Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 28 )

Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазочных материалов. Старение органического стекла в естественных условиях протекает медленно. Недостатком органического стекла является невысокая поверхностная твердость.

Увеличение термостойкости и ударной вязкости органического стекла достигается ориентированием; при этом увеличивается в несколько раз ударная вязкость и стойкость к «серебрению»; сополимеризацией или привитой полимеризацией полиметилметакрилата с другими полимерами получают частично сшитую структуру (термостабильные стекла); применением многослойных стекол («триплексов»).

Поливинилхлорид является аморфным полимером (–CH2–CHCl–)n. Он имеет хорошие электроизоляционные характеристики, стойкость к химикатам, атмосферному воздействию, не подвержен горению. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называют винипластом, который имеет высокую прочность и упругость. Из него выпускают трубы, детали вентиляционных установок, теплообменников, защитные покрытия для металлических емкостей. Недостатками этого материала являются низкая длительная прочность, низкая рабочая температура под нагрузкой (не выше 60-70°С), большой коэффициент линейного расширения, хрупкость при низких температурах (ниже -10).

Поливинилхлорид (ПВХ) – полимер винилхлорида:

ПВХ получают радикальной полимеризацией винилхлорида в присутствии пероксидных или азоинициаторов. В промышленных условиях полимеризацию осуществляют в основном в суспензии (в водной среде), а также в массе и в эмульсии.

Марочный состав определяется способом получения ПВХ, а также величиной средней молекулярной массы полимера, характеризуемой константой Фикентчера, которая соответствует вязкости раствора полимера. Для промышленных марок константа Фикентчера от 50 до 80.

Марки ПВХ, полученного полимеризацией в суспензии, имеют буквенное обозначение ПВХ-С, в эмульсии – ПВХ-Е, в массе – ПВХ-М. Первые две цифры после буквенного обозначения указывают на минимальную величину константа Фикентчера. Буквы после цифр определяют возможное применение ПВХ данной марки. Так, буква М – ПВХ для мягких изделий, Ж – для жестких изделий, П –для паст. Например, ПВХ-С 7058 М – это суспензионный ПВХ с Кф > 70, рекомендуемый для изготовления мягких изделий.[12]

ПВХ выпускается в виде порошка. Это аморфный полимер (степень кристалличности не превышает 10%) плотностью 1380–1400 кг/м3 и с температурой стеклования 70–80° С. Это один из наиболее полярных полимеров с высоким межмолекулярным взаимодействием. При нагревании он растворяется в хлорированных углеводородах, кетонах, циклогексаноне, тетрагидрофуране; масло-, бензо - и водостоек, стоек к действию кислот и щелочей.

При нагревании до температур более 150–170° С при переходе в вязкотекучее состояние ПВХ начинает разлагаться с выделением большого количества тепла и хлороводорода. Выделяющийся хлороводород ускоряет процесс разложения, что делает невозможной переработку ПВХ обычными методами, без термостабилизации.

ПВХ – это полимер общетехнического назначения. На практике имеют дело с винипластами, пластикатами и пластизолями ПВХ.

Винипласты – жесткие материалы на основе ПВХ, содержащие стабилизирующие добавки и смазывающие вещества. Выпускаются в виде листов, труб и пленок. За рубежом винипласты выпускаются под названиями бреон, корвик (Англия), хосталит, децелит (Германия), винибан (Япония).

Винипласт обладает высокими прочностными характеристиками, в том числе, ударной прочностью, высокой химической и водостойкостью, является антикоррозионным материалом. Достаточно масло - и бензостоек. Он широко применяется в машиностроении. Это негорючий электроизоляционный материал. Его диэлектрические характеристики мало зависят от температуры (до 80° С) и влажности окружающей среды. Нетоксичность позволяет использовать изделия из винипласта в пищевой промышленности и медицине. Некоторые композиции прозрачны и используются в светотехнике.

Недостатком винипластов является их небольшая морозостойкость (-10° С) и теплостойкость. Высокая вязкость расплава и невысокая термостабильность осложняют переработку жесткого ПВХ. Однако при правильном подборе компонентов и режимов его можно перерабатывать вальцеванием, экструзией, литьем под давлением и прессованием (грампластинки). Винипласты хорошо свариваются и склеиваются (клеями на основе перхлорвинила).

Пластикаты –мягкие материалы на основе стабилизированного и пластифицированного ПВХ. За рубежом пластикаты выпускаются под названиями велвик (Англия), кохинор, джеон (США), сикрон (Италия), люколен G (Франция), винихлон, самикон VM (Япония) [12]. Введение пластификаторов снижает вязкость расплава ПВХ, повышает его эластичность, морозостойкость (до -50° С). Пластикаты выпускаются в виде гранул, пленок, шлангов. Пластикаты используются для изготовления изделий технического и медицинского назначения, упаковки (в том числе для пищевых продуктов), линолеума.

Электрические характеристики при введении пластификаторов несколько снижаются, тем не менее, эти материалы в больших объемах используются для изготовления электроизоляционных покрытий (кабельные пластикаты). Они негорючи.

