11. Способы идентификации пластмасс

Цель занятия - изучить способы идентификации пластмасс, применяемых для изготовления различных изделий промышленного и бытового назначения.

Задачи:

изучить различия пластмасс, связанные с технологией их получения;

изучить признаки, по которым можно различать пластмассы органолептическим методом;

изучить признаки, по которым можно идентифицировать пластмассы по поведению в присутствии тепла и открытого пламени;

изучить способы санитарно-гигиенической оценки пластмасс;

приобрести практические навыки исследования свойств и идентификации пластмасс в лабораторных условиях.

11.1. Свойства пластмасс

Пластмассы стали известны людям только в начале ХХ в. Сначала химики передали в промышленное производство пластмассы, полученные из натуральных веществ, уже существовавших в природе: целлулоид(из эфиров целлюлозы) игалалит(из белковых веществ). Затем стало налаживаться и расширяться производство синтетических смол и пластмасс на их основе. В 1905-1914 гг. начали выпускатьфенопласты, в 20-х г. -аминопласты, в 30-х г.полистирол,поливинилхлорид,полиметилметакрилат(оргстекло). Вскоре оказалось, что синтетические смолы и пластмассы на их основе по своим свойствам существенно превосходят пластмассы на основе натуральных веществ, поэтому выпуск галалита почти прекратился (сегодня из него вырабатываются в небольшом количестве пуговицы для верхней одежды), производство целлулоида значительно сократилось.

Производство пластмасс развивалось высокими темпами. Но особого расцвета оно достигло в последние 50 лет. Так, в 20-х г. мировоепроизводство синтетических смол и пластмасс составляло всего несколько десятков тысяч тонн, к началу 60-х г. оно достигло 10 млн. т, к началу 70-х - превысило 20 млн т. В 1990 г.только в нашей страневыработано синтетических смол и пластмасс на их основе около 7 млн т.

В наши дни пластмассы успешно конкурируют с другими конструкционными материалами - металлами, древесиной, картоном, бумагой, резиной и стеклом;

существенно расширились сферы их применения в народном хозяйстве.

На трубных заводах страны освоено производство стальных труб для транспортирования нефти и нефтепродуктов, защищённых с внешней и внутренней стороны слоем пластмассы. Начато и активно развивается производство сварных полиэтиленовых труб для нужд нефтяных предприятий. Стало обычным явлением, что резьбовые концы труб нефтяного назначения (бурильных, обсадных, насосно-компрессорных) защищаются от механических воздействий при перевозке и хранении пластмассовыми колпачками и втулками вместо аналогичных деталей из древесины. Систематически расширяется номенклатура изделий и узлов запорной и регулирующей арматуры магистральных и промысловых трубопроводов, в которых вместо деталей из чугуна, стали и бронзы применяются конструктивные элементы (клапаны, втулки, уплотнения и пр.), изготовленные из полиэтилена, полипропилена, полистирола, а также подшипниковые узлы, изготовленные из фторопласта. Сегодня уже просто невозможно себе представить, чтобы щитовой или переносной измерительный, контролирующий прибор был изготовлен без применения широкой гаммы пластмасс: корпус из фено- или аминопласта; "стёклышки" из прозрачного, а другие корпусные детали из цветного ударопрочного полистирола; втулки, прокладки из полиэтилена; амортизаторы, гасители колебаний и вибраций из вспененного полистирола; подшипники из фторопласта и т.д.

Освоено производство и стремительно нарастает объём применения разнообразных пластмассовых изделий (трубы, воронки, фитинги, ёмкости для хранения и транспортирования жидких и порошкообразных продуктов и т.п.) в химической промышленности. Причём замена стеклянных изделий пластмассовыми стала экономически выгодной.

Объём применения пластмасс в производстве деталей и узлов легковых автомобилей, самолётов сегодня уже измеряется не сотнями и тысячами единиц, а долей от общей массы изделия.

Неизмеримо возросло применение пластмасс в производстве товаров народного потребления: одежды и трикотажа – с использованием синтетических нитей (капрон, лавсан, полиэстер и др.); обуви – из искусственных кож; строительных и отделочных материалов, линолеума, мебели – с использованием синтетических смол и изготовленных на их основе конструкционных материалов; бытовых машин и приборов – с применением широкого спектра пластмасс (фенопласт, аминопласт, полипропилен, полистирол, винипласт и др.).

Широко применяются пластмассы в электротехнике (для изоляции проводов и шнуров), в радио и электронике, в медицине, в ракетостроении и космонавтике.

Широкому распространению пластмасс в народном хозяйстве способствует комплекс положительных свойств, которыми они обладают.

