Полімери і пластичні маси. Основні поняття і визначення

01.10.2015

Що таке полімери і пластмаси. Основні поняття і визначення

Полімери і пластмаси це ключові поняття всієї проблематики деревинно-полімерних композитів ( ДПК).

Тому ми наводимо тут дві відповідних чудових статті з Великої Радянської Енциклопедії по цим темам.

Полімери

Полімери і пластичні маси. Основні поняття і визначення

Автор цієї статті акад. Віктор Олександрович Кабанів — видатний вчений в області хімії високомолекулярних сполук, учень і наступник акад. В. А. Каргина, одного з світових лідерів науки про полімери, творця великої наукової школи, автора великої кількості робіт, книг і навчальних посібників.

Полімери (від грец. polymeres — що складається з багатьох частин, різноманітний), хімічні сполуки з високої молекулярною масою (від декількох тисяч до багатьох мільйонів), молекули яких ( макромолекули ) складаються з великого числа повторюваних угруповань (мономерних ланок). Атоми, що входять до складу макромолекул, з’єднані один з одним силами головних і (чи) координаційних валентностей.

Класифікація. За походженням полімери діляться на природні ( біополімери ), наприклад білки. нуклеїнові кислоти. смоли природні. і синтетичні, наприклад поліетилен. поліпропілен. феноло-формальдегідні смоли. Атоми або атомні групи можуть розташовуватися в макромолекуле у вигляді: відкритої ланцюга або витягнутої в лінію послідовності циклів (лінійні полімери. наприклад каучук натуральний ); ланцюга з розгалуженням (розгалужені полімери. наприклад амілопектин ); тривимірної сітки (зшиті полімери, наприклад затверділі епоксидні смоли ). Полімери, молекули яких складаються з однакових мономерних ланок, називаються гомополимерами, наприклад полівінілхлорид. поликапроамид. целюлоза .

Макромолекули того самого хімічного складу можуть бути побудовані з ланок різної просторової конфігурації. Якщо макромолекули складаються з однакових стереоизомеров або з різних стереоизомеров, що чергуються в ланцюзі у визначеній періодичності, полімери називаються стереорегулярными (див. Стереорегулярные полімери ).

Полімери, макромолекули яких містять кілька типів мономерних ланок, називаються сополімерами. Сополімери, у яких ланки кожного типу утворять досить довгі безупинні послідовності, що переміняють один одного в межах макромолекули, називаються блоксополімерами. До внутрішнього (некінцевим) ланкам макромолекули однієї хімічної будівлі можуть бути приєднані одна чи кілька ланцюгів іншої будівлі. Такі сополімери називаються щепленими (див. також Сополімери ).

Полімери, у яких кожен чи деякий стереоізомери ланки утворять досить довгі безупинні послідовності, що переміняють один одного в межах однієї макромолекули, називаються стереоблоксополімерами.

У залежності від складу основної (головної) ланцюга полімери, поділяють на: гетероцепні, в основному ланцюзі яких містяться атоми різних елементів, найчастіше вуглецю, азоту, кремнію, фосфору, і гомоцепні, основні ланцюги яких побудовані з однакових атомів. З гомоцепні полімерів найбільш поширені карбоцепні полімери, головні ланцюги яких складаються тільки з атомів вуглецю, наприклад поліетилен, поліметилметакрилат. політетрафторетилен. Приклади гетероцепних полімерів. — поліефіри ( поліетилентерефталат. полікарбонати та ін), поліаміди. сечовино-формальдегідні смоли. білки, деякі кремнійорганічні полімери. полімери, макромолекули яких поряд з вуглеводні групами містять атоми неорганогенних елементів, називаються елементоорганічні (див. Элементоорганические полімери ). Окрему групу полімерів. утворять неорганічні полімери, наприклад пластична сірка, поліфосфонітрилхлорид (див. Неорганічні полімери ).

Властивості і найважливіші характеристики. Лінійні полімери мають специфічний комплекс фізико-хімічних і механічних властивостей. Найважливіші з цих властивостей: здатність утворювати високоміцні анізотропні високоорієнтивані волокна і плівки (див. Полімерів орієнтоване стан ); здатність до великих, що довгостроково розвиваються оборотним деформаціям (див. Високоеластичне стан ); здатність у високоеластичному стані набухати перед розчиненням; висока в’язкість розчинів (див. Розчини полімерів. Набрякання ). Цей комплекс властивостей обумовлений високою молекулярною масою, ланцюговою будівлею, а також гнучкістю макромолекул. При переході від лінійних ланцюгів до розгалужених, рідких тривимірних сіток і, нарешті, до густих сітчастих структур цей комплекс властивостей стає усе менш вираженим. Сильно зшиті полімери нерозчинні, неплавки і нездатні до високоеластичних деформацій.