Пластикаты ПВХ имеют более низкие, чем жесткий ПВХ, температуры переработки, что снижает вероятность начала термо - и механодеструкции. Они хорошо перерабатываются всеми методами переработки термопластов, а также склеиваются и свариваются.

Пластизоли (пасты) – это дисперсии ПВХ (эмульсионного) в жидких пластификаторах (диплазоли). За рубежом пластизоли выпускаются под названиями велвик, декорт (Англия), корогель (США), дибенол (Германия), випласт (Италия). Пластизоли применяются для изготовления искусственных кож, клеенки. Заливкой в формы изготавливают медицинские изделия, обувь, игрушки и т. д. Широкое применение нашли вспененные пластизоли ПВХ (пено - и поропласты) [12].

Пентапласт является хлорированным простым полиэфиром и относится к медленно кристаллизующимся полимерам. Его прочность близка к прочности винипласта, а рабочая температура достигает 180°С. Пентапласт хорошо формуется, стоек к истиранию, нехладотекуч, водостоек, имеет удовлетворительные электроизоляционные свойства. Его применяют для изготовления труб, клапанов, деталей насосов и точных приборов, емкостей, пленок и защитных покрытий на металлах.

Среди термостойких пластиков, температура эксплуатации которых достигает 400°С, практический интерес представляют ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфон и гетероциклические полимеры – полиимиды и полибензимидазолы.

Термопласты используются в качестве полимерных матриц, в которые вводят армирующие наполнители: стеклянное и органическое волокно, асбест, ткани. Волокнистые наполнители образуют в полимере каркас и упрочняют его.

По сравнению с ненаполненными полимерами стекловолокниты обладают повышенными прочностью и теплостойкостью, сопротивлением усталости и износостойкостью, небольшой ползучестью (рис. 5.3). Интервал рабочих температур от -60 до 180 °С.

Рис. 5.3. Сопротивление усталости ненаполненных (1, 3) и наполненных стеклянным волокном (2, 4) полиамида (1, 2) и поликарбоната (3, 4)

Термопласты с наполнителями в виде синтетических волокон (пропиленовое волокно, капрон, лавсан, винол) являются перспективными. Такие волокна имеют близкую со связующими химическую природу, и упрочнение получается высоким (волокна и связующее работают совместно). Ползучесть волокнистых термопластов уменьшается почти в 5 раз, длительная прочность возрастает в десятки раз.

Слоистые термопласты содержат в качестве наполнителей ткани из различных волокон. Для получения высокопрочных пластмасс применяют полиамиды, армированные стеклотканью. Капрон (П-6), армированный стеклотканью, имеет высокие механические свойства: σв = 400 - 430 МПа, σсж = 280 - 300 МПа, σизг = 450 - 500 МПа; КСU = 250 - 300 кДж/м2 и может работать до 220 °С. Из волокнистых термопластов изготовляют подшипники, зубчатые передачи, трубы, вентили, емкости для агрессивных сред и др.

5.3. Термореактивные пластмассы

В качестве связующих веществ применяют термореактивные смолы, в которые иногда вводятся, пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители, растворители. Основными требованиями к связующим веществам являются высокая клеящая способность (адгезия), высокие теплостойкость, химическая стойкость и электроизоляционные свойства, простота технологической переработки, небольшая усадка и отсутствие токсичности (вредности). Смола склеивает как отдельные слои наполнителя, так и элементарные волокна и воспринимает нагрузку одновременно с ними, поэтому связующее вещество после отверждения должно обладать достаточной прочностью на отрыв при расслаивании материала. Для обеспечения высокой адгезии связующее должно быть полярным. Необходимо, чтобы температурные коэффициенты линейного расширения связующего и наполнителя были близки по величине.

В производстве пластмасс широко используют фенолоформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные смолы, непредельные полиэфиры и их различные модификации. Более высокой адгезией к наполнителю обладают эпоксидные связующие, которые позволяют получать армированные пластики с высокой механической прочностью. Теплостойкость стеклопластиков на кремнийорганическом связующем при длительном нагреве составляет 260 - 370 °С, на фенолоформальдегидном до 260 °С, на эпоксидном до 200 °С, на непредельном полиэфирном до 200 °С и на полиимидном связующем 280 - 350 °С. Важным свойством непредельных полиэфиров и эпоксидных смол является их способность к отверждению не только при повышенной, но и при нормальной температуре без выделения побочных продуктов с минимальной усадкой. Из пластмасс на их основе можно получать крупногабаритные изделия.

В зависимости от формы частиц наполнителя термореактивные пластмассы можно подразделить на следующие группы: порошковые, волокнистые и слоистые.

Пластмассы с порошковыми наполнителями. В качестве наполнителей применяют органические (древесная мука) и минеральные (молотый кварц, асбест, слюда, графит и др.) порошки.

Свойства порошковых пластмасс характеризуются изотропностью, невысокой механической прочностью и низкой ударной вязкостью, удовлетворительными электроизоляционными показателями. Их применяют для несиловых конструкционных и электроизоляционных деталей.