Контрольная работа по «Материаловедению»

  МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

  Федеральное государственное образовательное  учреждение

  высшего профессионального образования 

  Чувашский государственный университет имени  И.Н. Ульянова 
 

  ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ 
 
 

  Контрольная работа

  по учебной дисциплине

  «материаловедение»

  Вариант 32 

  «Поликарбонат» 
 
 
 
 

  Выполнил  студент группы ЗЭЭ-11-09

  Смирнов Н.В.

                                                            Проверил преподаватель

                                                                                                                     Кравченко Г.А. 
 
 
 
 

  Чебоксары 2011 г.

  Химическая  структура

        Поликарбонаты - сложные полиэфиры  угольной кислоты (содержат группу ). Обычный поликарбонат является производным бисфенола А (дифенилолпропана):  

                              

                   Бисфенол А (BPA)                                    Обычный поликарбонат (PC) 
 

        Молекулярная масса поликарбоната,  используемого для литья под  давлением: Mn = 15000 - 24000 (метод гель-проникающей хроматографии); Mw = 17000 - 30000 (метод светорассеяния). Полидисперсность: Mw/Mn = 2.3 - 2.7.

         При литье под давлением материал  остается аморфным. Для кристаллизации  обычного поликарбоната его необходимо  выдержать длительное время при  высокой температуре (8 дней при 180 оС) или в ацетоне. Поликарбонат кристаллизуется также при сверхвысоких давлениях литья (500 МПа).

        Для литья CD и DVD применяются  специальные марки оптического  поликарбоната, сочетающие высокую  текучесть (ПТР = 60 - 80 г/10 мин при температуре 300 оС и нагрузке 1.2 кг) c высоким светопропусканием, низкой мутностью, низким двулучепреломлением и малым циклом литья.

        Материалы оптического назначения  имеют низкую молекулярную массу  (Mw = 15000 - 17000).

        Для получения низковязкого поликарбоната применяют химическую модификацию макроцепей в процессе синтеза. Одним из способов такой модификации является применение разветвляющих агентов (тримеллитовой кислоты, трисфенола, флороглюцина и др.). Линейный поликарбонат низкой вязкости получают с использованием обрывателей цепи с объемными заместителями. И разветвленный и линейный высокотекучий поликарбонат дает ярко выраженный неньютоновский характер зависимости вязкости расплава от скорости сдвига.

        Термостойкий поликарбонат (PC-HT), выпускаемый компанией Bayer под торговой маркой Apec, является сополимером поликарбонатов на основе бисфенола А и бисфенола TMC: 

                              

                    Бисфенол TMC                                Звено поликарбоната на основе бисфенола TMC                                                
 

       С увеличением содержания бисфенола  TMC теплостойкость материала повышается. Гомополимер на основе бисфенола  TMC имеет температуру стеклования  239 оС. Температура стеклования промышленно выпускаемых сополимеров составляет 160 - 220 оС. 

  Промышленное  получение 

  1. Межфазная  поликонденсация (interfacial process) 

       Поликарбонат получают главным  образом межфазной поликонденсацией  динатриевой соли бисфенола А  с фосгеном.     Бисфенол А предварительно растворяют в водном растворе едкого натра с образованием кристаллогидрата динатриевой соли бисфенола А (фенолята): 
 

  HO-C6H4-C(CH3)2-C6H4-OH  +  2NaOH  -->  NaO-C6H4-C(CH3)2-C6H4-ONa  +  2 H2O

   Бисфенол А                                                            Динатриевая соль       

                                                                                     бисфенола А 

       Фосгенирование осуществляют в  присутствии воды и несмешивающегося  с водой растворителя (метиленхлорида) при интенсивном перемешивании: 

  n NaO-C6H4-C(CH3)2-C6H4-ONa  +  n COCl2  -->  [ -O-C6H4-C(CH3)2-C6H4-O-CO- ]n + 2n NaCl

                                                                      Фосген                     Поликарбонат 

       В качестве катализаторов обычно используют третичные амины (триэтиламин). Процесс проводят при температуре 25 - 30 оС. При 2-х стадийном процессе сначала проводят фосгенирование с получением низкомолекулярного поликарбоната (степень полимеризации 35-60), а затем осуществляют поликонденсацию.

        Продукт промывают слабым раствором  щелочи, соляной или др. кислоты  (для удаления остатков щелочи  и катализатора) и деминерализованной  воды.

        Процесс выделения поликарбоната  из раствора большей частью  относится к торговым секретам фирм-изготовителей. В процессе, разработанном в НИИПМ им Г.С. Петрова, для выделения поликарбоната используют "антирастворитель"  (ацетон), "острый пар", испарение раствора, перевод полимера из раствора в расплав. Остаток растворителя удаляют в вакуум-экструдере.

        Метод межфазной поликонденсации  используется для синтеза поликарбоната  в большинстве современных производств,  в том числе в ОАО "Заря" (Дзержинск). 

