Термопласты и реактопласты: характеристики материалов

О чем речь? Термопласты и реактопласты представляют собой два типа пластмасс, имеющих разную молекулярную структуру. Из этого вытекает, что и производятся они разными способами, и «поведение» их в одинаковых условиях, например, при нагревании, значительно отличается.

На что обратить внимание? Отличить термопласты от реактопластов по внешнему виду хоть и можно, но иногда весьма затруднительно. Поэтому лучше использовать лабораторное оборудование. Впрочем, и без него можно справиться, проведя один или несколько простых тестов.

Общее описание термопластов

Термопластичные полимеры, они же термопласты, представляют собой материалы, которые переходят в вязкотекучее состояние под воздействием высокой температуры и застывают, охлаждаясь. Переход возможен многократно и без потери свойств. Благодаря этому термопласты можно перерабатывать повторно, и это снижает себестоимость производства. Характеристики изделий при этом сохраняются.

К наиболее распространенным видам термопластов относятся полиэтилен и поликарбонат, полистирол, полиимид, полипропилен и другие полимерные материалы.

В структуре пластмасс много отдельных макромолекул, имеющих нитевидную форму. Именно они делают гранулы и готовые изделия прочными и жесткими. Но это при обычной температуре, а при нагревании выше +100 °C материал начинает размягчаться, затем становится пластичным, а после — жидким. Это упрощает процесс формования и придания изделиям нужной формы.

Большинство термопластов сами по себе малогигроскопичные, а компоненты отличаются рядом свойств: являются горючими, не вступают в химические реакции с щелочью и другими агрессивными средами, не проводят ток.

Термопласты не растворяется в воде, поэтому относятся к малогигроскопичным материалам. И все же у них есть ряд особенностей: они горючи, устойчивы к воздействию агрессивных сред, включая щелочи, и не проводят электрический ток.

По реакции на электрическое поле выделяют термопласты полярные и неполярные.

Дополнительно такие материалы делят на однородные и наполненные. К первым относят смолы природного или синтетического происхождения. При введении различных наполнителей свойства пластмасс могут существенно изменяться. Например, углепластики получают за счет добавления углеволокна. Также в состав могут включаться антистатики, антипирены и другие добавки, влияющие на эксплуатационные характеристики.

Общее описание реактопластов

Помимо термопластов существуют и реактопласты, именуемые также термореактивными пластмассами. Будучи по своей природе полимерными материалами, при нагревании проходят стадию химического отверждения и формируют сшитую пространственную структуру. Материал, который получается в результате, не растворяется и не способен к повторному плавлению. При попытке повторного нагрева волокна разрушаются.

Трехмерная сетчатая структура делает такие материалы особенно прочными, упругими и хрупкими одновременно, имеющими пониженный коэффициент теплового расширения по сравнению с термопластами и обладающими способностью сохранять эксплуатационные качества при воздействии повышенных температур.

В зависимости от применяемой основы термореактивные пластмассы подразделяются на несколько групп:

• имидопласты, представленные олигоимидами;
• эфиропласты на базе акриловых олигомеров;
• аминопласты, включающие меламино- и мочевино-формальдегидные смолы;
• эпоксипласты на основе эпоксидных смол;
• фенопласты, получаемые из фенолформальдегидных соединений.

Переработка таких материалов требует строгого соблюдения технологических режимов, прежде всего температурных параметров и временных интервалов. Любые отклонения от заданных условий могут привести к ухудшению свойств готового изделия и возникновению производственного брака.

Технологии производства термопластов и реактопластов

Рассмотрим основные примеры процессов для термопластов и реактопластов, каждый из которых используется в зависимости от требуемой формы и характеристик изделия.

Основные технологические процессы для производства термопластов

• Литье под давлением (injection molding) — процесс, в котором шнековый экструдер нагревает гранулы до расплавленного состояния с последующим охлаждением и приданием формы. После выдержки до затвердевания готовую деталь извлекают. Продолжительность цикла может быть разной. Существенным преимуществом метода является возможность повторного переплавления материала. При этом для подтверждения допустимости использования вторичного сырья обычно опираются на результаты испытаний его свойств.
• Экструзия — продавливание расплава через формующую матрицу. Такой процесс позволяет получать непрерывные изделия: трубы, профили, пленки или листы. В процессе особое значение имеют температура, скорость подачи материала и условия охлаждения.
• Метод выдува (blow molding) — процесс, применяемый для изготовления полых изделий, таких как бутылки и канистры. Заготовку в расплавленном состоянии помещают в форму и раздувают сжатым воздухом до получения нужной конфигурации.
• Термоформование — процесс нагрева листового материала до пластичного состояния с последующим формированием под действием вакуума или давления. Этот способ широко используют при производстве упаковки и корпусных деталей.
• 3D-печать по технологии FDM (Fused Deposition Modeling) — нанесение расплавленного термопласта по слоям (ABS, PLA, PETG). Метод распространен при создании прототипов и выпуске небольших партий изделий.

Читайте также!

