Общая характеристика пластмасс. Свойства пластмасс

Цепочки молекул полипропилена. Предметы быта, полностью или частично сделанные из пластмассы Пластмассы (пластические массы, пластики)  органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения…

Классификация по структуре

По структуре полимеры делятся на: линейные, разветвленные и пространственные.

Линейные Разветвленные Пространственные
Состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру.

Целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон

Макромолекулы разветвленных имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной

Крахмал

 

Химические связи имеются и между цепями, образуя пространственную структуру

Резина, фенолформальдегидные смолы

Линейные — макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру (целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон).

Разветвленные — макромолекулы которых имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной (крахмал).

Сетчатые (пространственные) — химические связи имеются и между цепями (резина, фенолформальдегидные смолы).

История

Первые попытки создать прочный и эластичный материал относятся к первой половине XIX века. В 1843 году был создан камптуликон на основе каучука с добавлением пробки. Камптуликон считается прародителем линолеума. Этот материал не прижился, так как в связи с повсеместным производством шин поднялись цены на каучук.

Основные исторические этапы получения различных пластмасс представлены в таблице.

Год

Изобретатель

Вещество

1862

Александр Паркс

Паркезин, полученный из целлюлозы

1869

Джон Уэсли Хайат

Целлулоид (нитрат целлюлозы) или искусственная слоновая кость

1872

Евгений Бауман

Поливинилхлорид (ПВХ)

1908

Жак Бранденбергер

Целлофан

1909

Лео Бекеланд

Бакелит (полиоксибензилметиленгликольангидрид)

1935

Реджинальд Гибсон и Эрик Фосетт

Полиэтилен низкой плотности

1937

Отто Байер

Полиуретан

1938

Уоллес Каротерс

Нейлон и неопрен

1942

Джон Уинфилд и Джеймс Диксон

Ненасыщенный полиэстер или полиэфир, лавсан, дакрон

1951

Пол Хоган и Роберт Бэнкс

Полиэтилен высокой плотности или полипропилен

1954

Рэй Макинтайр

Пенополистирол или пенопласт

Целлулоид

Рис. 1. Целлулоид.

Изначально пластмассы изготавливались на основе материалов, содержащих природные компоненты: коллагена, резины, нитроцеллюлозы. Позже пластмассы стали полностью синтезировать из химических соединений. Так появился полиэтилен, поливинилхлорид, бакелит и другие пластмассы, которые используются до сих пор.

Бакелит

Рис. 2. Бакелит.

Получение и свойства

Пластмассы производят на основе искусственной смолы. Её получают в результате конденсации или полимеризации органических соединений.

При конденсации образуется пластмасса путём взаимодействия нескольких веществ с выделением побочных продуктов, например, аммиака или воды.

При полимеризации простые молекулы одного вещества (мономеры) соединяются в единую длинную цепь, образуя макромолекулу или полимер. Взаимодействия веществ не происходит, побочные вещества не образуются.

Именно искусственная смола придаёт пластмассам пластичность, текучесть, водостойкость. Помимо смол в материал для улучшения свойств добавляют:

  • красители, придающие определённый цвет;
  • наполнители, увеличивающие термостойкость, твёрдость, снижающие стоимость готового материала (опилки, графит, асбест и другие органические и неорганические вещества);
  • пластификаторы делают материал более пластичным, облегчают процесс формовки.

Пластмассы имеют небольшую плотность, низкие тепловую и электрическую проводимости, небольшую прочность. При нагревании разлагается. Пластик устойчив к воздействию воды, кислот, оснований, некоторых органических растворителей.

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).

Классификация по химическому характеру

По химическому характеру и составу полимеры и химические волокна бывают: полиэфирные, полиамидные, элементоорганические (например, кремнийорганические полимеры).

Полиэфирные полимеры Полиамидные полимеры Элементоорганические
Содержат группу -СОО-

Лавсан (полиэтилентерефталат)

Содержат группу -СО-NH2—

Найлон, капрон

Содержат атомы других хим. элементов (кремний и др.).

Кремнийорганические полимеры

Полиэфирные полимеры — содержат группу сложных эфиров -СОО-.

Полиамидные полимеры — содержат пептидную связь -СО-NH2-.

Элементоорганические полимеры — содержат атомы других химических элементов (помимо С, Н, О, N).

Сокращения могут дополняться символами, например, PE-LD это полиэтилен низкой плотности или PVC-P — пластифицированный поливинилхлорид. Символы для основных характеристик представлены в Табл.1.4.

Таблица 1.4. Основные характеристики полимера и их обозначение.

