Materiale si tehnologii moderne - caracteristicile si durata de viata a materialelor plastice

MATERIALE SI TEHNOLOGII MODERNE - CARACTERISTICILE SI DURATA DE VIATA A MATERIALELOR PLASTICE

CaracteristiciLE MATERIALELOR PLASTICE

1.     Caracteristici generale

Proprietatile generale caracteristice materialelor plastice , care au impus folosirea lor in aproape toate ramurile tehnicii , sunt :

caracteristici fizice ( aspect si colorit foarte variat si placut , greutate specifica redusa , rezistenta electrica deosebit de buna , conductivitate termica redusa , proprietati optice apropiate de cele ale sticlei : polimetacrilatul , polistirenul ;

rezistenta la coroziune

rezistenta mecanica foarte buna si in unele cazuri , exceptionala , depasind chiar si pe cele ale metalelor ;

usurinta de prelucrare in produse finite de serie mare ;

pret mic .

Este deosebit de importamt pentru cunoasterea si folosirea cu rost si succes a materialelor plastice analizarea propietatilor lor fizico-mecanice si chimice si a factorilor care le conditioneaza .

2.     Proprietati mecanice

Rezistenta la tractiune Orice material supus unei forte de tractiune sufera deformari mai mari sau mai mici elastice , adica reversibile sau plastice , respectiv permanente , in functie de marimea fortei aplicate si de natura materialului respectiv .

Astfel metalele supuse la tractiune (curba 1 din fig. 1) sufera pana la o valoare c relativ ridicata, denumita « limita de curgere la rece », deformatii elastice mici, proportionale cu marimea fortei de tractiune aplicate. Dincolo de aceasta limita materialul intra in zona deformatiilor plastice, alungirea nu mai este proportionala cu forta aplicata si materialul nu-si mai revine perfect la forma si dimensiunile initiale, pastrand o deformare permanenta.

fig. 1   Diagrama comparativa tractiune - alungire

1 - metal ; 2 - material plastic dur cu structura liniara ; 3 - material plastic dur cu structura tridimensionala ; 4 - plastomer plastifiat ; 5 - elastomer ( cauciuc )

In cazul materialelor plastice dure (curba 2 si 3 din fig.1) exista si aici o zona a deformatiilor elastice, insa pentru valori ale fortei de tractiune mult mai mici decat in cazul metalelor. Zona deformatiilor plastice este atinsa cu rapiditate, delimitarea celor doua zone fiind greu de stabilit cu exactitate.

In cazul materialelor plastice plastifiate si a cauciucurilor (curbele 4 si 5 din fig.1), diagrama tractiune-alungire nici nu reprezinta limite de curgere la rece, intrucat aceste materiale prezinta de la inceput deformatii elastice insotite de deformatii platice denumite deformatii viscoelastice.

Rezistenta la soc, la lovituri, este foarte variata de la material si chiar pentru acelasi material este influentata de forma obiectului finit, de grosimea materialului si de gradul de uniformitate a sectiunii peretilor.

Rezistenta la compresiune si rezistenta la incovoiere a materialelor plastice sunt in general bune.

3.Factorii care influenteaza rezistentele mecanice

Gradul de orientare In afara de gradul de polimerizare al materialului, care am vazut ca influenteaza toate rezistentele mecanice ale polimerilor, o deosebita importanta prezinta in acest sens si gradul de orientare al macromoleculelor.

Materialele plastice cu structura lineara (PVC, poliamide etc) si in special cele cu catene lungi, cu o suprafata de coeziune intermoleculara mare (fig. 2), prezinta rezistente mari la tractiune comparativ cu materialele plastice de structura reticulara, tridimensionala (rasinile fenol-formaldehidice), unde coeziunea intermoleculara este mica.

Acesta este motivul pentru care « se armeaza » unele materiale plastice ca bachelite, melamine, poliesteri nesaturati etc. cu materiale de umplutura avand structura filiforma (faina de lemn, azbest, praf, textile, sticla minerala etc.).

fig 2 Rezistenta opusa de coeziunea intermoleculara la ruperea prin tractiune

1 - catene lineare ; 2 - coeziune intermoleculara ; 3 - linie de ruptura

Rezistenta la tractiune a materialelor plastice cu catene lineare mari mai poate fi ameliorata prin intinderea materialului, ceea ce are ca rezultat orientarea macromoleculelor lineare ca in fig. 2 si deci marirea coeziunii intermoleculare. In acest caz rezistenta la tractiune a materialului in directia orientarii este mai mare decat rezistenta la tractiune a aceluiasi material in directia perpendiculara orientarii (fig. 3).

