Состав пластмасс: Состав пластмасс

Состав пластмасс

The best child support lawyer near me

Пластические массы имеют исключительно важное зна­чение для развития различных отраслей народного хо­зяйства и в первую очередь машиностроения. Они явля­ются самостоятельным конструкционным материалом и обладают рядом ценных технических свойств, которых не имеют металлы и другие природные материалы.

Внедрение в машиностроение, новых синтетических материалов с высокой механической прочностью и стой­костью к действию нефтепродуктов позволяет изготовлять целые узлы из пластмасс, что ведет к сокращению расхода металлов и уменьшает массу изделий.

Пластическими массами называются материалы, полу­чаемые на основе искусственных и естественных смол, и их смеси с различными наполнителями.

При нормальных условиях пластмассы представляют собой твердые или эластичные материалы. Под влияни­ем температуры и давления пластмассы могут перехо­дить в пластическое состояние, принимать и сохранять приданную им форму.

Пластмассы по своему составу бывают простыми, если они состоят из чистых связующих смол, или слож­ными (композиционными), если в них, кроме связующе­го вещества, содержатся и другие компоненты: напол­нители, пластификаторы, смазывающие вещества, ста­билизаторы, красители, катализаторы    или ускорители.

Связующее вещество (смола) определяет основные свойства пластмасс. При изготовлении пластмасс наи­более широко применяют искусственные смолы — про­дукты переработки каменного угля, нефти и других ма­териалов. Пластмассы, полученные на основе искусст­венных смол, относятся к полимерным соединениям. Ес­тественные смолы (янтарь, шеллак) и продукты перера­ботки естественных материалов (асфальт, канифоль и др.) применяются значительно реже.

Наполнители придают пластмассам определенные физико-механические свойства и во многих случаях уде­шевляют стоимость пластмассовых деталей.

B качестве наполнителей используются органические вещества: древесная мука, древесный шпон, бумага, ткани, хлопковые очесы, стружка, опилки и пр., а также минеральные вещества: кварцевая мука, тальк, каолин, асбест, стекловолокно, стеклоткань и пр.

Пластификаторы обеспечивают пластмассам пластич­ность, увеличивают текучесть. В качестве их использу­ются дибутилфталат, трикрезилфосфат, камфора и т. п.

Смазывающие вещества предотвращают прилипание изготовленного изделия к форме. К ним относятся сте­арин, воск и т. п.

Стабилизаторы повышают термостабильность и свя­зывают побочные продукты.    Стабилизаторами служат неорганические (вода, фосфаты) и органические (ами­нокислоты) вещества.

Красители (нигрозин, мумия и др.) придают пластмассам требуемую окраску.

Катализаторы (известь, окись магния) сокращают время отвердевания.

Пластмассы. Состав, свойства, применение пластмасс

Содержание страницы

Пластмассы (пластики) представляют собой органические материалы на основе

полимеров, способные при нагреве размягчаться и под давлением принимать определённую устойчивую форму.

Полимеры – это соединения, которые получаются путем многократного повторения (рис. 1), то есть химического связывания одинаковых звеньев – в самом простом случае, одинаковых, как в случае полиэтилена это звенья CH₂, связанные между собой в единую цепочку. Конечно, существуют более сложные молекулы, вплоть до молекул ДНК, структура которых не повторяется, очень сложным образом организована.

Рис. 1. Формы макромолекул полимеров

1. Компоненты, входящие в состав пластмасс

В большинстве своем пластмассы состоят из смолы, а также наполнителя, пластификатора, стабилизатора, красителя и других добавок, улучшающих технологические и эксплуатационные свойства пластмассы. Свойства полимеров могут быть в значительной степени улучшены и изменены, в зависимости от требований, предъявляемых различными отраслями техники, с помощью различных составляющих пластмассы.

Наполнители служат для улучшения физико-механических, диэлектрических, фрикционных или антифрикционных свойств, повышения теплостойкости, уменьшения усадки, а также для снижения стоимости пластмасс. По массе содержание наполнителей в пластмассах составляет от 40 до 70 %. Наполнителями могут быть ткани, а также порошкообразные и волокнистые вещества.

Пластификаторы увеличивают пластичность и текучесть пластмасс, улучшают морозостойкость. В качестве пластификаторов применяют дибутилфталат, трикрезилфосфат и др. Их содержание колеблется в пределах 10 – 20 %.

Стабилизаторы – вещества, предотвращающие разложение полимерных материалов во время их переработки и эксплуатации под воздействием света, влажности, повышенных температур и других факторов. Для стабилизации используют ароматические амины, фенолы, сернистые соединения, газовую сажу.

Красители добавляют для окрашивания пластических масс. Применяют как минеральные красители (мумия, охра, умбра, литопон, крон и т. д.), так и органические (нигрозин, родамин).

Смазочные вещества – стеарин, олеиновая кислота, трансформаторное масло – снижают вязкость композиции и предотвращают прилипание материала к стенкам пресс-формы.

2. Классификация пластмасс

В зависимости от поведения связующего вещества при нагреве пластмассы разделяют на термореактивные и термопластичные.

Термореактивные пластмассы при нагреве до определенной температуры размягчаются и частично плавятся, а затем в результате химической реакции переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние. Термореактивные пластмассы необратимы: отходы в виде грата и бракованные детали обычно используют после измельчения только в качестве наполнителя при производстве пресспорошков.

Термопластичные пластмассы

при нагреве размягчаются или плавятся, а при охлаждении твердеют. Термопластичные пластмассы обратимы, но после повторной переработки пластмасс в детали физико-механические свойства их несколько ухудшаются.

К группе термореактивных пластмасс относятся пресспорошки, волокниты и слоистые пластики. Они выгодно отличаются от термопластичных пластмасс отсутствием хладотекучести под нагрузкой, более высокой теплостойкостью, малым изменением свойств в процессе эксплуатации. Термореактивные пластмассы перерабатывают в детали (изделия) преимущественно методом прессования или литьё под давлением (рис. 2).

Рис. 2. Схема и установка для получения деталей из термореактивных пластмасс

В таблице 1 приведены свойства, области применения и интервал рабочих температур некоторых термореактивных пластмасс. На рис. 3 показаны некоторые изделия из термореактивных пластмасс.

Таблица 1.

Рис. 3. Изделия, где применены термореактивные пластмассы

Технология изготовления термопластов довольно проста: гранулы засыпаются в камеру термопластавтомата, где, при необходимой температуре, переходят в текучее состояние, затем расплавленная масса попадает в специальную форму, где происходит прессование и дальнейшее охлаждение (рис. 4). Как правило, большинство термопластов может быть использовано вторично.

Рис. 4. Пресс-форма для литья пластмасс

В таблице 2 приведены свойства, области применения и интервал рабочих температур некоторых термопластичных пластмасс. На рис. 5 показаны некоторые изделия из термопластичных пластмасс.

Таблица 2.

Рис. 5. Изделия из термопластичных пластмасс

Выбор пластмассы для изготовления конкретного изделия определяется его эксплуатационными условиями. Критерии выбора разнообразны и зависят от назначения изделия. Основными критериальными характеристиками полимерных материалов являются механические (прочность, жесткость, твердость), температурные (изменения механических и деформационных характеристик при нагревании или охлаждении) и электрические. Последние отражают широкое применение пластмасс в радиоэлектронной и электротехнической отраслях. Кроме того, существенное значение приобрели триботехнические характеристики и ряд специальных свойств (огнестойкость, звукопоглощение, оптические особенности, химическая стойкость). Немаловажны также экономические условия (стоимость полимерного материала, тираж изделия, условия производства).

3. Механические свойства пластмасс

Механические свойства определяют поведение физического тела под действием приложенного к нему усилия. Численно это поведение оценивается прочностью и деформативностью. Прочность характеризует сопротивляемость разрушению, а деформативность — изменение размеров полимерного тела, вызванное приложенной к нему нагрузкой. Поскольку и прочность, и деформация являются функцией одной независимой переменной — внешнего усилия, то механические свойства еще называют деформационнопрочностными (рис. 6).

Рис. 6. Механические испытания пластмасс на деформацию прочность (слева), ударную вязкость (по центру), твёрдость (справа)

Модуль упругости является интегральной характеристикой, дающей представление прежде всего о жесткости конструкционного материала. Ударная вязкость характеризует способность материалов сопротивляться нагрузкам, приложенным с большой скоростью. В практике оценки свойств пластмасс наибольшее применение нашло испытание поперечным ударом, реализуемым на маятниковых копрах.

Твердость определяет механические свойства поверхности и является одной из дополнительных характеристик полимерных материалов. По твердости оценивают возможные пути эффективного применения пластиков. Пластмассы мягкие, эластичные, имеющие низкую твердость, используются в качестве герметизирующих, уплотнительных и прокладочных материалов. Твердые и прочные могут применяться в производстве деталей конструкционного назначения: зубчатых колес и венцов, тяжело нагруженных подшипников, деталей резьбовых соединений и пр. (рис. 7).

Рис. 7. Детали конструкционного применения из пластмасс

В таблице 3 указаны механические свойства термопластов общего назначения.

Таблица 3.

Несколько примеров по обозначению (см. табл. ниже).

ПЭВД		Полиэтилен высокого давления	ГОСТ 16337-77
ПЭНД		Полиэтилен низкого давления	ГОСТ 16338-85
ПС		Полистирольная плёнка	ГОСТ 12998-85
ПВХ		Пластификаторы	ГОСТ 5960-72
АБС		Акрилбутодиентстирол	ГОСТ 8991-78
ПММА		Полиметилметаакрилат	ГОСТ 2199-78

4. Сварка пластмасс

Сварке подвергаются только так называемые термопластичные пластмассы (термопласты), которые при нагревании становятся пластичными, а после охлаждения принимают первоначальные вид и свойства. Кроме них, существуют термореактивные пластмассы, которые изменяют свои свойства при нагреве. Нагревать пластмассы при сварке следует не выше температуры их разложения, т. е. в пределах 140—240 °С.

Пластмассы можно сваривать различными способами:

• нагретым газом;
• контактной теплотой от нагревательных элементов;
• трением;
• ультразвуком (рис. 8).