Литье полиамида: этапы и добавки

Подробнее

Основные технологические процессы для производства реактопластов

• Метод RIM (Reaction Injection Molding) — процесс, основанный на быстром смешивании нескольких компонентов смолы, допустим, полиола и изоцианата для получения полиуретана. Полученная смесь сразу подается в форму, где затвердевает. Процесс является необратимым, поэтому особое значение имеют точность дозирования, скорость подачи и температура.
• Технология RTM (Resin Transfer Molding) — процесс, который предполагает укладку армирующего материала, такого как стекло- или углеволокно, в форму. Далее происходит подача смолы под давлением или с использованием вакуума. Смола пропитывает структуру волокна и затем отверждается. Ключевыми параметрами являются давление, температура и продолжительность процесса, которая может варьироваться от нескольких минут до нескольких часов.
• Вакуумная инфузия — процесс, в котором подача смолы осуществляется за счет вакуума через сухой армирующий материал. Этот способ чаще применяют при производстве крупногабаритных композитных изделий, включая элементы ветротурбин и корпуса судов.
• Автоклавное формование — процесс, который выбирают при работе с материалами, уже пропитанными частично отвержденной смолой. Заготовку размещают в форме и подвергают воздействию повышенного давления и температуры в автоклаве. Такой метод широко применяется в аэрокосмической отрасли при изготовлении углепластиковых конструкций.
• Прессование (compression molding) — процесс, суть которого заключается в укладке смолы с наполнителями в нагретую форму с последующим сжатием и выдержкой до полного отверждения. Данный способ используют, в частности, для переработки листовых пресс-материалов, таких как SMC и BMC.

Особое значение имеет контроль цикла отверждения. Поскольку процесс сопровождается необратимой химической сшивкой, итоговые свойства материала, включая прочность и термостойкость, напрямую зависят от соблюдения температурно-временных режимов. Нарушение этих параметров может привести к неполному отверждению и ухудшению характеристик изделия. Для оптимизации процессов применяют методы термического анализа, такие как ДСК, ТГА и ДМА.

Разница между термопластами и реактопластами

Термопласты представляют собой полимеры, у которых строение макромолекул линейное и разветвленное. С повышением температуры они переходят в вязкотекучее состояние, а охлаждаясь, вновь твердеют. Этот процесс является обратимым, что позволяет многократно переплавлять материал и придавать ему новую форму. К таким полимерам относят полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поликарбонат (ПК), полиамиды (ПА), а также термопластичные эластомеры.

Реактопласты, или термореактивные полимеры, в процессе отверждения формируют пространственно сшитую трехмерную структуру. Сшивка означает образование ковалентных связей между полимерными цепями, объединяющих их в единую сеть. После завершения этого процесса материал теряет способность к плавлению: при повторном нагреве он не размягчается, а при достижении критических температур начинает разрушаться.

Отверждение является необратимым, а полученная структура становится нерастворимой и не плавится при нагревании (IUPAC Gold Book). К типичным представителям относятся эпоксидные смолы, фенолформальдегидные материалы, ненасыщенные полиэфиры и кремнийорганические силиконы.

Ключевое отличие термопластов и реактопластов связано с характером связей между полимерными цепями. В термопластах они удерживаются за счет физических взаимодействий — ван-дер-ваальсовых сил и водородных связей. В реактопластах формируется система ковалентных связей, которая объединяет цепи в единую трехмерную сетку.

Из этого вытекает различие в поведении при нагревании и возможностях переработки. Термопласты можно повторно перерабатывать как механическими, так и химическими методами. Реактопласты после отверждения такой возможности не имеют. Эти особенности напрямую влияют на выбор областей применения, способы формования и экономические аспекты производства.

Термопласты и реактопласты — основные отличия

Способы отличить термопласты от реактопластов на практике

Определить тип полимера без использования лабораторного оборудования можно с помощью простых практических приемов. При этом важно соблюдать меры безопасности: работать в перчатках, обеспечивать хорошую вентиляцию во избежание вдыхания возможных испарений.

• Лабораторные практики

В лабораторных условиях применяют более точные методы. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) позволяет определить температуру плавления у термопластов и температуру стеклования, характерную для обоих типов материалов.

Термогравиметрический анализ (ТГА) используется для оценки температуры разложения. FTIR-спектроскопия дает возможность определить химическую структуру и идентифицировать вид полимера по характерным связям.

• Внешний осмотр

При визуальной оценке также можно сделать предварительные выводы. Детали с выраженной волокнистой структурой, где заметны армирующие слои, как правило, относятся к композитам на основе реактопластов, например эпоксидных или полиэфирных. В то время как изделия с гладкой поверхностью и сложной формой чаще всего изготавливаются из термопластов методом литья под давлением.

Читайте также!

