Формовочные полимеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Введение

1. Полиакрилаты

2. Синтез и применение

3. Поликарбонаты

Заключение

Библиографический список

Введение

Органическое стекло техническое название прозрачных твердых материалов на основе органических полимеров. К этой группе относятся полиакрилаты, полистирол, полимеры аллиловых соединений, поликарбонаты, сополимеры винилхлорида, сополимеры некоторых эфиров целлюлозы и др.

В промышленности под `органическим стеклом' чаще всего понимают листовой материал, получаемый полимеризацией в массе метилметакрилата. Производство этого материала покрывает основные потребности в органическом стекле - выпуск остальных видов невелик.

За рубежом полимерные изоляторы применяются около 25 лет. В России их опытное применение началось лет 20 назад, а серийное производство?- около 13_15 лет назад. Одним из пионеров в производстве полимерных изоляторов в СССР было предприятие "Энергия 21" (Южно-Уральск, Челябинская область), другим?- Славянский завод высоковольтных изоляторов, находящийся сейчас на территории Украины. Сегодня количество производителей полимерных изоляторов значительно выросло, между ними идет реальная конкуренция.

Чем хороши полимерные изоляторы? Они легче, чем стеклянные или фарфоровые, что создает удобство при монтаже. По этой же причине полимерные изоляторы удобнее транспортировать на большие расстояния. К преимуществам полимерных изоляторов можно отнести и их высокую гидрофобность, которая оказывается особенно ценной на территориях с высоким засолением, таких, как Пермь, Соликамск.

С другой стороны, у полимерных изоляторов есть свои слабые места. Например, возможность появления микротрещин, которые возникают в процессе эксплуатации под воздействием внутреннего напряжения в пластиковых стержнях в местах обжима оконцевателя. Дальнейшее развитие трещин в процессе эксплуатации может привести к разрушению изолятора. Еще один минус?- то, что состояние стержня во время эксплуатации можно определить только специальными приборами. А это достаточно дорогое мероприятие.

1. Полиакрилаты

Полиакрилаты - полимеры сложных эфиров акриловой, метакриловой или цианакриловой кислот общей формулы (-CH2-CR'(COOR)-)n (R' = Н - акрилаты, R' = СН 3 - метакрилаты, R' = CN - цианакрилаты), термопластичные полимерные материалы, практически наиболее важные представители класса - поли-н-алкилакрилаты иполиметилметакрилат.

Свойства

Поли-н-алкилакрилаты с R = C1-C12 - прозрачные в массе аморфные полимеры с низкой температурой стеклования, при длине алкильной цепи более 12 кристаллизуются и теряют прозрачность.

Полиметакрилаты с R = С 1-С 3 - аморфные стеклообразные полимеры, с R = С 2-С 14 - эластичные, с R > С 14 - воскообразные полимеры. При R > С 10 вследствие упаковки алкильных цепей полиметакрилаты кристаллизуются, при этом температуры плавления растут с увеличением длины цепи.

При одинаковых заместителях R температуры стеклования полиметакрилатов выше, чем у полиакрилатов, с увеличением длины цепи R возрастает эластичность и морозостойкость, а плотность, прочность, твердость и температуры стеклования аморфных полимеров уменьшаются.

Полиакрилаты и полиметакрилаты растворимы в собственных мономерах, сложных эфирах, ароматических и хлорированных углеводородах (дихлорэтан или раствор полиметилметакрилата в дихлорэтане используется для склейки органического стекла), низшие полиакрилаты растворимы в ацетоне. Низшие полиакрилаты нерастворимы в неполярных растворителях, растворимость повышается с ростом длины цепи спиртового остатка R, что ведет к снижению бензо- и маслостойкости.

Полиакрилаты и полиметакрилаты устойчивы к воздействию солнечного света, атмосферного кислорода, воды, разбавленных щелочей и кислот. При 80-100°С полиакрилаты и полиметакрилаты гидролизуются растворами щелочей до полиакриловой и полиметакриловой кислот

2. Синтез и применение

Большую часть полиакрилатов и полиметакрилатов получают радикальной полимеризацией, в больших масштабах - обычно эмульсионной либо суспензионной полимеризацией, иногда - полимеризацией в растворе, в относительно небольших масштабах - блочной полимеризацией.

Термодеструкция полиакрилатов протекает при температурах выше 150 °C и сопровождается сшивкой полимера и частичной деполимеризацией (~1 % мономера), в отличие от них термодеструкция алифатических полиметакрилатов, протекающая при 200--250°С, ведет к деполимеризации с почти количественным выходом мономера (более 90 % у полиметилметакрилата).

Анионной полимеризацией могут быть получены стереорегулярные кристаллические полиакрилаты и полиметакрилаты.

