Основные свойства пластических масс. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

________________________________________

ФГБОУ ВО « ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ »

____________________________________________________________________________________

М. С. ЩЕРБАКОВА, А. С. КАЗАКОВА, Н. Ю. САННИКОВА

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2024

1

УДК 678.5(075.8) ББК: Л 710.5 я7

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

2

ОТ АВТОРОВ

В настоящее время в России отмечается интенсивный рост как производства пластмасс, так и выпуска изделий из них. В связи с этим остро необходима справочно-методическая литература, позволяющая оценить свойства материалов и выбрать наиболее подходящие из них. Учебное пособие содержит не только справочные данные и стандартизованные свойства пластических масс , такие как термостабильность, прочность, удлинение при разрыве, устойчивость к воздействиям химических веществ, электрические свойства, цветовые характеристики и .др, но и учебнометодические сведения, облегчающие студентам обоснованный выбор материала.

Справочные данные, собранные целенаправленно в одном пособии, позволяют рационализировать работу, правильно выбрать материалы. Пособие будет полезно студентам профильных специальностей высших учебных заведений, а также преподавателям в связи с постоянно растущим противоречием между расширяющимся диапазоном методов производства и переработки, применяемых в промышленности, и остающимся прежним или даже сокращающемся числом учебных часов на их изучение, что приводит к необходимости тщательного отбора материала для учебного курса.

3

ГЛАВА 1. ПОЛИОЛЕФИНЫ

Полиолефины представляют собой самый распространенный тип полимеров, получаемых реакциями полимеризации и сополимеризацииэтилена и α-олефинов (пропилена, бутилена, 4-метилпентена).

1.1. Полиэтилен и сополимеры этилена

Полиэтилен – термопластичный ненасыщенный полимерный углеводород, молекулы которого состоят из этиленовых звеньев – СН2 – СН2 – (ПЭ).

Торговое название: ПЭВД, полиэтилен низкой плотности (РФ), алкатон, петротен, дайлан (США), алкатен (Великобритания), луполен, хостален LD, стафлен (Япония), фертрен (Италия). ПЭНД, полиэтилен высокой плотности(РФ), ги-факс, супердайлан, бакелит (США), карлон (Великобритания), хостален G (Германия), монлен (Италия), манолен (Франция), хейжекс (Япония). ПЭСД, фортифлекс, грэкс, марлекс (США).

Химические свойства по аналогии с парафинами(насыщенные углеводороды – алканы).

В зависимости от метода получения свойства ПЭ– непрозрачного в толстом слое полимера, без запаха и вкуса – заметно изменяются (табл.1), особенно это проявляется в плотности, температуре плавления (Тпл), твердости, жесткости и прочности. Эти показатели возрастают в ряду: ПЭВД<ПЭНД<ПЭСД. Основной причиной, вызывающей различия в свойствах ПЭ, является разветвленность макромолекул: чем больше разветвлений в цепи, тем выше эластичность и больше кристалличность полимера. Наряду с кристаллической фазой всегда имеется аморфная, содержащая недостаточно упорядоченные участки макромолекул. Соотношение этих фаз зависит от способа получения ПЭ и условий его кристаллизации.

4

Главной особенностью молекулярной структуры ПЭНП (ПЭВД) – разветвленность строения, что является причиной образования рыхлой аморфно-кристаллической структуры, и, как следствие, уменьшение плотности полимера.

5

расстоянии 50 углеродных атомов друг от друга. Реже возможно образование макромолекул с длиной боковых цепей, сопоставимой с длиной основной цепи. Макромолекула ПЭВД имеет конформацию статистического клубка. Наличие разветвлений ограничивает степень кристалличности (менее 55–60 %). Высокая скорость кристаллизации делает величину степени кристалличности и, следовательно, свойства ПЭ мало зависящими от режимов охлаждения. Температура деструкции – 320 °С. При перегреве возможно сшивание ПЭ, приводящее к образованию «геликов».

Структурная особенность ПЭВП (ПЭСД, ПЭНД) состоит в линейности его молекулярного строения. В макромолекулах данного полимера содержится меньшее по сравнению с ПЭВД количество коротких боковых ответвлений, которые располагаются друг от друга на расстоянии примерно250–1000 углеродных атомов основной цепи. Поэтому содержание кристаллической фазы

вПЭВП достигает 80 %, она имеет развитую морфологию (пачки, фибриллы, ламели, сферолиты).

