Строение и свойства пластмассы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В настоящее время в нашем распоряжении имеется широкая палитра настолько разных синтетических веществ, что сами специалисты вряд ли могут охватить все ее многообразие. Началась "эра" искусственных органических материалов, которые стали называть пластмассами, собственно, только во второй половине нашего века. В рыночных условиях современной экономики конкурентоспособность изделия является одним из важных факторов, поэтому необходимо, чтобы продукция соответствовала всем стандартам. Пластические массы (пластмассы, пластики) - это материалы на основе полимеров, которые при переработке становятся пластичными, что позволяет отформовать изделие. Современная техника требует все более и более сложных конфигураций изделий и конструкционных материалов. Полимерные материалы способны решить многие проблемы в этом направлении. В настоящее время наблюдается бум на производство и потребление пластмассовых изделий, что обусловлено высокими свойствами пластмасс как конструкционных материалов. Они по многим показателям превосходят металлы и другие конструкционные материалы. Пластмассы могут быть жесткими и мягкими, плотными и легкими. Большинство пластмасс значительно превосходят сталь и ряд других металлов по устойчивости к атмосферной коррозии и к воздействию различных кислот, щелочей, солей, растворителей. Очень важными достоинствами пластмасс являются доступность сырья и простота переработки [1].

1. История появление пластмассы

В XX веке человечество пережило синтетическую революцию, в его жизнь вошли новые материалы -- пластмассы. Пластмассу можно смело считать одним из главных открытий человечества, без ее изобретения многие другие открытия были бы получены намного позже или их не было бы вовсе.

Рисунок 1. Александр Паркс. Изобретатель первой пластмассы

Первая пластмасса была изобретена в 1855 году британским металлургом и изобретателем Александром Парксом. Когда он решил найти дешевый заменитель дорогостоящей слоновой кости, из которой в то время делались бильярдные шары, вряд ли он мог себе представить, какое значение впоследствии приобретет полученный им продукт. Ингредиентами будущего открытия стала нитроцеллюлоза, камфора и спирт. Смесь этих компонентов прогревалась до текучего состояния, а затем заливалась в форму и застывала при нормальной температуре. Так на свет появился паркезин -- прародитель современных пластических масс. От природных и химически модифицированных природных материалов к полностью синтетическим молекулам развитие пластмасс пришло несколько позже -- когда профессор Фрейбургского университета немец Герман Штаудингер открыл макромолекулу -- тот «кирпичик», из которого строятся все синтетические (да и природные) органические материалы. Это открытие принесло в 1953 году 72-летнему профессору Нобелевскую премию. С тех-то пор все и началось… Чуть ли не ежегодно из химических лабораторий шли сообщения об очередном синтетическом материале с новыми, невиданными свойствами, и сегодня в мире ежегодно производятся миллионы тонн всевозможных пластических масс, без которых жизнь современного человека абсолютно немыслима. Пластмассы используются везде, где только можно: в обеспечении комфортной жизнедеятельности людей, сельском хозяйстве, во всех областях промышленности. Не исключением является и автомобилестроение, где пластик используется все шире, неудержимо вытесняя своего основного конкурента -- металл. По сравнению с металлами пластмассы -- очень молодые материалы. Их история не насчитывает и 200 лет, в то время как олово, свинец и железо были были знакомы человечеству еще в глубокой древности -- за 3000-4000 лет до н. э. Но несмотря на это, полимерные материалы по ряду показателей значительно превосходят своего основного технологического конкурента [2].

2. Понятие пластмассы

Пластмассами называются материалы, основной составной частью которых являются такие высокомолекулярные органические соединения, которые образуются в результате синтеза или же превращений природных продуктов. При переработке в определенных условиях они, как правило, проявляют пластичность и способность к формованию или
деформации. Если из такого сложного даже для чтения, а не только для понимания, описания убрать первое слово «пластмассами», пожалуй, вряд ли кто догадается, о чем вообще идет речь. Что ж, попробуем немного разобраться. «Пластмассы» или «пластические массы» назвали так потому, что эти материалы способны при нагреве размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать определенную форму, которая при дальнейшем охлаждении и отверждении сохраняется. Основу любой пластмассы составляет полимер (то самое «высокомолекулярное органическое соединение» из определения выше). Слово «полимер» происходит от греческих слов «поли» («много») и «мерос» («части» или «звенья»). Это вещество, молекулы которого состоят из большого числа одинаковых, соединенных между собой звеньев. Эти звенья называют мономерами («моно» -- один) [3].

Так, например, выглядит мономер полипропилена, наиболее применяемого в автомобилестроении типа пластика:

Молекулярные цепи полимера состоят из практически бесчисленного числа таких кусочков, соединенных в единое целое.