Полімери можуть існувати в кристалічному й аморфному станах. Необхідна умова кристалізації — регулярність досить довгих ділянок макромолекули. У кристалічних полімерах. можливе виникнення різноманітних надмолекулярних структур (фібрил, сферолітів, монокристалів та ін), тип яких багато в чому визначає властивості полімерного матеріалу. Надмолекулярні структури в незакристалізованих (аморфних) полімерів менш виражені, чим у кристалічних.

Незакристалізовані полімери можуть знаходитися в трьох фізичних станах: склоподібному, високоеластичному і вязкотекучому. полімери з низкою (нижче кімнатної) температурою переходу зі склоподібного у високоеластичне стан називаються еластомерами, з високої — пластиками. У залежності від хімічного складу, будівлі і взаємного розташування макромолекул властивості полімерів. можуть мінятися в дуже широких межах. Так, 1,4-цис-полибутадиен, побудований із гнучких углеводородних ланцюгів, при температурі близько 20 град.З — еластичний матеріал, що при температурі — 60 град.С переходить в склоподібне стан; поліметилметакрилат, побудований з більш твердих ланцюгів, при температурі близько 20 град.З — твердий стеклообразный продукт, що переходить у високоеластичне стан лише при 100 град.С. Целюлоза — полімер з дуже твердими ланцюгами, з’єднаними міжмолекулярними водневими зв’язками, узагалі не може існувати в високоеластичне стані до температури її розкладання. Великі розходження у властивостях П. можуть спостерігатися навіть у тому випадку, якщо розходження в будівлі макромолекул на перший погляд і невеликі. Так, стереорегулярний полістирол — кристалічна речовина з температурою плавлення близько 235 град.З, а нестереорегулярний (атактичний) узагалі не здатний кристалізуватися і розм’якшується при температурі близько 80 град.С.

Полімери можуть вступати в наступні основні типи реакцій: утворення хімічних зв’язків між макромолекулами (т. зв. зшивання), наприклад при вулканізації каучуков, дублении шкіри ; розпад макромолекул на окремі, більш короткі фрагменти (див. Деструкція полімерів ); реакції бічних функціональних груп полімерів. з низькомолекулярними речовинами, що не торкаються основний ланцюг (т. зв. полімер аналогічні перетворення); внутрімолекулярні реакції, що протікають між функціональними групами однієї макромолекули, наприклад внутримолекулярная циклізація. Зшивання часте протікає одночасно з деструкцією. Прикладом полімераналогічних перетворень може служити омилення полівінілацетату. приводить до утворення полівінілового спирту. Швидкість реакцій полімерів. з низькомолекулярними речовинами часто лімітується швидкістю дифузії останніх у фазу полімерів. Найбільш явно це виявляється у випадку зшитих полімерів. Швидкість взаємодії макромолекул з низькомолекулярними речовинами часто істотно залежить від природи і розташування сусідніх ланок щодо реагуючого ланки. Це ж відноситься і до внутрімолекулярних реакцій між функціональними групами, що належать одного ланцюга.

Деякі властивості полімерів. наприклад розчинність, здатність до грузлого плину, стабільність, дуже чуттєві до дії невеликих кількостей чи домішок добавок, що реагують з макромолекулами. Так, щоб перетворити лінійний полімер з розчинного в цілком нерозчинний, досить утворити на одну макромолекулу 1-2 поперечні зв’язки.

Найважливіші характеристики полімерів — хімічний склад, молекулярна маса і молекулярно-масовий розподіл, ступінь розгалуженості і гнучкості макромолекул, стереорегулярность і ін. Властивості полімерів. істотно залежать від цих характеристик.

Отримання. Природні полімери утворяться в процесі біосинтезу в клітках живих організмів. За допомогою екстракції, фракційного осадження й інших методів вони можуть бути виділені з рослинної і тваринної сировини. Синтетичні полімери отримують полімеризацією і поліконденсацією. Карбоцепні полімери звичайно синтезують полімеризацією мономерів з однієї чи декількома кратними вуглець-вуглецевими зв’язками або мономерів, що містять нестійкі карбоциклические угруповання (наприклад, з циклопропана і його похідних). Гетероцепні полімери одержують поліконденсацією, а також полімеризацією мономерів, що містять кратні зв’язки вуглець-елемент (наприклад, З = Про, З º N, N = З = Про) чи неміцні гетероциклічні угруповання (наприклад, в окисях олефінів, лактамах).

Застосування. Завдяки механічній міцності, еластичності, електроізоляційним та ін. цінним властивостям вироби з полімерів застосовують у різних галузях промисловості та в побуті. Основні типи полімерних матеріалів — пластичні маси. гуми. волокна (див. Волокна текстильні. Волокна хімічні ), лаки. фарби. клеї. іонообмінні смоли. Значення біополімерів визначається тим, що вони становлять основу всіх живих організмів і беруть участь практично у всіх процесах життєдіяльності.

