Состав и свойства пластмасс

Большинство пластических масс наряду с. полимерным вяжущим включает и наполнители. Такие пластмассы называют наполненными. Вместе с тем в некоторых случаях, например, при изготовлении прозрачных или ячеистых пластмасс, наполнители не добавляют (ненаповнені пластмассы). 

Компоненты пластмасс. Основными компонентами пластмасс являются синтетические полимеры. Синтетические полимеры классифицируют по различным признакам: способу получения, особенностями размещения атомов в макромолекулі и длиной основной цепи, отношению к температуре, отличительными фізикомеханічними свойс - сознание, химическим составом и др. 

В зависимости от способа получения полимеры разделяют на полімеризаційні и поликонденсационные. 

Полимеризацией называют процесс соединения молекул исходных низкомолекулярных веществ – мономеров с образованием высокомолекулярных веществ, что не сопровождается выделением побочных продуктов. 

Поликонденсацией называется процесс образования полимера, который сопровождается одновременным выделением какой низкомолекулярной вещества (воды, аммиака, галоідоводня и др.). При реакции поликонденсации в отличие от полимеризации состав исходного мономера не будет соответствовать состав элементарного звена полимера. 

Высокомолекулярные соединения при полимеризации получают за счет размыкания кратных связей или колец в циклических спо лугах и образования макромолекул в виде цепей под действием различных факторов: температуры, света, воздействия веществ-инициаторов, катализаторов и тому подобное. Соответственно в зависимости от характера возбуждающего фактора, различают термическую, фотохимическую, инициированную и другие виды полимеризации.

Применяют пять основных способов полимеризации: блокполімеризацію, полимеризацию в растворе, суспензии, эмульсии и в газообразной фазе. При блочной полимеризации полимер сразу получают в виде изделий определенной формы – блоков. 

Представителем таких полимеров является полиметилметакрилат (органическое стекло), который получают в виде прозрачных листов. 

При блок-полимеризации мономер с добавкой инициатора или катализатора заливают в формы и нагревают. Полимеризацию в растворе применяют для получения продуктов с относительно короткими цепями, которые используют при производстве лаков (лаковая полимеризация), клеев и др. В этом случае мономер предварительно переводят с помощью растворителя в раствор, а затем смешивают с инициатором. При суспензійній и эмульсионной полимеризации мономер и инициатор диспергированных в воде до мельчайших капелек. Для обеспечения устойчивости капелек в суспензии вводят защитные коллоиды (желатин и др.), а в эмульсии поверхностно-активные вещества – эмульгаторы. При газовой полимеризации мономер находится в газообразном состоянии. 

Поліконденсати обычно имеют более короткие цепи и соответственно меньшую молекулярную массу, чем полімеризаційні полимеры. 

Как полімеризаційні, так и поликонденсационные полимеры могут характеризоваться линейной, разветвленной и пространственным строением молекул. При разветвленной строении цепные макромолекулы имеют боковые разветвления, а при пространственной они соединены друг с другом в трьохмірну сетку поперечными химическими связями. 

Полимеры, способные многократно при нагревании смягчаться и приобретать пластичность, а при охлаждении затвердевать, называют термопластичными. Термопластичные полимеры имеют линейную или разветвленную структуру и образуются преимущественно реакцией полимеризации. 

Полимеры с пространственным строением макромолекул не могут после твердения снова при нагревании вступить пластичности. Они получили название термореактивных (реактопласты). К ним принадлежит большинство поліконденсатів. Чем больше поперечных связей в макромолекулах таких полимеров (гуще "сетка"), тем большая их прочность, меньшая текучесть, высокая упругость и т.д. 

По химическому строению цепей макромолекулы принято разделять на карболанцюгові и гетероланцюгові. В цепь карболанцюгових полимеров входят только атомы углерода, а в цепь гетероланцюгових могут входить и другие атомы. 

