Товароведение и экспертиза отдельных групп

Непродовольственных товаров

Лекция 4

Изделия из пластических масс:

Классификация, характеристика ассортимента, требования к качеству, упаковке, маркировке, транспортированию и хранению.

Экспертиза качества

История использования пластических масс для производства изделий насчитывает около 200 лет, тогда как глину человек ис­пользует уже около 7 тысяч лет, а стекло — около 5 тысяч лет. Первым промышленным пластическим материалом, получен­ным в 1843 году вулканизацией натурального каучука серой, был эбонит, который стали применять для электроизоляции. В 1868 году на основе нитратов целлюлозы был получен целлу­лоид, а в 1897 году на основе казеина — галалит. Эти пластиче­ские массы использовали для замены слоновой кости, черепахо­вых панцирей и рога при изготовлении галантерейных изделий. В начале XX века было начато производство первых синтетиче­ских полимерных материалов на основе фенолоформальдегидных полимеров. Быстрое развитие химии высокомолекулярных соединений привело к появлению ряда полимеров со специфи­ческими свойствами, и с 60-х годов XX века началось их про­мышленное производство (полифениленов, ароматических по­лисульфидов, полисульфонов, сложных полиэфиров, полиарилатов, полиимидов).

В настоящее время невозможно представить товарный рынок без изделий из пластмасс, без них не может обойтись ни одна от­расль промышленности, ни одна сфера человеческой деятельно­сти. Пластические массы стали самостоятельным классом мате­риалов, который используют при производстве изделий хозяйст­венного, культурно-бытового и галантерейного назначения, тары и упаковки, волокон и нитей, деталей для электробытовых това­ров, радиоэлектронной аппаратуры, автомобилей, самолетов, космических кораблей и пр. Широкое использование пластиче­ских масс обусловлено комплексом разнообразных свойств, при­сущих данному материалу: высокий коэффициент использования материала; хорошие технологические и эстетические свойства; прозрачность; термическая и химическая стойкость; способность имитировать поделочные материалы; наличие электроизоляци­онных свойств; невысокая объемная масса у пено- и поропластов и пр.

В настоящее время в химической индустрии РФ насчитыва­ется свыше 760 крупных и средних промышленных предприятий и более 100 научных и проектно-конструкторских организаций, опытных и экспериментальных заводов. Производственный и научно-технический потенциал позволяет российским предпри­ятиям производить около 1,1 % мирового объема химической продукции.

Пластмассы отличаются от других материалов доступностью сырья, легкой перерабатываемостью в изделия, возможностью получения изделий с широким спектром заранее заданных свойств: высокой химической стойкостью, в том числе жиростойкостью и водостойкостью, относительно высокой механической прочностью при небольшой плотности, эластичностью, упругостью, способностью к пленкообразованию, волокнообразованию, стеклообразованию и т.д.

Свойства полимеров зависят от химического состава, строения макромолекул, молекулярной массы и т.д. Повышение механической прочности пластмасс достигается применением наполнителей совместно со связующим полимером, прочностные характеристики при этом могут оказаться выше, чем у металлов или природных материалов. Такие пластмассы применяются для изготовления подшипников, зубчатых передач, корпусных конструкций в судостроении, авиа- и автостроении.

Высокая химическая стойкость пластмасс к агрессивным средам позволяет применять их в технологическом оборудовании, для антикоррозийной защиты металлов, для изготовления изделий, используемых в контакте с водой.

Многие пластмассы легко окрашиваются пигментами и красителями в массе, что позволяет придавать им при необходимости декоративный вид, сочетать с другими конструкционными компонентами или имитировать природные материалы.

Электрические свойства пластмасс, определяющие их поведение в электрическом поле, зависят от различных примесей, температуры, параметров электрического поля. Очищенные полимеры (полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, полиамиды, поливинилхлорид, полиэфиры и т. д.) отличаются большим удельным сопротивлением и используются в качестве электроизоляционных материалов в электротехнических изделиях, электроарматуре, радиоэлектронной аппаратуре и бытовых электроприборах.

К числу важнейших параметров материалов, состоящих целиком или частично из полимеров, относятся теплостойкость и термостойкость. Теплостойкость определяется температурой стеклования и температурой размягчения полимера.

