16.3. Использование вторичного сырья

Еще одно из направлений при производстве пластических масс – это использование вторичного сырья. Выработка 1 тысячи тонн вторичного полиэтилена из отходов требует значительно меньших капитальных вложений по сравнению с созданием новых производств первичного полиэтилена.

Если учесть объем ежегодно вывозимых на свалки отходов, в которых содержится около 1 % различных пластмасс, то получится, что ежегодно выбрасывается в стране от 400 до 600 тысяч тонн.

В СССР в 1980-1985 годах было использовано примерно 20 тысяч тонн бытовых полимерных отходов. Это позволило высвободить около 150 тонн первичных полимерных материалов.

Утилизировать полимерные отходы технически становиться все труднее, так как непрерывно улучшаются их свойства, повышается стойкость к окислению, горению, механической обработке.

Большинство пластических масс не гниет, не выветривается, не растворяется в воде. Расходы на уничтожение отходов пластических масс в 3-8 раз больше расходов на уничтожение большинства промышленных и бытовых отходов. Тем не менее опыт показывает, что вторичное использование многих полимерных отходов – полиэтилена, полистирола, поливинилхлорида и других возможно. Сейчас научились перерабатывать отходы в изделия, получать из отходов полезные компоненты. Вторичные ресурсы пластмасс используются при изготовлении труб, пленок, тары, жгута, санитарно-технических изделий, всевозможных втулок, горшков для цветов, детских игрушек и др. Из отходов поливинилхлорида выпускают линолеумную плитку для пола и гидрозащитную пленку для изоляции трубопроводов взамен жести. Научные изыскания в этом направлении ведутся учеными всего мира.

16.4. Классификация пластмасс

Пластическими массами (пластмассами) называют материалы, основу которых составляют природные или синтетические высокомолекулярные соединения. Они характеризуются значительной молекулярной массой, т.е. состоят из очень больших молекул, именуемых макромолекулами.

Высокомолекулярные соединения состоят из большого числа низкомолекулярных соединений (мономеров), связанных между собой силами главных валентных связей. Соединения, большие молекулы (макромолекулы) которых состоят из одинаковых структурных звеньев, называют полимерами. Макромолекулы полимеров могут иметь линейную форму, разветвленную и пространственную (сшитую).

Линейные макромолекулы (рис.16.1, а) имеют форму цепей, в которых атомы соединены между собой ковалентными связями. Отдельные цепи связаны межмолекулярными силами, в значительной степени определяющими свойства полимера. Полимеры с линейной структурой молекул хорошо растворяются, так как молекулы растворителя могут внедряться в промежутки между макромолекулами и ослаблять межмолекулярные силы.

Наличие в цепях разветвлений (рис.16.1, б) приводит к ослаблению межмолекулярных сил и тем самым к снижению температуры размягчения полимера.

Пространственные структуры (рис.16.1, в) получаются в результате химической связи (сшивки) отдельных цепей полимеров либо в результате поликонденсации или полимеризации. Большое значение для свойств этих полимеров имеет частота поперечных связей. Если эти связи располагаются сравнительно редко, то образуется полимер с сетчатой структурой. При частом расположении связей полимер становится практически не растворимым и неплавким.

Рис. 16.1. Схемы строения молекул полимеров

Полимеры в зависимости от расположения и взаимосвязи макромолекул могут находиться в аморфном (с неупорядоченным расположением молекул) или кристаллическом (с упорядоченным расположением молекул) состоянии. При переходе полимеров из аморфного состояния в кристаллическое повышаются их прочность и теплостойкость. Значительное влияние на полимеры оказывает теплота. В зависимости от поведения при повышенных температурах полимеры подразделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

В зависимости от расположения и взаимосвязи макромолекул полимеры могут находиться в аморфном и кристаллическом состояниях. Наличие кристаллической фазы у полимеров оказывает большое влияние на их физико-механические свойства. Так, при переходе полимера из аморфного в кристаллическое состояние повышается его прочность, теплостойкость. Существенное влияние на полимерные материалы оказывают воздействие на них теплоты. Под действием теплоты аморфные полимеры можно перевести из твердого (стеклообразного) состояния в высокоэластическое и вязкотекучее состояние (Рис. 16.2). Из диаграммы для аморфного полимера видно, что в низшем температурном интервале вещество находится в стеклообразном состоянии, т. е. деформация мала и увеличивается пропорционально температуре.

