Пластмассы: виды, состав и свойства

Что такое пластмасса?

Пластмассы - это термин, обычно используемый для описания широкого спектра синтетических или полусинтетических материалов, которые используются в огромном и постоянно растущем диапазоне приложений. Куда бы вы ни посмотрели, вы найдете пластик. Мы используем пластмассовые изделия, чтобы сделать нашу жизнь чище, проще, безопаснее и приятнее. Мы находим пластик в одежде, которую носим, ​​в домах, в которых мы живём, и в машинах, в которых мы путешествуем. Игрушки, с которыми мы играем, экраны, на которые мы смотрим, ІТ-инструменты, которые мы используем, и медицинское оборудование, от которого мы получаем выгоду, также содержат пластик.

Пластмассы представляют собой органические материалы, такие же как дерево, бумага или шерсть. Сырьё, которое используется для производства пластмасс - это натуральные продукты: целлюлоза, уголь, природный газ, соль, но, главным образом, сырая нефть.

Слово «пластик» происходит от греческого «plastikos», что означает «пригодный для лепки». Это относится к пластичности материала и к его удобной формуемости во время производства. Пластмассы удобно отливать в формы, прессовать или экструдировать в различном виде - плёнок, волокон, пластин, трубок, бутылок, коробок и т.д.

Мы говорим о пластике, как если бы это был единый материал, но есть на самом деле много разных пластиков. Пластмассы - это (в основном) синтетические (созданные руками человека) материалы, состоящие из полимеров. Эти полимеры представляют собой длинные молекулы, построенные вокруг цепочек атомов углерода (обычно с водородом, кислородом, серой и азотом), заполняющими пространства.

Можно думать о полимере как о большой молекуле, образованной повторением небольшого фрагмента, называемого мономером, снова и снова. «Поли» означает «много», поэтому «полимер» - это просто сокращение от «много мономеров». Если вы представите себе длинный автопоезд, состоящий из множества грузовиков, соединенных вместе, то на это как раз и похожи полимеры. Другими словами, полимеры обычно имеют очень большие и тяжёлые молекулы.

Компонентный состав

Исходя из структуры типового полимера, пластмассами называются химические вещества, образующиеся в результате устойчивого слияния нескольких органических групп.

Все полимерные цепи основаны на углеводородах - молекулах, построенных из атомов водорода и углерода. Они получаются из нефти, природного газа или угля. Сырая нефть представляет собой густую вязкую смесь, содержащую тысячи различных углеводородов, которые необходимо отделить, прежде чем мы сможем её использовать. Это происходит на нефтеперерабатывающем заводе с помощью процесса, называемого фракционной перегонкой.

Данный процес является более сложной версией дистилляции, которая используется для очистки воды. Если мы нагреем воду, она в конечном итоге превратится в пар, который мы можем собрать, охладить и снова конденсировать в высокоочищенную или «дистиллированную» воду. Аналогичным образом производится очистка и перегонка сырой нефти. Все те углеводороды, которые она содержит, имеют молекулы разного размера и веса, поэтому они кипят и конденсируются при разных температурах.

Сбор и дистилляция различных частей сырой нефти при разных температурах даёт набор относительно простых смесей углеводородов, называемых фракциями, которые затем используются для изготовления различных типов пластмасс.

Полученные таким образом углеводороды являются сырьём для проведения реакций полимеризации, в результате которых образуются полимеры. Некоторые полимеры получают путём скрепления углеводородных мономеров вместе. Такой процесс называется аддитивной полимеризацией. Другие образуются путем соединения двух небольших углеводородных цепей и удаления молекулы воды. В результате создаётся более крупная углеводородная цепь. А сам процесс известен как конденсационная полимеризация.

Для ускорения полимеризации необходимо использовать определённые химические вещества, называемые катализаторами. Катализаторы - это вещества, которые повышают вероятность протекания химической реакции. Хотя они могут временно изменяться во время реакции, они снова появляются при её завершении конце в своей первоначальной форме; другими словами, они не меняются навсегда по мере того, как происходит реакция.

