Преимущества и особенности вторичных полимеров

Преимущества и особенности вторичных полимеров

В современном мире полимеры находят широкое применение, в первую очередь в качестве конструкционных и упаковочных материалов из пластмассы [5], и с каждым годом объемы их производства и потребления только увеличиваются. А значит, постоянно увеличивается количество образующихся при этом отходов, переработка которых актуальна, с одной стороны, из-за необходимости защиты окружающей среды от накопления в ней отходов, а с другой стороны, из-за возможности снижения себестоимости производства новых материалов и изделий за счет экономии первичного сырья, в первую очередь такого, как нефть.

При переработке полимерных отходов следует учитывать большое разнообразие видов пластмасс, представляющих собой смеси полимеров с различными добавками, которые в большей или меньшей степени являются токсичными веществами [4]. Кроме того, промышленные синтетические полимеры являются относительно устойчивыми соединениями, которые в течение долгого времени не поддаются разложению под действием окружающей среды и надолго сохраняются в ней в виде загрязнений [1, 4, 5].

В связи с этим традиционно применяемые для большинства отходов методы – сжигание и захоронение на свалках и полигонах – малоэффективны для полимерных отходов. Захоронение является наименее приемлемой технологией утилизации не только по причине больших сроков разложения полимеров, но также из-за сравнительно невысокой плотности пластиков, а следовательно, большего объема при одинаковой с другими типами отходов массе [10]. А с учетом малого срока службы упаковочных материалов, а значит быстрых темпов накопления отходов, возникает необходимость в больших площадях для захоронения, что приводит к деградации территорий [6, 11] и экономически нецелесообразно.

Сжигание полимерных отходов является наиболее простым методом их переработки, так как не требует предварительной подготовки отходов (лишь в ряде случаев необходимо дробление на крупные куски [1]) и позволяет утилизировать полимерные отходы совместно с другими отходами. Эффективность сжигания связана с хорошей теплотворностью полимерных отходов и ростом цен на невозобновляемые органические виды топлива. По различным оценкам на сегодня сжигается до 40 % полимерных отходов [6].

Однако при сжигании полимерных отходов образуются токсичные газы, наибольшую опасность среди которых представляют фураны и диоксины, возникающие при сжигании хлорсодержащих отходов [1]. Поэтому необходимо проводить дожигание отходов при температурах 1200–1400 °С, при которых токсичные соединения распадаются, очищать дымовые газы при помощи сорбционных методов очистки или сухой очистки, заключающейся во введении в газы пыли негашеной извести, оксида магния или гидроксида натрия, которые взаимодействуют с токсичными продуктами горения и образуют безвредные соединения.

Например, негашеная известь нейтрализует хлористый водород по реакции

CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O.

При этом наиболее перспективной является применение технологии сжигания полимерных отходов в металлургическом производстве для получения энергии и восстановителей, прежде всего в доменных печах. Это позволяет избежать выброса токсичных продуктов сгорания за счет высоких температур, а большой расход отходов позволяет даже в печах среднего объема утилизировать большое их количество [6, 8].

Другим направлением, которое позволяет сократить темпы накопления полимерных отходов в окружающей среде, является разработка и применение саморазлагающихся полимеров, которые сохраняют свои свойства в течение периода эксплуатации, а затем происходит их расщепление под действием бактерий, ультрафиолетового излучения и воды [1].

Наиболее разработана и распространена технология создания биоразлагаемых полимеров, которые расщепляются под действием бактерий. Эти материалы достаточно широко используются в пищевой упаковке и медицине, а их отходы используются в производстве биогаза и удобрений. В настоящее время биоразлагаемые полимеры получают по одной из следующих технологий [1, 2]:

1. Производство биосинтезируемых сополимеров, таких как полигидроксибутират или полигидроксивалерат, извлекаемых из биомассы бактерий определенного штамма, который культивируют на углеводных питательных средах. На основе этих сополимеров получают материал, называемый Biopol (фирма ICI, Великобритания).

2. Синтез из природных соединений, в основном полисахаридов (главным образом крахмала, а также целлюлозы и хитина), некоторых видов белков и других органических соединений (например, молочной кислоты, из которой получают широко применяемый полилактид) с добавлением разных добавок, в основном пластификаторов.

3. Производство биосинтетических полимеров на основе крупнотоннажных полимеров (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и полиэтилентерефталат) с природными добавками, которые инициируют и ускоряют распад макромолекул полимера. Для этих целей используют различные полисахариды (в основном крахмал), содержание которых может достигать 60 %.

В отличие от биоразлагаемых два других типа разлагающихся полимеров представляют собой композитные материалы, содержащие соединения, ускоряющие и усиливающие деструкцию полимеров под действием ультрафиолета (фотодеструкция), а также воды и водных растворов кислот, щелочей, солей (гидродеструкция).

В случае фотодеструкции в состав композиции дополнительно вводят стабилизаторы, обеспечивающие необходимый срок службы материала. Среди светочувствительных материалов отмечаются сополимеры этилена с окисью углерода, стирола с винилкетонами, полиолефиновые пленки с акриловыми покрытиями. У этих полимеров скорость разложения сопоставима со скоростью разложения бумаги и картона, а продукты распада приводят к загрязнению окружающей среды, в то время как продуктами распада под действием бактерий или водных сред являются только углекислый газ и вода [1].

Со временем фотодеструкция начинает сопровождаться распадом под действием бактерий, поэтому добавки, способствующие фотодеструкции, часто вводят в биоразлагающиеся композитные полимеры [1].

Водорастворимые полимеры изготавливают с добавлением поливинилового спирта, поливинилпирролидона, смесей поливинилового спирта и полиоксиалкиленов. После их частичного или полного растворения продолжается биологическое разложение продуктов [1].

Преимуществами биоразлагаемых полимеров является использование природных возобновляемых ресурсов и возможность полного разложения при попадании в окружающую среду (за исключением биосинтетических полимеров). Недостатками подобных полимеров являются относительно высокая стоимость добавок, в большинстве случаев более низкие эксплуатационные характеристики и вероятность, что разложение полимера начнется до истечения срока эксплуатации [2, 5].

Кроме того, недостатками всех выше рассмотренных технологий является частичная или полная ликвидация полимерных отходов, приводящая к потере материалов, которые могут быть использованы в качестве вторичных ресурсов. Поэтому более перспективна переработка полимерных отходов для их дальнейшего использования в различных химико-технологических процессах. При этом становится необходимым селективный от остальных отходов, а в ряде случаев и раздельный по видам полимеров сбор и дальнейшая сортировка отходов. Для выбора технологии переработки необходимо учитывать тоннажность и однородность полимерных отходов, а также востребованность получаемых вторичных ресурсов и производимых из них материалов и изделий.

Переработка полимерных отходов возможна по двум направлениям: непосредственное использование полимеров и предварительные деполимеризация или разложение с получением вторичных сырьевых ресурсов. При этом следует различать переработку отходов из термопластов, которые способны обратимо переходить при нагревании в высокоэластичное либо вязкотекучее состояние, и реактопластов, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала.

