Термопластичные полимеры (пластмасса, силикон) — свойства, применение

В современном строительстве термопластичные полимеры находят самое широкое применение благодаря сочетанию прочности, долговечности и универсальности. В отличие от термореактивной пластмассы, термопласты могут размягчаться при нагревании, а затем отвердевать и восстанавливать исходные свойства при остывании. Эта особенность позволила стать таким материалам, как полиэтилен, ПВХ и полипропилен одними из ключевых в строительстве.

1. Компоненты, входящие в состав пластмасс

В большинстве своем пластмассы состоят из смолы, а также наполнителя, пластификатора, стабилизатора, красителя и других добавок, улучшающих технологические и эксплуатационные свойства пластмассы. Свойства полимеров могут быть в значительной степени улучшены и изменены, в зависимости от требований, предъявляемых различными отраслями техники, с помощью различных составляющих пластмассы.

Наполнители служат для улучшения физико-механических, диэлектрических, фрикционных или антифрикционных свойств, повышения теплостойкости, уменьшения усадки, а также для снижения стоимости пластмасс. По массе содержание наполнителей в пластмассах составляет от 40 до 70 %. Наполнителями могут быть ткани, а также порошкообразные и волокнистые вещества.

Пластификаторы увеличивают пластичность и текучесть пластмасс, улучшают морозостойкость. В качестве пластификаторов применяют дибутилфталат, трикрезилфосфат и др. Их содержание колеблется в пределах 10 – 20 %.

Стабилизаторы – вещества, предотвращающие разложение полимерных материалов во время их переработки и эксплуатации под воздействием света, влажности, повышенных температур и других факторов. Для стабилизации используют ароматические амины, фенолы, сернистые соединения, газовую сажу.

Красители добавляют для окрашивания пластических масс. Применяют как минеральные красители (мумия, охра, умбра, литопон, крон и т. д.), так и органические (нигрозин, родамин).

Смазочные вещества – стеарин, олеиновая кислота, трансформаторное масло – снижают вязкость композиции и предотвращают прилипание материала к стенкам пресс-формы.

История

Первая пластмасса была получена английским металлургом и изобретателем Александром Парксом в 1855 году. Паркс назвал её паркезин (позже получило распространение другое название — целлулоид). Паркезин был впервые представлен на Большой Международной выставке в Лондоне в 1862 году. Развитие пластмасс началось с использования природных пластических материалов (жевательной резинки, шеллака), затем продолжилось с использованием химически модифицированных природных материалов (резина, нитроцеллюлоза, коллаген, галалит) и, наконец, пришло к полностью синтетическим молекулам (бакелит, эпоксидная смола, поливинилхлорид, полиэтилен и другие).

Паркезин являлся торговой маркой первого искусственного пластика и был сделан из целлюлозы, обработанной азотной кислотой и растворителем. Паркезин часто называли искусственной слоновой костью. В 1866 году Паркс создал фирму Parkesine Company для массового производства материала. Однако, в 1868 году компания разорилась из-за плохого качества продукции, так как Паркс пытался сократить расходы на производство. Преемником паркезина стал ксилонит (другое название того же материала), производившийся компанией Даниэля Спилла, бывшего сотрудника Паркса, и целлулоид, производившийся Джоном Весли Хайатом.

В России также велись работы по созданию пластических масс на основе фенола и формальдегида. В 1913-1914 годах на шелкоткацкой фабрике в деревне Дубровке в окрестностях г. Орехово-Зуево Г. С. Петров совместно В. И. Лисевым, и К. И. Тарасовым синтезирует первую русскую пластмассу — карболит и организует её производство. Своё название карболит получил от карболовой кислоты, другого названия фенола. В дальнейшем Петров Григорий Семёнович продолжает работу по усовершенствованию пластмасс и разрабатывает текстолит.

Свойства и применение

Термопластичными называют полимеры, которые при нагревании переходят из твердого состояния в мягкое, тягучее, а при охлаждении снова принимают твердую форму. Данные элементы получают реакцией полимеризации. Эта реакция проходит под большим давлением и без применения примесей. Реакция полимеризации стала возможна только благодаря современной химии и специализированной аппаратуре. Получить данный процесс в естественных условиях невозможно.

Свойства термопластичных полимеров вызваны способом соединения мономеров – соединение осуществляется в одном месте, в одном направлении. Другими словами, молекулы соединены между собой в линию при линейном виде, и в виде нескольких линий, сплетенных в паутину, при разветвленной структуре.

При нагревании эти связи слабеют, и полимер размягчается. Такая простота обработки обуславливает широкое применение материалу при производстве формовочных деталей и других сложных изделий.

