Применяемые в производстве товаров

НАРОДНОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ

Пластические массы, используемые для изготовления товаров, обладают различными потребительскими свойствами, зависящими от химического строения основного компонента пластмасс - по­лимерного связующего, а также от вида и количества добавок, вводимых в ту или иную композицию.

Как указывалось ранее, в зависимости от характера процессов, протекающих при формовании изделий, пластические массы делят на термопластичные и термореактивные.

Наиболее широкое применение находят в настоящее время термопластичные материалы, отличающиеся способностью пе­рерабатываться в изделия различными наиболее экономичными методами и сохраняющие способность к повторным переработ­кам. Среди термопластов наиболее широкое применение нашли материалы на основе полиолефинов, поливинилхлорида, полисти­рола, полиамидов, полиакрилатов. Эти материалы используются как в виде гомополимеров, так и в виде композиций, наполненных минеральными порошкообразными веществами или короткими стеклянными, углеродными или органическими синтетическими волокнами.

Одним из крупнотоннажных материалов являются полиоле-фины, к которым относятся полиэтилен, пропилен, полиизобу-тилен.

Полиэтилен - полимер общей формулы [ — СН₂ -— СН₂ — ]_я представляет собой бесцветный кристаллический (55-85%) полу­жесткий или достаточно жесткий материал, характеризующийся высокой деформативной способностью (до нескольких сотен про­центов), прочностью (10-30 МПа), хорошей морозостойкостью (до -60...-70 °С). Полиэтилен характеризуется высокой химической стойкостью: не растворяется в кислотах и щелочах, органических растворителях (до температуры 70 °С), стабилен при контакте с во­дой и маслами. Полимер не имеет характерного запаха и вкуса. 396

В зависимости от способа получения различают полиэтилен высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления, несмотря на общий химический состав и строение, отличающиеся друг от друга целым рядом свойств.

ПЭВД, имеющий, как правило, более низкую молекулярную массу, более низкую степень кристалличности, а также большую степень разветвленности макромолекул по сравнению с полиэтиле­ном низкого давления, характеризуется меньшей теплостойкостью (Г_пл= 105-110 °С), более низкой плотностью (р = 910-911 кг/м³) и меньшей жесткостью.

ПЭНД имеет более высокую теплостойкость (Т_пл= 120-130 °С), большие жесткость и прочность (до 30 МПа). Однако вследствие возможного наличия в материале следов катализаторов полиэтилен низкого давления не допускается для изготовления детских игру­шек, а также изделий, контактирующих с пищевыми продуктами. ПЭВД широко применяется для изготовления посуды и детских игрушек, пленок, труб и соединительных деталей к ним, сани-тарно-технических изделий, различных емкостей, изоляции для проводов и кабелей, клеенок, волокон для технических целей.

Полипропилен - линейный кристаллический полимер (степень кристалличности -15%) общей формулы

по своим свойствам напоминает полиэтилен, но имеет меньшую плотность (900-910 кг/м³), отличается большей теплостойкостью (Т = 160-170 °С), но характеризуется меньшей морозостойкостью (температура хрупкости -5...-15 °С). Полипропилен имеет боль­шую жесткость, чем полиэтилен, а получаемые из него пленки более прочные и более прозрачные. Достаточно высокая тепло­стойкость полипропилена позволяет подвергать изделия из него стерилизации. Однако, к сожалению, полипропилен и изделия из него отличаются низкой стабильностью к действию ультрафиоле­товых лучей, одного из основных компонентов солнечного света, подвергаясь фотоокислительной деструкции под действием све-топогоды.

Глава 7

Пластические массы и изделия на их основе

 

Применяют полипропилен для изготовления хозяйственных и галантерейных товаров, игрушек, упаковочной тары для сыпучих товаров и жидких сред, деталей приборов и машин, труб, пленок, волокон и нитей.

Входящий в группу полиолефинов полиизобутилен представ­ляет собой каучукообразный аморфный полимер общей формулы

Материал характеризуется высокой морозостойкостью, сохра­няя свои высокоэластические свойства в диапазоне температур от +60 до -60 °С. Материал применяется в качестве электроизоля­ционных и антикоррозионных покрытий, для пропитки (прорези­нивания) тканей, в качестве уплотнительного материала, а также для изготовления клеев, дающих эластичные швы.

