Список тематических статей

Стеклонаполненные ПА

О полиамидах

Полиамид – это гетероцепной полимер, имеющий в составе своей основной цепи атомы не только углерода, как многие полимеры общего назначения, но и азота и кислорода в составе повторяющихся амидных групп вида —C(O)—NH—. Изделия из полиамидов выпускаются прежде всего литьевые, а также пленки и волокна.

В современной промышленности производят и используют несколько основных видов полиамидов. В обозначении типа полимера, после непосредственно слова «полиамид» идут одна или несколько цифр, означающих сколько именно атомов углерода входит в состав мономеров, которые применялись в ходе синтеза этого конкретного вида полимера. Наиболее крупнотоннажным из которых – достаточно простой в производстве полиамид-6 (ПА-6 или PA6), выпускающийся из ε-капролактама. Реже применяется более прочный и дорогой полиамид-6,6 (ПА-66 или PA66), сырьем для которого служит гексаметилендиамин и адипиновая кислота.

Существует разнообразие прочих полиамидов с цифровыми индексами 12, 610, 612 и т.д. В быту чаще используют торговые обозначения полиамидных материалов, зарегистрированными в своё время теми или иными производителями: нейлон (nylon), перлон, капролон, капрон и так далее.

Свойства полиамида

Своё распространение полиамиды получили благодаря комплексу свойств, выгодно отличающих их от прочих полимеров и тем более от классических конструкционных материалов. ПА обладают высокими прочностными характеристиками, в частности прочностью на разрыв, также они более устойчивы к истиранию, чем другие крупнотоннажные пластики. Полиамиды стойки к действию химических агентов, теплостойки имеют относительно низкий коэффициент трения.

Полиамид-6, хотя и является более популярным из-за более низкой цены и широкого производства, тем не менее имеет ряд ценных свойств, не уступающих многим дорогим материалам. Он имеет высокую износостойкость, размягчается при больших температурах, может работать и сохранять эластичность при достаточно низких температурах, особенно в случае модификации эластомерами.
ПА-6 может применяться в широких диапазонах температур в условиях, когда температурный режим подвержен сильным колебаниям. Детали из полиамида обладают хорошей стойкостью к циклическим и ударным нагрузкам. Качественные характеристики PA6 дают возможность выпуска из него изделий конструктивного назначения, таких как втулок для подшипников, деталей передаточных механизмов и редукторов, элементов для компенсации вибраций, и т.д. Полиамид считается одним из лучших материалов для производства строительных дюбелей, шнуров и канатов.

Рис.1. Шнуры полиамидные

ПА-6,6 является более высоко конструкционным полимером, с лучшими физико-механическими характеристиками, чем ПА-6. Он обладает высокой прочностью и твердостью. Плотность полиамида-6,6 выше, чем у ПА-6, а влагопоглощение ниже, чем у PA6, однако при этом больше влагопоглощения PA12. Полиамид-6,6 имеет высокую текучесть и отлично подходит для литья под давлением.

Температура плавления полиамидов достаточно высока, если сравнивать с полиолефинами, у ПА-6 она составляет около 220 градусов Цельсия. Ненаполненный полиамид-6,6 плавится при еще более высокой температуре, она равна 252-265 градусов.

Другие виды наполненного ПА

Многие полимеры, и среди них полиамид являются связующим для большого количества полимерных композиционных материалов. Наполнители нужны как для удешевления пластмасс, так и для придания полимеры улучшенных физико-механических характеристик, например прочностных, магнитных, тепло- или электропродности и т.д. Исходя из этого наполнителями для пластмасс могут быть разнообразные химические вещества и природные материалы, находящиеся не только в виде порошка, но и волокна, ткани, микрогранул и т.д.

Стеклонаполненный полиамид, которому посвящен этот материал мы подробно рассмотрим ниже. Сейчас коснемся других типов наполненного полиамида.

1. Ударопрочный ПА наполняют модификаторами ударной вязкости, которые улучшают стойкость пластика к удару. Такой полиамид используют в машино- и авиастроительной промышленности. Повышение ударной вязкости также возможно при применении в качестве модификатора другого полимера с высоким показателем ударной вязкости.

2. Минералонаполненный полиамид характеризуется повышенной теплостойкостью, размерной стабильностью, изотропностью, меньшим короблением и усадкой, а также хорошим внешним видом. Обычно при компаундировании полиамидов применяют два основных типа неорганических наполнителей – тальк (буква Т в наименовании марки) и мел (соответственно, буква М).

3. Трудногорючий ПА получают путем добавления в рецептуру композита антипиренов, которые бывают галогеновые, безгалогеновые и фосфорные. Такие компаунды являются трудногорючими разной степени в зависимости от типа и количества наполнителя. Трудногорючий полиамид применяется в тех сферах, где критична пожаробезопасность – строительстве, электротехнике, радиоэлектронике, приборостроении.

4. Антифрикционный полиамид обладает основным особым свойством – пониженным коэффициентом трения. Его получают путем введения в матрицу специальных аддитивов – графита и сульфида молибдена. Антифрикционный полиамид применяют в изделиях, где необходимо снизить энергетические потери на трение: подшипниках, передаточных механизмах.

5. Экструзионный ПА обладает повышенной вязкостью (низким показателем текучести расплава) и перерабатывается на экструзионных линиях. Среди его свойств также высокая эластичность, хорошая морозостойкость, высокая ударная вязкость и бензо-маслостойкость.

Рис.2. Полиамидный корпус подшипника.

Кроме того, применяются более редкие композиции полиамида, например теплопроводные, электропроводные, термостойкие, УФ-стабилизированные, прочие. Были также эксперименты по наполнению этого полимера древесной мукой.