Поскольку эксплуатационные требования к пластмассам меняются, то часто приходится добавлять к основным углеводородам другие ингредиенты, чтобы получить полимер с точно правильными химическими и физическими свойствами. Эти дополнительные ингредиенты включают:

• Красители (которые, как следует из названия, изменяют цвет пластика);
• Пластификаторы (которые делают пластик более гибким, вязким, пластичным);
• Стабилизаторы (чтобы пластмассы не разламывались под воздействием внешних факторов – света, давления, температуры);
• Наполнители (обычно недорогие минералы, позволяющие экономить дорогостоящие углеводороды без ущерба для эксплуатационных характеристик конечного продукта).

Классификация пластмасс

Выполняется в зависимости от способа их получения. Их четыре:

• Литье под давлением, которое включает в себя впрыскивание горячего пластика в форму. Пластмассовые зёрна пропускаются через шнек и нагреваются для получения расплава, который с помощью иглы впрыскивается в форму.
• Выдувное формование, которое протекает практически аналогично, но после этого в пластик вдувается воздух, чтобы он расширился и заполнил форму.
• Экструзия, заключающаяся в выдавливании пластика через сопло и формовочную головку (фильеру), выйдя из которой материал превращается в трубчатую заготовку.
• Каландрирование – процесс, в котором используются ролики, изготавливающие плоские и гладкие листы пластмассы требующейся толщины.

Классификация пластмасс может быть также выполнена в зависимости от состава исходных компонентов. Значительное количество пластиковых полимеров изготавливаются из смол, однако во большинстве случаев используют сырую нефть. Сырая нефть представляет собой сложную смесь тысяч соединений, и её необходимо перед применением предварительно переработать – перегнать на нефтеперерабатывающем заводе.

Более детальная классификация, которая учитывает свойства пластмасс, рассматривается далее.

Термопласты

К термопластичным пластикам относятся такие их виды, которые изменяют свою пластичность при нагреве или иной форме передачи тепловой энергии (например, солнечной). В термопластах длинные молекулы полимера соединены друг с другом очень слабыми связями, которые легко разрываются, когда мы его нагреваем, и быстро снова восстанавливаются, когда действие тепла прекращается.

Термопласты легко плавить и перерабатывать. Некоторые повседневные примеры, с которыми приходится сталкиваться, это:

• Полиэтилен (пластиковые бутылки и листы);
• Полистирол (популярный упаковочный материал);
• Полипропилен (пластиковые трубы, тросы);
• Поливинилхлорид (игрушки, кредитные карты);
• Поликарбонат (твердые пластиковые окна, корпуса автомобильных фар);
• Полиамид (нейлон - используется в самых разных применениях, от чулок до зубных щёток и зонтиков).

Пенопласты получают исключительно полимеризацией исходного сырья.

Реактопласты

Реактопласты или термореактивные пластмассы обычно изготавливаются из полимерных цепей гораздо большего размера, чем термопласты. При первоначальном производстве они нагреваются или сжимаются, чтобы сформировать плотную, твёрдую структуру с сильными поперечными связями, связывающими каждую из этих длинных молекулярных цепей с её соседями. Этим они сильно отличаются от термопластов, где полимерные цепи связаны друг с другом только очень слабыми связями.

Невозможно просто нагреть термореактивные пластмассы, чтобы переделать или реформировать их. Как только они «затвердевают» (отверждаются) во время производства, они остаются такими как есть.

Термореактивные пластики используются реже. Наиболее яркими примерами таких материалов являются:

• Полиуретан (изоляционный материал в зданиях);
• Политетрафторэтилен (антипригарное покрытие кастрюль и сковородок);
• Меламин (посуда);
• Эпоксидная смола (прочный пластик, используемый для изготовления долговечных клеёв или шпатлёвок для дерева).

