Особенности строения, способы получения и эксплуатационные характеристики фенопласта
Общие сведения о фенопласте, типы, история создания и распространения в России. Изучение способов получения фенопластов, новолачные и резольные смолы. Анализ марок пластмасс на основе фенолформальдегидных смол. Физико-механические свойства фенопласта.
Рубрика Производство и технологии Вид реферат Язык русский Дата добавления 18.01.2016 Размер файла 30,9 K Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную нижеСтуденты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУВПО «Тольяттинский государственный университет»
Кафедра «Нанотехнологии, материаловедение и механика»
по дисциплине: «Физико-механические свойства новых материалов»
на тему: «Особенности строения, способы получения и эксплуатационные характеристики фенопласта»
студент гр. НТБ-1001
Введение
В настоящее время всё чаще, в замен традиционным материалам, используют полимеры, на основе которых изготавливают разного рода пластики, покрытия, композиционные материалы, по своим свойствам уже превзошедшие традиционные.
В данной работе мы рассматриваем особенности строения, способы получения и эксплуатационные характеристики фенопласта.
Актуальность этой работы заключается в том, что полимерные материалы, а именно фенопласт, уже почти век фигурируют во многих областях человеческой жизни, будь то тяжёлая или лёгкая промышленность и спрос на их производство не уменьшается.
Объектом исследования в данной работе является фенопласт.
Предмет исследования - особенности строения, способы получения и эксплуатационные характеристики.
Цель работы - изучение строения полимера, способов его получения и эксплуатационных характеристик.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: фенопласт смола пластмасса фенолформальдегидный
1. Изучить особенности строения данного полимера;
2. Изучить способы получения;
3. Изучить физико-механические и эксплуатационные свойства.
1. Общие сведения
Фенопласты -- пластмассы, получаемые при отверждении при повышенных температурах фенолформальдегидных смол в комбинации с наполнителями.
Фенолформальдегидная смола - это смола синтетического происхождения, имеющая свойства термореактопластов или реактопластов. Такие смолы являются олигомерными или жидкими веществами, полученными посредством поликонденсацией формальдегида с фенолом в кислотной или же щелочной среде (резольные новолачные смолы или бакелиты). Это в дальнейшем влияет на свойства конечного продукта.
2. Типы и классы
Фенопласты подразделяются на типы и классы в соответствии с их назначением, свойствами и типом смолы, на основе которой их изготовляют.
О - общего назначения;
Для изготовления фенопластов используют следующие типы смол:
ФФ1 - фенолоформальдегидная резольная смола;
ФФ2 - фенолоформальдегидная новолачная смола.
Типы используемых наполнителей для изготовления фенопластов указывают в нормативном документе (НД) на конкретную марку фенопласта.
Типы фенопластов, в зависимости от свойств и области применения, подразделяются на классы.
Обозначение класса состоит из обозначения типа смолы, типа фенопласта и порядкового номера (группы), обозначающего отличительные свойства фенопласта.
Пример. ФФ1О2 - фенопласт на основе резольной смолы (ФФ1), общего назначения (О), относящийся ко 2-й группе однотипных фенопластов, отличающихся отсутствием свободного аммиака и улучшенными электрическими свойствами[2].
3. История создания
Изначально фенопласт создавался в качестве замены шеллаку -- природной смоле, вырабатываемой тропическими насекомыми -- лаковыми червецами. Произведя реакцию поликонденсации фенола и формальдегида, Лео Бакеланд сначала получил термопластичную фенолоформальдегидную смолу, которая отверждалась только в присутствии отвердителей. Данный полимер Лео Бакеланд назвал «Novolak», однако успеха на рынке он не имел.
Продолжая исследования в области реакции между фенолом и формальдегидом, а также подбирая различные наполнители (асбестовый порошок и др.), Лео Бакеланд получил полимер, для которого не смог найти растворителя. Это навело его на мысль, что такой практически нерастворимый и не проводящий электричества полимер может оказаться очень ценным. В 1909 году Лео Бакеланд сообщил о полученном им материале, который он назвал «бакелитом». Данный материал был первым синтетическим реактопластом -- пластиком, который не размягчался при высокой температуре.