Основные условия для получения качественного соединения пластмасс при сварке следующие:

1. Диаметр присадочного прутка не должен превышать 4 мм для достаточно быстрого его нагрева и обеспечения необходимой производительности сварки.
2. Сварку следует вести по возможности быстро во избежание термического разложения материала.
3. Необходимо точно выдерживать температуру сварки во избежание недостаточного нагрева или перегрева свариваемого материала.

На рис. 8 показано оборудование и методы сварки пластмасс.

Рис. 8. Сварочный экструдер для сварки пластмасс, полимеров

5. 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

Просмотров: 21 632

Состав и свойства пластмасс

   Пластмассы получают обычно из связующего вещества и наполнителя, вводя в состав исходной массы те или иные специальные добавки-пластификаторы, отвердители, стабилизаторы и красители.

Связующие вещества

   Связующим веществом в пластмассах служат различные полимеры – синтетические смолы и каучуки, производные целлюлозы. Выбор связующего вещества в значительной мере определяет технические свойства изделий из пластмасс: их теплостойкость, способность сопротивляться воздействию растворов кислот, щелочей и других агрессивных веществ, а также характеристика прочности и деформативности. Связующее вещество – это обычно самый дорогой компонент пластмассы.

   Для производства полимеров имеются огромные запасы сырья. Исходными материалами для их получения являются природный газ и так называемый «попутный» газ, сопровождающий выходы нефти. В газообразных продуктах переработки нефти содержится этилен, пропилен и другие газы, перерабатываемые на предприятиях в полимеры.

   Сырьем для полимеров служит также каменноугольный деготь, получаемый при коксовании угля и содержащий фенол и другие компоненты.

   В производстве синте5тических материалов применяют также азот и кислород, получаемые из воздуха, воду и ряд других широко распространенных веществ.

Наполнители

   Наполнители представляют собой разнообразные неорганические и органические порошки и волокна. В виде наполнителей слоистых пластмасс порошки и волокна. В форме наполнителей слоистых пластмасс широко используют также бумагу, ткани, древесный шпон и другие листовые материалы. Наполнители существенно уменьшают потребность в дорогом полимере и тем самым намного удешевляют изделия из пластмасс. Кроме того, наполнители улучшают ряд свойств изделий – повышают теплостойкость, а волокна ткани и листовой материалы сильно повышают сопротивление растяжению и изгибу, действуя подобно арматуре в железобетоне.

Пластификаторы

   Пластификаторы – это вещества, добавляемые к полимеру для повышения его высокой эластичности и уменьшения хрупкости. В виде пластификаторов могут использоваться некоторые низкомолекулярные высококипящие жидкости. Молекулы жидкости, проникая между звеньями цепей полимера, увеличивают расстояние и ослабляют связи между ними. Это и приводит к уменьшению вязкости полимера.

   При изготовлении пластмасс в их состав добавляют и другие добавки. Вещества, являющиеся инициаторами реакции полимеризации, убыстряют процесс отверждения пластмасс и их поэтому называют отвердителями. Добавки стабилизаторы способствуют сохранению структуры и свойства пластмасс во времени, предотвращая их раннее старение при воздействии солнечного света, кислорода воздуха, нагрева и других неблагоприятных влияний.

   В качестве красителей пластмасс применяют как органические (нигрозин, хризоидин и др.), так и минеральные пигменты – охру, мумие, сурик, ультрамарин, белила и др.

   Для производства пористых пластических масс в полимеры вводят специальные вещества – порообразователи (порофоры), обеспечивающие создание в материале пор.

   Положительным свойством пластмасс является то, то возможно получить некоторые материалы с высокими показателями, например:

   — малая плотность в пределах от 20 до 2200 кг/м3;

   — высокие прочностные характеристики – у текстолита предел прочности при разрыв5е достигает 150 МПа, у древопластиков равен 350 МПа. Пределы прочности при сжатии этих материалов также достаточно высоки, например, у древопластиков порядка 200 МПа, у СВАМа (стекловолокнистый анизотропный материал) – 420 МПа. Пластмассы с наполнителями (как порошкообразными, так и волокнистыми) имеют предел прочности при сжатии в пределах от 120 до 160 МПа;

   — низкая теплопроводность. Самые легкие пористые пластмассы имеют показатель теплопроводности всего лишь 0,03 Вт/(м*°C), т.е. близкий к теплопроводности воздуха;

   — высокая химическая стойкость;

   — высокая устойчивость к коррозионным воздействиям;

   — способность окрашиваться в различные цвета;

   — малая истираемость некоторых пластмасс. В связи с этим в первую очередь эти пластмассы целесообразно внедрять как материалы для покрытия полов;

   — прозрачность пластмасс. Органические стекла пропускают менее 1% ультрафиолетовых лучей, тогда как обычные – более 70%; они легко окрашиваются в различные цвета. Так, стекло из полистирола имеет плотность 1060 кг/м3, тогда как обычное оконное стекло – 2500 кг/м3;

   — технологическая легкость обработки (пиление, сверление, фрезерование строгание, обточка и др.), позволяющая придавать изделиям из пластмасс разнообразные формы. Пластмассовые конструкции и изделия поддаются склеиванию как между собой, так и с другими материалами (например, с металлом, деревом и др.). Поэтому из пластмасс можно изготовлять различные комбинированные клееные строительные изделия и конструкции;

   — относительная легкость сварки материалов из пластмасс (например, труб в струе горячего воздуха) позволяет механизировать работы по монтажу пластмассовых трубопроводов;

   — способность некоторых пластмасс образовывать тонкие пленки в сочетании с их высокой адгезией к ряду материалов, вследствие чего такие пластмассы незаменимы как сырье для производства строительных лаков и красок;

   — наличие в стране обширной сырьевой базы для производства полимеров (природные газы, газы нефтепереработки).

   Вместе с тем пластмассы имею ряд недостатков. К отрицательным свойствам большинства пластических масс нужно прежде всего отнести их низкую теплостойкость (от +70 до +200°C). Пластические массы имеют малую поверхностную твердость. Значительным недостатком пластмасс является высокий коэффициент термического расширения. Это необходимо учитывать при проектировании строительных конструкций, особенно крупноразмерных (например, трубопроводов).

   Не могут быть игнорированы и другие отрицательные строительные свойства пластмасс – их повышенная ползучесть, особенно заметная при повышении температурного режима, а также некоторых из них обладают горючестью с выделением вредных газов и токсичностью при эксплуатации.

   К недостаточно изученным свойствам пластмасс следует отнести сроки из службы. Между тем вопросы долговечности материалов, изменяемости их свойств во времени в значительной мере определяют их применения в строительстве.

Автор: к.т.н. Иванов М.И.

Техническая строительная экспертиза

Узнать стоимость и сроки online, а также по тел.: +7(495) 641-70-69; +7(499) 340-34-73; e-mail: [email protected]

Читайте также:

получение пластмасс, состав, свойства, свариваемость

---

Рекомендуем приобрести:

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

---

Состав и свойства

Получение пластмасс

Пластмассы — это материалы, полученные на основе синтетических или естественных полимеров (смол). Синтезируются полимеры путем полимеризации или поликонденсации мономеров в присутствии катализаторов при строго определенных температурных режимах и давлениях.

В полимер с различной целью могут вводиться наполнители, стабилизаторы, пигменты, могут составляться композиции с добавкой органических и неорганических волокон, сеток и тканей.

Таким образом, пластмассы в большинстве случаев являются многокомпонентными смесями и композиционными материалами, у которых технологические свойства, в том числе и свариваемость, в основном определяются свойствами полимера.

В зависимости от поведения полимера при нагревании различают два вида пластмасс — термопласты, материалы, которые могут многократно нагреваться и переходить при этом из твердого в вязко-текучее состояние, и реактопласты, которые могут претерпевать этот процесс лишь однократно.

Особенности строения

Пластмассы (полимеры) состоят из макромолекул, в которых более или менее регулярно чередуется большое число одинаковых или неодинаковых атомных группировок, соединенных химическими связями в длинные цепи, по форме которых различают линейные полимеры, разветвленные и сетчато-пространственные.

По составу макромолекул полимеры делятся на три класса:

1) карбоцепные, основные цепи которых построены только из углеродных атомов;

2) гетероцепные, в основных цепях которых, кроме атомов углерода, содержатся атомы кислорода, азота, серы;

3) элементоорганические полимеры, содержащие в основных цепях атомы кремния, бора, алюминия, титана и других элементов.

Макромолекулы обладают гибкостью и способны изменять форму под влиянием теплового движения их звеньев или электрического поля. Это свойство связано с внутренним вращением отдельных частей молекулы относительно друг друга. Не перемещаясь в пространстве, каждая макромолекула находится в непрерывном движении, которое выражается в смене ее конформаций.

Гибкость макромолекул характеризует величина сегмента, т. е. число звеньев в ней, которые в условиях данного конкретного воздействия на полимер проявляют себя как кинетически самостоятельные единицы, например в поле ТВЧ как диполи. По реакции к внешним электрическим полям различают полярные (ПЭ, ПП) и неполярные (ПВХ, полиаксилонитрил) полимеры. Между макромолекулами действуют силы притяжения, вызванные ван-дер-ваальсовым взаимодействием, а также водородными связями, ионным взаимодействием. Силы притяжения проявляются при сближении макромолекул на 0,3—0,4 им.

Полярные и неполярные полимеры (пластмассы) между собой несовместимы — между их макромолекулами не возникает взаимодействия (притяжения), т. е. они между собой не свариваются.

Надмолекулярная структура, ориентация

По структуре различают два вида пластмасс — кристаллические и аморфные. В кристаллических в отличие от аморфных наблюдается не только ближний, но и дальний порядок. При переходе из вязко-текучего состояния в твердое макромолекулы кристаллических полимеров образуют упорядоченные ассоциации-кристаллиты преимущественно в виде сферолитов (рис. 37.1). Чем меньше скорость охлаждения расплава термопласта, тем крупнее вырастают сферолиты. Однако и в кристаллических полимерах всегда остаются аморфные участки. Изменяя скорость охлаждения, можно регулировать структуру, а следовательно, и свойства сварного соединения.