Історична довідка. Термін «полимерия» був введений у науку В. Берцеліусом в 1833 для позначення особливого виду ізомерії, при якій речовини (полімери), що мають однаковий склад, володіють різною молекулярною масою, наприклад етилен і бутилен, кисень і озон. Т. о. зміст терміна не відповідало сучасним уявленням про полімери. «Справжні» синтетичні полімери на той час ще не були відомі.

Ряд полімерів був, очевидно, отриманий ще в 1-й половині 19 ст. Однак хіміки тоді звичайно намагалися придушити полімеризацію і поліконденсацію, що вели до «осмолення» продуктів основної хімічної реакції, тобто, власне, до утворення полімеру. (дотепер полімери часто називали «смолами»). Перші згадування про синтетичні полімери відносяться до 1838 ( поливинилиденхлорид ) і 1839 (полістирол).

Хімія полімерів виникла тільки в зв’язку зі створенням А. М. Бутлеровым теорії хімічної будови (початок 60-х роках 19 ст.). А. М. Бутлеров вивчав зв’язок між будівлею і відносною стійкістю молекул, що виявляється в реакціях полімеризації. Подальший свій розвиток (до кінця 20-х роках 20 ст.) наука про полімери одержала головним чином завдяки інтенсивним пошукам способів синтезу каучуку, у яких брали участь найбільші вчені багатьох країн (Р. Бушарда. У. Тилден. ньому. вчений К. Гарриес, В. Л. Кондаков. С. В. Лебедєв та ін). У 30-х рр. було доведене існування вільнорадикального (Р. Штаудінгер та ін) і іонного (американський вчений Ф. Вітмор та інших) механізмів полімеризації. Велику роль у розвитку уявлень про поліконденсації зіграли роботи У. Карозерса .

З початку 20-х роках 20 ст. розвиваються також теоретичні представлення про будівлю полімерів. Спочатку передбачалося, що такі біополімери, як целюлоза, крохмаль, каучук, білки, а також деякі синтетичні полімери, подібні з ними по властивостях (наприклад, полиизопрен), складаються з малих молекул, що володіють незвичайною здатністю асоціювати в розчині в комплекси колоїдної природи завдяки нековалентним зв’язкам (теорія «малих блоків»). Автором принципово нового представлення про полімери як про речовини, що складаються з макромолекул, часток надзвичайно великої молекулярної маси, був Р. Штаудінгер. Перемога ідей цього вченого (до початку 40-х роках 20 ст.) змусила розглядати полімери як якісно новий об’єкт дослідження хімії і фізики.

Література. Енциклопедія полімерів, т. 1-2, М 1972-74; Стрепихеев А. А. Деревицкая Ст. А. Слонімський Р. Л. Основи хімії високомолекулярних сполук, 2 изд. [М. 1967]; Лосєв В. П. Тростянська Е. Б. Хімія синтетичних полімерів, 2 изд. М. 1964; Коршак Ст. Ст. Загальні методи синтезу високомолекулярних сполук, М. 1953; Каргін Ст. А. Слонімський Р. Л. Короткі нариси з фізики-хімії полімерів, 2 изд. М. 1967; Оудиан Дж. Основи хімії полімерів, пер. з англ. М. 1974; Тагер А. А. Фізико-хімія полімерів, 2 изд. М. 1968; Тенфорд Ч. Фізична хімія полімерів, пер. з англ. М. 1965.

В. А. Кабанів.

Джерело www.rubricon.ru

Пластмаси

Ця стаття написана на початку 70-х видатним радянським хіміком, проф. Оленою Борисівною Тростянської, автором багатьох праць, підручників і книг з хімії полімерів і пластмас. Однак, за минулі 30 років стаття анітрохи не втратила актуальності. Звичайно, деякі наведені тут дані про обсяги виробництва пластмас застаріли. Слід зазначити також, що в число лідерів, серед пластмас, поряд з поліетиленом та полістиролом. зараз увійшов і поліпропілен.

Оригінал статті знаходиться на сервері www. rubricon.ru

А. Абушенко

жовтень 2005

Пласт і етичні м а сси, пластмаси, пластики, матеріали, що містять у своєму складі полімер. який в період формування виробів знаходиться в вязкотекучому або існувати у високоеластичном стані, а під час експлуатації в склоподібному або кристалічному стані. Залежно від характеру процесів, що супроводжують формування виробів, Пластмаси ділять на реактопласти і термопласти. До числа реактопластів відносять матеріали, переробка у вироби яких супроводжується хімічною реакцією утворення сітчастого полімеру — затвердінням; при цьому пластик необоротно втрачає здатність переходити у в’язкотекучий стан (розчин або розплав). При формуванні виробів з термопластів не відбувається затвердіння, і матеріал у виробі зберігає здатність знову переходити в в’язкотекучий стан.

