Конструкционные пластики - микроструктура, характеристики, применения


Н. МИЛЛС





                КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПЛАСТИКИ




МИКРОСТРУКТУРА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИМЕНЕНИЯ
Перевод с английского С.В. Котомина под редакцией С.Л. Баженова







                                                          Издательский Дом
                                                          ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2011

   Н. Миллс
      Конструкционные пластики — микроструктура, характеристики, применения. Пер. с англ.: Учебно-справочное руководство / Н. Миллс — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. — 512 с.
   ISBN 978-5-91559-047-1

      Книга известного английского специалиста, выдержавшая уже три последовательно совершенствуемых издания. В ней компактно и четко изложены как механические и физико-химические свойства пластических масс, так и их промышленные применения в конкретных конструкциях от труб и компакт-дисков до тросов и биоматериалов. При этом несомненным достоинством книги является установление связи микроструктуры полимеров и композиционных материалов с характеристиками конечной продукции при использовании разнообразных технологических процессов.
      Учебно-справочное руководство адресовано необходимо студентам и преподавателям химико-технологических, материаловедческих и машиностроительных специальностей, конструкторам и технологам.





                                                       Plastics
                                                       Microstructure and Applications

                                                       Third Edition

                                                       N J Mills











   ISBN 978-5-91559-047-1
   ISBN 978-07506-5148-6 (англ.)

                                      © 2005, Nigel Mills. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved
                                      © 2011, ООО Издательский Дом «Интеллект», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ









    Предисловие....................................................... 17

    Глава 1
    ВВЕДЕНИЕ.......................................................... 18
       1.1. Введение.................................................. 18
       1.2. Полимеры в бытовых изделиях............................... 18
           1.2.1. Пластиковыйчайник................................... 19
           1.2.2. Устройство видеокассеты (VHS)........................21
           1.2.3. Разборное полимерное кресло..........................22
           1.2.4. Телефонная трубка....................................24
           1.2.5. Резюме...............................................25
       1.3. Механические и оптические свойства полимеров...............25
           1.3.1. Образование трещин и разрушение шариковой ручки......25
           1.3.2. Пластичность лент из полиэтилена низкой плотности....26
           1.3.3. Оптические свойства компакт-дисков (CD) и полиэтиленовой пленки......................................................27
           1.3.4. Старение полимеров под действием солнечного света....28
           1.3.5. Вязкоупругость пенопластовых покрытий................29
       1.4. Идентификация полимеров....................................29
           1.4.1. Маркировка для вторичной переработки.................29
           1.4.2. Внешний вид неокрашенного изделия....................30
           1.4.3. Плотность............................................30
           1.4.4. Температура плавления................................30
           1.4.5. Модуль упругости.....................................30
       1.5. Особенности полимеров при переработке......................32
           1.5.1. Изделия, получаемые раздувом.........................32
           1.5.2. Изделия, получаемые экструзией.......................33
           1.5.3. Изделия, получаемые литьем под давлением.............34

_J Оглавление

           1.5.4. Изделия, получаемые термоформованием..................35
           1.5.5. Пленки, получаемые экструзией с раздувом..............36
           1.5.6. Бутылки, получаемые литьем под давлением с раздувом...36
       1.6. Заключение..................................................37

    Глава 2 МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ПОЛИМЕРОВ ...................................38
       2.1. Введение....................................................38
           2.1.1. Масштабный фактор.....................................38
           2.1.2. Типы полимеров........................................38
           2.1.3. Крупнотоннажные и конструкционные термопласты.........39
           2.1.4. Термореактивные полимеры и каучуки....................40
       2.2. Межмолекулярные связи в полимерах...........................41
           2.2.1. Ковалентные связи.....................................41
           2.2.2. Ван-дер-ваальсовое взаимодействие.....................42
           2.2.3. Водородные связи......................................44
           2.2.4. Ионные связи..........................................44
       2.3. Полимеризация...............................................44
           2.3.1. Полимеры, получаемые радикальной полимеризацией.......44
           2.3.2. Поликонденсация.......................................46
           2.3.3. Молекулярно-массовое распределение....................48
       2.4. Регулярность цепи...........................................51
           2.4.1. Радикальная полимеризация стереорегулярных полимеров....................................................51
           2.4.2. Сополимеризация.......................................53
           2.4.3. Блок-сополимеры.......................................54
       2.5. Разветвленные и сшитые полимеры.............................55
           2.5.1. Разветвление цепи.....................................55
           2.5.2. Термореактивные полимеры..............................56
           2.5.3. Каучуки...............................................58
       2.6. Технология и экономика производства.........................59
           2.6.1. Производство мономеров................................59
           2.6.2. Технологические процессы при полимеризации............62
           2.6.3. Экономика и масштаб производства......................63
       2.7. Марки и характеристики крупнотоннажных полимеров............64