Резкое различие продольных и поперечных размеров макромолекул приводит к возможности существования специфического для полимеров ориентированного состояния. Оно характеризуется расположением осей цепных макромолекул преимущественно вдоль одного направления, что приводит к проявлению анизотропии свойств изделия из пластмассы. Получение ориентированных пластмасс осуществляется путем их одноосной (5—10-кратной) вытяжки при комнатной или повышенной температуре. Однако при нагреве (в том числе и при сварке) эффект ориентации снижается или исчезает, так как макромолекулы вновь принимают термодинамически наиболее вероятные конфигурации (конформации) благодаря энтропийной упругости, обусловленной движением сегментов.

Реакция пластмасс на термомеханический цикл

Все конструкционные термопласты при нормальных температурах находятся в твердом состоянии (кристаллическом или застеклованном). Выше температуры стеклования (Т_ст) аморфные пластмассы переходят в эластическое (резиноподобное) состояние. При дальнейшем нагреве выше температуры плавления (T_пл) кристаллические полимеры переходят в аморфное состояние. Выше температуры текучести Т_T и кристаллические, и аморфные пластмассы переходят в вязкотекучее состояние Все эти изменения состояния обычно описываются термомеханическими кривыми (рис. 37.2), являющимися важнейшими технологическими характеристиками пластмасс. Образование сварного соединения происходит в интервале вязкотекучего состояния термопластов. Реактопласты при нагреве выше Т_T претерпевают радикальные процессы и в отличие от термопластов образуют пространственные полимерные сетки, не способные к взаимодействию без их разрушения, на что требуется применение специальных химических присадок.

Основные пластмассы для сварных конструкций

Наиболее распространенными конструкционными пластмассами являются группы термопластов на основе полиолефинов: полиэтилена высокого и низкого давления, полипропилена, полиизобутилена.

Полиэтилен [..—СН₂—СН₂—…]_n высокого и низкого давления — кристаллические термопласты, отличающиеся между собой прочностью, жесткостью, температурой текучести. Полипропилен [—СН₂—СН(СН₃)—]_n более температуростоек, чем полиэтилен, и обладает большей прочностью и жесткостью.

В значительных объемах используются хлорсодержащие пластики на основе полимеров и сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида.

Поливинилхлорид (ПВХ) [—(СН₂—СНСl—)]_n — аморфный полимер линейного строения, в исходном состоянии является жестким материалом При добавке к нему пластификатора можно получить очень пластичный и хорошо сваривающийся материал — пластикат. Из жесткого ПВХ — винипласта — изготавливают листы, трубы, прутки, а из пластиката — пленку, шланги и другие изделия. Из ПВХ изготавливаются также вспененные материалы (пенопласты).

Значительную группу полимеров и пластмасс на их основе составляют полиамиды, содержащие в цепи макромолекул амидные группы [—СО—Н—]. Это в большинстве кристаллические термопласты с четко выраженной температурой плавления. Отечественная промышленность выпускает главным образом алифатические полиамиды, используемые для изготовления волокон, отливки деталей машин, получения пленок. К полиамидам относятся, в частности, широко известные поликапролактам и полнамид-66 (капрон).

Наибольшую известность из группы фторлонов получил политетрафтор-этилен-фторлон-4 (фторопласт 4). В отличие от других термопластов при нагреве он не переходит в вязкотекучее состояние даже при температуре деструкции (около 415°С), поэтому его сварка требует особых приемов. В настоящее время химической промышленностью освоен выпуск хорошо сваривающихся плавких фторлонов; Ф-4М, Ф-40, Ф-42 и др. Сварные конструкции из фторсодержащих пластиков обладают исключительно высокой стойкостью к агрессивным средам и могут воспринимать рабочие нагрузки в широком диапазоне температур.

На основе акриловой и метакриловой кислоты производятся акриловые пластики. Наиболее известная в практике производная на их основе — пластмасса полнметилметакрилат (торговая марка «плексиглас»). Эти пластики, обладающие высокой прозрачностью, используются как светопроводящие изделия (в виде листа, прутков и т. д.) Нашли применение также сополимеры метилметакрилата и акрилонитрила, которые обладают большей прочностью и твердостью. Все пластики этой группы хорошо свариваются.

Хорошей прозрачностью отличается группа пластиков на основе полистирола. Этот линейный термопласт хорошо сваривается тепловыми способами.

Для изготовления сварных конструкций преимущественно в электротехнической промышленности используют сополимеры стирола с метилстиролом, акрилонитрилом, метилметакрилатом и, в частности, акрилонитрилбутадиенстирольные (АБС) пластики. Последние отличаются от хрупкого полистирола более высокой ударной прочностью и теплостойкостью.

В сварных конструкциях находят применение пластмассы на основе поликарбонатов — сложных полиэфиров угольной кислоты. Они обладают более высокой вязкостью расплава, чем другие термопласты, однако свариваются удовлетворительно. Из них изготавливают пленки, листы, трубы и различные детали, в том числе декоративные. Характерными особенностями являются высокие диэлектрические и поляризационные свойства.

Формообразование деталей из пластмасс

Термопласты поставляются для переработки в гранулах размером 3—5 мм. Основными технологическими процессами изготовления полуфабрикатов и деталей из них являются: экструзия, литье, прессование, каландрирование, производимые в температурном интервале вязкотекучего состояния.

Трубопроводы из полиэтиленовых и поливинилхлоридных труб применяют для транспорта агрессивных продуктов, в том числе нефти и газа с содержанием сероводорода и углекислоты и химических (неароматических) реагентов в химическом производстве. Резервуары и цистерны для перевозки кислот и щелочей, травильные ванны и другие сосуды облицовываются пластмассовыми листами, соединяемыми с помощью сварки Герметизация пластикатом помещений, загрязняемых изотопами, покрытие полов линолеумом также осуществляются с помощью сварки. Консервация пищевых продуктов в тубы, коробки и банки, упаковка товаров и почтовых посылок резко ускоряются с применением сварки.

Машиностроительные детали. В химическом машиностроении свариваются корпуса и лопатки различного рода смесителей, корпуса и роторы насосов для перекачки агрессивных сред, фильтры, подшипники и прокладки из фторопласта, из полистирола сваривается осветительная арматура, из капрона неэлектропроводные шестерни, валики, муфточки, штоки, из фторлона — несмазывающиеся подшипники, вытеснители топлива и т д.

Оценка свариваемости пластмасс

Основные стадии процесса сварки

Процесс сварки термопластов состоит в активации свариваемых поверхностей деталей, либо находящихся уже в контакте (сварка ТВЧ, СВЧ), либо приводимых в контакт после (сварка нагретым инструментом, газом, ИК-излучением и т. д.) или одновременно с активизацией (сварка трением, УЗ-сварка).

При плотном контакте активированных слоев должны реализоваться силы межмолекулярного взаимодействия.

В процессе образования сварных соединений (при охлаждении) происходит формирование надмолекулярных структур в шве, а также развитие полей собственных напряжений и их релаксация. Эти конкурирующие процессы определяют конечные свойства сварного соединения. Технологическая задача сварки состоит в том, чтобы максимально приблизить по свойствам шов к исходному — основному материалу.

Механизм образования сварных соединений

Реологическая концепция. Согласно реологической концепции, механизм образования сварного соединения включает два этапа — на макроскопическом и микроскопическом уровнях. При сближении под давлением активированных тем или иным способом поверхностей соединяемых деталей вследствие сдвиговых деформаций происходит течение расплава полимера. В результате этого удаляются из зоны контакта ингредиенты, препятствующие сближению и взаимодействию ювенильных макромолекул (эвакуируются газовые, окисленные прослойки). Вследствие разности скоростей течения расплава не исключено и перемешивание макрообъемов расплава в зоне контакта. Только после удаления или разрушения дефектных слоев в зоне контакта, когда ювенильные макромолекулы сблизятся на расстояния действия Ван-дер-Ваальсовых сил, возникает взаимодействие (схватывание) между макромолекулами слоев соединяемых поверхностей деталей. Этот аутогезионный процесс происходит на микроуровне. Он сопровождается взаимодиффузией макромолекул, обусловленной энергетическим потенциалом и неравномерностью градиента температур в зоне свариваемых поверхностей.

Итак, чтобы образовалось сварное соединение двух поверхностей, необходимо прежде всего обеспечить течение расплава в этой зоне.

Течение расплава в зоне сварки зависит от его вязкости: чем меньше вязкость, тем активнее происходят сдвиговые деформации в расплаве — разрушение и удаление дефектных слоев на контактирующих поверхностях, тем меньшее давление необходимо прилагать для соединения деталей.

Вязкость расплава в свою очередь зависит от природы пластмассы (молекулярной массы, разветвленности макромолекул полимера) и температуры нагрева в интервале вязкотекучести. Следовательно, вязкость может служить одним из признаков, определяющих свариваемость пластмассы: чем она меньше в интервале вязкотекучести, тем лучше свариваемость и, наоборот, чем больше вязкость, тем сложнее разрушить и удалить из зоны контакта ингредиенты, препятствующие взаимодействию макромолекул. Однако нагрев для каждого полимера ограничен определенной температурой деструкции Т_д, выше которой происходит его разложение — деструкция. Термопласты различаются по граничным значениям температурного интервала вязкотекучести, т. е. между температурой их текучести Т_T и деструкции Т_д (табл. 37.2).

Классификация термопластов по их свариваемости. Чем шире интервал вязкотекучести термопласта (рис. 37.3), тем практически проще получить качественное сварное соединение, ибо отклонения по температуре в зоне шва отражаются менее на величине вязкости. Наряду с интервалом вязкотекучести и минимальным уровнем в нем значений вязкости заметную роль играет в реологических процессах при образовании шва градиент изменения вязкости в этом интервале. За количественные показатели свариваемости приняты: температурный интервал вязкотекучести ΔT, минимальное значение вязкости η_min и градиент изменения вязкости в этом интервале.

По свариваемости все термопластичные пластмассы можно разбить по этим показателям на четыре группы (табл. 37.3).

Сварка термопластичных пластмасс возможна, если материал переходит в состояние вязкого расплава, если его температурный интервал вязкотекучести достаточно широк, а градиент изменения вязкости в этом интервале минимальный, так как взаимодействие макромолекул в зоне контакта происходит по границе, обладающей одинаковой вязкостью.