Термопластичные полимеры хорошо плавятся, а также растворяются в реагентах и растворителях. При испарении растворителя материал твердеет и приобретает прежние свойства. Это качество применяется при производстве различных клеев, лаков, красок, герметиков, замазок и других строительных растворов, имеющих в своем составе полимеры.

Из термопластичных полимеров выделяют:

• полиолефины;
• полиамиды;
• поливинилхлориды;
• фторопласты;
• полиуретаны;
• поликарбонаты;
• полиметилметакрилаты;
• полистирол.

На основании полимеров, исходных веществ и способов обработки выделяют следующие окончательные продуты:

Самое широкое применение термопластичные полимеры получили в строительстве при изготовлении материалов для изоляции, органических стекол, пленок и покрытий различной плотности и толщины, тонких волокон, а также в качестве связующих основ для клеев, штукатурок и теплоизоляционных материалов.

Из полимеров изготавливают бутылки и различные по форме сосуды, тару, трубы, детали машин оргтехники, компьютеров и электронного оборудования. А также используют при производстве напольного покрытия — линолеума, плитки, плинтусов, отделочных декоративных пленок, настенных панелей и пластика.

Типы пластмасс

В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании изделий пластмассы делят на:

Также газонаполненные пластмассы — вспененные пластические массы, обладающие малой плотностью;

3. Механические свойства пластмасс

Механические свойства определяют поведение физического тела под действием приложенного к нему усилия. Численно это поведение оценивается прочностью и деформативностью. Прочность характеризует сопротивляемость разрушению, а деформативность — изменение размеров полимерного тела, вызванное приложенной к нему нагрузкой. Поскольку и прочность, и деформация являются функцией одной независимой переменной — внешнего усилия, то механические свойства еще называют деформационнопрочностными (рис. 6).

Рис. 6. Механические испытания пластмасс на деформацию прочность (слева), ударную вязкость (по центру), твёрдость (справа)

Модуль упругости является интегральной характеристикой, дающей представление прежде всего о жесткости конструкционного материала. Ударная вязкость характеризует способность материалов сопротивляться нагрузкам, приложенным с большой скоростью. В практике оценки свойств пластмасс наибольшее применение нашло испытание поперечным ударом, реализуемым на маятниковых копрах.

Твердость определяет механические свойства поверхности и является одной из дополнительных характеристик полимерных материалов. По твердости оценивают возможные пути эффективного применения пластиков. Пластмассы мягкие, эластичные, имеющие низкую твердость, используются в качестве герметизирующих, уплотнительных и прокладочных материалов. Твердые и прочные могут применяться в производстве деталей конструкционного назначения: зубчатых колес и венцов, тяжело нагруженных подшипников, деталей резьбовых соединений и пр. (рис. 7).

Рис. 7. Детали конструкционного применения из пластмасс

В таблице 3 указаны механические свойства термопластов общего назначения.

Таблица 3.

Несколько примеров по обозначению (см. табл. ниже).

ПЭВД		Полиэтилен высокого давления	ГОСТ 16337-77
ПЭНД		Полиэтилен низкого давления	ГОСТ 16338-85
ПС		Полистирольная плёнка	ГОСТ 12998-85
ПВХ		Пластификаторы	ГОСТ 5960-72
АБС		Акрилбутодиентстирол	ГОСТ 8991-78
ПММА		Полиметилметаакрилат	ГОСТ 2199-78

Свойства

Основные механические характеристики пластмасс те же, что и для металлов.

Пластмассы характеризуются малой плотностью (0,85—1,8 г/см³), чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой механической прочностью. При нагревании (часто с предварительным размягчением) они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований, отношение к органическим растворителям различное (в зависимости от химической природы полимера). Физиологически почти безвредны. Свойства пластмасс можно модифицировать методами сополимеризации или стереоспецифической полимеризации, путём сочетания различных пластмасс друг с другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная ткань, введением наполнителей и красителей, пластификаторов, тепло- и светостабилизаторов, облучения и др., а также варьированием сырья, например, использование соответствующих полиолов и диизоцианатов при получении полиуретанов.

Твёрдость пластмасс определяется по Бринеллю при нагрузках 50—250 кгс на шарик диаметром 5 мм.

Теплостойкость по Мартенсу — температура, при которой пластмассовый брусок с размерами 120 × 15 × 10 мм, изгибаемый при постоянном моменте, создающем наибольшее напряжение изгиба на гранях 120 × 15 мм, равное 50 кгс/см², разрушится или изогнётся так, что укреплённый на конце образца рычаг длиной 210 мм переместится на 6 мм.