Символ Характеристика материала
A Аморфный
В Блоксополимер
BO Двухосно ориентированнный
С Хлорированный
CO Сополимер
E Вспененный
G Привитой сополимиризацией
H Гомополимер
HC Высококристаллический
HD Высокой плотности
HI High impact
HMW Высокомолекулярный
I Impact
LD Низкой плотности
LLD Линейный низкой плотности
(M) Metallocene catalyzed
MD Средней плотности
О Ориентированный
P Пластифицированный
R Randomly polymerized
U Непластифицированный
UHMW Ультра высокомолекулярный
ULD Крайне низкой плотности
VLD Очень низкой плотности
X Сшитый
XA Сшитый пероксидными мостиками
XC Electrically cross-linked

В Табл. 1.5 представлены основные пластификаторы и их обозначение.

Таблица 1.5.основные пластификаторы и их обозначение

Сокращение Химическое название англ Химическое название русское
DODP Dioctyldecylphthalate Диоктилдецилфталат
ASE Alkylsulfone acid ester Сложный эфир алкилсульфоновой кислоты
BBP Benzylbutylphthalate Бензилбутилфталат
DBA Dibutyladipate Дибутиловый эфир адипиновой кислоты
DBP Dibutylphthalate Дибутилфталат
DBS Dibutylsebacate Дибутилсебацинат
DCHP Dicyclohexylphthalate Дициклогаксилфталат
DEP Diethylphthalate Диэтилфталат
DHXP Dihexylphthalate Дигексилфталат
DD3P Diisobutylphthalate Диизобутилфталат
DIDP Diisodecylphthalate Диизодецилфталат
DINA Diisononyladipate Диизонаниладипат
DMP Dimethylphthalate Диметилфталат
DMS Dimethylsebazate Диэтилсебацилат
DNA Dinonyladipate Динониладипат
DNODP Di-n-octyl-n-decylphthalate Ди-н-октил-н-децилфталат

Методы переработки

Литье, Литье под давлением, Экструзия, Прессование, Виброформование, Вспенивание, Отливка, Вакуумная формовка и пр.

Механическая обработка пластмасс.

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 струей 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.

При токарной обработке не рекомендуют применять подачи более 0,3-0,5 мм/об. Скорость резания при пользовании резцами из твердых сплавов может составлять 60-100 м/мин., а при пользовании резцами из быстрорежущей стали – 30-40 м/мин.

Угол резания резцов 85-90°; при обдирочных работах этот угол может быть 85°.

Величина заднего угла резца не должна превышать 10-12°; лишь при обдирке можно его увеличивать до 15°. Вершину резца закругляют, причем радиус закругления должен быть 3-4 мм. Угол наклона режущей кромки 4-5°.

Для распиливания слоистых пластических масс применяют ленточные пилы, дисковые пилы и карборундовые круги.

Ленточными пилами можно пользоваться для распиливания по прямой линии плит толщиной до 25 мм, причем скорость пилы составляет 1200-2000 м/мин. Зубья пил должны быть конусными, по 3 зуба на 1 пог. см. Зубья затачивают поперек и разводят так, чтобы ширина пропила была равна, по крайней мере, двойной толщине пилы.

Дисковыми пилами можно резать пластмассы толщиной до 50мм. Скорость вращения 2000-3000 об/мин. при диаметре пилы 330 мм.

Карборундовые круги применяют для распиливания особо твердых материалов.

Для сверления пластмасс рекомендуют пользоваться перовыми сверлами из быстрорежущей стали со шлифованными режущими кромками. Угол заострения для слоистых материалов при обработке параллельно слоям 100-125°, а для пластмасс, обрабатываемых перпендикулярно слоям, для карболита и других – 55-70°. Скорость резания 30-40 м/мин., подача 0,2-0,34 мм/об.

При сверлении слоистой пластмассы вдоль слоев, чтобы предупредить растрескивание материала, подача не должна превышать 0,25 мм/об., материал же надо заживать в тисках для предупреждения выламывания; сверление отверстий диаметром более 20 мм рекомендуют заменять растачиванием на токарном станке. Сверло надлежит время от времени извлекать из отверстия, давая возможность охладиться как инструменту, так и обрабатываемому материалу.

Просверленные отверстия обычно оказываются меньше диаметра сверла на 0,03-0,06 мм.

Для фрезерования плоскостей, пазов, канавок и пр. применяют фрезы с простым зубом. Скорость резания для торцовых фрез 46-52 м/мин., а для фасонных — 24-27 м/мин. Средняя величина подачи 0,1 мм/об. Отверстия в слоистом материале удовлетворительно пробиваются при нормальной температуре (комнатной) обычным вырубным штампом. Зазор между пуансоном и матрицей должен быть минимальный (около 0,1 мм). Слоистые материалы толщиной 3,5-5 мм удовлетворительно пробиваются лишь в нагретом до 90-100° виде. Для нагревания обрабатываемого материала пользуются масляными ваннами. Расстояние между соседними отверстиями должно составлять не менее двойной толщины материалов.