Один из наиболее массовых полиакрилатов - полиметилметакрилат (органическое стекло, плексиглас), первый синтетический полимер с хорошими оптическими свойствами, нашедший массовое применение в качестве конструкционного материала, заменяющего стекло в авиастроении и других отраслях промышленности.

На основе полиакрилатов также производятся различные полимерные композиции, в частности акриловые краски и лаки, базирующиеся на водных дисперсиях полиакрилатов или их сополимеров, которые при высыхании образуют стойкую плёнку.

Полистирол - продукт полимеризации стирола (винилбензола), термопластичный полимер линейной структуры.

Степень полимеризации промышленно выпускаемых полистиролов n = 600--2500, коэффициент полидисперсности

( - среднемассовая, - среднечисловая молекулярные массы). В зависимости от метода синтеза и степени полимеризации индекс текучести составляет 1.4-30 граммов за 10 минут, температура размягчения (по Вика, 200 МПа) 97 °С для аморфного и 114 °С для частично кристаллизованного полистирола[1].

Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению макромолекул и формированию кристаллических образований.

Полистирол - жёсткий, хрупкий, аморфный полимер с высокой степенью оптического светопропускания, невысокой механической прочностью. Полистирол имеет низкую плотность (1060 кг/мі), усадка при литьевой переработке 0,4-0,8 %. Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами и неплохой морозостойкостью (до ?40 °C). Имеет невысокую химическую стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей).

Растворяется в ацетоне, толуоле, дихлорэтане, медленнее в бензине. Не растворим в воде. Термопластичный материал. Полистирол легко формуется и окрашивается. Хорошо обрабатывается механическими способами. Хорошо склеивается. Обладает низким влагопоглощением, высокой влагостойкостью иморозостойкостью.

Полистирол горит жёлтым пламенем, которое коптит, образующиеся пары имеют характерный сладковатый запах. При нагревании выделяются тяжёлые пары белого цвета - полистирол распадается на мономеры[2].

Промышленное производство полистирола основано на радикальной полимеризации стирола. Различают 3 основных способа его получения:

Эмульсионный (ПСЭ)

Наиболее устаревший метод получения, не получивший широкого применения в производстве. Эмульсионный полистирол получают в результате реакции полимеризации стирола в водном растворе щелочных веществ при температуре 85-95 °C. Для этого метода требуются: стирол, вода, эмульгатор и инициатор полимеризации. Стирол предварительно очищают от ингибиторов: требутил-пирокатехина или гидрохинона. В качестве инициаторов реакции применяют водорастворимые соединения, двуокись водорода или персульфат калия. В качестве эмульгаторов применяют соли жирных кислот, щелочи (мыло), соли сульфокислот. Реактор наполняют водным раствором касторового масла и тщательного перемешивая вводят стирол и инициаторы полимеризации, после чего полученная смесь нагревается до 85-95 °C. Мономер, растворённый в мицеллах мыла, начинает полимеризоваться, поступая из капель эмульсии. В результате чего образуются полимер-мономерные частицы. На стадии 20 % полимеризации мицеллярное мыло расходуется на образование адсорбированных слоёв и процесс далее протекает внутри частиц полимера. Процесс заканчивается, когда содержание свободного стирола станет менее 0,5 %. Далее эмульсия транспортируется из реактора на стадию осаждения с целью дальнейшего снижения остаточного мономера, для этого эмульсию коагулируют раствором поваренной соли и сушат, получая порошкообразную массу с размерами частиц до 0,1 мм. Остатки щелочных веществ влияют на качество полученного материала, поскольку полностью устранить посторонние примеси невозможно, а их наличие придаёт полимеру желтоватый оттенок. Данным методом можно получать полистирол с наибольшей молекулярной массой. Полистирол получаемый по данному методу имеет аббревиатуру - ПСЭ, которая периодически встречается в технической документации и старых учебниках по полимерным материалам.

Суспензионный (ПСС)

Суспензионный метод полимеризации производится по периодической схеме в реакторах с мешалкой и теплоотводящей рубашкой. Стирол подготавливают, суспендируя его в химически чистой воде посредством применения стабилизаторов эмульсии (поливинилового спирта, полиметакрилата натрия, гидроксида магния) и инициаторов полимеризации. Процесс полимеризации производится при постепенном повышении температуры (до 130 °С) под давлением. Результатом является - получение суспензии из которой полистирол выделяют путём центрифугирования, затем его промывают и сушат. Данный метод получения полистирола также является устаревшим и наиболее пригоден для получения и сополимеров стирола. Данный метод в основном применяется в производстве пенополистирола.

