7.2. Термопластичные полимеры и материалы на их основе

Объемы производства полимерных материалов на основе высокомолекулярных линейных полимеров различного химического состава существенно превосходят объемы производства реактопластов. В производстве изделий автомобилестроения основная доля также приходится на термопластичные полимеры, что обусловлено целым рядом их преимуществ: высокой технологичностью, стойкостью к ударным нагрузкам, эластичностью, химической стойкостью и т.п. Кроме того, термопласты выгодно отличаются от реактопластов тем, что в них макромолекулы и структура полностью формируются при получении полимера, а затем материал перерабатывается в готовое изделие, что обеспечивает высокую стабильность эксплуатационных свойств.

Большинство термопластов производят в виде гранул и порошков, но наиболее удобны для переработки гранулы. Гранулированные материалы представляют собой сравнительно однородные по размерам и форме частицы, которые могут иметь форму цилиндра, шара, чечевицы, куба и т.п. Оптимальный размер гранул зависит от вида материала и метода его переработки.

Лидирующее положение среди термопластов занимают полиолефины, к которым относятся полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, а также их многочисленные сополимеры. Благодаря удачному сочетанию в полиолефинах высоких физико-механических и диэлектрических свойств, химической стойкости и технологичности, а также относительно невысокой стоимости и доступности исходного сырья они занимают первое место по валовому выпуску среди других термопластов (35 % мирового производства).

Полиэтилен

В промышленных масштабах применяются два основных способа получения полимера: высокого (низкой плотности) и низкого (высокой плотности) давления. Основные свойства полиэтилена в значительной степени определяются способами и режимами получения, а молекулярная масса может меняться от десятка тысяч до нескольких миллионов.

Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) получают радикальной полимеризацией этилена при высоком давлении (100 – 250 МПа) и температуре 200°С. Отличительной особенностью полимера является наличие сравнительно большого числа ответвлений в полимерной цепи (20 - 30 ответвлений на 1000 мономерных звеньев). Ответвления препятствуют плотному расположению и кристаллизации макромолекул, и вследствие этого ПЭВД характеризуется сравнительно невысокой степенью кристалличности (30 – 40 %) и плотностью (0,90 - 0,94 Мг/м³). ПЭВД выпускают без добавок (базовые марки) и в виде композиций на их основе со стабилизаторами и другими добавками в окрашенном и неокрашенном виде высшего, первого и второго сортов. Выпускают ПЭВД следующих марок: 11304-040, 11503-070, 11603-070, 11803-070, 12003-200, 12103-200, 15303-003, 17504-006, 18003-035 и т.д. В обозначении марок первая цифра 1 – полимеризация протекает при высоком давлении; вторая и третья – порядковый номер марки; четвертая – степень гомогенизации (0 - без гомогенизации, 1 – гомогенизация в расплаве); пятая – группа плотности; последние три цифры указывают десятикратное значение показателя текучести расплава.

Полиэтилен низкого давления (ПЭНД) получают суспензионным и газофазным методами полимеризации этилена при низком давлении (до нескольких МПа) и температуре (40 - 70°С). Разветвленность макромолекул сравнительно невысока (3 - 4 ответвления на 1000 звеньев), что обусловливает высокую степень кристалличности (60 - 85 %) и повышенную плотность (0,95 - 0,97 Мг/м³) полимера.

Суспензионный полиэтилен низкого давления выпускают без добавок (базовые марки) и в виде композиций на их основе со стабилизаторами, красителями и другими добавками. Газофазный полиэтилен выпускают в виде композиций со стабилизаторами. Базовые марки суспензионного ПЭНД выпускают в виде порошка, а композиции суспензионного и газофазного - в виде гранул размером 2 – 5 мм в любом направлении. На основе ПЭНД выпускаются композиции различных марок: 270-76, 271-70, 272-74, 272-75, 273-71, 274-73 и т.д. В обозначении: первая цифра означает, что процесс полимеризации протекает при низком давлении, вторая и третья – номер базовой марки, последние две цифры указывают номер рецептуры композиции.

Основной причиной, вызывающей различие в свойствах ПЭВД и ПЭНД, является разветвленность макромолекул. Чем больше разветвленность цепи, тем выше эластичность, ниже кристалличность, плотность, прочность, твердость и температура плавления. Например, для линейного полимера с высокой степенью кристалличности температура плавления составляет 136 - 138°С. С ростом разветвленности и, следовательно, снижением степени кристалличности она понижается и для ПЭВД находится в интервале 115 - 120°С.

ПЭ отличается высокими прочностными и электроизоляционными свойствами, химической стойкостью, небольшой теплопроводностью, большим коэффициентом термического расширения, нагревостойкостью до 105 - 130°С. В тонких пленках обладает большой гибкостью, эластичностью и достаточной прозрачностью, а в толстых листах приобретает жесткость и имеет опаловый цвет. ПЭ хорошо совмещается с каучуками и многими полимерами, легко перерабатывается всеми методами, используемыми для переработки термопластов.

Недостатки ПЭ: старение под действием солнечного света, ползучесть, горючесть и сравнительно невысокая рабочая температура.

Полиэтиленовые пленки выпускаются толщиной 0,03 - 0,30 мм, шириной 1400 мм и длиной до 300 м, листы – толщиной 1 – 6 мм и шириной до 1400 мм. Их применяют в качестве электроизоляционных материалов. Трубы из полиэтилена характеризуются легкостью, коррозионной стойкостью, гибкостью и морозостойкостью.

Выпускаются также композиции полиэтилена с минеральными наполнителями, сополимеры этилена с пропиленом (СЭП) и винилацетатом (сэвилен). Полиэтилен широко используется для получения новых видов полимеров, которые образуются в результате химических превращений (хлорирования, сульфохлорирования, фосфохлорирования и т.п.).

В настоящее время налажено производство сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) линейной структуры с длинными цепями, не имеющими боковых ответвлений, и молекулярной массой 1,5 - 10,5 млн. СВМПЭ отличается высокой трещинностойкостью, ударной прочностью, низким коэффициентом трения, стойкостью к истиранию. Например, по абразивостойкости СВМПЭ превосходит углеродистую сталь.

Полиэтилен применяется для изготовления технических деталей (крышек, колпачков, рукояток, баков для топлива, масел, тормозной жидкости и аккумуляторов). Значительная часть полиэтилена используется для производства пленок, листов, волокон, шлангов, труб, изоляции проводов и кабелей.