Термопласты и их свойства

Основными видами термопластических полимеров, получаемых полимеризаци­ей, являются полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полимеры фторопроизводных этилена, полиамиды, полиметилметакрилат, полиформальдегид, пентапласт и др. Термопласты, получаемые на их основе, способны многократно нагреваться до плавления с последующим затвердеванием при охлаждении, т. е. подвергаться повторному формованию. Они используются обычно без наполните­лей, обладают достаточной удельной прочностью, хорошими диэлектрическими свой­ствами, химической устойчивостью и высокой ударной вязкостью. Их недостаток - невысокая теплостойкость и нестабильность свойств из-за старения. Введение до 20-30% порошковых и волокнистых наполнителей сохраняет технологичность и повышает эксплуатационные свойства пластмасс.

Полиэтилен - один из наиболее распространенных видов термопластов. В промышленности его получают полимеризацией этилена, являющегося побоч­ным продуктом переработки нефти.

Свойства полиэтилена во многом зависят от способа его производства. В на­стоящее время применяют три способа производства полиэтилена: при высоком дав­лении (полиэтилен высокого давления - ПЭВД) и температуре 180 - 200°С в присутствии инициаторов процесса (кислорода или перекисей), при среднем дав­лении 3 - 7 МПа в присутствии оксидных катализаторов и при низком давлении в присутствии металлорганических катализаторов.

Поэтому полиэтилен низкого давления (ПЭНД) обладает более высокой жесткостью, прочностью и теплостойкостью по сравнению с полиэтиленом высокого давления.

Полиэтилен практически безвреден и не выделяет в окружающую среду опас­ных для здоровья человека веществ, однако в полиэтилене низкого давления могут содержаться токсичные технологические примеси. Полиэтилен обладает высокой химической и электроизоляционной стойкостью, водонепроницаемостью, достаточ­ной прочностью и технологичностью, может легко перерабатываться в различные изделия, свариваться, поддаваться различным видам механической обработки.

Полиэтилен высокой плотности характеризуется повышенной прочностью, твер­достью и износостойкостью, поэтому применяется для изготовления литьевых и объемных изделий, а также деталей машин и механизмов.

Полиэтилен низкой плотности (высокого давления) используется для получе­ния более мягких и эластичных изделий, а также для изоляции разнообразных кабелей и проводов, в качестве облицовочного антикоррозионного материала, для изготовления пленки, нитей, лент, листов, брусков, выдувных изделий (канистры, бутыли и др.) и т. п. Полиэтиленовая пленка применяется как тарный и упако­вочный материал в пищевой, фармацевтической и химической промышленности, как распространенный гидроизоляционный материал, для покрытия крыш теплиц и парников, для изготовления различных изделий бытового назначения и др.

В основу маркировки полиэтилена положены способ его производства и ос­новные свойства. При маркировке после слова «Полиэтилен» приводится набор цифр, например, 1.1503-070 или 21008-075. При этом первые цифры (1 или 2) указывают на способ производства полиэтилена (при высоком или низком дав­лении), последующие две цифры (15 или 10) - порядковые номера марок, чет­вертая цифра (0) - единая для всех выпускаемых марок полиэтилена, а пятые (3 или 8) означают соответствующие группы плотности. Последние три цифры, поставленные после дефиса, характеризуют десятикратное значение показатели текучести расплава.

Порядковые номера марок полиэтилена зависят от типа оборудования, исполь­зованного для полимеризации. Для полиэтилена низкого давления (ПЭНД) но­мера марок установлены 10, 20, 30, 40 и т. д. до 100 включительно.

Группы плотности связаны со способом производства. Согласно ГОСТам для полиэтилена высокого давления установлено шесть групп плотности (с по 6) от 0,90 до 0,9 кг/м³, а для полиэтилена низкого давления - четыре группы плот­ности от 0,93 до 0,97 кг/м³.

Полиэтилен наполненный и ненаполненный поставляется высшего, I и II сор­тов. Сорт продукта характеризуется содержанием посторонних примесей и окисленностью. Обычно пользуются сокращенной маркировкой, состоящей из слова «полиэтилен», трехзначной цифры условного обозначения и сорта продукта. Например, полиэтилен 115, сорт I или полиэтилен 210, сорт I. Наполненные по­лиэтилены обозначаются так же, только после условного обозначения марки через дефис указывается еще номер рецептуры добавок: например, полиэтилен 210-0,4, I сорт.

