Сущность технологических процессов производства полимерных материалов
Полимерными материалами называются химические соединения, молекулы которых состоят из десятков и сотен тысяч атомов. К полимерам относится большая группа материалов. Сюда входят целлюлоза, каучуки, пластмассы, химические волокна, лаки, клеи, пленки, различные смолы и др.
По своему происхождению полимерные материалы делятся на природные и синтетические. Первые были известны очень давно. Это всевозможные природные смолы типа щелока и канифоли, крахмал, белки, натуральный каучук и др. Синтетические полимеры были впервые синтезированы в прошлом веке, но нашли широкое применение начиная г 30 40-х годов нашего столетия.
Все полимерные материалы являются высокомолекулярными соединениями. В отличие от обычных веществ, молекулы которых состоят из единиц или десятков атомов (НзО, НС1, C2H5OH и т.д.), молекулы полимеров содержат сотни и тысячи атомов. Такие молекулы называются макромолекулами и состоят из большого числа повторяющихся звеньев.
Синтетические полимеры получают по реакциям полимеризации и поликонденсации. В реакцию полимеризации вступают органические вещества, содержащие в молекуле двойные связи, например, этилен СН2=СН2.
Под воздействием света, тепла, давления или в присутствии катализаторов молекулы веществ за счет раскрытия двойных связей соединяются друг с другом, образуя полимер, химический состав которого, в случае полимеризации этилена, может быть выражен формулой: (—СН2—СН2)и, где п — степень полимеризации, т.е. число, показывающее сколько молекул мономера объединилось при полимеризации в молекулы полимера.
Характерной особенностью реакций полимеризации является отсутствие побочных продуктов. В процессе реакций поликонденсации полимерные вещества образуются с выделением побочных продуктов. Например, при получении фенолформальдегидных смол в реакцию вступают два мономерных продукта — фенол и формальдегид, в результате образуется полимер и выделяется вода.
Среди полимерных материалов особое место принадлежит пластмассам. Они представляют собой материал, в состав которого в качестве основного компонента входят высокомолекулярные смолы. При нагревании они способны переходить в пластическое состояние, формоваться под действием внешних сил и сохранять полученную форму при эксплуатации. За короткий срок они нашли широкое применение в таких ведущих отраслях промышленности, как машиностроение, электроника, радиотехника и др. Такое внедрение пластмасс в различные области обусловлено рядом причин.
Во-первых, это широкий комплекс уникальных свойств, присущих пластмассам. Они имеют небольшой удельный вес. В среднем пластмассы в 2 раза легче алюминия, в 5 8 раз легче стали, бронзы, а некоторые виды пенопластов в 25 раз легче пробки.
Легкость этих материалов определяет экономическую эффективность их использования в авиа-, авто- и судостроении, железнодорожном транспорте и др. Химическая стойкость пластмасс позволяет использовать их в химическом машиностроении в качестве конструкционных антикоррозионных материалов, с успехом заменяющих дорогостоящие металлы и сплавы.
Все пластмассы обладают диэлектрическими свойствами. Сочетание их с механической прочностью и теплостойкостью вплоть до 200 — 300 °С делает пластмассы основным электроизоляционным и конструкционным материалом электротехники. Многие пластмассы обладают низким коэффициентом трения и весьма малым износом. Их используют при изготовлении подшипников.
Другие, наоборот, отличаются высокими фрикционными свойствами и применяются в качестве тормозного материала. Все эти свойства присущи пластмассам с исключительным разнообразием в сочетании, и это в значительной мере определило тот факт, что пластмассы в наше время стали незаменимыми материалами в самых разнообразных отраслях народного хозяйства.
Во-вторых, для получения пластмасс существует практически неограниченная сырьевая база. Основу пластмасс — синтетические смолы — получают путем химического синтеза, простейших веществ, извлекаемых из столь доступного сырья, как уголь, известь, воздух, нефть, природные газы.
