Полимеры и пластмассы. Их классификация и способы получения.

Пластмассыматериалы, синтезированные из органических веществ (в основном из нефти и газа) при помощи химического превращения, называемого синтезом.

Обязательными компонентами пластмасс являются:

• связующее вещество (синтетические смолы или эфиры целлюлозы);

• наполнитель, который снижает усадку при прессовании и увеличивает механические свойства.

По виду наполнителя пластмассы подразделяют на:

1. Порошковые (карбониты) с наполнителем в виде древесной муки, талька, графита.

2. Волокнистые (волокниты) с наполнителями в виде очесов хлопка, льна, асбеста (асбоволокниты), стеклянного волокна (стекловолокниты).

3. Слоистые, содержащие листовые наполнители.

4. Газонаполненные, с наполнителем в виде воздуха или нейтральных газов.

Все пластмассы имеют общие типичные свойства, которые обуславливают их применение:

• низкую плотность (0,9-2,2 кг/дм³);

• различие в механических свойствах (от твердых, жестких до мягких, вязких и резиноподобных);

• способность легко формоваться, окрашиваться и вспениваться;

• тепло-, хладо- и электроизоляционные свойства;

• устойчивость к коррозии и воздействию химических веществ.

Применение пластмасс ограничено из-за их невысокой теплостойкости, горючести.

Последовательность получения пластмасс можно разделить на две стадии:

1. Из исходного сырья путем химических превращений получают реакционноспособный полупродукт, состоящий из отдельных молекул (мономер).

2. В ходе химической реакции мономерные молекулы объединяются в многозвенные макромолекулы (полимеры).

Большинство пластмасс состоит из макромолекул, где главным элементом является углерод, а также присутствуют атомы H₂, O₂, N₂, F, Cl.

Второй этап в получении пластмасс осуществляется тремя различными реакциями.

1

Этилен Полиэтилен

). Полимеризация. Макромолекулы образуются соединением молекул мономеров одного вида с раскрытием двойной связи.

В процессе полимеризации образуются линейные макромолекулы не соединенные друг с другом (полипропилен, полистирол, поливинилхлорид). Межмолекулярные связи таких пластмасс значительно уменьшаются при повышении температуры. При комнатной температуре эти пластмассы твердые, при повышенной – пластичные, при высокой – жидкие. Температурных точек перехода между агрегатными состояниями не существует, то есть переход является плавным.

Линейные макромолекулы могут располагаться либо в виде беспорядочно проникающих друг в друга клубков (такое состояние называется аморфным); либо на некоторых участках макромолекулы располагаются параллельно друг другу (такое состояние называется аморфнокристаллическим). При аморфном расположении пластмассы стеклообразные, прозрачные и хрупкие; при параллельном расположении – молочно-мутные, более термостойкие.

2

1 мономер 2 мономер Полимер

). Поликонденсация. Таким способом соединяются молекулы двух различных мономеров с образованием макромолекул и низкомолекулярного вещества (воды, аммиака).

В предварительной форме образующийся полимер смолообразный, жидкий. В процессе первичной переработки при добавлении отвердителя макромолекулы сшиваются и образуют трехмерную жесткую структуру. При нагреве такие пластмассы незначительно меняют свое состояние и сохраняют структуру до термического разрушения (полиэфирная смола, полиамиды, феноло-формальдегидная смола).

3

Образование полиуретана

). Полиприсоединение. Таким способом соединяются одинаковые или разные молекулы мономеров в макромолекулы без выделения побочного продукта.

В предварительной форме образовавшийся продукт жидкий. При добавлении отвердителя линейные макромолекулы сшиваются с образованием пространственной густосшитой сетки (полиуретановые, эпоксидные смолы).

В переработке пластмасс важнейшим показателем является их прочность при нагреве. По изменению прочности пластмассы делятся на три группы: термореактивные пластмассы, термопластичные пластмассы и эластомеры.

Термопласты состоят из несшитых макромолекул. При комнатной температуре они эластичные или жесткие; при нагреве до 100С они становятся мягкими; при дальнейшем увеличении температуры они размягчаются, плавятся и затем разлагаются (полипропилен, полиэтилен, полиамид, поликарбонат, политетрафторэтилен, он же тефлон).

Термореактивные пластмассы состоят из густосетчатых, соединенных макромолекул. При комнатной температуре они твердые и жесткие; при небольшом нагреве их механические свойства меняются незначительно из-за сшитой микроструктуры; при дальнейшем увеличении температуры они не размягчаются и не плавятся, а разлагаются (полиэфирная, эпоксидная, полиуретановая, силиконовая смолы, текстолит, гетинакс, древеснослоистые пластики).

Эластомеры содержат редкосетчатые макромолекулы. Эти пластики под воздействием внешних сил могут удлиняться более чем на 100%, а после снятия нагрузки – принимать исходный размер и форму (бутадиеновый, этиленпропиленовый, хлоропреновый каучуки, кремнийорганический фторкаучук).

Газонаполненные пластмассы – гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Структура таких пластмасс образована твердым полимером (термореактивным или термопластичным), который образует стенки ячеек с распределенной в них газовой фазой (наполнителем).

В зависимости от физической структуры газонаполненные пластмассы делят на: пенопласты, поропласты и сотопласты.

Пенопласты – материалы с ячеистой структурой, в которой газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего материала (термопластичные – пенополистирол, пенополивинилхлорид; термореактивные – пенополиуретан, поролон).

Поропласты – губчатые материалы с открытой структурой, в которой газообразные включения сообщаются между собой.

Сотопласты изготовлены из тонких листовых материалов, которым сначала придается вид гофра, а затем листы гофра склеиваются с образованием сотовой структуры. Материалами для сотопластов служат различные ткани, которые пропитываются полимерными связующими (полиамидными, феноло-формальдегидными смолами).

Идентификация пластмасс (принадлежность к тому или иному виду) проводится в несколько этапов:

1. Оценивается внешний вид пластмассы (без красителя) и состояние поверхности (твердая, блестящая, гладкая, вязкая, кожеподобная).

2. Оцениваются общие механические свойства.

3. Оценивается поведение образца при медленном нагреве в пробирке (плавится или разлагается).

4. Оценивается реакция дыма (через лакмусовую бумажку): кислая или щелочная.

5. Оценивается огнестойкость в малом пламени (не воспламеняется, горит, обугливается).

6. Оценивается цвет и вид пламени (яркое, с зеленой каймой, искрится, коптит).

7. Оценивается запах дыма (парафиновый, запах жженой бумаги, резкий).

Обработка пластмасс. Для ручной резки пригодны как тонкие, так и толстые пластмассы. Для машинной обработки резанием пригодны только твердые пластмассы. При обработке резанием следует учитывать, что они менее теплопроводны, чем металлы и тепло в процессе обработки отводится плохо. Поэтому, обработку резанием проводят при охлаждении: термопластичные пластмассы охлаждают водой или маслом; термореактивные – сжатым воздухом.

Горячая обработка давлением возможна только для термопластичных пластмасс, так как термореактивные пластмассы при высоких температурах теряют форму и разлагаются. Сварка применима только для термопластичных пластмасс.