Разновидностью гетероланцюгових есть элементоорганическими полимеры, которые наряду с элементами, входящими в обычных органических соединений (углеродом, водородом, азотом и кислородом), содержат и другие элементы — кремний, фосфор, алюминий, титан, олово и др. К представителям группы элементоорганических полимеров относятся кремнийорганические соединения (силиконы), в которых основную цепь содержит силоксановые связи (Si-O-Si-). Кремнийорганические и другие соединения благодаря особенностям химического строения сочетают в себе ряд положительных свойств материалов как органического, так и неорганического происхождения: теплостойкость, гидрофобность, эластичность и др. 

Характерными физико-механическими свойствами, по которым классифицируют полимерные материалы, является упругость и деформативна способность. Высокомолекулярные соединения, способные под действием внешних сил деформироваться обратно, называют еластиками (эластомерами), деформироваться пластически, т. е. необратимо — пластиками (пластомерами). К эластиковым относятся, например, различные каучуки, а до пластиков – большинство полимеров, образующих пластмассы. 

Наполнители могут улучшать механические и диелектричні свойства, повышать тепло - и атмосферостойкость, уменьшать усадку и прочее. При введении наполнителей значительно снижает себестоимость пластмасс.

Наполнители пластмасс подразделяют в зависимости от происхождения на органические и минеральные, в зависимости от формы – на порошкообразные, волокнистые, листовые. Как порошкообразные наполнители распространенные опилки, древесина, кварцевый и слюдяна мука, тальк, сажа, графит, каолин, асбестовая пыль и др. Применение порошкообразных наполнителей вместе с полимерами преимущественно фенолформальдегидного типа позволяет получить преспорошки, которые широко используются для изготовления разнообразных технических, бытовых и электроизоляционных изделий, а также изделий специального назначения, которые имеют повышенную ударную прочность, химическую, водо - и теплостойкость. 

Особенно высокая механическая прочность пластмасс достигается при применении волокнистых (стекловолокно, асбест, хлопок, синтетическое волокно и др.) и листовых (бумага, древесный шпон, фольга, ткань) наполнителей. Из волокнистых наполнителей особенно эффективны стеклянные волокна. На их основе с применением разнообразных синтетических полимеров изготавливают пластмассы под общим названием стеклопластики. 

Наряду с наполнителями, содержание которых колеблется в самых широких пределах, в пластмассу при необходимости добавляют пластификаторы, стабилизаторы и пигменты. 

Пластификаторы вводят в количестве 10...100% массы полимера для увеличения эластичности, улучшение огне - и морозостойкости, повышение устойчивости к ультрафиолетовым лучам и улучшение условий переработки. Суть действия пластификаторов заключается в проникновении в макромолекулы полимеров и уменьшении межмолекулярных сил сцепления. 

Добавки – стабилизаторы применяют для замедления процессов старения пластмасс при их эксплуатации и переработке. В зависимости от природы старения пластмасс стабилизаторы делят на две группы – термостабилизатор и светостабилизаторы. 

 Пластмассы перерабатывают в строительные изделия различными способами, выбор которых зависит от свойств компонентов и конструктивных особенностей изделий. Так, изделия на основе термопластичных полимеров зачастую получают литьем под давлением, которое заключается в периодическом вприскуванні порций расплавленной массы в форму с помощью литьевых машин. Засиспользуют также экструзию-выдавливание массы через мундштук шнековых экструзионных машин, вальцовка – формирование в зазоре между валками, вращающимися, термоформование, прессование и другие способы. 

Общие свойства пластмасс. Средняя плотность пластмасс колеблется в широком диапазоне – от 15 до 2200 кг/м3. Наиболее низкую плотность имеют пористые пластмассы. Значительное влияние на плотность имеют наполнители. В среднем пластмассы в 6 раз легче стали и в 2,5 – чем алюминий. 

Пластмассы, как правило, имеют высокую прочность как при сжатии, так и при растяжении и изгибе. Предел прочности при сжатии и растяжении наиболее высокопрочных пластмасс (стеклопластиков, деревношаруватих пластиков и др.) достигает 300 МПа и более. 

