316
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Кафедра «Сварочное производство и технология конструкционных материалов»
ПЛАСТМАССЫ И ИХ СВОЙСТВА
Методические указания к выполнению лабораторной работы
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2013
1
elib.pstu.ru
Составители: д-р техн. наук, профессор И.Л. Синани, ст. преподаватель Т.В. Лодягина
УДК 678.5.01:[53+54](076.5) П37
Рецензент д-р техн. наук, профессор В.Я. Беленький
(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Пластмассы и их свойства : метод. указания к выполнению П37 лаборат. работы / сост. И.Л. Синани, Т.В. Лодягина. – Пермь :
Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. – 44 с.
Описано строение, свойства, состав и классификация пластмасс, рассмотрено влияние строения полимера на свойства пластмасс. Изложены способы получения изделий из пластмасс. Даны рекомендации по определению прочности, пластичности и ударной вязкости пластмасс.
Предназначены для студентов технических специальностей.
УДК 678.5.01:[53+54](076.5)
© ПНИПУ, 2013
2
elib.pstu.ru
СОДЕРЖАНИЕ |
|
1. Содержание лабораторной работы .................................................. |
4 |
2. Теоретические основы работы......................................................... |
6 |
2.1. Пластмассы и их компоненты................................................. |
7 |
2.2. Классификация пластмасс..................................................... |
10 |
2.3. Влияние строения полимера на свойства пластмасс.......... |
11 |
2.3.1. Общие свойства пластмасс.......................................... |
11 |
2.3.2. Влияние структуры полимера на фазовый состав..... |
13 |
2.3.3. Влияние структуры полимера на механические |
|
свойства при нормальных условиях..................................... |
14 |
2.3.4. Влияние структуры полимера на поведение |
|
пластмасс под нагрузкой при нагреве.................................. |
16 |
2.4. Типовые пластмассы.............................................................. |
18 |
2.4.1. Термопластичные пластмассы .................................... |
18 |
2.4.2. Термореактивные пластмассы..................................... |
26 |
2.5. Переработка пластмасс в изделия ........................................ |
28 |
2.5.1. Переработка пластмасс в вязкотекучем состоянии... |
28 |
2.5.2. Переработка пластмасс |
|
в высокоэластическом состоянии......................................... |
32 |
2.6. Методы определения механических свойств пластмасс.... |
35 |
2.6.1. Определение прочности и пластичности ................... |
35 |
2.6.2. Определение удельной |
|
ударной вязкости пластмасс.................................................. |
38 |
3. Практическая часть ......................................................................... |
40 |
3.1. Рекомендуемый порядок работ |
|
при испытании образцов на разрыв............................................. |
40 |
3.2. Рекомендуемый порядок работ при определении |
|
удельной ударной вязкости пластмасс........................................ |
41 |
Список литературы.............................................................................. |
43 |
3
elib.pstu.ru
1. СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Цели работы
1.Ознакомиться с классификацией полимеров и пластмасс, их строением, составом и свойствами; изучить способы получения изделий из пластмасс.
2.Научиться определять прочность, пластичность и ударную вязкость пластмасс.
3.Уяснить влияние строения полимера и вида наполнителя на свойства пластмасс.
Материалы и оборудование
1.Набор образцов пластмасс для испытания: простых и сложных (на основе фенолформальдегидной смолы с различными наполнителями).
2.Разрывная машина типа РМП-50У.
3.Маятниковый копер типа МК-05.
4.Микрометр.
5.Штангенциркуль.
6.Линейка.
7.Термометр 0–60 С.
Порядок выполнения лабораторной работы
1.Усвоить теоретические основы работы.
2.Ознакомиться с методиками определения прочности и пластичности, ударной вязкости.
3.Экспериментально определить прочность и пластичность простых пластмасс при испытаниях на растяжение, построить кривые растяжения.
4.Экспериментально определить удельную ударную вязкость сложных пластмасс.