В 1909 году Лео Бакеланд получил патент на свой материал -- U. S. Patent 0.942.809 Condensation product and method of making same. А в следующем 1910 году Лео Бакеланд основал компанию, которую назвал Bakelite Corporation[1].
4. Фенопласт в России
В России также велись работы по созданию пластических масс на основе фенола и формальдегида, в частности работы велись в лаборатории на шелкоткацкой фабрике в деревне Дубровка, в окрестностях г. Орехово-Зуево. В 1914 году группа химиков: Лисев В. И, Петров Г. С, и Тарасов К. И -- синтезировала карболит, российский аналог бакелита. Своё название карболит получил от слов «карболовая кислота», другого названия фенола.
Для продвижения нового изобретения в России и за границей, 6 октября 1915 года был основан торговый дом «Васильев и К». 26 октября 1916 года Московское Губернское правление выдало торговому дому свидетельство о том, что ему разрешается содержание завода для выработки диэлектрического материала под названием «карболит».
Был учрежден завод в Московской губернии, Богородском уезде, 3-ем стане Зуевской волости при селе Крестовоздвиженском. Завод получил название Карболит, данный завод существует и поныне. В 1919 году завод был национализирован, а в 1931 году завод включен в объединение «Союзхимпластмасс». В настоящее время фенолоформальдегидные смолы и пластмассы на их основе выпускаются на многих отечественных химических заводах[1].
5. Способы получения фенопластов
Новолачные смолы
В производстве главным образом применяются феноло-формальдегидные смолы обоих типов : новолачные и резольные. При изготовлении феноло-формальдегидных смол применяют синтетический фенол, а также фенолы, получаемые из каменноугольной смолы (фенольная и феноло-крезольная фракции, трикрезол, ксиленолы). Помимо перечисленных фенолов применяют их смеси, а также смеси фенола с анилином (феноло-анилино-формальдегидная смола). Формальдегид иногда частично или полностью заменяют фурфуролом[3].
Для получения новолачных смол конденсацию, как правило, проводят в присутствии кислотных катализаторов при избытке фенола. Технологический процесс получения твердой новолачной смолы, состоит из стадий конденсации и сушки проводимых, как правило в одном аппарате. В смесь фенола с формальдегидом вводят такое количество кислого катализатора, чтобы величина рН реакционной смеси составляла 1,6-2,3.
Смесь при постоянном перемешивании нагревают до кипения в течении 40-60 минут при атмосферном давлении (реже в вакууме) с включенным обратным холодильником. Через 20 минут после начала кипения в аппарат вводят дополнительную порцию катализатора (0,056 вес. част. кислоты на 100 вес. частей фенола). Кипячение смеси при 95-98 О С продолжают еще 1-1,5 часа.
По достижению удельного веса смеси, близкого к 1,2 г/см 3 ,конденсацию смолы считают в основном законченной, включают прямой холодильник и начинают сушку, при остаточном давлении не выше 300 мм. рт. ст. обогревая аппарат паром 5-8 ат. Сушку продолжают до достижения температуры каплепадения смолы 95-105 О С.После этого смолу сливают из аппарата и охлаждают. В новолачные смолы часто добавляют смазывающие вещества (олеиновая кислота) и красители. Феноло-формальдегидная новолачная смола в твердом состоянии имеет цвет от светло- до темно-коричневого, удельный вес ее около 1,2 г/см 3 .
Такая смола способна многократно плавится и вновь затвердевать, хорошо растворяется в спирте и многих растворителях. Переход смолы из нерасплавленного состояния при 150-200 О С в неплавкое и нерастворимое состояние в отсутствии отвердителя происходит очень медленно.
