Состав, структура и свойства пластических масс

 

 

Лекция Состав, структура и свойства пластических масс

 

1 Состав и структура  пластических масс

1.1. Состав пластических масс

2. Общие свойства пластмасс

 

 

1 Состав и структура  пластических масс

Пластическими массами (пластмассами, пластиками) называют материалы на основе полимеров и их композиций с различными ингредиентами, способные при определенных условиях (температуре, давлении) формироваться в изделиях и сохранять приданную им форму.

Основой пластических масс являются полимеры.

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, состоящие из длинных цепных молекул, образованных многократным чередованием одинаковых групп атомов, которые соединены между собой химическими связями. При этом комплекс свойств полимера практически не изменяется, если произошло добавление или удаление одного или нескольких составных звеньев.

Молекулы полимеров из-за больших размеров называют макромолекулами, а многократно повторяющиеся группировки атомов – элементарными звеньями. Например, элементарной макромолекулой полиэтилена … - CH2 - CH2 - CH2 - … является участок цепи … - CH2 - …

В зависимости от производства полимеры получают реакцией полимеризации или поликонденсации низкомолекулярных веществ (мономеров). Молекулы этих веществ, вступают в реакцию друг с другом при наличии ненасыщенных связей или химически активных групп.

Реакция полимеризация – процесс соединения, укрупнения молекул исходных веществ без выделения побочных продуктов.

Реакция поликонденсация – процесс последовательного присоединения нескольких молекул мономера, сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов, например, воды, аммиака. Реакцией поликонденсацией получают фенолоальдегидные, аминоальдегидные, полиэфирные и другие синтетические смолы.

Полимеры, состоящие из элементарных звеньев одинаково химического строения, называют гомополимерами, например … - А – А – А – … (А – условное обозначение элементарного звена).

Полимеры, молекула которых содержит элементарные звенья разного строения, называют сополимерами; в этом случае в реакцию полимеризации вступают молекулы не одного, а двух или нескольких мономеров. Схематично сополимеры можно представить как … – А – А – А – В – В – В – А – А – А – В – В – В – … .

Сополимеризацией получают полимерные материалы, в которых сочетаются положительные свойства нескольких полимеров. Например, обычный полистирол характеризуется хрупкостью, невысокой теплостойкостью, склонностью к старению. Если полимеризацию мономера стирола провести совместно с другими мономерами, например с метилметакрилатом, то полученный сополимер (марка МC) оказывается более теплостойким, менее подверженным старению, имеет лучшие механические характеристики.

Основной структурной единицей полимера является макромолекула. От ее химического строения зависят многие свойства полимера. Например, наличие в цепи элемента хлора (- Cl) обусловливает не горючесть полимеров, наличие нитрильной группы (- CN) – светостойкость, наличие гидроксильных и карбоксильных групп (-ОН, -СООН) - влагопоглощение. Введение полярных групп (-ОН, - СООН, -CN и пр.) значительно повышает межмолекулярное взаимодействие, что ведет к увеличению прочности, твердости и теплостойкости полимера, но снижает его морозостойкость и диэлектрические свойства.

Свойства полимеров обусловливаются также характером расположения элементарных звеньев макромолекулы.

По строению различают полимеры линейные, разветвленные и сетчатые (сшитые). В линейных полимерах элементарные звенья располагаются в виде длинных цепей. Полимеры, в которых основная цепь имеет боковые ответвления, называют разветвленными. Сетчатые полимеры построены из цепных молекул. Они образуются в процессе синтеза сначала в виде длинных цепей, между которыми при определенных условиях возникают поперечные связи. Происходит химическая реакция «сшивания». Она лежит в основе получения ряда полимерных материалов, например в основе получения резины путем вулканизации каучуков серой.

Свойства сетчатых полимеров зависят от количества поперечных связей. С увеличением числа сшивок, т. е. частоты сетки, повышаются жесткость, твердость, теплостойкость. Типичными представителями сетчатых полимеров являются фенолоформальдегидные, аминоальдегидные и другие смолы.

По отношению к нагреванию различают пластмассы термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопласты при нагревании размягчаются, а при охлаждении снова затвердевают, сохраняя при этом прежние свойства. Поэтому термопласты (их отходы) можно перерабатывать в изделия несколько раз. Это линейные и разветвленные полимеры, которые плавятся при нагревании и растворяются в соответствующих органических растворителях. К ним относятся полиметилметакрилат, полиэтилен, полистирол и др.