5.По полученным данным сделать выводы о влиянии различных факторов на механические свойства пластмасс.
4
elib.pstu.ru
Структура отчета
1.Название работы.
2.Цель работы.
3.Материалы и оборудование.
4.Теоретическая часть.
5.Практическая часть.
6.Выводы по работе.
7.Фамилия студента, выполнившего работу.
8.Дата.
5
elib.pstu.ru
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
Одним из эффективных путей снижения металлоемкости конструкций, уменьшения их массы, повышения надежности и долговечности является применение конструкционных неметаллических материалов природного происхождения и искусственно созданных или синтезированных.
Одним из классов неметаллических материалов являются пластмассы. Пластмассы (пластические массы, пластики) – это искусственные материалы на основе высокомолекулярных органических веществ – полимеров, которые при обычных условиях (температуре, давлении) являются твердыми упругими телами.
Достоинством таких материалов является сочетание требуемого уровня химических, физических и механических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий сложной конфигурации. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5–6 раз ниже, и они
в4–5 раз дешевле по сравнению с металлическими.
Всвязи с этим непрерывно возрастает использование неметаллических материалов в различных отраслях промышленности, в том числе в авиационной, космической и ракетной, радиотехнической и электротехническойпромышленностии во многих других.
Успех в применении пластмасс определяется знанием их свойств, технологическими методами изготовления и переработки пластмасс в изделия. Именно эти сведения нужны конструкторумашиностроителю при создании машин, аппаратов и агрегатов из неметаллических материалов.
Если в полимер вводят небольшое количество добавок (1– 2 мас. %), то пластмассу называют простой. К таким пластмассам относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и другие, состоящие практически из одного полимера.
При введении в полимер добавок в количестве до 40–70 мас. % пластмасса называется сложной или композиционной. В такие пластмассы помимо полимера входят наполнители, пластификаторы, стаби-
6
elib.pstu.ru
лизаторы, красители, отвердители и другие специальные добавки (ингредиенты). Книмотносятсягетинакс, текстолит, стеклопластикиит.п.
В целом свойства пластмасс определяются:
–строением молекулы и свойствами полимера, лежащего в основе пластмассы;
–технологией изготовления полимера;
–добавками, вводимыми в пластмассу для изменения свойств этого полимера и придания пластмассе специфических свойств.
2.1. Пластмассы и их компоненты
Полимеры как основа пластмасс: их строение и получение
Полимеры – высокомолекулярные соединения, состоящие из макромолекул, отдельные звенья которых представляют собой периодически повторяющиеся участки с одинаковым химическим составом и строением. Схематичное изображение строения полимера показано на рис. 1 (напримеремакромолекулыполипропилена).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Главная |
|
|
|
Боковые |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Звено |
|
|
|
|
цепь |
|
|
|
группы |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Н СН3 |
|
|
Н СН3 Н СН3 |
Н Н СН3 Н |
||||||||||||||||||||||||||||||
n |
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
С |
С |
С |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
С |
|
С |
|
С |
|
|
С |
|
… |
|
|
|
С |
|
С |
|
… |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н Н |
|
|
Н Н Н Н |
Н СН3 Н Н |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
Молекула |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Макромолекула |
|||||||||||||||||||||
|
мономера |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
полимера |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1. Строение полипропилена
Каждое звено представляет собой измененную молекулу исходного низкомолеклярного вещества – мономера. Число мономерных звеньев n определяет степень полимеризации полимера.
В зависимости от формы макромолекулы различают:
– полимеры с линейной (рис. 2, а) и разветвленной (рис. 2, б)
формой макромолекулы, атомы в которых связаны прочной кова-
7
elib.pstu.ru
лентной связью, а между отдельными макромолекулами действуют более слабая химическая связь – молекулярная (за счет сил Ван- дер-Ваальса);
– полимеры с сетчатой (сшитой, пространственной) формой макромолекулы (рис. 2, в), представляющие собой несколько линейных макромолекул, между которыми образуются поперечные ковалентные связи или межмолекулярная водородная связь.
