостью и стойкостью к текучести, хорошим качеством скольжения и износостойкостью. Материал обладает собственной низкой воспламеняемостью имеет хорошие электроизоляционные свойства, химическую и гидролизную стойкость, с стойкость к УФ и погодным условиям. Материал применяют при изготовлении корпусных блоков для промышленных рH-метров, работающих в тяжелой химической среде, для изготовления подшипника рычага посудомоечной машины и др.
PVDF является универсальным
конструкционным материалом, особенно
применимым для производства из
Полифениленсульфид (PPS) является, как правило, армированным, содержащим смазку полукристаллическим полимером, созданным для того, чтобы заполнить промежуток и в характеристиках, и в стоимости между стандартными термопластичными материалами (например, PA, POM, PET...) и высокотехнологичными усовершенствованными конструкционными полимерами для машиностроения (например, PBI, PI, PAI, PEEK.) и обладает следующими характеристиками - высокой максимально допустимой рабочей температурой на воздухе (220°C длительно с краткосрочными повышениями до 260°C), высокой механической прочностью, жесткостью и твердостью, даже при повышенных температурах , химической и гидролизной стойкостью, хорошими рабочими характеристиками по износу и трению, стабильностью размеров, стойкостью к излучению с высокой энергией (гамма- и рентгеновские лучи) и к УФ, низкой собственной способностью к возгоранию, хорошими электрическими изоляционными и диэлектрическими свойствами. Применяют материал при изготовлении деталей для всех типах промышленного оборудования, таких как печи для сушки и обработки пищевых продуктов, оборудовании для химической обработки и электроизоляционных системах.
В автомобильной промышленности - воздуховсасывающие системы, насосы, вентили, уплотнения, компоненты систем выхлопной и рециркуляционной систем), в электротехнике - штекеры и разъемы, корпуса катушек, детали реле, переключатели, герметизация конденсаторов и транзисторов. В машиностроении и в точной механике - применяется для изготовления функциональных деталей. Материал содержит лишь незначительный процент ионных примесей, вследствие чего имеет преимущества в области электроники по сравнению с другими пластмассами.
Полиамидимид (PAI) используется
для изделий, эксплуатируемых при
высоких температурах (250 °C), сохранение
механической прочности и жесткости
в широком температурном
К недостаткам материала можно отнести сравнительно высокое влагопоглощение, и для деталей, используемых при высокой температуре или изготовленных с плотными допусками, должны быть выдержаны условия по их сушке перед установкой в узел, так как если, набравшие влагу детали сразу будут подвергнуты воздействию температур выше 200°C, то может произойти тепловой удар, приводящий к деформации деталей.
PAI разрушается под
сильным воздействием многих
химических веществ, а пар
Полибензоимидазол (PBI) – материал обладающий чрезвычайно высокой максимально допустимой рабочей температурой на воздухе(310 °C постоянно, с кратковременным повышением до 500 °C), сохранностью механической прочности и жесткости в широком диапазоне температур, большой стойкостью к износу и трению, низким коэффициентом линейного теплового расширения, стойкостью к излучению с высокой энергией (гамма- и рентгеновский диапазон), низкой собственной способностью к возгоранию, высокой чистотой в отношении ионного загрязнения и соответственно хорошими изоляционными и диэлектрическими свойствами, отличается низкой дегазацией (для сухого материала). Такие характеристики делают этот материал предпочтительным для высокотехнологичных отраслей, таких как полупроводниковая и аэрокосмическая промышленности. Однако высокая стоимость материала позволяет использовать его только для критических компонентов в целях снижения затрат на техобслуживание и получение значительного ресурса работы изделия.
Применяют для изготовления высокотемпературных контактных деталей, таких как штыри, вакуумные колпачки и держатели световых колб и электрических соединителей, работающих при температуре воздействия выше 205 °C.
Особое внимание следует уделить жидкокристаллическим полимерам, характерным признаком которых является молекулярная структура (Вектра). Такие полимеры состоят из жестких стержнеобразных макромолекул, которые при плавлении образуют нитевидную структуру. Когда жидкокристаллический полимерный расплав подвергается сдвигающему или растягивающему воздействию, что имеет место при всех процессах переработки термопластов, то жесткие макромолекулы упорядочиваются в волокна и фибриллы. При охлаждении они «замерзают». Отсюда вытекает специфическая морфология жидкокристаллических полимеров в твердом состоянии.
Такая жесткая стержнеобразная структура приводит, по сравнению с исходными полимерами, к значительному улучшению механических свойств, преимущественно в направлении ориентации волокон, и к целому ряду других неординарных свойств - эксплуатационная температура до 240 °C, кратковременно до 300° C, очень низкая вязкость расплава, высокая размерная точность (допуски до класса ИТ6), очень малая теплота плавления (возможно короткое время цикла), изготовление при литье под давлением, очень высокая прочность при растяжении и очень высокий модуль упругости в направлении течения, высокая ударная вязкость, очень низкий коэффициент линейного расширения, сравнимый со сталью и керамикой, собственная сопротивляемость возгоранию (V0, частично 5 VA), хорошая стойкость к химикатам и окислению, низкое влагопоглощение.
Прочность при растяжении
и жесткость повышаются в направлении
течения настолько, насколько сильнее
ориентирован расплав, поэтому в
тонкостенных деталях значения жесткости
и твердости более высокие
и свойства жидкокристаллического полимера
Используемые базовые полимеры при их модификации наполняющими и усиливающими веществами (стекло — и углеродные волокно, минералы, графит, ПТФЭ и их комбинации) позволяют получать материалы с требованиями конкретных областей применения. В настоящее время жидкокристаллические полимеры используют для изготовления деталей электрики и электроники, в соединительных деталях волоконной оптики, в телекоммуникационных приборах, в аппаратах химического производства, в медицинских приборах, в автомобилестроении и машиностроении, в авиации и космической отрасли.

- Современное состояние и проблемы развития российского предпринимательства
- Современное состояние и проблемы развития рынка пластиковых карт
- Современное состояние и проблемы развития туризма в РБ
- Современное состояние и проблемы функционирования банковской системы России
- Современное состояние и пути развития Токийской фондовой биржи
- Современное состояние и пути совершенствования химического метода защиты растений
- Современное состояние и развитие стратегического управления в Украине
- Современное состояние и перспективы развития эконометрики
- Современное состояние и перспективы развития экономики Китая
- Современное состояние и перспективы развтия туризма в России
- Современное состояние и перспективы регулирования рождаемости в Российской Федерации
- Современное состояние и перспективы рынка государственных ценных бумаг в России
- Современное состояние и перспективы химической и биологической защиты растений от вредных организмов
- Современное состояние и проблемы инновационного развития Российской Федерации