По происхождению все полимеры делят на синтетические и природные. Природные полимеры составляют основу всех животных и растительных организмов. К ним относят полисахариды (целлюлоза, крахмал), белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук и другие вещества. Хотя модифицированные природные полимеры и находят промышленное применение, большинство пластмасс являются синтетическими.

Синтетические полимеры получают в процессе химического синтеза из соответствующих мономеров. В качестве исходного сырья обычно применяются нефть, природный газ или уголь. В результате химической реакции полимеризации (или поликонденсации) множество «маленьких» мономеров исходного вещества соединяются между собой, будто бусины на ниточке, в «огромные» молекулы полимера, который затем формуют, отливают, прессуют или прядут в готовое изделие.

Так, например, из горючего газа пропилена получают пластик полипропилен:

Теперь вы наверное догадались, откуда берутся названия пластмасс. К названию мономера добавляется приставка «поли-» («много»): этилен > полиэтилен, пропилен > полипропилен, винилхлорид > поливинилхлорид и т.д. Международные краткие обозначения пластмасс являются аббревиатурами их химических наименований. Например, поливинилхлорид обозначают как PVC (Polyvinyl chloride), полиэтилен -- PE(Polyethylene), полипропилен -- PP (Polypropylene).

Пластмассы классифицируют по разным критериям: химическому составу, жирности, жесткости. Но главным критерием, который объясняет природу полимера, является характер поведения пластика при нагревании. По этому признаку все пластики делятся на три основные группы:

1. термопласты;

2. реактопласты;

3. эластомеры.

Принадлежность к той или иной группе определяют форма, величина и расположение макромолекул, наряду с химическим составом.

1. Термопласты (термопластичные полимеры, пластомеры).

Пластмассами называются материалы, основной составной частью которых являются такие высокомолекулярные органические соединения, которые образуются в результате синтеза или же превращений природных продуктовТермопласты -- это пластмассы, которые при нагреве плавятся, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние. Эти пластмассы состоят из линейных или слегка разветвленных молекулярных цепей. При невысоких температурах молекулы располагаются плотно друг возле друга и почти не двигаются, поэтому в этих условиях пластмасса твердая и хрупкая. При небольшом повышении температуры молекулы начинают двигаться, связь между ними ослабевает и пластмасса становится пластичной. Если нагревать пластмассу еще больше, межмолекулярные связи становятся еще слабее и молекулы начинают скользить относительно друг друга -- материал переходит в эластичное, вязкотекучее состояние. При понижении температуры и охлаждении весь процесс идет в обратном порядке (рисунок 2).

Рисунок 2. Термопласты изменение при нагреваний

Если не допускать перегрева, при котором цепи молекул распадаются и материал разлагается, процесс нагревания и охлаждения можно повторять сколько угодно раз. Это особенность термопластов многократно размягчаться позволяет неоднократно перерабатывать эти пластмассы в те или иные изделия. То есть теоретически, из нескольких тысяч стаканчиков из-под йогурта можно изготовить одно крыло. С точки зрения защиты окружающей среды это очень важно, поскольку последующая переработка или утилизация -- большая проблема полимеров. Попав в почву, изделия из пластика разлагаются в течение 100-400 лет! Кроме того, благодаря этим свойствам термопласты хорошо поддаются сварке и пайке. Трещины, изломы и деформации можно легко устранить посредством теплового воздействия. Большинство полимеров, применяемых в автомобилестроении, являются именно термопластами. Используются они для производства различных деталей интерьера и экстерьера автомобиля: панелей, каркасов, бамперов, решеток радиатора, корпусов фонарей и наружных зеркал, колпаков колес и т.д. К термопластам относятся полипропилен (РР), поливинихлорид (PVC), сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола (ABS), полистирол (PS), поливинилацетат (PVA), полиэтилен (РЕ), полиметилметакрилат (оргстекло) (РММА), полиамид (РА), поликарбонат (PC), полиоксиметилен (РОМ) и другие.

2. Реактопласты (термореактивные пластмассы, дуропласты)

Если для термопластов процесс размягчения и отверждения можно повторять многократно, то реактопласты после однократного нагревания (при формовании изделия) переходят в нерастворимое твердое состояние, и при повторном нагревании уже не размягчаются. Происходит необратимое отверждение (рисунок 3). В начальном состоянии реактопласты имеют линейную структуру макромолекул, но при нагревании во время производства формового изделия макромолекулы «сшиваются», создавая сетчатую пространственную структуру. Именно благодаря такой структуре тесно сцепленных, «сшитых» молекул, материал получается твердым и неэластичным, и теряет способность повторно переходить в вязкотекучее состояние [3].

