Современные полимерные материалы не уступают по прочности даже металлам. Существуют пластмассы, которые отличаются твердостью гранита, прочностью стали, легкостью алюминия и эластичностью резины. Сейчас ассортимент полимеров так вырос, что можно найти подходящее изделие практически для любых целей. В статье расскажем, какие пластики самые прочные, и для каких целей они используются.
Почему пластики прочные?
Секрет надежности полимеров в особенном молекулярном строении. Во время химического процесса, полимеризации, образуются настолько прочные межатомные соединения, что их разрыв бывает крайне проблематичен. Некоторые полимеры даже обрабатывать на станках сложно из-за их твердой структуры, устойчивой к разным разрушениям.
Если объяснять простыми словами, то процесс полимеризации – это объединение мономеров в одну прочную цепочку. Здесь лучше всего подходит знакомая всем метафора с веником. Если взять один пруток, он сломается. А если стараться разломить весь веник целиком, это будет в разы труднее.
Или такой пример: мономер – это один человек. Но если люди крепко возьмутся за руки и образуют цепочку, уже выйдет полимер.
Поэтому из мягких, жидких и даже газообразных веществ после полимеризации получаются очень крепкие пластмассы. Например, этилен – это газ. Какая у него прочность? Нулевая, он легко рассеивается. А вот полиэтилен – это уже пластик, который хоть и не входит в число самых прочных полимеров, но все же вполне ощутим и активно используется в промышленности.
Что может заменить прочный пластик
Мы подошли к интересному вопросу. Зачем искусственно создавать твердые полимеры, если есть древесина, металлы и камни? Они и так имеют отличные свойства и активно используются в промышленности. Но есть множество преимуществ полимеров, которые привели к массовой замене натуральных материалов на пластики:
- Стоимость. В большинстве случаев полимеры дешевле, чем аналоги, при сохранении таких же или превосходящих характеристик. Зачем использовать буквально золото, если с этими же целями справится пластик из углерода или кислорода?
- Экология. Количество природных ископаемых ограниченно. В то время как сырье для многих полимеров буквально валяется под ногами. Сейчас из чего только не делают пластики. И, конечно, из вторсырья тоже. Поэтому зачастую применение синтетических полимерных материалов – это более экологично, чем вырубка лесов или добыча горной руды.
- Легкость. Прочные пластики обладают удивительным соотношением надежности и веса. Среди металлов и других материалов обычно есть четкая связь: чем прочнее, тем тяжелее. С полимерами же работа значительно проще: нагрузка на несущие конструкции и фундаменты ниже, хотя сохраняются свойства готового изделия.
- Уникальные качества. Некоторые полимеры, в отличие от металлов, обладают дополнительными свойствами. Например, хорошую адгезию или, напротив, повышенный коэффициент скольжение. Это позволяет использовать материал, который не нуждается в дополнительной смазке. Способность полимеров к упругим деформациям – еще одно положительное уникальное свойство. Часто это дает возможность делать соединения без уплотнительных колец и прочих расходников, которые необходимы в сочленениях металлических элементов.
- Простота обработки. Полимеры в большинстве своем легко резать, шлифовать, гнуть, отливать методом экструзии. Они, в целом, очень просты и предсказуемы в работе. Там, где на металлургическом производстве будут огромные печи с большими затратами электроэнергии, при создании и обработке полимеров стоит более простое и удобное оборудование.
- Негорючесть. Металлы и разные породы минералов тоже не горят, но это нельзя сказать о древесине. Там, где дубовые или сосновые доски можно заменить на качественный прочный пластик, это сильно снижает класс пожарной опасности объекта.
- Устойчивость к коррозии. Большая проблема металлических изделий – их подверженность коррозии. А древесина и натуральные минералы склонны к набуханию от воды, а также к размножению внутри грибка и бактерий. Этих проблем полностью лишены прочные пластики. Они не ржавеют, не расслаиваются и не становятся источниками патогенов.
Таким образом, замена натуральных материалов на прочные полимеры – это закономерный процесс, который последовательно происходит практически во всех отраслях.
Какие полимеры самые прочные
Сперва разберемся, что такое прочность? Это способность материала противостоять разрушающему воздействию окружающей среды. Прочность бывает разная, например, на разрыв, на сжатие. Кроме того, от этого показателя зависит износостойкость – то, как материал поведет себя при постоянном механическом воздействии, например, при трении, контакте с влагой или химическими соединениями. Некоторые полимеры прочее, чем сталь или другие металлы.
