Технические полимеры

Технические полимеры — это класс синтетических полимерных материалов, обладающих комплексом повышенных физико-механических, термических, химических и диэлектрических свойств, позволяющих использовать их в качестве конструкционных и функциональных материалов в машиностроении, приборостроении, электротехнике, авиа- и ракетостроении, химической промышленности и других отраслях, где требуется высокая надёжность и долговечность. В отличие от полимеров общего назначения (например, полиэтилен низкой плотности, полистирол), технические полимеры способны длительно эксплуатироваться в условиях повышенных нагрузок, температур (от −60 до +300 °C и выше), воздействия агрессивных сред и износа.

Классификация

Технические полимеры подразделяют на несколько основных групп в зависимости от температуры эксплуатации, механических свойств и химической стойкости.

Конструкционные термопласты

Это полимеры, которые при нагреве обратимо переходят в вязкотекучее состояние, что позволяет перерабатывать их литьём под давлением, экструзией, прессованием. К ним относятся:

• Полиамиды (ПА, PA) — группа материалов с высокой прочностью, износостойкостью и стойкостью к маслам и топливу. Наиболее распространены ПА-6, ПА-66, ПА-12. Применяются для изготовления шестерён, подшипников скольжения, деталей топливной аппаратуры.
• Полиоксиметилен (ПОМ, POM, ацеталь) — высококристаллический полимер с низким коэффициентом трения, высокой жёсткостью и стабильностью размеров. Используется для прецизионных деталей: втулок, кулачков, корпусов клапанов.
• Поликарбонат (ПК, PC) — прозрачный ударопрочный полимер, устойчивый к ударным нагрузкам и перепадам температур. Применяется для изготовления линз, защитных щитков, корпусов электроинструментов, деталей автомобильной оптики.
• Полибутилентерефталат (ПБТ, PBT) и полиэтилентерефталат (ПЭТФ, PET) — сложные полиэфиры, обладающие высокой твёрдостью, химической стойкостью и низким влагопоглощением. Из них изготавливают корпуса электронных приборов, разъёмы, изоляторы.

Высокотемпературные полимеры

Эти материалы способны длительно работать при температурах выше 200 °C, сохраняя механические и диэлектрические свойства.

• Полиимиды (ПИ, PI) — аморфные полимеры с температурой длительной эксплуатации до 300–350 °C. Обладают исключительной радиационной стойкостью и низким газовыделением. Применяются в авиакосмической технике (изоляция проводов, уплотнения), в микроэлектронике (подложки гибких печатных плат).
• Полиэфирэфиркетон (ПЭЭК, PEEK) — полукристаллический полимер, сочетающий высокую прочность (до 100 МПа), химическую стойкость и температуру плавления около 343 °C. Используется в медицине (имплантаты), нефтегазовой отрасли (уплотнительные кольца), авиастроении.
• Полифениленсульфид (ПФС, PPS) — термостойкий полимер с высокой жёсткостью и стойкостью к агрессивным средам (кислоты, щёлочи, растворители). Применяется для изготовления деталей насосов, клапанов, электроизоляции.

Реактопласты (термореактивные полимеры)

Эти материалы при отверждении образуют неплавкую и нерастворимую трёхмерную сетчатую структуру. К ним относятся:

• Фенолформальдегидные смолы (фенопласты) — одни из первых технических полимеров, получаемые поликонденсацией фенола с формальдегидом. Обладают высокой твёрдостью, теплостойкостью (до 200 °C) и хорошими электроизоляционными свойствами. Используются для изготовления корпусов приборов, ручек инструментов, деталей электротехники.
• Эпоксидные смолы — после отверждения образуют прочные, химически стойкие и адгезионно-активные композиции. Применяются в качестве связующих для стеклопластиков, клеев, герметиков, заливочных компаундов.
• Полиуретаны (ПУ, PUR) — могут быть как термопластичными, так и термореактивными. Отличаются высокой эластичностью, износостойкостью и стойкостью к маслам. Используются для изготовления уплотнений, амортизаторов, колёс роликов.