Блочный или получаемый в массе (ПСМ)

Различают две схемы производства полистирола общего назначения: полной и неполной конверсии. Термическая полимеризацией в массе по непрерывной схеме представляет собой систему последовательно соединенных 2-3 колонных аппарата-реактора с мешалками. Полимеризацию проводят постадийно в среде бензола - сначала при температуре 80-100 °С, а затем стадией 100--220 °С. Реакция прекращается при степени превращения стирола в полистирол до 80-90 % массы (при методе неполной конверсии степень полимеризации доводят до 50-60 %). Непрореагировавший стирол-мономер удаляют из расплава полистирола вакуумированием, понижая содержание остаточного стирола в полистироле до 0,01-0,05 %, непрореагировавший мономер возвращается на полимеризацию. Полистирол, полученный блочным методом отличается высокой чистотой и стабильностью параметров. Данная технология наиболее эффективна и практически не имеет отходов.

Выпускается в виде прозрачных гранул цилиндрической формы, которые перерабатываются в готовые изделия литьем под давлением либо экструзией при 190--230 °С. Широкое применение полистирола (ПС) и пластиков на его основе базируется на его невысокой стоимости, простоте переработки и огромном ассортименте различных марок.

Наиболее широкое применение (более 60 % производства полистирольных пластиков) получили ударопрочные полистиролы, представляющие собой сополимеры стирола с бутадиеновым и бутадиен-стирольным каучуком. В настоящее время созданы и другие многочисленные модификации сополимеров стирола.

Из полистиролов производят широчайшую гамму изделий, которые в первую очередь применяются в бытовой сфере деятельности человека (одноразовая посуда, упаковка, детские игрушки и т. д.), а также строительной индустрии (теплоизоляционные плиты, несъемная опалубка, сандвич панели), облицовочные и декоративные материалы (потолочный багет, потолочная плитка, полистирольные звукопоглощающие элементы, клеевые основы, полимерные концентраты), медицинское направление (части систем переливания крови, чашки Петри, вспомогательные одноразовые инструменты). Вспенивающийся полистирол после высокотемпературной обработки водой или паром может использоваться в качестве фильтрующего материала (фильтрующей насадки) в колонных фильтрах при водоподготовке и очистке сточных вод. Высокие электротехнические показатели полистирола в области сверхвысоких частот позволяют применять его в производстве: диэлектрических антенн, опор коаксиальных кабелей. Могут быть получены тонкие пленки (до 100 мкм), а в смеси с сополимерами (стирол-бутадиен-стирол) до 20 мкм, которые также успешно применяются в упаковочной и кондитерской индустрии, а также производстве конденсаторов.

Ударопрочный полистирол и его модификации получили широкое применение в сфере бытовой техники и электроники (корпусные элементы бытовых приборов).

Военная промышленность

Предельно низкая вязкость полистирола в бензоле, позволяющая даже в предельных концентрациях получать все ещё подвижные растворы,[3] обусловила использование полистирола в составе одной из разновидностей напалма[4] в качестве загустителя, зависимость "вязкость-температура" которого, в свою очередь, уменьшается с увеличением молекулярной массы полистирола.[3]. стекло полимер метилметакрилат

Утилизация

Считается, что полистирол не представляет опасности для окружающей среды.[5]

Переработка

Отходы полистирола накапливаются в виде вышедших из употребления изделий из ПС и его сополимеров, а также в виде промышленных (технологических) отходов ПС общего назначения, ударопрочного ПС (УПС) и его сополимеров. Вторичное использование полистирольных пластиков может идти по следующим путям:

· утилизация сильно загрязненных промышленных отходов;

· утилизация технологических отходов УПС и АБС-пластика методами литья под давлением, эктрузии и прессования;

· утилизация изношенных изделий;

· утилизация отходов пенополистирола (ППС);

· утилизация смешанных отходов.

Сжигание

При сжигании полистирола образуется двуокись углерода (CO2), окись углерода (CO - угарный газ), сажа.[5] Сжигание полистирола, содержащего добавки (например, красители, компоненты, увеличивающие прочность и т. п.) может привести к выбросу в атмосферу других вредных веществ.

Термодеструкция

Продукты разложения полистирола, образующиеся при термодеструкции и при термоокислительной деструкции, токсичны. При переработке полистирола в результате частичной деструкции материала могут выделяться пары стирола, бензола, этилбензола, толуола, оксида углерода.[5]

Виды и маркировки полистирола и его сополимеров

В мире используются следующие стандартные аббревиатуры:

· PS - polystyrene, полистирол (ПС)

· GPPS - general purpose polystyrene (полистирол общего назначения, неударопрочный, блочный, иногда называемый "кристаллическим", ПСЭ, ПСС или ПСМ маркировка зависит от способа получения)

· MIPS - medium-impact polystyrene (средней ударопрочности)

· HIPS - high-impact polystyrene (ударопрочный, УПС, УПМ)

· EPS - expanded polystyrene (вспенивающийся полистирол, ПСВ)

· Аббревиатура MIPS используется сравнительно редко.