Полипропилен является продуктом полимеризации пропилена - дешевого и доступного газа, выделяемого в большом количестве при крекинге нефтепродуктов. Полипропилен – это легкий материал, обладающий сравнительно высокой тепло­стойкостью, твердостью, прочностью, относительным удлинением, не выделяет вред­ных веществ. Без нагрузки его можно применять при температурах до 150 °С.

Недостатком полипропилена является его низкая морозоустойчивость: при тем­пературе около минус 10°С полипропилен становится хрупким. По электрическим свойствам полипропилен не уступает полиэтилену и применяется для изготовле­ния деталей к электро-, радио- и телевизионному оборудованию. Высокая хими­ческая стойкость полипропилена позволяет использовать его для изготовления труб, химической аппаратуры, а также в качестве облицовочного и декоративно­го антикоррозионного материала. Из него изготавливают посуду, флаконы, плен­ки и волокна. Пленки из полипропилена могут эксплуатироваться при более вы­соких температурах, чем полиэтиленовые пленки, характеризуются меньшей газо- и паропроницаемостью, большей прочностью. На полипропиленовую пленку прак­тически не действуют минеральные и растительные масла (полиэтилен при дли­тельном контакте частично впитывает жиры и нефтепродукты).

Полипропиленовые волокна обладают прочностью, эластичностью и водостой­костью и используются как самостоятельно, так и в смеси с другими природными и химическими волокнами при изготовлении тканей, ковров, а также канатов, се­ток, рыболовных сетей и др. Солнечный свет и кислород оказывают отрицатель­ное воздействие на свойства полипропилена. Эффективным стабилизатором по­липропилена является сажа. Старение полипропилена можно предотвратить или уменьшить добавлением ароматических аминов, алкалзамещенных фенолов, соеди­нений фосфора, сульфидов и др. Высокие технические и эксплуатационные свой­ства полипропилена в сочетании с его доступностью и дешевизной обусловлива­ют расширение производства и потребления этого материала. Полипропилен перерабатывается в изделия литьем под давлением, экструзией и др.

Поливинилхлорид - твердый продукт белого цвета, получаемый полимери­зацией винилхлорида. Это порошкообразный материал преимущественно амор­фной структуры. При термических и механических воз­действиях происходит деструкция макромолекул, поэтому при получении пластмасс поливинилхлорид стабилизируют, вводят смесь из нескольких стабилизаторов, смазок (парафины, воски) пластификаторов, красителей и т. п.

В зависимости от количества введенного пластификатора и характера перера­ботки получают: винипласты, пластикаты и пенопласты, а также лаки.

Винипласт обладает повышенной плотностью, прочностью и износостойкостью по сравнению с поли­этиленом, удовлетворительной электрической прочностью, химической стойкостью к воздействию минеральных кислот, растворов щелочей и солей. Винипласт, как и полиэтилен, разрушается от действия сильных окислителей (азотная кислота, соединения хлора и фтора). Недостатками винипласта являются низкая ударная вязкость и набухание в воде. Для повышения ударной прочности винипласта в его состав вводят композицию акрилонитрила, бутадиена и стирола (сокращенно АБС). Полученный ударопрочный винипласт используют главным образом для изготовления комплектующих деталей автомобилей.

Винипласт применяется для изготовления различных деталей и изделий, листов, труб; производят марок А и В, отличающихся содержанием составляющих компонентов. Толщина пленок от 0,3 до 1 мм, а листов - от 2 до 20 мм.

Пластикат в отличие от винипласта более мягок и содержит около 50% пласти­фикаторов (дибутилфтолат, трикрезилфосфат и др.), которые повышают пластич­ность и морозостойкость материала, облегчают дальнейшую переработку его в изделия. Пластикат обладает высокими диэлектрическими свойствами, хорошей коррозионной стойкостью, используется для изоляции кабелей, изготовления изо­лированных электрических проводов, изоляционной ленты и т. п. Из пластиката получают прокладочные и герметизирующие изделия, пленки, искусственную кожу, линолеум и плитки для полов, профильные изделия для мебельной промышлен­ности и другие изделия.