  2. Переэтерификация (transesterification, melt process, nonphosgene process) 

       При переэтерефикации поликарбонат получают обменным взаимодействием бисфенола А с дифенилкарбонатом: 

   nHO-C6H4-C(CH3)2-C6H4-OH +n(C6H5-O)2CO-->[-O-C6H4-C(CH3)2-C6H4-O-CO-]n +2n C6H5OH

   Бисфенол А                                   Дифенилкарбонат                         Поликарбонат               

       Переэтерификация проводится в  расплаве при 180-300 оС в отсутствии  кислорода (в вакууме). Катализаторами  реакции являются гидроксиды  натрия, лития или калия, тетраалкиламмоний  и др. Преимущество данной технологии заключается в отсутствии фосгена и растворителей - технология является более чистой с экологической точки зрения. 

        Для получения качественного  поликарбоната в данном процессе  большое значение имеет чистота  исходных продуктов. 

        Поликарбонат, получаемый переэтерификацией,  имеет более узкое молекулярно-массовое  распределение. Материал, полученный  данным методом, содержит небольшое  количество фенольных остатков  на конце макромолекулярных цепей. 

  3.Так как поликарбонат является диэлектриком неполярного молекулярного строения , то возможным видом поляризации поликарбоната является электронная поляризация.

  Электронная поляризация - смещение электронного облака относительно центра ядра атома или  иона в результате чего возникает  электрический момент, исчезающий после окончания действия электрического поля. Наблюдается во всех без исключения диэлектриках.

  Диэлектрическая проницаемость 

  Так, диэлектрическая  проницаемость поликарбоната практически  не зависит от температуры,

  Частота перемены напряжения оказывает большое  влияние на диэлектрические потери и на диэлектрическую проницаемость. 
 

  4. Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц, х104   8*10-3

  Тангенс угла диэлектрических потерь  имеет резко выраженную зависимость от частоты приложенного напряжения

  5. Электрическая прочность 18-22 МВ/м 

  Удельное  сопротивление 1014 Ом*см

  6. Такое широкое применение поликарбоната обусловлено следующими факторами:

  Механические  свойства: Поликарбонат обладает высокой  жесткостью (предел текучести при растяжении – 60-70 МПа) в сочетании с очень высокой стойкостью к ударным воздействиям (не разрушается при испытаниях по Шарпи без надреза), в том числе при повышенной и пониженной температуре. Это позволяет использовать материал при изготовлении, как корпусных, так и видовых изделий.

  Оптические  свойства: поликарбонат имеет высокую  прозрачность (светопропускание – 88-89%), лучше, чем  у полистирола и  сополимера САН.Это качество материала  используется в производстве линз, светофильтров, очков, щитков для пожарных и мотоциклетных шлемов.

  Диапазон  применения поликарбоната определяется следующими свойствами

  Химическая  и климатическая стойкость: стойкость  к слабым кислотам, растворам щелочей  и солей, спиртам, воде, атмосферным  воздействиям

  Температура эксплуатации: детали полученные из поликарбоната  работают в интервале температур от -100°C до +135°С. Выдерживают кратковременный  нагрев до  175°С . Готовые детали имеют  высокую термоформоустойчивость.

  Электроизоляционные свойства: удельное объемное сопротивление: 1014 Ом*см; электрическая прочность: 32 - 35 кВ/мм.

   Этот  диапазон можно расширить за  счет различных добавок:

  Светостойкости 

  Введение  светостабилизаторов позволяет  использовать материал в производстве наружных светильников, световых панелей и табло.

  Огнестойкость

  Базовые марки характеризуются температурой стойкости при испытаниях раскаленной  петлей 850-960°C , категория их горения  – ПВ-2. Введение антипиренов позволяет  повысить категорию горения до ПВ-0. Трудногорючий поликарбонат применяется, например, при производстве корпусов электросчетчиков.

  Термические, оптические, механические свойства поликарбонатов

  Обладают высокой жесткостью и прочностью в сочетании с очень высокой стойкостью к ударным воздействиям в том числе при повышенной и пониженной температуре.

  Поликарбонаты оптически прозрачны, морозостойки. Поликарбонаты выдерживают кратковременный  нагрев до 153 о С (PC-HT - до 160-220 о С). Выдерживает циклические перепады температур от -253 до +100 о С. Интервал температур длительной эксплуатации: от -100 до 115-130 о С. Температура стеклования: 140-155 о С (для PC-HT - до 220 о С). Химические свойства поликарбонатов Поликарбонаты самозатухают; растворяются в большинстве органических растворителей, например метиленхлориде, хлороформе, дихлорэтане. Устойчивы к действию кислот, растворов солей, окислителей. Не стоек к щелочам, концентрированным кислотам, органическим растворителям. Растворяются в метиленхлориде, дихлорэтане. Не стойки к действию УФ-излучения (падает ударопрочность, относительное удлинение), к длительному воздействию горячей воды.