Пластмассы

Наиболее важную роль среди всех материалов, перерабатываемых литьем под дав­лением, играют полимеры. Полимеры — это соединения с высокой молекулярной массой. Эти большие молекулы обычно называют макромолекулами. Уникальные свойства полимеров и разнообразие способов их переработки объясняются особен­ностями их молекулярной структуры. Простота переработки полимеров и пласт­масс позволила этим материалам стать наиболее востребованными в самых раз­личных сферах. Благодаря своей низкой плотности и пригодности для формования и литья при относительно низких температурах (по сравнению с традиционными материалами, например, металлами), пластмассы и полимеры стали наиболее пред­почтительным материалом в тех случаях, когда речь идет об изделиях сложной гео­метрической формы, объединяющих различные элементы. В настоящее время часто заново разрабатываются конструкции деталей и узлов, традиционно изготовляв­шихся из дерева, металла, керамики или стекла, при этом вместо этих материалов используются пластмассы.

Исторические сведения

Природные полимерные материалы, такие как каучук, применяются уже тысячи лет. Натуральный каучук (caoutchouc, «плачущее дерево») использовался еще индейцами Южной Америки для изготовления водонепроницаемых емкостей, обуви и пр. . Первые испанские исследователи-первопроходцы Гаити и Мексики сообщали о том, что местные жители играли на земляных площадках, используя каучуковые мячи. Каучуковое дерево впервые упоминается в книге De Oibe Novo («Декады Нового Све­та»), опубликованной на латыни Пьетро (Педро) Мартиром д'Ангиера в 1516 году. В 1740-х годах французский исследователь и математик Шарль Мари де ла Конда-мин, направленный Французской Академией наук в Перу, привез каучук в Европу. В своем отчете  он упоминает несколько изделий из каучука, изготавливаемых индейцами Южной Америки, в том числе и беспоршневой насос, представлявший собой резиновую грушу с отверстием в нижней части. Ученый отмечал, что наиболее примечательным свойством натурального каучука является его особая эластич­ность.

Первые химические исследования каучука (gummi elasticum) были выполнены французским ученым Маке и опубликованы в 1761 году. Однако изучить молеку­лярную структуру полимеров удалось только в двадцатом веке. Натуральному кау­чуку нашлось много областей применения уже вскоре после его появления в Европе. В 1768 году Госсар выпустил стеклянные трубки, обмотанные этим материалом. Приблизительно в то же время небольшие кусочки каучука стали использовать для стирания с бумаги записей, сделанных свинцовым карандашом. Именно с этим при­менением каучука и связано английское слово rubber, образованное от глагола to rub (тереть).

Благодаря стремительному расширению сфер применения и созданию различ­ных видов оборудования для переработки, полимеры и пластмассы постепенно ста­ли использовать не только для производства дешевых товаров широкого потребле­ния. Хотя винтовой пресс, предшественник современных прессов для компрессионого прессования, был запатентован в 1818 году Макферсоном Смитом, первым документально зафиксированным устройством для переработки полимеров являет­ся пластикатор, изобретенный в 1820 году Томасом Хэнкоком. Пластикатор (зубча­тый ротор в цилиндре с внутренними выступами) применялся для переработки вторичного сырья — материала, остававшегося от ручного производства эластичной тесьмы; возможно, это была первая попытка вторичной переработки. В 1833 году Чарльз Гудьер разработал технологию вулканизации, существенно улучшающую свойства каучука. В 1836 году Эдвин М. Чаффи изобрел устройство, ставшее прообразом каландра, — двухвалковую машину с паровым обогревом для непрерыв­ного смешения каучука с добавками. Такая машина использовалась в производстве прорезиненных тканей и кожи. Уже в 1845 году из шеллака и гуттаперчи на прессах и штампах формовались пуговицы, ювелирные украшения, кости для игры в домино и другие мелочи и безделушки. Гуттаперча (материал, сходный с каучуком и соби­раемый с деревьев, напоминающих каучуковые) стала первым материалом, исполь­зовавшимся для изоляции проводов, — в течение многих лет она использовалась для изоляции трансокеанского кабеля.

В 1845 году Генри Бьюли и Ричард Бруман изобрели плунжерный экструдер. Изобретателем винтового насоса принято считать Архимеда, и лишь в начале 1860-х годов американцем А. Дж. Девольфом был изобретен шнековый экструдер. В 1879 году англичанин Мэтью Грей запатентовал первый шнековый экструдер, предназначенный для переработки полимеров и ставший впоследствии важнейшим видом оборудования в этой области промышленности. Экструдер использовался для производства изоляции для проводов.