Термореактивными (реактопластами) называют пластмассы, которые при нагревании приобретают сетчатую (сшитую) структуру, необратимо теряя способность плавиться и растворяться. Они размягчаются лишь на определенной стадии получения и при дальнейшем нагревании окончательно затвердевают и становятся хрупкими. К реактопластам относят фенопласты, аминопласты, эфиропласты и т.д.

По характеру расположения молекул выделяют два фазовых состояния – кристаллическое и аморфное, которые различаются порядком в расположении макромолекул.

Кристаллическое состояние характеризуется упорядоченным расположением макромолекул относительно друг друга, аморфное - неупорядоченным. С повышением кристалличности увеличивается прочность, жесткость, плотность полимеров, но снижается их эластичность и способность окрашиваться.

Пластические массы - это чаще всего композиции полимера (связующего вещества) с другими компонентами и поэтому большинство из них являются композиционными материалами. В состав пластмасс, кроме связующего, входят наполнители, пластификаторы, красители, стабилизаторы и другие добавки.

По природе связующих различают пластмассы на основе синтетических полимеров, химически измененных природных полимеров и природных смол.

Связующее вещество является основной, обязательной составной частью любого пластика. Оно соединяет все составные части пластмассы. Связующим обычно служат синтетические смолы, природные модифицированные полимеры, белковые вещества и др. Иногда пластмасса состоит только из одного связующего вещества (смолы), например полиэтилен, полистирол.

Наполнители придают изделиям из пластмасс большую механическую прочность, повышают их теплостойкость и химическую стойкость, улучшают электроизоляционные свойства, снижают усадку, а также стоимость. В качестве наполнителей применяют древесную муку, хлопковые очесы, ткани, бумагу, асбест, каолин, мел и др. Для получения газонаполненных пластиков (поро- и пенопластов) в состав композиции вводят так называемые порофоры (газообразователи), которые в процессе формования пластмассы при нагревании выделяют газы, вспенивающие ее.

Пластификаторы придают пластмассе гибкость, эластичность, снижают жесткость и хрупкость, повышают свето- и морозостойкость, облегчают процесс формования изделий. Пластификаторами служат преимущественно маслообразные высококипящие жидкости (дибутилфталат, трикрезилфосфат и др.). Пластифицирующее действие их основано на ослаблении сил межмолекулярного взаимодействия полимера.

Красители окрашивают пластмассы в разнообразные цвета. Они представляют собой тонко измельченные минеральные пигменты либо органические красители.

Стабилизаторы - вещества, замедляющие старение пластмасс, т. е. постепенное ухудшение их свойств под действием кислорода воздуха, света, влаги и других факторов. Процесс старения полимеров связан с накоплением свободных радикалов, образующихся в результате распада макромолекулярных цепей. Защитное действие стабилизаторов основано, на способности связывать свободные радикалы или переводить их в малоактивное состояние. В качестве стабилизаторов используют амины, фенолы, сажу и др.

Кроме перечисленных компонентов в пластмассы могут входить отвердители, смазки, антипирены и др.

По типу и разновидности наполнителя пластмассы бывают пресс-порошковые – с наполнителем в виде порошка; волокнистые – с волокнистым наполнителем; слоистые – с наполнителем в виде листов бумаги, тканей и др.; газонаполненные – с открытыми или закрытыми порами.

По наличию пластификаторов различают пластмассы непластифицированные и пластифицированные.

 

1.1 Состав пластических масс

По составу пластические массы разделяют на простые и сложные (композиционные). Первые состоят только из полимера (синтетической смолы или химически видоизмененного природного полимера), к которому могут добавляться небольшие количества красителей и стабилизаторов (до 3%). Композиционные пластмассы содержат, кроме того, значительные количества (до нескольких десятков процентов) других компонентов: наполнителей, пластификаторов, газообразователей, отвердителей. Вспомогательной добавкой являются смазывающие вещества, предотвращающие прилипание отформованного изделия к стенкам формы. В композиционных пластмассах полимеры выполняют роль компонента, связывающего другие составные части (особенно наполнитель), поэтому их называют связующими веществами.

Связующими веществами являются преимущественно синтетические высокомолекулярные соединения и некоторые видоизмененные природные полимеры (эфиры целлюлозы). Они являются главной составной частью, определяющей все основные свойства пластмасс; их способность формоваться при повышенных температурах и давлении, а также сохранять приданную изделию форму. К композиционным относятся пластмассы на основе феноло- и аминоальдегидных смол, которые применяют обычно с наполнителями и красителями, поэтому по своей структуре они гетерофазны. Многие синтетические смолы (полиэтилен, полистирол и др.), а также эфиры целлюлозы используют в качестве пластмасс как с наполнителями, так и без них.