Пластмаси зазвичай складаються з декількох взаємно поєднаних і несовмещающихся компонентів. При цьому, крім полімеру, до складу пластмаси можуть входити наповнювачі полімерних матеріалів. пластифікатори. знижують температуру плавлення і в’язкість полімеру, стабілізатори полімерних матеріалів. уповільнюють його старіння, барвники та ін Пластмаси можуть бути однофазними (гомогенними) чи багатофазними (гетерогенними, композиційними) матеріалами. В гомогенних пластмасах полімер є основним компонентом, що визначає властивості матеріалу. Інші компоненти розчинені в полімері і здатні покращувати ті чи інші його властивості. В гетерогенних пластмасах полімер виконує функцію дисперсійного середовища (сполучного) по відношенню до дисперговані у ньому компонентів, що становлять самостійні фази. Для розподілу зовнішнього впливу на компоненти гетерогенного пластику необхідно забезпечити міцне зчеплення на кордоні контакту сполучного з частинками наповнювача, що досягається адсорбцією або хімічною реакцією сполучного з поверхнею наповнювача.

Наповнені пластики. Наповнювач в пластмасі може бути в газовій або конденсованій фазах. В останньому випадку його модуль пружності може бути нижче (низькомодульної наповнювачі) або вище (високомодульні наповнювачі) модуля пружності сполучного.

До числа газонаповнених пластиків відносяться пінопласти — матеріали найлегші з усіх пластмас; їх удавана щільність становить зазвичай від 0,02 до 0,8 г/см 3 .

Низькомодульної наповнювачі (їх іноді називають эластификаторами), в якості яких використовують еластомери, не знижуючи теплостійкості і твердості полімеру, надають матеріалу підвищену стійкість до знакозмінних і ударних навантажень (див. табл. 1), запобігають проростанню мікротріщин в сполучному. Однак коефіцієнт термічного розширення эластифицированных пластмас вище, а деформаційна стійкість нижче, ніж монолітних зв’язуючих. Еластіфікатор диспергируют в сполучному у вигляді частинок розміром 0,2—10 мкм. Це досягається полімеризацією мономеру на поверхні частинок синтетичних латексів. затвердінням олігомеру, у якому дисперговані еластомер, механічним перетиранием суміші твердого полімеру з еластомером. Наповнення повинно супроводжуватися утворенням сополімеру на межі розділу частинок эластификатора зі сполучною. Це забезпечує кооперативну реакцію сполучної і эластификатора на зовнішній вплив в умовах експлуатації матеріалу. Чим вище модуль пружності наповнювача і ступінь наповнення ним матеріалу, тим вище деформаційна стійкість наповненого пластику. Однак введення високомодульних наповнювачів у більшості випадків сприяє виникненню залишкових напружень в сполучному, а отже, зниження міцності і монолітності полімерної фази.

Властивості пластмаси з твердим наповнювачем визначаються ступенем наповнення, типом наповнювача й сполучного, міцністю зчеплення на кордоні контакту, товщиною прикордонного шару, формою, розміром і взаємним розташуванням частинок наповнювача. Пластмаси з частинками наповнювача малих розмірів, рівномірно розподіленими по матеріалу, характеризуються изотропией властивостей, оптимум яких досягається при ступені наповнення, що забезпечує адсорбцію всього обсягу сполучного поверхнею частинок наповнювача. При підвищенні температури і тиску частина сполучного десорбується з поверхні наповнювача, завдяки чому матеріал можна формувати у вироби складних форм з крихкими армуючими елементами. Дрібні частинки наповнювача в залежності від їх природи до різних меж підвищують модуль пружності виробу, його твердість, міцність, надають йому фрикційні, антифрикційні, теплоізоляційні, теплопровідні або електропровідні властивості.

Для отримання пластмаси низької щільності застосовують наповнювачі у вигляді порожнистих частинок. Такі матеріали (іноді звані синтактическими пінами), крім того, володіють хорошими звуко — і теплоізоляційними властивостями.

Застосування в якості наповнювачів природних і синтетичних органічних волокон, а також неорганічних волокон (скляних, кварцових, вуглецевих, борних, азбестових), хоча і обмежує вибір методів формування і ускладнює виготовлення виробів складної конфігурації, але різко підвищує міцність матеріалу. Зміцнююча роль волокон в волокнитах. матеріали, наповнених хімічними волокнами (т. зв. органоволокнитах), карбоволокнитах (див. Углеродопласты )і стекловолокнитах проявляється вже при довжині волокна 2-4 мм. З збільшенням довжини волокон міцність зростає завдяки взаємному їх переплетення і пониження напруги в сполучному (при высокомодульном наповнювачі), локалізованих по кінцях волокон. У тих випадках, коли це допускається формою вироби, волокна скріплюють між собою в нитки і тканини різного плетіння. Пластмаси, наповнені тканиною ( текстоліти ), відносяться до шаруватим пластикам, відрізняється анізотропією властивостей, зокрема високою міцністю уздовж шарів наповнювача і низькою в перпендикулярному напрямку. Цей недолік шаруватих пластиків частково усувається застосуванням т. н. объемнотканых тканин, в яких окремі полотна (шари) переплетені між собою. Сполучна заповнює нещільності переплетень і, отверждаясь, фіксує форму, надану заготівлі з наповнювача.