Сополимеры стирола

· ABS - Акрилонитрил-бутадиен-стирольный сополимер (АБС-пластик, АБС сополимер)

· ACS - Акрилонитрил-хлорэтилен-стироловый сополимер (АХС сополимер)

· AES, A/EPDM/S - Сополимер акрилонитрила, СКЭПТ и стирола (АЭС сополимер)

· ASA - Сополимер акрилового эфира, стирола и акрилонитрила (АСА-сополимер)

· ASR - Ударопрочный сополимер стирола (Advanced Styrene Resine))

· MABS, M-ABS - Сополимер метилметакрилата, акрилонитрила, бутадиена и стирола, прозрачный АБС

· MBS - Метилметакрилат бутадиен стирольный сополимер (МБС сополимер)

· MS, SMMA - Сополимер метилметакрилата и стирола (МС)

· MSN - Сополимер метилметакрилата, стирола и акрилонитрила (МСН)

· SAM - Сополимер стирола и метилстирола (САМ)

· SAN, - AS - Сополимер стирола и акрилонитрила (САН, СН)

· SMA, S/MA - Стирол малеиново ангидридный сополимер.

Сополимеры стирола - термопластичные эластомеры

· ESI - Этилен-стирольный интерполимер

· SB, S/B - Стирол-бутадиеновый сополимер

· SBS, S/B/S - Стирол-бутадиен-стирольный сополимер

· SEBS, S-E/B-S - Стирол-этилен-бутилен-стирольный сополимер

· SEEPS, S-E-E/P-S - Стирол-этилен-этилен/пропилен- стирольный сополимер

· SEP - Стирол-этилен-пропиленовый сополимер

· SEPS, S-E/P-S - Стирол-этилен-пропилен-стирольный сополимер

· SIS - Стирол-изопрен-стирольный сополимер

3. Поликарбонаты

Поликарбонаты - группа термопластов, сложные полиэфиры угольной кислоты и двухатомных спиртов общей формулы (-O-R-O-CO-)n. Наибольшее промышленное значение имеют ароматические поликарбонаты, в первую очередь, поликарбонат на основе Бисфенола А, благодаря доступности бисфенола А, синтезируемого конденсацией фенола и ацетона.

История возникновения: Первые упоминания о продукте подобном поликарбонату появились в XIX веке. В 1898 году получение поликарбоната впервые описал немецкий химик, изобретатель новокаина, Альфред Айнхорн. Тогда он работал у знаменитого химика-органика Адольфа фон Байера в Мюнхене и, занимаясь поиском обезболивающего средства из эфира, произвел в лаборатории реакции хлорангидрида угольной кислоты с тремя изомерами диоксибензола и в осадке получил полимерный эфир угольной кислоты - прозрачное, нерастворимое и термостойкое вещество.

В 1953 году Герман Шнелл специалист немецкой компании "BAYER" получил соединение поликарбоната. Этот полимеризированный карбонат оказался соединением, механические свойства которого не имели аналогов среди известных термопластов! В том же году поликарбонат запатентовали под маркой "Макролон".

Но в этом же 1953 году, всего несколькими днями позже, поликарбонат получил Дениель Фокс, специалист из известной американской компании"General Electric".Возникла спорная ситуация. В 1955 году ее удалось решить, и компания "General Electric" запатентовала материал под маркой поликарбонат "Лексан". В 1958 году "BAYER", а за тем в 1960 году "General Electric" пустили в промышленное производство, технически пригодный поликарбонат. В дальнейшем права на "Лексан" были проданы компании "Sabic" (Саудовская Аравия).

Но это было всего лишь вещество-поликарбонат. До появления сотового (или ячеистового) поликарбоната как листового материала оставалось еще долгих 20 лет.

В начале 70 х годов в поисках альтернативы тяжелому и хрупкому стеклу поликарбонатом заинтересовался Израиль, правительство которого активно поддерживало развитие сельского хозяйства и животноводства в условиях жаркой пустыни. В частности большое внимание уделялось теплицам, позволяющим выращивать растения в микроклимате, созданном с помощью капельного орошения. Стекло для изготовления теплиц было дорого и непрочно, акрил не мог удержать соответствующую температуру, а поликарбонат идеально для этого подходил.

Тогда совместно "General Electric" (владельцами сырья поликарбоната под торговой маркой "Лексан") проводились опыты по производству прозрачных пластиков на оборудовании компании "Polygal" в Рамат Хашофете и Мегиддо (Израиль), а именно на 160-й линии. Обе компании подгоняли под технологию сырье, и сырье под технологию. Так в 1976 году в Израиле получился первый в мире сотовый лист из поликарбоната. До этого ячеистый материал уже производили из различных других полимеров, например на "Polygal" из полипропилена. Были производства ячеистового полимера и из акрила, и ПВХ. Но именно сотовый поликарбонат был создан и произведен на предприятии "Polygal" Этот исторический факт известен всем производителям сотового поликарбоната в мире.

