Читать книгу Компоненты неметаллических материалов и их свойства. Монография - - Страница 3

Состояние и тенденции развития отрасли. Полимерные материалы (полимеры и пластмассы) используют для производства весьма значительных по объему и номенклатуре групп товаров с разнообразным назначением, а следовательно, потребительскими и эксплуатационными свойствами. В настоящее время полимерные материалы (ПМ) используются во всех отраслях промышленности, например в строительстве (лакокрасочные, отделочные, теплоизоляционные и другие материалы), сельском хозяйстве (пленки, трубы и другие изделия), в производстве мебели, хозяйственных и других товаров, обеспечивающих комфортную жизнедеятельность людей.

Полимерные материалы являются высокоэффективными в технологическом, потребительском и экономическом планах. Технологичность ПМ определяется минимальной энергоемкостью процессов получения изделий, высокой производительностью оборудования и исключением дорогостоящих операций механической обработки готовых изделий. Поэтому производство изделий из пластмасс является высокорентабельным с коротким сроком окупаемости капиталовложений.

Из ПМ получают изделия с самыми разнообразными свойствами, удовлетворяющие самые разные потребности. Их экономичность определяется тем, что производство изделий из ПМ может быть полностью автоматизировано в пределах разумных затрат, что позволяет сократить расходы и, следовательно, себестоимость продукции, а также розничную цену товаров.

Вследствие вышеперечисленных особенностей ПМ, несмотря на короткий срок их применения (немногим более 100 лет), они получили широкое использование. Их производство и применение в последние 25 лет резко возросло. Особенно быстро прирост производства отмечается в Индии, Китае, Пакистане.

Мировое производство ПМ в настоящее время составляет около 150 млн т. Анализ ассортимента выпускаемых пластмасс показывает, что выпуск 10 видов пластмасс составляют около 90% общего производства ПМ. В группу полимеров общетехнического назначения, имеющих наибольшее применение, входят полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС) и полиэтилентерефталат (ПЭТФ), акрилонитрил (АК).

Особенности отечественной отрасли пластмасс заключаются в том, что в производстве все еще сохраняется выпуск термореактивных полимеров: аминоформальдегидных – до 20% и фенолоформальдегидных (ФФС) – до 8% от общего объема. В структуре термопластичных полимеров основной объем приходится на вышеперечисленные полимеры общетехнического назначения.

В то же время растет использование импортных полимеров в производстве изделий из пластмасс, таких как полиамиды (ПА), полиэтилентерефталаты (ПЭТФ), а в последнее время полиэтилены низкого и высокого давления, ПП, ПС. Международная маркировка и область применения основных видов полимеров приведены в приложении 1.

Наибольший объем мирового потребления ПМ приходится на производство упаковки и тары. Затем следует строительство, транспорт, производство электроники, мебели, хозяйственных товаров. Так, около трети полимеров расходуется на производство тары и упаковки. Вследствие того что потребительская ценность упаковки теряется задолго до утраты первоначальных свойств полимеров, из которых они изготовлены, то остро стоит вопрос о вторичном использовании отходов полимеров. До недавнего времени использование вторичного сырья являлось прерогативой предприятий по производству изделий. Сейчас сформировалось новое самостоятельное направление – «рециклирование пластмасс, разрабатывающее технологические процессы по переработке отходов, прежде всего использованной тары. Это способствует решению не только сырьевых, но и экологических проблем.

Основными мероприятиями, направленными на снижение загрязнения окружающей среды, являются:

§вторичная переработка;

§утилизация сжиганием;

§термическое разложение путем пиролиза и деполимеризации с использованием низкомолекулярных продуктов;

§разработка и применение способов деструкции (разложения) полимеров под действием света, кислорода воздуха и микроорганизмов.

В последнее время большое внимание уделяется последнему способу. Для этого в полимер вводят биоразлагаемые добавки, которые разрушают межмолекулярные связи, в результате происходит окисление и деструкция молекул полимера.

Классификация полимеров и пластмасс. Изучению ассортимента и свойств готовых изделий из пластмасс предшествует изучение состава, ассортимента и свойств полимеров.

Полимеры – высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа одинаковых (иногда различных) повторяющихся группировок, соединенных химическими связями.

По физическому состоянию полимеры могут быть твердыми – жесткими или эластичными (пленки) – материалами, волокнистыми (текстильные волокна) и вязкими жидкостями (лакокрасочные материалы, клеи).

По происхождению полимеры подразделяют на природные, выделенные из природных материалов, искусственные, полученные из природных полимеров путем их химической модификации, и синтетические, полученные путем синтеза из мономеров или олигомеров (низкомолекулярных полимеров). Примеры отнесения конкретных видов полимеров к указанным группировкам и классификация по другим признакам приведены в табл. 1.1.

Классификация полимеров

По составу основной цепи полимеры подразделяют на гомо- цепные, если состав основной цепи включает один и тот же атом, чаще всего углерод, и гетероцепные, если в состав входят кроме углерода другие атомы (кислород, азот и т. д.). По указанному признаку можно разделить полимеры, зная их химическую формулу.