У виробах нескладних форм, і особливо в порожнистих тіл обертання, волокна-наповнювачі розташовані за напрямом дії зовнішніх сил. Міцність таких пластмас у заданому напрямку визначається в основному міцністю волокон; сполучна лише фіксує форму виробу і рівномірно розподіляє навантаження по волокнах. Модуль пружності і міцність при розтягуванні вироби уздовж розташування волокон досягають дуже високих значень (див. табл. 1). Ці показники залежать від ступеня наповнення пластмаси.

Для панельних конструкцій зручно використовувати шаруваті пластики з наповнювачем з деревного шпону або папери, у тому числі паперу з синтетичного волокна (див. Деревні пластики. Гетинакс ). Значне зниження маси панелей при збереженні твердості досягається застосуванням матеріалів тришарової, або сэндвичевой, конструкції з проміжним шаром з пінопласту або сотопласта.

Основні види термопластів. Серед термопластів найбільш різноманітне застосування поліетилену. полівінілхлориду та полістиролу. переважно у вигляді гомогенних або эластифицированных матеріалів, рідше газонаповнених і наповнених мінеральними порошками або синтетичними органічними волокнами.

Пластмаси на основі поліетилену легко формуються і зварюються у вироби складних форм, вони стійкі до ударних і вібраційних навантажень, хімічно стійки, відрізняються високими електроізоляційними властивостями (діелектрична проникність 2,1—2,3) і низькою щільністю. Вироби з підвищеною міцністю і теплостійкістю отримують з поліетилену, наповненого коротким (до 3 мм)скловолокном. При ступені наповнення 20% міцність при розтягуванні зростає в 2,5 рази, при вигині — в 2 рази, ударна в’язкість — у 4 рази і теплостійкість — в 2,2 рази.

Жорстка пластмаса на основі полівінілхлориду — вініпласт. у тому числі еластифікованний (ударостійкий), формується значно важче поліетиленових пластиків, але міцність її до статичних навантажень набагато вище, повзучість нижче і твердість вище. Більш широке застосування знаходить пластифікований полівінілхлорид — пластикат. Він легко формується і надійно зварюється, а необхідне поєднання в ньому міцності, деформаційної стійкості і теплостійкості досягається підбором співвідношення пластифікатора і твердого наповнювача.

Пластмаси на основі полістиролу формуються значно легше, ніж з вініпласту, їх діелектричні властивості близькі до властивостей поліетиленових пластмас, вони оптично прозорі і по міцності до статичних навантажень мало поступаються винипласту, але більш тендітні, менш стійкі до дії розчинників і горючі. Низька ударна в’язкість і руйнування внаслідок швидкого проростання мікротріщин — властивості, особливо характерні для полістирольних пластиків, усуваються наповненням їх еластомерами, т. е. полімерами або сополімерами з температурою склування нижче — 40 °С. Еластифікованний (ударостійкий) полістирол найбільш високої якості одержують полімеризацією стиролу на частинках бутадієнстирольного або бутадієн-нітрильного латексу. Матеріал, названий АБС, містить близько 15% гель-фракції (блок — і прищеплені сополімери полістиролу і зазначених співполімерів бутадієну), складовою граничний шар і сполучає частинки еластомеру з матрицею з полістиролу. Морозостійкість матеріалу обмежує температура склування еластомеру, теплостійкість — температура склування полістиролу.

Теплостійкість перерахованих термопластів знаходиться в межах 60-80 °С, коефіцієнт термічного розширення високий і становить 1 • 10 -4 , їх властивості різко змінюються при незначній зміні температури, деформаційна стійкість під навантаженням низька. Частково позбавлені цих недоліків термопласти, які відносяться до групи іономіри, наприклад сополімери етилену, пропілену або стиролу з мономерами, що містять іоногенні групи (зазвичай ненасичені карбонові кислоти або їх солі). Нижче температури плинності завдяки взаємодії йоногенних груп між макромолекулами створюються міцні фізичні зв’язки, які руйнуються при розм’якшення полімеру. У иономерах вдало поєднуються властивості термопластів, сприятливі для формування виробів, з властивостями, характерними для сітчастих полімерів, тобто з підвищеною деформаційної стійкістю і жорсткістю. Проте присутність йоногенних груп у складі полімеру знижує його діелектричні властивості і вологостійкість.

