Термопластичные полимеры

Полиэтилен

Продукт полимеризации этилена:

n(CH₂ = CH₂) -> — СН₂ — СН₂ — СН₂ — СН₂ -.

этилен полиэтилен

Молекулярный вес около 20000, плотность 0,92 г/см3, σ_В = 65…100 МПа, относительное удлинение d =150…500 %. Пластичность сохраняется до низких температур (минус 70 С). Полиэтилен водо- и химически стоек. Имеет высокие диэлектрические свойства.

По плотности полиэтилен подразделяют на полиэтилен низкой плотности, получаемый при полимеризации при высоком давлении (ПЭВД), содержащий 55…65 % кристаллической фазы, и полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком давлении (ПЭНД), имеющей кристалличность до 74…95 %. Чем выше плотность, тем выше прочность и теплостойкость. Длительно можно применять его при температуре 60…100 С.

Недостатком полиэтилена является его подверженность старению. Под старением полимерных материалов понимается самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале при эксплуатации и хранении.

Причинами старения являются свет, теплота, кислород, озон и другие немеханические факторы. Старение ускоряется при многократных деформациях, повышенной температуре. Как правило, повышается твердость, хрупкость, наблюдается потеря эластичности.

Изготавливают коррозионно-стойкие трубы, тройники, уплотнения, прокладки, шланги, пленки, оболочки контейнеров и емкостей для хранения сильных кислот, электроизоляторы.

Другие свойства пластмасс

Химическая стойкость. Химическая стойкость пластмасс, как правило, выше, чем у металлов. Химическая стойкость пластмасс в основном определяется свойствами связующего (смолы) и наполнителя. Наиболее химически стойкими в отношении всех агрессивных сред являются фторсодержащие полимеры —фторопласты 4 и 3. К числу кислотостойких пластмасс в отношении концентрированной соляной кислоты могут быть отнесены винипласт и фенопласты с асбестовым наполнителем. Стойкими к действию щелочей являются винипласт и хлорвиниловый пластик.

Электроизоляционные свойства. Почти все пластмассы — хорошие диэлектрики. Этим объясняется их широкое применение в электро- и радиотехнике. Большинство пластмасс плохо переносит т. в. ч. и поэтому они применяются в качестве электроизоляционных материалов для деталей, которые предназначаются для работы при частоте тока 50 Гц. Однако такие ненаполненные высокополимеры, как фторопласт и полистирол, практически не меняют своих диэлектрических качеств в зависимости от частоты тока и могут работать при высоких и сверхвысоких частотах.

Повышение температуры, как правило, ухудшает электроизоляционные характеристики пластмасс. Исключение составляет полистирол, сохраняющий электроизоляционные свойства в интервале температур от —60 до +60° С, и фторопласт 4 — в интервале температур от —60 до +200°. С.

Фрикционные свойства. В зависимости от условий работы пластмассовые детали могут обладать различными по величине фрикционными характеристиками. Так, например, текстолит при малых нагрузках имеет малый коэффициент трения, что и позволяет широко использовать его вместо бронзы, антифрикционных чугунов и т. д. Коэффициент трения тормозных материалов типа КФ-3 высок, что и отвечает назначению этих материалов. Из этих двух примеров следует, что утверждение, высказанное выше, справедливо

Компонентный состав

Исходя из структуры типового полимера, пластмассами называются химические вещества, образующиеся в результате устойчивого слияния нескольких органических групп.

Все полимерные цепи основаны на углеводородах — молекулах, построенных из атомов водорода и углерода. Они получаются из нефти, природного газа или угля. Сырая нефть представляет собой густую вязкую смесь, содержащую тысячи различных углеводородов, которые необходимо отделить, прежде чем мы сможем её использовать. Это происходит на нефтеперерабатывающем заводе с помощью процесса, называемого фракционной перегонкой.

Данный процес является более сложной версией дистилляции, которая используется для очистки воды. Если мы нагреем воду, она в конечном итоге превратится в пар, который мы можем собрать, охладить и снова конденсировать в высокоочищенную или «дистиллированную» воду. Аналогичным образом производится очистка и перегонка сырой нефти. Все те углеводороды, которые она содержит, имеют молекулы разного размера и веса, поэтому они кипят и конденсируются при разных температурах.