Оглавление -*J   5

       2.7.1. Полиэтилен............................................64
            2.7.1.1. Плотность и индекс текучести расплава......... 66
       2.7.2. Полипропилен..........................................67
       2.7.3. Поливинилхлорид.......................................68
       2.7.4. Полистирол............................................72
       2.7.5. Добавки...............................................72

Глава 3 СТРУКТУРА ПОЛИМЕРОВ.................................................74
   3.1. Введение....................................................74
   3.2. Моделирование формы макромолекул............................75
       3.2.1. Структура и конформация С-С-связи.....................75
       3.2.2. Метод случайных блужданий по кристаллической решетке......................................................76
   3.3. Аморфные полимеры...........................................78
       3.3.1. Основные формы полимеров..............................78
       3.3.2. Молекулярная масса и размер молекулы..................79
       3.3.3. Сетка зацеплений макромолекул в расплавах полимеров...82
       3.3.4. Упругость полимерной цепи в сетчатой структуре........84
       3.3.5. Каучуки...............................................86
       3.3.6. Температура стеклования...............................89
       3.3.7. Микроструктура аморфных полимеров.....................91
       3.3.8. Модуль упругости аморфных полимеров...................93
   3.4. Частично-кристаллические полимеры...........................95
       3.4.1. Введение .............................................95
       3.4.2. Кристаллическая решетка...............................95
       3.4.3. Модули упругости кристаллов...........................98
       3.4.4. Форма кристаллов......................................99
       3.4.5. Строение кристаллов................................. 100
       3.4.6. Сферолиты........................................... 101
       3.4.7. Скоростькристаллизации.............................. 104
       3.4.8. Степенькристалличности.............................. 105
       3.4.9. Дифракция рентгеновских лучей....................... 106
       3.4.10. Ориентация кристаллической фазы.................... 109
       3.4.11. Заключение......................................... 112

Оглавление

Глава 4 ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ.............................................. 113
    4.1. Введение................................................. 113
    4.2. Модуль упругости......................................... 114
       4.2.1. Модуль сдвига металлополимерных пружин.............. 114
       4.2.2. Сжатие многослойных пружин.......................... 116
       4.2.3. Модуль упругости в направлении ориентации волокон... 118
       4.2.4. Предельные значения модуля упругости................ 119
    4.3. Многослойные структуры................................... 119
       4.3.1. Жесткость при изгибе................................ 119
       4.3.2. Литье под давлением конструкционных пенопластов..... 121
    4.4. Упрочнение каучуками..................................... 122
       4.4.1. Упрочнение и структура.............................. 122
       4.4.2. Модуль упругости и концентрация напряжений.......... 123
       4.4.3. Текучесть и возникновение трещин.................... 125
       4.4.4. Пластическое течение................................ 127
    4.5. Многофазные структуры.................................... 130
       4.5.1. Блок-сополимеры..................................... 130
       4.5.2. Литье под давлением сшивающегося полиуретана........ 131
       4.5.3. Термоэластопласты................................... 133
    4.6. Модуль упругости полиэтилена со сферолитной структурой... 135
       4.6.1. Механизмы деформации сферолитов..................... 135
        4.6.2. Модуль упругости полиэтилена со сферолитной структурой................................................ 137
    4.7. Пенопласты............................................... 138
       4.7.1. Получение пенополиуретана........................... 138
       4.7.2. Структура пенопласта с открытыми порами............. 139
       4.7.3. Сжатие пенопластов с открытыми порами............... 140
       4.7.4. Структура пенопласта с закрытыми порами............. 143
       4.7.5. Сжатие поропластов с закрытыми порами............... 144
    4.8. Армирование короткими волокнами.......................... 145
       4.8.1. Волокна и их ориентация............................. 145
       4.8.2. Модуль упругости.................................... 148
       4.8.3. Прочность на растяжение............................. 148