Температура плавления, вязкость и скорость отверждения новолачных смол изменяется с течением времени очень медленно. Поэтому такие смолы можно хранить в течении нескольких месяцев при любой температуре[4].
Резольные смолы
В отличие от новолачных смол разные марки резольных смол обладают несходными свойствами и имеют различное назначение. Часто одну марку резольной смолы не удается полноценно заменить другой.
Для получения резольных смол применяется такое же сырье как и для новолачных (фенолы, смеси фенола с анилином, формальдегид). Катализатором служит щелочи и основания: едкий натр, гидрокись бария, аммиак, окись магния. В производстве резольные смолы применяются в твердом и жидком состоянии. Резольная смола в жидком состоянии представляет собой смесь смолы с водой. Такие смеси, содержащие до 35 % воды, называются эмульсионными смолами. Частично обезвоженные эмульсионные смолы (с влажностью не больше 20 % ) называют жидкими смолами[5].
Вязкость эмульсионных смол при 20 О С колеблется в пределах 500-1800 сантипуаз, жидких смол - в пределах 500-1200 сантипуаз. Твердые резольные смолы по внешнему виду мало отличаются от твердых новолачных смол. Технологический процесс получения твердых резольных смол во многом аналогичен получению новолачных смол. Конденсацию и сушку проводят в одном аппарате. Конденсация, как правило, происходит при температуре кипения реакционной смеси, в течении определенного времени, установленного для каждой марки смолы, сушку проводят при остаточном давлении не выше 200 мм. рт. ст.
Процесс сушки контролируют, определяя скорость отверждения смолы на плитке при 15 О С. Готовую смолу сливают из аппарата возможно быстрее и охлаждают в тонком слое во избежание ее отверждения. Важнейшим показателем качества эмульсионных и жидких резольных смол является вязкость при 20 О С,которая резко уменьшается с ростом температуры.
Хранение резольных смол допускается лишь в течении короткого времени (2-3 дня после изготовления),так как при хранении сравнительно быстро возрастает вязкость эмульсионных и жидких смол, а также температура каплепадения и скорость отверждения твердых смол[6].
Важным показателем является хрупкость твердых резольных смол. Смолы температура каплепадения и скорость отверждения которых соответствует техническим условиям, иногда обладают недостаточной хрупкостью. Тогда они плохо поддаются измельчению, а в измельченном состоянии быстро слеживаются. Резольные смолы измельчают на таком же оборудовании, что и новолачные смолы. Так как измельченная резольная смола даже при хорошей хрупкости быстро слеживается, хранить ее в таком состоянии не следует. Наиболее удобной тарой для внутризаводского транспортирования твердых резольных смол при раздельном расположении производства смолы являются мешки из толстой, пыленепроницаемой ткани (бельтинг), а для эмульсионных смол - стандартные металлические бочки.
6. Марки пластмасс на основе фенолформальдегидных смол
Все пластические массы по составу делят на простые и сложные. Простые пластмассы состоят в основном из связующего, иногда с добавлением небольшого количества вспомогательных веществ (краситель, смазка и др.). В состав большинства пластмасс кроме связующего, входят и другие вещества. Такие пластмассы носят название сложных и композиционных.
Прессматериалы называют композиции на основе высокополимерных продуктов (искусственных смол, эфиров целлюлозы, битумов) из которых различными методами формирования (прямое прессование, литье) изготавливают разнообразные изделия. Прессматериалы, содержащие смолы, которые отверждаются в процессе прессования изделий, называют термореактивными.
В результате отверждения связующего вещества изделие приобретает механическую прочность уже в прессформе при температуре прессования и теряет способность размягчаться при повторном нагревании: смола в отвержденом изделии неспособна плавится и растворятся. Такой процесс отверждения необратим. К термореактивным относятся прессматериалы типа фенопластов, аминопластов содержащие главным образом поликонденсационные смолы.