Теплостойкость по Вика — температура, при которой цилиндрический стержень диаметром 1,13 мм под действием груза массой 5 кг (для мягких пластмасс 1 кг) углубится в пластмассу на 1 мм.

Температура хрупкости (морозостойкость) — температура, при которой пластичный или эластичный материал при ударе может разрушиться хрупко.

Для придания особых свойств пластмассе в неё добавляют пластификаторы (силикон, дибутилфталат, ПЭГ и т. п.), антипирены (дифенилбутансульфокислота), антиоксиданты (трифенилфосфит, непредельные углеводороды).

4. Сварка пластмасс

Сварке подвергаются только так называемые термопластичные пластмассы (термопласты), которые при нагревании становятся пластичными, а после охлаждения принимают первоначальные вид и свойства. Кроме них, существуют термореактивные пластмассы, которые изменяют свои свойства при нагреве. Нагревать пластмассы при сварке следует не выше температуры их разложения, т. е. в пределах 140—240 °С.

Пластмассы можно сваривать различными способами:

• нагретым газом;
• контактной теплотой от нагревательных элементов;
• трением;
• ультразвуком (рис. 8).

Основные условия для получения качественного соединения пластмасс при сварке следующие:

1. Диаметр присадочного прутка не должен превышать 4 мм для достаточно быстрого его нагрева и обеспечения необходимой производительности сварки.
2. Сварку следует вести по возможности быстро во избежание термического разложения материала.
3. Необходимо точно выдерживать температуру сварки во избежание недостаточного нагрева или перегрева свариваемого материала.

На рис. 8 показано оборудование и методы сварки пластмасс.

Рис. 8. Сварочный экструдер для сварки пластмасс, полимеров

Получение

Производство синтетических пластмасс основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа, таких, к примеру, как бензол, этилен, фенол, ацетилен и других мономеров. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул (приставка «поли-» от греческого «много», например, этилен-полиэтилен).

5. Другие свойства пластмасс

Химическая стойкость. Химическая стойкость пластмасс, как правило, выше, чем у металлов. Химическая стойкость пластмасс в основном определяется свойствами связующего (смолы) и наполнителя. Наиболее химически стойкими в отношении всех агрессивных сред являются фторсодержащие полимеры —фторопласты 4 и 3. К числу кислотостойких пластмасс в отношении концентрированной соляной кислоты могут быть отнесены винипласт и фенопласты с асбестовым наполнителем. Стойкими к действию щелочей являются винипласт и хлорвиниловый пластик.

Электроизоляционные свойства. Почти все пластмассы — хорошие диэлектрики. Этим объясняется их широкое применение в электро- и радиотехнике. Большинство пластмасс плохо переносит т. в. ч. и поэтому они применяются в качестве электроизоляционных материалов для деталей, которые предназначаются для работы при частоте тока 50 Гц. Однако такие ненаполненные высокополимеры, как фторопласт и полистирол, практически не меняют своих диэлектрических качеств в зависимости от частоты тока и могут работать при высоких и сверхвысоких частотах.

Повышение температуры, как правило, ухудшает электроизоляционные характеристики пластмасс. Исключение составляет полистирол, сохраняющий электроизоляционные свойства в интервале температур от —60 до +60° С, и фторопласт 4 — в интервале температур от —60 до +200°. С.

Фрикционные свойства. В зависимости от условий работы пластмассовые детали могут обладать различными по величине фрикционными характеристиками. Так, например, текстолит при малых нагрузках имеет малый коэффициент трения, что и позволяет широко использовать его вместо бронзы, антифрикционных чугунов и т. д. Коэффициент трения тормозных материалов типа КФ-3 высок, что и отвечает назначению этих материалов. Из этих двух примеров следует, что утверждение, высказанное выше, справедливо

Методы обработки

• Литьё/литьё под давлением
• Экструзия
• Прессование
• Виброформование
• Вспенивание
• Отливка
• Сварка
• Вакуумная формовка и пр.
• Механическая обработка

Пластические массы, по сравнению с металлами, обладают повышенной упругой деформацией, вследствие чего при обработке пластмасс применяют более высокие давления, чем при обработке металлов. Применять какую-либо смазку, как правило, не рекомендуют; только в некоторых случаях при окончательной обработке допускают применение минерального масла. Охлаждать изделие и инструмент следует струёй воздуха.

Пластические массы более хрупки, чем металлы, поэтому при обработке пластмасс режущими инструментами надо применить высокие скорости резания и уменьшать подачу. Износ инструмента при обработке пластмасс значительно больше, чем при обработке металлов, почему необходимо применять инструмент из высокоуглеродистой или быстрорежущей стали или же из твердых сплавов. Лезвия режущих инструментов надо затачивать, по возможности, более остро, пользуясь для этого мелкозернистыми кругами.