Во-первых, для переработки пластмасс, придания изделиям требуемой формы можно применять разнообразные технологические процессы и операции. Их можно прессовать, выдавливать, штамповать из листа и выдувать, склеивать и сваривать, прокатывать до плёнок малой толщины, обтачивать на металлорежущих станках, вырубать. При этом легко меняются цвет и форма изделий. Используя синтетические смолы, удалось получить совершенно новый класс материалов - искусственные кожи и нетканое полотно (без дополнительной основы или с тканевым подслоем), материалы для тепло- и звукоизоляции.

Во-вторых, коэффициент использования материала при переработке пластмасс в изделия достигает 95-98%, т.е. это почти безотходная технология. Для сравнения: при механической обработке металлов с пользой расходуется от 20 до 60%, а при изготовлении литьём - от 60 до 80% металла. Причём технологические процессы переработки пластмасс характеризуются низкой трудоёмкостью и выгодны экономически.

В-третьих,важнейшимидостоинствамипластмасс являются ихлёгкость, достаточно высокаяудельнаямеханическая прочность,химическая стойкость,малая теплопроводность,высокие диэлектрические свойства,хороший внешний вид, а в ряде случаев -высокая прозрачность. Среди многочисленных разновидностей пластмасс сегодня можно найти материал, пригодный практически для любых условий работы: в промышленности, на транспорте, в быту, в медицине. Весьмаважным их преимуществом в сравнении с металлами являетсявысокая стойкость к действию воды и многих химических реагентов(растворов солей, кислот, щелочей). Это обеспечивает пластмассам широкое применение в общем и химическом машиностроении не только в качестве конструкционного материала, но и как средства защиты от коррозии.

Способность многих пластмасс окрашиваться практически в любой цвет и обеспечивать на поверхности любую требуемую фактуру (гладкую блестящую или матовую, волнообразную, с гравированным рисунком, ворсистую), а также воспринимать металлические покрытия (наносимые напылением, гальваническим способом), позволила широко использовать их в строительстве, для изготовления художественно-декоративных изделий (например напоминающих медную чеканку) и даже для имитации драгоценных камней, перламутра и т.д.

Но они имеют и ряд существенных недостатков, сужающих сферу их применения или делающих это применение невозможным. В ряде случаев онинедостаточно теплостойки; имеют невысокую механическую прочность и твёрдость, из-за чего легко ломаются, царапаются;обладают большим коэффициентом термического расширения, что иногда может привести к разгерметизации, разрушению сложных по конструкции изделий, изготовленных путём сочетания пластмасс с разными материалами (металлами, древесиной, стеклом). Некоторые пластмассымогут выделять содержащиеся в них ядовитые вещества и портить продукты питания, оказавшиеся с ними в контакте, отравлять атмосферу жилых и рабочих помещений, испаряясь из материалов, использованных для изготовления предметов интерьера (например испарение формальдегида из мебели); или могут стать причиной отравления людей во время пожара в помещении, для отделки которого широко использованы изготовленные из пластмасс стеновые панели, потолочные и напольные покрытия, проложены кабели и провода с пластмассовой изоляцией, использовались пластмассовые установочные изделия (розетки, вилки, патроны, выключатели, пульты, платы, короба и т.п.).

Существенным недостатком пластмасс является ихсклонность к старениюпри продолжительном воздействии кислорода воздуха, влаги, света (особенно ультрафиолетовых лучей). При этом снижаются прочность и эластичность, возрастает хрупкость, повышается водопоглощение, изменяется ("выгорает") цвет, появляются микро- и макротрещины, в которых накапливаются загрязнения, ухудшается внешний вид изделий. И хотя эти явления в определённой степени могут быть замедлены или даже устранены у отдельных разновидностей пластмасс введением в их состав специальных добавок, стабилизаторов свойств, в большинстве случаев недостаток сохраняется.

Исходным сырьём для получения пластмасс являются этилен и его производные, содержащиеся в продуктах переработки нефти и каменного угля, нефтяных и коксовых газов. Для получения синтетических смол используются технологические процессы, основанные на реакциях полимеризациииполиконденсации, а полученные смолы и пластмассы, соответственно, называютсяполимеризационнымииполиконденсационными.

По технологии, основанной на реакции полимеризации, элементарный состав исходных веществ не меняется, молекулы компонентов соединяются без образования побочных продуктов, что является существеннымдостоинствоми причиной широкого распространения этой технологии в последние годы. Этим способом изготавливают пластмассы, получившие широкое распространение в технике и в быту:полиэтилен,полипропилен,поливинилхлорид(ПВХ),политетрафторэтилен(фторопласт-4),полистирол,полиметилметакрилат(оргстекло),поливинилацетати др.