Капролон
Капролон (полиамид ПА-6) – это очень надежный материал, который часто используют для изготовления узлов скольжения, испытывающих регулярные и крупные нагрузки. Он отлично подходит именно для динамичных нагрузок, но хорошо переносит и статичные. Его особенно часто применяют для создания втулок и шестерен, в которых важен высокий коэффициент скольжения. В таких случаях используют маслонаполненный и графитонаполненный капролон, так как он имеет отличные показатели скольжения. Его прочность на растяжение достигает 85 МПа. Предел прочности при сжатии – до 90 МПа. Для сравнения, чтобы понимать силу давления – приблизительно такие же показатели будут у девяти километров водного столба. Соответственно, если капролон положить почти на дно Марианской впадины, он не сплющится. Впечатляет? Например, у алюминия предел прочности всего 60-70 МПа.
Фторопласт
Фторопласт также называют тефлоном и некоторыми другими торговыми марками. В России он известнее всего как фторопласт Ф-4. Прочность при разрыве у него ниже, чем у капролона, и достигает 25-35 МПа при растяжении, и 20 МПа при сжатии. Зато у него есть конкурентоспособные преимущества – невероятная легкость и максимальная температура эксплуатации до 260 0С. В машиностроении таких показателей достаточно для применения в качестве подшипников, сальников и, деталей поршней.
Полиацеталь
Полиацеталь – еще один достойный представитель прочных полимеров. Он выдерживает до 70 МПа на растяжение. Но что его выгодно отличает от других пластиков – так это износостойкость и устойчивость к старению и деформациям под нагрузками. Этот показатель также называется ползучестью. Зубчатые колеса, роликовые подшипники и втулки скольжения для производственных задач из полиацеталя не нуждаются в дополнительной смазке, потому что материал имеет отличный коэффициент скольжения.
Стеклотекстолит
Это комбинированный конструкционный материал, изготовленный из полимерной смолы и стеклоткани. Стеклотекстолит значительно отличается по характеристикам от предыдущих рассмотренных полимеров. Его прочность на разрыв достигает 220 МПа. Это объясняет, почему его используют в качестве конструкционного материала. Листовым стеклотекстолитом обшивают делали кораблей, самолетов и ракет. Кроме своей прочности, материал устойчив к коррозии и не восприимчив к большинству внешних воздействий. В частности, он легко переносит соленую воду, ультрафиолет.
Высокомолекулярный полиэтилен
ВМПЭ – это отличный вариант полимера, когда требуется высокая ударная прочность. Он легко переносит вибрационные и динамические нагрузки. Хотя именно показатель на растяжение у него не очень высокий. Это тот случай, когда полимер необходим для оснащения станков и конструкций, испытывающих постоянное трение.
Стеклопластик
В нашей подборке мы добрались до полимеров, которые не уступают и даже превосходят характеристики стали. Стеклопластик обладает прочностью на растяжение до 1100 МПа. Он очень устойчив к воздействиям среды, хорошо переносит влагу, ударопрочен и износостоек. Этот материал применяют в авиакосмической отрасли, потому что он значительно легче металлов, но при этом такой же прочный.
Углепластик
Это жесткий и максимально надежный материал. Его прочность может превышать 3000 МПа, в зависимости от вида углепластика. Такие невероятные для полимера показатели достигаются сочетанием нитей из углеродного волокна и полимерных синтетических смол. Еще углепластик называют карбидом. Им можно усиливать железобетонные конструкции, например, фундаменты для небоскребов, создавать медицинские процессы, применять при создании турбин и других важных конструкций в большинстве отраслей.
При выборе полимера следует учесть, что прочность всей конструкции зачастую зависит от армирования пластика. Например, тот же стеклотекстолит, который в нашей подборке обладает высокими прочностными характеристиками, армирован стеклотканью. А углепластик – углеродным волокном. Это увеличивает прочность на разрыв.
Кроме того, важно следить за такими показателями как твердость, хрупкость, модуль упругости. Если рассматривать все характеристики, можно найти не только самый прочный пластик, но, главное, выбрать наиболее подходящий под ваши требования.