Под термостойкостью понимают температуру, при которой начинается химическое изменение материала за счет термоокислительной или термической деструкции, связанной с выделением летучих продуктов.

При действии на полимеры нагрева, света, ионизирующего излучения, ультразвука, окисляющих веществ и т.д. происходят химические процессы, сопровождающи­еся деструкцией или структурированием полимеров, а в присутствии кислорода и воды окислительными и гидролитическими превращениями, то есть происходит «старение» полимеров. В результате ухудшаются физические свойства изделий, в частности, механическая прочность и окраска.

Важным свойством является холодостойкость полимеров, то есть способность сохранять механические свойства (отсутствие хрупкости) при низких температурах.

Классификация, структура и фазовое состояние полимеров

Пластические массы (пластмассы) - это сложные или однородные вещества, основу которых составляют высокомолекулярные соединения (полимеры) и композиции на их основе, обладающие пластич­ностью на определенном этапе их переработки.

Полимеры - это высокомолекулярные соединения, состоящие из многократно повторяющихся звеньев одинакового химического состава (мономеров). Макромолекула полимера состоит из большого коли­чества атомов, связанных между собой валентными силами. От химического состава полимера, его структуры, гибкости цепей, величины молекулярной массы зависят свойства пластмасс, соз­даваемых на основе полимеров.

Существуют два основных метода синтеза полимеров из низкомолекулярных соединений-мономеров: полимеризация и поликонденсация.

Полимеризация - процесс образования макромолекул полимера по цепному механизму путем последовательного присоединения мономерных звеньев, имею­щих свободные химические связи на своих концах. По числу участвующих в реакции типов мономеров различают гомополимеризацию (один мономер) и сополимеризацию (два и более типа мономеров).

В полимеризацию вступают мономеры, содержащие кратные связи у атомов углерода (например, ацетилен, винильные, акрильные и другие соединения) или способные раскрывать циклические группировки (лактамы, окиси олефинов и др.). Для возникновения реакции небольшое количество мономеров активизируют с разрывом кратной связи действием катализаторов или светом, электрическим по­лем и др. Специальными добавками регулируют степень полимеризации, получая полимеры в жидком, вязком или твердом состоянии.

Элементарный состав образующихся макромолекул не отличается от состава мономера и название мономера повторяется в названии полимера - полиэти­лен, поливинилхлорид и др.

Сополимеры имеют другие свойства по сравнению с гомополимерами. Подбор мономеров, различные их сочетания дают возможность получать продукты с боль­шим разнообразием свойств.

Поликонденсация - ступенчатый процесс образования макромолекул с об­разованием в большинстве случаев побочных низкомолекулярных продуктов (вода, аммиак, галогеноводороды, спирт и др.).

Методом поликонденсации получают полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, по­ликарбонаты, фенолоформальдегидные смолы и др.

По структуре макромолекул полимеры делятся на три основные группы - линейные, разветвленные и трехмерные (сшитые или сетчатые).

Макромолекулы линейных полимеров построены из мономерных звеньев одного или разных типов, соединенных регулярно или нерегулярно химическими связями в длинные цепи. К линейным полимерам относятся регулярный полиэтилен, поливинил­хлорид. При наличии заместителей, расположенных в регулярной последовательнос­ти по отношению к главной цепи, полимеры называются стереорегулярными.

Разветвленные полимеры имеют молекулы с ветвями, длинными или коротки­ми. К ним относятся, например, привитые сополимеры.

Линейные и умеренно разветвленные полимеры с достаточно высокой моле­кулярной массой способны растворяться в органических растворителях и обра­зовывать прочные, эластичные волокна или пленки. Эти свойства связаны с боль­шой длиной и гибкостью макромолекул полимеров.

Многие линейные и умеренно разветвленные полимеры способны плавиться при нагревании, переходить в вязко-текучее состояние и принимать заданную форму. Такие полимеры называются термопластичными (полиэтилен, полистирол и др.).

Сшитые, или трехмерные, полимеры получаются при образовании поперечных связей между макромолекулами. Этот процесс охватывает весь объем вещества и фактически исчезает понятие «макромолекула».

Полимеры с трехмерной (сшитой) структурой не растворяются и не плавятся при нагревании вплоть до температуры разложения (являются термореактивны­ми), поэтому не поддаются безотходной переработке.

Вязко-текучие полимеры необратимо изменяют свою форму под воздействием небольших механических нагрузок (низкомолекулярные полимеры).