Впроцессе кристаллизации в ПЭВП образуются надмолекулярные кристаллические структуры– в основном сферолиты диаметром от 1 до 20 мкм (в случае ПЭНП такие образования не превышают 10 мкм). Размер сферолитов существенно зависит от скорости и равномерности охлаждения изделий. При растяжении

вполе механических сил сферолитная структура твердого термопласта трансформируется в фибриллярную, ориентированную в

режима формования.

ПЭВП относятся к кристаллизующимся полимерам. Благодаря большей, чем в аморфной фазе, плотности упаковки макро-

молекул в кристаллах повышается и физическая плотность ПЭВП. Соответственно изменяются характеристики. Существенно возрастают деформационно-прочностные характеристики, по

значениям которых ПЭВП приближается к конструкционным пластмассам, увеличивается температура размягчения и температура кристаллизации (плавления), растет модуль упругости и твердость.

6

При повышении температуры кристалличность уменьшается, и около 115 °С ПЭ становится полностью аморфным.

Так как ПЭ является неполярным полимером, он не смачиваетсяи плохо проницаем для воды и других полярных жидкостей, однако для паров неполярных жидкостей его проницаемость возрастает.

При комнатной температуре он не растворяется в органических растворителях. Лишь при повышенных температурах (70 °С и выше) он сначала набухает, а затем растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах. Лучшими растворителями являются ксилол, декалин, тетралин. При охлаждении растворов ПЭ выпадает в виде порошка.

Масла, жиры и нефтяные углеводороды практически не действуют на ПЭ, полимер высокой плотности проявляет к ним большую стойкость, чем полимер низкой плотности.

ПЭ устойчив к действию концентрированных кислот, щелочей и их водных растворов, а также к воздействию водных растворов солей. Концентрированные серная и соляная кислоты практически не действуют на ПЭ, но при температурах выше 60 °С серная и азотная кислоты быстро его разрушают.

Кратковременная обработка (например, хромовой смесью) приводит к окислению поверхности и смачиванию водой, полярными жидкостями и клеями. В этом случае изделия из ПЭ можно склеивать. Без изменения полярности его поверхности ПЭ только сваривается с помощью горячего воздуха (азота).

Окисление ПЭ кислородом воздуха под влиянием нагревания и воздействия солнечного света, приводящее к ухудшению физико-механических и диэлектрических свойств, в значительной степени предотвращается введением стабилизаторов. Введение в ПЭ антиоксидантов, например аминов (до 0,1 %), противодействует его старению, не снижая заметно технических свойств полимера. Задерживает старение также и добавка 2–3 % сажи, часто применяемой в качестве стабилизатора.

При обработке ПЭ радиоактивным излучением происходит частичная сшивка молекул, причем повышается теплостойкость ПЭ, но снижается его эластичность и ударная вязкость.

7

Механические показатели ПЭ возрастают с увеличением плотности (степени кристалличности) и молекулярной массы. ПЭ устойчив к ударным нагрузкам. Он эксплуатируется в пределах температур минус 80 до плюс 60 °С (ПЭНП) и до 100 °С (ПЭВП). Сохраняет свои эластические свойства до минус70 °С. Без доступа кислорода ПЭ устойчив до 290 °С.

По электрическим свойствам ПЭ, как неполярный полимер, относится к высококачественным высокочастотным диэлектрикам. Наличие остатков катализатора, особенно при изменении температуры, ухудшают изоляционные свойства.

Полиэтилен, наряду с широким комплексом положительных, обладает и рядом недостатков: старение при действии солнечного света; ползучесть (развитие деформации при длительном воздействии статических нагрузок); образование трещин в изделиях, находящихся длительное время в напряженном состоянии; невысокая рабочая температура(невозможность термической стерилизации); недостаточная механическая прочность; в ряде случаев недостаточная химическая стойкость; горючесть; непрозрачность; способность накопления электростатических зарядов.