Сбор и дистилляция различных частей сырой нефти при разных температурах даёт набор относительно простых смесей углеводородов, называемых фракциями, которые затем используются для изготовления различных типов пластмасс.

Полученные таким образом углеводороды являются сырьём для проведения реакций полимеризации, в результате которых образуются полимеры. Некоторые полимеры получают путём скрепления углеводородных мономеров вместе. Такой процесс называется аддитивной полимеризацией. Другие образуются путем соединения двух небольших углеводородных цепей и удаления молекулы воды. В результате создаётся более крупная углеводородная цепь. А сам процесс известен как конденсационная полимеризация.

Для ускорения полимеризации необходимо использовать определённые химические вещества, называемые катализаторами. Катализаторы — это вещества, которые повышают вероятность протекания химической реакции. Хотя они могут временно изменяться во время реакции, они снова появляются при её завершении конце в своей первоначальной форме; другими словами, они не меняются навсегда по мере того, как происходит реакция.

Поскольку эксплуатационные требования к пластмассам меняются, то часто приходится добавлять к основным углеводородам другие ингредиенты, чтобы получить полимер с точно правильными химическими и физическими свойствами. Эти дополнительные ингредиенты включают:

Красители (которые, как следует из названия, изменяют цвет пластика);
Пластификаторы (которые делают пластик более гибким, вязким, пластичным);
Стабилизаторы (чтобы пластмассы не разламывались под воздействием внешних факторов – света, давления, температуры);
Наполнители (обычно недорогие минералы, позволяющие экономить дорогостоящие углеводороды без ущерба для эксплуатационных характеристик конечного продукта).

Полистирол, АБС-пластик

Полистирол в чистом виде прозрачный хрупкий пластик.

Оптический полистирол — один из немногих полимеров, обладающий отличными оптическими качествами и пригодный для изготовления линз, призм и других оптических приборов. Многие другие полимеры, например полиэтилен, полипропилен пропускают свет, но изготовленный из них блок на просвет будет мутным. В сочетании с низким весом и меньшей хрупкостью, по сравнению со стеклом, полностью вытеснил стекло из очков (Помимо полистирола, очковые линзы изготавливаются из поликарбоната, CR-39 и других оптических полимеров).

Оптические компоненты бытовой электронной техники — объективы фотоприемников, фонарей, светорассеиватели фотовспышек — изготовляются из оптического полистирола
с последующим нанесением покрытий, если требуется. Такая оптика дешевле стеклянной.

С хрупкостью полистирола борются, вводя в него вязкие эластичные добавки — эластификаторы, например полибутадиен. Модифицированный таким образом полистирол значится как «ударопрочный полистирол» или high-impact polystyrene — HIPS (В советской литературе АБС относится к разновидности ударопрочных полистиролов, но на практике его выделяют отдельно).

Если при производстве к стиролу при полимеризации добавлен сопролимер акрилонитрил, а также бутадиен, то получившийся прочный пластик называется АБС-пластик (Акрилонитрил-Бутадиен-Стирол). Полибутадиен — это резина, в АБС пластике он присутствует в виде мельчайших вкраплений, добавляя прочности и упругости.

Вспененный полистирол, пенополистирол мы все помним как «пенопласт», упаковочный материал, теплоизолятор в технике и в строительстве. Сильно горюч, что ограничивает его применение в строительстве.

Полистирольная пленка используется как диэлектрик в некоторых моделях конденсаторов. HIPS и ABS используются только как конструкционные материалы. Специально для активистов 3Д печати стоит отметить, хоть ABS и HIPS не проводят электрический ток, изготавливать из них изделия работающие при напряжении более 48 Вольт я бы не рекомендовал — слоистая структура отпечатка к сожалению способствует удержанию влаги в изделии, что может создавать ощутимые утечки при высоком напряжении.