Оглавление Л, 7

Глава 5
ПЕРЕРАБОТКА ТЕРМОПЛАСТОВ......................................... 151

   5.1. Введение................................................. 151
   5.2. Механизм теплопередачи................................... 152
       5.2.1. Теплопроводность................................... 152
       5.2.2. Конвекция ......................................... 154
       5.2.3. Число Био.......................................... 155
       5.2.4. Излучение.......................................... 155
       5.2.5. Разогрев расплава при вязком течении............... 156
   5.3. Течение расплава термопластов............................ 156
       5.3.1. Сдвиговое течение.................................. 157
       5.3.2. Продольное течение ................................ 158
       5.3.3. Влияниемолекулярноймассы........................... 160
       5.3.4. Влияние температуры на течение расплава............ 162
   5.4. Экструзия................................................ 162
       5.4.1. Плавление и пластификация.......................... 162
       5.4.2. Производительностьэкструдера....................... 164
       5.4.3. Стадия охлаждения.................................. 167
       5.4.4. Плунжерная экструзия............................... 168
   5.5. Формование раздувом...................................... 168
       5.5.1. Получение пленки экструзией с раздувом............. 169
       5.5.2. Экструзия с раздувом............................... 171
       5.5.3. Литье с раздувом................................... 173
       5.5.4. Термоформование.................................... 175
   5.6. Литье под давлением...................................... 179
       5.6.1. Конструкцияпресс-формы............................. 179
       5.6.2. Цикллитья.......................................... 179
       5.6.3. Контроль заполнения пресс-формы.................... 182
       5.6.4. Заполнение пресс-формы............................. 184
       5.6.5. Реакционно-литьевое формование..................... 186
       5.6.6. Формование пенопластов............................. 189
   5.7. Макетирование............................................ 190

-JU Оглавление

Глава 6 ПЕРЕРАБОТКА ТЕРМОПЛАСТОВ В РАСПЛАВЕ............................... 192
    6.1. Введение................................................. 192
    6.2. Изменение микроструктуры................................. 192
        6.2.1. Влияние скорости охлаждения на степень кристалличности и плотность................................................ 192
        6.2.2. Эффекты напряжения в расплавах аморфных полимеров.................................................. 194
        6.2.3. Напряжения в расплаве частично-кристаллических полимеров.................................................. 198
        6.2.4. Сварные швы в полимерном изделии....................200
    6.3. Макроскопические эффекты..................................201
        6.3.1. Усадка и коробление.................................201
        6.3.2. Шероховатость поверхности...........................205
        6.3.3. Остаточные напряжения в экструдатах.................207
        6.3.4. Остаточные напряжения в литьевых изделиях...........209
    6.4. Сплавление частиц и гранул полимеров......................210
        6.4.1. Смешение............................................210
        6.4.2. Переработка порошка ПВХ.............................211
        6.4.3. Переработка порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена.................................................214
        6.4.4. Переработка вспененного гранулированного полистирола.................................................215

Глава 7 ВЯЗКОУПРУГИЕ     СВОЙСТВА..........................................217
    7.1. Введение..................................................217
    7.2. Линейные вязкоупругие модели..............................218
        7.2.1. Модель Фойгта.......................................218
        7.2.2. Ползучесть в обобщенной модели Фойгта...............221
        7.2.3. Расчет релаксации напряжения........................222
        7.2.4. Температурная зависимость вязкоупругих свойств......224
    7.3. Ползучесть................................................226

Оглавление —J 9

       7.3.1. Расчет ползучести....................................226
       7.3.2. Расчет линейной вязкоупругости.......................227
       7.3.3. Расчет псевдоупругой ползучести......................228
       7.3.4. Восстановление и ползучесть при циклическом нагружении..................................................229
   7.4. Циклическая деформация.....................................231
       7.4.1. Анализ линейной вязкоупругости.......................231
       7.4.2. Виброизоляция машин..................................234
       7.4.3. Демпфирующие покрытия для металлических панелей......236
       7.4.4. Полимеры с высокой демпфирующей способностью.........238

Глава 8
ПЛАСТИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ...............................................240
   8.1. Молекулярный механизм пластического течения................240
       8.1.1. Аморфные полимеры....................................240
       8.1.2. Частично-кристаллические полимеры....................242
   8.2. Деформирование в различных напряженных состояниях..........243
       8.2.1. Образование шейки при растяжении.....................243
       8.2.2. Пластичность при изгибе..............................248
       8.2.3. Потеря устойчивости и пластическое течение при сжатии..................................................249
       8.2.4. Локальное пластическое течение при сжатии и твердость.................................................251
       8.2.5. Локализованное пластическое течение и задир поверхности.................................................252
       8.2.6. Перфорация пленки....................................254
   8.3. Пластическое течение при различных масштабах времени.......255
       8.3.1. Влияние скорости растяжения..........................255
       8.3.2. Разрушение при ползучести ...........................256
   8.4. Ориентационное упрочнение..................................256
   8.5. Микромеханизмы пластического течения.......................259
       8.5.1. Крэйзинг.............................................259
       8.5.2. Энергетика роста крэйза..............................261
       8.5.3. Пластический коллапс пен.............................263