В общем случае температура сварки назначается, исходя из анализа термомеханической кривой для свариваемой пластмассы, принимаем ее на 10—15° ниже Т_д. Давление принимается такое, чтобы эвакуировать расплав поверхностного слоя в грат либо разрушить его, исходя из конкретной глубины проплавления и теплофизических показателей свариваемого материала. Время выдержки t_CB определяется исходя из достижения квазистационарного состояния оплавления и проплавления либо по формуле

где t₀ — константа, имеющая размерность времени и зависящая от толщины соединяемого материала и способа нагрева; Q — энергия активации; R — газовая постоянная; Т — температура сварки.

При экспериментальной оценке свариваемости пластмасс фундаментальным показателем является длительная прочность сварного соединения, работающего в конкретных условиях по сравнению с основным материалом.

Испытываются образцы, вырубленные из сварного соединения, на одноосное растяжение. При этом временной фактор моделируется температурой, т. е. используется принцип температурно-временной суперпозиции, основанный на допущении, что при данном напряжении связь между длительной прочностью к температурой однозначна (метод Ларсона-Миллера).

Методы повышения свариваемости

Схемы механизма образования сварных соединений термопластов. Повышение их свариваемости может производиться за счет расширения температурного интервала вязкотекучести, интенсификации удаления ингредиентов или разрушения дефектных слоев в зоне контакта, препятствующих сближению и взаимодействию ювенильных макромолекул.

Возможно несколько путей:

введение в зону контакта присадки в случае недостаточного количества расплава (при сварке армированных пленок), при сварке разнородных термопластов присадка по составу должна обладать сродством к обоим свариваемым материалам;

введение в зону сварки растворителя или более пластифицированной присадки;

принудительное перемешивание расплава в шве путем смещения соединяемых деталей не только вдоль линии осадки, но и возвратно-поступательно поперек шва на 1,5—2 мм или наложением ультразвуковых колебаний. Активизация в зоне контакта перемешивания расплава может производиться после оплавления стыкуемых кромок нагревательным инструментом, имеющим ребристую поверхность. Свойства сварного соединения могут быть улучшены последующей термической обработкой соединения. При этом снимаются не только остаточные напряжения, но возможно исправление структуры в шве и околошовной зоне, особенно у кристаллических полимеров. Многие из изложенных мероприятий приближают свойства сварных соединений к свойствам основного материала.

При сварке ориентированных пластмасс во избежание потери их прочности вследствие переориентации при нагреве до вязко-текучего состояния полимера применяют химическую сварку, т. е. процесс, при котором в зоне контакта реализуются радикальные (химические) связи между макромолекулами. Химическую сварку применяют и при соединении реактопластов, детали из которых не могут переходить при повторном нагреве в вязкотекучее состояние. Для инициирования химических реакций в зону соединения при такой сварке вводят различные реагенты в зависимости от соединяемого вида пластмасс. Процесс химической сварки, как правило, производится при нагреве места сварки.

Волченко В.Н. Сварка и свариваемые материалы т.1. -M. 1991

См. также:

Состав и классификация пластмасс | ООО СТК / Украина

Пластическими массами называют органические вещества большого молекулярного веса (органические связующие) или композиции на их основе (смеси с другими материалами), которые при нагревании становятся пластичными, способными изменять свою форму под влиянием нагрузок (давления), причем в этот период им может быть придана желаемая форма, которую они должны сохранять и после снятия нагрева и давления.

Состав пластмасс:

Смолы являются основой (связующим) в пластических массах. Они могут применяться для изготовления изделий в чистом виде и в виде композиций с различными добавками.

Масса для литья под давлением на основе полистирола представляет собой композицию, состоящую из полистирольной смолы, наполнителей и красителей. Она применяется для изготовления различных изделий, к которым не предъявляются повышенные требования по диэлектрическим свойствам.

В композицию, кроме основного связующего, могут входить наполнители, пластификаторы, смазывающие вещества, стабилизаторы, отверждающие вещества, красители и др.

В качестве наполнителей используют кварц, молотую слюду, древесную муку, древесную крошку, хлопок, ткани, асбест и многие другие вещества. Введение наполнителей обычно преследует две цели – улучшение каких-либо качеств и удешевление композиции. Так, молотая слюда, кварц, асбест увеличивают теплостойкость композиции. Введение хлопка или ткани повышает механическую прочность пластмасс.

Добавка древесной муки, несколько увеличивая ударную вязкость материала, значительно удешевляет его.

Пластификаторы применяют для улучшения пластических свойств композиции.

Так, например, ацетилцеллюлоза почти не обладает пластическими качествами, а в смеси с пластификатором служит связующим в композициях, называемых ацетилцеллюлозными этролами.

В качестве пластификаторов применяют нелетучие (малолетучие) органические растворители – дибутилфталат, диметилфтолат и др.

Смазывающие вещества (стеарат кальция, парафин и др.) вводятся в композиции на основе термореактивных смол, предназначенных для изготовления изделий горячим прессованием, и в литьевые композиции.

Благодаря смазывающим веществам эти композиции не прилипают к поверхности форм при прессовании. В композициях, перерабатываемых в изделия методом литья пластмасс под давлением, смазывающие вещества улучшают литьевые свойства пластиков.

Стабилизаторы предназначены для замедления процесса старения пластика при его переработке и дальнейшей эксплуатации.

Так, например, полиэтилен при воздействии тепла, ультрафиолетовых лучей, кислорода воздуха ухудшает свои физико-механические и диэлектрические свойства (стареет). Процесс старения резко уменьшается при введении небольших количеств стабилизаторов.

Отверждающие вещества (уротропин) вводятся главным образом в композиции, предназначенные для изготовления изделий горячим прессованием, в которых связующим служат термопластические смолы.

Под воздействием отвердителя термопластичная смола переходит в термореактивную, отверждающую при нагревании.

Наличие большого числа органических связующих, наполнителей и других компонентов создает неограниченные возможности для создания материалов, различающихся как по составу, так и по качествам.

Классификация пластмасс:

Все пластические массы разделяются на четыре класса:

Класс А. Пластические массы на основе высокомолекулярных соединений, получаемых цепной полимеризацией. К ним относятся пластмассы на основе полистирола, полиэтилена, поливинилхлорида (винипласт) и др.

Класс Б. Пластические массы на основе высокомолекулярных соединений, получаемых поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией. К ним относят пластмассы на основе фенолоальдегидных смол (фенопласты), карбамидных смол (аминопласты), полиамидных смол и др.

Класс В. Пластические массы на основе химически модифицированных природных полимеров. К ним относятся пластмассы на основе эфиров целлюлозы (целлулоид, этролы), галалит и др.

Класс Г. Пластические массы на основе природных и нефтяных асфальтов и смол, плучаемых при пирогенетической деструкции (разложении) различных органических веществ. К ним относятся пластические массы на основе природных и нефтяных асфальтов и пеков (пеколиты, асбопеколиты) и др.

Процесс оформления заявки на литье изделий из пластмасс в Украине прост и сделать это можно при помощи электронной почты [email protected] или звонка по телефонам м/т 067-64-63-882, 095-408-41-39, т/ф 0462-65-15-44. Без лишних трудностей пройдет и отгрузка в любой город (Харьков, Тернополь, Днепропетровск и др.).

3. Состав пластмасс

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

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 – вещества, вводимые в полимерные материалы для придания им необходимых физико-механических свойств. Наполнители придают изделиям из пластмасс большую механическую прочность, повышают их теплостойкость и химическую стойкость, улучшают электроизоляционные свойства, повышают сопротивляемость усадке и ползучести, снижают горючесть, снижают расход полимера и тем самым снижают стоимость пластмассы.

По своей природе наполнители могут быть органическими (хлопковый пух, отходы деревообработки, лигнин, древесный шпон, измельченные отходы пластмассового производства, различные ткани) и неорганическими (асбест, стекловолокнистые материалы, тальк, слюда, кварц, каолин, литопон, графит, сажа и др.),

В зависимости от формы частиц и вида наполнители подразделяются на порошковые (древесная и кварцевая мука, каолин, мел, порошки металлов и слюды), волокнистые (асбестовое, стеклянное, хлопчатобумажное и синтетическое волокно) и листовые (ткани, бумага 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 изделии. В качестве пластификаторов используют эфиры карбоновых и фосфорных кислот, эпоксидированные соединения, нафтеновые минеральные масла, маслообразные высококипящие вещества (камфора, дибутилфталат, крезилфосфат) и др. Пластифицирующее действие их основано на ослаблении сил межмолекулярного взаимодействия полимера. Содержание пластификаторов в композициях может изменяться в широких пределах и достигать 40–50 % от массы полимера.

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

Стабилизаторы — это 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.

Отвердители являются сшивающими агентами, вводимыми с целью образования на определенной стадии переработки пластмасс сетки поперечных связей между макромолекулами (диамины, гликоли, аминоспирты и т.д.), а также инициаторы, ускорители и активаторы полимеризации.

Структурообразователи – добавки, оказывающие влияние на процессы формирования надмолекулярных структур (тонкодисперсные порошкообразные оксиды и карбиды металлов, некоторые соли органических кислот, поверхностно-активные вещества). Содержание таких добавок составляет всего 0,1–1 % от массы полимера.

Антипирены – добавки, снижающие горючесть полимерного материала, затрудняющие его воспламенение, замедляющие процесс распространения в нем пламени или приводящие в оптимальных вариантах к его самозатуханию. В качестве антипиренов используют хлорсодержащие вещества, производные сурьмы, а также эфиры фосфорных кислот.

Кроме перечисленных компонентов в пластмассы могут входить и другие компоненты, формирующие требуемые свойства пластмасс.

1.3. Основные компоненты пластических масс

Полимеры и пластические массы на их основе по композиционному составу существенно отличаются друг от друга. Полимер не содержит добавок, пластмассы же — это многокомпонентные системы. Основой любой пластмассы служит связующее, т.е. полимер. Кроме него в состав могут входить:

—      наполнители

—      пластификаторы

—      смазывающие вещества

—      отвердители и ускорители отверждения

—      структурообразователи и регуляторы структурообразования

—      ингибиторы или стабилизаторы

—      красители

—      антистатики

—      антипирены

—      газообразователи

—      аппретирующие и другие добавки

Каждый из них придаёт определённые свойства пластмассовому изделию.