Термопластавтомат: виды и принцип работы

Подробнее

• Тест нагретой иглой

Один из простых способов различить тип полимера — тест с горячей иглой или паяльником. Металлический стержень разогревают примерно до 260 °C и на несколько секунд прижимают к поверхности образца. Термопласт в этом случае начинает размягчаться, плавится и может тянуться, оставляя заметную деформацию. Реактопласт ведет себя иначе: он сохраняет форму или лишь слегка обугливается, не образуя расплава и характерных нитей.

• Нагрев образца

Еще один вариант — нагрев небольшого образца. Его помещают в термостойкую емкость и доводят температуру до диапазона 250-300 °C, используя, например, духовку или горелку с контролем нагрева. Термопласт при таких условиях переходит в вязкое состояние и начинает течь. Реактопласт при этом не плавится: он сохраняет форму, а при дальнейшем нагреве постепенно разрушается.

• Тест с использованием растворителя

Также применяется тест с растворителями, однако его возможности ограничены. Некоторые термопласты способны набухать или частично растворяться в определенных средах, например, полистирол — в ацетоне, а полиамиды — в муравьиной кислоте. Реактопласты, как правило, устойчивы к воздействию подобных веществ и не растворяются.

Факторы выбора термопластов или реактопластов под конкретную задачу

Выбор между термопластами и реактопластами определяется рядом их отличий, связанных с условиями эксплуатации и требованиями к изделию.

1. Сложность и объемы производства. Термопласты легче поддаются формованию за счет возможности многократного плавления. Реактопласты требуют стадии отверждения, что делает их более оправданными при изготовлении небольших партий и конструкционных композитов.
2. Температура эксплуатации. Для работы в условиях повышенных температур чаще выбирают реактопласты, так как термопласты при нагревании размягчаются и могут терять форму.
3. Механические нагрузки. Термопласты лучше переносят динамические воздействия и менее склонны к хрупкому разрушению. Реактопласты, в свою очередь, демонстрируют более высокую прочность при статических нагрузках и устойчивость к длительному воздействию усилий.
4. Химическая устойчивость. При контакте с агрессивными средами, такими как масла, топлива или растворители, чаще рассматривают реактопласты, особенно на основе фенолформальдегидных и эпоксидных смол, благодаря их химической стойкости.
5. Цена. Производство термопластов в ряде случаев обходится дешевле, однако долговечность и эксплуатационные свойства реактопластов могут компенсировать эту разницу в цене.
6. Переработка. Если важна возможность вторичной переработки, предпочтение отдают термопластам. И не зря: реактопласты из-за своей сшитой структуры не подлежат повторному плавлению и переработке.

Выбор материала зависит от приоритетов проекта. Когда важны перерабатываемость, сложная геометрия и высокая ударная вязкость, используют термопласты. Если же требуется жесткость, стабильность размеров и устойчивость к высоким температурам, предпочтение отдают реактопластам или композитам на их основе.

Часто задаваемые вопросы о термопластах и реактопластах

Где применяются термопласты и реактопласты?

Области применения термопластов и реактопластов различаются в зависимости от их свойств и эксплуатационных характеристик. Термопласты широко используются в производстве упаковки, в автомобильной отрасли для изготовления бамперов и панелей, в электротехнике — для корпусов приборов, в медицине — для шприцев и трубок, а также в строительстве, например для труб и различных панелей. Реактопласты находят применение в электронной промышленности — при производстве печатных плат, ламповых панелей, каркасов резисторов, а также в нагревостойких трансформаторах, катушках индуктивности, переключателях и разъемах. Кроме того, они используются как конструкционные материалы, в том числе в СВЧ-устройствах.

Какой материал более прочен: термопласт или реактопласт?

По прочности на разрыв и жесткости реактопласты обычно превосходят термопласты. Например, эпоксидные материалы демонстрируют значения порядка 7 000-14 500 psi (примерно 48-100 МПа), тогда как полиэтилен находится в диапазоне 1 600-5 500 psi (около 11-38 МПа). Такая разница объясняется наличием сшитой структуры, обеспечивающей высокий модуль упругости. Однако по ударной вязкости ситуация обратная: термопласты лучше переносят динамические нагрузки, обладают большей гибкостью и способны поглощать удары. Реактопласты без специальных добавок чаще проявляют хрупкость.

Читайте также!

Линейный полиэтилен низкой плотности: свойства и сферы применения

Подробнее

Что выгоднее в использовании: термопласт или реактопласт?

С точки зрения экономики при больших объемах выпуска, начиная от тысяч изделий, термопласты обычно оказываются более выгодным решением. Массовое производство ориентируется именно на них благодаря более низкой стоимости сырья и широкому выбору материалов. При увеличении партии себестоимость одного изделия снижается, что делает технологию эффективной. Реактопласты требуют более серьезного подхода: необходимы системы точного дозирования компонентов и оборудование для отверждения, что увеличивает начальные вложения.

Различия между термопластами и реактопластами обусловлены их структурой и свойствами, что напрямую определяет области применения и условия эксплуатации готовых изделий. Для заказчика это вопрос соответствия задачам, а для производителя — выбор производственной стратегии, расчета затрат и учета возможностей дальнейшей переработки материалов.

Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com