Что такое стеклонаполненный ПА

Полиамиды широко применяются несколько десятилетий, наполненный полимер – не так давно, порядка 30 лет. Наиболее современные и высокопрочные из полиамидов – это стеклонаполненные полиамиды. Как было сказано ранее, наполнение полиамида волокнами – действенный путь повышения его физико-механических свойств. Такие материалы отличаются от чистого полимера или смесей полимеров тем, что большой процент этого композитного материала составляет стекловолокно или стеклянные микро-шарики. Этот один из самых распространенных в мире наполнитель придает полимерам повышенные прочностные качества, причем чем больше волокна в составе, тем прочность выше. Однако, с другой стороны, пластик со стекловолокном в составе, гораздо труднее перерабатывается, чем без него.

Степень наполнения полиамида может составлять от 10 до 50 процентов (в редких случаях выше), при этом наиболее распространенная степень наполнения – 30 процентов стекловолокна. Основная цель ввода стекла в полиамид – это увеличение разрывной прочности. Стекловолокно в полиамидный пластик может быть введено как в рубленом виде, так и в виде длинного волокна, поставляемого в катушках (long glass fiber). Основные применяемые марки наполненного стеклом полиамида-6 на сегодняшний день это:

- ПА6-211 ДС,

- ПА6-СВ-30,

- ПА6-12-КС,

- ПА6-210-КС,

- ПА6-211-КС,

- ПА6-130-КС,

- ПА6-СВ30-КС-М5.

Марки отличаются между собой не только маркой используемого полиамида (ПА6, ПА6,6, ПА610 и т.д.), но и длиной стеклянной нити и размером гранулы. КС (ДС) – нормативное обозначение длины стеклонаполненной гранулы: КС – длина до 5 мм, ДС – длина от 5 до 7,5 мм; значение числа после СВ – это процент массового содержания стекловолокна, например 15, 30, 50 и т.д.

Волокна для полиамида

Стеклянное волокно (СВ) – один из наиболее часто применяемых армирующих наполнителей для пластмасс вообще и полиамидных компаундов в частности. Несмотря на то, что стекловолокно придает полимерам отличные физико-механические и тепловые свойства, оно также обладает некоторыми недостатками, например большой плотностью, что приводит к увеличению плотности композита, хрупкостью, гидрофильностью (относится и к самому полиамиду также), которая ставит зависимость свойств материала от условий окружающей среды. Но наиболее важным недостатком можно назвать абразивность как волокна, так и получающегося компаунда, свойство, которое вызывает повышенный износ оборудования для переработки пластмасс (как правило шнеков и материальных цилиндров) и формующего инструмента. Для литья и экструзии ПА-СВ в промышленных объемах нужно применять шнеки и цилиндры, обработанные для повышения абразивной стойкости (так называемые «бронированные»).

Для производства стекловолокна для использования в полиамидах применяют несколько основных марок стекла разного химического состава и с разными свойствами:

‐ Е (electrical) – со слабой электропроводностью;

‐ S (strength) – с повышенной прочностью;

‐ C (chemical) – с повышенной химстойкостью;

‐ M (modulus) – с высоким модулем упругости;

‐ А (alkali) – с большим содержанием щелочных металлов;

‐ D (dielectric) – с диэлектрической проницаемостью;

‐ AR (alkali resistant) – с высокой сопротивляемостью щелочам.

Большинство марок стекловолокна, производимого на сегодняшний день в разных регионах мира, относятся к разновидностям волокна типа Е. Можно сказать, что такие волокна относятся к недорогому материалу общего назначения, тогда как остальные типы – к специальным стеклянным волокнам.

Рис.3. Стекловолокно в бухте.

Для стекловолокна существует параметр «критическая длина», параметр равный наименьшей длине волокон, при которой работает передача усилия от матрицы полимера к стекловолокну. Как правило, значение критической длины для композитов лежит в пределах 300 до 600 мкм. Для получения еще более высоких механических свойств композита применяется так называемое «длинное стекловолокно» (long glass fiber), однако переработка таких компаундов задача непростая.

Применение стеклонаполненного ПА

Детали из ПА-СВ (полиамида, наполненного стекловолокном) применяются в многочисленных отраслях, например в авиационной, машиностроительной, электротехнической, автомобильной и железнодорожной промышленности. Отраслями, где такие полиамидные компаунды незаменимы, также можно назвать судостроение, оружейное дело, выпуск спецтехники, бытовой и оргтехники.

Наиболее сильно ПА-компаунды востребованы в автомобильной отрасли. Она потребляет почти половину всех производимых композиций ПА-6 и ПА-6,6. Все последние десятилетия идет процесс замещения металлических деталей авто на полимерные, львиную долю которых, не считая крупных интерьерных изделий и бамперов, составляют полиамидные детали. В последнее время драйвером роста потребления полиамидов в автомобилестроении стал выпуск из него подкапотных деталей.

Кроме того, из наполненного стеклом ПА производят компоненты приборов, корпусные детали электрооборудования и электроинструмента, прочие корпуса, элементы подшипников, конструкционные части трансформаторов, и т.п.

PA+GF применяется в производстве изоляционных материалов, техизделий, также из него выпускают сильно нагруженные детали и компоненты механизмов.

Стоит отметить, что полиамидные изделия со стекловолокном, изготовленные литьем на термопластавтоматах обладаю довольно плохой эластичностью (выглядят при высоком наполнении «как каменные») и ударной прочностью. Их вторичная переработка затруднена необходимостью сильного измельчения стеклянных волокон и высоким износом оборудования для вторичной переработки пластмасс. Прежде всего это касается ножей для дробилок, использующихся для измельчения перерабатываемых деталей, и, как уже было сказано выше, шнеков и цилиндров экструдеров, работающих в составе грануляторов.