В отличие от металлов и ряда других материалов твердость пластмасс не дает представления об их прочности. Даже для таких най более твердых пластмасс, как текстолиты (наполнитель – хлопчатобумажная ткань), твердость примерно в 10 раз меньше чем стали. 

Несмотря на невысокую твердость, пластмассы (особенно эластичные) имеют низкую способность к истиранию, что позволяет широко использовать их для покрытия пола. Способность к истиранию, например, безосновного однослойного поливинилхлоридного ліноліуму 0,06, многослойного 0,035 г/см2, то есть примерно такая же, как гранита. 

Сопротивление пластмасс ударному воздействию, который определяется отношением ударной энергии на разрушения к площади поперечного сечения образца, достигает высоких значений для плотных пластмасс (50...150 кДж/м2) и может резко снижаться по мере увеличения их пористости. 

Много пластмасс, подвергающихся растяжению, характеризуются значительной деформативностью. Относительное удлинение, то есть прирост длины материалов в момент разрыва к его начальной длины, для пленок из полиэтилена, составляет 300, м – 150, бутилкаучука – 10%. 

Характеристикой упругих свойств материалов является модуль упругости. Этот параметр для пластмасс значительно меньше, чем для других строительных материалов. Так, для стали он равен (2...2,2)·105, древесины (0,063...0,14)·105, бумажно-слоистого пластика (0,021...0,028)·105, полиэфирного стеклопластика (0,022...0,028)·105 МПа. 

В зависимости от модуля упругости выделяют жесткие, полужесткие, мягкие и эластичные пластмассы. Примерами жестких пластмасс, разрушающихся хрупко с незначительным удлинением при разрыве, являются фенолформальдегидные и глифталеві (полиэфирные) пластмассы; они имеют модуль упругости более 1000 МПа. Мягкие пластмассы (полиэтилен и др.) имеют модуль упругости 20...100 МПа, для них характерно высокое относительное удлинение. Полужесткие пластмассы (полипропилен и др.) имеют промежуточные значения модуля упругости 400...1000 МПа. Для эластичных пластмасс (резины и близких к ним материалов) модуль упругости не превышает 20 МПа. При нормальной температуре деформации их в основном обратимы. 

Невысокие значения модуля упругости пластмасс способствуют постепенному увеличению необратимых деформаций при постоянной нагрузке – ползучести. Ползучесть пластмасс можно в значительной степени объяснить скольжением макромолекул полимерного связующего. Она значительно возрастает даже при незначительном повышении температуры. Для пластмасс на основе пространственных полимеров, молекулы которых "сшиты" поперечными связями, ползучесть значительно меньше. Повышенная ползучесть ограничивает применение пластмасс в несущих конструкциях, работающих под большими нагрузками. 

Теплопроводность плотных пластмасс без наполнителя 0,1160,348 Вт/м° С. Введение минеральных наполнителей увеличивает теплопроводность пластмасс. Теплозащитные свойства пластмасс открывают возможность их широкого применения в ограждающих конструкциях зданий. 

Наряду с низкой теплопроводностью пластмассы характеризуются большим тепловым расширением. Коэффициент линейного теплового расширения полиэтилена (160...230)·10-6, поливинилхлорида (80...90)·10-6, фенолформальдегидных полимеров (10...30)·10-6, стали 12·10-6° С-1. Тепловое расширение пластмасс необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации конструкций, чтобы не допускать деформаций и образование трещин. 

По мере повышения температуры развивается деструкция, то есть разрушение полимеров, или начинается их плавление. Температура начала плавления большинства термопластичных полимеров 105...165° С. Теплостойкость пластмасс, характеризуется температурой, при которой наблюдается предельно возможная деформация, находится преимущественно в диапазоне 60... 180° С. Минимально допустимая температура эксплуатации, при которой пластмассы становятся хрупкими, колеблется в широком диапазоне: от -10° С для вініпласта до -270° С для материалов из политетрафторэтилена. 