Шлифовку пластических масс производят стеклянной шкуркой, прикрепляемой к деревянному кругу, причем скорость вращения должна быть около 7м/сек.

Изделия простой формы полируют фланелевым кругом, не применяя полировочных составов. Изделия сложной формы сначала полируют матерчатым кругом с применением обычной (крокусной) пасты, а затем сухим фланелевым кругом. Круг диаметром 300 мм должен делать около 1200 об/мин.

Типы

В промышленной химии различают три типа пластмасс:

  • термопласты – при нагревании плавятся, при охлаждении возвращаются в исходное твёрдое состояние;
  • реактопласты – при повторном нагревании необратимо отвердевают;
  • эластомеры – при силовом воздействии проявляют эластичность и возвращаются в исходное положение после снятия воздействия.

Также существуют вспененные пластмассы, обладающие наименьшей плотностью.

Изделия из различных пластмасс

Рис. 3. Изделия из различных пластмасс.

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.

Материалы на основе пластмасс

  • Гетинакс
  • Текстолит

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.

Биопластик

Биопластики — полимеры, в состав которых входит природное либо ископаемое сырье с биоразлагающимися компонентами. Биопластик может использоваться в качестве альтернативы для пластиков, вторичный сбор которых крайне сложен, или в изделиях разового назначения. К таким можно отнести пакеты из супермаркетов.

Наиболее популярными видами биопластиков являются полимолочная кислота (PLA) и полигидроксиалканоаты (PHA).

К плюсам биопластика можно отнести снижение количества отходов, уменьшение энергетических затрат, возможность комбинировать традиционные и биоразлагаемые материалы и использование возобновляемых ресурсов при производстве. К минусам биопластика можно отнести необходимость в определённой процедуре утилизации, увеличение использования химических удобрений, сложность утилизации, увеличение пахотных земель и высокую себестоимость.

К таким биополимерам можно отнести РВА, PBS, PVAL, PCL, PGA и модифицированный ПЭТФ. К биопластику можно отнести биополимеры на основе крахмала, модифицированной целлюлозы, PHA или PLA. Также различают небиоразлагаемые полимеры с использованием природного сырья. Они включают полиэтилены, ПВХ, ПЭТФ или ПБТФ, сырьё для которых полностью или частично получается из биомассы. Кроме того, можно выделить биоэтилен, биомоноэтиленгликоль, био-1,4-бутандиол, моноэтиленгликоль прямого брожения сахаров, полиамид-11.

Мировой уровень производства биопластиков находится на уровне 1 % от всего производства пластика. Связано это с дороговизной процесса производства и отсутствием условий для раздельного сбора и утилизации биопластика. Однако эксперты отмечают высокий потенциал роста и развития данного направления[5].

См. также

  • Перечень пластмасс
  • Газонаполненные пластмассы

Переработка пластиковых отходов

По данным Гринпис, переработка пластиковых отходов наносит планете в три раза меньший урон, чем первичное производство полимеров[6].

В развитых странах переработка отходов, в частности полимерных, стала одной из форм бизнеса, которым занимаются государство и частные компании[6].Так, в Китае работает более 10 тыс. предприятий, которые занимаются переработкой отходов пластика, почти половина из них относится к крупному и среднему бизнесу, который постоянно наращивает объёмы переработки; в стране существует стихийное сообщество сборщиков мусора, которое занимается скупкой бытовых отходов у населения и последующей их перепродажей в пункты приема.

В январе 2018 года Еврокомиссия опубликовала стратегию переработки пластиковых отходов, согласно которой к 2030 году вся использованная пластиковая упаковка должна собираться и использоваться повторно[7].

Сегодня в России, по разным оценкам, подвергается переработке от 5 до 10 % всех отходов; полимерные отходы занимают в общем объёме около 8 %, из них перерабатывается максимум десятая часть[6].В России практикуются 2 модели, по которым пластик может быть переработан: в первом случае предполагается сбор «чистого» пластика и его последующее вовлечение в производство, а во втором — переработка отходов пластика низкого качества (например, смешанные с органикой) путем термической обработки в нафту и мазут.С 2018 года в России действует запрет на захоронение отдельных видов отходов[8]. Одновременно с этим началось развитие программ, направленных на раздельный сбор мусора.К середине 2020-х годов в России планировалось наладить во всей стране систему разделения вторичной переработки мусора.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6. Всего получено оценок: 192.

obrazovaka.ru

См. также

  • Полимеры
  • Перечень пластмасс
  • Биопластики

Литература

  • Дзевульский В. М. Технология металлов и дерева. — М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы. 1995.
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...