При переработке сырья по реакции поликонденсациивыделяются побочные продукты (вода, соляная кислота, аммиак), а результат переработки по своему составу и свойствам существенно отличается от исходных материалов. И хотя побочные продукты являются полезными и находят применение в народном хозяйстве, затраты средств на создание и использование дополнительного оборудования, применяемого для их улавливания, разделения, сбора и переработки, а также на мероприятия по охране окружающей среды делают этот процесс менее привлекательным. Этим способом получают такие распространённые пластмассы, какфенопласт,аминопласт,полиамид (капрон),полиэтилентерефталат(лавсан),поликарбонати другие, а также эпоксидные, полиуретановые и кремний-органические смолы, широко применяемые для изготовления красок, ряда строительных и изоляционных материалов.

Различие в свойствах, возникшее при получении смол, сохраняется и проявляется в дальнейшем в отношении пластмасс к нагреванию и открытому пламени. По этому показателю их разделяют на термопласты(термопластичные) иреактопласты(термореактивные).

Термопластыпри нагревании размягчаются и легко принимают новую форму, сохраняя её после остывания. Свойства их изменяются обратимо, что очень удобно для многократной вторичной переработки изделий и утилизации отходов. В эту группу входятполиэтилен,поливинилхлорид,полистирол,полиамид(капрон),полиакрили ряд других пластмасс. Однако это свойство становится неудобным и даже может стать причиной несчастного случая, если нагреванию будут подвергнуты детали и изделия, для этого не предназначенные. Уплотнительные втулки или прокладки, изготовленные из термопласта, сразу могут утратить свои свойства при повышении температуры, размягчиться и вытечь из гнезда, что может привести к разгерметизации трубопровода, насоса или сосуда с другими, порой весьма серьёзными последствиями. Посуда из термопласта (например из полиэтилена) при наливании горячей жидкости сразу же становится эластичной, теряет форму, а жидкость может выплеснуться при высокой вероятности ожога людей, привести к порче одежды и другим последствиям.

Реактопластыразмягчаются лишь один раз, в момент формования изделия (при наличии высокой температуры и давления). Затем, вследствие протекания реакции "сшивания" молекул, материал переходит в неплавкое и нерастворимое состояние. В процессе эксплуатации изделия из реактопластов без повреждений переносят многократное нагревание до 60-80^оС, а иногда и выше. При сильном нагреве они выделяют неприятный запах (например фенол), а при длительном воздействии высоких температур - обугливаются. К реактопластам относятсяфенолоальдегидные(фенопласты),аминоальдегидные(аминопласты),полиэфирныеи др. пластмассы.

В связи с этой особенностью для формования изделий из реактопластов применяется исключительно только процесс прессования, другие технологические процессы не пригодны. Эта же особенность реактопластов препятствует успешной переработке отходов изделий:у промышленности сегодня нет хорошего, экологически чистого способа утилизации отходов этих пластмасс. Отходы изделий из реактопластов загрязняют окружающую среду. Кроме того, при изготовлении из реактопластов изделий пищевого назначения (по незнанию, недосмотру, в результате ошибки) возможна порча продуктов или даже отравление людей за счёт диффузии в продукты вредных компонентов полимерной основы (амины, фенол и др.).

Среди пластмасс часто встречаются разновидности, которые по комплексу свойств вполне приемлемы для определённого назначения, но не пригодны для других целей. Например, мыльница из целлулоида легка при перевозке (в командировку, на отдых), удобна, не портится при воздействии моющих средств, легко чистится и моется, красиво выглядит. Но целлулоид боится высоких температур, горит стремительно, с высокой скоростью распространения пламени, что может послужить причиной большого пожара, например при небрежных действиях курильщика или при шалостях детей с игрушками из него. (Именно по этой причине из целлулоида изготавливаются игрушки исключительно для грудных детей). По этой же причине происходили многочисленные пожары при демонстрации кинофильмов в те времена, когда для их съёмки использовалась киноплёнка на основе целлулоида, а не из лавсана, как в настоящее время.

Следовательно, работникам промышленных предприятий (и потребителям) весьма важно и полезно уметь идентифицировать пластмассы и вовремя останавливать применение изделий, изготовленных из несоответствующего материала. Специалистам также придётся давать квалифицированные консультации при попытках применения изделий не по назначению, с использованием имеющихся у материала свойств (и недостатков) во вред здоровью людей и окружающей среде. Для этого следует изучить и практически освоить способы идентификации пластмасс, приобрести навыки по идентификации разновидностей пластмасс в лабораторных условиях и в повседневной жизни.