При непосредственном использовании отходов термопластов они по завершении сортировки подвергаются мойке, сушке и измельчению [8]. Затем они подвергаются пластикации, а полученный расплав перерабатывается в изделия, гранулы или таблетируется. При этом к измельченному термопласту добавляются различные добавки: модификаторы, стабилизаторы, пигменты и красители [1, 8], а в случае гранулирования и таблетирования в большинстве случаев измельченные отходы смешивают с первичным сырьем [3, 8].

По такой схеме происходит в основном переработка отходов производства, главным образом на том же предприятии, на котором отходы образуются. При этом термопласты подвергают в основном только измельчению, а затем смешивают с первичным сырьем. Это связано с тем, что по своим свойствам отходы производства практически не отличаются от первичного сырья. В случае с отходами потребления их в основном гранулируют и таблетируют, а затем перерабатывают в другие изделия. Переработка термопластов проводится в основном при помощи литья под давлением, экструзии, интрузии, каландрования и прессования.

Однако у этого метода утилизации термопластов есть свои ограничения, связанные в первую очередь с тем, что у вторичного полимерного сырья нестабильные и худшие физико-механические свойства по сравнению с первичным полимерным сырьем. Ухудшение свойств происходит за счет частичной деструкции и возможного наличия неполимерных включений, особенно в отходах потребления [1, 10]. Это приводит к невозможности бесконечной переработки термопластов, усложнению процесса переработки и снижению свойств получаемых изделий, которые в итоге могут не соответствовать предъявляемым требованиям. Кроме того, изделия из вторичных полимеров часто имеют худший внешний вид [4, 10].

Поэтому из вторичных термопластов получают изделия, к которым не предъявляют высоких требований (например, мусорные пакеты) или используют их в качестве добавки к первичному сырью. Также возможна химическая модификация вторичных полимеров путем сополимеризации с различными мономерами [1].

В случае переработки реактопластов их измельчают и используют в качестве активного наполнителя, добавляя к основному сырью. Их используют благодаря наличию небольшого количества несшитого полимера и возможности использования наполнителя. Особенную сложность представляет переработка отходов стеклопластиков из-за высокой прочности наполнителя. Измельченный стеклопластик называют органоминеральным наполнителем и применяют как модификатор в производстве полимерных изделий, который уменьшает время отверждения и повышает физико-механические свойства [3].

Так как одной из основных проблем при утилизации полимерных отходов является их сортировка, то разрабатывают технологии по переработке смесей различных полимеров в готовые изделия, в основном строительные [1, 12, 13] – блоки, плиты, черепицу и др. При этом часть полимерных отходов переводят в расплавленное состояние, и они выступают в роли связующего для части отходов, остающихся в твердом состоянии. В этом случае основной проблемой является уменьшение цикла переработки, чтобы снизить вероятность деструкции полимеров. Перспективными методами в данном случае являются интрузионное литье и экструзионное прессование [10].

В ряде случаев полимерные отходы применяют в качестве наполнителя или связующего в производстве композиционных материалов (композитов), в основном строительного назначения. Наиболее распространенными композитами являются полимербетон и полимерпесчаные композиты, представляющие собой затвердевшую смесь полимера с минеральным заполнителем – кварцевым песком, щебнем, стеклом и т.д. Иногда эти названия приравниваются к синонимам, но, по мнению авторов данной статьи, это разные понятия, так как полимербетон получают путем заливки подготовленной смеси в форму, а полимерпесчаный композит изготавливают методом горячего прессования. Другим отличием может являться применяемый заполнитель, по которому можно также выделить полимеркерамику и полимерцемент. Также широко распространены технологии производства полимерно-древесных и полимерно-бумажных плит. Наибольший интерес при этом представляют технологии, по которым полимерные отходы утилизируются совместно с другими типами отходов [9, 14].

Для наиболее крупнотоннажных видов полимерных отходов в настоящее время разработаны технологии утилизации по следующим направлениям [3, 6, 8]:

– полиэтилен перерабатывают в дренажные трубы, пленки для сельскохозяйственного применения, тару в виде ящиков и канистр, а также применяют в качестве связующего при изготовлении композиционных материалов;

– полипропилен применяют для производства автомобильных деталей, к которым не предъявляют жесткие требования (вентиляционные патрубки, уплотнения, коврики и т.д.), а также используют в смесях с первичным полипропиленом или другими полиолефинами при литье под давлением (короба, корпуса) или экструзии (профили и полуфабрикаты);

– поливинилхлорид перерабатывают в линолеум, искусственные кожи и пленочные материалы, а также применяют в дорожном строительстве;

– полистирол перерабатывают в изоляционные панели, упаковочные материалы, утепляющую обшивку труб, профилей для оконных рам и полов, а также в полистиролбетон;

– полиэтилентерефталат в основном перерабатывают в волокна, также этот полимер применяется в производстве листов, пленки и преформ для бутылок, получаемых многокомпонентным литьем, при котором между слоями первичного полимера помещают вторичный материал (технология «бутылка в бутылку»), а также нетканых материалов (сорбентов, фильтров, утеплителей одежды, наполнителей для мебели и игрушек).

В тех случаях, когда непосредственная утилизация полимеров нецелесообразна, применяют их деполимеризацию термическими и термохимическими методами.

Среди этих методов наибольшее распространение получил пиролиз, представляющий собой термическое разложение полимеров, содержащих углеводороды, при температурах около 600 °С при отсутствии кислорода [6]. Газ, получаемый в результате пиролиза, используют в качестве топлива для получения рабочего водяного пара и для поддержания самого процесса пиролиза. Жидкотопливная фракция, получаемая при пиролизе, подлежит возгонке с целью получения дизельной, битумной, бензиновой и других фракций, а также каталитическому гидрокрекингу под действием водорода при температуре 330–450 °С и давлении 5–30 МПа. В результате гидрокрекинга происходит распад углеводородов тяжелых фракций и увеличивается выход бензина и топливных масел. Твердые продукты пиролиза представлены в основном гудроном и используются как компоненты различного рода защитных составов, смазок, эмульсий, пропиточных материалов и др.

Кроме того, при пиролизе многие полимеры за счет обратимости реакции полимеризации могут распадаться до мономеров, которые вновь используют для поликонденсации или в качестве добавки к первичному материалу, а при пиролизе поливинилхлорида можно получать соляную кислоту. Недостатком пиролиза является образование токсичных газообразных продуктов, хотя и в меньшем количестве, чем при сжигании полимерных отходов [7, 8].

В случае применения газификации [8], представляющей собой высокотемпературный процесс взаимодействия отходов или продуктов их термической переработки с газифицирующими агентами, получают синтез-газ – смесь монооксида углерода и водорода, применяемые в химической промышленности. В качестве газифицирующих агентов применяют воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода, а также их смеси. Остающийся после газификации твердый остаток содержит лишь минеральную часть отходов в виде золы или шлака и представлен в основном техническим углеродом.