In practica fenomenul de orientare rezulta implicit dupa prima solicitare la tractiune a materialului dincolo de limita de curgere la rece (fig.4 ).

fig 3 Rezistenta la tractiune a polimerilor orientati

1 - tractiunea in sensul orientarii macromoleculelor ; 2 - tractiunea perpendiculara pe directia orientarii

Astfel materialul lucreaza initial pe curba 1 pana in punctul A, dincolo de limita de curgere la rece C, si capata o alungire initiala OO' datorita careia se realizeaza procesul de orientare al macromoleculelor. La solicitarile ulterioare, materialul va lucra pe curba 2 cu plecare din punctul O'.

fig 4 Ameliorarea rezistei la tractiune prin orientarea macromoleculelor

Temperatura. Comportarea materialelor plastice la solicitari mecanice este mult influentata de temperatura de lucru.

Rezistenta la tractiune, de exemplu, scade o data cu cresterea temperaturii (fig. 5). Aceasta scadere este mai lenta la inceput si proportionala cu cresterea temperaturii, pana la o anumita temperatura specifica fiecarui material in parte, denumita temperatura de intarire De la aceasta temperatura in sus, scaderea este mai accentuata pana la o alta temperatura caracteristica fiecarui material in parte, temperatura de inmuiere La aceasta temperatura rezistenta este foarte mica si dincolo de ea scade din nou proportional cu temperatura pana ce se anuleaza la punctul de curgere la cald al materialului.

fig 5 Variatia proprietatilor mecanice ale unui material termoplastic

( PVC ) in functie de temperatura

1 - variatia rezistentei la tractiune ; 2 - variatia modulului de elasticitate ;

3 - variatia alungirii la rupere

Alungirea la rupere a materialului creste usor linear o data cu temperatura pana in apropiere de temperatura de unmuiere cand incepe sa creasca brusc atingand valoarea maxima undeva intre temperatura de inmuiere si cea de curgere.

Timpul. Durata de aplicare a eforturilor conditioneaza de asemenea rezistenta materialelor plastice.

Rezistentele mecanice ale materialelor plastice scad in timp pentru ca ele au, dupa cum am vazut mai sus, un domeniu de deformare elastica foarte redus, iar limita de deformare elastica o data depasita, acestea prezinta fenomenul de alungire lenta « de fluaj », denumit si « curgere la rece », adica o deformare continua in timp, care poate duce cu vremea, in functie de marimea fortei de tractiune aplicata, fie la distrugerea lor prin alungire continua pana la rupere, fie la o alungire permanenta invariabila.

Astfel, in fig. 6 presupunand ca o epruveta din material plastic este supusa la un efort continuu de tractiune cu o forta constanta, care sa solicite materialul mai sus de limita de curgere amintita anterior, se constata mai intai o deformatie instantanee a, datorita elasticitatii materialului, care in timp se mareste urmand o curba anumita de deformare I-II oarecum tangenta unei valori maxime.

Daca in mod brusc se intrerupe tractiunea epruvetei, se constata o revenire elastica instantanee b egala ca marime cu a, apoi o revenire lenta c, spre dimensiunile initiale de-a lungul curbei de revenire III-IV tangenta la o valoare maxima d. Aceasta este deformatia (alungirea permanenta) datorita fenomenului de fluaj.

fig 6 Fluajul materialelor plastice

1 - curba de deformare ; 2 - curba de revenire ; a - deformatie elastica ;

b - revenire clasica ; c - revenire lenta ; d - deformatie plastica

S-a aratat ca fluajul poate duce in timp chiar si la ruperea materialului, daca forta aplicata depaseste anumite valori.

Astfel, daca un material plastic oarecare rezista timp de o ora la un efort de tractiune corespunzator punctului A, el va rezista timp de 10 ore (punctul B) la un efort mai redus, iar timp de 100 ore (punctul C)la un efort si mai redus etc.