Высокоэластические полимеры при воздействии не слишком больших нагрузок подвергаются обратимой деформации (каучуки, резины).

Стеклообразные полимеры мало изменяют свою форму даже при больших механических нагрузках.

Если при обычных температурах полимеры находятся в высокоэластичном со­стоянии и переходят в стеклообразное состояние при более низких температу­рах, то они называются эластомерами. Полимеры, которые переходят в стеклооб­разное состояние при более высоких температурах, относятся к пластикам.

Простые однородные пластмассы состоят только из полимера, например, из полиэтилена, полипропилена или полистирола. В твердом состоянии такие поли­меры проявляют хрупкость и быстро стареют с течением времени.

Для получения ударопрочной пластмассы полимер сополимеризуют с другими мономерами, дающими более гибкие молекулярные цепи. Например, стирол сополимеризуют с акрилонитрилом, бутадиеном или добавляют к нему синтетический каучук, оказывающий пластифицирующее действие. Старение пластмассы замед­ляют добавляемые стабилизаторы. Для окраски пластмасс могут добавляться красители.

Композиционные пластмассы содержат наполнители, связывающие вещества, пластификаторы, стабилизаторы, красители и другие вещества.

Наполнители вводятся для улучшения физико-химических свойств пластмасс, при этом снижается себестоимость изделий. В качестве наполнителей используют квар­цевую или древесную муку, молотую слюду, асбест, бумагу, ткани и т. д. Подбор наполнителей позволяет повысить ударопрочность, теплостойкость и огнестойкость пластмасс. Содержание наполнителя может достигать 2/3 от веса пластмассы.

Частицы наполнителя перемешиваются со связующим веществом и остальны­ми компонентами пластмассы и связываются (склеиваются) полимерной смолой в твердую и плотную массу.

С увеличением содержания наполнителя твердость пластмассы повышается.

Как правило, введение наполнителя повышает механи­ческую прочность смолы и понижает величину усадки пластмассы в процессе формования изделия.

Особенно улучшаются механические свойства и, в частности, повышается ударная вязкость при введении в пластмассу волокнистых на­полнителей, устраняющих хрупкость ненаполненных пластмасс. Однако примене­ние органических наполнителей повышает водопоглощение изделий из пластмасс и тем ухудшает их электроизоляционные свойства. Наполнители в виде минераль­ных волокон (асбест, стекловолокно) дают пластмассы ударопрочные, негигрос­копичные и трудногорючие.

Пластификаторы вводятся для уменьшения жесткости и хрупкости пластмассы и для увеличения ее эластичности, обычно это мылообразные вещества с высо­кой температурой кипения (дибутилфталат, трикрезилфосфат, камфара, олеиновая кислота, полиэфирные смолы). Пластификатор ослабляет взаимодействие между макромолекулами полимера, связываясь с ними.

Стабилизаторы предупреждают или замедляют процессы деструкции (старения) полимеров. В полимеры добавляют различные вещества, выполняющие задачи ингибиторов, блокирующих реакции окисления (антиоксиданты), фотоокисления (фотостабилизаторы), термодеструкции (антипирины), образования свободных ра­дикалов под действием ионизирующего излучения (антирады) и др. Так, роль антиоксидантов выполняют 0,1-3% аминов, фенолов и др. в массе пластмассы. Фотостабилизатором является сажа, поглощающая ультрафиолетовые лучи.

Отвердители сшивают структуру полимера, а значит, и пластмассы, переводя ее в неплавкое и нерастворимое состояние.

Окрашивание пластмасс в массе осуществляется введением пигментов неорга­нических (диоксид титана, оксид цинка, сульфид цинка, хромовые и кобальтовые пигменты, ультрамарин и др.) и органических (азопигменты и азолаки и др.) ра­створимых красителей (азокрасители, индулиновые и нигрозиновые основания и их соли и др.), органических люминофоров (люминесцентные красители и пиг­менты, оптические отбеливающие вещества).

Пигменты и красители применяют в виде высокодисперсных порошков, гранул, паст и суспензий. Красители и пигменты, как правило, не образуют химических связей с полимером и могут мигрировать в небольших количествах в среды, осо­бенно жидкие, контактирующие с пластмассой. Некоторые минеральные пигмен­ты (окись цинка, сажа и др.) одновременно выполняют роль красителя и напол­нителя пластмасс.