Читайте также:  Детские дворы: украшение и обустройство

Другим термохимическим методом является гидролиз, основанный на расщеплении полимеров водными растворами кислот при температурах до 200 °С и небольшом вакууме. Продукты гидролиза нейтрализуют, фильтруют, дистиллируют и вновь полимеризуют. В основном этот метод применяют для переработки отходов полиэтилентерефталата [4, 6, 7]. Недостатком метода является его относительная дороговизна из-за большого расхода водных растворов и длительности обработки.

Разновидностью гидролиза является гликолиз, в котором для деполимеризации используют гликоли. Процесс проводят при атмосферном давлении и температурах 210–250 °С. Получаемые продукты зависят от типа применяемого гликоля, его концентрации и применяются в получении полиэфиров, полимеров и высокомолекулярных спиртов. Этот процесс является практически безотходным, но изготовленные на основе полученного сырья пластмассы непригодны для пищевого использования. Другой разновидностью гидролиза является метанолиз, представляющий собой глубокое расщепление полимеров с помощью метанола при температурах свыше 150 °С и давлении 1,5 МПа. Продукты переработки специфичны (например, при переработке полиэтилентерефталата получают диметилтерефталат) и применяются только для получения полиэфиров. Следует учитывать токсичность и опасность продуктов метанолиза, необходимость тщательной очистки отходов в отличие от гидролиза и гликолиза, а также высокую стоимость проведения. На практике также применяют комбинацию методов гликолиза и метанолиза [7].

Также существует метод радиодеструкции, при котором химические связи в молекулах полимеров разрушаются с помощью нейтронов, гамма-излучения, бета-частиц, что способствует процессам фото- и термоокислительной деструкции и образованию низкомолекулярных продуктов. Однако этот метод пока не получил широкого распространения [6].

Из проведенного обзора следует, что в настоящее время разработаны и применяются технологии, которые позволяют утилизировать или ликвидировать полимерные отходы любых видов, тоннажности и состояния. Каждая из технологий обладает своими преимуществами и недостатками, что позволяет выбрать наиболее оптимальную из них для каждого конкретного случая утилизации. Наиболее перспективными при этом являются рекуперация отходов производства в том же технологическом процессе, в котором они образуются, а также производство композиционных материалов, пиролиз или гидролиз для отходов потребления, позволяющие получать вторичные ресурсы и производить из них востребованные в современном мире материалы и изделия.

Основными проблемами утилизации полимерных отходов по-прежнему остаются их извлечение из общей массы твердых бытовых отходов и сортировка по видам полимеров, снижение токсичности продуктов переработки, сравнительно высокая сложность и низкая рентабельность некоторых методов переработки. Однако утилизация полимерных отходов не только позволяет снизить темпы их накопления, которые в последнее время растут, но и является экономически выгодной, являясь источником прибыли для многих производителей.

Для решения проблем утилизации полимерных отходов необходимо более широкое внедрение селективного сбора твердых бытовых отходов, принятие законов, регламентирующих и стимулирующих утилизацию полимерных отходов, а также обмен опытом и технологиями между странами, проведение научных исследований по совершенствованию существующих и разработке новых эффективных технологий утилизации.

Полимерные материалы. Достоинства и недостатки

В пищевой промышленности, общественном питании и торгово-складской сети все более широкое применение находят изделия из полимерных материалов.

Полимерные материалы используются для изготовления деталей машин и холодильных установок, трубопроводов, тары, упаковочных материалов.

Полимерные материалы (сырье и изделия) изготовляются на разных предприятиях химической промышленности и по разной технологии и могут иметь разные физико-химические свойства. В связи с этим СЭС отводится большая роль по организации и проведению предупредительного санитарного надзора за выпуском изделий из полимерных материалов и использованием их в пищевых предприятиях.

К достоинствам изделий из полимерных материалов относится их прочность, легкость, обеспечение хорошей сохранности пищевых продуктов.

К недостаткам полимерных материалов относится способность со временем приобретать отрицательные свойства — «стареть». Под воздействием повышенных температур, УФ-лучей, кислорода воздуха и других факторов в полимерах происходят сложные химические превращения, в результате которых свойства полимеров ухудшаются — снижается прочность, эластичность, появляется хрупкость, потускнение поверхности, на ней адсорбируются жир и красящие вещества, после дезинфекции сохраняется запах хлора, кроме того, в полимерной массе образуются низкомолекулярные токсические вещества, обладающие растворимостью в жидкой пищевой среде и оказывающие неблагоприятное воздействие на организм человека.

В связи с возможностью отрицательного воздействия полимеров на организм человека рекомендуется использовать изделия в строгом соответствии с назначением, обозначенным клеймом на каждом изделии —«для холодной воды», «для пищевых продуктов», «для горячих блюд» и т. д.

Наибольшее применение имеют следующие группы полимеров: полиолефины, поливинилхлорид, фторопласты, полистиролы, полиакрилаты, аминопласты, полиэтиленте – рефталат (лавсан), поликарбонаты, эпоксидные соединения, материалы на основе целлюлозы, резины, комбинированные соединения.

Резины. Полимерные материалы, полученные на основе натурального и искусственного каучука. Содержат токсичные наполнители, растворение их в массе продукта и обуславливает токсичность резиновых изделий при старении. Из резины готовят прокладки и уплотнители к деталям машин. В пищевой промышленности применяются пленки на основе каучука (эскаплен и др.). Пленки применяются для упаковки замороженных и гигроскопичных продуктов (сублимированных) — фруктов, а также для кулинарных изделий и бескоркового сыра.

Комбинированные материалы. Широкое применение имеют комбинированные материалы:

сочетание полимерных пленок (чаще полиэтилен), картона, бумаги, фольги — для упаковки пищевых концентратов;

многослойные пленки — целлофан-полиэтилен, лавсанпол и этилен;

смесь полиэтиленового воска и парафина для покрытия бумаги и картона — для упаковки сливочного масла, молока, хлебобулочных изделий и для изготовления стаканчиков одноразового пользования;

алюминиевая фольга в комбинации с бумагой — для упаковки чая и других ароматических продуктов.

Домашнее задание:Горшков А.И., Липатова О.В. Гигиена питания М. «Медицина», 1987г. стр. 251-259.

Подготовила:преподаватель Передкова Н.Л.

|следующая лекция ==>
Материалы, применяемые для изготовления инвентаря, оборудования, посуды, упаковки. Гигиенические требования к материалам. Достоинства и недостатки полимерных материалов|Підстави для перегляду судових рішень Верховним Судом України. Строк подання заяви про перегляд судових рішень

Дата добавления: 2014-01-04 ; Просмотров: 5958 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Структурно-химические особенности вторичных полимеров.