Одним из главных преимуществ использования пластмасс по сравнению с другими материалами является простота переработки их в изделия. Присущие им пластические свойства позволяют с помощью пресс-автоматов, автоматов для литья и др. изготавливать в час сотни деталей сложных конфигураций. При этом расход материалов минимальный (нет отходов в стружку), уменьшается количество станков и обслуживающего персонала, сокращается расход электроэнергии.
Строительство предприятий по производству и переработке пластмасс требует значительно меньших капиталовложений и обходится дешевле строительства предприятий, производящих материалы, заменяемые пластмассами.
Все вышеперечисленные достоинства пластмасс определили высокую технико-экономическую эффективность использования их и способствовали тому, что в настоящее время эти материалы являются не только заменителями дорогостоящих металлов и сплавов, но и самостоятельными уникальными конструкционными материалами.
По своему составу пластмассы делятся на простые и сложные. Первые состоят только из высокомолекулярной смолы, например, полиэтилена, полистирола и др. Сложные пласт> массы содержат, кроме смолы, ряд других компонентов — наполнители, пластификаторы, красители, стабилизаторы и др.
Высомолекулярные смолы являются основой любой пластмассы, они связывают воедино все компоненты и поэтому называются связующими. Наполнители —это непластичные вещества, вводимые в состав пластмасс для улучшения их механических, химических, электроизоляционных свойств.
В качестве их используют муку, типа, сажу; графит, тальк, бумагу, асбестовое и стеклянное волокно и др. Введение их в состав пластмассе снижает стоимость изделий. Пла стификаторы - это вещества, повышающие пластические свойства пластмасс и, следовательно, улучшающие процесс формования их в готовые изделия. В качестве, пластификаторов используют камфору, касторовое масло, дибутилфталат и др. Красители вводят в состав пластмасс для придания изделиям определенной окраски. Стабилизаторы — вещества, предотвращающие старение пластмасс.
По своему отношению к температуре пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. К термореактивным относятся пластмассы, которые при нагреваний до определенной температуры размягчаются, а затем переходят необратимо в неплавкое и нерастворимое состояние. Этот переход обусловлен химическими превращениями, происходящими в пластмассе при нагревании. Термореактивные пластмассы после отвердевания не могут быть переработаны повторно и поэтому называются необратимыми.
Термопластичными называются пластмассы, которые могут при нагревании размягчаться, а при охлаждении затвердевать без изменения своих первоначальных свойств. Такие пластмассы могут перерабатываться многократно и поэтому называются обратимыми. Примером термопластичных пластмасс могут служить: полиэтилен, полистирол, органическое стекло, фторопласт, винипласт и др; термореактивных, пластмасс — фенопласты.
Существуют различные способы переработки пластмасс, но все они основаны на способности этих материалов в определенных условиях приобретать пластичность и текучесть, формоваться и затем сохранять приданную им форму. Наиболее распространенными способами переработки пластмасс являются прессование, литье под давлением, экструзия и формование из листа.
Методом прессования перерабатываются главным образом термореактивные пластмассы. Изготовление изделий осуществляется на механических или гидравлических Арестах в специальных пресс-формах. Последние имеют внутреннюю полость, соответствующую форме и размерам будущего изделия, и обычно состоят из двух разъемных частей — матрицы и пуансона. Матрица укрепляется на нижней плите пресса, а пуансон — на подвижном ползуне пресса. Отмеренное количество пресс-порошка, нагретого до, 90— 12б °С, подается в матрицу, имеющую температуру, необходимую для прессования. Под воздействием тепла от нагретой матрицы полимер размягчается и приобретает необходимую пластичность. Под давлением пуансона размягченный материал заполняет полость пресс-формы.
При этом в термореактивной смоле происходят сложные химические превращения, приводящие к образованию неплавкого материала. Затвердевание изделия происходит в форме, находящейся под давлением. После определенной выдержки изделие извлекается из пресс-формы. Температура, давление и время прессования определяются свойствами прессуемых материалов.