Прессматериалы, называемые термопластичными или термопластами, содержат, связующие вещества не отверждающиеся в процессе прессования или литья изделий. В этом случае изделия приобретают механическую прочность только после некоторого охлаждения в прессформе[7].
Для изготовления фенопластов в качестве связующего применяют фенолформальдегидные смолы, а также смолы, получаемые при частичной замене фенола другими веществами (анилин и др.) и частичной или полной замене формальдегида другими альдегидами (фурфурол и др). В зависимости от соотношения между фенолом и формальдегидом примененного катализатора (кислый, щелочной) и условий реакций смолообразования получаются смолы двух типов - новолачные и резольные[8].
Фаолитом называется кислотостойкая, пластическая масса, получаемая на основе феноло-формальдегидной резольной смолы и кислотостойкого наполнителя асбеста, графита и кварцевого песка.
Термореактивная фенола-формальдегидная смола способна под влиянием нагревания переходить в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние. В соответствие с этим и фаолитовая масса, в которой частички наполнителя связаны между собой вязкой растворимой смолой, при термообработке отверждается, становится неплавкой и нерастворимой.
Фаолит - один из ценнейших конструктивных материалов. Он зарекомендовал себя при эксплуатации в различных агрессивных средах в широком интервале температур. По коррозионной стойкости фаолит превосходит свинец.
Большое количество фаолита выпускается в виде полуфабриката неотвержденных листов из которых заводы-потребители изготавливают различные изделия и арматуру.
Фаолит нашел широкое применение во многих отраслях промышленности как конструктивный материал. В ряде случаев он заменяет цветные металлы, особенно свинец. Легкость фаолита (р=1.5-1.7 г/см 53 0),химическая стойкость к кислым агрессивным средам позволяет из него изготавливать стойкую аппаратуру весом в несколько раз меньше металлической. Фаолит можно применять при более высокой температуре, чем многие другие кислотостойкие пластические массы[9].
Текстолит (слоистый пластический материал) получают прессованием полотнищ тканей, пропитанных феноло- и крезоло-альдегидными смолами и уложенных ровными слоями. Текстолит обладает хорошими электроизоляционными свойствами - влагостойкостью, высокой вязкостью, механической прочностью, малым коэффициентом трения. Текстолиты можно склеивать вазелиновыми, фенолальдегидными или карбамидными клеями, а также клеями типа БФ.
Гетинакс (слоистый пластик, пресскомпозиция на основе фенолформальдегидной смолы с наполнителем из бумажных листов)- хороший изоляционный материал. Большое применение гетинакс нашел в электропромышленности и радиотехнике. Из него делают прокладки, панели, монтажные платы, схемы печатного монтажа и другие детали электро- и радиоустройства. Недостаток гетинакса - малая прочность.
Древеснослоистый пластик (ДСП) - материал, изготовленный склейкой и горячим прессованием листов древесного шпона толщиной от 0,4 до 1,5 мм, предварительно пропитанных искусственной смолой. ДСП применяют для изготовления подшипников, втулок, тормозных колодок, роликов, транспортеров, фрикционных дисков, челноков и погонялок в текстильной промышленности. ДСП используют также в самолетостроении.
Стеклотекстолит состоит из стеклянной ткани, пропитанной различными термореактивными связующими веществами. Он обладает очень высокими диэлектрическими свойствами, влагостой костью, жаростойкостью, большим пределом прочности при растяжении. Стеклотекстолит применяют как конструкционный материал в самолетостроении, машиностроении, электротехнике, радиотехнике и судостроении. Его выпускают в виде листов разной толщины (от 0,5 до 15 мм) и разных линейных размеров (но не более 1 м ширины и 2,4 м длины) в зависимости от назначения.
Одним из лучших стекловолокнитов на основе фенолформальдегидных смол является прессматериал марки АГ-4[10].
7. Физико-механические свойства фенопласта
В соответствии с ГОСТ 5689-79 определяются следующие марки фенопластов и их физические свойства, указанные в таблице 1.