Curba ABC (fig. 7) reprezinta curba rezistentei la tractiune in timp a materialului considerat si este denumita « curba de regresie ».

fig 7 Variatia rezistentei la tractiune in timp ( aspect general )

Aceasta curba nu poate fi determinata prin calcul matematic, ci numai experimental, prin incercari multiple pe epruvete. Astfel pentru stabilirea curbei de regresie a tevilor din policlorura de vinil neplastifiate Buchmann (Olanda) a executat timp de doi ani numeroase incercari pe epruvete lamelare, taiate din conducte, stabilind ca la sarcina de 190kg/cm² regresiunea rezistentei in raport cu timpul inceteaza dupa 1 000-2 000 ore. Aceasta valoare este denumita « rezistenta de durata » a materialului. In cazul policlorurii de vinil rezistenta de durata (190kgf/cm²) reprezinta circa 30-40 % din rezistenta la tractiune instantanee a materialului (450-550 kgf/cm²). Curba de regresie a policlorurii de vinil neplastifiate folosite la confectionarea tevilor pentru instalaltii tehnico-sanitare se prezinta ca in fig.8.

fig 8 Variatia rezistentei la tractiune in timp a clorurii de polivinil neplastifiata

Viteza de aplicare a fortei. Are de asemenea influenta asupra rezistentei la tractiune a materialelor plastice (fig.9). Cu cat forta este aplicata mai brusc, cu atat rezistenta materialului este mai mare.

fig 9 Variatia rezistentei la tractiune ( limita de curgere ) a polietilenei

in functie de viteza de aplicare a fortei

Oboseala materialului. Materialele plastice supuse la solicitari mecanice repetate « obosesc », rezistenta lor scade. Si in acest caz ca si in cazul rezistentei la tractiune se poate determina experimental curba de « rezistenta la oboseala » a fiecarui material in parte.

Plastifierea. Amestecarea produselor macromoleculare pure, denumite dure sau rigide, cu diferite alte substante plastifiante este de multe ori necesara pentru anumite operatii de prelucrare a materialelor plastice, imbunatatind unele caracteristici mecanice.

Plastifierea modifica proprietatile mecanice ale materialului respectiv. In general rezistentele la tractiune si compresiune scad prin plastifiere, datorita reducerii coeziunii intermoleculare prin intrepatrunderea moleculelor de plastifiat intre catene. De asemenea scade rezistenta la temperatura. In schimb alungirea, deci posibilitatea de formare, si rezistenta la soc cresc. (fig.10)

fig 10 Variatia proprietatilor mecanice in functie de continutul de plastifiant

1 - rezistenta la tractiune ; 2 - rezistenta la compresiune ; 3 - alungirea ; 4 - rezistenta la soc

Imbatranirea materialelor plastice. Numerosi agenti atmosferici provoaca in timp fenomenul de imbatranire a materialelor plastice, care se traduce prin modificarea aspectului si compozitiei lor. Materialele devin de la caz la caz dure si casante sau moi si lipicioase, isi schimba culoarea, se strang, se crapa, rezistentele mecanice scad considerabil etc.

La aceasta imbatranire contribuie umiditatea, oxigenul si azotul din aer, lumina solara si in special radiatiile ultraviolete, iradiatiile termice, optice si radioactive etc.

Toti acesti factori alcatuiesc conditiile de tehnoclima care pot da nastere la reactii chimice modificatoare de structura in timp sau la migratii (mutari) de plastifiant in dauna calitatii materialului.

Deseori actiunea tehnoclimei prezinta un fenomen de sinergism, adica efectul lor combinat este mai mare decat suma efectelor fiecarui factor, lucrand izolat.

Pentru prevenirea imbatranirii materialelor plastice se incorporeaza in materialul respectiv sunstante stabilizatoare care impiedica modificarea caracteristicilor fizico-mecanice si chimice initiale sau rduc ritmul lor de imbatranire la valori acceptabile in practica. Astfel pentru tevile de presiune din policlorura de vinil si polietilena se foloseste ca stabilizator negrul de fum impreuna cu compusi de plumb, cadmiu, titan, etc. Penttru alte materiale la care coloritul deschis este o conditie principala se folosesc ca stabilizatori alte sunstante adecvate, ca de exmplu bioxidul de titan etc.