Рис. 2. Форма макромолекулы полимера: а – линейная; б – разветвленная; в – сетчатая (А – звено макромолекулы; ковалентная связь, молекулярная связь)
Синтетические полимеры получают в результате полимеризации и поликонденсации.
Полимеризация – это процесс образования макромолекулы полимера при соединении молекул мономера за счет перераспределения связей в молекуле мономера. Процесс осуществляется без выделения побочных продуктов. Название полимера в этом случае слагается из приставки поли- и названия мономера. Например, при полимеризации этилена получают полиэтилен:
n(CH2 = CH2) (– CH2 – CH2 –)n.
этилен полиэтилен (мономер) (полимер)
где n – степень полимеризации.
8
elib.pstu.ru
Совместная полимеризация двух или более мономеров называется сополимеризацией, а полученный продукт – сополимером.
Поликонденсация – это процесс образования макромолекул полимера при взаимодействии молекул мономеров с выделением побочных веществ (например, воды, хлора, аммиака и др.). Название полимера в этом случае складывается из названия мономеров с прибавлением слова смола. Например, при взаимодействии фенола с формальдегидом образуется фенолформальдегидная смола и выделяется побочный продукт – вода:
фенол + формальдегид фенолформальдегидная смола + вода (мономер 1) (мономер 2) (полимер)
Добавки, вводимые в состав пластмасс
1. Наполнители (40–70 мас. %) – органические и неорганические вещества в виде:
–порошков (древесная мука, сажа, слюда, тальк, графит);
–волокон(хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые волокна);
–листов (бумага, ткань, древесный шпон), улучшающих физи- ко-механические свойства пластмасс.
К числу наполнителей можно отнести и воздушные поры в газонаполненных пластмассах (пено- и поропласты).
Наполнители дешевле высокомолекулярных веществ и снижают стоимость пластмасс. Кроме того, введение наполнителей придает материалу необходимые свойства. Например, при использовании листовых и волокнистых наполнителей значительно повышается прочность пластмасс на изгиб и растяжение. Сажа или графит повышают тепло- и электропроводность пластмассы. Воздушные поры, занимающие более 90 об. %, делают пластмассу идеальным теплоизолятором.
9
elib.pstu.ru
2.Пластификаторы (10–20 мас. %) – низкомолекулярные жидкости с низкой температурой замерзания, хорошо совмещающиеся с полимерами (например, глицерин, стеарин и др.).
Пластификаторы применяются:
– для снижения температуры хрупкости пластмасс;
– придания пластмассе пластичности и эластичности;
– расширения (или создания) области высокоэластического состояния снижением температуры стеклования полимера;
– улучшения технологических свойств пластмасс снижением температуры текучести полимера.
Пластификаторы позволяют проводить переработку пластмасс
визделия при более низких температурах, что существенно улучшает не только условия работы, но и качество производимого продукта.
3.Стабилизаторы (амины, фенолы, сажа) вводятся в количестве нескольких процентов и не влияют на первоначальные свойства пластмасс. Стабилизаторы придают пластмассе устойчивость к старению – химическому разрушению полимера под действием света, тепла, кислорода, влаги, механических воздействий.
4.Отвердители – вещества (амины, органические перекиси и др.), вводимые в состав пластмасс в количестве нескольких процентов для отверждения, – образования поперечных связей между макромолекулами с получением сетчатой или пространственной структуры за счет встраивания молекул отвердителя между макромолекулами полимера.
2.2. Классификация пластмасс
Чаще всего пластмассы классифицируют по отношению к нагреву, по роду наполнителя и по назначению.
По отношению к нагреву пластмассы делят: на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).
Термопластичные пластмассы (термопласты) – пластмассы на основе термопластичных полимеров, которые после многократного нагрева (до температур, не превышающих температур дест-
10
elib.pstu.ru