Пластмассы широко применяются в различных отраслях промышленности в основном в качестве конструкционных и электроизоляционных материалов. По сравнению металлическими материалами переработка пластмасс в изделия менее трудоемка и малоотходна.
Пластмассы - материалы на основе полимеров. Полимеры - макромолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся атомных групп - звеньев. Звенья образуются из простых молекул исходного низкомолекулярного вещества - мономера. Для этого молекулы мономера «активизируют» - создают в них свободные валентные связи путем внешнего воздействия (повышенная температура и давление).
Пластмассы могут состоять только из самого полимера либо содержать различные компоненты, в этом случае они являются композиционными материалами (композитами). Компонентами таких пластмасс могут быть наполнители, отвердители, стабилизаторы, красители, пластификаторы и другие специальные добавки. В композиционных пластмассах полимер играет роль связующего.
Очевидно, что свойства пластмасс зависят от химической природы и вида наполнителя. Так, в композитах с одинаковым типом связующего полимера наблюдается увеличение прочности при переходе от материалов с порошкообразными наполнителями (пресс-порошки) к волокнитам (наполнитель - волокна) и далее - к слоистым пластикам (листовой наполнитель).
Однако основное влияние на свойства пластмасс и соответственно технологию их переработки в изделия оказывает природа полимера.
По этому признаку различают два основных класса пластмасс: термопласты (основа - термопластичные полимеры) и реактопласты (основа - термореактивные полимеры).
Термопластичные полимеры имеют линейную, или близкую к ней - разветвленную структуру (форму) макромолекул. В таких макромолекулах звенья соединены сильными ковалентными связями, а между цепями действуют гораздо более слабые силы Ван-дер-Ваальса. Вследствие такого характера связей термопластичные полимеры при нагревании переходят из стеклообразного в высокоэластичное и далее - вязкотекучее состояние. При этом не происходит разрушения макромолекул (если температура не превысила температуру деструкции). Последующее охлаждение изменяет состояние полимера в обратном порядке, его структура и свойства полностью восстанавливаются.
В отличие от термопластичных, термореактивные полимеры в отвержденном состоянии имеют замкнутую пространственную (сетчатую) структуру. В таких структурах сильные ковалентные связи действуют как вдоль цепей молекул, так и между ними. Эти полимеры более прочны и их свойства практически не изменяются при нагревании вплоть до температуры деструкции. Обычно термопласты - простые (ненаполненные) пластмассы (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат и др.), реактопласты -композиционные материалы (фенопласты, стекловолокнит, гетинакс, текстолит, древесно-слоистые пластики и др.).
Изделия из пластмасс получают главным образом методами пластической деформации. Применение конкретного способа переработки зависит от физического состояния полимерной основы, которое может изменяться под действием нагрева и других факторов.
В большинстве случаев детали изготавливают из пластмасс, находящихся в вязкотекучем состоянии, путем прямого (компрессионного) прессования, литья под давлением и экструзии (выдавливания).
Прямое прессование применяют в основном для получения изделий из реактопластов, реже термопластов. Формование производится в пресс-формах при температурах 130...200 °С.
Исходный пресс-материал загружают в виде порошка или таблеток в полость формы. Под действием давления, создаваемого пуансоном, и теплоты материал в вязкотекучем состоянии заполняет формообразующую полость пресс-формы. После затвердевания изделие извлекается (выталкивается) из формы.
Основным компонентом пресс-материалов термореактивных пластмасс являются связующие вещества - смолы: фенолоформальдегидная (бакелитовая), меламиноформальдегидная (карбамидная), эпоксидная и другие. В исходном состоянии (в пресс-материале) смолы - полимеры с линейной структурой.
Помимо смол в композиции пресс-материала присутствуют дисперсные наполнители различной природы, отвердители[49] и другие компоненты. Повышенная температура и наличие отвердителей создают в процессе формования изделия пространственную сетчатую структуру композиционного материала. То есть такой способ производства совмещает процесс создания материала и формообразования изделия.
Детали из реактопластов после отверждения можно извлекать сразу, не охлаждая. В случае прессования деталей из термопластов пресс-форму нужно обязательно охлаждать для сохранения формы изделия (перевода полимера из вязкотекучего в стеклообразное состояние), что осложняет процесс и ограничивает применение данного способа для производства деталей из термопластов. Массовое производство деталей из термопластов осуществляют в основном литьем под давлением и экструзией.
Если формование деталей из термореактивных пластмасс происходит при нагревании исходной композиции, то такой способ называется горячим прессованием. Он применяется для пластмасс горячего отверждения, в которых замкнутая пространственная структура полимера образуется при повышенных температурах.
В качестве конструкционных материалов применяют также пластмассы холодного отверждения («самотвердеющие») на основе эпоксидных, полиэфирных, акриловых и других смол. Они отверждаются при комнатной температуре в результате воздействия отвердителя. Изделия из них можно изготавливать в формах путем свободной заливки, намазывания, накатывания и т.п.
В последнее время для изготовления мелких изделий (в основном в медицине) широкое распространение получили холоднотвердеющие акриловые пластмассы: ACT, стиракрил, протокрил, норакрил, акрилоксид и др. В исходном состоянии все они состоят из полимерного порошка и жидкого отвердителя, которые хранятся раздельно. После смешивания этих компонентов массу помещают в форму, где она отверждается через 10…60 минут в зависимости от марки (состава) пластмассы.