¹⁰ -V

Оглавление

Глава 9
РАЗРУШЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ..............................................266
    9.1. Введение.................................................266
    9.2. Характеристика поверхности разрушения....................267
    9.3. Зарождение трещины.......................................270
       9.3.1. Концентрация упругих напряжений.....................270
       9.3.2. Предел текучести....................................272
       9.3.3. Трещины! в хрупких поверхностных слоях..............275
       9.3.4. Остаточные напряжения...............................276
       9.3.5. Заключение..........................................276
    9.4. Рост трещины.............................................276
       9.4.1. Механика разрушения.................................276
       9.4.2. Коэффициент интенсивности напряжения................279
       9.4.3. Критическое значение коэффициента интенсивности напряжения Ктс............................................280
       9.4.4. Текучесть в кончике трещины и модель Дагдейла.......281
       9.4.5. Разрушение толстых пластин в условиях плоской деформации................................................284
       9.4.6. Разрушение тонких пленок в условиях плосконапряженного состояния.................................................286
       9.4.7. Влияние скорости растяжения.........................288
    9.5. Ударные испытания.........................................289
        9.5.1. Ударные испытания по Изоду и Шарпи..................290
        9.5.2. Ударные испытания тонких пластин...................291
        9.5.3. Испытания на удар изделий..........................293
        9.5.4. Инструментальные испытания на удар.................294


Глава 10
ДЕСТРУКЦИЯ И ВЛИЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ............................298
    10.1. Введение...............................................298
    10.2. Деструкция при переработке.............................299
        10.2.1. Полиолефины:.....................................299
        10.2.2. Поливинилхлорид..................................300
        10.2.3. Вода и полимеры, получаемые ступенчатой полимеризацией..........................................302
    10.3. Деструкция при повышенных температурах.................302

Оглавление

¹¹

         10.3.1. Окисление полиолефинов.............................302
         10.3.2. Гидролиз...........................................305
         10.3.3. Максимальная температура эксплуатации..............307
    10.4. Горение...................................................308
         10.4.1. Стадии горения.....................................308
         10.4.2. Испытания на огнестойкость.........................311
         10.4.3. Антипирены! и пламегасители........................312
         10.4.4. Огнестойкость кабелей и пенопластов................313
    10.5. Атмосферное воздействие...................................313
         10.5.1. Воздействие ультрафиолетового излучения............313
         10.5.2. Влияние атмосферных условий....................... 315
         10.5.3. Защита от фотоокисления............................316
         10.5.4. Ускоренные испытания...............................319
    10.6. Растрескивание под воздействием окружающей среды..........321
         10.6.1. Явление растрескивания.............................321
         10.6.2. Набухание крэйзов в жидкостях......................322
         10.6.3. Возникновение трещин и крэйзов.....................323
         10.6.4. Рост трещины: в жидкой среде.......................325
         10.6.5. Полное разрушение..................................326

Глава 11
ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА.....................................................329
    11.1. Газы......................................................329
         11.1.1. Растворимость......................................329
         11.1.2. Равновесная диффузия газов.........................331
         11.1.3. Нестационарная диффузии газов......................333
         11.1.4. Применение в упаковочных материалах................335
         11.1.5. Металлические и керамические покрытия..............338
         11.1.6. Разделение газов...................................338
    11.2. Жидкости................................................. 340
         11.2.1. Бензобаки из полиэтилена высокой плотности.........340
         11.2.2. Экстракция добавок из полимеров пищевыми продуктами..................................................342
         11.2.3. Обратный осмос и мембраны для диализа..............343
    11.3. Твердые вещества..........................................344
    11.4. Оптические свойства.......................................347

¹² -V

Оглавление

         11.4.1. Преломление и отражение света......................347
         11.4.2. Рассеяние света....................................349
         11.4.3. Волоконная оптика..................................351
    11.5. Теплозащита...............................................353