Пластмаси з більш високою теплостійкістю (100-130 °С) і менш різкою зміною властивостей з підвищенням температури виробляють на основі поліпропілену. поліформальдегіду. полікарбонатів. поліакрилатів. поліамідів. особливо ароматичних поліамідів. Швидко розширюється номенклатура виробів, що виготовляються з полікарбонату, у тому числі наповнених скловолокном.

Для деталей, що працюють у вузлах тертя, широко застосовуються пластики з аліфатичних поліамідів, наповнених теплопровідними матеріалами, наприклад графітом.

Особливо високі хімічна стійкість, міцність до ударних навантажень і діелектричні властивості пластиків на основі політетрафторетилену та кополімерів тетрафторетилену (див. Фторопласты ). В матеріалах на основі поліуретанів вдало поєднується зносостійкість з морозостійкістю і тривалою міцністю в умовах знакозмінних навантажень. Поліметилметакрилат використовують для виготовлення оптично прозорих атмосферостійких матеріалів (див. також органічне Скло ).

Обсяг виробництва термопластів з підвищеною теплостійкістю і органічних стекол становить близько 10% загального обсягу всіх полімерів, призначених для виготовлення пластмас

Відсутність реакцій затвердіння під час формування термопластів дає можливість гранично інтенсифікувати процес переробки. Основні методи формування виробів з термопластів — лиття під тиском. екструзія. вакуумформование і пневмоформование. Оскільки в’язкість розплаву високомолекулярних полімерів велика, формування термопластів на ливарних машинах або екструдерах вимагає питомих тисків 30-130 Мн/м = (300-1300 кгс/см 2 ).

Подальший розвиток виробництва термопластів спрямоване на створення матеріалів з тих же полімерів, але з новими комбінаціями властивостей, застосуванням эластификаторов, порошкових і коротковолокнистого наповнювачів.

Основні види реактопластів. Після закінчення формування виробів з реактопластів полімерна фаза набуває сітчасту (тривимірну) структуру. Завдяки цьому затверділі реактопласти мають більш високі, ніж термопласти, показники по міцності, модуля пружності, теплостійкості, втомної міцності, більш низький коефіцієнт термічного розширення; при цьому властивості затверділих реактопластів не настільки різко залежать від температури. Однак нездатність отверднених реактопластів переходити у в’язкотекучий стан змушує проводити синтез полімеру в кілька стадій.

Першу стадію закінчують одержанням олігомерів (смол) — полімерів з молекулярною масою 500-1000. Завдяки низькій в’язкості розчину або розплаву смолу легко розподілити по поверхні частинок наповнювача навіть у тому випадку, коли ступінь наповнення досягає 80-85% (по масі). Після введення всіх компонентів плинність реактопласта залишається настільки високою, що вироби з нього можна формувати заливкою (литтям), контактним формуванням, намотуванням. Такі реактопласти називаються преміксами в тому випадку, коли вони містять наповнювач у вигляді дрібних частинок, і препрегами, якщо наповнювачем є безперервні волокна, тканина, папір. Технологічна оснастка для формування виробів з преміксів і препрегів проста і енергетичні витрати невеликі, але процеси пов’язані з витримкою матеріалу в індивідуальних формах для затвердіння сполучного. Якщо смола затвердне по реакції поліконденсації, то формування виробів супроводжується сильною усадкою матеріалу і в ньому виникають значні залишкові напруги, а монолітність, щільність і міцність далеко не досягають граничних значень (за винятком виробів, отриманих намотуванням з натягом). Щоб уникнути цих недоліків, в технології виготовлення виробів зі смол, отверждающихся по реакції поліконденсації, передбачена додаткова стадія (після змішування компонентів) — предотверждение сполучного, здійснюване при вальцевании або сушці. При цьому скорочується тривалість подальшої витримки матеріалу у формах і підвищується якість виробів, однак заповнення форм із-за зниження плинності сполучного стає можливим тільки при тисках 25-60 Мн/м 2 (250-600 кгс/см 2 ).

Смола реактопластах може отверждаться мимовільно (чим вище температура, тим більше швидкість) або з допомогою поліфункціонального низькомолекулярного речовини — затверджувача.

Реактопласти з будь-яким наповнювачем виготовляють, застосовуючи в якості сполучного феноло-альдегідні смоли. часто эластифицированные поливинилбутиралем (див. Поливинилацетали ), бутадієн-нитрильным каучуком. поліамідами, полівінілхлоридом (такі матеріали називають фенопластами ), та епоксидні смоли. іноді модифіковані феноло — або аніліно-формальдегідів смолами або отверждающимися олигоэфирами.

Високоміцні пластмаси з термостійкістю до 200 °С виробляють, поєднуючи скляні волокна або тканини з отверждающимися олигоэфирами, феноло-формальдегідів або епоксидними смолами. У виробництві виробів, що довгостроково працюють при 300 °С, застосовують склопластики або асбопластики з кремнійорганічним сполучною; при 300-340 °С — полііміди в поєднанні з кремнеземными, азбестовими або вуглецевими волокнами; при 250-500 °С у повітряній і при 2000-2500 °С в інертному середовищах — фенопластові або пластики на основі поліамідів, наповнені вуглецевим волокном і піддані карбонізації (графитации) після формування виробів.

