Состав и свойства пластмасс

Пластические массы, или пластмассы, представляют собой многокомпонентные системы, основой которых является поли­мер или смесь полимеров. Полимер связывает в единое целое другие компоненты системы и придает материалу определенные свойства. Таким образом, полимерное вещество является свя­зующим. Кроме полимера в состав пластмасс входят наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, смазываю­щие вещества, отвердители и другие. Введение этих добавок способствует улучшению эксплуатационных свойств, а также облегчает перерабатываемость полимерных материалов в изделия. В настоящее время добавки вводятся практически во все полимеры.

1. Наполнители. Наполнители вводят для улучшения механических свойств пластмасс, уменьшения усадки во время отверждения полиме­ра, повышения стойкости к действию различных сред, а также для снижения стоимости полимерных материалов. В качестве наполнителей могут использоваться практически любые мате­риалы.

Наполнители могут находиться в твердом, жидком или газо­образном состоянии.

Порошкообразные (дисперсные) наполнители должны иметь развитую удельную поверхность, т. е. наименьший размер ча­стиц. Поэтому, как правило, размер частиц не превышает 40 мкм и чаще всего составляет 1—15мкм.

Из органических наполнителей наибольшее распространение получила древесная мука, содержащая в основном целлюлозу и лигнин. Из неорганических наполнителей используются мел, каолин, тальк, слюда.

Порошки металлов и стружка (опилки) железа, меди, алю­миния, свинца и т. д. резко повышают тепло- и электропровод­ность пластмасс. Кроме того они придают им стойкость к дей­ствию электромагнитного и проникающего излучений.

Волокнистые наполнители применяются в виде непрерывного и рубленого волокна (штапельное) длиной от нескольких десятков миллимикронов (коротковолокнистые) до нескольких десятков миллиметров (длинноволокнистые).

Пластмассы, наполненные (армированные) волокнистыми наполнителями, позволяют значительно улучшить физико-ме­ханические свойства, тепло-, износо- и химическую стойкость и другие показатели пластмасс. При использовании волокон в виде непрерывных нитей получают изделия с исключительно. высокими прочностными характеристиками.

Из органических волокнистых наполнителей наиболее широ­кое распространение получил хлопок. В последние годы все большее применение находят синтети­ческие волокна (полиамидные, полиэфирные, полиакрилони-трильпые). Из неорганических волокон важнейшее значение имеют ас­бестовое и стеклянное.

Зернистые наполнители относятся к новым видам наполни­телей и представляют собой полые сферы, чешуйки и гранулы различной формы из стекла, углерода, полимеров. Размеры частиц колеблются от 2 до 500 мкм, а размер гранул достигает нескольких миллиметров. Такие наполнители придают пласт­массам коррозионную стойкость и благодаря наличию граней изменяют их оптические свойства, регулируют коэффициент трения (устраняют проскальзывание). В случае использования полых сфер уменьшается плотность, улучшаются теплоизоляци­онные свойства композиций.

Листовые наполнители используются в виде бумаги, шпона, тканых и нетканых материалов (тканей, холстов, сеток, пленок, матов и др.), пористой или волокнистой структуры. Они служат основой для получения слоистых пластиков.

В качестве газообразных наполнителей используют различ­ные газы (азот, водород, аммиак, диоксид углерода и др.), низкокипящие углеводороды (пентан, изопентан и др.), а также твердые вещества органического и неорганического происхож­дения (карбонаты аммония, натрия, порофоры и др.), которые вспенивают полимерные материалы.

Газонаполненные пластмассы (пенопласты) характеризуют­ся малой плотностью, хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами.

В качестве жидких наполнителей применяют воду и мине­ральные масла.

2. Пластификаторы

Пластификаторы вводят в пластмассы для повышения пластич­ности материала при его переработке и эластичности при эк­сплуатации. Пластификаторы облегчают диспергирование в полимерах сыпучих добавок, снижают температуру переработки полимер­ных материалов. Некоторые пластификаторы придают полиме­рам такие ценные свойства, как негорючесть, термо- и свето­стойкость.

В качестве пластификаторов наиболее часто используют сложные эфиры различных кислот и низкомолекулярныё поли­эфиры.