Связующее вещество влияет на все свойства (физико-механические), а поэтому связующее вещество определяет свойства изделия из пластмассы. В качестве связующих используют главным образом синтетические и природные смолы, некоторые производные целлюлозы. Широкое применение получили поликонденсационные фенолформальдегидные, кремнийорганические соединения, а также соединения полимеризационного типа: ПЭ, ПП, ПС. В зависимости от связующего при выборе конкретного полимера в качестве связующего необходимо руководиться следующими теоретическими и практическими данными:

1.    При производстве изделий применяющихся в качестве конструкционных или машиностроительных деталей, рекомендуются применять главным образом поликонденсационные фенолформальдегидные олигомеры.

2.    Для производства изделий электротехнического назначения в качестве связующих можно применять фенолформальдегидные олигомеры, ПС, ПК, полиамиды, ПВХ и ПЭ.

3.    Для изготовления химического оборудования часто выбирают ПЭ, полиизобутилен — они стойкие к действию солей, кислот. Также используются фенолформальдегидные олигомеры. Универсальной химической стойкостью отличается политетрафторэтилен.

4.    Для придания изделию цветостойкости, светостойкости, способности окрашиваться в любые цвета применяются ПС, карбамидоформальдегидные смолы, сополимеры ПС с другими полимерами, ПВХ.

5.    При изготовлении изделий, работающих на трение, в состав вводят фенолформальдегид или полиамиды.

Выбор состава полимерной композиции зависит от свойств основного компонента — полимера — а также от способности этого полимера совмещаться с добавками, и зависит от предъявляемых конечной пластмассе физико-механических и других эксплуатационных свойств. В последнее время используются гибридные связующие смеси полимеров в различных соотношениях.

Наполнители оказывают существенное влияние, а часто и определяющее, на физико-механические свойства изделия, а также на формовочные свойства (текучесть, усадка) и на режим переработки, а именно предопределяет величину удельного давления, температуры и продолжительность формования.

Интерес представляют твёрдые наполнители. По своей природе они бывают органическими и неорганическими. Каждая из групп подразделяется на порошковые, волокнистые и слоистые наполнители.

К неорганическим порошковым относят молотую слюду, кварцевую муку, графит, железный порошок, каолин, тальк, оксид цинка, диоксид титана и другие. К неорганическим волокнистым — длинноволокнистый асбест, стекловолокно.

Органические порошковые включают древесную муку. Волокнистые органические — хлопковый линтер, сульфитная целлюлоза, крошка древесного шпона, текстильная крошка, искусственные химические волокна. Слоистые наполнители включают стеклянную и х/б ткань, бумагу, древесный шпон.

При производстве изделий с заданными свойствами большое значение имеет выбор типа связующего и наполнителя, соотношения между ними, технологии переработки пластической массы в изделие. При одном и том же связующем в зависимости от свойств наполнителя свойства пластмасс сильно различаются.

Для материалов с особо высокими свойствами используют х/б ткань, химические волокна и древесный шпон. Повышенные диэлектрические свойства достигаются использованием слюды, кварцевой муки. Для придания кислотостойкости, теплостойкости и фрикционных свойств вводят асбест. Для получения пластмасс легкоокрашивающихся в светлые тона используют сульфитную муку. Для улучшения физико-механических характеристик пластмасс используют аппретирование. Аппреты — полифункциональные соединения (органические), способные взаимодействовать и с наполнителями и со связующим.

Пластификаторы — это жидкие или твёрдые вещества, придающие полимеру эластичность, придающие температуре размягчения и температуре стеклования. Они способствуют улучшению перерабатываемости. Они вводятся в том случае, когда основные компоненты плохо перемешиваются, плохо вальцуются и плохо прессуются.

Пластификаторы чаще всего применяются для эфиров целлюлозы, для полимеризационных пластмасс.

К пластификаторам предъявляют следующие требования:

—       совместимость со связующим и с композицией в целом

—       светостойкость

—       теплостойкость

—       малая летучесть

—       должен сообщать материалу пластичность даже при низких температурах

—       низкая стоимость

В качестве пластификаторов применяют камфору, трикрезилфосфат, трифенилфосфат, триэтилфосфат, триметилфосфат, дибулитфталат, дибутилксилацинат.

Смазывающие вещества: стеарин, олеиновая кислота. Они предотвращают прилипание пластмассы к технологическому оборудованию на стадии приготовления пластмассы и на стадии переработки при формовании.

Красители — они используются в декоративных целях. Применяются различные добавки: фенольные прессматериалы окрашиваются в чёрный и коричневый. Новолачные прессматериалы окрашиваются в чёрный с помощью нигрозина. Резольные —  в коричневый с помощью мумия.

Аминопласты, полимеризационные пластмассы, эфиры целлюлозы окрашиваются в разнообразные цвета. Обычно в производстве применяют органические и неорганические красители, они растворяются в углеводородах, спиртах, иногда в воде, а также применяют нерастворимые красители — пигменты (охра, сурик жёлтый, технический углерод).

К потенциальным красителям предъявляют следующие требования:

-совместимость с компонентами пластмасс

-химически инертные (не вступали в реакции с компонентами)

-чистота окраски

-светостойкость

-теплостойкость

-неизменность во времени

-низкая стоимость

Отверждающие вещества — они вводятся в полимерный материал для обеспечения перехода полимера от линейному к пространственному строению. В качестве отверждающих веществ могут быть использованы совместно вводимые инициаторы и ускорители полимеризации. Эти добавки обычно способствуют развитию радикальной полимеризации. Этот способ обычно применяется для отверждения полиэфиракрилатных и полиэфирмалеиновых смол, в состав которых входит стирол и другие полимеризующиеся мономеры.

Для сшивания эпоксидных олигомеров используются ангидриды кислот, амины и другие соединения (фталевый ангидрид, полиэтиленполиамид ПЭПА).

Резольные фенолформальдегидные олигомеры отверждаются в результате поликонденсации при повышенной температуре.

Новолачные фенолформальдегидные олигомеры с помощью добавок формальдегида или уротропина переводятся в резольные олигомеры и отверждаются далее при нагревании.

В последнее время широкое распространение получила сшивка полиолефинов органическими пероксидами.

К числу других добавок, применяемых для изготовления пластмасс, относятся венская известь (MgO + CaO), и оксид Mg. Эти оксиды в составе пластмассы нейтрализуют остатки кислых катализаторов и предотвращают коррозию пресс-формы. Они же способствуют снижению прилипаемости формуемых изделий к поверхности оснастки.

В процессе приготовления и ещё более в процессе переработки, а также при эксплуатации изделий из пластмасс, полимерные изделия подвергаются воздействию тепла, кислорода, влаги, света и механических воздействий. При этом происходит деструкция, окисление, структурирование. В свою очередь окисление сопровождается ухудшением диэлектрических свойств, уменьшением упругости, повышением температуры стеклования полимера, возникающие при деструкции свободные радикалы вступают во вторичные реакции, образуя в полимере ответвления и сетчатую структуру.

Деструкция, которая сопровождается последующим сшиванием, и приводит к повышению молекулярной массы полимера вплоть до полной потери растворимости. При этом полимер теряет способность переходить в пластическое и вязкотекучее состояние. Разрыв же макромолекул и по длине цепи снижает среднюю молекулярную массу и изменяет фракционный состав полимера.

При переработке оба процесса (деструкция и сшивание) могут идти одновременно и происходящие при этом термоокислительные и механохимические превращения в итоге вызывают резкое ухудшение качества полимера. Поэтому задача технолога состоит в том, чтобы по возможности замедлить химические процессы, приводящие к разрушению пластмассы. Следует иметь ввиду, что ухудшение качества наблюдается и в процессе эксплуатации. Механохимические и термоокислительные превращения полимеров, которые протекают по механизму цепных реакций, замедляются при использовании для синтеза полимеров очень чистых мономеров.

Стабилизаторы:

—      антиокислители (антиоксиданты). Они предотвращают или замедляют процесс окисления под действием кислорода. При окислении органических соединений молекулярным кислородом образуются пероксидные радикалы, являющиеся реакционно-способными частицами. Макромолекулы антиоксидантов вступают в реакции с пероксидными радикалами, в результате чего пероксидный активный радикал заменяется малоактивным радикалом антиоксиданта. Он не способен продолжать цепь.

Таким образом, стабилизаторы, как правило, являются акцепторами свободных радикалов, т. е. они замедляют цепные реакции распада полимера. Некоторые классы стабилизаторов, прежде всего амины, различные производные фенолов, подвергаются более быстрому окислению по сравнению с полимерами, поэтому они быстрее воспринимают действие кислорода воздуха и тем самым предотвращают его действие на полимер.

На практике различают термо- и светостабилизаторы. В качестве термостабилизаторов применяются серосодержащие соединения, амины, производные фенолов в количестве до 0,2 % от массы композиции.

Для  фотостабилизации используются производные бензофенона, сложные эфиры салициловой кислоты, производные бензотризола, различные органические соединения олова, тиазолидоны, канальная сажа.

Для этрола в качестве термостабилизатора применяют дифениламин, а в качестве фотостабилизатора — салол. Эффективными стабилизаторами являются стеараты Ca, свинца, бария.

—      антирады — вещества, повышающие стойкость пластмасс к действию ионизирующих излучений. В их качестве используются нафталин, антрацен, фенантрен, пирокатехин. Они поглощают энергию, рассеивают её в виде тепла, флуоресценции, при этом сами Антирады не претерпевают существенных изменений.

—      антипирены — добавки, снижающие горючесть полимерных материалов, затрудняющие их воспламенение и замедляющие процесс распространения в них пламени. В качестве их применяются галогенсодержащие соединения, производные фосфора, изоцианата, соединения сурьмы, комбинации этих соединений.

Они должны обладать следующими свойствами:

ü хорошая совместимость с полимером

ü нетоксичность

ü бесцветность

ü атмосферостойкость

ü высокие диэлектрические показатели

—       антимикробные добавки препятствуют зарождению и развитию микроорганизмов в полимерном изделии. Органические соединения ртути, меркаптаны.

—       антистатики препятствуют возникновению и накоплению статического электричества в изделиях из пластмасс. Накопление на поверхности электрических зарядов при трении или при разрыве контакта между полимером и проводником обуславливается высокими диэлектрическими свойствами. Действие антистатиков основано на повышении электрической проводимости материалов, это и обеспечивает утечку электрических зарядов. Антистатиками являются все порошки металлов и их оксидов, технический углерод, графит, ПАВ, некоторые полимеры с хорошими антистатическими свойствами.