Високомодульні пластмаси [модуль пружності 250-350 Гн/м 2 (25 000-35 000 кгс/мм 2 )> виробляють, поєднуючи епоксидні смоли з вуглецевими, боровими або монокристаллическими волокнами (див. також Композиційні матеріали ). Монолітні і легкі пластмаси, стійкі до вібраційних і ударних навантажень, водостійкі і зберігають діелектричні властивості і герметичність в умовах складного навантаження, виготовляють, поєднуючи епоксидні, поліефірні або меламіно-формальдегідні смоли з синтетичними волокнами або тканинами, папером з цих волокон.

Найбільш високі діелектричні властивості (діелектрична проникність 3,5—4,0) характерні для матеріалів на основі кварцових волокон і поліефірних або кремнійорганічних зв’язувальних.

Деревно-шаруваті пластики широко використовують у промисловості будматеріалів і в суднобудуванні.

Обсяг виробництва та структура споживання пластмас. Пластичні матеріали на основі природних смол (каніфолі, шелаку, бітумів та ін) відомі з давніх часів. Найстарішою пластмасою, приготовленої з штучного полімеру — нітрату целюлози. є целулоїд, виробництво якого було розпочато в США в 1872 році. В 1906-10 в Росії та Німеччині в дослідному виробництві налагоджується випуск перших реактопластів — матеріалів на основі феноло-формальдегідної смоли. У 30-х рр. в СРСР, США, Німеччині та інших промислово розвинених країнах організується виробництво термопластів — полівінілхлориду, поліметилметакрилату, поліамідів, полістиролу. Однак бурхливий розвиток промисловості пластмас почалося тільки після 2-ї світової війни 1939-45. У 50-х рр. у багатьох країнах починається випуск самої великотоннажної пластмаси— поліетилену.

В СРСР становлення промисловості пластичних мас, як самостійної галузі відноситься до періоду довоєнних п’ятирічок (1929-40). Виробництво пластмас склало (в тис. т ): в 1940 — 24, в 1950 — 75, в 1960 — 312, в 1970 — 1673, в 1973 — близько 2300. Основні підприємства зосереджені в Європейській частині (84% загальносоюзного виробництва пластичних мас ). До їх числа відносяться орєхово-зуєвський завод «Карболит», Казанський завод органічного синтезу, Полоцький хімічний комбінат, Свердловський завод пластмас, Володимирський хімічний завод, Горлівський хімічний комбінат, Московський нафтопереробний завод. В перспективі у зв’язку з створенням найбільших Томського і Тобольського нафтохімічних комплексів на базі Тюменських нафтових родовищ, розвитком Омського нафтохімічного комплексу та відповідних заводів пластмас близько 30% виробництва припадає на східні райони. Основні діючі підприємства в цих районах — кемеровський завод «Карболит», Тюменський завод пластмас.

Виробництво пластичних мас в 1973 в деяких промислово розвинених капіталістичних країнах характеризується наступними даними (тис. т ): США — 13200, Японія — 6500, ФРН — 6500, Франція — 2500, Італія — 2300, Великобританія — 1900.

1973 світове виробництво полімерів для пластичних мас досягло

43 млн. т. З них близько 75% припадало на частку термопластів (25% поліетилену, 20% полівінілхлориду, 14% полістиролу і його похідних, 16% інших пластиків). Існує тенденція до подальшого збільшення частки термопластів (в основному поліетилену) в загальному виробництві пластмас.

Хоча частка термореактивних смол у загальному випуску полімерів для пластмас складає всього близько 25%, фактично обсяг виробництва реактопластів вище, ніж термопластів, з-за високої ступеня наповнення (60-80%) смоли.

Застосування пластичних мас в різних областях техніки характеризують дані (табл. 2).

Виробництво пластмас розвивається значно інтенсивніше, ніж у таких традиційних конструкційних матеріалів, як чавун і алюміній (табл. 3).

Споживання пластмас у будівництві безперервно зростає. При збільшенні світового виробництва пластичних мас в 1960-70 приблизно в 4 рази обсяг їх споживання у будівництві зріс у 8 разів. Це обумовлено не тільки унікальними фізико-механічними властивостями полімерів, але також і їх цінними архітектурно-будівельними характеристиками. Основні переваги пластмас перед ін. будівельними матеріалами — легкість і порівняно велика питома міцність. Завдяки цьому може бути істотно зменшена маса будівельних конструкцій, що є найважливішою проблемою сучасного індустріального будівництва. Найбільш широко пластмаси (головним чином рулонні і плиткові матеріали) використовують для покриття підлог та ін оздоблювальних робіт (див. також Полімербетон ), герметизації, гідро — та теплоізоляції будівель, у виробництві труб та санітарно-технічного обладнання. Їх застосовують і у вигляді стінових панелей, перегородок, елементів покрівельних покриттів (у т. ч. світлопрозорих), віконних рам, дверей, пневматичних будівельних конструкцій, будиночків для туристів, літніх павільйонів та ін.