Поливинилхлорид наряду с полиэтиленом относится к одному из самых крупнотоннажных полимеров.

Получается поливинил хлорид полимеризацией хлористого ви­нила. Поливинилхлорид представляет собой аморфный полимер общей формулы

[-СН₂ — СНС1 —]„,

характеризующийся достаточно высокой плотностью (1400 кг/м³) и хорошей химической стойкостью к действию кислот, щелочей, большого числа органических растворителей, жиров, нефтепро­дуктов и воды.

На основе поливинилхлорида получают жесткие и мягкие пластики. Жесткие поливинилхлоридные пластики, называемые винипластами, характеризуются низкой теплостойкостью (темпе­ратура их размягчения - 65-70 °С), а при температуре выше 140 °С начинают разлагаться с выделением хлористого водорода.

Материал характеризуется высокой жесткостью, достаточной прочностью и устойчивостью к истиранию. Из винипласта изготав­ливают сантехническое оборудование, тару, галантерейные товары, водосточные и канализационные трубы. Широкое применение нахо­дит винипласт в электротехнике, а также, благодаря своей высокой химической стойкости, для облицовки химической аппаратуры.

Мягкий Поливинилхлорид, называемый пластикатом, пред­ставляет собой композиции на основе поливинилхлорида с до­бавкой пластификаторов (дибутилфталата, диоктилсебацината и др.), а также наполнителей, стабилизаторов, красителей и дру­гих компонентов. В зависимости от вида и количества введенного пластификатора морозостойкость изделий из пластиката колеб­лется от -15 до -60 °С. В области температур выше температур стеклования пластикат представляет собой эластичный, гибкий, легко склеивающийся и сваривающийся материал. Из пластиката изготавливают линолеум, гибкие трубы и шланги, летнюю обувь, галантерейные товары, изоляцию для проводников, клеящие ленты, пленки, используемые для упаковки, изготовления плащей, книж­ных переплетов, а также пасты для получения искусственных кож, клеенок, самоклеящихся обоев.

Полистирольные пластики представляют собой особую труп­пу полимеров аморфного строения, получаемых полимеризацией стирола с другими мономерами. Обычно в число полистирольных пластиков включают полистирол общего назначения, ударопроч­ный стирол, пенополистирол и ряд сополимеров стирола.

Собственно полистирол, называемый полистиролом общего назначения, представляет собой получаемый полимеризацией сти­рола полимер общего строения

6 5

Это прозрачный, достаточно хрупкий полимер, обладающий невысокой теплостойкостью (температура стеклования 85-90 °С), что ограничивает температурную область его использования в пре­делах 80 °С. Материал характеризуется высокими диэлектриче­скими свойствами, что обеспечивает ему широкое применение в радиотехнике в виде конденсаторных пленок - стирофлекса. Возможность и легкость переработки полистирола различными способами обеспечивает его широкое применение для изготовле­ния бытовых и галантерейных изделий (вазы, шкатулки, пуговицы, гребни), лабораторной химической посуды, упаковочной тары, осветительной арматуры и др.

Глава 7

Пластические массы и изделия на их основе

 

С целью устранения такого недостатка полистирола, как хрупкость, в последние годы был синтезирован ряд сополимеров стирола, характеризующихся высокой устойчивостью к ударным нагрузкам. Особенно большое значение имеют ударопрочные поли-стироды, представляющие собой сополимеры стирола и бутадиена, а также сополимеры стирола с акрил онитрилом (САН), тройной со­полимер акрилонитрила, бутадиена и стирола (АБС-пластик). Все эти материалы, получаемые методами суспензионной или блочной полимеризации, отличаются значительно более высокой, чем у по­листирола общего назначения, стойкостью к ударным нагрузкам (для некоторых марок сополимеров даже в несколько десятков раз). Более высокие прочностные свойства, хорошая деформативная стойкость, а также исключительная стойкость к ударным нагрузкам сополимеров стирола существенно расширили области примене­ния полистирольных пластиков.

Из сополимеров стирола изготавливают корпуса приборов, ра­дио-, фото-, электроаппаратуры, детали автомобилей (подфарники, козырьки, шкалы, указатели, приборные щитки), галантерейные товары, детали санитарно-технического оборудования и мебели, упаковку. При этом упаковка, изготовленная из ряда марок поли­стирольных пластиков (с минимальным содержанием стирола), допускается для упаковки пищевых продуктов.