Глава 12
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.............................................357
    12.1. Объемное и поверхностное удельное сопротивление.........357
    12.2. Полимерные диэлектрики и полупроводники.................. 360
         12.2.1. Низковольтная изоляция...........................360
         12.2.2. Высоковольтная изоляция..........................361
         12.2.3. Статическая электризация.........................366
         12.2.4. Пластиковые экраны электромагнитных волн.........367
         12.2.5. Полупроводящие полимеры для аккумуляторов и топливных элементов.....................................370
    12.3. Диэлектрические свойства................................372
         12.3.1. Диэлектрическая постоянная и диэлектрические потери....................................................373
         12.3.2. Потери при поляризации...........................374
         12.3.3. Высокочастотная изоляция и конденсаторы..........376
    12.4. Гибкие переключатели и электреты........................377
         12.4.1. Пленочные переключатели..........................377
         12.4.2. Электреты....................................... 378
         12.4.3. Пьезоэлектрические пленки........................379

Глава 13
КОНСТРУИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ: ВЫБОР МАТЕРИАЛА И ФОРМЫ...........................................................382
    13.1. Введение.................................................382
    13.2. Выбор полимера..........................................382
         13.2.1. Системы автоматизированного выбора полимера......382
         13.2.2. Сочетание свойств и выбор материалов.............385
         13.2.3. Обивка двери автомобиля..........................385
         13.2.4. Трубчатая рама кузова автомобиля.................386

Оглавление

-^ ¹³

    13.3. Форма и жесткость изделия................................387
        13.3.1. Рифление...........................................387
        13.3.2. Ребра на литьевых изделиях.........................388
        13.3.3. Продольный изгиб ребер жесткости...................392
        13.3.4. Кручение балок постоянного поперечного сечения.....392
        13.3.5. Кручение балок непостоянного сечения...............397
    13.4. Формы литьевых изделий...................................400
        13.4.1. Постоянная толщина деталей.........................401
        13.4.2. Уменьшение толщины детали при удалении от литника.................................................402
        13.4.3. Корпус инструмента.................................403
        13.4.4. Пружинные выступы и защелки........................403
        13.4.5. Встроенные петли...................................404
    13.5. Приборная панель автомобиля..............................405
        13.5.1. Форма приборной панели.............................405
        13.5.2. Испытания на удар с помощью модели головы..........406
        13.5.3. Совершенствование марок полимеров..................406
        13.5.4. Переработка........................................408

Глава 14 РАЗРАБОТКА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТИКОВ....................................409
    14.1. Введение.................................................409
    14.2. Трубопроводы для газа....................................409
        14.2.1. Введение...........................................409
        14.2.2. Испытание на разрушение при ползучести.............410
        14.2.3. Выбор полимера.....................................412
        14.2.4. Расчет толщины стенки трубы........................416
        14.2.5. Заключение по конструкторским требованиям..........422
        14.2.6. Монтаж и соединение труб...........................423
    14.3. Велосипедные шлемы.......................................426
        14.3.1. Введение...........................................426
        14.3.2. Биомеханические критерии травм головы..............427
        14.3.3. Геометрия шлема в месте удара......................427
        14.3.4. Конструкция подкладки шлема........................430

Оглавление

        14.3.5. Выбор пенопласта...................................432
        14.3.6. Заключение.........................................433
   14.4. Носители информации на поликарбонатных дисках.............433
        14.4.1. Сохранение информации на полимерных дисках.........433
        14.4.2. Оптическая система хранения информации.............434
        14.4.3. Диски DVD..........................................436
        14.4.4. Требования к пластику и выбор полимера.............437
        14.4.5. Переработка поликарбоната..........................437
        14.4.6. Контроль двулучепреломления........................438
   14.5. Заключение................................................441

Глава 15
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ В СПОРТИВНЫХ И МЕДИЦИНСКИХ ТОВАРАХ..............................................442
   15.1. Введение..................................................442
   15.2. Альпинистские веревки.....................................442
        15.2.1. Введение...........................................442
        15.2.2. Гибкость веревки...................................443
        15.2.3. Динамические нагрузки при падении..................443
        15.2.4. Конструкция и производство веревки.................446
        15.2.5. Выбор полимера.....................................448
        15.2.6. Оптимизация прочности и жесткости веревки..........449
        15.2.7. Влияние окружающей среды на долговечность веревки...................................................450
        15.2.8. Испытания веревки..................................451
        15.2.9. Другие источники информации........................452
   15.3. Разработка контейнеров для крови..........................452
        15.3.1. Введение...........................................452
        15.3.2. Выбор полимера для контейнеров крови...............454
        15.3.3. Пластификаторы ПВХ.................................454
        15.3.4. Прозрачность контейнера............................455
        15.3.5. Требования к эластичности контейнера...............456
        15.3.6. Теплостойкость контейнера для проведения стерилизации..............................................456
        15.3.7. Прочность материала контейнера.....................456