Регуляторы структурообразования или нуклеирующие агенты вводятся с целью формирования желаемой надмолекулярной структуры в полимере и желаемых свойств. Часто используется мелкокристаллический материал, тугоплавкий, добавки титана.

Газообразователи применяются для получения пенопластмасс. Органические и неорганические соединения, азо- и диазосоединения, сульфогидразины, нитрозосоединения, производные гуанидина, углекислый аммоний, бикарбонат натрия, легколетучий жидкий изопентан. Газообразователи характеризуются температурой разложения и газовым числом — это количество газа в см³, который выделяется при разложении 1 г газообразователя. При нагревании полимера с газообразователем, он разлагается с выделением газа, который и производит вспенивание.

Определение пластика и примеры в химии

Вы когда-нибудь задумывались о химическом составе пластика или о том, как он сделан? Вот посмотрите, что такое пластик и как он формируется.

Определение и состав пластмасс

Пластик — это любой синтетический или полусинтетический органический полимер. Другими словами, в то время как другие элементы могут присутствовать, пластмассы всегда включают углерод и водород. В то время как пластик может быть сделан практически из любого органического полимера, большая часть промышленного пластика производится из нефтехимии.Термопласты и термореактивные полимеры — это два типа пластмасс. Название «пластик» относится к свойству пластичности, способности деформироваться без разрушения.

Полимер, используемый для изготовления пластика, почти всегда смешивается с добавками, в том числе красителями, пластификаторами, стабилизаторами, наполнителями и армирующими добавками. Эти добавки влияют на химический состав, химические свойства и механические свойства пластика, а также на его стоимость.

Термореактивные материалы и термопласты

Термореактивные полимеры, также известные как термореактивные полимеры, затвердевают и принимают постоянную форму.Они аморфны и имеют бесконечную молекулярную массу. С другой стороны, термопласты можно нагревать и повторно формовать снова и снова. Некоторые термопласты аморфны, а некоторые имеют частично кристаллическую структуру. Термопласты обычно имеют молекулярную массу от 20 000 до 500 000 а.е.м. (единица атомной массы).

Примеры пластмасс

Пластмассы часто называют аббревиатурами от их химических формул:

• Полиэтилентерефталат: ПЭТ или ПЭТ
• Полиэтилен высокой плотности: HDPE
• Поливинилхлорид: ПВХ
• Полипропилен: PP
• Полистирол: PS
• Полиэтилен низкой плотности: LDPE

Свойства пластмасс

Свойства пластмасс зависят от химического состава субъединиц, расположения этих субъединиц и метода обработки.

Все пластмассы — это полимеры, но не все полимеры пластмассовые. Пластичные полимеры состоят из цепочек связанных субъединиц, называемых мономерами. Если идентичные мономеры соединяются, образуется гомополимер. Различные мономеры соединяются с образованием сополимеров. Гомополимеры и сополимеры могут быть как с линейными, так и с разветвленными цепями.

К другим свойствам пластмасс можно отнести:

• Пластмассы обычно твердые. Они могут быть аморфными, твердыми кристаллическими или полукристаллическими (кристаллитами).
• Пластмассы обычно плохо проводят тепло и электричество. Большинство из них — изоляторы с высокой диэлектрической прочностью.
• Стекловидные полимеры обычно жесткие (например, полистирол). Однако тонкие листы этих полимеров можно использовать в качестве пленок (например, полиэтилена).
• Почти все пластмассы демонстрируют удлинение при напряжении, которое не восстанавливается после снятия напряжения. Это называется «ползучесть».
• Пластмассы, как правило, долговечные и медленно разлагаются.

Интересные факты о пластике

Дополнительные факты о пластике:

• Первым полностью синтетическим пластиком был бакелит, сделанный в 1907 году Лео Бэкеландом. Он также придумал слово «пластик».
• Слово «пластик» происходит от греческого слова plastikos , что означает, что ему можно придавать форму или форму.
• Примерно треть производимого пластика используется для изготовления упаковки. Еще треть используется для сайдинга и обвязки.
• Чистые пластмассы обычно нерастворимы в воде и нетоксичны. Однако многие добавки в пластмассах токсичны и могут попадать в окружающую среду. Примеры токсичных добавок включают фталаты. Нетоксичные полимеры также могут разлагаться на химические вещества при нагревании.

пластик: состав и типы пластика

Пластик состоит в основном из связующего, а также пластификаторов, наполнителей, пигментов и других добавок. Связующее придает пластику его основные характеристики и обычно его название.Таким образом, поливинилхлорид — это и название связующего, и название пластика, из которого оно изготовлено. Связующие вещества могут быть натуральными материалами, например производными целлюлозы, казеином или молочным белком, но чаще являются синтетическими смолами. В любом случае связующие материалы состоят из очень длинных цепочечных молекул, называемых полимерами. Производные целлюлозы производятся из целлюлозы, природного полимера; казеин также является природным полимером. Синтетические смолы полимеризуются или состоят из небольших простых молекул, называемых мономерами.Пластификаторы добавляются к связующему для увеличения гибкости и прочности. Наполнители добавляются для улучшения определенных свойств, например твердости или устойчивости к ударам. Пигменты используются для придания различных цветов. Практически любой желаемый цвет или форма и многие комбинации свойств твердости, прочности, эластичности и устойчивости к теплу, холоду и кислоте могут быть получены в пластике.

Существует два основных типа пластика: термореактивный, который нельзя повторно размягчить после воздействия тепла и давления; и термопласт, который можно многократно размягчать и повторно формовать под действием тепла и давления.Когда к термопластическому связующему прикладываются тепло и давление, цепочечные полимеры скользят друг мимо друга, придавая материалу пластичность . Однако, когда к термореактивному связующему первоначально прикладываются тепло и давление, молекулярные цепи становятся сшитыми, что предотвращает скольжение при повторном приложении тепла и давления.

См. Смолы эпоксидные; полиакрил; поликарбонаты; полиэтилен; полиолефины; полипропилен; полистирол; полиуретаны; поливинил хлорид; виниловые пластики.

Колумбийская электронная энциклопедия, 6-е изд. Авторские права © 2012, Columbia University Press. Все права защищены.

См. Другие статьи в энциклопедии по: Organic Chemistry

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Состав пластмасс из отработанного электрического и электронного оборудования (WEEE) путем прямого отбора проб

https://doi.org/10.1016/j.wasman.2012.02.010Получить права и содержание

Реферат

В этом документе описывается проведенное исследование прямого анализа в установке по переработке отходов электрического и электронного оборудования (WEEE) в Португалии для определения характеристик пластиковых компонентов WEEE.Было охарактеризовано около 3400 наименований, в том числе охлаждающие устройства, небольшие WEEE, принтеры, копировальное оборудование, центральные процессоры, мониторы с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и ЭЛТ-телевизоры. Анализ показал, что около 6000 кг пластмасс с несколькими типами полимеров. Наиболее распространенными полимерами являются полистирол, акрилонитрил-бутадиен-стирол, смеси поликарбонатов, ударопрочный полистирол и полипропилен. Добавки для затемнения цвета являются обычными загрязняющими веществами в этих пластмассах при использовании в телевизорах с электронно-лучевой трубкой и небольших устройствах для электротехнического оборудования.Эти добавки могут затруднить идентификацию пластика, наряду с отсутствием идентификации полимера и опознавательных знаков огнестойкости. Эти недостатки способствуют неэффективности ручного демонтажа WEEE, который является типичным процессом переработки в Португалии. Информация, найденная здесь, может быть использована для определения базовых показателей индустрии переработки пластмасс и предоставления информации для экологического проектирования в производстве электрического и электронного оборудования.

Основные

► В статье показаны характеристики пластика WEEE, полученного на предприятии по переработке в Португалии.► Цех утилизации имеет низкое оборудование с ручной сортировкой пластмассовых элементов. ► Наиболее распространенными полимерами являются PS, ABS, PC / ABS, HIPS и PP. ► Большинство обнаруженных пластмасс не имеют обозначения типа пластика или антипиренов. ► Экодизайн для EEE все еще не практикуется, что может иметь последствия в конце жизненного цикла.

Ключевые слова

WEEE

Полимеры

Добавки

Переработка

Экодизайн

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

Полный текст

Copyright © 2012 Elsevier Ltd.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Как спектрофотометры анализируют химический состав пластмасс и содействуют переработке материалов

Пластик — это то, что большинство из нас использует каждый день, но мы редко задумываемся, откуда берутся эти материалы. Химический состав пластика играет важную роль в обеспечении безопасности продукции и возможности вторичной переработки, но большинство из нас воспринимает это как должное. Понимание химического состава пластмасс может иметь значение для повторного использования, переработки и безопасности продукции после потребителя.Благодаря достижениям в спектрофотометрической технологии и большему количеству портативных приборов у нас появилась возможность точно определять химический состав пластмасс и различать определенные материалы для фильтрации опасных материалов.

Понимание химического состава пластмасс важно для безопасности и возможности повторного использования.
Источник изображения: пользователь Flickr Брэдли Гордон

Определение токсинов с помощью УФ-анализа

Статьи, предупреждающие о BPA (бисфеноле A) и других потенциально вредных химических веществах, обнаруженных в пластмассах, украшали заголовки новостей, однако реальная проблема заключается не в безопасности новых пластиковых продуктов, а в том, что происходит с продуктами, уже находящимися в обращении.Поскольку опасные уровни этих токсинов скрываются в химическом составе, необходимо предпринять новые усилия для эффективной идентификации соединений для обеспечения безопасности и повторного использования.

Пластик здесь, чтобы остаться, благодаря своей прочности, гибкости и тому факту, что он может быть изготовлен в различных формах и цветах. Однако, несмотря на все эти особенности, он по-прежнему считается расходным материалом. Пластиковые полимеры состоят в основном из сырой нефти, невозобновляемого ресурса. Следовательно, потребность в увеличении усилий по переработке пластика становится все более и более важной, не говоря уже о негативном эффекте, который эти материалы могут оказывать при размещении на свалках по всему миру.