Пенополистиролы находят широкое применение в качестве зву-ко- и теплоизоляционных материалов при изготовлении холодиль­ников, в капитальном строительстве, судостроении и авиатехнике.

Полиакрилаты представляют собой полимеры и сополимеры акриловой и метакриловой кислот или их производных, имеющие линейное строение макромолекул с боковыми ответвлениями. Сре­ди акрилатов наиболее широкое применение находят полиметил-метакрилат и полиакрилонитрил.

Полиметилметакрилат, цепь которого имеет строение:

Материал является типичным аморфным полимером с темпе­ратурой размягчения 105-110 °С и отличается достаточно высокой прочностью и высокой прозрачностью.

Полиметилметакрилат, часто называемый за свою высокую прозрачность органическим стеклом или плексигласом, отличается способностью хорошо пропускать ультрафиолетовые лучи: до 75% от падающего количества УФ-излучения (для сравнения: обычное силикатное стекло пропускает 0,5-1% падающего ультрафиоле­тового излучения). Материал легко перерабатывается методами вакуумного и пневматического формования, не поглощает влагу, устойчив к действию ряда растворителей.

Широко применяется для остекления самолетов и автомоби­лей, изготовления часовых стекол, хозяйственных и галантерейных изделий, в качестве имитатора хрусталя. Благодаря физиологичес­кой безвредности и устойчивости к действию влаги, кислотной и щелочной сред используется для изготовления зубных протезов и медицинского оборудования.

Полиакрилонитрил представляет собой труднокристаллизи­рующийся линейный полимер [ — СН₂ — СН — ]n белого цвета.

Материал термостоек: температура размягчения полимера -220-230 °С. Вместе с тем в этой области температур начинает протекать процесс деструкции полимера, в связи с этим процесс получения изделий из полиакрилонитрила производится не из расплава, а из раствора диметилформамиде. Основная часть по­лиакрилонитрила используется для получения шерстеподобного несминаемого волокна - нитрона.

Полиамиды представляют собой класс гетероцепных линей­ных полимеров, в основной цепи которых имеется амидная связь

Получают полиамиды преимущественно реакцией поликонден­сации полифункциональных соединений: диаминов и дикарбоно-вых кислот, аминокарбоновых кислот или их эфиров.

Полиамиды являются твердыми, рогообразными, преимущест­венно кристаллическими продуктами, с температурой плавления,

Глава 7

Пластические массы и изделия на

их основе

 

превышающей в большинстве случаев 200 °С. Полиамиды сравни­тельно устойчивы к действию воды, хотя и способны ее поглощать в количестве до 10%. Материалы обладают низким коэффициентом трения, что способствует их применению в узлах трения.

К недостаткам полиамидов следует отнести их сравнительно низкую устойчивость к термо- и фотоокислению, вызывающим разрушение амидных связей макромолекул, что приводит к сниже­нию прочности и эластичности материала, появлению хрупкости, а также ухудшению диэлектрических свойств за счет большего влагопоглощения.

Из ненаполненных и наполненных полиамидов изготавлива­ются товары хозяйственного назначения (оконные петли, воронки, вешалки), сантехнические изделия, галантерейные изделия (за­стежки-молнии, пуговицы, одежные кнопки). Полиамиды исполь­зуются для изготовления труб, изоляционной оболочки кабелей, бесшумных шестеренок, деталей узлов трения. Способность по­лиамидов к вытягиванию в нити с получением ориентированных систем высокой прочности позволяет получать из них синтетичес­кие волокна (капрон, нейлон, анид), используемые для производ­ства тканей, трикотажных и нетканых полотен, шнуров, канатов, рыболовных сетей и т. д.

Полиэфиры, являющиеся по своей химической природе слож­ными эфирами, получают реакцией поликонденсации многоатом­ных спиртов и многоосновных кислот или их ангидридов.

Наиболее важными представителями этого класса пластмасс являются полиэтилентерефталат и поликарбонат - термопластич­ные полиэфиры линейного строения, получаемые из двухатомных кислот и двухатомных спиртов и фенолов.