Оглавление —J 15

        15.3.8. Проницаемость......................................458
        15.3.9. Переработка и сварка...............................459
        15.3.10. Биосовместимость..................................459
        15.3.11. Заключение........................................460
   15.4. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен для суставных протезов.460
        15.4.1. Введение...........................................460
        15.4.2. Марки СВМПЭ........................................461
        15.4.3. Конструкция колпачка вертлюжной чашки..............462
        15.4.4. Стерилизация СВМПЭ перед имплантацией..............463
        15.4.5. Структура СВМПЭ и механические свойства............464
        15.4.6. Биомеханика движения...............................465
        15.4.7. Физиология смазки суставов.........................465
        15.4.8. Механизм износа ПЭ ................................466
        15.4.9. Реакция организма на продукты износа СВМПЭ.........467
        15.4.10. Повышение износостойкости ПЭ......................468
        15.4.11. Заключение........................................470

Список литературы..................................................471

Приложение А ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И ДИФФУЗИЯ ПРИМЕСЕЙ.................................477
   А.1. Молекулярные модели диффузии...............................477
   А.2. Дифференциальные уравнения диффузии........................478
   А.3. Решение дифференциальных уравнений.........................480
       А.3.1. Постояннаяповерхностнаяконцентрация Су в полубесконечном теле................................480
       А.3.2. Постоянная поверхностная концентрация в плоском листе.................................................482
   Литература......................................................484

Приложение Б АНАЛИЗ ТЕЧЕНИЯ РАСПЛАВОВ ПОЛИМЕРОВ................................485
   Б.1. Скорость течения в каналах.................................485
   Б.2. Сдвиговое течение на выходе из щелевой или цилиндрической насадки...................................................486
   Б.3. Представление данных о течении расплавов...................489

-JU Оглавление

Приложение В
ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИКЕ НАГРУЖЕНИЯ.......................490
    В.1. Изгиб балки............................................490
       В.1.1. Напряжения и деформации при изгибе................490
       В.1.2. Момент инерции и жесткость балки при изгибе.......492
       В.1.3. Момент инерции балок различного сечения...........493
       В.1.4. Прогиб балки......................................493
       В.1.5. Потеря устойчивости стержня при осевом сжатии.....494
       В.1.6. Большие упругие прогибы балки.....................495
    В.2. Двуосные напряжения и упругость при плоской деформации.495
    В.3. Трубы под давлением....................................496

Приложение Г
ВОПРОСЫ.........................................................498
    Глава 2.....................................................498
    Глава 3.....................................................498
    Глава 4.....................................................499
    Глава 5.....................................................500
    Глава 6.....................................................500
    Глава 7.....................................................501
    Глава 8.....................................................502
    Глава 9.....................................................502
    Глава 10....................................................503
    Глава 11....................................................504
    Глава 12....................................................504
    Глава 13....................................................505

Приложение Д
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ К ГЛАВЕ 14........................................507

            ПРЕДИСЛОВИЕ










           Этот учебник предназначен для студентов-конструкторов и материаловедов, а также для научных работников и инженеров, знакомящихся со свойствами и применением полимеров. Рассматриваются физические свойства и структура полимеров, а также конструкционные особенности изделий из полимеров. Производство пластиков растет частично за счет вытеснения традиционных материалов и частично за счет проявления новых областей их использования. Когда полимеры заменяют другие материалов, изделия должны проектироваться заново для учета специфики полимеров. Поэтому необходимо представлять себе достоинства и недостатки этих материалов. Технология производства влияет на микроструктуру материала, и это также должно учитываться при проектировании изделий.
   Связь технологии и проектирования представляет собой вызов инженерам. Выясняя связь свойств и структуры полимеров, мы начинаем видеть их достоинства и недостатки. Поведение полимеров в различных средах также отличается от поведения других материалов, и это нужно учитывать уже на стадии проектирования изделия. Книга подчеркивает связь между проектированием изделий из полимеров, физическими свойствами и технологией. В ней приводится вывод ключевых уравнений и описываются предположения, сделанные при их выводе. Чтобы избежать чрезмерного увеличения объема книги, детали физического поведения и технологических особенностей полимеров опущены, и с ними можно познакомиться в прилагаемом списке литературы. В приложении Г даются задачи и вопросы ко многим главам книги. Данное издание существенно переработано по сравнению с двумя предыдущими изданиями, в частности добавлена вводная гл. 1. Переработаны и другие главы учебника.