Хлорвиниловые пластмассы

Полимеризация венилхлорида (хлорвинила):

СН = СН + НСl -> СН₂ = СНСl

ацетилен винилхлорид

n × (CH₂ = CHCl) -> …-CH₂ -CHCl -CH₂ -CHCl-…

винилхлорид поливинилхлорид

Пластики этого типа:

Поливинилхлоридный пластикат — плотность 1,2 — 1,6 г/см3, σ_в =10…20 МПа, d = 100…280 %, мягкий, непрозрачный, морозостойкий (от минус 15 С до минус 50 С), стоек к действию воды, масла, кислот, обрабатывается резаньем, склеивается, сваривается. Имеет высокие диэлектрические свойства. Не поддерживает горение. Применяется для изоляции проводов и кабелей, уплотнительных прокладок.
Упаковочная полихлорвиниловая пленка (добавляется стеарат кальция и пигменты), плотность 1,2…1,35 г/см3σ_в =2,5 МПа, d — до 200 %. Сваривается, склеивается, режется.
Винипласт (стабилизируется углекислыми солями некоторых металлов), красно-коричневый, непрозрачный, твердый материал. Не растворяется в бензине, керосине, масле, устойчив к действию кислот, щелочей и окислителей.

Плотность равна 1,4 г/см3, σ_в =40…60 МПа, d=10…25 %. Рабочая температура не выше 60…70 С. Применяется в качестве антикоррозионного, электроизоляционного и конструкционного материала. Изготовляют трубы, детали вентиляционных установок, теплообменников, защитные покрытия, металлических емкостей, строительные, облицовочные плитки.

Определение типа пластика. Маркировка

Любой ремонт пластиковой детали должен начинаться с определения типа пластмассы, из которой изготовлена деталь. Если в прошлом это давалось не всегда просто, то сейчас «опознать» пластик легко — все детали, как правило, маркируются.

Обозначение типа пластмассы производители обычно выштамповывают с внутренней стороны детали, будь то бампер или крышка мобильного телефона. Тип пластика, как правило, заключен в своеобразные скобки и может выглядеть следующим образом: >PP/EPDM<, >PUR<, <ABS>.

Задание: снимите крышку своего мобильного телефона и посмотрите из какого типа пластмассы он изготовлен. Чаще всего это >PC<.

Вариантов таких аббревиатур может быть очень много. Рассмотрим несколько самых распространенных в автомобилестроении типов пластмасс.

Термореактивный пластик

Термореактивный пластик составляет остальные 20% производимого пластика. Эти полимеры нельзя повторно расплавить и поэтому их сложно переработать. Иногда они измельчаются и используются в качестве наполнителя.

Эти пластики включают в себя:

полиуретан (ПУ) используется в покрытиях, отделках, шестернях, мембранах, подушках, матрасах и автомобильных сидениях;
эпоксидная смола используется в клее, спортивном инвентаре, электрооборудовании, автомобильном оборудовании;
фенольные смолы используются в печах, ручках для столовых приборов, автомобильных запчастях, печатных платах.

Первоначально пластмассы получали из целлюлозы — основного материала всей растительной жизни. Сейчас сырье для пластмасс представляет собой в основном нефтепродукты, хотя, в последнее время, разрабатывается все больше видов пластмасс на основе растительных и животных материалов, так называемый биопластик.

(Просмотрели8 494 | Посмотрели сегодня 1 )

Ссылки[править | править код]

Производство листа из АБС-пластика, вакуумформовочное производство
Основные свойства пластмасс
Пластмасса на базе белка и с применением нанотехнологий
Пластмасса. Всё о переработке пластмасс
Методы определения типа пластмасс
Листовой пластик и прозрачная кровля — применение
Применение различных видов пластмасс в народном хозяйстве
Справочная информация о пластике высокого давления — high pressure laminate (Oberflex)
Справочная информация о пластике непрерывного давления — Continuous Pressure Laminat
Справочная информация о акрилонитрилбутадиенстироле — ABS — пластике

Материалы на основе полимеров

Пластмассы

Пластмассы — материалы на основе полимеров, которые способны под действием нагревания и давления формоваться и сохранять заданную форму после охлаждения.

Помимо высокомолекулярного вещества в состав пластмасс входят также и другие вещества, однако основным компонентом все же является полимер. Благодаря своим свойствам он связывает все компоненты в единую целую массу, в связи с чем его называют связующим.

Пластмассы в зависимости от их отношения к нагреванию делят на термопластичные полимеры (термопласты) и реактопласты.