Методы синтеза

Синтез поликарбоната на основе бисфенола А проводится двумя методами: методом фосгенирования бисфенола А и методом переэтерификации в расплаве диарилкарбонатов бисфенолом А.

В случае переэтерификации в расплаве в качестве исходного сырья используется дифенилкарбонат, реакцию проводят в присутствии щелочных катализаторов (метилат натрия), температуру реакционной смеси повышают ступенчато от 150 до 300 °C, реакцию проводят в вакуумированных реакторах периодического действия при постоянной отгонке выделяющегося в ходе реакции фенола. Полученный расплав поликарбоната охлаждают и гранулируют. Недостатком метода является относительно небольшая молекулярная масса (до 50 КДа) получаемого полимера и его загрязнённость остатками катализатора и продуктов термодеструкции бисфенола А.

Фосгенирование бисфенола А проводят в растворе хлоралканов (обычно - хлористого метилена CH2Cl2) при комнатной температуре, существует две модификации процесса - поликонденсация в растворе и межфазная поликонденсация:



При поликонденсации в растворе в качестве катализатора и основания, связывающего выделяющийся хлороводород используют пиридин, гидрохлорид пиридина, образующийся в ходе реакции, нерастворим в хлористом метилене и по завершении реакции его отделяют фильтрованием. От остаточных количеств пиридина, содержащегося в реакционной смеси, избавляются отмыванием водным раствором кислоты. Поликарбонат высаждают из раствора подходящим кислородсодержащим растворителем (ацетоном и т. п.), что позволяет частично избавиться от остаточных количеств бисфенола А, осадок сушат и гранулируют. Недостатком метода является использование достаточно дорогого пиридина в больших количествах (более 2 молей на моль фосгена).

В случае фосгенирования в условиях межфазного катализа поликонденсация проводится в два этапа: сначала фосгенированием бисфенолята А натрия получают раствор смеси олигомеров, содержащих концевые хлорформиатные -OCOCl и гидроксильные -OH группы, после чего проводят поликонденсацию смеси олигомеров в полимер.

Переработка

При переработке поликарбонатов применяют большинство методов переработки и формовки термопластичных полимеров: литьё под давлением (производство изделий), выдувное литьё (разного рода сосуды), экструзию (производство профилей и плёнок), формовку волокон из расплава. При производстве поликарбонатных плёнок также применяется формовка из растворов - этот метод позволяет получать тонкие плёнки из поликарбонатов высокой молекулярной массы, формовка тонких плёнок из которых затруднена вследствие их высокой вязкости. В качестве растворителя обычно используютметиленхлорид.

Российская номенклатура марок

Обозначение поликарбонатов различных марок имеет вид

ПК - метод переработки, ПТР - модификаторы в составе, при этом:

· ПК - поликарбонат

· Рекомендованный метод переработки:

· Л - переработка литьём под давлением

· Э - переработка экструзией

· Модификаторы в составе композиции:

· Т - термостабилизатор

· С - светостабилизатор

· О - краситель

· ПТР - максимальный показатель текучести расплава: 7 или 12 или 18 или 22.

В Советском Союзе до начала 1990-х годов выпускался поликарбонат "дифлон"[1], с 2009 года запущен в эксплуатацию цех завода ОАО "КазаньОргСинтез" по производству отечественного поликарбоната новой номенклатурной линейки:

· ПК-1 - высоковязкая марка, ПТР=1ч3,5, в дальнейшем заменён на ПК-ЛЭТ-7, в настоящее время РС-003 или РС-005;

· ПК-2 - средневязкая марка, ПТР=3,5ч7, в дальнейшем заменён на ПК-ЛТ-10, в настоящее время РС-007;

· ПК-3 - низковязкая марка, ПТР=7ч12, в дальнейшем заменён на ПК-ЛТ-12, в настоящее время РС-010;

· ПК-4 - чёрный термостабилизированный, в настоящее время ПК-ЛТ-18-м чёрного цвета;

· ПК-5 - медицинского назначения, в настоящее время используются марки медицинского назначения импортных материалов;

· ПК-6 - светотехнического назначения, в настоящее время по светопропусканию подходят практически любые марки импортных и отечественных материалов;

· ПК-НКС - стеклонаполненный, в дальнейшем заменён на ПК-ЛСВ-30, в настоящее время ПК-ЛСТ-30;

· ПК-М-1 - повышенные антифрикционные свойства, в настоящее время используются специальные марки импортных материалов;

· ПК-М-2 - повышенная стойкость к растрескиванию и самозатухаемость, аналогов по настоящее время - нет;

· ПК-М-3 - может эксплуатироваться при крайне низких температурах, в настоящее время используются специальные марки импортных материалов;

· ПК-С 3, ПК-ОД - самозатухающие с повышенной стойкостью к горению (категория горючести ПВ-0), в настоящее время ПК-ТС-16-ОД;

· ПК-ОМ, ПК-ЛТ-12-м, ПК-ЛТО-12 - непрозрачные и полупрозрачные материалы различных цветов, в настоящее время ПК-ЛТ-18-м.