Бирмингем, 2005 г.

ГЛАВА



            ВВЕДЕНИЕ



1

1.1.      ВВЕДЕНИЕ

          Данная глава знакомит читателя с полимерами на примере некоторых изготовленных из них бытовых изделий. Она предваряет гл. 13 — 15, посвященные выбору полимеров для использования в различных изделиях. Обсуждение конкретных примеров может быть привязано к специфике различных учебных курсов. Так, при изучении биоматериалов могут быть рассмотрены устройства для контроля сахара в крови, ингаляторы или кровезаменители. Для студентов, изучающих производство спортивных изделий, интересны материалы для спортивной обуви и т. д. Изучение полимерных материалов проводится на различных уровнях, и данная глава соответствует вводному курсу. После знакомства с данной главой можно изучать и более сложные задачи, например совершенствование конструкции уже выпускаемых изделий, включая выбор полимера и способы его переработки.
   В книге приводятся простые способы определения типа полимера. Это поможет читателю узнать, как выглядят основные виды полимеров. С методами исследования полимеров, такими как дифференциальная сканирующая калориметрия, Фурье ИК-спектроскопия и оптическая микроскопия, следует знакомиться на более поздних этапах обучения.
   В книге обсуждается связь основных свойств полимеров с их микроструктурой.



1.2.     ПОЛИМЕРЫ В БЫТОВЫХ ИЗДЕЛИЯХ

         При рассмотрении изделия необходимо учитывать способы соединения отдельных деталей, их форму и толщину. Важное значение имеет также возможность вторичной переработки полимеров. Простота разборки изделия зависит от целесообразности его ремонта, поскольку в случае поломки иногда его проще выбросить. Следует отметить, что винты, соединяющие отдельные части изделия, могут быть скрыты этикетками, и их не всегда легко обнаружить.

1.2. Полимеры в бытовых изделиях -Лг 19

1.2.1.    Пластиковый чайник

           Рассмотрим чайник, который не имеет электрошнура и устанавливается на подключенную к электропитанию базу-розетку. Ниже будут рассмотрены четыре характеристики чайника. При необходимости можно обсудить эстетичность изделия, простоту наливания воды, а также вес.

           РАЗОГРЕВ ПОВЕРХНОСТИ ЧАЙНИКА
   Температура наружной поверхности чайника может достигать 90 °C, но вследствие более низкой теплопроводности корпуса по сравнению с кожей человека для достижения на поверхности пальцев температуры 50 °C нужен контакт свыше минуты. Попробуйте взять чайник сухими пальцами и держать его не более 5 с. При наличии цифрового термометра с термопарой прикрепите его клейкой лентой к внешней поверхности чайника и измерьте температуру. Какой вывод можно сделать о теплопроводности пластика? Отметим, что в гл. 5 рассмотрена теплопроводность полимеров и передача тепла к внешней поверхности изделия.

           ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ КОРПУСА В РАЗЛИЧНЫХ МЕСТАХ
   Разберем чайник на части и распилим корпус ножовкой по плоскости симметрии. Измерим штангенциркулем толщину корпуса в различных местах и отметим полученные значения на самом пластике.
   В каких пределах изменяется толщина? Причины примерно одинаковой толщины в сечении объясняются в гл. 13. На рис. 1.1 показан чайник в разрезе. Рассмотрим, как окрашивают корпус чайника. Если его поверхность не покрашена, краситель должен быть введен в сам полимер (см. www.specialchem4polymer.com).

           ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИЯ ЧАЙНИКА
   Отметим, как электропроводящие детали изолированы от деталей, к которым прикасаются при использовании. Металлический корпус чайника должен иметь изоляцию вне зависимости от того, куда подсоединяется источник питания. В качестве электроизолятора также используется полимер. На рис. 1.1 показано место присоединения электропроводов к основанию чайника. Изоляция медных проводов окрашена. Три провода — фаза, нуль и заземление — изготовлены из пластифицированного поливинилхлорида (ПВХ) и имеют различный цвет.

           МЕХАНИЗМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЯ
   Определим механизм, который соединяет выключатель питания с внутренним контактом, позволяющим замыкать и размыкать электрическую цепь нагревательного элемента. Найдем также терморегулятор, который в момент закипания чайника выключает электропитание. На рис. 1.2 показано расположение соответствующих деталей.