Эластомеры

Представляют собой эластичные материалы, состоящие из длинных цепочечных молекул полимеров, способных восстанавливать свою первоначальную форму после сильного растяжения. В нормальных условиях длинные молекулы, составляющие эластомерный материал, скручены нерегулярно. Однако с приложением усилия молекулы распрямляются в том направлении, в котором они тянутся. После высвобождения молекулы самопроизвольно возвращаются к своему обычному компактному беспорядочному расположению.

Эластомер с самой длительной историей использования - это полиизопрен, полимерный компонент натурального каучука, который производится из молочного латекса различных деревьев, чаще всего каучукового дерева гевеи. Натуральный каучук по-прежнему является важным промышленным полимером, из которого делают львиную долю резины для автомобильных шин. Правда, теперь и конкурирует с рядом синтетических каучуков - стирол-бутадиенового и бутадиенового каучук, которые получают из побочных продуктов нефти и природного газа.

Полимерная молекула эластомера состоит из нескольких тысяч повторяющихся химических звеньев или мономеров, связанных ковалентными связями. Совокупность связанных звеньев часто называют «цепью», а атомы, между которыми происходит химическая связь, составляют «основу» цепи.

В большинстве случаев полимеры состоят из углеродных скелетов, то есть цепочек атомов углерода (C), связанных вместе одинарными (C ― C) или двойными (C = C) связями. Такие цепи очень гибкие, потому что вращение вокруг одинарных связей позволяет молекулам принимать множество различных конфигураций. На практике некоторые эластомеры довольно жёсткие. Например, молекулы полистирола и полиметилметакрилата состоят из относительно громоздких единиц, так что при комнатной температуре их свободное движение затрудняется сильной скученностью. Все эластомеры являются стеклообразными при температуре ниже характеристической температуры стеклования. Она колеблется от -125 °C (для силиконовых каучуков) до 100°C (для остальных видов эластомеров).

Механические свойства

Состав пластмасс во многом определяет их свойства, среди которых:

• Прочность: мера сопротивления материала внешнему напряжению;
• Жёсткость: способность сохранять свои размеры при внешних нагрузках;
• Твёрдость: мера сопротивления материала деформации при сосредоточенномй сжимающем усилии;
• Вязкость: способность материала поглощать энергию во время ударов

Такие свойства могут быть исследованы и сравниваться между различными продуктами с использованием стандартизованных методов испытаний.

Другие свойства материала

К ним относят:

• Плотность.
• Теплопроводность/теплоёмкость;
• Диэлектрическую проницаемость.
• Электросопротивление.

Значения эксплуатационных параметров пластмасс указываются в технических требованиях на их производство.

Сварка пластмасс

Используется для неразъёмного соединенияя двух или более отдельных частей термопластичных материалов. Обычно к краям прикладывают тепло, чтобы расплавить края пластика до тех пор, пока кромки не будут соединены вместе.

Сварка пластика выполняется в три этапа: подготовка поверхности, применение тепла и давление и охлаждение.

Сваривать можно многие пластмассы, среди которых:

• Акрил или полиметилметакрилат;
• Поликарбонат;
• Полиэтилен;
• Полипропилен;
• Полиэтилентерефталат;
• Поливинилхлорид.

Сварка пластмасс. используется не только для соединения деталей, но и для их ремонта (например, заделка трещин).

Особенности маркировки

Выполняется согласно техническим требованиям соответствующих ГОСТ, ТУ а также DIN EN (для продукции импортного производства).

Сферы применения пластмасс

Пластмассы используют в строительстве, производстве одежды, упаковке, транспортировке и во многих других сферах повседневной жизни. Так, в зданиях пластик применяется при вторичном остеклении крыш, в составе тепло- и звукоизолирующих конструкций в составе многих типов красок. Электрические кабели изолируются пластиком, пластмассы применяют и для изготовления водосточных систем.

Широко распространены различные бытовые предметы – обувь, светотехника, рамы, одежда - полностью или частично изготовленные из пластмасс. До трети всех пластмасс, которые мы используем - это упаковка, предназначенная для защиты продуктов от порчи.

Среди промышленных применений пластика - крылья автомобилей и их кузова, подшипниковые узлы, трибы несиловых передач и пр.