Свойства

Технические полимеры характеризуются рядом ключевых параметров, определяющих область их применения:

• Механические свойства: прочность на разрыв (от 30 до 150 МПа), модуль упругости (от 0,5 до 15 ГПа), ударная вязкость, твёрдость, износостойкость.
• Термические свойства: температура стеклования (Tg), температура плавления (Tm), температура длительной эксплуатации, коэффициент линейного термического расширения.
• Химическая стойкость: устойчивость к действию кислот, щелочей, органических растворителей, масел, топлива.
• Диэлектрические свойства: электрическая прочность, удельное объёмное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь.
• Технологические свойства: вязкость расплава, усадка при литье, способность к переработке.

Применение

Технические полимеры широко используются в различных отраслях промышленности.

Машиностроение и автомобилестроение

В автомобильной промышленности полимеры заменяют металлы в деталях, не несущих основных нагрузок, что позволяет снизить массу автомобиля на 15–30 %. Из полиамидов, полиоксиметилена и полибутилентерефталата изготавливают:

• шестерни и зубчатые колёса;
• подшипники скольжения;
• втулки, направляющие;
• корпуса топливных насосов;
• детали системы охлаждения.

Электротехника и электроника

Благодаря высоким диэлектрическим свойствам и термостойкости полимеры применяются для:

• изоляции проводов и кабелей (полиимиды, полиэфирэфиркетон);
• изготовления разъёмов, клеммных колодок (полибутилентерефталат, полифениленсульфид);
• корпусов электроинструментов и бытовой техники (поликарбонат, АБС-пластик);
• подложек гибких печатных плат (полиимиды).

Авиакосмическая промышленность

В авиа- и ракетостроении технические полимеры используются в условиях экстремальных температур, радиации и вакуума:

• полиимидные плёнки и покрытия для изоляции бортовой кабельной сети;
• детали топливных систем из полиэфирэфиркетона;
• композиционные материалы на основе эпоксидных смол для обшивки и силовых элементов.

Химическая промышленность

Для работы с агрессивными средами применяют:

• полифениленсульфид — для клапанов, насосов, трубопроводов;
• поливинилиденфторид (ПВДФ, PVDF) — для ёмкостей, фильтров, изоляции;
• фторопласты (ПТФЭ, PTFE) — для уплотнений, прокладок, подшипников.

Производство и переработка

Основные методы переработки технических полимеров включают:

• Литьё под давлением — наиболее распространённый метод для термопластов. Позволяет получать детали сложной формы с высокой точностью размеров.
• Экструзия — для производства профилей, труб, листов, плёнок.
• Прессование — для реактопластов и композиционных материалов.
• 3D-печать — для изготовления прототипов и мелкосерийных деталей из полиамидов, поликарбоната, полиэфирэфиркетона.

Интересные факты

• Первый технический полимер — фенолформальдегидная смола (бакелит) — был синтезирован в 1907 году бельгийским химиком Лео Бакеландом. Он стал основой для развития электроизоляционных материалов.
• Полиимиды (например, Каптон) используются в космических аппаратах: их плёнки выдерживают температуры от −269 до +400 °C.
• Полиэфирэфиркетон (PEEK) в медицине применяется для изготовления имплантатов позвоночника и черепа, поскольку он биосовместим и не вызывает коррозии в организме.

Источники

• «Полимеры технического назначения» / под ред. В. А. Маркина. — М.: Химия, 1988.
• «Энциклопедия полимеров» в 3 томах / под ред. В. А. Кабанова. — М.: Советская энциклопедия, 1972–1977.
• «Технические полимеры: свойства, переработка, применение» / А. Ф. Николаев, В. И. Крыжановский. — СПб.: Профессия, 2010.
• «Справочник по пластическим массам» / под ред. В. М. Катаева. — М.: Химия, 1975.
• «Polymer Science and Technology» / J. R. Fried. — 3rd ed. — Prentice Hall, 2014.