Полистирол получают полимеризацией стирола в растворителях.

Стирол, или винилбензол, представляет собой жидкость с резким запахом. Полимеризация может проходить в обычных условиях и при комнатной тем­пературе.

Полистирол обладает высокими диэлектрическими свойствами, влагостойкостью и химической стойкостью, благодаря чему применяется в качестве антикоррози­онного материала при изготовлении различного химического оборудования и приборов, лабораторной посуды, корпусов аккумуляторов и др. Для полистирола характерны сравнительно низкая теплостойкость и ударная прочность (высокая хрупкость).

Он применяется для изготовления предметов бытовой техники и домашнего обихода (деталей радио- и электроаппаратуры, автомобилей, холодиль­ников, не подвергающихся при эксплуатации ударным нагрузкам; корпусов радио­приемников, телевизоров и высокочастотных приборов; кассет и катушек для магнито-, фото- и кинопленок, оболочек кабелей, облицовочных плиток, пленки, пуговиц и других галантерейных изделий.

Фторопласты - это производные этилена, в котором водород замещен фтором или фтором и хлором. Химическая промышленность выпускает четыре вида фторопластов (фторопласт-1, фторопласт-2, фторопласт-3 и фторопласт - 4), от­личающиеся составом исходного мономера. При этом цифра, стоящая в на­звании фторопласта (1, 2, 3 и 4), указывает на количество атомов фтора в исходном мономере. Чем оно больше, тем выше термическая и химическая стойкость фторопласта.

Политетрафторэтилен, или фторопласт-4 (тефлон), получают эмульсионным спо­собом в автоклавах полимеризацией мономера, имеющего четыре атома фтора.

Полученный продукт представляет собой рыхлый белый волокнистый порошок; при нагревании не плавится, как другие термопластичные материалы, а только раз­мягчается, поэтому не перерабатывается в изделия обычными методами. Фторопласт-4 водостоек, не горит и не растворяется в обычных растворителях.

Хи­мическая стойкость фторопласта-4 превосходит стойкость всех других синтети­ческих материалов и сплавов и даже благородных металлов - золота и платины. На него не действуют все разбавленные и концентрированные кислоты, включая царскую водку, даже при высоких температурах. Применяется фторопласт-4 для изготовления деталей и изделий, работающих в агрессивных средах и при высо­ких температурах, уплотнительных материалов. Тефлоном покрывают внутреннюю часть сковороды, кастрюли и др., слой тефлона препятствует пригоранию пищи даже без добавления жира.

Высокие диэлектрические свойства фторопласта находят применение в изоля­ции проводов, кабелей.

Полиамидами называются высокомолекулярные соединения, содержащие в сво­ей цепи амидные группы — CONH —. Наиболее распространенными полиамидными смолами являются капрон и нейлон (анид). Используемые для производства полиамидов сырьевые материалы представляют собой легко растворимые кристаллические вещества, получаемые в ос­новном из бензола и его соединений.

Химическое строение полиамидов характеризуется цифровыми обозначениями. Если полиамид получен полимеризацией из одного мономера, то при его марки­ровке после слова «полиамид» ставится одна цифра, соответствующая числу ато­мов углерода в мономере. Так, капрон (поликапроамид), получаемый полимери­зацией капролактама, называется полиамидом 6.

В случаях, когда полиамид получен поликонденсацией диаминов с дикарбоновыми кислотами или их производными, число цифр в марке характеризует количество исходных компонентов, из кото­рых синтезирован полиамид. При этом цифры до запятой показывают число атомов углерода в диаминах, а после запятой - в дикарбоновых кислотах (на­пример, нейлон, полученный из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты - полигексаметиленадинамид, называется полиамидом 6,6 и т. д.).

Основные направления использования полиамидов - производство синтети­ческих волокон и пластмасс.

Полиамиды являются наиболее прочными, жесткими и вяз­кими термопластами, которые хорошо сопротивляются абразивному износу, обладают высо­кой химической стойкостью. В паре с металлами они имеют низкие коэффициенты трения и не схватываются с ними. В вязко-текучем состоянии полиамиды легко перерабатываются в различные изделия, волокно, пленку и другие известными, способами: отливкой в формы, литьемпод давлением, центробежным литьём и прессованием, продавливанием через фильеры, на шнек машинах.

