Критерии выбора полимеров для производства

Условия эксплуатации – основной показатель, влияющий на выбор полимера для будущей детали. Чтобы полностью удовлетворить эксплуатационным показателям при выборе полимерного материала обращают внимание условно на 4 обобщенных критерия: механические свойства, физические характеристики, электрические показатели и химическая стойкость.

Наиболее популярные из общедоступных конструкционные полимеры это: фторопласт Ф-4 (PTFE), капролон (ПА-6), полиацеталь (POM-C).

Фторопласт

Фторопласт Ф-4 (политетрафторэтилен) представляет собой нетоксичный, термостойкий фторполимер . Заготовки в виде стержней и листов получают путем прессования или методом экструзии.

Основные свойства: высокая химическая стойкость, низкий коэффициент трения, отличные электрические свойства, стабильность в широком диапазоне температур.

Капролон

Капролон ПА-6 (полиамид-6), это прочный, твердый инженерный пластик, получаемый процессе анионной полимеризации капролактама. Капролоновые заготовки в виде листов и стержней получают литьевым или экструзионным способом.

Основные свойства: износостойкость, низкий коэффициент трения, ударопрочность, электроизоляционная, коррозионная и химическая стойкость.

За счет прочностных характеристик капролон часто выступает альтернативой таким металлам, как бронза и латунь, этот материал незаменим там, где необходимо добиться минимального веса сборочной единицы, снизить уровень шума и вибрации.

Полиацеталь

Полиацеталь (полиоксиметилен сополимер), также известный как полиформальдегид, представляет собой инженерный термопласт на основе формальдегида. Более 90% полуфабриката полиацеталя в виде стержней различного диаметра и листов получают методом литья под давлением либо экструзионным способом.

Основные свойства: высокая механическая прочность и жесткость, низкий коэффициент трения, хорошая износостойкость, хорошая механическая обрабатываемость, низкое водопоглощение, химическая стойкость.

Поскольку полиоксиметилен почти не впитывает воду, обладает отличной размерной стабильностью и прекрасными диэлектрическими свойствами, он является отличным выбором для деталей сложной формы и прецизионной обработки. Также из-за низкого водопоглощения подшипники с комплектующими из полиацеталя работают в 4 раза лучше, чем капролоновые, в условиях высокой влажности или погружения в воду.

Из-за химической структуры полиацеталь нестабилен в кислой среде и при очень высокой температуре, поскольку при высокой температуре полимер разрушается.

Критерии выбора полимеров

Сравнивая характеристики по всем критериям, необходимо подобрать материал под конкретный эксплуатационный параметр или их совокупность.

Физические характеристики

Нередко при выборе полимерного материала учет его теплового поведения бывает более важным, чем оценка прочностных особенностей. Температура эксплуатации полимерного изделия влияет на значения разрушающих напряжений, подверженности деформациям, модуля упругости, твердости, ударной вязкости и других свойств, существенно корректирующих потребительские характеристики.

Также капролон значительно уступает фторопласту и полиацеталю в водопоглощении. Гигроскопичность полиацеталя и фторопласта практически равна нулю, ни в каком виде, даже пар не проникает внутрь материала. А капролон способен впитать до 2% от собственной массы в течение 24 часов и до 7% за все время эксплуатации.

Механические свойства

Разрушающее напряжение при растяжении, относительное удлинение при разрыве, коэффициент трения по стали и твердость - основные показатели механических свойств полимеров.

Одно из важнейших качеств полимеров, за что и полюбились они всеми отраслями промышленности – низкий коэффициент трения. Фторопласт-4 обладает минимальным коэффициентом трения по стали среди трех этих полимеров. Поэтому из него делают детали, которые находятся в труднодоступных местах и не имеют возможности регулярно обслуживаться добавлением смазки и комплектующие пищевой промышленности, где смазка и вовсе запрещена.

Стоит отметить, что среди этих трех полимеров полиацеталь лучше всех справляется с ударными нагрузками и имеет наивысший коэффициент усталости.

Электрические показатели

Под электрическими свойствами понимают совокупность параметров, характеризующих поведение полимеров в электромагнитном поле. В прикладном значении наиболее часто используются следующие параметры: удельное поверхностное сопротивление, удельное объемное сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность.

Все три полимера обладают хорошими диэлектрическими свойствами и нередко используются для производства деталей в радиотехнической и электротехнической отраслях. 

Химическая стойкость

Перечень агрессивных агентов, влияющих на свойства полимерных материалов, чрезвычайно широк. Но, тем не менее, могут быть систематизированы следующим образом:

• Растворы кислот и щелочей.

• Горюче-смазочные материалы.

• Органические и минеральные кислоты.

• Различные растворители.

В процессе воздействия агрессивной среды полимер, как правило, набухает. Молекулы агрессивной среды проникают в полимер, что приводит к деструкции пластика.

Все три полимера обладают высокой инертностью к различным агрессивным веществам. Здесь сложно выявить фаворита, так как у каждого из полимеров есть слабые и сильные места.

Капролон: устойчив к воздействию углеводородов, масел, спиртов, эфиров, щелочей и слабых кислот. Растворяется в фенолах, концентрированных минеральных кислотах, муравьиной и уксусной кислотах.

Фторопласт: устойчив к кислотам, щелочам,  растворителям, может контактировать долгое время с маслами, керосином, нефтью и разными видами топлива. Растворяется расплавами щелочных металлов, трёхфтористым хлором и элементарным фтором при высоких температурах.

Полиацеталь: устойчив к органическим растворителям, топливу всех видов и щелочам. Не стоек к концентрированным кислотам.

Общие выводы

Все три полимера выпускаются мерными полуфабрикатами в виде стержней различного диаметра и листов разной толщины и раскроя. Достаточно хорошо обрабатываются режущими инструментами на станках.

Но есть ряд совокупных факторов позволяющих в некоторых случаях сделать выбор в пользу того или иного полимера:

• в условиях действия химически агрессивных сред и повышенных температур лучше себя показывает фторопласт;

• для работы в тяжелых условиях и механизмах с повышенным износом деталей предпочтительнее использовать капролон;

• основное преимущество полиацеталя в устойчивости к растрескиванию, его упругость и  минимальный коэффициент водопоглощения, при условии сохранения высоких показателей прочности.

При выборе материала немаловажную роль оказывает и стоимость полимера, которая может существенно разниться для каждого полуфабриката одинаковых геометрических размеров.