При разработке конкретного изделия конструкторы имеют для выбора широкий ассортимент различных материалов. В зависимости от назначения изделия конкурентами пластмассы могут быть дерево, металлы, керамика или стекло, но во многих случаях пластмассы имеют заметные преимущества с точки зрения эксплуатационных характеристик и в соотношении цена/качество. Эти конкурирующие материалы имеют определенные преимущества и ограничения. Конструктор должен стараться добиться баланса между требованиями, предъявляемыми к готовому изделию, и совокупностью свойств каждого из материалов. Поскольку на рынке представлено большое количество марок промышленных материалов, есть определенные универсальные требования для сравнения преимуществ и недостатков пластмасс по сравнению с другими материалами.

Универсальность

Как было отмечено выше, самой важной особенностью пластмасс является их универсальность. Композиции из полимерных материалов могут удовлетворять требованиям практически для любого применения. Требуемые свойства могут быть достигну¬ты за счет: изменения свойств базового материла (используя различные мономеры, сополимеры, условия полимеризации и т. п.), или за счет использования различных добавок, которые в расплаве вместе с полимерами улучшают те свойства конечной композиции, которые недостаточно были выражены у базового термопласта.

Легкое получение изделий сложной формы

Литьем под давлением можно получить изделия из термопластов или реактопластов очень сложной геометрической формы. Такие изделия могут быть изготовлен ы в больших количествах и требуют незначительной дополнительной обработки. С развитием новых технологий литья под давлением геометрия изделий становится все более сложной.

Низкая плотность

Ненаполненные полимерные материалы имеют плотность от 0,8 г/см3 до 1,8 г/см3. Это намного меньше, чем у стали, плотность которой равна более 7 г/см3. Полимерные материалы имеют хорошие характеристики по прочности и жесткости при сравнительно небольшой плотности. Это дает им определенные преимущества, поскольку есть возможность получать легкие по массе изделия, имеющие высокую износостойкость и продолжительный срок службы. Низкая плотность дает полимерам заметное преимущество в автомобильной промышленности, где идет борьба за уменьшение массы деталей. Полимерные пены (например, структурные пены, отлитые под давлением имеют еще меньшую плотность (обычно на 15-25 %), однако при этом в изделии необходимо предусматривать достаточно толстые стенки. Армированные полимерные материалы могут иметь плотность более 2,0 г/см3, зависящую от концентрации наполнителя и его плотности.
Низкая плотность пластмассы может оказаться «препятствием» при продаже изделия, поскольку рядовой покупатель скорее признает «прочным» более тяжелое изделие. Производители материалов в настоящее время разработали марки, в которых используются наполнители с большой плотностью. Это сделано намеренно, что¬ бы получать «тяжелые» литые изделия, которые внешне напоминают керамические.

Прозрачность

Некоторые аморфные термопласты — такие как ПС, ПММА или ПК, служат основой для создания марок полимерных материалов, из которых получают прозрачные изделия. В таких материалах, как ПК, прозрачность, сравнимая с прозрачностью стекла, сочетается с ударной прочностью, низкой плотностью и хорошей перерабатываемостью. Однако в отличие от настоящего стекла, пластмассовые материалы имеют тенденцию к «пожелтению» или «помутнению» со временем, под воздействием УФ-излучения.
Кроме того, пластмассы, в отличие от стекла, в большей мере подвержены царапинам. Чтобы увеличить срок службы прозрачных пластмассовых изделий, использующихся на улице, их иногда покрывают веществами, создающими защиту от ультрафиолетового излучения.
Большинство частично кристаллических материалов являются полупрозрачны¬ ми или непрозрачными. Полупрозрачные частично кристаллические термопласты (например, ПП) обладают относительно высоким коэффициентом пропускания света в тонкостенных изделиях. Осветленные марки ПП или марки ПП с агентами, препятствующими образованию центров кристаллизации (которые уменьшают эффекты физического рассеяния света на кристаллах) улучшают характеристики пропускания света. Частично кристаллические термопласты обычно используют для изготовления изделий, в которых необходимо ограничить коэффициент пропускания света (например, медицинские шприцы).