Выбор технологических параметров переработки полимерных отходов и областей использования получаемых из них изделий обусловлен их физико-химическими, механическими и технологическими свойствами, которые в значительной степени отличаются от тех же характеристик первичного полимера. К основным особенностям вторичных полимеров, на примере вторичного полиэтилена низкой плотности (ВПЭНП), которые определяют специфику его переработки, следует отнести: низкую насыпную плотность; особенности реологического поведения расплава, обусловленные высоким содержанием геля; повышенную химическую активность вследствие изменений структуры, происходящих при переработке первичного полимера и эксплуатации полученных из него изделий. Кроме того, вторичные полимеры характеризуются резким снижением разрушающего напряжения и особенно относительного удлинения, морозостойкости и теплостойкости при сравнительно низких напряжениях сдвига, а также текучести расплава вследствие образования гель-фракции. Показатели физико-механических свойств ВПЭНП, полученного из отходов сельскохозяйственной пленки с различным содержанием сшитых фрагментов, приведены в табл. 2 (данные ХСКТБ «Машприборпластик»).

Аналитическим и практическими методами апробирования вторичной переработки установлено, что физико-механические свойства полиэтиленовой пленки, отслужившей один-два сезона для укрытия парников, после повторного регранулирования (рециклинга) почти полностью восстанавливается.

Таблица 2.1 – Показатели физико-механических свойств ВПЭНП

Номер партииСодержа-ние нераст-воримой фракции, %Стой-кость к растрес-киванию, чРазрушаю-щее напря-жение при растяжении, МПАОтноси-тельное удлинение при раз-рыве, %Морозо-стойкость, о СПоказатель текучести расплава, г/10 мин
10,5– 200,34
10,0– 300,03
10,8– 400,23
12,0– 300,1
10,2– 600,36
ПЭНП марки 10803-02016,0600-800– 702,0

Опытно-аналитическими методами показано, что предшествующее вторичной переработке ультрафиолетовое облучение усиливает чувстви-тельность полимерной пленки к последующему фотоокислению гораздо сильнее, чем одна повторная переработка.

Старение (деструкция) вторичных полимеров развивается по тем же законам, что и деструкция первичных полимеров, но имеет свою специфику.

В настоящее время установлено, что механизм старения всех промышленных термопластов (ПП, ПЭ, ПС и ПВХ) имеет много общего, но есть и специфические отличия. Общим для них является то, что в процессе старения происходит локализованный разрыв полимерных цепей, при этом окислению, как правило, в большей мере подвергаются аморфные области.

Данные об изменении физико-механических характеристик первичного и вторичного ПЭНП при атмосферном старении представлены в таблице 2.2 (данные ХСКТБ «Машприборпластик»). Из данных, приведенных в таблице, видно, что характер изменения физико-механических характеристик для ПЭНП и ВПЭНП неодинаков: у первичного полимера наблюдается монотонное снижение и прочности и относительного удлинения, которые составляют 30 и 70 % соответственно после старения в течение 5 месяцев. Для ВПЭНП характер изменения этих показателей несколько отличается: разрушающее напряжение практически не изменяется, а относительное удлинение уменьшается на 90 %.

Таблица 2.2 – Изменение физико-механических свойств полиэтилена в процессе атмосферного старения

Продолжительность старения, мес.ПЭНПВПЭНП
σр, МПаε, %σр, МПаε, %
Исходный образец13,010,5
0,513,210,0
1,013,010,5
1,510,3
2,012,611,5
3,010,011,5
4,09,110,6
5,08,8

Необходимо отметить, что на физико-механические показатели значительное влияние оказывают климатические условия эксплуатации первичного материала и изделий: так, пленки из ПЭ, эксплуатировавшиеся в южных районах, обладают более низким качеством по сравнению с сырьем из центральных и северных регионов Украины.

Характерной особенностью реологических свойств ВПЭНП является то, что его текучесть увеличивается с повышением температуры переработки: при повышении температуры со 160 до 270 о С показатель текучести расплава при нагрузке 2,16 кН увеличивается с 0,02 до 0,19 г/10 мин, т.е. примерно в 10 раз. Показатель текучести расплава первичного полимера, содержащего такое же количество гель-фракции, как и вторичный, при повышении температуры переработки в таком же интервале практически не меняется (рис. 2.1).

Ввиду того, что физико-механические показатели ВПЭ ниже, чем у первичного, уровень равновесных напряжений во вторичном полимере может изменяться.

Рисунок 2.1. Зависимость физико-механических характеристик (1 – содержание гель-фракции; 2 – ПТР; 3 – относительное удлинение при разрыве; 4 – прочность при растяжении) от продолжительности переработки (τ) при одноразовой переработке и числа циклов (один цикл – 5 мин) при многократной переработке (п).

В процессе вторичной переработки в полимере протекают дополнительно механохимические и термоокислительные процессы, и изменение его свойств зависит от кратности переработки.

При исследовании влияния кратности переработки на свойства полу-чаемых изделий показано, что 3–5-кратная переработка оказывает незначи-тельное влияние. Заметное снижение прочности начинается при 5–10-кратной переработке.

Из всего сказанного выше следует, что вторичное полиэтиленовое сырье, полученное из отходов сельскохозяйственной пленки, следует подвергать модификации с целью улучшения качества и повышения срока службы изделий из него.

В данной статье мы подробно рассмотрим вопрос о применении полимерных материалов в производстве древесно-полимерных композитов (ДПК).

У всех производителей изделий из ДПК как отечественных, так и зарубежных, наиболее популярными используемыми полимерными материалами являются поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП). Среди полимеров, используемых для производства ДПК, особое место занимают полиолефины – полиэтилен и полипропилен. Разнообразие условий эксплуатации изделий из полиолефинов обусловило появления большого количества марок ПЭ и ПП, которые применяются в производстве. В зависимости от способа производства, а их существует несколько, полиэтилен и полипропилен имеют разную плотность, молекулярную массу и степень кристалличности. Существует большое количество марок этих полимеров, которые как раз и отличаются по плотности, данным текучести расплава, а также отсутствием или наличием стабилизаторов. Марки полиэтилена и полипропилена определяются длиной молекулярной цепочки или молекулярной массой используемого сырья. В зависимости от назначения и свойств определены базовые марки (без добавок) полиэтилена и полипропилена, а также композиции на их основе (с добавками, стабилизаторами, окрашенные, неокрашенные). Каждой марке полиэтилена и полипропилена присущи свойства, определяющие сферы ее назначения и применения. Итак, полиэтилен и полипропилен применяются для производства: пленок (упаковочных, сельскохозяйственных, стретч, термоусадочных), труб (водопроводных, газовых, ненапорных, напорных), емкостей (канистр, цистерн, бутылей), санитарно-технических изделий, протезов внутренних органов, предметов домашнего обихода, деталей автомашин и различной техники. Однако, на современном рынке полиолефинов, вы никогда не найдете этих полимеров, специально предназначенных для изготовления изделий из ДПК. Полимеры этилена в промышленности получают при высоком, среднем и низком давлении. Полиэтилен, синтезируемый при высоком давлении (ПЭВД), называют иногда полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП), а получаемый при среднем и низком давлении – полиэтиленом высокой плотности (ПЭВП). ПЭВД представляет собой материал, сочетающий невысокую стоимость с высокими показателями диэлектрических свойств, стабильными в различных температурно-влажностных условиях эксплуатации и широком частотном диапазоне, достаточно высокими физико-механическими показателями. Прочностные показатели ПЭВД в 1,5 раза ниже, чем у полиэтилена высокой плотности. Эластичность ПЭВД сохраняется до -60…70°С. По сравнению с полиэтиленами низкого давления ПЭВД обладает более высокой стойкостью к растрескиванию. К недостаткам ПЭВД относятся невысокая верхняя температура применения, ползучесть под действием статических нагрузок, горючесть, а также способность электризоваться, накапливая статическое электричество.