Пластмасса может быть обработана на токарном станке, может фрезероваться. Для распиливания могут применяться ленточные пилы, дисковые пилы и карборундовые круги.

Сварка

Соединение пластмасс между собой может осуществляться механически (с помощью фигурных профилей, болтов, заклепок и т.д.), химически (склеиванием, растворением с последующим высыханием), термически (сваркой). Из перечисленных способов соединения только при помощи сварки можно получить соединение без инородных материалов, а также соединение, которое по свойствам и составу будет максимально приближено к основному материалу. Поэтому сварка пластмасс нашла применение при изготовлении конструкций, к которым предъявляются повышенные требования к герметичности, прочности и другим свойствам.

Процесс сварки пластмасс состоит в образовании соединения за счёт контакта нагретых соединяемых поверхностей. Он может происходить при определённых условиях:

1. Повышенная температура. Её величина должна достигать температуры вязкотекучего состояния.
2. Плотный контакт свариваемых поверхностей.
3. Оптимальное время сварки — время выдержки.

Также следует отметить, что температурный коэффициент линейного расширения пластмасс в несколько раз больше, чем у металлов, поэтому в процессе сварки и охлаждения возникают остаточные напряжения и деформации, которые снижают прочность сварных соединений пластмасс.

На прочность сварных соединений пластмасс большое влияние оказывают химический состав, ориентация макромолекул, температура окружающей среды и другие факторы.

Применяются различные виды сварки пластмасс:

1. Сварка газовым теплоносителем с присадкой и без присадки
2. Сварка экструдируемой присадкой
3. Контактно-тепловая сварка оплавлением
4. Контактно-тепловая сварка проплавлением
5. Сварка в электрическом поле высокой частоты
6. Сварка термопластов ультразвуком
7. Сварка пластмасс трением
8. Сварка пластмасс излучением
9. Химическая сварка пластмасс

Как и при сварке металлов, при сварке пластмасс следует стремиться к тому, чтобы материал сварного шва и околошовной зоны по механическим и физическим свойствам мало отличался от основного материала. Сварка термопластов плавлением, как и другие методы их переработки, основана на переводе полимера сначала в высокоэластическое, а затем в вязкотекучее состояние и возможна лишь в том случае, если свариваемые поверхности материалов (или деталей) могут быть переведены в состояние вязкого расплава. При этом переход полимера в вязкотекучее состояние не должен сопровождаться разложением материала термодеструкцией.

При сварке многих пластмасс выделяются вредные пары и газы. Для каждого газа имеется строго определённая предельно доступная его концентрация в воздухе (ПДК). Например, для диоксида углерода ПДК равна 20, для ацетона — 200, а для этилового спирта — 1000 мг/м³.

Другие распространенные термопластичные полимеры

Также можно выделить еще целый ряд полимеров, которые хорошо зарекомендовали себя в строительстве, робототехнике и производстве бытовых приборов, деталей и компонентов для них.

Поливинилхлорид широко применяется при производстве пластмасс, используемых в конечных изделиях в строительстве: линолеум и декоративная плитка, водопроводные трубы, плинтуса, запасные части, шестеренки, и других подвижные детали бытовых приборов и техники.

Поликарбонат – новый вид полимера, который нашел широкое применение при производстве электрических розеток и вилок напряжением 220 и 380 Вольт, а также корпусов бытовой техники.

Поливинилацетат – очень часто применяется в строительстве в виде связующих компонентов для лаков, красок, как пластификатор для цементных растворов.

Фторопласт – считается фторсодержащим полимером. Материал широко применяются в электро- и радиотехнике, при производстве водопроводных труб, вентилей и кранов, бытовых и промышленных насосов, медицинских инструментов и техники, в криогенных емкостях для нанесения на поверхность.

Из всего сказанного можно сделать вывод, что повседневно нас окружают изделия, техника, посуда и приборы, которые изготовлены или содержат в своей основе термопластичные полимеры. Такую популярность им придают эксплуатационные свойства, такие как твердость, стойкость к кислотам и щелочам, долговечность, универсальность и легкость в обработке, малый вес и большой диапазон рабочих температур.