Материал относится к классу кристаллизующихся полимеров: при достаточно быстром охлаждении расплава до комнатных тем-

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) представляет собой твердый полимер белого цвета общей химической формулы

ператур образуется аморфный прозрачный полимер, в дальнейшем медленно кристаллизирующийся, при этом скорость кристаллизации достигает максимального значения при температуре 80 °С. Мак­симальная степень кристалличности неориентированного ПЭТФ достигает 45%, у ориентированного материала (в виде волокон и пле­нок) этот показатель может составлять даже 60%. ПЭТФ отличается достаточно высокой температурой плавления (255-265 °С), значи­тельной плотностью (до 1450 кг/м³), а также хорошими диэлектри­ческими свойствами, сохраняющимися практически неизменными во влажной среде. Материал является химически устойчивым: при комнатных температурах нерастворим в большинстве органических растворителей, органических кислотах, жирах и воде. Предельное водопоглощение материала не превышает 1%.

Основное количество промышленно выпускаемого ПЭТФ используется для получения так называемых полиэфирных или лавсановых волокон и пленок. Волокна и пленки из ПЭТФ харак­теризуются высокой прочностью, хорошими деформационными свойствами, а также стойкостью к истиранию. Пленки из ПЭТФ, имеющие, как правило, преимущественно аморфную структуру, являются высокопрозрачными и благодаря этому свойству и вы­сокой прочности широко используются в качестве фото-, кино-и рентгеновской пленки, подложки для аудио- и видеомагнитных лент, изоляции обмоток трансформаторов, а также для упаковки пищевых продуктов, медицинских препаратов и химических ре­активов. Высокопрочные лавсановые волокна, напоминающие по ряду своих свойств шерсть, но превосходящие ее по устойчивос­ти к истиранию, находят широкое применение при изготовлении тканей, транспортерных лент, брезентов, рыболовных сетей, бен-зостойких шлангов и других важных изделий.

Поликарбонаты, являющиеся сложными полиэфирами уголь­ной кислоты и диоксисоединений, характеризуются наличием в ос­новной цепи карбонатной связи, связывающей радикалы К. и К.':

 

__________________________ Глава 7 ___ _______

Благодаря ценному комплексу свойств наибольший интерес представляют линейные ароматические поликарбонаты. Поликар­бонаты характеризуются сравнительно низкой степенью кристал­личности (30-40%), высокой температурой плавления (220-270 °С), хорошей теплостойкостью (теплостойкость по Вика 150-165 °С) и выдающейся морозостойкостью, лежащей в области темпера­тур -100 °С. Материал обладает хорошими прочностными свойст­вами и особенно высокой устойчивостью к ударным нагрузкам, практически сохраняющимся неизменными в широком интерва­ле температур от -150 до +200 °С. Материалы отличают высокие диэлектрические свойства и хорошая оптическая прозрачность. Поликарбонаты обладают низкой гигроскопичностью, устойчивы к действию УФ-света, излучений высокой энергии и суммарному воздействию факторов светопогоды. Благодаря комплексу ценных свойств поликарбонаты являются одним из самых перспективных видов пластических масс и находят широкое применение для из­готовления корпусов радиоаппаратуры, холодильников, магнито­фонов, труб, кранов, насосов, шестеренок, болтов, электротехни­ческой и светотехнической аппаратуры.

Физиологическая безвредность поликарбонатов позволяет ши­роко применять их в медицинской промышленности для изготов­ления корпусов бормашин, зубных протезов, обладающих высокой прочностью и стабильностью размеров, небьющейся медицинской посуды.

Отсутствие запаха и вкуса, высокая ударостойкость, а также безвредность позволяют применять поликарбонаты для изготов­ления посуды для горячей пищи, упаковочной тары, в т. ч. для хранения и транспортировки пищевых продуктов.

Фторопласты - принятое в России техническое название фтор содержащих пластмасс, имеющих в разных странах различ­ные торговые наименования: фторлон (Россия), тефлон (США), сорефлон (Франция), гостафлон (Германия) и т. д. Наиболее из­вестным среди фторопластов является фторопласт-4, имеющий химическое название политетрафторэтилен, структурная формула которого [ — СР₂ — СР₃ — ]_п.