Пластик — это удивительный ресурс, который обычно используется для промышленных целей, медицины, упаковки пищевых продуктов и ряда других продуктов, которые мы используем ежедневно. Поскольку мы ежедневно контактируем с материалом, способность определять химический состав имеет важное значение для безопасности человека.
Источник изображения: пользователь Flickr Horia Varlan

Пластмассы, которые мы используем сегодня, состоят из полимеров, смешанных с различными добавками, и смесь этих компонентов составляет химический состав продукта.Эти добавки необходимы для создания желаемых характеристик пластмасс, таких как точный цвет или свойства поглощения тепла, а также твердость и пластичность готового продукта. Эти добавки предназначены для улучшения характеристик пластика, однако некоторые из них оказались опасными для нашего здоровья и окружающей среды. Когда эти материалы нагреваются или сжигаются, они выделяют в атмосферу опасные токсины, и многие из этих материалов также имеют побочные реакции при многократном воздействии на почву и воду с течением времени.

Многие из этих добавок в настоящее время запрещены к обращению такими организациями, как Комиссия по безопасности потребительских товаров (CPSC) в Соединенных Штатах и ​​Европейская комиссия по экологическим отходам, которые вводят строгие правила использования и повторного использования определенных пластиковых материалов или продукты, которые могут содержать опасные вещества в своем химическом составе. Несмотря на то, что производятся новые пластмассовые материалы с более безопасным химическим составом, способность идентифицировать опасные материалы в пластмассах после потребления имеет важное значение для повышения эффективности усилий по переработке.

Идентификация опасных материалов в пластмассах раньше была очень медленным процессом, требовавшим дорогостоящего оборудования и лабораторных испытаний. Однако благодаря спектрофотометрической технологии у нас теперь есть возможность идентифицировать и классифицировать эти продукты в кратчайшие сроки, а благодаря портативности инструментов этот процесс можно выполнить практически где угодно.

Использование спектрофотометров для идентификации пластмасс

Пластиковые отходы — огромная проблема в нашем мире, и многочисленные экологические организации, такие как EPA (Агентство по охране окружающей среды), предупреждают потребителей и производителей о воздействии этих отходов на окружающую среду.Чтобы увеличить объемы переработки, важно, чтобы пластмассы были тщательно идентифицированы в соответствии с их химическим составом. Это невозможно сделать с помощью анализа человеческого глаза, поэтому сегодня многие пластмассовые изделия идентифицируются с помощью числовой системы, которая определяет химический состав продукта. Однако эта информация не всегда доступна для чтения к тому моменту, когда продукт поступает на завод по переработке, и она применима только к небольшому количеству пластиковых продуктов, которые мы используем ежедневно.

Для того, чтобы усилия по переработке стали эффективными, необходимо обеспечить быструю идентификацию пластиковых материалов, выпускаемых после потребления, с помощью спектрального анализа.Такие отрасли, как автомобилестроение, производство строительных материалов и производство ковров, могли бы получить большую выгоду от быстрой идентификации и анализа своей продукции, чтобы увеличить усилия по переработке и использовать больше постпотребительских товаров. По оценкам одной только ковровой промышленности, ежегодно на наши свалки сбрасывается более 4 миллиардов фунтов коврового материала. Использование спектрофотометрического анализа для определения химического состава нейлоновых ковровых покрытий может привести к повторному использованию большей части этого потерянного материала, и усилия Carpet America Recovery Effort явно поддерживают этот вариант.

На одни только ковры и коврики ежегодно приходится более 4 миллиардов фунтов отходов. Пластиковые нейлоновые волокна этого продукта могут значительно повысить вероятность вторичной переработки при надлежащей идентификации.
Источник изображения: пользователь Flickr Shelah

Расширенные спектрофотометры и варианты оборудования

Спектральный анализ для правильной идентификации пластиковых материалов все еще находится в зачаточном состоянии, но потенциал роста огромен. Эта технология может быть применена к разнообразным промышленным пластиковым материалам, которые используются в быту, которые ежегодно увеличивают количество мусорных свалок.Возможности повторного использования продукции — это не только хорошие новости для окружающей среды, но и новые ресурсы для пластиковых изделий без использования наших невозобновляемых ресурсов.

HunterLab — лидер в отрасли и передовых спектрофотометрических технологиях. Мы стремимся помогать отраслям добиваться успехов в улучшении будущего нашей окружающей среды. Мы прилагаем все усилия, чтобы помочь отраслям соблюдать нормативные стандарты и проводить эффективный анализ продукции. Свяжитесь с HunterLab сегодня, чтобы узнать больше о наших различных вариантах оборудования и о том, какие варианты продуктов подходят вам.

Г-н Филипс провел последние 30 лет в разработке продуктов и управлении ими, технических продажах, маркетинге и развитии бизнеса в нескольких отраслях. Сегодня он является менеджером по развитию глобального рынка в HunterLab, сосредоточенный на понимании потребностей клиентов, предоставлении соответствующих решений и обучении, а также помощи в решении проблем с цветом для клиентов в этих отраслях и культурах.

Поливинилхлорид (ПВХ) | Химический состав и свойства

Основной термопластический материал с очень широким спектром применений. Основные материалы для поливинилхлорида получают из масла и соли.Винил хлоридный мономер (VCM) образуется путем объединения этилена (полученного из нефти) с хлором (полученным при электролизе соленой воды). Молекулы VCM полимеризуются с образованием ПВХ-смолы, в которую вводятся соответствующие добавки для создания индивидуального ПВХ-соединения.

Химический состав

Молекула винилхлорида — C ₂ H ₃ Cl

Винилхлоридный мономер (VCM)
Поливинилхлоридный полимер

А.К.А.

ПВХ, ПВХ-У

Обозначение поливинилхлорида, разработанное Обществом индустрии пластмасс для маркировки изделий, облегчающих переработку:

Недвижимость

Полимер универсального действия, ПВХ совместим со многими добавками. Он может быть пластифицирован, чтобы сделать его гибким для использования в полах, или непластифицированным (PVC-U) для использования в строительстве и оконных рамах.

Физические свойства:	значение:
Прочность на разрыв:	2.60 Н / мм 2
Ударная вязкость с надрезом:	2,0 ​​- 4,5 кДж / м 2
Коэффициент теплового расширения:	80 x 10 -6
Макс. Температура непрерывного использования:	60 o ° C (140 ° ° F)
Точка плавления:	212 o ° C (413 ° ° F)
Температура стеклования:	81 o ° C (178 ° ° F)
Плотность:	1.38 г / см 3

Нужна дополнительная информация?

Пластмассы — все о молекулярной структуре

Джеффри А. Янсен

Старший управляющий инженер и партнер, The Madison Group

Джеффри А. Янсен

Старший управляющий инженер и партнер, The Madison Group

Джеффри А. Янсен

Старший управляющий инженер и партнер, The Madison Group

Рис. 1. Механизм реакции присоединения, показывающий полимеризацию мономера стирола в полистирол.

Рис. 1. Механизм реакции присоединения, показывающий полимеризацию мономера стирола в полистирол.

Рис. 1. Механизм реакции присоединения, показывающий полимеризацию мономера стирола в полистирол.

Рис. 2. Механизм реакции конденсации, показывающий полимеризацию полиамида из двухосновной кислоты и диамина.

Рис. 2. Механизм реакции конденсации, показывающий полимеризацию полиамида из двухосновной кислоты и диамина.

Рис. 2. Механизм реакции конденсации, показывающий полимеризацию полиамида из двухосновной кислоты и диамина.

Рис. 3. Полимеры содержат большое количество функциональных групп, ответственных за разнообразие физических свойств.

Рис. 4. Полимерные цепи состоят из большого количества повторяющихся звеньев и переплетены, образуя структуру, подобную спагетти.

Рис. 5. Повторяющаяся единица полиэтилена состоит из двух атомов углерода с боковыми атомами водорода.

Рисунок 6. Структурное представление полукристаллических и аморфных полимеров.

Рис. 7. Шестая термограмма ДСК, показывающая эндотерму плавления для полукристаллического полимера и стеклование для аморфного материала.

Рис. 8. Графическое изображение изменения модуля, характерного для полукристаллических и аморфных полимеров.

Полукристаллический

• Отчетливая и резкая точка плавления
• Непрозрачный или полупрозрачный
• Лучшая стойкость к органическим химическим веществам
• Повышенная прочность на разрыв и модуль упругости
• Лучшее сопротивление ползучести и усталости
• Более высокая плотность
• Повышенная усадка формы

Аморфный

• Размягчение в более широком диапазоне температур
• прозрачный
• Более низкая органическая химическая стойкость
• Более высокая пластичность
• Повышенная прочность
• Меньшая плотность

Таблица 1.

Полукристаллический

• Отчетливая и резкая точка плавления
• Непрозрачный или полупрозрачный
• Лучшая стойкость к органическим химическим веществам
• Повышенная прочность на разрыв и модуль упругости
• Лучшее сопротивление ползучести и усталости
• Более высокая плотность
• Повышенная усадка формы

Аморфный

• Размягчение в более широком диапазоне температур
• прозрачный
• Более низкая органическая химическая стойкость
• Более высокая пластичность
• Повышенная прочность
• Меньшая плотность

Таблица 1.

Характерные свойства пластмасс являются прямым результатом уникальной молекулярной структуры этих материалов. Если пойти дальше, то различия в свойствах, демонстрируемых разными пластиками, связаны с разнообразием их структуры. Пластмассы — это полимеры с очень высокой молекулярной массой. Чтобы улучшить их свойства, они часто содержат добавки, такие как наполнители и армирующие вещества, антиразложения и стабилизаторы, антипирены и пластификаторы. Однако основные атрибуты пластикового материала определяются полимером.

Полимеризация

Полимеры — это макромолекулы, которые основаны на структуре, построенной, в основном или полностью, из большого количества связанных вместе схожих структурных единиц. Полимер, часто называемый цепями, состоит из повторяющихся звеньев, похожих на звенья. Полимеры образуются посредством процесса, известного как полимеризация, в котором молекулы мономеров связываются вместе посредством химической реакции, в результате которой образуется трехмерная сеть из длинных отдельных полимерных цепей, состоящих из более мелких повторяющихся звеньев.