В названии базовых марок содержится восемь цифр. Первая цифра указывает на способ производства: 1 – высокое давление при полимеризации; 2 – синтез при низком давлении, а значит с использованием металлоорганических катализаторов. Для ПЭНП (ПЭВД) две последующие цифры обозначают метод производства базовой марки. При использовании автоклавного метода порядковые номера от 01 до 49, при методе с использованием трубчатого реактора – от 50 до 99. Для ПЭВП (ПЭСД, ПЭНД) вторая и третья цифра обозначают номер базовой марки: от 1 до 10. Четвертая цифра для ПЭ указывает на способ усреднения полимера: холодным смешением – 0, в расплаве – 1. Пятая цифра обозначает группу плотности. Цифры, расположенные после тире, соответствуют удесятеренному значению среднего показателя текучести расплава полимера.

Например, обозначение марки ПЭ 15803-020 принадлежит ПЭНП (1), полученному при синтезе в трубчатом реакторе(58), усредненному холодным перемешиванием гранул (0) и с плотно-

8

стью третьей группы (3), то есть 917–921 кг/м3. Показатель текучести расплава этой марки составляет 2 г/10 мин.

Композиции на основе базовых марок обозначаются иначе. Первые три цифры показывают базовую марку(без ее расшифровки), а цифры после тире– номер рецептуры добавки. Например, 153-171 – композиция, приготовленная на основе базовой марки 153, то есть ПЭВД (1), синтез в трубчатом реакторе(53), номер рецептуры добавки 171 самозатухающая, стойкая к термофотоокислительному старению.

Построение марки композиций на основе ПЭВП такое же, как и для ПЭНП. Например, марка 203-23 представлена на основе суспензионного ПЭНД (2) и базовой марки 03 с добавкой 23, придающей антикоррозионные свойства и стойкость к свето- и термоокислительной деструкции.

Газофазный ПЭВП (2) обозначается базовыми марками 71 – 77, а композиции на его основе цифрами номеров после тире. Например, марка 273-81 обозначает композицию на основе газофазного ПЭНД (273) с термостабилизатором (81) черного цвета, обеспечивающим повышенную стойкость к старению при эксплуатации.

Комплекс физико-механических, химических и диэлектрических свойств ПЭ позволяет широко применять его во многих отраслях промышленности: кабельной, радиотехнической, химической, легкой, медицине и др.

Сополимеры этилена с пропиленом (СЭП) обладают повышенной устойчивостью к растрескиванию, большей эластичностью при высокой механической прочности, стойкостью к воздействию агрессивных сред, тепло- и морозостойкостью (температура хрупкости отминус15 до минус 40 °С) и высокими диэлектрическими свойствами

Отвечает за твердость

9

Технические сополимеры пропилена являются кристаллическими. Чем больше в исходной смеси пропилена, тем эластичнее получается полимер. С увеличением содержания пропилена более 30 % образуются аморфные каучукоподобные продукты. Так, при равном содержании компонентов в реакционной смеси образуются продукты, получившие название этиленпропиленовых каучуков. Применение: в кабельной промышленности и для изготовления изделий методами литья под давлением, экструзии и выдувания.

Сополимеры этилена с винилацетатом(СЭВА или СЭВИЛЕН). Получают радикальной полимеризацией под давлением. Они содержат 10–60 % ВА. СЭВА характеризуется повышенной прозрачностью, нетоксичностью, устойчивостью к старению и стабильностью при переработке

Сополимеры имеют высокую прочность и эластичность, особенно при низких температурах. СЭВИЛЕН хорошо растворяется в кетонах, ароматических и хлорированных углеводородах.

Плотность СЭВИЛЕНа нарастет по мере увеличения - со держания ВА. СЭВИЛЕН, содержащий 40–60 % масс. ВА, является каучукоподобным, мягким и клейким.

полярность системы (ее аморфность). Полярный характер винилацетатной группы повышает адгезию сополимера к различным материалам. С повышением содержания винилацетата кристалличность, прочность при растяжении, твердость, теплостойкость уменьшаются, в то время как плотность, эластичность, прозрачность и адгезия увеличиваются.

Применение СЭВИЛЕНа определяется содержанием ВА.Основное его назначение: листы, трубы, медицинские и фармацевтические товары. Хорошая совместимость СЭВИЛЕНа с

10