4. Proprietati electrice

Materialele plastice sunt foarte bune izolante electrice. Rezistenta specifica de colum, rezistenta superficiala, rigiditatea dielectrica, constanta dielectrica si tangenta unghiului de pierderi dielectrice se inscriu in limitele celor mai buni izolatori, din aceasta cauza una din primele utilizari ale materialelor plastice, si poate cea mai importanta pana in ultimii cativa ani, a fost cea acordata in industria electrotehnica la fabricarea conductoarelor, cablurilor si diversei aparaturi electrice. Deosebit de important pentru economia instalatiilor de alimentari cu apa, executate cu tevi din materiale plastice ingropate, este faptul ca acestea sunt perfect inerte la actiunea curentilor electrici vagabonzi, telurici etc.

5. Proprietati termice

Comportarea la caldura a materialelor plastice. Dupa cum s-a vazut mai inainte rezistentele mecanice ale materialelor plastice variaza cu temperatura lor de folosire (fig.5). Punctele de solidificare si de topire ale materialelor nu au valoare precise, ci ele acopera fiecare cate o zona de temperatura.

Zona de solidificare este delimitata de « temperatura de intarire » propriu-zisa a materialului si de «  temperatura de casanta » de la care, in jos, materialul devine foarte friabil. Zona de topire este delimitata de « temperatura de inmuiere » la care materialul prezinta deformari plastice sub actiunea unor forte exterioare reduse si « temperatura de curgere » propriu-zisa la care materialul devine fluid.

Exceptie de la aceasta comportare generala o fac poliamidele, care trec direct din stare solida in stare lichida.

Domeniul de utilizare a materialului este cuprins intre temperatura de casanta si temperatura de inmuiere.

Se observa in general o comportare termica mai buna a materialelor plastice termorigide la care domeniul termic de utilizare este mai mare decat al materialelor termoplastice, la care domeniul termic de utilizare este mai restrans.

In tabela 2 sunt date zonele cu temperaturile de utilizare a catorva materiale plastice.

Conductivitatea termica a materialelor plastice este foarte redusa variind intre 2 si 16*10^-4 kcal /m*h*grd in comparatie cu metalele la care conductivitatea variaza intre 1500 si 5000*10^-4 kcal/m*h*grd. De aceea materialele plastice sunt foarte bune izolante termice.

Dilatarea termica Materialele plastice au coeficienti de dilatare lineara mari variind intre 0.03 si 0.19 mm/m*grd in comparatie cu metalele al caror coeficient de de dilatare variaza intre 0.005 si 0.03 mm/m*grd.

Aceasta proprietate este dezavantajoasa, deoarece ea impune un montaj foarte atent si ingrijit in cazul produselor de mari lungimi (conducte, canale, profiluri, izolatii etc) pentru asigurarea preluarii dilatatiilor si contractiilor si sirijarea acestora.

Coeficientul de dilatare termica poate fi redus prin adaugare de material de umplutura anorganic cu coeficienti de dilatare redusi.

Comportarea la joc a materialelor plastice este in general buna. Marea lor majoritate nu sunt inflamabile,  nu propaga focul si se sting de indata ce flacara este indepartata.

DOMENII DE APLICARE A MASELOR PLASTICE

Iata pe scurt cateva dintre cele mai interesante domenii de aplicare a materialelor plastice.

Industria de ambalaje este si va ramane si in viitor in lume principalul consumator de materiale plastice. Se estimeaza ca rata de dezvoltare a ambalajelor din plastic va fi in continuare in medie de 10% anual in lume, iar pe tari o dezvoltare proportionala cu produsul national brut. Materialele plastice au patruns adanc in domeniile de utilizare ale sticlei, tablelor si foliilor metalice, extinderea si perfectionarea sistemelor de ambalaje.