Рисунок 3. Реактопласты изменение при нагреваний

Из-за этой особенности термореактивные пластмассы не могут подвергаться повторной переработке. Также их нельзя сваривать и формовать в нагретом состоянии -- при перегреве молекулярные цепочки распадаются и материал разрушается. Эти материалы являются достаточно термостойкими, поэтому их используют, например, для производства деталей картера в подкапотном пространстве. Из армированных (например стекловолокном) реактопластов производят крупногабаритные наружные кузовные детали (капоты, крылья, крышки багажников). К группе реактопластов относятся материалы на основе фенол-формальдегидных (PF), карбамидо-формальдегидных (UF), эпоксидных (EP) и полиэфирных смол.

3. Эластомеры пластмассы с высокоэластичными свойствами. При силовом воздействии они проявляют гибкость, а после снятия напряжения возвращают исходную форму. От прочих эластичных пластмасс эластомеры отличаются способностью сохранять свою эластичность в большом температурном диапазоне (рисунок 4). Так, например, силиконовый каучук остается упругим в диапазоне температур от -60°С до +250 °С. Эластомеры, так же как и реактопласты, состоят из пространственно-сетчатых макромолекул. Только в отличие от реактопластов, макромолекулы эластомеров расположены более широко. Именно такое размещение обуславливает их упругие свойства.

Рисунок 4. Эластомеры при силовых и температурных воздействий

3. Технология производства пластмассы

Полимерные материалы, как уже говорилось, отличаются технологичностью. Они могут перерабатываться в изделия самыми разнообразными методами. При этом параметры переработки (температура и давление) значительно ниже, чем при переработке таких материалов, как металлы, стекло и керамика. Способ обработки и ее режим определяются видом полимера и типом получаемого изделия. Общая схема производства пластмасс включает традиционные процессы -- дозировку и приготовление полимерной композиции, формование изделий и стабилизация их формы и физико-механических свойств (рисунок 5).

Рисунок 5. Общая схема производства пластмасс

Технология производства пластмасс является недорогостоящим и быстрым процессом, что даёт ему возможность вытеснить дорогостоящие металлы. Приготовление композиций производят на смесителях различных систем. Для перемешивания сухих композиций обычно используют турбулентные и шнековые смесители. Специфическим широко используемым способом приготовления полимерных композиций является вальцевание.

Вальцевание - операция, при которой масса перетирается в зазоре между обогреваемыми валками, вращающимися в противоположном направлении (рисунок. 5). Вальцевание позволяет равномерно перемешать компоненты смеси. При многократном пропускании массы через валки полимер в результате термомеханических воздействий переходит в пластично-вязкое состояние. Этот процесс называют пластикацией. В зависимости от температуры вальцевания макрорадикалы, что образуются вследствие механохимических процессов, могут либо дезактивироваться, что приведет к снижению молекулярной массы полимера, либо рекомбинироваться, давая при этом блок- и привитые сополимеры. Это явление широко используется в технологии переработки пластмасс.

Экструдирование - перемешивание массы в обогреваемом шнековом прессе (экструдере) с последующим продавливанием массы сквозь решетку для формования полуфабриката в виде гранул (такой экструдер называется гранулятором). Формование изделий. Выбор метода формования зависит в основном от вида получаемой продукции. Так, листовые материалы формуются обычно на каландрах, трубы и погонажные профильные изделия экструдируют, штучные изделия в основном формуют литьем под давлением.

Каландрирование - процесс формования полотна заданной толщины и ширины из пластичной смеси (приготовленной, например, на вальцах) путем однократного пропускания между обогреваемыми полированными валками с последовательно уменьшающимся зазором. Схемы работы Г-образного и Z-образного каландров представлены на (рисунке 6). Каландрированием производят полимерные пленки. В частности, большую часть линолеума изготовляют вальцево-каландровым способом. Многослойный линолеум получают горячим дублированием заранее отформованных на каландрах пленок: защитной, декоративной и подкладочной (несущей) (смотри. рисунок. 5).

Рисунок 6. Схема вальцевания: а - загрузка массы; б - вальцевание; в - переход массы на один валок; г - срез массы с валка;

Экструзия - процесс получения профилированных изделий способом непрерывного выдавливания размягченной массы через формообразующее отверстие (мундштук). Экструзией производят трубы и погонажные изделия (плинтусы, раскладки, "сайдинг", оконные профили и т. п.). Выпускают специальные экструдеры для формования линолеума (в том числе и двухслойного). На экструдерах формуют полимерные пленки в виде бесшовного рукава. Для этого формуется труба, внутрь которой подается воздух, раздувающий ее в тонкую пленку.