Термопласты — вид пластмасс, способных многократно плавиться при нагревании и застывать при охлаждении, благодаря чему возможно многоразовое изменение их изначальной формы.

Реактопласты — пластмассы, молекулы которых при нагревании «сшиваются» в единую трехмерную сетчатую структуру, после чего изменить их форму уже нельзя.

Так, например, термопластами являются пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида (ПВХ) и т.д.

Реактопластами, в частности, являются пластмассы на основе фенолформальдегидных смол.

Каучуки

Каучуки — высокоэлластичные полимеры, углеродный скелет которых можно представить следующим образом:

Как мы видим, в молекулах каучуков имеются двойные C=C связи, т.е. каучуки являются непредельными соединениями.

Каучуки получают полимеризацией сопряженных диенов, т.е. соединений, у которых две двойные C=C связи, разделены друг от друга одной одинарной С-С связью.

Так например, особо зарекомендовавшими себя мономерами для получения каучуков являются:

1) бутадиен:

2) изопрен:

3) хлоропрен:

В общем виде (с демонстрацией только углеродного скелета) полимеризация таких соединений с образованием каучуков может быть выражена схемой:

Таким образом, исходя из представленной схемы, уравнение полимеризации изопрена будет выглядеть следующим образом:

Весьма интересным является тот факт, что впервые с каучуком познакомились не самые продвинутые в плане прогресса страны, а племена индейцев, у которых промышленность и научно-технический прогресс отсутствовали как таковые. Естественно, индейцы не получали каучук искусственным путем, а пользовались тем, что давала им природа: в местности, где они проживали (Южная Америка), произрастало дерево гевея, сок которого содержит до 40-50% изопренового каучука. По этой причине изопреновый каучук называют также натуральным, однако он может быть получен и синтетическим путем.

Все остальные виды каучука (хлоропреновый, бутадиеновый) в природе не встречаются, поэтому всех их можно охарактеризовать как синтетические.

Однако каучук, не смотря на свои преимущества, имеет и ряд недостатков. Так, например, из-за того что каучук состоит из длинных, химически не связанных между собой молекул, его свойства делают его пригодным для использования только в узком интервале температур. На жаре каучук становится липким, даже немного текучим и неприятно пахнет, а при низких температурах подвержен затвердеванию и растрескиванию.

Технические характеристики каучука могут быть существенно улучшены его вулканизацией. Вулканизацией каучука называют процесс его нагревания с серой, в результате которого отдельные, изначально не связанные друг с другом, молекулы каучука «сшиваются» друг с другом цепочками из атомов серы (полисульфидными «мостиками»). Схему превращения каучуков в резину на примере синтетического бутадиенового каучука можно продемонстрировать следующим образом:

Волокна

Волокнами называют материалы на основе полимеров линейного строения, пригодные для изготовления нитей, жгутов, текстильных материалов.

Классификация волокон по их происхождению

Искусственные волокна (вискозу, ацетатное волокно) получают химической обработкой уже существующих природных волокон (хлопка и льна).

Синтетические волокна получаются преимущественно реакциями поликонденсации (лавсан, капрон, нейлон).

Полимеры: свойства и классификация

Самая распространенная классификация полимеров по их составу:

высокомолекулярное органическое;
элементоорганическое;
неорганическое высокомолекулярное.

Классификация полимеров по происхождению:

природное происхождение, в естественной среде у природных полимеров (основополагающие в этом виде – полимеры белков, где мономер – аминокислота, полисахариды);
искусственное происхождение у высокомолекулярных веществ- измененные химически модифицированные природные вещества (так из целлюлозы делается пластмасса);
добытые синтетическим путем, используя полимеризацию или поликонденсацию различной структуры и длины. От длины цепочки зависит свойство и применение полимера.

Читать также: Слюда для паяльника чем заменить

Располагаться мономеры в пространстве могут по разному, отсюда различия в структурах. Она может быть:

Смотрите видео о том, что такое полимеры.

Линейная структура может быть прямой цепочкой, протянувшейся зигзагом или спиралью. Участки цепи повторяются и прочно соединяются между аналогичными участками такой же цепи.

Характеризующая особенность первой структуры – обладание гибкостью. Отсюда особенность продуктов – высокая эластичность и малая изменяемость структуры при низких температурах, отсутствует хрупкость, ломкость на морозе. (Например, полиэтилен).