Объемное окрашивание материала

Окрашивающие вещества (пигменты или красители) обычно смешивают непосредственно в расплаве полимерной композиции. Окрашивающие материалы поставляются производителями или поставщиками в виде «таблеток» (гранул) для предварительного смешения с перерабатываемым полимером; также красители могут быть добавлены в исходный полимер в литьевой машине (такие красители обычно поставляются в виде жидкостей, порошков или концентратов). Объемное окрашивание имеет заметные преимущества по сравнению с окраской поверхности. Использование красителей не требует применения вредных для здоровья очистителей и растворителей. Поскольку краситель растворен «па молекулярном» уровне, не возникают проблемы с шелушением краски. Однако может оказаться трудным или даже невозможным получить идеальную цветовую окрашенную поверхность у изделия, изготовленного из смеси полимера с красителем. Однородность цвета зависит от длительности пребывания расплава в материальном цилиндре, динамики изменения вязкости рас¬ плава и нагрева. После продолжительного времени воздействия УФ-лучей может наблюдаться выцветание материала и следует иметь в виду, что многие пластмассовые материалы могут быть покрыты металлом или на поверхность отлитых изделий может быть нанесено металлизированное покрытие.

Низкое потребление энергии при переработке

Процесс литья под давлением термопластов начинается с впрыска расплавленного полимера в относительно холодную литьевую форму. После попадания в формующую полость материал отливки охлаждается за счет теплопроводности, после чего затвердевает до такого состояния, когда изделие можно извлечь. После извлечения из формы изделие охлаждается до комнатной температуры. Потребление энергии определяется эффективностью литьевого оборудования (машины с электроприводом более эффективны, чем машины с гидравлическим приводом). Температура сушки, температура расплава, а также температура литьевой формы вносят свой вклад в потребление электроэнергии.
Энергия, необходимая для достижения полимером температуры переработки, складывается из потерь на теплопроводность (от нагреваемого материального цилиндра), а также потерь на вязкостную диссипацию/внутреннее трение (связанных с пластикацией и впрыском полимера). По сравнению с другими материалами (например, металлами) полимеры имеют существенно более низкую температуру переработки и низкое значение соотношения плотность/масса изделия. Значения удельной теплопроводности у полимеров выше, чем у других конкурирующих материалов, однако общие требования к энергии для переработки полимеров существенно ниже, чем у металлов, стекла или керамики.

Стойкость к химическому воздействию

Большинство полимерных материалов обладает хорошей коррозионной стойкостью. Однако многие термопласты растворимы или склонны к набуханию в среде органических растворителей, особенно при повышенных температурах. Термореактивные материалы, а также жидкокристаллические или частично кристаллические термопласты имеют повышенную стойкость к химическому воздействию по сравнению с аморфными полимерами. Стойкость к химическому воздействию выбираемых для конкретного изделия полимеров должна быть тщательно изучена с учетом условий предполагаемой эксплуатации. Например, при использовании в автомобильной промышленности должна быть тщательно проверена устойчивость пластмасс к топливу и другим видам жидкостей, которые там используются. Различные химические вещества по-разному воздействуют на полимерные материалы, например, есть такие химические вещества, которые могут вступать с полимером в реакцию, примером может служить гидролиз, наблюдаемый когда сложный полиэфир нагревается в воде. Вода может также вызывать эффект пластикации (эффект физического размягчения) у гигроскопичных полимеров (например, ПА). С другой стороны, органические вещества могут растворять полимер. Подобная проблема обычно учитывается, когда аморфные термопласты подвергаются воздействию растворов гидрокарбонатов. Химикаты и частично органические химикаты, могут вызывать разламывание и растрескивание в изделиях, находящихся под напряжением в обычных условиях окружающей среды. Напряжения могут возникать под действием внешних нагрузок или могут быть остаточными, воз¬никающими в изделии в результате его формования. Поэтому очень важно, чтобы изделия были правильно сконструированы и отлиты с минимальным уровнем внут¬ренних напряжений. Если пластмассовое изделие может контактировать во время эксплуатации с химикатами, следует особенно тщательно избегать появления трещин.

Механические эксплуатационные характеристики

Полимерные материалы могут быть как эластичными, так и твердыми, жесткими. Однако даже у очень твердых материалов значения модуля упругости по величине на порядок меньше, чем у стали. Если жесткость является базовой эксплуатационной характеристикой для изделия, следует использовать ребра и элементы жесткости на кромках изделия. Механические свойства пластмасс корректируют, применяя раз¬ личные добавки — от упрочняющих «агентов» до армирующих волокон. Механические свойства различных армирующих материалов способствуют анизотропии свойств в объеме изделия (благодаря молекулярной структуре материала и ориентации волокон). В отличие от металлов, механические свойства пластмасс могут быть очень чувствительны даже к небольшим изменениям температуры, скорости приложения нагрузки и, в некоторых случаях, к изменениям относительной влажности (очень важный фактор для гигроскопичных полимеров). Конструкторы должны учиты-вать механические эксплуатационные характеристики пластмасс во всем диапазо¬не температур и значений влажности, которые могут возникнуть при эксплуатации полимерного изделия. При низких температурах пластмассы могут стать очень хрупкими, при высоких — может возникнуть избыточная ползучесть.