При переработке термопластичных пластмасс чаще применяют литье под давлением. Оно осуществляется на специальных литьевых машинах. Порошкообразный или гранулированный полимер подается в обогреваемый цилиндр литьевой машины, где он расплавляется. Образовавшаяся жидкая масса под давлением поршня через небольшое Отверстие-литник выдавливается из цилиндра в полость сомкнутой пресс-формы, охлаждаемой водой. При охлаждении термопластичный полимер застывает и приобретает вид детали. Этим методом могут быть получены изделия сложной формы, высокой степени чистоты и точности. Кроме того, его отличает высокая производительность.
Метод выдавливания, или экструзия, применяется для переработки термопластичных и термореактивных материалов в листы, пленки, стержни, трубы, шланги. Такие изделия можно получать при непрерывном процессе формования в специальных машинах-экструдерах. Последние представляют собой червячные прессы. Исходный материал в виде порошка или гранул подается через загрузочную воронку в цилиндрическую камеру пресса, где вращается близко прилегающий к стенкам шнек (червяк).
При вращении шнека материал продвигается в обогреваемую часть камеры, где он размягчается до пластичного состояния, а затем продавливается через формующую головку экструдера — мундштук. Профиль и размеры выходного отверстия мундштука определяют форму и размеры готового изделия.
Формование из листа применяется при переработке термопластичных пластмасс в изделия сложной конфигурации с малой толщиной стенок. Технология формования аналогична листовой штамповке. Заготовка в виде листа пластмассы нагревается до пластичного состояния и подается в матрицу. Под давлением пуансона материал деформируется, приобретая форму полости штампа. Выдержка заготовки в штампе продолжается до охлаждения материала и фиксирования приданной формы.
Кроме рассмотренных способов при переработке пластмасс в изделия, применяют формовку, штамповку, механическую обработку резанием, выдувание пустотелых изделий — бутылей, канистр, флаконов и др. Все способы характеризуются коротким технологическим циклом, небольшими затратами труда и легкостью автоматизации.
Пластмассы, в зависимости от химической природы и методов получения смол, входящих в их состав, подразделяются на четыре класса.
• Пластмассы на основе высокомолекулярных соединений, полученных цепной полимеризацией. К ним относятся пластмассы на основе полимеров этилена, винилового спирта и их производных и др.
• Пластмассы на основе высокомолекулярных соединений, полученных поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией. К ним относятся пластмассы на основе фенолоальдегидных (фенопласты) и аминоформальдегидных (аминопласты) смол, кремнийорганических соединений и др.
• Пластмассы, содержащие природные полимеры. К ним относятся простые и сложные эфиры целлюлозы (целлулоид, этроны), белковые вещества (галлалит) и др.
• Пластмассы на основе природных и нефтяных асфальтов, а также смол, получаемых деструкцией различных органических веществ.
Пластмассы широко применяются в народном хозяйстве: в машиностроении, приборостроении, электро- и радиотехнике, быту и т.п. Объясняется это тем, что они сочетают в себе ряд ценных свойств: являются теплоизоляционными материалами, хорошими диэлектриками, могут быть оптически- и радиопрозрачными, упругими или эластичными. Пластические массы имеют низкую плотность, коррозионную стойкость, легко формуются в изделия, а некоторые из них по механическим свойствам вполне могут заменять металлы и сплавы.
Стоимость пластмасс ниже стоимости металлов. Однако пластмассы имеют низкую теплостойкость и подвержены старению. Большинство из них могут работать в интервале температур 60—150 °С и только некоторые — до 300 °С.
Химические волокна — это полимерные материалы, имеющие форму тел, длина которых во много раз превышает размеры их поперечного сечения. Задолго до получения химических волокон человек пользовался натуральными, получаемыми из растений, — хлопка, льна, джута, а также волокнами животного происхождения — шелк, шерсть. Все натуральные волокна имеют низкую температуру эксплуатации, невысокие механические свойства, высокую себестоимость.
Поэтому с каждым годом все большее значение приобретают химические волокна. Они делятся на две группы — искусственные и синтетические волокна. Первые получают из природных высокомолекулярных соединений — целлюлозы, козейна и др., вторые — из высокомолекулярных соединений, полученных путем химических реакций из иономеров. Химические волокна превосходят натуральные по прочности, они легче по весу, не подвержены гниению. Себестоимость их значительно ниже, чему натуральных.