Во второй структуре участвует две цепочки, химически связанные между собой. Свойства данного вида полимеров: Жесткость, выносливость высоких температур и нерастворимость в растворителях органики.

Пространственное соединение образуется из не мелких мономеров, но целых молекул поперечно. Внешне это строение напоминает сетку с ячейками разного размера. Жесткость и теплостойкость в этом соединении значительно выше, чем у линейной структуры.

Аморфные термопластичные полимеры

Как следует из названия «аморфные», молекулы полимеров данной группы не имеют определенной структуры

. Их внутреннее положение в пространстве схоже с комком ваты. Термопласты аморфного типа имеют высокую упругость, прочность, а при температуре 20⁰С еще и хрупкость. Так как структура молекул аморфных термопластов ассиметрична и беспорядочна, они не подвержены кристаллизации, поэтому остаются полностью прозрачными без введения в них дополнительных модификаторов цвета. Полимерные материалы группы аморфных термопластов имеют низкую усадку при литье. Для повышения качеств обрабатываемости обычно применяют различные модификаторы.

Температура стеклования (отсутствие движения макромолекул и сегментов) термопласта в большинстве случаев выше их применения в обычных условиях. При стандартных температурах окружающей среды термопластичные пластики по физическим свойствам не отличаются от твердых материалов с упруго обратимой деформацией. Когда же полимер из термопластов нагревают до величин температурных показателей выше температуры стеклования, термопласт становится мягким и эластичным. Находясь в высокоэластичном состоянии, полимер реагирует на физическую нагрузку энтропийной деформацией.

При дальнейшем нагреве термопласта до температуры текучести, пластик становится текучим и можно легко сместить цепи макромолекул при физическом воздействии на материал. Это обеспечивает необратимую деформацию течения полимера. Также следует помнить, что не все деформации, которые происходят в вязкотекучем состоянии с полимером, являются деформациями течения.

Термопластичные полимеры

применяются для изготовления изделий методом экструзии, горячеканального литья под давлением, термоформованием, сваркой и прочими типами механической обработки с применением предварительного нагрева. Нагревательные элементы для всех типов оборудования, которые применяются для обработки термопластов вы можете найти в каталоге нагревателей.

Пластмассы — в массы

В XX веке человечество пережило синтетическую революцию, в его жизни появились новые материалы — пластмассы. Пластмассу можно смело отнести к одному из главных открытий человечества. Без изобретения этого материала многих других открытий получить бы не удалось или удалось бы намного позже.

Александр Паркс. Изобретатель пластмассы

Первая пластмасса была изобретена в 1855 году британским металлургом и изобретателем Александром Парксом

Когда он решил найти дешевый заменитель дорогостоящей слоновой кости, из которой в то время делались бильярдные шары, он и представить себе не мог, какое важное открытие ему удалось совершить

Ингредиентами первой пластмассы стала нитроцеллюлоза, спирт и камфора. Смесь этих компонентов прогревалась до текучего состояния, а затем заливалась в форму и застывала при нормальной температуре. Так был изобретен родоначальник современных пластмасс — паркезин.

От природных материалов к полностью синтетическим развитие пластмасс пришло позже — когда профессор Фрейбургского университета немец Герман Штаудингер открыл макромолекулу — тот «кирпичик», из которого строятся все синтетические органические материалы, да и природные тоже. Это открытие принесло в 1953 году профессору Штаудингеру Нобелевскую премию.

С тех-то пор все и началось… Чуть ли не каждый год из химических лабораторий начали сообщать об открытии очередного синтетического материала с невиданными ранее свойствами, и сегодня в мире ежегодно производятся миллионы тонн всевозможных пластмасс, без которых жизнь современного человека и представить себе нельзя.

Пластмассы применяются везде, где только можно: в обеспечении комфортного быта людей, сельском хозяйстве, во всех сферах промышленности. Не стало исключением и автомобилестроение. Здесь пластик применяется все шире, стремительно смещая с позиций своего главного технологического конкурента — металл.