Большинство пластмасс являются легкоспалахуючими и спалимими; они горят открытым пламенем как в зоне огня, так и вне ее. К трудносгораемым относятся пластмассы на основе поливинилхлорида, фенолформальдегидных, карбамидных, кремнийорганических полимеров. Введение в сгораемые полимеры специальных добавок – антипиренов также переводит пластмассы в группу трудносгораемых. Не горят и не тлеют под действием огня фторопласти, перхлорвиниловые пластмассы. 

Плотные пластмассы водо - и паронепроницаемые. Наименьшим водопоглощением (0,1...0,5%) характеризуются гидрофобные полимерные материалы (полиэтиленовая и поливинилхлоридная пленки, стеклопластики, винипласт и др.). Содержание в пластмассах большого количества гидрофильного наполнителя, например древесной стружки, резко увеличивает водопоглощение. 

Много ненаполненных пластмасс имеют высокую прозрачность. Это позволяет на их основе изготавливать органические стекла, используемые для остекления оранжерей, теплиц, сооружений лечебного назначения. Наиболее распространенное органическое стекло - полиметилметакрилат пропускает до 94% лучей видимой части спектра и 73,5% ультрафиолетовых лучей, в то время как обычное силикатное стекло соответственно 84...87% и 0,3...0,6%. 

 Полимерные материалы, как правило, хорошие диэлектрики. При их эксплуатации следует учитывать возможность накопления на их поверхности электростатического заряда, образующегося под действием сил трения. Степень электризации таких рулонных материалов, как поливинилхлоридный линолеум, может достигать 65 В/см2. Это следуетпринимать во внимание для предотвращения пожара особенно в помещениях, где концентрируются пары легкоспалахуючих жидкостей. Електроакумулюючу способность пластмасс уменьшают введением в их состав специальных веществ – антистатиків и наполнителей, которые проводят ток. 

Синтетические полимеры и пластмассы на их основе имеют высокую устойчивость к агрессивным средам. Наиболее устойчивы к действию кислот, щелочей, солей, различных окислителей карболанцюгові полимеры. Гетероланцюгові полимеры легче поддаются воздействию химических реагентов. Наличие в макромолекулах гидроксильной группы, например, в молекулах поливинилового спирта, снижает устойчивость полимера к действию воды, кислот, щелочей. Наоборот, замена атомов водорода в составе макромолекул фтором увеличивает химическую стойкость полимеров. Фторопласти по химической стойкости превосходят благородные металлы, специальные сплавы, противокоррозионную керамику. 

Большинство пластмасс устойчивы не только к воздействию химических реагентов, но и к воздействию грибков, бактерий, насекомых и грызунов, то есть біостійкі. Биологически неустойчивыми являются пластмассы, состоящие из древесного наполнителя (древесностружечные и древесноволокнистые плиты), некоторые высокопористые пластмассы (міпора), изделия из полиэтилена. При повышенной влажности и температуре элементы сооружений с применением древесностружечных и древесноволокнистых плит, а также міпори могут повреждаться грибками и бактериями. Трубы, пленки и другие изделия из полиэтилена поражаются грызунами. Биостойкость пластмасс улучшают добавками антисептиков. В полиэтиленовые изделия для предохранения от повреждения грызунами добавляют каменноугольный пек и некоторые другие вещества. 

 При применении пластмасс для полов, внутренней облицовки стен важно учитывать их санитарно-гигиенические свойства. Ряд пластмасс, особенно на основе фенолоформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных полимеров, при неполном завершении процессов поликонденсации или полимеризации, содержании токсичных пластификаторов, отвердителей, растворителей может выделять в окружающую среду вещества, вредные для здоровья людей и животных. Статическое электричество, которое накапливается на пластмассах может иметь стимулирующее влияние на микрофлору. 

Под влиянием тепла, света, кислорода воздуха в пластмассах той или иной степени происходит изменение эксплуатационных свойств – старению. Процесс старения ускоряется под действием механических нагрузок. Старение пластмасс резко замедляется при введении добавок-стабилизаторов. 

 

Прочитано 600 раз Последнее изменение Суббота, 28 Январь 2017 18:57