Пластические массы^изделия на их основе_____________

Фторопласт-4 представляет собой получающийся методом по­лимеризации линейный высококристаллический (степень крис­талличности достигает 90%) полимер белого цвета, характери­зующийся высокой для ненаполненных пластмасс плотностью, составляющей 2150-2250 кг/м³.

Полимер характеризуется целым рядом свойств, делающих данный материал настоящим рекордсменом среди других видов пластмасс..

Фторопласт-4 является одним из самых теплостойких и тер­мостабильных полимеров: его температура плавления составляет 327 °С, а заметное разложение материала наблюдается лишь при 415 °С.

Фторопласт-4 является наиболее химически стойким поли­мером: он не растворяется ни в одном растворителе, на него не действуют даже концентрированные кислоты, сильные окисли­тели и другие агрессивные вещества. Материал является лучшим диэлектриком, и его диэлектрические свойства не изменяются в широком температурном интервале эксплуатации. Фторопласт-4 обладает самым низким коэффициентом трения из всех известных материалов. Материал отличается антиадгезивными свойствами, а также является физиологически безвредным.

Весь этот комплекс ценных свойств и обеспечили фтороплас-ту-4 широкое применение в самых различных областях экономики. Полимер широко применяется в радио- и электротехнике в качестве изоляционного материала для проводов, кабелей, конденсаторов, трансформаторов и устройств, эксплуатирующихся в коррозионно-активных средах, а также при низких и высоких температурах. Из материала изготавливают коррозионно-стойкие трубы, проклад­ки, вентили. Фторопласт-4 наносят на различные поверхности для придания им антикоррозионных и антиадгезионных свойств, что находит применение при изготовлении антипригарной посуды, а также для защиты изделий и конструкций от коррозии. В меди­цине фторопласт-4 применяется для изготовления различных про­тезов (сердечных-клапанов, кровеносных сосудов, суставов и др.). Фторопласт-4 применяется в качестве материала для изготовления подшипников, работающих без смазки и в агрессивных средах.

Глава 7

Пластические массы и изделия на их основе

 

Однако более широкому применению материала в этом направлении препятствует присущая фторопласту хладотекучесть - способность деформироваться (изменять свои размеры) под действием даже умеренных нагрузок при сравнительно низких температурах.

Термореактивные пластмассы в отличие от термопластичных в процессе переработки в изделия переходят в неплавкое и нераст­воримое состояние и в дальнейшем эксплуатируются в этом виде, не переходя в состояние расплава даже при высоких температурах, вызывающих разложение полимера. Это придает таким материалам высокую теплостойкость и устойчивость к действию химически агрессивных сред: растворителей, кислот, щелочей, водных сред и др., тем самым расширяет диапазон возможных условий эксплуа­тации изделий из этих материалов.

Наиболее распространенными среди таких материалов явля­ются феноло-формальдегидные, амино-формальдегидные, эпок­сидные и кремнийорганические смолы и пластические массы на их основе.

Феноло-формальдегидные (ф/ф) смолы, являющиеся одним из наиболее распространенных полимерных материалов, полу­чают поликонденсацией формальдегида с фенолом, имеющим три активных центра. Реакция протекает в несколько стадий, при этом на начальной стадии образуются линейные продукты поли­конденсации, а затем разветвленные (резитол) и пространственно сшитые (резит) структуры. При избытке фенола в реакционной смеси получают новолачные (идитоловые) смолы, а при избытке формальдегида - резольные (бакелитовые) смолы.

Новолачные смолы термопластичны, имеют линейное строе­ние, растворимы в спиртах и ацетоне, и их растворы применяют для изготовления идитоловых лаков и политур.

Резольные смолы под действием повышенных температур спо­собны переходить в неплавкое, нерастворимое трехмерно сшитое состояние (резит). Резольные смолы широко применяются для из­готовления фенопластов - пластических масс на их основе. Фе­нопласты получают из прессованных материалов, являющихся композициями новолачной или резольной смолы на стадии рези-тола, обладающего разветвленной или слабо сшитой структурой

и наполнителей различного состава. В процессе переработки пресс-порошков при повышенных температурах (160-180 °С) происходит переход ф/ф смолы в трехмерносшитое состояние. Сшитые ф/ф смолы обладают высокой теплостойкостью и термостойкостью, выдерживая в течение длительного времени воздействие темпе­ратур 125 °С и кратковременно до 170 °С. Изделия из феноплас­тов обладают хорошей прочностью, высокими диэлектрическими свойствами, устойчивостью к действию кислот, щелочей, раство­рителей, воды.