Существует два основных типа реакций полимеризации — присоединение и конденсация. Аддитивная полимеризация — это образование полимеров из мономеров, содержащих двойную связь углерод-углерод, посредством экзотермической реакции присоединения. Важно отметить, что эта реакция протекает без потери каких-либо атомов или молекул из реагирующих мономеров. Обычные материалы, получаемые посредством аддитивной полимеризации, включают полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и полистирол, как показано на Рисунке 1.

Напротив, конденсационные полимеры образуются в результате ступенчатой ​​реакции молекул с различными функциональными группами. Реакция является эндотермической и приводит к образованию воды или других небольших молекул, таких как метанол, в качестве побочного продукта. Обычные полимеры, получаемые в результате реакций конденсации, включают термопластичные полиэфиры, полиацеталь, поликарбонат и полиамиды, как показано на Рисунке 2.

Аддитивные полимеры быстро образуют высокомолекулярные цепи и имеют тенденцию иметь более высокий молекулярный вес, чем конденсационные полимеры.Сравнивая полимеры, полученные с помощью двух различных механизмов, аддитивные полимеры, как правило, химически инертны из-за относительно прочных углерод-углеродных связей, которые образуются. Конденсационные полимеры склонны к гидролитической молекулярной деградации из-за воздействия воды при повышенных температурах по механизму, который напоминает реверсию начальной реакции либерализации.

Используя различные исходные материалы, а также процессы и технологии полимеризации, можно получить полимеры, имеющие различную молекулярную структуру (см. Рис.3).

Фундаментальные различия между свойствами этих различных типов полимеров объясняются различными функциональными группами в молекулярной структуре. Эти различия включают свойства механической, термической и химической стойкости. Таким образом, важно выбрать правильный тип пластика в зависимости от требований области применения.

Межмолекулярная связь

Как указано, полимеризация приводит к образованию множества отдельных полимерных цепей, состоящих из повторяющихся звеньев.Ключевым аспектом полимерных материалов является то, что цепи переплетены друг с другом. Отдельные цепи не связаны друг с другом ковалентно, а вместо этого полагаются на межмолекулярные силы, такие как силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и дипольные взаимодействия, чтобы цепи не распутывались. В результате получается структура, похожая на миску со спагетти-лапшой (рис. 4).

Молекулярный вес

В процессе полимеризации получают материалы с относительно высокой молекулярной массой, макромолекулы.Ключевым параметром полимера является его молекулярная масса. Молекулярная масса — это сумма атомных масс атомов, составляющих молекулу. Например, молекулярная масса полиэтилена рассчитывается путем умножения молекулярной массы повторяющейся функциональной группы этилена на количество звеньев, составляющих цепь. Таким образом, для полиэтилена (рис. 5), где повторяющаяся единица содержит два атома углерода и четыре атома водорода, молекулярная масса составляет 28n, где n представляет собой количество повторяющихся сегментов.Большинство коммерческих полимеров имеют среднюю молекулярную массу от 10 000 до 500 000.

Более высокие молекулярные массы связаны с более длинными молекулярными цепями, и это приводит к большему уровню запутывания. Это имеет важные последствия, поскольку сорта пластмасс с более высокой молекулярной массой будут обладать превосходными механическими, термическими и химическими свойствами стойкости по сравнению с сортами того же материала с более низким молекулярным весом.

Важно помнить, что процесс полимеризации — это химическая реакция, и, хотя ее тщательно контролируют, ему присущи некоторые вариации.Это приводит к полидисперсности или полимерным цепям неравной длины. По этой причине коммерческие пластмассы содержат полимеры с молекулярно-массовым распределением. Проще говоря, молекулярно-массовое распределение представляет собой относительные количества полимеров с разной молекулярной массой, которые составляют данный образец этого материала. В отличие от молекулярной массы соотношение между молекулярно-массовым распределением и конечными свойствами неоднородно. Например, при сравнении двух аналогичных материалов с различным молекулярно-массовым распределением, в целом, материал с более широким распределением будет демонстрировать лучшую пластичность и ударопрочность, но будет демонстрировать пониженную прочность и жесткость.

Из-за структуры молекул полимерные материалы имеют другие свойства по сравнению с другими материалами, такими как металлы. В частности, относительно высокая молекулярная масса и большая длина полимерной цепи приводят к запутыванию, а отсутствие ковалентных межмолекулярных связей способствует подвижности полимерной цепи. Эта комбинация запутанных подвижных цепей приводит к вязкоупругости.

Вязкоупругость — это свойство материалов, которые при деформации проявляют как вязкие, так и упругие характеристики.Вязкие материалы, такие как мед, сопротивляются сдвиговому потоку и линейно деформируются со временем при приложении напряжения. Эластичные материалы, такие как стальной стержень, деформируются при напряжении и быстро возвращаются в исходное состояние после снятия напряжения. Вязкоупругие материалы обладают элементами обоих этих свойств и, как таковые, демонстрируют деформацию, зависящую от времени.

Есть три основных фактора, которые влияют на вязкоупругость пластмассовой детали: температура, скорость деформации и время. Из-за этого пластмассы чувствительны к температуре, скорости деформации и времени.Температура — наиболее очевидный из этих факторов. Полимеры демонстрируют сравнительно высокий уровень изменения физических свойств в относительно небольшом диапазоне температур. При повышении температуры полимерные цепи располагаются дальше друг от друга. Это приводит к большему свободному объему и кинетической энергии, и цепи могут легче скользить друг мимо друга и распутываться.

По мере увеличения скорости деформации — скорости приложения нагрузки — полимерные цепи не успевают претерпеть пластическую деформацию, и они будут распутываться благодаря все более хрупкому механизму.Вот почему пластмассы гораздо более восприимчивы к ударным повреждениям, чем к отказам от перегрузки, которые происходят при более умеренных скоростях деформации.

Вязкоупругая природа полимерных материалов вызывает движение внутри полимерных цепей в условиях приложенного напряжения. Это приводит к временной зависимости полимерных материалов. Из-за этой молекулярной подвижности пластиковые материалы будут демонстрировать различия в своих долгосрочных и краткосрочных свойствах из-за приложения напряжения с течением времени.Это означает, что свойства пластического материала, такие как прочность и пластичность, не статичны, но со временем будут ухудшаться. Это часто приводит к ползучести и релаксации напряжений в пластиковых материалах.

Кристаллическая / аморфная структура

Другой фундаментальной характеристикой полимерных материалов является организация их молекулярной структуры. В широком смысле пластмассы можно разделить на полукристаллические и аморфные. Понимание значения структуры и, в частности, кристалличности, важно, поскольку она влияет на выбор материала, конструкцию детали, обработку и конечные ожидаемые эксплуатационные характеристики.

Большинство неполимерных материалов образуют кристаллы при охлаждении от повышенных температур до точки затвердевания. Это хорошо видно на воде. Когда вода охлаждается, кристаллы начинают формироваться при 0 ° C, когда она переходит из жидкого состояния в твердое. Кристаллы представляют собой регулярное упорядоченное расположение молекул и образуют характерный геометрический узор внутри материала. С небольшими молекулами, такими как вода, этот порядок повторяется и занимает относительно большую площадь по сравнению с размером молекул, а кристаллы организуются в течение относительно короткого периода времени.

Однако из-за довольно большого размера молекул полимера и соответствующей повышенной вязкости кристаллизация по своей природе ограничена, а в некоторых случаях невозможна. Полимеры, в которых происходит кристаллизация, по-прежнему содержат относительно высокую долю некристаллизованной структуры. По этой причине эти полимеры обычно называют полукристаллическими. Полимеры, которые в силу своей структуры не могут существенно кристаллизоваться, называются аморфными (рис. 6).

Аморфные полимеры имеют неорганизованную рыхлую структуру. Полукристаллические полимеры имеют участки регулярной узорчатой ​​структуры, ограниченные неорганизованными аморфными областями. Хотя некоторая модификация может быть произведена за счет использования добавок, степень, в которой полимеры являются полукристаллическими или аморфными, определяется их химической структурой, включая длину полимерной цепи и функциональные группы.

Упорядоченное расположение молекулярной структуры, связанное с кристалличностью, приводит к плавлению при достижении достаточной температуры.Из-за этого полукристаллические полимеры, такие как полиэтилен, полиацеталь и нейлон, будут претерпевать отчетливый переход плавления и иметь точку плавления (T _m ). Аморфные полимеры, включая полистирол, поликарбонат и поли (фенилсульфон), не будут плавиться по-настоящему, но будут размягчаться при нагревании выше их температуры стеклования (T _г ). Это представлено термограммами дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) (рис. 7).

Разница между полукристаллическим и аморфным расположением молекул также влияет на механические свойства материала, особенно в том, что касается температурной зависимости.Как правило, аморфные пластмассы демонстрируют относительно постоянный модуль упругости в диапазоне температур. Однако по мере приближения температуры к температуре стеклования материала происходит резкое снижение. Напротив, полукристаллические пластмассы демонстрируют стабильность модуля ниже температуры стеклования, которая часто ниже температуры окружающей среды, но демонстрирует устойчивое снижение между температурой стеклования и точкой плавления (рис. 8).

Из-за своей вязкоупругой природы время и температура одинаково действуют на полимерные материалы.Из-за этого изменения в материале как функция времени можно сделать вывод по стабильности материала в зависимости от температуры.

Помимо зависимости от времени и температуры, другие ключевые свойства полимерных материалов определяются их полукристаллической / аморфной структурой. Некоторые обобщения характеристических свойств приведены в таблице 1.

Пластмассы продолжают использоваться во все более разнообразных и требовательных областях. Учитывая стоимость выхода продукта из строя, очень важно, чтобы правильный материал был выбран специально для каждой ситуации.Поскольку базовый полимер определяет многие критические рабочие характеристики пластмассовой смолы, важно понимать корреляцию между молекулярной структурой и характеристиками. Разница между успехом и неудачей может зависеть от молекулярной массы, молекулярно-массового распределения и кристаллической / аморфной структуры.

ОБ АВТОРЕ

Джеффри А. Янсен — старший управляющий инженер и партнер The Madison Group, Мэдисон, Висконсин.-базовый поставщик консалтинговых услуг для индустрии пластмасс. Он эксперт в анализе отказов; анализ, идентификация и отбор материалов; и исследования старения пластмассовых и резиновых компонентов. Янсен, старший член SPE, также в прошлом возглавлял Группу специальных интересов SPE по анализу и предотвращению отказов.

.