5.2. Синтетические смолы и пластические массы

К пластмассам относят полимеры, которые при повышении температуры и давления переходят в пластическое состояние, приобретают определенную форму и устойчиво ее сохраняют после охлаждения и отвердевания. Пластические массы имеют ряд ценных свойств: малые теплоэлектропроводимость и удельный вес, хорошую устойчивость к коррозии, агрессивным средам, легкость, упругость, пластичность и т.д. Некоторые виды пластмасс по прочности не уступают отдельным видам стали, цветных металлов и в 4 - 12 раз легче последних. При этом продолжительность их эксплуатации в 10 - 15 раз больше, чем металлов. Это позволяет использовать пластмассы как изоляционный материал, заменитель древесины, металла и вырабатывать из них детали машин, посуду, игрушки и др.¹ При этом уменьшается трудо- и энергоемкость в 2 - 10 раз и себестоимость изделий. Одним из недостатков большинства пластмасс является низкая термостойкость, потеря прочности с повышением температур.

При всем разнообразии видов в зависимости от состава и методов производства выделяют пластмассы, полученные полимеризацией² (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др.), поликонденсацией (фенолоальдегидные, эпоксидные, полиэфирные смолы и др.) и на основе природных полимеров (целлюлозы – целлулоид, целон; белковых веществ - казеина - галалит), воды, аммиака, спиртов и др. Последние при полимеризации не образуются.

¹В США собран двигатель внутреннего сгорания из огнеупорного пластика, в котором только отдельные детали из металла, а сам двигатель в 2 раза легче обычного.

²Поликонденсация - процесс образования из мономера полимера и побочных продуктов:

По химическому составу выделяют простые и сложные пластмассы. Первые состоят из одного полимера (полиэтилен, полипропилен и др.). Сложные, кроме полимера, содержат наполнители, пластификаторы, отвердители и другие добавки, которые улучшают потребительские свойства изделий: использование асбеста повышает теплостойкость, графита — улучшает полупроводниковые свойства и т.д. В качестве наполнителей применяют древесину, каолин, тальк, волокна, бумагу и др. В зависимости от поведения полимера при нагревании выделяют термопластичные, термореактивные пластмассы. Термопластичные пластмассы при многократном нагревании размягчаются, а при охлаждении твердеют без изменения строения и основных свойств; термореактивные - при начальном нагревании размягчаются, а затем при повышении температур и давления твердеют и необратимо теряют способность плавиться. Если отходы и брак термопластичных пластмасс используют повторно, то термореактивные пластики повторно не используются.

Производство пластмасс возникло в начале XX столетия. Первоначально их получали из природных ресурсов. На современном этапе пластики преимущественно вырабатывают из углеводородов нефти и природного газа методом полимеризации и поликонденсации. Первым способом получают простые пластмассы с линейным строением молекул, термопластическими свойствами. Они имеют низкую термостойкость. Примером таких пластмасс является полиэтилен. Его вырабатывают при низком (до 8 атмосфер), среднем и высоком (до 2,5 тыс.атмосфер) давлении из_этилена (С₂Н₄) - продукта пиролиза нефтяных фракций или крекинга пропана, бутана. С увеличением давления возрастает скорость реакции, прочность и выход полимера. Сырье компрессором подают в реактор трубчатого типа или с мешалкой на полимеризацию (рис.14). Реакция осуществляется с выделением тепла, для отвода которого используют воду. Образованный полиэтилен сепарацией отделяют от сырья и продавливают через узкие отверстия - фильеры. Полученные жгуты полимера разрезают на гранулы длиной 2-3,5 мм. Оставшийся, непрореагированный этилен подают на повторную полимеризацию. Из гранул товарного полиэтилена литьем, экструзией, прессованием изготавливают пленку, трубы, товары народного потребления и др.

Полимеризацией хлористого винила (-СН₂ – СНСl -) получают поливинилхлоридную смолу в виде белого порошка. На ее основе с добавками бария, углекислого свинца и др. вырабатывают жесткие пластмассы - винипласты и мягкие - пластикаты. Они устойчивы к органическим растворителям, кислотам, щелочам. Из винипластов получают трубы, краны, емкостные аппараты для работы в агрессивных средах; из пластиков - пленки, линолеум, транспортерные ленты, заменитель кожи.

Поликонденсацией получают фенолоальдегидные смолы. Сырье - фенолы (крезол, фенол и др.) и альдегиды (формальдегид, фурфурол и др.). Наиболее распространены в качестве сырья фенол и формальдегид. Из них получают фенолоформальдегидные смолы. Производственный процесс состоит из подготовки, дозировки и загрузки сырья в реактор, где смешивают компоненты в присутствии щелочного катализатора (NаОН, NН₄ОН). Образуется синтетическая смола, которую отделяют от воды, высушивают и измельчают до белого порошка (рис.15). Он может быть использован без наполнителей как прессовочный материал, клей, лаковое покрытие. На основе смолы получают также сложные пластмассы, которые называются фенопластами¹.В зависимости от наполнителя они подразделяются на прессовочные (тальк, слюда, кварц и др.), волокнистые (различные волокна), слоистые. Последние в качестве наполнителя содержат листовой материал, который определяет название пластика. Если наполнителем является хлопчатобумажная ткань, то название фенопласта - текстолит, бумага - гетинакс, древесный шпон - древесно-слоистый пластик. Фенопласты - основной конструкционный материал для изготовления радиодеталей, шестерен, фюзеляжей самолетов, корпусов лодок, автомашин, товаров народного потребления (розетки, рукоятки и т.д.) и других изделий.

Таким образам, в производстве конечной продукции из пластмасс выделяют две стадии. Первая - получение мономеров, полимеров и вторая - конечной готовой продукции из них. Исходные продукты синтеза и полимеры вырабатывают в районах нефте-, газо- и углепереработки как технологические стадии материало-, топливоэнергоемкого процесса. Так, в Новополоцке производство полиэтилена создано совместно с нефтеперерабатывающим заводом. Развитие научно-технического прогресса, создание новых видов транспорта, углубление специализации делает целесообразным территориальное разграничение выпуска мономеров и пластмасс. Так, в Казани (Россия) производят полиэтилен, а сырье по этиленопроводу поступает за 200 км с Нижнекамского нефтеперерабатывающего завода. Выработка готовых изделий из полимеров характеризуется меньшей материалоемкостью, большим расходом трудовых ресурсов в сравнении с выпуском сырья. К тому же исходное сырье более транспортабельное, чем готовая продукция, так как в первом случае используют грузоподъемность транспортного средства². Все это обусловливает территориальную ориентацию производства изделий из пластмасс на районы потребления (Минск, Гомель) как на специализированных заводах, так и в цехах крупных машиностроительных предприятий.

¹Фенопласты-термореактивные.

² В 60-тонный вагон вмешается немногим более 2 т полиэтиленовых труб.

холодильник

фенол

формалин

катализатор

добавки

реактор

Газы к вентилятору

противень

РИС. 15. СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ФЕНОЛОФОРМАЛЬДЕГИДНОЙ СМОЛЫ