Фенопласты широко используются для изготовления хозяй­ственных, канцелярских товаров и товаров культурно-бытового назначения, а также электроустановочной аппаратуры.

К сожалению, вследствие токсичности основных компонентов (фенола и формальдегида) фенопласты не применяются для изго­товления посуды и других изделий, контактирующих с пищевыми продуктами. Фенопласты обладают низкой устойчивостью к дей­ствию световых лучей, и, окисляясь на воздухе, присутствующий в них фенол образует окрашенные (красно-коричневые) соединения, придающие композициям пятнистый вид. Вследствие этого изделия из фенопластов изготавливают обычно черного или коричневого цвета, добавляя в композиции соответствующие пигменты.

Амино-формольдегидные смолы получают поликонденсацией формальдегида с мочевиной и меламином. Механизм протекающих реакций отверждения этих смол сходен с механизмом сшивания ф/ф смолы. Пластмассы на основе амино-формальдегидных смол называют аминопластами.

Аминопласты обладают высокой теплостойкостью, термостой­костью, хорошей влагостойкостью, но показатели этих свойств несколько ниже, чем у фенопластов.

Аминопласты применяют для изготовления деталей электро­осветительного оборудования (абажуры, колпаки, выключатели), посудо-хозяйственных, галантерейных товаров, товаров культур­но-бытового назначения. Обычно изделия из аминопластов имеют окраску светлых или ярких тонов. Допускается применение ами­нопластов для изготовления изделий, контактирующих с пищевы­ми продуктами (но не для горячей пищи).

Глава 7

Пластические массы и изделия на их основе

 

Эпоксидные смолы в неотвержденном виде представляют со­бой жидкие, реже твердые, полимерные соединения, содержащие в макромолекулах эпоксидную группу (а-окисный цикл)

Эпоксидные смолы эксплуатируются только в отвержденном состоянии, отверждаясь за счет раскрытия а-окисного цикла без выделения побочных продуктов, что дает возможность получать изделия из них практически без усадки. Отверждение эпоксидных смол производится как при нагревании, так и при сравнительно низких температурах (например, комнатных). Отвердителями для эпоксидных смол служат полиамины (отвердители холодного от­верждения), либо дикарбоновые кислоты и их ангидриды (отвер­дители горячего отверждения).

Отвержденные эпоксидные смолы обладают хорошей проч­ностью, высокой адгезионной способностью, влагостойкостью. Изделия на основе эпоксидных смол отличаются достаточной теп­лостойкостью (120-140 °С), хорошими диэлектрическими свойст­вами.

Эпоксидные смолы используют как основу ряда лакокрасочных материалов, клеев, а также в качестве связующего для изготовления армированных пластиков, абразивных и фрикционных материалов, полимербетонов, герметиков, компаундов, пенопластов и других материалов и изделий, широко применяемых в различных областях народного хозяйства.

Кремнийорганические смолы, относящиеся к классу элементо-органических полимеров, характеризуются наличием в структуре основной цепи атомов кремния и кислорода, т. е. наличием так называемой силоксановой связи:

и углеродных радикалов (Я и Я') в боковой цепи. Основным ценным свойством этих материалов является их высокая термостойкость. Материалы на основе кремнийорганических смол выдерживают рабочие температуры до 250 °С (ненаполненные смолы) и даже до 400 °С (наполненные минеральными наполнителями композиции). Кремнийорганические смолы обладают гидрофобными (водоот­талкивающими) свойствами.

Жидкие Кремнийорганические смолы применяются в качестве высокотемпературных смазок и водоотталкивающих пропиток тка­ней, не ухудшающих их воздухо-, паропроницаемость, для пропи­ток древесины с целью повышения ее стойкости к действию влаги и снижения пожароопасности.

Важнейшую роль играют Кремнийорганические смолы в ка­честве основного связующего для изготовления трехмерно сшитых композиций с различными наполнителями, отличающихся высо­кой прочностью и термостойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами и водостойкостью и находящих в связи с этим самое широкое применение.