Пластмаси займають одне з провідних місць серед конструкційних матеріалів машинобудування. Споживання їх в цій галузі стає порівняним (в одиницях об’єму) зі споживанням стали. Доцільність використання Пластмаси в машинобудуванні визначається насамперед можливістю здешевлення продукції. При цьому поліпшуються також найважливіші техніко-економічні параметри машин — зменшується маса, підвищуються довговічність, надійність та ін. З пластмас виготовляють зубчасті і черв’ячні колеса, шківи, підшипники, ролики, направляючі верстатів, труби, болти, гайки, широкий асортимент технологічного оснащення і ін

Основні переваги пластмас, що обумовлюють їх широке застосування в авіабудуванні,— легкість, можливість змінювати технічні властивості у великому діапазоні. За період 1940-70 число авіаційних деталей із пластмас збільшилася від 25 до 10 000. Найбільший прогрес у використанні полімерів досягнутий при створенні легких літаків і вертольотів. Тенденція до все більш широкого їх застосування характерна також для виробництва ракет і космічних апаратів, у яких маса деталей з пластмаси може становити 50% від загальної маси апарату. З використанням реактопластів виготовляють реактивні двигуни, силові агрегати літаків (оперення, крила, фюзеляж і ін), корпуси ракет, колеса, стійки шасі, несучі гвинти вертольотів, елементи теплового захисту, підвісні паливні баки та ін. Термопласти застосовують у виробництві елементів скління, антенних обтічників, при декоративній обробці інтер’єрів літаків та ін. піно — і сотопласти — як заповнювачі високонавантажених тришарових конструкцій.

Області застосування пластичних мас в суднобудуванні дуже різноманітні, а перспективи використання практично необмежені. Їх застосовують для виготовлення корпусів суден і корпусних конструкцій (головним чином склопластики), у виробництві деталей суднових механізмів, приладів, для обробки приміщень, їх тепло-, звуко — та гідроізоляції.

В автомобілебудуванні особливо велику перспективу має застосування пластмас для виготовлення кабін, кузовів та їх великогабаритних деталей, т. к. на частку кузова припадає близько половини маси автомобіля і

40% його вартості. Кузова з пластмаси більш надійні і довговічні, ніж металеві, а їх ремонт дешевше і простіше. Однак, пластмаси не отримали великого поширення у виробництві великогабаритних деталей автомобіля, головним чином із-за недостатньої жорсткості і порівняно невисокою атмосферостійкості. Найбільш широко пластмаси застосовують для внутрішньої обробки салону автомобіля. З них виготовляють також деталі двигуна, трансмісії, шасі. Величезне значення, яке пластмаси грають в електротехніці, визначається тим, що вони є основою або обов’язковим компонентом всіх елементів ізоляції електричних машин, апаратів та кабельних виробів. Пластмаси часто застосовують і для захисту ізоляції від механічних впливів і агресивних середовищ, для виготовлення конструкційних матеріалів та ін

Тенденція до усе більш широкого застосування пластмаси (особливо плівкових матеріалів, див. Плівки полімерні ) характерна для всіх країн з розвиненим сільським господарством. Їх використовують при будівництві культиваційних споруд, для мульчування грунту, дражування насіння. пакування та зберігання с.-г. продукції і т. д. В меліорації і с.-г. водопостачання полімерні плівки служать екранами, запобігають втрати води на фільтрацію з зрошувальних каналів і водоймищ; з пластмас виготовляють труби різного призначення, використовують їх у будівництві водогосподарських споруд і ін

медичної промисловості застосування пластмаси дозволяє здійснювати серійний випуск інструментів, спеціального посуду і різних видів упаковки для ліків. В хірургії використовують пластмасові клапани серця, протези кінцівок, ортопедичні вкладки, тутори, стоматологічні протези, кришталики ока та ін

Лит.: Енциклопедія полімерів, т, 1-2, М. 1972-74; Технологія пластичних мас, під ред. Ст. Ст. Коршака, М. 1972; Лосєв В. П. Тростянська Е. Б. Хімія синтетичних полімерів, 3 изд. М. 1971; Пластики конструкційного призначення, під ред. О. Б. Тростянської, М. 1974.

Короткий опис статті: термореактивні пластмаси Мережева Академія Меблів:: Полімери і пластичні маси. Основні поняття і визначення

Джерело: Полімери і пластичні маси. Основні поняття і визначення

Також ви можете прочитати