Современные высокотемпературные термопласты не плавятся при воздействии повышенных температур, а некоторые даже могут выдерживать кратковременный контакт с открытым огнем. Фантастика? Нет, наука. Сегодня поговорим про полимеры, которые отличаются жаропрочностью и не меняют своих характеристик при нагреве.
Какие они – высокотемпературные полимеры?
Все полимеры можно разделить на термопластичные и термореактивные. Термопластичные можно нагревать несколько раз с последующей формовкой. В то время как термореактивные единожды нагреваются, вступают в реакцию и затвердевают – их нельзя «перекроить» дважды, они не подходят для вторпереработки.
Среди термопластичных полимеров различают товарные, конструкционные (самый широкий класс) и высокопроизводительные пластмассы. Именно эти высокопроизводительные термопласты отличаются самой высокой термостойкостью. Они могут выдерживать невероятные температуры – от 3 600 градусов и выше. Это значительно больше, чем у обычных конструкционных пластиков, которые часто работают в диапазоне до 100-200 градусов. К высокопроизводительным полимерам относятся некоторые марки полиамидов, поликетонов, фторполимеров, полиэфиримидов и так далее.
Однако и инженерные полимеры тоже имеют достаточно высокую термоустойчивость. Так как они применяются в более широком диапазоне отраслей, в статье мы будем преимущественно говорить именно о них.
Какими же особенностями отличаются термостойкие полимеры:
- Очевидное – способность выдерживать высокие температуры без деформации или разрушения.
- В большинстве случаев пластики остаются прочными, износостойкими и твердыми. Они не меняют своих характеристик при нагреве.
- Высокая устойчивость не только к теплу, но и к ультрафиолетовому излучению, радиации, агрессивным средам и другим воздействиям.
- Улучшенные механические свойства. Как правило, термостойкие пластики имеют высокие прочностные характеристики. Они отличаются большой прочностью на разрыв и сжатие, жесткостью.
- Наличие дополнительного армирующего слоя. Не все, но многие полимеры, которые устойчивы к высоким температурам, имеют дополнительную прослойку. Например, армирующим и отталкивающим жар материалом может являются стекловолокно. Оно снижает вероятность деформаций при нагреве пластика.
Почему производители выбирают жаропрочные пластики, а не другие материалы
К высоким температурам, конечно, устойчивы не только полимеры. Во многих конструкциях используют металл или керамику. Однако у них есть недостатки. Металл покрывается коррозией, особенно быстро, если он находится в контакте с агрессивной средой или просто влагой. А керамика очень хрупкая. К тому же, полимеры зачастую более пластичные и легкие. Дополнительный бонус – антифрикционные свойства.
Дело в том, что часто повышенная температура – это результат интенсивного трения. Когда деталь находится в постоянном контакте и движении относительно другого материала, она нагревается. И многие пластики снижают силу трения, что не скажешь, например, о керамике или металле.
Поэтому основная причина, по которой производители выбирают именно полимеры, – это долговечность, износостойкость. Дополнительными причинами могут стать легкость и доступная стоимость.
В каких случаях используют термостойкие полимеры
Основных причин для их применения три:
- Преднамеренный нагрев изделия. Например, некоторые элементы промышленных печей находятся в контакте с нагретыми деталями. Или при производстве двигателей естественно предусмотрено повышение температуры.
- Нагрев изделия в связи с высокой силой трения. Об этом мы говорили в предыдущем разделе. Материал может находиться в постоянном движении и тесном контакте с другими деталями. Например, разного рода втулки и прокладки.
- Особенные климатические условия и агрессивная среда. Транспортировка нагретых материалов, работа в сложных условиях – для всего этого нужна устойчивость к повышенным температурам.
Виды жаропрочных и термостойких пластмасс
Все полимеры, если рассматривать их через призму научной классификации, можно поделить на два больших класса:
- Гомоцепные – у них главная цепь построена из одинаковых атомов. Примеры: полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол.
- Гетероцепные – их цепи построены из атомов разных элементов. Примеры: полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, силоксановые каучуки.
Внутри этой классификации все полимеры можно поделить еще по одному признаку на:
- Линейноцепные – у них цепь состоит из отдельных атомов, которые, периодически повторяются и соединены между собой.
- Циклоцепные – у них цепь состоит из повторяющихся циклов.
Если учесть, что термостойкие полимеры – это те, которые не разрушаются при температуре выше 300°С, то становится понятно: основная часть термостойких пластмасс – это циклоцепные гомо- и гетероцепные пластики.
От теории переходим к практике. Какой же материал взять, чтобы он не разрушился при температуре выше 300 градусов?
Среди основных видов термостойких пластиков можно выделить следующие:
- Полиимиды (например, каптон, ПЭИ, ПКП) – обладают высокой термостабильностью, хорошей устойчивостью к химическим воздействиям и износу. Так каптон может выдержать до +400 градусов. Из него делают тонкую пленку – термоустойчивое покрытие, скотч для изоляции.
- Фторопласты (например, тефлон, то есть ПТФЭ, или Ф-4) – характеризуются высокой термостойкостью, низким коэффициентом трения, химической инертностью и гидрофобностью. Так рабочая температура фторопласта Ф-4 – до +260°C. Но разложение полимера начинается только с 415 градусов. Поэтому есть запас стойкости для кратковременного нагрева до 300.
- Полифениленсульфид (ППС) — обладает высокой термостойкостью, жесткостью, химической устойчивостью и прекрасными механическими свойствами.
- Полиариловые и полиметилметакрилатные эфиры (например, ПАЭ).
Теперь посмотрим на менее жаропрочные полимеры, которые, однако, выдерживают температуру выше 100 градусов. Этого часто бывает достаточно для конструкционного пластика, который находится в состоянии трения или эксплуатируется в агрессивных условиях. К полимерам с широким температурным диапазонам эксплуатации можно отнести:
- Полифениленовые окиси (например, ППО). Так полифениленэфир выдерживает до 240 градусов, имеет диэлектрические свойства.
- Стеклотекстолит. Материал армирован стекловолокном, за счет чего он не деформируется при высоких температурах. Стеклотекстолит СТЭФ выдерживает до 155 градусов, при которых он может быть использован в штатном режиме. Допустим кратковременный нагрев до 200 градусов без изменения технических характеристик изделия.
- Капролон (Полиамид ПА6). Допустим нагрев до 150 градусов без потери качества пластика. Хотя плавление полимера начинается при температуре от 220-250 градусов. Полиамид имеет отличные антифрикционные свойства, особенно графитонаполненный и маслонаполненный. Это снижает силу трения и, соответственно, нагрев изделий при эксплуатации.
- Текстолит. Выдерживает нагрев до 120 градусов. Но даже при повышении этого показателя до 400 градусов, он не выделяет токсичных веществ. Отличается высокой прочностью.
При выборе полимера не всегда есть необходимость брать самый жаропрочный пластик. Иногда достаточно высоких температур эксплуатации – до 100-150 градусов. Этот диапазон встречается чаще, применяется в большинстве производственных конструкций.