Литьем под давлением с помощью литьевых машин получают небольшие изделия сложной конфигурации из смесей на основе термопластичных полимеров (например, изделия для санитарно-технических устройств, вентиляционные решетки, мелкие плитки и т. п.). Гранулированный полуфабрикат нагревается до вязко текучего состояния в цилиндре литьевой машины и плунжером впрыскивается в разъемную форму, охлаждаемую водой.

Горячее прессование используют в основном для формования изделий из термореактивных полимеров. Так, в частности, получают листовые материалы: бумажно-слоистый и деревослоистый пластик, сверхтвердые древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты. Для листовых материалов используют многоэтажные прессы с масляным или паровым обогревом плит (t = 120-150 °С). На таких прессах формуют одновременно 5-15 листов. В начале прессования полимер расплавляется, связывая все компоненты, а затем необратимо отверждается, фиксируя заданную форму изделия.

Рисунок 7. Схема работы экструдера при производстве труб: 1 - загрузочный бункер; 2 - шнек; 3 - формующая головка; 4 - калибрующая насадка; 5 - тянущее устройство; 6 - пустообразователь "дорн"

Горячим прессованием можно получать пенопласты с помощью веществ - газообразователей, разлагающихся с выделением газа при нагревании, т. е. в тот момент, когда полимер приобретает вязкопластичную консистенцию. Для формования плиты используют экструдеры. Вспенивание происходит при выходе расплава из формующей головки. Такой экструдированный пенопласт имеет замкнутую пористость и плотную корочку на поверхности (фирменные названия: стиродур, пеноплекс).

Полистирольный пенопласт получают и более простым методом из гранул полистирола, содержащих легкокипящую жидкость - изопентан. Небольшое количество гранул помещают в замкнутую форму, которую опускают в горячую (85-95°С) воду. Когда полистирол размягчается, изопентан вскипает и вспучивает гранулы в 10-20 раз. Гранулы занимают весь объем формы и, слипаясь друг с другом, образуют плиту или другое изделие. Такой пенополистирол называют ПСБ (беспрессовый) [4].

4. Будущее развитие пластмасс

Пластмассовая промышленность востребована практически во всех сферах производства, и поэтому ее развитие будет продолжаться еще очень и очень долго. Мировые компании, занимающиеся разработкой и изготовлением изделий из пластмассы, постоянно проводят исследования, чтобы открывать новые возможности. На данный момент можно с уверенностью сказать, что в ближайшем будущем появится ряд инновационных продуктов из пластика:

Экологически чистая посуда. К тарелкам и чашкам из пластмассы мы уже давно привыкли, но почти все они обладают рядом существенных изъянов. Такие изделия недолговечны и достаточно хрупки. К тому же, они сделаны из материалов, причиняющих ущерб здоровью человека. Современные перспективы развития изготовления пластмасс обещают решить перечисленные проблемы. В скором времени мы сможем пользоваться посудой, изготовленной из полимеров натурального происхождения. Ученые научились получать такие вещества из сахарного тростника, хлопка и картофельного крахмала.

Корпуса автомобилей. Да, такие решения уже практикуются, однако ни одно из них пока не продемонстрировало достойного результата. Инновационные разработки позволят изготавливать из полимеров легкие автомобильные корпуса, которые будут обладать высокой степенью прочности.

Оружие. Да, назвать это абсолютной инновацией нельзя, но, тем не менее, прорыв, которого достигли современные ученые, нельзя не оценить. Перспективы развития изготовления пластмасс обещают создать материал, который сможет полноценно заменить металл. Оружие нового поколения будет легким, и при этом таким же мощным, как нынешнее.

Заключение

пластмасса высокомолекулярный синтез температурный

В настоящее время пластмассы получили широчайшей распространение. Причиной такого распространения являются их низкая цена и легкость переработки, а также свойства, которые в некоторых случаях уникальны. Пластмассы применяют в электротехнике, авиастроении, ракетной и космической технике, машиностроении, производстве мебели, легкой и пищевой промышленности, в медицине и строительстве, - в общем, пластмассы используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Пожалуй, единственная область, где использование пластмасс пока ограничено - это техника высоких температур. Но в скором времени они проникнут и сюда: уже получены пластмассы, выдерживающие температуры 2000-2500°C. Развитие химических технологий, помогающих создавать вещества с заданными свойствами, позволяет сказать, что пластмассы один из важнейших материалов будущего [3].

Список литературы

1. Конструкционные пластмассы. Свойства и применение / И. Хуго: Машиностроение, 2003. - 336 c.

2. Экструзия полимеров. К. Раувендааль. Санкт-Петербург, 2008 -768с.

3. Справочник по пластическим массам, / под ред. Гарбар М.И., Катаев В.М., Акутин М.С.М.: Химия, 1969. - 517 с.

4. Экономика пластмассового производства, Л.И. Кошкин, 2002 -55 с.

Размещено на Allbest.ru