Constructii . In domeniul materialelor de constructii, masele plastice isi vor continua de asemenea ascensiunea, pe plan mondial atingandu-se ritmuri de crestere a productiei si consumului de 10-15%. Principalele categorii de produse sunt profilele din materiale plastice ca inlocuitor ai tablelor ondulate si profilelor metalice, panourile stratificate, elementele prefabricate cu izolatie termica si fonica din spume poliuretanice, retele sanitare si electice cuprinzand tevi din policlorura de vinil si poliolefine, instalatii sanitare din poliesteri armati, polimeri acrilici sau aliaje din diferite materiale plastice cum ar fi acrilonitrilul, butadiena si stirenul(ABS).

Electrotehnica si electronica, beneficiari traditionali ai materialelor polimere, au cunoscut o patrundere relativ importanta a maselor plastice, in special polmerii traditionali ca policlorura de vinil, polietilena, polistirenul dar si unele mase plastice speciale cum sunt policarbonatii, poliacetalii, polifenilen oxidul etc.

Industria constructiilor de masini si autovehicule a inregistrat cel mai inalt ritm de asimilare a mateeialelor plastice: in medie, pe plan mondial, 44% anual. Principalele tipuri de polimeri folositi sunt policlorura de vinil, poliolefinele si polimerii stirenici. Directiile de utilizare a materialelor plastice in constructia de masini se diversifica si se multiplica continuu.

In agricultura ponderea ce mai mare o detin filmele de polietilena de joasa presiune, folosite pentru mentinerea umiditatii solului, protejarea culturilor in sere si solarii, impermeabilitatea rezervoarelor si canalelor.

Alte domenii de aplicatii ale materialelor sintetice polimere sunt tehnicile de varf. Iata cateva exemple:

Industria aerospatiala. Conditiile principale impuse materialelor plastice utilizate in acest domeniu sunt: sa reziste la temperaturi ridicate si scazute, sa nu arda, iar daca ard sa nu produca fum. Astfel hublourile avioanelor se confectioneaza din policarbonat rezistent la foc si care are si o exceptionala rezistenta la soc. Pentru cabinele de pasageri se fosesc laminate din rasina epoxidica sau fenolica ranforsate cu fibre de sticla si acoperite cu un strat metalic subtire pentru o cat mai buna rezistenta la foc. La constructia navelor spatiale se utilizeaza placi cu structura sandwich de grafit-rasina epoxidica-bor-aluminiu care rezista la temperaturi ridicate.

Industria nucleara Politetrafluoretilena si politriclorfluoretilena, care rezista la compusii fluorurati agresivi cum este si hexaflurura de uraniu, se utilizeaza la instalatiile industriale destinate separarii izotopice a uraniului, ca elemente de legatura pentru pompe si compresoare, conducte, clape de vane etc. Pentru imbunatatirea rezistentei fata de radiatiile beta sau de amestecurile de radiatii si neutroni provenite de la pilele nucleare se utilizeaza polimeri fluorurati (fluoroplaste) grefati radiochimic cu monomeri de stiren, metil-metacrilat etc.

Industria chimica In acest domeniu, materialele plastice isi gasesc cele mai diverse aplicatii, incepand de la conducte pana la piese componente ale pompelor si compresoarelor care lucreaza in medii corozive, gratie greutatii scazute si rezistentei chimice si mecanice ridicate al acestor materiale. Dar materialele plastice cunosc utilizari importante chiar in constructia unor aparate si utilaje la care cu greu si-ar fi putut inchipui cineva ca se poate renunta la metal. S-au executat astfel reactoare chimice din polipropilena izotactica si poliester armat cu fibre de sticla avand o capacitate de nu mai putin de 48 t, diametrul reactorului fiind de 3m, iar inaltimea de 7,5m.

In prezent se utilizeaza schimbatoare de caldura pentru racirea lichidelor corozive cu tuburi din politetrafluoretilena. Materialele folosite prezinta o rezistenta mult mai mare la coroziune decat tuburile din fonta, avand un cost similar dar o greutate mult mai mica. S-au construit de asemenea tuburi de atomizare a materialelor, de 15m inaltime si 25m diametru, placate in interior cu politetrafluoretilena, pentru solutiile concentrate de saruri alcaline. Politetrafluoretilena, avand proprietati antiaderente impiedica formarea crustelor pe peretii turnului.