Наполнителями пластмасс служат различные измельченные неорганические и органические материалы, например: древесная мука, кварцевый песок, каолин, тальк, дробленая слюда (отходы) и другие порошкообразные и волокнистые материалы (очесы хлопка, волокна асбеста, измельченные обрезки тканей и бумаги). Наполнитель может составлять более половины состава пластмассы. В слоистых пластмассах (гетинаксе, текстолите) наполнителем являются рулонная бумага и ткани, пропитанные и склеенные смолой.

Порошкообразные наполнители перемешиваются со связующими веществами и остальными компонентами пластмассы, пропитываются и обволакиваются связующим веществом, благодаря чему в процессе формования изделий образуется твердая и плотная масса. При этом свойства пластмасс видоизменяются.

Введение наполнителя повышает механическую прочность и твердость, понижает величину усадки пластмассы в процессе формования изделия. Особенно улучшаются механические свойства, повышается прочность на удар при введении в пластмассу волокнистых наполнителей, выполняющих роль армирующих элементов и устраняющих хрупкость ненаполненных пластмасс. Наряду с повышением прочности и твердости введение наполнителей в ряде случаев повышает теплостойкость и огнестойкость пластмасс, облегчает их переработку и снижает стоимость.

Газообразователи вводят в состав для получения газонаполненных пластмасс (поро- и пенопластов). Они представляют собой химические соединения, разлагающиеся в процессе формования изделий при нагревании с выделением газообразных веществ.

Пластификаторами являются маслообразные органические вещества, имеющие высокую температуру кипения, — преимущественно сложные эфиры фталевой и фосфорной кислот (дибутилфталат, диоктилфталат, трикрезилфосфат) и др. Их добавляют в тех случаях, если необходимо уменьшить жесткость и хрупкость полимера. Повышая пластичность связующего вещества и тем самым облегчая переработку пластмассы, пластификаторы придают материалам и изделиям эластичность и гибкость. Для полярных полимеров применяют полярные, а для неполярных — неполярные пластификаторы.

Проникая между макромолекулами и иными структурными элементами смолы, молекулы пластификатора взаимодействуют с ними, сольватируют и раздвигают их, ослабляют силы межмолекулярного взаимодействия между ними. При этом температура стеклования (затвердевания) понижается, расширяются пределы температур, в которых полимер сохраняет высокоэластическое состояние. В результате увеличивается его морозостойкость, хотя стойкость к повышенным температурам (теплостойкость) понижается. Большое количество пластификаторов (до 50% и более состава пластмассы) расходуется для превращения жесткого и относительно хрупкого полимера — поливинилхлоридной смолы — в мягкий и эластичный пластик — поливинилхлоридный пластикат.

Пластификаторы должны взаимодействовать и хорошо совмещаться с полимером, не испаряться и не мигрировать («выпотевать») из него, быть химически стабильными и физиологически безвредными. Последнее требование особенно важно для пластмасс, используемых в производстве бытовых изделий. Очень перспективными пластификаторами оказались низкомолекулярные полиэфирные смолы, которые почти совсем не мигрируют из полимера, практически нелетучи, обладают масло- и бензиностойкостью.

Красящие вещества пластмассы — это тонко измельченные пигменты и органические красители, стойкие к температурам, при которых формуются изделия. Некоторые минеральные пигменты одновременно выполняют роль не только красителя, но и наполнителя пластмасс (окись цинка, литопон, сажа и др.). При выборе красящего вещества для окрашивания учитывают и его способность ускорять (стимулировать) или, наоборот, задерживать (ингибировать) старение пластмассы.

Стабилизаторы (ингибиторы) — это вещества, препятствующие необратимому изменению свойств синтетических смол и пластмасс под действием тепла, кислорода воздуха, света, влаги и прочих факторов, т. е. замедляющие процессы старения. Особенно интенсивное старение пластмасс вызывают ультрафиолетовые лучи, обладающие большой мощностью, сравнимой с энергией химических связей. Вследствие этого они способны отрывать электроны с наружных оболочек атомов. Такое действие ускоряет взаимодействие макромолекул полимера с кислородом, влагой и между собой, приводит, с одной стороны, к их разрыву (деструкции), с другой — к образованию поперечных связей (сшивок) между цепями (структурированию). В результате понижаются механическая прочность и эластичность полимерных материалов и изделий, возрастает хрупкость, ухудшается их внешний вид.