Полиэтилен низкого давления более устойчив к воздействию растворителей, жидких и газообразных агрессивных веществ, чем ПЭВД. Для повышения технологических и эксплуатационных свойств в ПЭНД вводят термосветостабилизаторы и антиоксиданты. Для стабилизации ПЭНД применяются те же стабилизаторы, что и для ПЭВД. ПЭНД используют как конструкционный материал общетехнического назначения с гораздо более высокими теплостойкостью, твердостью, жесткостью, морозостойкостью, чем ПЭВД, поэтому материалоемкость изделий на его основе в 1,2-1,4 раза ниже. Диэлектрические свойства ПЭНП и ПЭВП близки, однако присутствие в ПЭНД остатков катализатора снижает высокочастотные характеристики полимерной изоляции. Из-за наличия следов катализатора ПЭНД не рекомендуется использовать для изготовления изделий, контактирующих с пищевыми продуктами, без специальной обработки (например, для изготовления обеденных столов для сада из ДПК). ПЭНД более склонен к растрескиванию под влиянием напряжений и поверхностно-активных веществ, чем ПЭВД.

Читайте также:  Выбор обоев для гостиной

Другой популярный полиолефин, применяющийся пр�� изготовлении ДПК – полипропилен. Полипропилен – один из наиболее крупнотоннажных полимерных материалов, занимающий 24% мирового производства пластмасс. Он является вторым в мире после полиэтилена по объемам переработки. Относительно высокие эксплуатационные показатели полипропилена и композиций на его основе (прозрачность, высокая водо- и теплостойкость, низкая ползучесть) определяют широкий спектр применения этого полимера в различных отраслях промышленности, в том числе и в производстве ДПК. Полипропилен обладает достаточно высокими и стабильными в условиях эксплуатации физико-механическими и диэлектрическими показателями, износостойкостью, хорошей химической стойкостью. Недостатками ПП являются его низкая морозостойкость (-5°С), невысокая стойкость к термоокислительной деструкции и склонность к электростатической поляризации с накоплением статического электричества. Термоокислительная деструкция сопровождается выделением продуктов разложения – формальдегида, муравьиной и уксусной кислот, СО и СО2. Также, данная деструкция сопровождается уменьшением молекулярной массы полимера и ухудшением его физико-механических свойств. Частичное окисление полипропилена при гранулировании резко ухудшает его светостойкость в атмосферных условиях.

До сих пор речь шла о первичных полимерах. Т.к. практически все производители ДПК как отечественные, так и зарубежные, в своем производстве, для снижения его себестоимости, применяют вторичные полимеры, более подробно рассмотрим вопрос об использовании таких полимеров при производстве ДПК.

При разработке технологии производства материалов на основе полиолефинов, важное значение имеют данные о влиянии кратности переработки на основные физико-механические свойства вторичных термопластических полимеров. Однако в научно-технической литературе практически отсутствуют данные о влиянии повторной переработки вторичных полиолефинов на эксплуатационные свойства изделий на их основе. Данные об этой проблеме можно найти в монографии [1] и компания Savewood полностью согласна с приведенными результатами в этой работе. В результате проведенных исследований установлено, что разрушающее напряжение при сжатии и изгибе вторичных полиэтилена и пропилена возрастает на 3,35-16,50% при 2-3 кратной переработке полиолефинов. Повышение прочности вторичных ПЭ и ПП при повторной переработке обусловлено повышением степени кристалличности полиолефинов. При увеличении кратности переработки, прочность при сжатии и изгибе вторичных полимеров снижается. Разрушающее напряжение при растяжении вторичных ПЭ и ПП также возрастает при 2-3 кратной переработки полиолефинов. Твердость по Бринеллю вторичных полиолефинов повышается с ростом кратности переработки термопластичного сырья, но только в пределах 2-3 кратности. Удельная ударная вязкость вторичных полиолефинов практически не зависит от кратности переработки. В то же время относительное удлинение при разрыве вторичного ПЭ и ПП линейно снижается с увеличением кратности переработки с 6 до 4% для ПЭВД и с 19,8 до 16,5% для ПП.

В представленных ниже таблицах, наглядно можно увидеть влияние кратности переработки на физико-механические свойства ПЭВД и ПП:

Теперь перейдем к основным проблемам использования вторичных полимеров в производстве ДПК на основе полиолефинов.

Как мы видим из таблиц, приведенных выше, для производства материалов ДПК, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, можно использовать вторичные полиолефины с ограниченной кратностью переработки – не более трех кратной переработки. Вторичные полимеры ПЭ и ПП, переработанные свыше трех раз, не рекомендуется использовать в производстве ДПК. Кроме того, на современном рынке вторичных полимерных материалов крайне сложно найти вторичные полиолефины, переработанные до трех раз, которые резко не ухудшают свойства изделий из ДПК. Гораздо проще и выгоднее (по себестоимости) найти вторичные материалы, изготовленные из отходов бытового потребления многократно переработанных, например бутылки и упаковки пищевых продуктов, одноразовая посуда и т.п., которые накапливаясь в быту, попадают, как правило, в мусорные контейнеры, а затем на городские свалки, переходят в итоге в категорию смешанных отходов, переработка которых весьма затруднена по причине их загрязненности, неоднородности и сложности разделения и как следствие, состав конечного вторичного полимера совершенно непредсказуем. Как следствие из выше сказанного, на современном рынке наблюдается большой разброс цен на террасные доски из ДПК, изготовленных на основе вторичных полиолефинов. Т.к. компания Savewood обладает собственными методиками исследований изделий из ДПК на основе вторичных полимеров, то мы разделили такие изделия на классы в зависимости от качества вторичного полиолефина: I класс – изделия из ДПК на основе высококачественного вторичного полиолефина (2-х кратная переработка), II класс – средний, изделия из ДПК на основе очень среднего качества вторичного полиолефина (от 3-х кратной переработки) и III класс – изделия из ДПК на основе низкокачественного вторичного полиолефина ( переработка свыше 4-х раз). В сводной таблице отражена стоимость и срок службы изделий из ДПК на основе вторичного полиэтилена и полипропилена в зависимости от качества используемого вторичного полиолефина:

В настоящее время на российском рынке ДПК присутствуют очень большое количество так называемых фирм «однодневок», работающих в основном на вторичных полиолефинах очень низкого качества, которые открываются и закрываются в сезон. Совершенно очевидно, что такие фирмы используют в своем производстве дешевые вторичные полимеры, состав которых вообще неизвестен. Кроме того, для изделий из ДПК крайне важно учитывать устойчивость к воздействию погоды, т.к. эти изделия в основном используются во внешних условиях. Полипропилен и полиэтилен особенно чувствительны к воздействию света, это надо учитывать во всех областях применения продукта. Под действием света и кислорода (воздуха) в полипропилене и полиэтилене протекают процессы разложения, приводящие к потере блеска, растрескиванию и «мелованию» поверхности, ухудшению механических и физических свойств продукта.

Полиолефины имеют хорошую устойчивость к световому излучению видимой области спектра. Воздействие же, даже кратковременное, ультрафиолетового излучения, то есть излучения с длиной волны 290-400 нм, делает полипропилен и полиэтилен хрупким и приводит к повреждению поверхности. Этот процесс ускоряется при повышенной температуре окружающей среды. Известно два способа стабилизации полиолефинов к воздействию ультрафиолетовых лучей: поглощение ультрафиолетовых лучей пигментами или органическими соединениями, которые абсорбируют ультрафиолетовые лучи и затем отдают их энергию в виде безвредного длинноволнового излучения тепла; применение антиоксидаторов (стабилизаторов действия излучения), которые сопротивляются воздействию ультрафиолетовых лучей (такими, например, являются стерически блокированные амины – так называемые соединения HALS). Широкий выбор ультрафиолетовых стабилизирующих добавок делает возможным выбрать светостабилизаторы, соответствующие требованиям эксплуатации под воздействием погоды, или применению продукта в пищевой промышленности. Некоторые добавки и пигменты, как, например, серосодержащие соединения (дистеарат-тиодипропионат – DSTDP, дилаурат-дитиопропионат – DLTDP) уменьшают эффективность добавок, противодействующих ультрафиолетовым лучам. Это надо принимать во внимание, если стабилизированные к воздействию ультрафиолетовых лучей марки полипропилена и полиэтилена затем смешивают с дальнейшими добавками. И самое главное, что такие нужные светостабилизаторы и антиоксиданты, которые просто необходимо добавлять в конечную рецептуру для получения продукта высокого качества, очень удорожают продукцию из ДПК и как следствие, «одноразовые» производители изделий из ДПК сильно на них экономят, просто игнорируя их добавление в технологическую смесь. Что в итоге получается, вы можете видеть по фотографиям, приведенными ниже. На первой фотографии представлено сравнение террасных досок на основе стабилизированного и нестабилизированного к уф- излучению вторичного полиэтилена. Где что изображено, нетрудно догадаться.

Преимущества и недостатки полимеров и пластмасс как строительных материалов

1. Высокий коэффициент конструктивного качества (ККК);

2. Высокая химическая стойкость;

3. Низкая теплопроводность;

4. Широкая цветовая гамма;

5. Низкая истираемость;

6.Лёгкость обработки, лёгкость склеивания, сваривания, безотходное производство.

1. Подвержены старению;

4. Низкая теплостойкость;

5. Низкая поверхностная твёрдость;

6. Высокий коэффициент термического расширения;

Пластические массы, пластмассы, пластики, материалы, содержащие в своём составе полимер, который в период формования изделий находится в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации — в стеклообразном или кристаллическом состоянии. В зависимости от характера процессов, сопутствующих формованию изделий, Пластмассы делят на реактопласты и термопласты. К числу реактопластов относят материалы, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого полимера — отверждением; при этом пластик необратимо утрачивает способность переходить в вязкотекучее состояние (раствор или расплав). При формовании изделий из термопластов не происходит отверждения, и материал в изделии сохраняет способность вновь переходить в вязкотекучее состояние.Пластмассы обычно состоят из нескольких взаимно совмещающихся и несовмещающихся компонентов. При этом, помимо полимера, в состав пластмассы могут входить наполнители полимерных материалов, пластификаторы, понижающие температуру текучести и вязкость полимера, стабилизаторы полимерных материалов, замедляющие его старение, красители и др. Пластмассы могут быть однофазными (гомогенными) или многофазными (гетерогенными, композиционными) материалами. В гомогенных пластмассах полимер является основным компонентом, определяющим свойства материала. Остальные компоненты растворены в полимере и способны улучшать те или иные его свойства. В гетерогенных пластмассах полимер выполняет функцию дисперсионной среды (связующего) по отношению к диспергированным в нём компонентам, составляющим самостоятельные фазы. Для распределения внешнего воздействия на компоненты гетерогенного пластика необходимо обеспечить прочное сцепление на границе контакта связующего с частицами наполнителя, достигаемое адсорбцией или химической реакцией связующего с поверхностью наполнителя.

Наполненные пластики. Наполнитель в пластмассе может быть в газовой или конденсированной фазах. В последнем случае его модуль упругости может быть ниже (низкомодульные наполнители) или выше (высокомодульные наполнители) модуля упругости связующего.

К числу газонаполненных пластиков относятся пенопласты — материалы наиболее лёгкие из всех пластмасс; их кажущаяся плотность составляет обычно от 0,02 до 0,8 г/см3.

Низкомодульные наполнители (их иногда называют эластификаторами), в качестве которых используют эластомеры, не понижая теплостойкости и твёрдости полимера, придают материалу повышенную устойчивость к знакопеременным и ударным нагрузкам (см. табл. 1), предотвращают прорастание микротрещин в связующем. Однако коэффициент термического расширения эластифицированных пластмасс выше, а деформационная устойчивость ниже, чем монолитных связующих. Эластификатор диспергируют в связующем в виде частиц размером 0,2—10 мкм. Это достигается полимеризацией мономера на поверхности частиц синтетических латексов, отверждением олигомера, в котором диспергирован эластомер, механическим перетиранием смеси жёсткого полимера с эластомером. Наполнение должно сопровождаться образованием сополимера на границе раздела частиц эластификатора со связующим. Это обеспечивает кооперативную реакцию связующего и эластификатора на внешнее воздействие в условиях эксплуатации материала. Чем выше модуль упругости наполнителя и степень наполнения им материала, тем выше деформационная устойчивость наполненного пластика. Однако введение высокомодульных наполнителей в большинстве случаев способствует возникновению остаточных напряжений в связующем, а следовательно, понижению прочности и монолитности полимерной фазы.

