1.2. Основные виды промышленных полимеров и пластмасс

В настоящее время промышленностью во всем мире выпускается несколько тысяч марок пластмасс, включающих широкий пере­чень термопластичных и термореактивных полимеров и компози­ций на их основе, используемых для изготовления изделий раз­личного назначения. Важно сделать правильный выбор пластмас­сы или композиционного материала для конкретных условий тех­нологии изготовления данного изделия и его эксплуатации. Лишь в тех случаях, когда такой полимерный материал отсутствует, воз­никает необходимость создания нового материала, что, естествен­но, является достаточно дорогостоящей задачей. Но и в этом слу­чае выбор базовой пластмассы очень важен, поскольку свойства композиционного материала в основном определяются свойства­ми выбранного полимера.

С точки зрения химической структуры в общем виде полимеры можно разделить на карбоцепные и гетероцепные. К карбоцепным относятся, как правило, полимеры непредельных углеводородов этиленового ря­да с различными боковыми заместителями (полиолефины, полистирол, полиакрилаты, полимеры галогенопроизводных этилена и др.). Свойства полимеров этого ряда закономерно изменяются с изменением природы боковых заместителей в мономере. С определенной сте­пенью допущения к этой группе можно отнести отвержденные фенолоформальдегидные смолы и другие полимеры, содержащие в основной цепи бензоль­ные кольца.

К гетероцепным относят полимеры, в основной молекулярной цепи которых помимо углерода содержатся атомы других элемен­тов. Классификация этих материалов аналогична классификации органических веществ. Наиболее часто такими гетероатомами яв­ляются кислород (простые и сложные полиэфиры), азот (полиамиды, полиуретаны, аминоальдегидные смолы, полиимиды и др.), сера (полисульфон), кремний (кремнийорганические смолы) и некоторые другие.

Примерно 90 % общего производ­ства пластмасс приходится на десять групп пластмасс, а именно (в порядке убывания) полиэтилены низкой и высокой плотности (со­ответственно высокого и низкого давления), полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и сополимеры стирола, полиакрилаты, полиацетали, полиамиды, полиимиды, простые и сложные поли­эфиры, полисульфоны, фено- и аминопласты, полиэпоксиды и кремнийорганические полимеры.

Для большинства из перечисленных разновидностей пластиков разработан марочный ассортимент, опирающийся на так называе­мые базовые марки, отличающиеся вязкостью расплавов, что, прежде всего, влияет на выбор способа их переработки в изделия. Модификацией базовых марок создают пластмассы с теми или иными доминантными свойствами (электропроводность, износостойкость, негорючесть, ударная прочность и др.). Полимерная промышленность развитых стран на базе примерно трех десятков крупнотоннажных полимеров выпускают более 4000 разновидностей пластмасс.

1.2.1. Полиэтилен

Полиэтилен получают полимеризацией мономера этилена с помощью различных технологических способов. Общая структурная формула полиэтилена:

(-Сн2-сн2-)n.

Он является ти­пичным термопластом и перерабатывается в изделия всеми изве­стными способами.

Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) получают при высоком (до 350 МПа) давлении, поэтому по не слишком удачной отечест­венной номенклатуре он называется полиэтиленом высокого давле­ния (ПЭВД). Плотность 910-935 кг/м³; ММ = 30-500 тыс. Выпус­кается, как правило, стабилизированным и в виде гранул. Главная особенность молекулярной структуры - разветвленность строения, что является причиной образования рыхлой аморфно-кристалли­ческой структуры и, как следствие, уменьшение плотности полиме­ра.

ПЭНП получают в трубчатых и автоклавных реакторах, что ока­зывает частичное влияние на некоторые свойства (ММР, Т_Р, Т_пл). Выпускается ПЭНП стабилизированным и в виде гранул. В обозначении базовых марок ПЭНП (ПЭВД) первая цифра указывает на способ производства (1 - высокое давление при полимеризации). 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. Четвертая цифра указывает на способ усреднения поли­мера: холодным смешением - 0, в расплаве - 1. Пятая цифра обо­значает группу плотности ПЭНП (ПЭВД):

1 - 900-909 кг/м³ 4 - 922-926 кг/м³

2 - 910-916 кг/м³ 5 - 927-930 кг/м³

3 - 917-921 кг/м³ 6 - 931-939 кг/м³

Цифры, расположенные после тире, указывают на значение пока­зателя текучести расплава (ПТР), увеличенное в 10 раз. Например, обозначение 10703-020 показывает, что это базовая марка ПЭВД (1), полученная автоклавным синтезом (07), усредненная холод­ным перемешиванием гранул (0) и с плотностью третьей группы (3), то есть 917-921 кг/м³. ПТР 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.