Недостатками полиамидов являются низкая твердость и теплопроводность, значительное водопоглощение, высокий коэффициент теплового расширения, старение на свету, слабые диэлектрические свойства и др.

Наиболее благоприятное влияние на физико-механические свойства полиами­дов в качестве наполнителя оказывает стеклянное волокно. Чистые полиамиды используются для изготовления деталей, подверженных ударным воздействиям, а полиамиды со стеклянным волокном — для изготовления износостойких и тепло­стойких деталей (комплектующие детали автомобилей, радио- и электротехнические детали с повышенной теплостойкостью и др.). Полиамидные волокна применяют­ся в производстве ковров, щеток, изоляции проводов, автомобильных шин, канатов, рыболовных сетей, фурнитуры для одежды и т. п.

Полиметилметакрилат представляет собой прозрачную бесцветную смолу, по­лучаемую полимеризацией метилметакрилата - метилового эфира метакриловой кислоты.

Наибольшее распространение получил блочный метод полимериза­ции метилметакрилата для получения листового материала, широко используемого под названием «органическое стекло» (плексиглас). Органические стекла обладают высокой прозрачностью и диэлектрическими свойствами, лёгкостью, механи­ческой прочностью и применяются для остекления самолетов и автомобилей, из­готовления оптических стекол, стоп-сигналов, подфарников, шкал, светильников, часовых стекол, автомобильных фар, предохранительных щитков на машинах.

Органические стекла пропускают около 75% ультрафиолетовых лучей (обычное силикатное стекло - менее 1%). Они исключительно стойки против атмосферного старения, легко окрашиваются. Как диэлектрик органическое стекло исполь­зуется для получения изделий, сочетающих электрическую стойкость с химичес­кой стойкостью и износостойкостью.

В машиностроении органическое стекло применяется в качестве конструкционного материала. Оно выпускается прозрач­ным и непрозрачным, бесцветным и крашеным.

Полиметилметакрилат обладает высокой маслостойкостью, водостойкостью, бензостойкостью, устойчив к действию растворов кислот, щелочей и различных солей.

Недостатками органического стекла являются низкая твердость, тепло- и изно­состойкость, склонность к помутнению, а также растрескиванию под действием различных факторов. Основными методами переработки органического стекла в изделия являются штамповка, прессовка, вакуум-формование, сварка отдельных деталей, а также другие способы обработки, характерные для термопластов.

Первые пластические массы были созданы на основе природных высокомоле­кулярных соединений. И в настоящее время эфиры целлюлозы с добавлением наполнителей, красителей и стабилизаторов служат для изготовления пластмасс.

Целлюлоза — природное высокополимерное вещество группы углеводов, она входит в состав древесных и других растительных волокон. Гидроксильные груп­пы целлюлозы могут вступать в реакции этерификации с образованием простых и сложных эфиров целлюлозы.

Так, действием галогенпроизводных углеводоро­дов на щелочную целлюлозу получают этилцеллюлозу и бензилцеллюлозу, кото­рые применяются в производстве лаков и пластмасс.

При действии на целлюлозу минеральных или органических кислот образуют­ся сложные эфиры целлюлозы: азотно-кислотные - нитроцеллюлоза; уксусно­кислые - ацетилцеллюлоза. Недостатком нитроцеллюлозы является ее сильная горючесть.

В зависимости от числа гидроксильных групп в звене целлюлозы, вступивших в реакцию этерификации, образуются моно-, ди- и тринитрат целлюлозы. Смесь моно- и динитрата целлюлозы называют коллоксилином. Из коллоксилина, пластифицированного камфарой ­была получена термопластичная пластмасса - цел­лулоид. Целлулоид используют для изготовления галантерейных, чертежных и др. изделий. Целлулоид нестоек к действию тепла и света, воздействию органических ра­створителей, сильных кислот и щелочей, легко воспламеняется, хрупок при низких температурах.

Для получения пластмасс, негорючей фото- и кинопленки применяют ацетаты целлюлозы.