По сравнению с металлами пластмассы — очень молодые материалы. Их история не насчитывает и 200 лет, в то время как железо, олово и свинец были знакомы человеку еще в глубокой древности — за 3000-4000 лет до н. э. Но несмотря на это, пластмасса во многом превосходит металл.

Классификации полимерных материалов

Зависимо от происхождения полимеры разделяют на синтетические и природные. Несмотря на востребованность природных составляющих, материалы искусственного происхождения, которые производят на низкомолекулярной основе, благодаря синтезу, пользуются большим спросом.

Различия по химическому составу позволяет делить полимерные материалы на:

неорганические, у которых нет однотипных соединений, при этом есть органические радикалы, в качестве дополнительных составляющих;
элементоорганические полимеры, отличаются способностью удерживать в органическом радикальном соединении, атомы неорганики, хорошо сочетающихся с органикой;
органические, которые используют, как основу для пластмассовых изделий.

Характерным отличием структуры, влияющим на свойства материала оказывает макромолекула. Ее вид позволяет разделить полимеры на:

плоские;
ленточного типа;
разветвленной структуры;
линейного характера;
сетчатого типа;
гребнеобразные полимеры;
прочие виды.

По свойствам соединений звеньев, полимерные материалы делят по полярности, влияющую на растворимость материалов в разных средах. Ее определяют по разобщению положительных и отрицательных зарядов. Характера этих связей позволяет разделить полимеры на:

гидрофильные;
гидрофобные;
амфильные.

Иначе говоря, можно отнести перечисленные категории к полярным, неполярным или смешанным. Кроме этого, полимеры имеют разные свойства при изменении температуры. Они бывают:

термопластичные, имеющие свойство размягчения, при увеличении градуса, а при понижении – твердеют;
термореактивные, подвержены разрушению структурных связей между звеньями.

Явным примером, подчеркивающим различие структуры, будет письмо, отправленное по почте, предварительно заклеенное в конверт. В процессе транспортировки, тщательно склеенные поверхности остаются невредимыми. Но стоит нагреть обработанное место на огне или с помощью раскаленного металлического предмета, как клей утратит свои свойства и конверт откроется.

Полимерные материалы делят на два типа: синтетический (искусственный) и огнеупорный. Синтетика встречается в различных сферах жизнедеятельности человека: в строительстве, промышленности, быту и даже – в одежде. Производство искусственного сырья началось в первые годы ХХ века. Первым запатентованным материалом была бакелитовая смола, которая при нагревании меняла форму.

Современные синтетические материалы подвержены влиянию огня и высоких температур, а некоторые из них могут воспламеняться. Чтобы избежать подобное используют добавки, а также синтезируют сырье с помощью хлора или брома. Галогенированный полимерный материал, который получается после обработки, при сжигании образует газ, способствующий повышению коррозии других материалов. Разнообразие структур полимеров по химическому составу позволяет разделить материалы на несколько видов, которые находят все большее применение в народном хозяйстве.

Полиэтилен Известен по широко применяемой упаковке различного назначения. Свойства и низкая себестоимость сделала такие материалы популярными в разных отраслях. Различают полиэтилен низкого давления, который обладает прочной структурой молекул и высокого давления, с противоположными свойствами. Эти материалы имеют одинаковы по химическому составу, но различаются по структуре решетки.
Полипропилен Прозрачный полимер изготовленный методикой экструзии с охлаждением методом полива или другим способом с раздувом. Не контактирует с маслами и жирами, не деформируется при температурных изменениях, пропускает водяные пары. Эти свойства материала применяются в пищевой и строительной отрасли.
Поливинилхлорид Такие материалы с полимерной основой встречается реже других из-за способности быть хрупким и не эластичным. Был популярен в 60-е годы прошлого столетия, при сжигании образует диоксин. Современные материалы вытесняют эти полимеры за счет более высокой экологичности и улучшения структуры сырья.
Полиолефин Благодаря разнообразному строению макромолекул, эти полимеры включает в себя составляющие элементы пропилена и полиэтилена. Более половины производимой полимерной продукции относят к полиофелинам. Стойкость к разрыву, нагреву и усадке, позволит в ближайшем будущем увеличить объемы изготовления этого сырья. Тем более, что экологичность, которой обладают такие материалы выше других полимеров, а при производстве и утилизации – не выделяет вредных веществ.