Дюрополимер как конструкционный материал¶

Дюрополимер — обобщающее название группы жёстких конструкционных полимерных материалов, получаемых методами литья под давлением, экструзии или прессования и сохраняющих форму при нагреве лишь в ограниченном интервале температур. В отличие от эластомеров, способных к большим обратимым деформациям, дюрополимеры обладают высокой жёсткостью, прочностью и устойчивостью к ползучести. Термин применяется преимущественно в промышленной практике и в научно-технической литературе для обозначения пластмасс, используемых в качестве замены металлов и дерева в несущих и корпусных деталях.

¶Терминология и место среди полимеров

Строгого химического определения у термина нет: он описывает не строение макромолекулы, а комплекс механических и технологических свойств. В классификации полимеров дюрополимеры противопоставляются:

• эластомерам — материалам с низким модулем упругости и высокой обратимой деформацией (каучуки, термоэластопласты);
• волокно- и плёнкообразующим полимерам — материалам, перерабатываемым в изделия с малой толщиной;
• клеям и связующим — составам, работающим в тонком слое.

По поведению при нагреве дюрополимеры делятся на термопласты, размягчающиеся обратимо, и реактопласты, отверждающиеся необратимо. Оба класса могут рассматриваться как дюрополимеры, если из них изготовляют жёсткие конструкционные изделия.

¶История

Развитие дюрополимеров связано с промышленным освоением синтетических смол в XX веке. В 1907 году Лео Бакеланд получил фенолформальдегидную смолу — первый массовый реактопласт, названный бакелитом. В 1920–1930-е годы появились карбамидные и меламиновые смолы, применявшиеся для электроизоляции и бытовых изделий. В 1930-е годы началось производство полистирола и поливинилхлорида, а в 1950-е — полиэтилена низкого и высокого давления, полипропилена, полиамидов и поликарбоната. В СССР собственное производство конструкционных пластмасс активно развивалось с 1950–1960-х годов на предприятиях химической промышленности; материалы применялись в электротехнике, приборостроении, автомобилестроении и товарах народного потребления.

¶Классификация

¶Свойства

Ключевые характеристики дюрополимеров:

• жёсткость и прочность — модуль упругости от 1 до 4 ГПа у ненаполненных термопластов и до 20–40 ГПа у стекло- и углепластиков;
• низкая плотность — 0,9–2,0 г/см³, что в 3–8 раз меньше плотности стали и алюминия;
• химическая стойкость — устойчивость к кислотам, щелочам, маслам, растворителям (зависит от типа полимера);
• диэлектрические свойства — низкая электропроводность, применяемая в изоляции;
• технологичность — возможность формования сложных изделий за один цикл;
• ограничения — невысокая теплостойкость (обычно 60–150 °C), склонность к старению под действием ультрафиолета и кислорода, высокий коэффициент теплового расширения.

¶Технологии переработки

Основные методы получения изделий из дюрополимеров:

1. Литьё под давлением — основной способ для термопластов; расплав впрыскивается в пресс-форму под давлением до 100–200 МПа.
2. Экструзия — непрерывное формование профилей, труб, листов, плёнок через экструзионную головку.
3. Прессование и литьевое прессование — применяется для реактопластов.
4. Ротационное формование — для крупногабаритных полых изделий.
5. Вакуумная и пневмоформовка — для тонкостенных упаковочных и корпусных деталей.
6. 3D-печать — аддитивные методы (FDM, SLS) с использованием термопластичных филаментов и порошков.

¶Применение

Дюрополимеры используются практически во всех отраслях:

• машиностроение и автомобилестроение — бамперы, панели, топливные баки, шестерни, втулки;
• электротехника и электроника — корпуса приборов, разъёмы, изоляторы, печатные платы;
• строительство — оконные профили, трубы, сантехника, теплоизоляция;
• медицина — одноразовый инструмент, шприцы, детали оборудования;
• упаковка — тара, плёнки, контейнеры;
• бытовая техника и товары народного потребления — корпуса, посуда, мебель.

В России конструкционные пластмассы выпускаются рядом нефтехимических и химических предприятий; значительная часть потребления приходится на переработчиков, изготавливающих изделия по заказам машиностроительных и строительных компаний.

¶Экологические аспекты

Основная проблема дюрополимеров — низкая биоразлагаемость и накопление отходов. Реактопласты практически не поддаются повторной переработке из-за необратимого отверждения. Термопласты могут перерабатываться механически (дробление и повторное формование) или химически (пиролиз, гликолиз). Развиваются биоразлагаемые аналоги — полимолочная кислота, полигидроксиалканоаты, — однако их прочностные и температурные характеристики пока уступают традиционным материалам.

¶Критика и ограничения

Критические замечания к широкому применению дюрополимеров связаны с:

• зависимостью свойств от температуры и старения;
• сложностью прогнозирования долговечности под нагрузкой;
• проблемами утилизации и микропластиковым загрязнением;
• необходимостью дорогостоящей оснастки при литье под давлением.

Источники: технические справочники по полимерным материалам, учебные пособия по технологии переработки пластмасс, обзорные публикации по конструкционным полимерам.