Нейтральный цвет всех полимеров позволяет с легкостью окрашивать заготовки и конечный продукт в любую желаемую палитру. Это дает возможность подбирать готовые изделия из пластмасс под цвет комнаты и интерьера любой формы и сложности исполнения.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Материалы на основе пластмасс

Мебельные пластмассы

Пластик, который используют для производства мебели, получают путём пропитки бумаги термореактивными смолами. Производство бумаги является наиболее энерго- и капиталоемким этапом во всем процессе производства пластика. Используется 2 типа бумаг: основой пластика является крафт-бумага (плотная и небеленая) и декоративная (для придания пластику рисунка). Смолы подразделяются на фенолформальдегидные, которые используются для пропитки крафт-бумаги, и меламиноформальдегидные, которые используются для пропитки декоративной бумаги. Меламиноформальдегидные смолы производят из меламина, поэтому они стоят дороже.

Мебельный пластик состоит из нескольких слоёв. Защитный слой — оверлей — практический прозрачный. Изготавливается из бумаги высокого качества, пропитывается меламиноформальдегидной смолой. Следующий слой — декоративный. Затем несколько слоев крафт-бумаги, которая является основой пластика. И последний слой — компенсирующий (крафт-бумага, пропитанная меламиноформальдегидными смолами). Этот слой присутствует только у американского мебельного пластика.

Готовый мебельный пластик представляет собой прочные тонированные листы толщиной 1-3 мм. По свойствам он близок к гетинаксу. В частности, он не плавится от прикосновения жалом паяльника, и, строго говоря, не является пластической массой, так как не может быть отлит в горячем состоянии, хотя и поддается изменению формы листа при нагреве. Мебельный пластик широко использовался в XX веке для отделки салонов вагонов метро.

Пластиковые отходы и их переработка

Останки птенца темноспинного (лайсанского) альбатроса, которому родители скармливали пластик; птенец не мог вывести его из организма, что привело к смерти либо от голода, либо от удушья

Скопления отходов из пластмасс образуют в Мировом океане под воздействием течений особые мусорные пятна. На данный момент известны пять больших скоплений мусорных пятен — по два в Тихом и Атлантическом океанах, и одно — в Индийском океане. Данные мусорные круговороты в основном состоят из пластиковых отходов, образующихся в результате сбросов из густонаселённых прибрежных зон континентов. Руководитель морских исследований Кара Лавендер Ло из Ассоциации морского образования (англ. Sea Education Association; SEA) возражает против термина «пятно», поскольку по своему характеру — это разрозненные мелкие куски пластика. Пластиковый мусор опасен тем, что морские животные, зачастую, могут не разглядеть прозрачные частицы, плавающие по поверхности, и токсичные отходы попадают им в желудок, часто становясь причиной летальных исходов. Взвесь пластиковых частиц напоминает зоопланктон, и медузы или рыбы могут принять их за пищу. Большое количество долговечного пластика (крышки и кольца от бутылок, одноразовые зажигалки) оказывается в желудках морских птиц и животных, в частности, морских черепах и черноногих альбатросов. Помимо прямого причинения вреда животным, плавающие отходы могут впитывать из воды органические загрязнители, включая ПХБ (полихлорированные бифенилы), ДДТ (дихлордифенилтрихлорметилметан) и ПАУ (полиароматические углеводороды). Некоторые из этих веществ не только токсичны — их структура сходна с гормоном эстрадиолом, что приводит к гормональному сбою у отравленного животного.

Для борьбы с загрязнением окружающей среды полиэтиленовыми пакетами применяются различные меры, и уже около 40 стран ввели запрет или ограничение на продажу и(или) производство пластиковых пакетов.

Пластиковые отходы должны перерабатываться, поскольку при сжигании пластика выделяются токсичные вещества, а разлагается пластик за 100—300 лет.

Способы переработки пластика:

 • Пиролиз • Гидролиз • Гликолиз • Метанолиз

В декабре 2010 года Ян Байенс и его коллеги из университета Уорик предложили новую технологию переработки практически всех пластмассовых отходов. Машина с помощью пиролиза в реакторе с кипящим слоем при температуре около 500° С и без доступа кислорода разлагает куски пластмассового мусора, при этом многие полимеры распадаются на исходные мономеры. Далее смесь разделяется перегонкой. Конечным продуктом переработки являются воск, стирол, терефталевая кислота, метилметакрилат и углерод, которые являются сырьём для лёгкой промышленности. Применение этой технологии позволяет сэкономить средства, отказавшись от захоронения отходов, а с учётом получения сырья (в случае промышленного использования) является быстро окупаемым и коммерчески привлекательным способом утилизировать пластмассовые отходы.

Пластики на основе фенольных смол, а также полистирол и полихлорированный бифенил могут разлагаться грибками белой гнили. Однако для утилизации отходов этот способ коммерчески неэффективен — процесс разрушения пластика на основе фенольных смол может длиться многие месяцы.

Литература

• Дзевульский В. М. Технология металлов и дерева. — М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы. 1995.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...