Высокомолекулярные соединения классифицируют по ряду признаков:

- по происхождению: природные, или натуральные (белки, каучук, шелк, шерсть, целлюлоза); искусственные - полу­чают химической обработкой природных высокомолеку­лярных соединений (нитроцеллюлоза, триацетат целлюло­зы, вискоза); синтетические - получают путем синтеза из мономеров в процессе реакций полимеризации или поли­конденсации (полистирол, поливинилхлорид, полиэтилен, полиуретан, аминоальдегидные смолы и др.);

- по составу основной цепи макромолекул полимеров: карбоцепные - макромолекулярные цепи состоят только из угле­родных атомов (полиэтилен, полипропилен, полиметилме­такрилат, поливинилхлорид); гетероцепные - в макромолекулярных цепях помимо атомов углерода, содержатся атомы кислорода, серы, азота, фосфора (полиэфиры, поли­уретаны, полиамиды);

- по характеру макроструктуры: простые – однородные (на изломе обычно в месте разлома стекловидные); композиционные – неоднородные.

- по природе: органические - в их состав входят атомы угле­рода, водорода, азота, кислорода (полиэтилен, эпоксидные смолы, поливинилхлорид); неорганические - в их состав входит сера, фосфор, кремний, тальк; элементоорганиче­ские - содержат как углеводородные группы, так и элемен­ты, не входящие в состав природных органических соеди­нений (полиорганосилоксаны, фосфоросодержащие поли­меры);

- по отношению к действию высоких температур: термопла­стичные (термопласты) - при нагревании размягчаются и легко форму­ются в изделия, а при охлаждении застывают, свойства их изменяются при этом обратимо (полиэтилен, полипропи­лен, поливинилхлорид, полистирол, полиамидные); тер­мореактивные (реактопласты) - размягчаются лишь при нагревании до определенных температур, после чего теряют эту способность в результате химических реакций, вызванных терми­ческим воздействием. При этом происходит сшивание по­лимерных цепей, и полимер необратимо переходит в не­плавкое и нерастворимое состояние (полимеры на основе фенолоформальдегидных, меламиноальдегидных, эпоксид­ных смол);

- по типу химических реакций, лежащих в основе синтеза: полимеризационные - получают из низкомолекулярных со­единений путем проведения реакции полимеризации (по­лиэтилен, полистирол, полиакрилаты и др.); поликонденсационные - получают из низкомолекулярных соединений путем проведения реакции поликонденсации (полиурета­ны, полиамиды, полиэфиры, фенолоформальдегидные, ме­ламиноальдегидные, эпоксидные смолы и др.);

- по структуре макромолекул: линейные - их макромолекулы представляют собой совокупность мономеров, соединенных ковалентными связями в длинные цепи без боковых ответв­лений или с ответвлениями небольшой длины (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.); разветвленные - в ос­новной цепи их макромолекулы возникают боковые ответв­ления - более короткие, чем основная цепь, но также со­стоящие из повторяющихся мономерных звеньев (полиак­рилаты, различные сополимеры, крахмал и др.); сетчатые (пространственные, трехмерные, сшитые) — построены из длинных цепей, соединенных друг с другом в трехмерную сетку поперечными химическими связями (эпоксидные смолы, карбамидные смолы, вулканизированные каучуки, фенолоформальдегидные смолы и др.);

- по фактуре: слоистые пластмассы (пропитанные смолой и спрессованные листы бумаги, ткани и другие материалы. Они выпускаются в виде листов и пластин различной толщины: гетинакс, или бумаголит (на основе бумаги), текстолит (на основе текстильных тканей), стеклотекстолит (на основе стеклоткани). Их физико-механические свойства определяются в основном свойствами слоистого наполнителя); газонаполненные пластмассы (материалы с пористой (ячеистой) струк­турой и малой объемной массой, которые получают введением в жидкую смолу веществ, выделяющих пары или газы, или ее вспениванием (путем продувания воздуха или иного газа) с по­следующим отверждением. Обычно пенопласты имеют замкнутые ячейки (поры). Под поропластами подразумевают пористые пластмассы с открытыми и сообща­ющимися между собой порами); пленочные пластмассы (целлофан, поли­этилен, полипропилен и др.).