Пластмассы и их состав

Полимеры в чистом виде, полученные промышленными предприя-тиями после их выделения и очистки, называются первичными полимерами или первичными смолами. За исключением некоторых полимеров, таких как полистирол, полиэтилен, полипропилен, первичные полимеры обычно не пригодны для прямой переработки. Первичный поливинилхлорид, например, является материалом рогоподобной фактуры и не может быть сформован без предварительного смягчения путем добавления пластификатора. Аналогично этому для формования натурального каучука требуется введение в него вулканизующего агента. Большинство полимеров защищают от термической, окислительной и фотодеструкции введением в них подходящих стабилизаторов. Добавление в полимер красителей и пигментов перед формованием позволяет получить изделия самых различных цветов. Для уменьшения трения и улучшения течения полимера внутри перерабатывающего оборудования в большинство полимеров добавляют смазочные материалы и вещества для улучшения технологических свойств. Наполнители же в полимер обычно добавляют для придания им специальных свойств и уменьшения стоимости конечного продукта.

Пластмассы делятся на:

- простые (базовые, ненаполненные): полиэтилен, полистирол;

- композиционные (наполненные): аминопласты, фенолопласты.

В настоящее время не создана международная классификация пластмасс. Одни и те же пластмассы, выпускаемые различными фирмами, имеют разные названия.

В полимерный материал могут входить ингредиенты в различном состоянии: связующие (полимерная матрица), наполнители, пласти-фикаторы, стабилизаторы, красители, сшивающие агенты, структуро-образователи, порообразователи, смазки, антиперены, антистатики, антимикробные и другие добавки, которые придают специфические свойства композиции в целом.

Связующая (полимерная матрица)удерживает все ингредиенты в композиции в форме и размерах, полученных после ее переработки. Связующим могут быть как индивидуальные полимеры, так и сополимеры. Содержание связующего в пластмассах может достигать:

95-99 % - для непластифицированных термопластов;

90-95 % - для пластифицированных термопластов;

10-70 % - для композиционных реактопластов.

Помимо основного компонента – связующего (мономера, чаще олигомера, полимера или их сочетания), в него вводят различные органические соединения, изменяющие свойства компонентов связующего на стадии изготовления полимерного материала или при его переработке в изделие.

Модифицирование проводят двумя способами:

- без химических превращений основного полимера путем изменения условий производства полимерного материала или введения малых количеств не полимерных веществ;

- в результате химической реакции на стадии синтеза путем химических превращений синтезированных полимеров или олигомеров.

Наполнители – твердые, жидкие, газообразные, органические и неорганические вещества, вводимые в мономер, олигомер, полимер с целью уменьшения их стоимости. Также наполнители вводят с целью повышения показателей физико-механических и химических свойств. Усиливающие наполнители приводят к улучшению эксплуатационных характеристик пластмасс и расширению области их применения. Химическая природа, физическое строение и форма наполнителей определяют механические, электрические и химические свойства полимеров. Наполнители влияют на технологический процесс производства пластмасс и способы ее переработки в изделия.

В зависимости от химической природы и активности поверхностей наполнителей их разделяют на: органические и неорганические, природные и синтетические, активные и неактивные.

В зависимости от формы и структуры твердые наполнители бывают: порошкообразные, волокнистые, листовые.

По форме порошкообразные наполнители могут быть следующих видов: кубической (карбонат кальция); сферической (искусственные микросферы, стеклосферы); игольчатой (древесная мука, силикат кальция); чешуйчатой (тальк, графит, каолин); в форме параллелепипеда (полевой шпат, оксиды кремния, бария).

Из волокнистых наполнителей широкое распространение получили хлопковые очесы, короткие целлюлозные, стеклянные, углеродные, метал-лические волокна. Содержание волокнистых наполнителей составляет 15-40 % в термопластах, 30-80 % в реактопластах от массы полимера.

Из листовых наполнителей применяют бумагу, различные ткани, ленты (например, металлическая фольга). Они составляют до 60 % от всей массы полимеров.

Широкое применение получили дисперсные наполнители (27 % от массы полимеров) такие как: карбонат кальция, тальк, гидроксид алюминия (каолин). Наиболее дешевый карбонат кальция (мел).

Большое значение в производстве армированных пластиков имеют материалы из непрерывных наполнителей. При производстве премиксов применяются коротковолокнистые наполнители. Они легко модифици-руются путем введения порошкообразных наполнителей.

Большое значение имеет введение органических наполнителей: древесной муки 4 – 5 % от массы полимера; целлюлозы – 50 %; ореховой скорлупы – 5 %; крахмала до 7 % .

Пластификаторы– это вещества, вводимые в полимер, олигомер с целью повышения эластичности и пластичности, и облегчения диспергирования сыпучих компонентов (порошковые наполнители). Они уменьшают температуру переработки, вызывают набухание полимеров, в результате чего повышается пластичность, уменьшаются остаточные напряжения и деформации, повышается сопротивление ударным нагрузкам. Введение пластификаторов в полимер способствует ослаблению межмолекулярных связей, повышает гибкость макроцепей. Величина этого эффекта, как правило, определяется количеством вводимого пластификатора. Пластификаторы могут придавать материалу такие свойства, как светостойкость, морозостойкость, термостойкость, негорючесть, то есть от выбора пластификатора во многом зависят эксплуатационные свойства, как материала, так и самого изделия. Известно более 500 пластификаторов, важными из них являются: эфиры алифатических и ароматических кислот, эфиры алифатических спиртов, эфиры гликолей; эфиры фосфорной кислоты, эпоксидированные соединения; полиэфиры, хлорированные соединения. Содержание пластификаторов в пластмассе может находиться от 3 % до 50 % от массы полимеров.