Свойства пластмассы с твёрдым наполнителем определяются степенью наполнения, типом наполнителя и связующего, прочностью сцепления на границе контакта, толщиной пограничного слоя, формой, размером и взаимным расположением частиц наполнителя. Пластмассы с частицами наполнителя малых размеров, равномерно распределёнными по материалу, характеризуются изотропией свойств, оптимум которых достигается при степени наполнения, обеспечивающей адсорбцию всего объёма связующего поверхностью частиц наполнителя. При повышении температуры и давления часть связующего десорбируется с поверхности наполнителя, благодаря чему материал можно формовать в изделия сложных форм с хрупкими армирующими элементами. Мелкие частицы наполнителя в зависимости от их природы до различных пределов повышают модуль упругости изделия, его твёрдость, прочность, придают ему фрикционные, антифрикционные, теплоизоляционные, теплопроводящие или электропроводящие свойства.

Для получения пластмассы низкой плотности применяют наполнители в виде полых частиц. Такие материалы (иногда называемые синтактическими пенами), кроме того, обладают хорошими звуко- и теплоизоляционными свойствами.

Применение в качестве наполнителей природных и синтетических органических волокон, а также неорганических волокон (стеклянных, кварцевых, углеродных, борных, асбестовых), хотя и ограничивает выбор методов формования и затрудняет изготовление изделий сложной конфигурации, но резко повышает прочность материала. Упрочняющая роль волокон в волокнитах, материалах, наполненных химическими волокнами (т. н. органоволокнитах), карбоволокнитах и стекловолокнитах проявляется уже при длине волокна 2—4 мм. С увеличением длины волокон прочность возрастает благодаря взаимному их переплетению и понижению напряжений в связующем (при высокомодульном наполнителе), локализованных по концам волокон. В тех случаях, когда это допускается формой изделия, волокна скрепляют между собой в нити и в ткани различного плетения. Пластмассы, наполненные тканью (текстолиты), относятся к слоистым пластикам, отличающимся анизотропией свойств, в частности высокой прочностью вдоль слоёв наполнителя и низкой в перпендикулярном направлении. Этот недостаток слоистых пластиков отчасти устраняется применением т. н. объёмнотканых тканей, в которых отдельные полотна (слои) переплетены между собой. Связующее заполняет неплотности переплетений и, отверждаясь, фиксирует форму, приданную заготовке из наполнителя.

В изделиях несложных форм, и особенно в полых телах вращения, волокна-наполнители расположены по направлению действия внешних сил. Прочность таких пластмасс в заданном направлении определяется в основном прочностью волокон; связующее лишь фиксирует форму изделия и равномерно распределяет нагрузку по волокнам. Модуль упругости и прочность при растяжении изделия вдоль расположения волокон достигают очень высоких значений. Эти показатели зависят от степени наполнения пластмассы. Для панельных конструкций удобно использовать слоистые пластики с наполнителем из древесного шпона или бумаги, в том числе бумаги из синтетического волокна. Значительное снижение массы панелей при сохранении жёсткости достигается применением материалов трёхслойной, или сэндвичевой, конструкции с промежуточным слоем из пенопласта или сотопласта.

Читайте также:  Выбираем банк для ипотеки на квартиру

Основные виды термопластов. Среди термопластов наиболее разнообразно применение полиэтилена, поливинилхлорида и полистирола, преимущественно в виде гомогенных или эластифицированных материалов, реже газонаполненных и наполненных минеральными порошками или синтетическими органическими волокнами.

Пластмассы на основе полиэтилена легко формуются и свариваются в изделия сложных форм, они устойчивы к ударным и вибрационным нагрузкам, химически стойки, отличаются высокими электроизоляционными свойствами (диэлектрическая проницаемость 2,1—2,3) и низкой плотностью. Изделия с повышенной прочностью и теплостойкостью получают из полиэтилена, наполненного коротким (до 3 мм)стекловолокном. При степени наполнения 20% прочность при растяжении возрастает в 2,5 раза, при изгибе — в 2 раза, ударная вязкость — в 4 раза и теплостойкость — в 2,2 раза.

Жёсткая пластмасса на основе поливинилхлорида — винипласт, в том числе эластифицированный (ударопрочный), формуется значительно труднее полиэтиленовых пластиков, но прочность её к статическим нагрузкам намного выше, ползучесть ниже и твёрдость выше. Более широкое применение находит пластифицированный поливинилхлорид — пластикат. Он легко формуется и надёжно сваривается, а требуемое сочетание в нём прочности, деформационной устойчивости и теплостойкости достигается подбором соотношения пластификатора и твёрдого наполнителя.

Пластмассы на основе полистирола формуются значительно легче, чем из винипласта, их диэлектрические свойства близки к свойствам полиэтиленовых пластмасс, они оптически прозрачны и по прочности к статическим нагрузкам мало уступают винипласту, но более хрупки, менее устойчивы к действию растворителей и горючи. Низкая ударная вязкость и разрушение вследствие быстрого прорастания микротрещин — свойства, особенно характерные для полистирольных пластиков, устраняются наполнением их эластомерами, т. е. полимерами или сополимерами с температурой стеклования ниже — 40 °С. Эластифицированный (ударопрочный) полистирол наиболее высокого качества получают полимеризацией стирола на частицах бутадиен-стирольного или бутадиен-нитрильного латекса. Материал, названный АБС, содержит около 15% гель-фракции (блок- и привитые сополимеры полистирола и указанных сополимеров бутадиена), составляющей граничный слой и соединяющей частицы эластомера с матрицей из полистирола. Морозостойкость материала ограничивает температура стеклования эластомера, теплостойкость — температура стеклования полистирола.

Теплостойкость перечисленных термопластов находится в пределах 60—80 °С, коэффициент термического расширения высок и составляет 1 • 10-4, их свойства резко изменяются при незначительном изменении температуры, деформационная устойчивость под нагрузкой низкая. Этих недостатков отчасти лишены термопласты, относящиеся к группе иономеров, например сополимеры этилена, пропилена или стирола с мономерами, содержащими ионогенные группы (обычно ненасыщенные карбоновые кислоты или их соли). Ниже температуры текучести благодаря взаимодействию ионогенных групп между макромолекулами создаются прочные физические связи, которые разрушаются при размягчении полимера. В иономерах удачно сочетаются свойства термопластов, благоприятные для формования изделий, со свойствами, характерными для сетчатых полимеров, т. е. с повышенной деформационной устойчивостью и жёсткостью. Однако присутствие ионогенных групп в составе полимера понижает его диэлектрические свойства и влагостойкость.

Пластмассы с более высокой теплостойкостью (100—130 °С) и менее резким изменением свойств с повышением температуры производят на основе полипропилена, полиформальдегида, поликарбонатов, полиакрилатов, полиамидов, особенно ароматических полиамидов. Быстро расширяется номенклатура изделий, изготавливаемых из поликарбонатов, в том числе наполненных стекловолокном.Для деталей, работающих в узлах трения, широко применяются пластики из алифатических полиамидов, наполненных теплопроводящими материалами, например графитом.