По способу получения полимеры делят на три группы: по- лимеризационные, поликонденсационные и модифицированные

(табл. 1.1). Больше всего полимеров получают по реакции полимеризации. Способ получения используют при анализе производства лакокрасочных материалов и в стандартах, определяющих требования к ним.

Важным признаком, который определяет способ получения изделий из полимеров, а также используется при идентификации последних, является отношение их к нагреванию. Термопластичными (термопластами) называются полимеры, способные при нагревании переходить в вязко-текучее состояние, при охлаждении – — в твердое, что может повторяться неоднократно. Эта способность термопластов используется при переработке отходов производства или потребления (упаковки) путем их расплавления и последующего формования изделий.

К термореактивным (реактопластам) относят полимеры, нагревание которых сопровождается химическими реакциями образования трехмерного (сшитого) полимера (реакция отверждения), в результате чего полимеры переходят в твердое состояние и их способность переходить в вязко-текучее состояние необратимо утрачивается. Следовательно, термопласты имеют линейную или разветвленную форму макромолекул, а реактопласты – сшитую. Сшивка макромолекул может проводиться специально введенным в состав полимера веществом (отвердитель) или за счет реакционноспособных функциональных групп полимера.

Пластические массы (пластмассы) – материалы, основу которых составляют полимеры, в состав которых для придания им функциональных свойств вводят добавки: наполнители, армирующие материалы, пластификаторы, стабилизаторы, красители и т. п. Полимер связывает все остальные компоненты в единую более или менее однородную массу, поэтому полимер называют связующим.

Вид пластмасс определяется видом исходного связующего – полимера.

Введение наполнителей и красящих пигментов в полимер приводит к тому, что получаемый материал становится окрашенным и непрозрачным (гетерогенные пластмассы). Наполнители вводят в состав пластмасс для снижения их стоимости, придания негорючести, электропроводности, упрочнения (армирование) и других свойств. Введение только красителей приводит к образованию окрашенных прозрачных пластмасс.

В период формования изделий пластмассы находятся в вязко-текучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом (твердом) состоянии.

Так как в состав пластмасс больше всего входит наполнителя, то классификация полимеров дополняется признаками, зависящими от наполнителя (табл. 1.2).

Термопластичные пластмассы чаще всего бывают гомогенными по составу, а изделия из термореактивных пластмасс, которые вырабатывают с наполнителем, – гетерогенными.

Наполнители, и, следовательно, пластмассы, подразделяют по физическому состоянию наполнителя. Чаще всего применяют твердый наполнитель, разнообразный по типу. В качестве органического наполнителя применяют древесные отходы, лигнин, измельченные отходы полимеров, волокон, бумагу. Неорганическими наполнителями могут быть мел, тальк, асбест, песок, вермикулит и др.

В зависимости от состава и назначения полимеры подразделяют на марки, которые указывают в стандартах. Сополимеры и полимеры специального назначения вырабатывают по техническим условиям (ТУ).

Свойства полимерных материалов и факторы, их определяющие. Наиболее важным фактором, определяющим потребительские свойства изделий из полимеров, является вид полимера и состав введенных в него добавок. Путем подбора соответствующих полимеров, наполнителей и других добавок можно изготовить пластмассы с различными потребительскими свойствами.

Спектр свойств полимеров достаточно широк. Полимеры могут быть хрупкими и ударопрочными; прозрачными и мутными; мягкими (пенопласты, поропласты, поливинилхлорид), полужесткими (капрон, полипропилен, полиэтилен) и жесткими (полистирол, полиметилметакрилат, фенопласты, аминопласты); горючими и огнестойкими, электропроводящими и электрическими изоляторами и др.

При комнатной температуре полимер находится в твердом состоянии, и он может быть либо аморфным (стеклообразным), либо кристаллическим. При введении в полимер пластификатора снижается температура стеклования и увеличивается эластичность полимера за счет уменьшения величины межмолекулярного взаимодействия. Например, непластифицированный поливинилхлорид – винипласт – имеет температуру стеклования 80 °С. Такой материал достаточно жесткий при комнатной температуре. Введение 5—10% пластификатора снижает температуру стеклования до 45—50 °С, а большее количество пластификатора (30—40%) приводит к образованию эластичного поливинилхлорида (пластикат), температура стеклования которого снижается до —10…~20 °С и ниже. При комнатной температуре такой пластифицированный поливинилхлорид – эластичный и мягкий, характеризуется сильным удлинением при разрыве.

Часто пластмассы получают из смеси полимеров. Другой путь их получения – — химический (сополимеры). В таких случаях их свойства, как правило, имеют более высокие значения, чем исходных полимеров.

При проектировании состава пластмасс учитывают свойства полимеров, и от этого зависит область их применения. В приложениях 1 и 2 приведены область применения и основные свойства наиболее распространенных полимеров. Разработка рецептуры материала, наиболее пригодного для последующих условий эксплуатации, является главным этапом формирования свойств.

Следующим важным фактором, влияющим на свойства изделий, являются условия переработки полимеров в изделия. Переработке пластмасс предшествует проектирование рациональной формы и конструкции изделия, а также формующего инструмента (литьевой формы, экструзионной головки и др.), выбор оптимального способа переработки и условий его осуществления. Подробнее способы переработки рассмотрены в следующем разделе.