Выше температуры стеклования вещество переходит в высокоэластическое состояние, а выше температуры текучести вещество становится вязкотекучим. Температура стеклования характеризует теплостойкость полимерного материала.

Рис. 16.2. Термомеханическая кривая аморфного полимера: 1- зона стеклообразного состояния; 2- зона высокоэластичного состояния; 3- зона вязкотекучего состояния; -температура стеклования; температура текучести; - деформация.

Итак, две точки на термомеханической кривой ( ) характеризуют температурные области, соответствующие трем физическим состояниям полимера. Эти температуры являются важнейшими характеристиками, позволяющими назначать температурные интервалы формования деталей из полимеров.

Термомеханические кривые для кристаллических полимеров имеют иной, чем для аморфных полимеров, вид. Отдельные полимеры с увеличением температуры разлагаются, не переходя в вязкотекучее состояние.

Пластмассы в зависимости от поведения при повышенных температурах подразделяются на две основные группы: термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопласты (полиэтилен, капрон, винипласт, полистирол, фторопласт, органическое стекло и др.) размягчаются и плавятся при повышении температуры и вновь затвердевают при охлаждении. Переход термопластов из твердого или высокоэластичного состояния в вязкотекучее и обратно может происходить неоднократно без изменения их химического состава, что имеет решающее значение при выборе способов переработки термопластов.

Реактопласты (текстолиты, прессматериалы, стеклопластики и др.) при нагревании легко переходят в вязкотекучее состояние, но с увеличением продолжительности действия повышенных температур в результате химической реакции переходят в твердое состояние. Отвердевшие реактопласты нельзя нагревом вновь перевести в вязкотекучее состояние. Термореактивные смолы (полиэфирная, эпоксидная) относятся к числу самотвердеющих при комнатной температуре. При введении небольшого количества отвердителя они переходят в твердое состояние. Это также сказывается на технологию получения пластмассовых деталей.

Поведение термопластов и реактопластов под действием теплоты имеет решающее значение при технологическом процессе переработки пластмасс.

Пластмассы разделяют на жесткие, имеющие незначительное относительное удлинение и называемое пластиками, и легкие, обладающие большим относительным удлинением и малой упругостью и называемые эластиками.

Конструкционные пластмассы в зависимости от показателей механической прочности подразделяют на три основные группы: низкой, средней и высокой прочности.

В зависимости от числа компонентов все пластмассы подразделяют на простые и композиционные. Простые (полиэтилен, полистирол и т.д.) состоят из одного компонента – синтетической смолы; композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) – из нескольких составляющих, каждая из которых выполняет определенную функциональную роль. В композиционных пластмассах смола является связующим для других составляющих. Свойства связующего во многом обусловливают физико-механические и технологические свойства пластмассы. Содержание связующего в пластмассах достигает 30-70 %.

Помимо связующих, в состав композиционных пластмасс входят следующие материалы:

1 – наполнители различного происхождения, которые вводят для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости композиции; органические накопители – древесная (асбестовая, кварцевая и др.) мука, хлопковые очесы, целлюлоза, хлопчатобумажная ткань, бумага, древесный шпон и др.; неорганические – графит, асбест, кварц, стекловолокно, стеклоткань и др.

В присутствии наполнителя повышается твердость изделий, иногда диэлектрические свойства, снижается расход полимера до 50 %. Без наполнителя усадка термореактивных полимеров доходит до 10-18 %;

2 – пластификаторы (дибутилфталат, касторовое масло и др.), которые увеличивают эластичность, текучесть, гибкость и уменьшают хрупкость пластмасс;

3 – смазывающие вещества (стеарин, аминовая кислота и др.), которые увеличивают текучесть, уменьшают трение между частицами композиции, устраняют прилипание к пресс-формам;

4 – катализаторы (известь, магнезия и др.), ускоряющие отвердение пластмасс;

5 – красители (сурик, мумия, нигрозин и др.), придающие пластмассам нужный цвет. Для придания желаемого декоративного вида в полимер добавляют краситель или замутнитель.

При изготовлении газонаполненных пластмасс (поро- и пенопластов) в полимеры вводят газообразователи – вещества, которые разлагаются при нагревании с выделением газообразных продуктов.

Конструкционные пластмассы в зависимости от показателей механической прочности подразделяют на три основные группы: низкой, средней и высокой прочности.

В зависимости от методов переработки пластические массы делятся на литьевые (термопласты), штамповочные (как правило листовые термопласты) и прессовочные (термореактивы или отверждаемые составы).