-JU Глава 1. Введение

Рис. 1.1. Разрез полимерного чайника и основания, подключаемого к электросети (основная часть электронагревателя из чайника удалена)

Рис. 1.2. Нижняя часть нагревательного блока, показывающая выключатель (находится внутри съемного чайника)

1.2. Полимеры в бытовых изделиях

■Д ²¹

1.2.2.   Устройство видеокассеты (VHS)


           Сейчас видеокассеты устарели в связи с широким использованием фильмов на DVD-носителях, и одной из кассет можно пожертвовать для эксперимента.


           ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ВИДЕОКАССЕТА

    Разберем кассету, открутив отверткой винты, соединяющие ее половинки. Подняв верх кассеты, мы увидим прозрачное полимерное окно, через которое видна магнитная лента. Посчитаем число частей, на которые разбирается видеокассета. После этого можно убедиться, что собирается она так же легко, как и разбирается!


           ПЛАСТИКОВЫЕ ФИКСАТОРЫ, БЛОКИРУЮЩИЕ КАТУШКУ ВИДЕОКАССЕТЫ

   После извлечения кассеты из видеомагнитофона ее катушки блокируются, чтобы предотвратить размотку магнитной ленты. Когда кассета находится в видеомагнитофоне, откидная крышка в основании кассеты прижимает специальные шпильки и приводится в действие рычаг, действующий на два полимерных фиксатора (рис. 1.3).


    Рис. 1.3. Механизм блокировки катушек видеокассеты, когда кассета не проигрывается

    Фиксаторы входят в пазы на краю катушки. Нажмем пальцем и проверим, что фиксаторы можно легко отвести. Сделаны они из конструкционного термопласта — полиоксиметилена.

ИЗМЕРЕНИЕ ПРОЧНОСТИ МАГНИТНОЙ ЛЕНТЫ

   Отмотаем из кассеты немного ленты шириной 13 мм, представляющей собой полиэтилентерефталат с магнитным покрытием, и измерим микрометром ее толщину (около 0,02 мм). При силе растяжения 60 Н начинается пластическое течение ленты, а при 80 Н она разрывается. Проверим это, присоединив динамометр к куску ленты, и вычислим предел прочности при растяжении (примерно 150 МПа). Лента наматывается на цилиндры диаметром 5 и 6 мм (рис. 1.4), и поэтому она должна иметь низкую жесткость при изгибе. Кроме того, она должна быть устойчива к трению при скольжении по металлическим цилиндрам. Наконец, чтобы не повредилось магнитное покрытие, лента не должна изменять свои размеры.


Рис. 1.4. ПЭТФ-лента проходит через полимерные направляющие валики и фиксирующие металлические цилиндры

1.2.3.   Разборное полимерное кресло

          Типичное полимерное кресло состоит из полипропиленового (ПП) сиденья и сварных ножек из стальных труб. Отвинтим четыре винта, с помощью которых сиденье крепится к ножкам. Эти винты (рис. 1.5) имеют острую, широкую резьбу, а их длина гораздо больше обычных винтов диаметром 4 мм. При вкручивании винта в литой цилиндрический выступ на нижней стороне сиденья резьба вырезает углубление в изначально сплошном пластике. Выступ

1.2. Полимеры в бытовых изделиях

поддерживается четырьмя опорами для предотвращения изгиба под действием нагрузок, возникающих со стороны сиденья. Измерим толщину опор.
   Верхняя поверхность кресла имеет текстуру (рис. 1.6), а нижняя поверхность является гладкой. Как получают такую текстуру? Воспроизводит ли она текстуру литьевой формы или создается после литья?


Рис. 1.5. Винт-саморез для присоединения металлических ножек и выступ с опорами под сиденьем из полипропилена

Рис. 1.6. Текстура верхней поверхности полипропиленового кресла

1.2.4.  Телефонная трубка


           Можно разобрать старую телефонную трубку. На кнопках из термопласта напечатаны номера, и каждая кнопка закреплена на упругом резиновом колпачке (рис. 1.7). При нажатии эти колпачки выполняют роль электрического контакта. Слой резины, наполненной сажей, замыкает медные контакты на печатной плате. Печатная плата сделана из стеклопластика на основе полиэфирной матрицы, который является электроизолятором. Медные дорожки на печатной плате ведут к отверстиям, на которых монтируются электронные компоненты. Печатная плата должна быть устойчива к воздействию горячего припоя во избежание деформации формы.


a

Контакты на печатной плате

б

Рис. 1.7. Вид с двух сторон кнопочной панели телефона (а, б), получаемой литьем под давлением