Мировое производство

Поликарбонаты являются крупнотоннажными продуктами органического синтеза, мировые производственные мощности в 2006 года составляли более 3 млн тонн в год. Основные производители поликарбоната (2006)[2]:

Производитель	Объём производства	Торговые марки
Bayer Material Science AG	900 000 т/год	Makrolon, Apec, Bayblend, Makroblend[3]
Sabic Innovative Plastics	900 000 т/год	Lexan
Samyang Busines Chemicals	360 000 т/год	Trirex[4]
Dow Chemical / LG DOW Polycarbonate	300 000 т/год	Calibre[5]
Teijin	300 000 т/год	Panlite[6]
Всего	3 200 000 т/год

Применение

Благодаря сочетанию высоких механических и оптических качеств монолитный пластик также применяется в качестве материала при изготовлении линз, компакт-дисков и светотехнических изделий; листовой ячеистый пластик ("сотовый поликарбонат") применяется в качестве светопрозрачного материала в строительстве. Также материал используется там, где требуется повышенная теплоустойчивость. Это могут быть компьютеры, очки, светильники, фонари и т. д.

Благодаря высокой прочности и ударной вязкости (250--500 кдж/м 2) применяются в качестве конструкционных материалов в различных отраслях промышленности, используются при изготовлении защитных шлемов для экстремальных дисциплин вело- и мотоспорта. При этом для улучшения механических свойств применяются и наполненные стекловолокном композиции.

Поликарбонат был выбран в качестве материала для производства прозрачных вставок в медалях Зимних Олимпийских игр 2014 в Сочи, главным образом из-за его большого коэффициента теплового расширения, а также ввиду прочности, пластичности, удобства нанесения рисунка лазером[7].

Получение полимерного стекла

Полиметилметакрилатное органическое стекло получают радикальной полимеризацией метилметакрилата в массе. В зависимости от назначения в состав полимеризационной смеси могут входить пластификаторы, красители, замутнители, стабилизаторы, а также другие акриловые мономеры. Сополимеризация метилметакрилата с другими акриловыми мономерами или стиролом, а также введение термостабилизирующих добавок позволяет получить органическое стекло с термостойкостью до 200 °С.

Полимеризация метилметакрилата сопровождается усадкой реакционной массы (до 23 %), что могло бы привести к получению листов с дефектами. Поэтому процесс обычно проводят в два этапа. Сначала получат полимер невысокой молекулярной массы (форполимер). Затем форполимер заливают в форму для получения листа - дальнейшая полимеризация форполимера сопровождается значительно меньшей усадкой. Аналогичный эффект достигается, если полимеризации подвергают раствор полиметилметакрилата в мономере (сироп-раствор). Применение форполимера или сиропа-раствора предотвращает также утечку реакционной массы из недостаточно уплотненных форм. Полимеризацию в один этап осуществляют только в тех случаях, когда необходимо получить полиметилметакрилатное стекло очень высокой оптической прозрачности.

Все необходимые ингредиенты органического стекла вводят в форполимер или сироп-раствор. Полученную смесь тщательно перемешивают, вакуумируют для удаления пузырьков газа и фильтруют. Полимеризацию проводят в формах, собранных из двух листов полированного силикатного стекла, стали или алюминия, скрепленных зажимами, с проложенными между ними эластичными прокладками. Толщина эластичных прокладок определяет будущую толщину листа органического стекла. В качестве материала для эластичных прокладок используют различные резины, пластики и др. форму либо оклеивают по краям плотной бумагой, либо по периметру формы укладывают резиновые или поливинилхлоридные трубки. Устройство формы обеспечивает возможность усадки в одном направлении по толщине формы. Форму заполняют через воронку точно отмеренной порцией полимеризованной смеси, герметически закрывают или заклеивают и помещают в камеры с циркулирующим теплым воздухом или в ванны с теплой водой (в некоторых случаях температура воздуха или воды может быть 18 - 20 °С).

Полимеризацию проводят в изотермических условиях. Нарушение изотермического режима может привести к перегреву формы, вскипанию мономера, т. е. образованию пузырчатой массы.

Если отвод тепла осуществляется неравномерно, то глубина полимеризации в различных частях формы будет различной. Обычно полимеризацию в формах проводят медленно, часто в течение 24 ` 48 ч, а в толстых слоях (более 50 мм) неделями при 20 ` 50 °С до конверсии мономера свыше 90 %. Процесс завершается при температурах, близких к температуре размягчения полиметилметакрилата, т. к. при низких температурах диффузия мономера, который не прореагировал, затруднена, поэтому даже за большой период невозможно полное превращение мономера.