Industria electronica Sunt cunoscute in general proprietatile electroizolante ale polimerilor sintetici. S-au gasit insa utilizari ale materialelor plastice si ca inlocuitori de materiale conductoare si semiconductoare traditionale. Utilizarea lor in acest domeniu se bazeaza pe urmatoarele considerente:

usurinta de formare a piesei cu geometria dorita, aplicand tehnicile conventionale de prelucrare a materialelor plastice;

posibiliatea de realizare a gradului de conductibilitate dorit;

greutate mult mai scazuta a piesei.

Materialele plastice cu conductbilitate electrica se realizeaza pe doua cai principale. Prima este de obtinere de amestecuri polimerice electroconductibile prin introducerea de grafit sau pulberi metalice in masa materialului. Cea de a doua consta in realizarea polimerilor cu structuri moleculare particulare, prin sinteza directa sau prin modificarea catenei polimerice, ca de exemplu: poliftalocianina, polifenocen, polimeri de condensare.

Materialele plastice semiconductoare sunt de doua tipuri:

cu semiconductibilitate de tip ionic, ca de exemplu poliacrilatul de sodiu;

cu semiconductibilitate de tip electronic, datorita prezentei de electroni delocalizati (de obicei, electroni de tip π). Un exemplu il constituie polimerul obtinut prin incalzirea poliacrilonitrilului (Ladder-polymer). Aceste materiale plastice isi gasesc utilizarea la fabricarea tranzistoarelor.

Schimbarile cele mai spectaculoase nu au loc insa in domeniul asa numitilor polimeri clasici. Anii '80 au marcat dezvoltarea unui sector deosebit de important al sintezei materialelor plastice- cel al polimerilor speciali. Produsi in cantitati mici, in conditii speciale, ei sunt capabili sa ofere utilizatorilor performante ridicate.

Simpla aditivare, de exemplu, a cunoscutelor rasini epoxi cu fibre de carbon, duce la aparitia unui material al carui modul de elasticitate specifica este de 10 ori mai mare decat al celor mai bune oteluri produse in acea vreme.

Alte modificari, de data aceasta in insasi structura polimerilor, pot aduce calitati spectaculoase in comportamentul acestora. De exemplu daca lanturile hidrocarbonate ale polimerilor nu sunt lasate sa se plieze la intamplare ci sunt intinse prin etirare, ia nastere o structura semicristalina a masei de material plastic care este caracterizata de o mare reziatenta mecanica. Un alt exemplu il constituie articulatiile din plipropilena etirata, care datorita structurii cristaline rezista la milioane de indoiri.

O alta posibilitate de a modifica srtructura masei de polimeri o constituie legarea chimica a lanturilor hidrocarbonate intre ele. Rezulta asa-numitii polimeri reticulati, care se aseamana cu o retea tridimensionala. Caracteristice pentru aceasta structura sunt infuzibilitatea, o rigiditate neobisnuita, insolubilitate in orice dizolvant.

Materialele plastice speciale se impun tot mai mult si prin calitatile lor optice. Cele mai spectaculoase realizari le consemneaza fibrele optice din polimeri acrilici sau poliamidici, care au o ductibilitate, o rezistenta si o elasicitate mult superioare fibrelor din sticla minerala. In sfarsit , in acelasi domeniu sunt de mentionat polimerii cu structura tridimensionala de foarte mare regularitate, cilindrica sau in lamele echidistante. Ei sunt foarte asemanatori cristalelor lichide. Daca distantele dintre cilindri sau lamele sunt de ordinul lungimilor de unda ale radiatiilor luminoase, are loc un proces de difractie a acestora. Astfel, un material plastic cu o asemenea structura se comporta ca un colorant irizant.

De asemenea, polimerilor sintetici li se poate conferi capacitatea de a conduce curentul electric sau pot deveni electreti-substante cu incarcatura electrica bipolara permanenta.

Medicina . In sfarsit, cea mai interesanta aventura a materialelor plastice, pare sa devina in viitor, biocompatibilitatea. Prin grefarea pe lantul polimerului a unor grupari chimice adecvate se spera ca acesta nu va mai fi considerat strain de organismul uman. Cat de utila ar fi o asemenea proprietate pe langa medicina viitorului este usor de imaginat, la nivelul actual de cunostinte de care dispunem.