Нитроцеллюлоза, пластицироваиная камфорой, — возможно, первый термо­пласт, — была запатентована братьями Хайат в 1870 году. Опираясь на уже сущест­вовавшие технологии литья металлов под давлением, братья Хайат построили и в 1872 году запатентовали первую литьевую машину, предназначенную для изго­товления изделий из целлюлозы. После 1870 года началось массовое производст­во изделий из каучука, гуттаперчи, целлюлозы и шеллака, и предприятия охотно пользовались этим изобретением, которое постепенно совершенствовалось. Таким образом, появились машины смешения под давлением для ускоренной пластикации сырья. Одним из заслуживающих внимания изобретений был закрытый смеси­тель (смеситель Бенбери), разработанный Фернлн Бенбери в 1916 году. Такой сме­ситель, в несколько измененном виде, до сих пор используется при получении рези­новых смесей.

В 1907 году Лео Бакеланд получил бакелит — первый синтетический полимер. Этот термореактивный материал был получен поликонденсацией фенола и фор­мальдегида при смешении и нагревании.

В 1924 году Герман Штаудингер предложил модель, в которой полимеры описы­вались как линейные молекулярные цепи. Когда эту модель признали другие ученые, родилась идея синтезировать новые материалы. Ацетат целлюлозы и иоливинилхлорид (ПВХ) были получены в 1927 году. Благодаря более высокой износостойкости ПВХ с начала 1930-х годов его стали применять для производства грампластинок вместо ранее использовавшегося шеллака. Уоллас Карозерс синтезировал такие кон­денсационные полимеры, как полиэфиры и полиамиды (ПА). Только тогда научное сообщество наконец убедилось в ценности работы Штаудингера. Полиамиды, полу­чившие вначале название «найлон», начали производиться в 1938 году. Поливинилацетат, полиакрилаты, полистирол (ПС), полиуретан (ПУ) и меламип (формальде-гидные олигомеры) также были получены в 1930-е годы.

Первый одношнековый экструдер, предназначенный для переработки термо­пластичных полимеров, был выпущен около 1935 года на машиностроительном предприятии Paul Troester Maschinenfabrik. Примерно в то же время Роберто Ко­ломбо изобрел двухшнековый экструдер.

Материалы, используемые в литье под давлением

HIPS       HDPE     LDPE  PTFE

В годы Второй мировой войны, а также в послевоенные годы шла активная раз­работка новых полимерных материалов. Полиэтилен (ПЭ), политетрафторэтилен (тефлон, ПТФЭ), полиэпоксиды и акрилонитрилбутадиенстирол (АБС) были по­лучены в 1940-е годы, а линейный ПЭ, полипропилен (ПП), полиацеталь, полиэти-лентерефталат (ПЭТ), поликарбонат (ПК) и большое количество других материа­лов — в 1950-е годы. В 1970-е годы появились новые полимеры, такие как полифенн-ленсульфид, в 1980-е годы синтезированы жидкокристаллические полимеры.

Разработка и синтез новых полимерных материалов становились все сложнее и дороже. В настоящее время вполне допустимо получение новых конструкционных материалов путем гомогенизации, или смешения двух или более различных по свой­ствам полимеров, либо придания им требуемых характеристик путем модификации существующих полимеров с помощью пластификаторов.

С момента появления синтетических материалов объем их ежегодного общеми­рового производства постоянно растет, и его сокращение не прогнозируется. . В на­стоящее время отмечается, что в развитых странах рост ежегодного производства полимеров несколько снижается, тогда как в развивающихся странах Южной Аме­рики и Азии в настоящее время наблюдается значительный его подъем. Из бо­лее чем 31 млн т полимеров, произведенных в США в 1993 году, 90% составили тер­мопласты. Как уже говорилось ранее, у инженера-конструктора имеется возмож­ность выбора из тысяч марок существующих полимеров. Свойства этих материалов широко варьируются — они могут быть мягкими или твердыми, пластичными или хрупкими, гибкими или жесткими.

Таблица 2. 1. Аббревиатуры для обозначения наиболее распространенных полимеров

Полиамид 66                                                                   ПА 66 РА 66

Поликарбонат                                                               ПК PC

Полиэтилентерефталат                                             ПЭТФ (ПЭТ) PET

Полиимид                                                                        ПИ PI

Полиметилметакрилат                                                     ПММА РММА

Полистирол                                                                      ПС PS

Поливинилхлорид                                                             ПВХ PVC

Сополимер акрилонитрила и стирола                                САН SAH

Ненасыщенный полиэфир                                               НПЭ UP

Относительно небольшая жесткость полимерных материалов объясняется осо­бенностями их молекулярной структуры, которая не препятствует взаимному сме­щению полимерных цепей под нагрузкой. При этом прочность и жесткость отдель­ных полимерных цепей значительно выше, чем измеряемые свойства образца мате­риала в целом. Например, для ПЭ теоретическое значение модуля упругости составляет 300 ООО МПа, в то время как экспериментально замеренное значение мо­дуля упругости для образца из этого материала составляет всего лишь 1 ООО М Па. Путем обеспечения высокой степени молекулярной ориентации можно значи­тельно повысить жесткость и прочность полимера. Так, например, у одноосно ори­ентированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности (СВМПЭ) модуль упругости волокон может превышать 200 ООО МПа.