Стабилизаторы – это вещества, повышающие устойчивость мономе-ров, олигомеров или полимеров к действию кислорода, света, атмосферы, особенно при высоких температурах в условиях производства. В качестве стабилизаторов используются антиоксиданты, термостабилизаторы, стаби-лизаторы света, противоутомители. Общее количество стабилизаторов составляет не более 5 %. Различают окрашивающие и неокрашивающие антиоксиданты, среди которых наибольшее применение находят различные алкофены. Стабилизаторы бывают органические и неорганические. Старение полиэтилена при добавлении антиоксидантов в количестве 2 % уменьшается в 30 раз. Самым распространенным стабили-затором является сажа, которая увеличивает устойчивость к действию солнечного света.

Для полиэтилена применяют такие стабилизаторы, как медь, различные ее соединения, сажа (газовая), некоторые амины, фенолы, двуокись кремния (белая сажа) в количестве от 0,01 % до 0,2 %.

Для полипропилена – сажа; для ПВХ – гиперазин в количестве от 0,01 % до 0,2 %; для полистирола – от 0,1 % до 0,5 % мочевины, фенола, вторичных, третичных аминов, солей марганца.

Красящие вещества вводятся в полимерный материал для придания им цвета и товарного вида. Красящие вещества бывают органические и неорганические. Подразделяют на пигменты и красители.

Пигменты не растворяются ни в каких растворителях, а красители – растворимые вещества. Как правило, окрашивание пластмасс производят добавлением красящих паст в процессе синтеза полимеров. Красящие вещества должны обладать высокой степенью дисперсности, свето-стойкостью, термостойкостью, атмосферостойкостью, стойкостью к агрессивным средам. Добавляются в количестве 0,01 – 0,2 %. В качестве замутнителей используются белила и неорганические пигменты.

Отвердители (сшивающие агенты) – это вещества, создающие в полимерной матрице композиционного материала на определенной стадии его производства (чаще всего при изготовлении изделия) химические связи между молекулами с целью повышения их прочности, тепловой и химической стойкости. Они способствуют переходу полимеров из линейной структуры в пространственную.

В качестве отвердителей применяются: кислоты, щелочи, перекиси, соли, отдельные мономеры (алифатические, ароматические амины, ангидриды кислот, полиизоционаты, фурфурол, стирол). Отвердители добавляют в количестве 1 – 3 % от массы олигомера. При повышении температуры смола с отвердителем из стадии А-резол переходит в стадию С-резит.

Порообразователи (порофоры)– это вещества, используемые для образования в полимере или полимерном материале системы не сообщающихся (в поропластах) и частично сообщающихся пор (в пенопластах). Получение вспененной структуры полимерных материалов приводит к существенному уменьшению массы материала, его кажущейся плотности при высоких показателях прочности и влагонепроницаемости. Кроме того, вспенивание материалов позволяет точнее обеспечивать любую сложную форму изделия, предотвращая наличие утяжек и снижение внутренних напряжений.

Порообразователи могут быть твердые, жидкие, газообразные; органического и неорганического происхождения. Твердые порофоры выделяют газы при нагревании (карбонаты и бикарбонаты). Жидкие порофоры способствуют образованию ячеистой структуры полимера в результате их испарения (изопентан, фреон, бензол). В качестве газообразных порообразователей применяют воздух и другие инертные газы. Газы вводятся в полимер под давлением. Химические порофоры – азот, углекислый газ, амины, соли, воздух. Физические порофоры – хлористый кальций, соли натрия. Данные соли после взаимодействия вымываются из изделия. Содержание порообразователей составляет обычно 1–10 % от массы полимера.

Смазкипредохраняют прилипание полимера к поверхности форму-емого изделия. Смазки вводятся на поверхность пресс-форм или другого оборудования, либо в саму композицию полимера. Они способствуют диспергированию ингредиентов в материале и добавляются в количестве 1 – 2 % от массы полимера. Применяются парафины, воски, стеараты.

Антиперены– это галогеносодержащие соединения, производные фосфора, соединения сурьмы, изоционаты. Данные вещества снижают горючесть материала, затрудняя при этом воспламенения и распространения пламени. Вводятся в количестве 14 – 55 % от массы полимера. Пластмассы, как правило, горючи и их классифицируют по коэффициенту горючести.

(1)

где Q₁ – количество тепла, выделяемого образцом при горении, КДж;

Q₂ – тепло, подводимое к образцу для его воспламенения, КДж, Ккал;

при K<0,1 – пластмассы негорючие (огнестойкие);

при K=0,1…0,5 – пластмассы трудногорючие;

при K>0,5 – пластмассы считаются горючие.

Антистатики– это различные группы поверхностно активных веществ, добавляемые в количестве до 1 % от массы полимера. Они предотвращают возникновение и накопление статического электричества на поверхности изделия из полимерного материала.