Особенно высоки химическая стойкость, прочность к ударным нагрузкам и диэлектрические свойства пластиков на основе политетрафторэтилена и сополимеров тетрафторэтилена (см. Фторопласты). В материалах на основе полиуретанов удачно сочетается износостойкость с морозостойкостью и длительной прочностью в условиях знакопеременных нагрузок. Полиметилметакрилат используют для изготовления оптически прозрачных атмосферостойких материалов.

Отсутствие реакций отверждения во время формования термопластов даёт возможность предельно интенсифицировать процесс переработки. Основные методы формования изделий из термопластов — литьё под давлением, экструзия, вакуумформование и пневмоформование. Поскольку вязкость расплава высокомолекулярных полимеров велика, формование термопластов на литьевых машинах или экструдерах требует удельных давлений 30—130 Мн/м = (300—1300 кгс/см2).

Основные виды реактопластов. После окончания формования изделий из реактопластов полимерная фаза приобретает сетчатую (трёхмерную) структуру. Благодаря этому отверждённые реактопласты имеют более высокие, чем термопласты, показатели по твёрдости, модулю упругости, теплостойкости, усталостной прочности, более низкий коэффициент термического расширения; при этом свойства отверждённых реактопластов не столь резко зависят от температуры. Однако неспособность отвержденных реактопластов переходить в вязкотекучее состояние вынуждает проводить синтез полимера в несколько стадий.

Первую стадию оканчивают получением олигомеров (смол) — полимеров с молекулярной массой 500—1000. Благодаря низкой вязкости раствора или расплава смолу легко распределить по поверхности частиц наполнителя даже в том случае, когда степень наполнения достигает 80—85% (по массе). После введения всех компонентов текучесть реактопласта остаётся настолько высокой, что изделия из него можно формовать заливкой (литьём), контактным формованием, намоткой. Такие реактопласты называются премиксами в том случае, когда они содержат наполнитель в виде мелких частиц, и препрегами, если наполнителем являются непрерывные волокна, ткань, бумага. Технологическая оснастка для формования изделий из премиксов и препрегов проста и энергетические затраты невелики, но процессы связаны с выдержкой материала в индивидуальных формах для отверждения связующего. Если смола отверждается по реакции поликонденсации, то формование изделий сопровождается сильной усадкой материала и в нём возникают значительные остаточные напряжения, а монолитность, плотность и прочность далеко не достигают предельных значений (за исключением изделий, полученных намоткой с натяжением). Чтобы избежать этих недостатков, в технологии изготовления изделий из смол, отверждающихся по реакции поликонденсации, предусмотрена дополнительная стадия (после смешения компонентов) — предотверждение связующего, осуществляемое при вальцевании или сушке. При этом сокращается длительность последующей выдержки материала в формах и повышается качество изделий, однако заполнение форм из-за понижения текучести связующего становится возможным только при давлениях 25—60 Мн/м2 (250—600 кгс/см2). Смола в реактопластах может отверждаться самопроизвольно (чем выше температура, тем больше скорость) или с помощью полифункционального низкомолекулярного вещества — отвердителя. Реактопласты с любым наполнителем изготавливают, применяя в качестве связующего феноло-альдегидные смолы, часто эластифицированные поливинилбутиралем , бутадиен-нитрильным каучуком, полиамидами, поливинилхлоридом (такие материалы называют фенопластами), и эпоксидные смолы, иногда модифицированные феноло- или анилино-формальдегидными смолами или отверждающимися олигоэфирами. Высокопрочные пластмассы с термостойкостью до 200 °С производят, сочетая стеклянные волокна или ткани с отверждающимися олигоэфирами, феноло-формальдегидными или эпоксидными смолами. В производстве изделий, длительно работающих при 300 °С, применяют стеклопластики или асбопластики с кремнийорганическим связующим; при 300—340 °С — полиимиды в сочетании с кремнезёмными, асбестовыми или углеродными волокнами; при 250—500 °С в воздушной и при 2000—2500 °С в инертной средах — фенопласты или пластики на основе полиамидов, наполненные углеродным волокном и подвергнутые карбонизации (графитации) после формования изделий. Высокомодульные пластмассы [модуль упругости 250—350 Гн/м2 (25 000—35 000 кгс/мм2)> производят, сочетая эпоксидные смолы с углеродными, борными или монокристаллическими волокнами. Монолитные и лёгкие пластмассы, устойчивые к вибрационным и ударным нагрузкам, водостойкие и сохраняющие диэлектрические свойства и герметичность в условиях сложного нагружения, изготавливают, сочетая эпоксидные, полиэфирные или меламино-формальдегидные смолы с синтетическими волокнами или тканями, бумагой из этих волокон.

Наиболее высокие диэлектрические свойства (диэлектрическая проницаемость 3,5—4,0) характерны для материалов на основе кварцевых волокон и полиэфирных или кремнийорганических связующих.

Дата добавления: 2015-08-01 ; просмотров: 3756 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Полимеры и их особенности

Полимеры и их особенности

полимер реакция химический

Полимемры (греч. рплэ- – много; мЭспт – часть) – неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер – это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико (в ином случае соединение будет называться мономером) . Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются. Как правило, полимеры – вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей – реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвлённым, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трёхмерными структурами. В строении полимера можно выделить мономерное звено – повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (-СН2-CHCl-)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами. Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.(таня)

Особые механические свойства

эластичность – способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);

малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;

растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

Свойства и важнейшие характеристики. Линейные П. обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и плёнки; способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластическом состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трёхмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые П. нерастворимы, неплавкие неспособны к высокоэластическим деформациям. П. могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации – регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических П. возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов и др.), тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) П. менее выражены, чем в кристаллических.(женя)

Незакристаллизованные П. могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. П. с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние называются эластомерами, с высокой – пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства П. могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4-цис-полибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 С – эластичный материал, который при температуре – 60 С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жёстких цепей, при температуре около 20 С – твёрдый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластическое состояние лишь при 100 С. Целлюлоза – полимер с очень жёсткими цепями, соединёнными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластическое состоянии до температуры её разложения. Большие различия в свойствах П. могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол – кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 С, а нестереорегулярный (атактический) вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80 С.(катя)

П. могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических связей между макромолекулами (т. н. сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи; распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты (см. Деструкция полимеров); реакции боковых функциональных групп П. с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (т. н. полимераналогичные превращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливинилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций П. с низкомолекулярными веществами часто лимитируется скоростью диффузии последних в фазу П. Наиболее явно это проявляется в случае сшитых П. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими одной цепи. Некоторые свойства П., например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный П. из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи. Важнейшие характеристики П. – химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвлённости и гибкости макромолекул, стереорегулярность и др. Свойства П. существенно зависят от этих характеристик.(кирейкина).

Ссылка на основную публикацию