По окончании полимеризации формы охлаждают до 50 °C и отделяют силикатное стекло от органического. Ориентацию осуществляют с помощью машин и прессов различной конструкции, равномерно растягивая (обычно на 50 ` 70 %) или сжимая заготовки, разогретые до температуры, на 10 ` 12 °С превышающей температуру размягчения. Ориентированные листы охлаждают под давлением.

В отдельных случаях листы органического стекла получают методом фотополимеризации. Заполненные формы облучают УФ-светом до образования геля, после чего осуществляют процесс по обычной схеме.

Для производства стержней из полиметилметакрилатного органического стекла полимеризационную смесь заливают в горизонтальные вращающиеся алюминиевые трубы, которые затем в вертикальном положении помещают в водяную ванну. Режимы полимеризации те же, что и при получении листового органического стекла. Изделия с

ложной конфигурации получают литьем под давлением или экструзией гранулированного полиметилметакрилата.

При получении литьевого органического полимера метилметакрилата с акрилонитрилом сополимеризацию осуществляют по той же технологии, как и в производстве полиметилметакрилатного стекла. Листы из полистирола, поликарбоната, сополимеров винилхлорида и эфиров целлюлозы получают экструзией, а изделия сложной конфигурации литьем под давлением гранулированных или порошкообразных полимеров, полученных обычными методами.

Свойства

Органическое стекло обладает сравнительно невысокой плотностью и малой хрупкостью, что является существенным преимуществом перед силикатным стеклом. Однако температура размягчения органического стекла значительно ниже, чем у силикатного стекла.

Полиметилметакрилатное органическое стекло удовлетворительно переносит пребывание на воздухе в условиях 97 % влажности в течение 12 месяцев и старение в атмосферных условиях от 5 до 10 лет и более. Полистирол менее атмосферостоек - при длительном воздействии солнечного света он желтеет и становится хрупким.

Среди оптических свойств органического стекла наиболее важны показатель преломления, оптическая прозрачность (светопрозрачность), оптические искажения и фотоупругость.

Оптическая прозрачность органического стекла не может превышать 92 %, если рассеяние и поглощение света равны нулю.

По оптической прозрачности органические стекла делят на прозрачные в блоке и прозрачные только в пленках (тонких листах). К первой группе относятся полимеры и сополимеры метилметакрилата, полистирол, поликарбонат и др. полимеры, обладающие незначительным поглощением света - ко второй органические стекла на основе эфиров целлюлозы, винопроз, литые эпоксидные и фенол-формальдегидные стекла.

Рассеяние света с поверхности изделий из органического стекла можно свести практически к минимуму при условии, что качество обработки поверхности аналогично качеству обработки полированного силикатного стекла.

Под действием механических нагрузок в первоначально изотропном органическом стекле возникает явление фотоупругости, поэтому на поверхности напряженного органического стекла возникают радужные эллиптические картины, которые мешают наблюдению через стекло. Наибольшей фотоупругостью обладают эпоксидные, фенол-формальдегидные и термостойкие полиакрилатные стекла- наименьшей полиметилметакрилатные, полистирольные и поликарбонатные стекла.

Оптические искажения предметов, наблюдаемых сквозь органическое стекло, связаны с невозможностью изготовить изделия из этих стекол с плоскопараллельными поверхностями. Поэтому любое изделие из органического стекла является в той или иной мере призмой, обладающей абсолютным (угловым) оптическим искажением.

Переработка

Листовое органическое стекло перерабатывают вакуумированием, пневмоформованием и штампованием. Заготовку перед формованием нагревают до температуры, которую выбирают в интервале между температурами размягчения и деструкции полимера. В случае полиметилметакрилатного органического стекла продолжительность разогрева заготовки t (мин) может быть ориентировочно определена по уравнению

t = 10 + 3 d,

где d толщина листа в мм.

При формовании изделий из ориентированного органического стекла перед разогревом лист закрепляют в массивной раме, в которой затем осуществляют формование. Используют также метод холодного формования.

Листовое органическое стекло можно подвергать всем видам механической обработки инструментом, специально разработанным для этой цели. При отсутствии специального инструмента механическую обработку органического стекла осуществляют с применением инструментов и режимов, обычно используемых для обработки легких сплавов и дерева. Фрезерование производится на высокоскоростных режимах резания. Охлаждение и отвод стружки осуществляется сжатым воздухом. Шлифование граней органического стекла производится на тонких шлифовальных кругах сухим способом. Создаваемое при этом давление не должно вызывать перегрев материала.

Органические стекла склеивают клеями и сваривают встык или внахлест.