Хорошие электроизоляционные свойства

Многие пластмассы обладают хорошими электроизоляционными свойствами и ис¬пользуются при изготовлении, например, выключателей и кожухов электронных уст¬ройств. С другой стороны, есть изделия, материал которых, напротив, должен обла¬дать электропроводящими свойствами. Например, кожухи для компьютерных системных блоков должны обеспечивать достаточный уровень экранирования элект¬ромагнитных помех. Добавки из частиц проводящей нержавеющей стали или покры¬тых никелем волокон, повышают электропроводимость полимерных материалов. Кроме того, изделие может быть окрашено или покрыто специальным лаком (крас¬кой), чтобы достичь необходимого значения проводимости.

Хорошая термоизоляция

Пластмассы обладают хорошими теплоизолирующими свойствами. Такие свойства имеют большое значение для изделий, в которых требуется сохранение энергии. Низкая скорость передачи тепла делает изделия из пластмассы теплыми на ощупь даже тогда, когда оно фактически остается холодным. С другой стороны, низкая теп-лопроводность может стать проблемой в таких динамичных системах, как зубчатые передачи (где происходит выделение тепла за счет трения) или при использовании в качестве кожухов компьютеров (где применяют электрические источники, выде¬ляющие тепло). Особенности теплоизолирующих свойств пластмасс используют, на¬ пример, в системах принудительной вентиляции, когда естественный теплообмен и конвекция не достаточны, чтобы рассеивать выделяемое тепло. Армированные мар¬ки термопластов или марки термопластов с наполнителем (композитные материалы) могут обладать повышенной теплопроводностью.

Воспламеняемость

Почти все пластмассы будут подгорать до определенной степени или разлагаться под воздействием пламени. ПЭ легко загорается и горит, а термореактивные фено¬пласты только обугливаются. Стойкость к воспламеняемости у большинства поли¬ мерных материалов может быть повышена с помощью добавления антипиренов. Важно сосредоточить внимание конструктора на следующих аспектах воспламеняе¬мости: горючести, каилепадении и золообразовании продуктов, включая побочные продукты, возникающие при сгорании добавок.

Неустойчивость под воздействием окружающей среды

Многие полимерные материалы имеют плохую устойчивость к атмосферному воздействию. Большинство материалов не реагируют на присутствие влаги при низких температурах (за исключением эффекта пластикации у гигроскопичных полимеров), но комбинированное воздействие ультрафиолета (при наличии солнечного света)
и кислорода с течением времени могут привести к деструкции окраски, потере про¬зрачности и другим дефектам. Это особенно актуально для изделий, предназначенных для наружного применения в течение длительного времени, например, автомобильных деталей, игрушек, спортивных товаров. Некоторые полимерные материалы (напри¬ мер, акрилы) изначально имеют отличную устойчивость к атмосферному воздействию, а другие (например, ПП) требуют дополнительной стабилизации. Долгосрочная устойчивость к атмосферному воздействию любого полимера может быть существен¬ но улучшена за счет использования в качестве добавок ультрафиолетовых стабили¬ заторов и аптиоксидантов. В некоторых случаях для устранения проблем, связанных с преждевременным старением, используются специальные покрытия.

Относительно высокие коэффициенты теплового расширения (КТР)

Пластмассы имеют относительно высокие KTR. Это следует учитывать, если пластмассовые детали используются для сборки изделий, содержащих металлические, стеклянные, керамические, либо из других материалов детали, из-за возможного несовпадения разме¬ров благодаря разному тепловому расширению материалов. КТР у многих пластмасс сильно отличаются друг от друга. Жидкокристаллические полимеры с наполнителями или армирующими добавками имеют очень низкие КТР, а ПЭ без наполнителя имеют КТР на порядок выше, чем у стали. КТР могут значительно уменьшаться и при добавлении неорганических наполнителей и армирующих добавок (например, стеклянных волокон, так как стекло имеет очень низкий КТР). Армированные волокнами материалы при теп¬ ловом расширении анизотропны из-за особенностей ориентации волокон и макромоле¬кул. Гигроскопичные полимеры (например, полиформальдегиды ПФ и ПЛ) меняют свои размеры в зависимости от влажности и уровня влаги полимером. По мере воз¬растания доли абсорбированной влаги гигроскопичные полимеры набухают.

Содержание