3. Стабилизаторы

В процессе переработки полимеров и эксплуатации изделий происходит ухудшение их физико-механических свойств, т. е. протекает процесс старения.

Старение обусловлено воздействием на полимер многочис­ленных факторов (тепла/света, кислорода воздуха, влаги, агрес­сивных химических агентов, механических нагрузок и т. д.), которые создают условия для инициирования и развития неже­лательных химических реакций. По типу основного агента,. вызывающего разрушение (деструкцию) полимеров различают следующие виды старения: тепловое, термоокислительное, све­товое, озонное (атмосферное), радиационное, .утомление (под действием механических нагрузок).

Обычно при старении наряду с деструкцией, которая проте­кает по цепному механизму, происходит структурирование — поперечное сшивание цепей макромолекул. Такое изменение .структуры приводит к ухудшению эксплуатационных свойств:

снижается механическая прочность, теряется эластичность, по­вышается жесткость и хрупкость.

Стабилизаторы (противостарители)-подразделяются на следующие группы:

антиоксиданты —соединения, предотвращающие термиче­скую и термоокислительную деструкцию;

антиозонанты — вещества, предотвращающие озонное старе­ние;

светостабилизаторы — вещества, предотвращающие фото­окислительную деструкцию;

антирады—вещества, предотвращающие радиационную де­струкцию.

Стабилизаторы обычно вводят в полимер на стадии перера­ботки в небольших количествах (до 5%).

4. Смазывающие вещества

Смазывающие вещества (смазки) являются важной составляющей частью композиции и применяются для снижения липкости, предотвращения прилипания полимеров к рабочим пове стям оборудования. Смазывающие вещества вводятся в небольших количествах (до 1% от массы полимера). В качестве смазок используют парафины, воски, жирные кислоты (олеиновая, стеариновая), их соли (стеараты кальция, цинка и др.).

5. Красители

Красители применяют для получения окрашенных полимерных материалов. Для этой цели используют органические красители (пигменты, лаки, жиро-, спирто-, водорастворимые красители и др.) и неорганические пигменты. Красители для пластмасс должны отвечать определенным требованиям:

высокая дисперсность (размер частиц 1—2 мкм);

отсутствие склонности к миграции на поверхность изделий;

свето-, термо-, атмосферостойкость;

стойкость к действию кислот, щелочей и другим агрессивным средам;

физиологическая инертность.

6. Прочие добавки

Из других добавок, используемых для придания пластмассам определенных свойств, применяют сшивающие агенты (отвердители), структурообразователи, антипирены, антистатики, антимикробные агенты и др.

Сшивающие агенты (отвердители) вводят в полимеры для создания в них на определенной стадии переработки трехмер­ной сетки, которая обеспечивает повышение прочностных и дру­гих технических свойств материала.

Структурообразовоголи вводят в полимер для создания опре­деленных структур и получения материалов с необходимыми свойствами. Такими добавками могут служить различные окси­ды, карбиды, нитриды и другие соединения, а также некоторые соли органических кислот, поверхностно-активные вещества.

Антипирены снижают горючесть полимерных материалов. Они не должны ухудшать основные физико-механические свой­ства материала, должны быть атмосферостойкими, нетоксичны­ми, не взаимодействовать с другими компонентами в условиях переработки. В качестве антипиренов используют главным об­разом галогеносодержащие соединения, производные фосфора, изоцианаты, соединения сурьмы и др.

Антистатики препятствуют возникновению и накоплению статического электричества в конструкциях и изделиях из поли­мерных материалов. В качестве антистатиков используют раз­личные поверхностно-активные вещества — амины, четвертич­ные аммониевые основании и другие электропроводящие материалы.

Антимикробные агенты препятствуют зарождению и размно­жению микроорганизмов в полимерных материалах. В качестве таких агентов используют органические соединения олова, мышьяка, ртути, меркаптаны и др. Они должны быть эффектив­ны при применении в малых концентрациях (доли процента в расчете на полимер).

Особенно важно использование антимикробных агентов в полимерных материалах, применяемых в пищевой промышлен­ности, медицине.