Полиэтилен высокой плотности, низкого давления (ПЭНД) (ГОСТ 16338-85) [13] получают с использованием катализаторов Циглера-Натта при сравнительно низком давлении (0,3-4,0 МПа), суспен­зионным, а также газофазным методом при среднем давлении (ПЭСД), что является основанием для обозначения этого продук­та, также вносящими определенную путаницу отечественными аб­бревиатурами (указаны в скобках). Температура плавления 125-132 °С; ММ = (70-350) тыс.; плотность 945-975 кг/м³. Выпу­скается стабилизированным в виде гранул или зернистого порошка.

Структурная особенность полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) состоит в линейности его мо­лекулярной организации [14]. Поэтому содержание кристаллической фазы в ПЭВП достигает 80 %, она имеет развитую морфологию (пачки, фибриллы, ламели, сферолиты). ПЭВП относится к крис­таллизующимся полимерам. Благодаря большей, чем в аморфной фазе, плотности упаковки макромолекул в кристаллитах повыша­ется и физическая плотность ПЭВП, достигающая 970 кг/м. Соответственно изменяются и характеристики. Сущест­венно возрастают деформационно-прочностные свойства, по зна­чениям которых ПЭВП приближается к конструкционным пласт­массам, увеличиваются температура размягчения и температура кристаллизации (плавления), растет модуль упругости и твер­дость. Введение в ПЭВП армирующих волокнистых наполните­лей позволяет применять этот материал для изготовления эле­ментов емкостей и оболочек, а также изделий ответственного на­значения. Свойственная всем полиэтиленам высокая химическая стойкость позволяет использовать некоторые марки ПЭВП в эндопротезировании, в производстве изделий биотехнологического и пищевого назначения.

ПЭВП перерабатывается всеми способами, известными в техно­логии производства изделий из пластмасс.

Маркировка базовых разновидностей суспензионного полиэти­лена совпадает с рассмотренной ранее. Первая цифра (2) указывает на синтез при низком давлении, а значит с использованием металлоорганических катализаторов. Две последующие цифры обозна­чают номер базовой марки (1-10), четвертая и пятая цифры - спо­соб усреднения и группу плотности, а цифры после тире - десяти­кратно увеличенное значение показателя текучести расплава (ПТР). Построение марки композиций на основе ПЭВП такое же как 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 означает композицию на основе газофазного ПЭНД (273) с термостабилизатором (81) черного цвета, обеспечивающим повышенную стойкость к старению при эксплуатации.

В технике нашли применение некоторые сополимеры этилена.

СЭП - сополимер этилена с пропиленом обладает повышенной устойчивостью к растрескиванию, повышенной эластичностью при большей механической прочности по сравнению с ПЭНП. СЭП применяется в кабельной промышленности и для производст­ва изделий литьем под давлением, экструзией и выдуванием (буты­ли, флаконы, канистры, трубы, покрытия по металлу).

СЭВА (СЭВИЛЕН: TУ 6-05-1636-97) - сополимеры этилена с винилацетатом, раз­личающиеся содержанием винилацетата (ВА), который варьирует­ся в диапазоне 10-60 %. СЭВА характеризуется повышенной про­зрачностью, нетоксичностью, устойчивостью к старению и стабиль­ностью при переработке.

Применение СЭВИЛЕНа определяется содержанием ВА (табл. 1.1).

Различные марки СЭВИЛЕНа имеют и ряд близких показателей. Среди них следующие: относительное удлинение при разрыве - 600-800 %; твердость по Шору - 85-95 МПа; температура хруп­кости - -75...+100 °С; диэлектрическая проницаемость при 10⁶ Гц - 2,3-2,7.

Таблица 1.1. Назначение СЭВИЛЕНа при различном содержании ВА

Содержание ВА, %	Назначение СЭВИЛЕНа
5-20	Пленки, листы, трубы, медицинские и фармацевтические товары, профиль­ные изделия
20-30	Изделия технического назначения, в т. ч. сельскохозяйственная пленка, термоусадочные изделия, игрушки изделия, игрушки
45-60	Изделия, свойственные каучукоподобным материалам