Для крепления листового органического стекла в рамах остекляемых проемов разработаны различные способы. При жестком болтовом креплении органическое стекло прижимают к раме или каркасу при помощи болтов, винтов или заклепок, пропущенных через отверстия в стекле или специальные вырезы (фестоны)

Заворачивание болтов можно осуществлять только специальными тарированными гаечными ключами.

При жестком безболтовом креплении прижим листа к каркасу или раме осуществляется металлическими накладками, которые крепятся болтами.

Этот вид крепления более совершенен, т. к. нет необходимости рассверливать отверстия в листе стекла, а возникающие в нем напряжения распределены более равномерно, чем в предыдущем случае.

Мягкое безболтовое крепление листового органического стекла не приводит к возникновению напряжений в стекле в момент крепления и не препятствует деформации листа при эксплуатации.

Правила обращения

Стекло запрещается протирать органическими растворителями. Работы, связанные с применением растворителей, необходимо проводить в помещениях, снабженных вентиляцией, обеспечивающей удаление паров растворителей. При окраске изделия с органическим стеклом поверхность органического стекла должна закрываться несколькими слоями защитной бумаги.

Во избежание образования в органическом стекле внутренних напряжений при механической обработке необходимо следить за тем, чтобы стекло не разогревалось в местах обработки.

При монтажных работах необходимо применять защитные чехлы, предохраняющие стекла от повреждений.

Техника безопасности

Органическое стекло в обращении безопасно. При длительном действии повышенных температур (свыше 100 °С) возможно выделение паров метилметакрилата. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны 10 мг/м 3. Работа с органическим стеклом при температуре выше температуры размягчения должна проводиться в помещениях, снабженных приточно-вытяжной вентиляцией и устройствами с отсасывающей вентиляцией в местах выделения газа.

Температура воспламенения органического стекла 260 °С, температура самовоспламенения 460 °С. При загорании тушить тонкораспыленной водой, пеной, песком.

Упаковка, хранение, транспортирование

Листовое органическое стекло оклеивают с двух сторон плотной бумагой или конвертируют в папирусную или конденсаторную бумагу. Законвертированное органическое стекло завертывают в оберточную бумагу и упаковывают в деревянные ящики.

Стекло хранят в упаковке изготовителя в закрытых складских помещениях с относительной влажностью воздуха до 65 % при температуре от 5 до 35 °С.

Транспортируют любым видом транспорта в условиях, исключающих попадание влаги и пыли.

Не допускается совместное транспортирование и хранение стекла с химическими продуктами.

Заключение

Ассортимент производимого сегодня стекла настолько широк, что может привести в замешательство неподготовленного потребителя. Некоторые сорта стекла выпускаются под собственными именами. Для того чтобы сориентироваться в этом многообразии и сделать правильный выбор, необходимо четко представлять, в каких условиях будет эксплуатироваться то или иное стекло. Так, например, не рекомендуется использовать тонированное стекло, с коэффициентом пропускания меньше 50 % в качестве облицовочного фасадного остекления, поскольку в жаркий солнечный день панели из него могут нагреваться до температуры 80-90оС и выше, что создает большие температурные напряжения, которые могут привести к разрушению панели со всеми вытекающими отсюда последствиями. В этом случае необходимо применение специальных закаленных, армированных и ламинированных стекол.

В России наблюдается повсеместное увлечение тонированным (имеющим различную окраску) остеклением. В Европе от данной моды отказались. Это связано со многими причинами. Об одной из них говорилось выше, вторая же заключается в том, что сильно отличающийся от природного спектральный состав освещения пагубно влияет на самочувствие людей. При большой степени остекления, люди, находящиеся внутри помещения, теряют чувство времени, у них ухудшается зрение, и т.д.

Для интегральной оценки энергоэффективности остекления можно использовать коэффициент, предложенный академиком Савиным:

Кэфф = 0,14/Roпрфo,

где

Ro - приведенный коэффициент сопротивления теплопередаче

фo - коэффициент светопропускания

Чем меньше К эфф, тем меньше суммарный расход энергии на отопление и освещение здания, т.е. тем лучше остекление.

Выбор стекла должен определяться не только эстетическими соображениями, но и оптико-энергетическими характеристиками остекления и его биологическим воздействием. Чтобы грамотно использовать современные виды строительного стекла, необходимо знать, что такое солнечное излучение. Рассмотрим основные составляющие солнечного излучения:

· ультрафиолетовые лучи (длина волны 280-380 нм);

· видимый свет (длина волны 380-780 нм);

· короткие волны (длина волны 780-2480 нм);

· длинные волны (длина волны 2480 и более).

Библиографический список

1. Энциклопедия полимеров. М.: Советская энциклопедия, 1972.

2. Органические стекла и метакрилатные формовочные полимеры: Каталог. Черкассы, 1987.

Размещено на Allbest.ru