Главным сырьем для производства искусственных волокон служит целлюлоза. Это природный полимер, входящий в состав растительных клеток и образующий твердый остов растений. В сухой древесине содержится 45-55% целлюлозы. Наиболее ценные ее сорта получают из хвойных деревьев. Путем химической обработки целлюлозы получают такие волокна, как вискозное и ацетатное, широко используемые как для получения различных сортов тканей, так и для других целей: например, ацетатное волокно обладает диэлектрическими свойствами и применяется в качестве электроизолятора.
Синтетические волокна получают из синтетических высокомолекулярных смол. Число их непрерывно возрастает. Большую группу составляют полиамидные волокна, куда входят капрон, нейлон, энант. Они характеризуются высокой прочностью, эластичностью, стойкостью к действию щелочи, электроизоляционной стойкостью.
К группе полиэфирных волокон относится лавсан. Он используется для производства тканей, трикотажных изделий, электроизоляционных материалов. Отличается высокой механической прочностью и устойчивостью к действию повышенных температур.
Технологический процесс получения химических волокон включает следующие стадии: 1) получение исходного материала, 2) приготовление прядильной массы, 3) формование волокна, 4) отделка.
• Для получения исходного материала используют традиционные методы синтеза высокомолекулярных смол. Однако для получения волокон используются очень чистые смолы, способные либо растворяться в каких либо растворителях, либо плавиться. Для очистки исходное сырье подвергают фильтрованию.
• Приготовление прядильной массы состоит в растворении полимера в растворителе или расплавлении его. Иногда на этой стадии добавляют красители для получения нужного цвета.
• Формование волокна производится на специальном оборудовании путем продавливания прядильной массы через фильеры — мельчайшие отверстия диаметром 0,04 им. Образующиеся тонкие струйки раствора или расплава отверждают путем охлаждения или химическим способом с использованием специальных отвердителей. Образующиеся нити сматывают на приемные катушки.
• Отделка волокна состоит в обработке волокна различными реагентами, сушке, кручении, отбелке, вытягивании, термообработке перемотке, сортировке.
Каучуки являются типичными представителями высоко молекулярных (полимерных) соединений. Каучук является основной составной частью редины. Народнохозяйственное значение каучука очень велико. Громадные и все возрастающие количества каучука потребляют автомобильная, авиационная и тракторная промышленности. Большое количество его идет на изготовление приводных ремней и транспортерных лент, шлангов и рукавов, электроизоляционных тканей, изделий широкого потребления (обувь, спортивные товары, игрушки), изделий санитарии и гигиены и многих других.
Ассортимент резинотехнических изделий превышает 50 тыс. наименований. Каучук бывает растительного происхождения (натуральный) и синтетический.
• Натуральный каучук содержится в млечном соке (латексе) каучуконосных растений. Латекс содержит около 35% природного каучука и 60% воды. По химической природе натуральный каучук (НК) является непредельным углеводородом — линейный полимер изопрена:
- СН2 – С = СН – СН2
СН3
Макромолекулы НК хотя и имеют линейную структуру, но они не вытянуты в линию, а сильно изогнуты и даже скручены в клубки. Такое строение каучука обусловливает возможность получения из него резины с высокой механической прочностью и эластичностью в широком интервале температур.
Будучи непредельным углеводородом (ненасыщенным ациклическим) каучук способен к реакциям присоединения. Наибольшей эластичностью НК обладает при температуре 15 — 20 °С. С понижением температуры каучук становится хрупким. При 180—200 °С каучук плавится, а свыше 200 °С разлагается с частичным выделением изопрена, Обладая стойкостью к повышенным и пониженным температурам и к действию ряда растворителей, натуральный каучук, как и многие синтетические каучуки, в чистом виде, для практических целей почти не применяются.
Интересно отметить, что в природе существует другой пространственный изомер натурального каучука (транс-изомер), известный под названием гуттадерчa. B чистом
виде гуттаперча применяется для покрытия электрокабелей, изготовления клеев и др.
Химический состав и строение, а следовательно, и физико-химические свойства синтетических каучуков могут быть весьма разнообразны и сильно отличаться от свойств натурального каучука. В этом заключается значительное преимущество синтетических каучуков, так как, изменяя состав и строение каучука, ему можно придать такие свойства, которыми не обладает натуральный каучук.
Основным сырьем для производства синтетического, каучука являются попутные газы нефтепереработки, этиловый спирт и ацетилен. Основные методы получения — полимеризация и поликонденсация.
При переработке каучуки превращают в резину. Важнейшие свойства резины: высокая эластичность, сопротивление к истиранию, изгибам, амортизирующая способность, газо- и водонепроницаемость, высокие электроизоляционные свойства и стойкость к агрессивным средам.
Для получения резины к каучукам добавляют ряд компонентов (ингредиентов) и полученную смесь подвергают вулканизации. Вулканизация заключается в образовании мостиков между линейными молекулами каучука и получении трехмерной пространственной молекулярной структуры. Такая структура приводит к повышению термической стойкости и прочности материала, к уменьшению его растворимости и увеличению химической стойкости.
Наиболее распространенным вулканизатором является сера. Для получения мягких резин вводят 2% серы от массы каучука, полутвердых — 7% и твердых — около 30%. Некоторые каучуки вулканизируются окислами металлов, кислородом и другими веществами. Ускорителями вулканизации служат сернистые и азотные соединения, в состав резиновой смеси для защиты от старения и увеличения срока службы резиновых изделий добавляют противостарители.
Наполнители, применяемые при производстве резины, разделяются на активные и инертные. Активные — сажа, цинковые белила, каолин — применяются для повышения, прочности резиновых изделий; инертные наполнители — мел, тальк и др. — вводятся в состав резины для их удешевления. Мягчите ли (парафин, вазелиновое масло, стеарин, канифоль) облегчают переработку резины в изделия. Красители придают резине соответствующую окраску.
Для облегчения обработки смесей, увеличения химической стойкости резины, снижения стоимости изделий в состав резиновых смесей вводят от 10 (в шинном производстве) до 100% (при изготовлении резиновых ковриков) регенерата каучука.
Изготовление резиновых изделий осуществляется различными способами: листы получают на каландрах; трубки, шнуры, полисы и другие профилированные изделия — методом шприцевания, заключающимся в непрерывном выдавливании нагретой резиновой смеси шнеком через фигурное отверстие насадки червячного пресса; массивные заготовки получают штамповкой, мелкие и средние — литьем под давлением; тонкостенные изделия изготавливают путем окунания модели в латекс.
По назначению резины разделяются:
1) общего назначения, эксплуатируемые в интервале температур от — 50 до + 150 °С (шины, обувь, ремни, амортизаторы и т.п.);
2) теплостойкие, используемые для длительной эксплуатации при температуре выше 150 °С (детали самолетов; машин, электродвигатели и т.п.);
3) морозостойкие, устойчивые при работе изделий в условиях Крайнего Севера и больших высот;
4) маслостойкие, устойчивые в бензине, керосине, нефти,
5) химически стойкие, устойчивые к озону, кислотам, щелочам, растворам солей;
6) газонаполненные, используемые как теплоизолирующий и амортизационный материалы;
7) стойкие к действию радиации — для изготовления деталей рентгеновских аппаратов, атомных реакторов и т.д.;
8) диэлектрические, применяемые для изоляции.
Экономика производства синтетических каучуков и резины в значительной степени определяется стоимостью исходного сырья. Так, стоимость сырья в промышленности синтетических каучуков составляет около 75%, в промышленности резиновых - изделий — 80%, в шинном производстве — 87% себестоимости продукций. Доля электроэнергии и топлива составляет 11-12%. Следовательно, уменьшение сырья и мате
риалов имеет решающее значение для повышения экономической эффективности производства синтетического каучука и резины.
Дата добавления: 2016-05-05; просмотров: 1520;