Пластические массы

Пластические массы

Пластическими массами называют материалы, содержащие в качестве важнейшей составной части высокомолекулярные соедине­ния — полимеры и обладающие пластичностью на определенном этапе производства, которая полностью или частично теряется после отверждения полимера.

Молекулы высокомолекулярных соединений состоят из не­скольких тысяч или даже сотен тысяч атомов. Чаще всего макромо­лекулы таких соединений построены путем многократного повторе­ния определенных структурных единиц. Степенью полимеризации называют число структурных единиц, содержащихся в одной макро­молекуле.

Молекулярная масса низкомолекулярных соединений обычно не превышает 500. Вещества, имеющие промежуточные значения моле­кулярной массы, называют олигомерами.

Высокомолекулярные соединения встречаются в природе. К ним принадлежат натуральный каучук, целлюлоза, шелк, шерсть, янтарь и др.

Во второй половине XIX века был открыт процесс вулканизации природного каучука путем нагревания с серой — получение резины. В 1872 г. путем обработки нитроцеллюлозы камфарой был получен целлулоид, который явился первым видом пластической массы на основе производных целлюлозы. В 1887 г. был получен галалит — первая пластмасса на основе белка (казеина).

С начала XX века искусственным путем стали получать новые высокомолекулярные вещества, полученные реакциями синтеза из сравнительно простых по химическому составу веществ — мономе­ров.

В двадцатых и тридцатых годах получили промышленное при­менение мочевино-формальдегидные, полиэфирные и другие поли­меры. Начиная с тридцатых годов широко начали применяться мето­ды полимеризации и были получены полистирол, поливинилацетат, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, синтетический каучук и др. Позднее появились также новые виды поликонденсационных пластиков: полиамидные, полиуретановые и др.

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

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 характеристики прочности и деформативности. Связующее вещество — это обычно самый доро­гой компонент пластмассы. Полимерные связующие служат основой композиционных материалов.

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

Наполнители представляют собой разнообразные неорганиче­ские и органические порошки и волокна. В виде наполнителей слои­стых пластмасс широко применяют также бумагу, ткани, древесный шпон и другие листовые материалы. Наполнители значительно 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 материал сильно повышают сопротивление растя­жению и изгибу, действуя подобно арматуре в железобетоне.

Пластификаторы — это вещества, добавляемые к полимеру для повышения его высокоэластичности и уменьшения хрупкости. В ви­де пластификаторов могут использоваться некоторые низкомолеку­лярные высококипящие жидкости Молекулы жидкости, проникая между звеньями цепей полимера, увеличивают расстояние и ослаб­

ляют связи между ними. Это и приводит к уменьшению вязкости полимера.

При изготовлении пластмасс в их состав вводят и другие добав­ки. Вещества, являющиеся инициаторами реакции полимеризации, ускоряют процесс отверждения пластмасс, и их поэтому называют отвердителями. 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, что 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 разрыве 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 °С), 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. Обычные стекла пропускают менее 1% ультрафиолетовых лучей, тогда как органические наоборот — более 70%; они легко окрашиваются в различные цвета. Следует от­метить их значительно меньшую плотность. 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 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 имеют ряд недостатков:

— низкая теплостойкость (от +70 до +200 °С);

— малая поверхностная твердость;

— высокий коэффициент термического расширения. Он колеб­лется в пределах 25-120'10'6, т. е. в 2,5-19 раз более высокий, чем у стали. Это необходимо учитывать при проектировании строитель­ных конструкций, особенно крупноразмерных (например, трубопро­водов);

— повышенная ползучесть, особенно заметная при повышении температурного режима;

— горючесть с выделением вредных газов;

— токсичность при эксплуатации.

К недостаточно изученным свойствам пластмасс следует отне­сти сроки их службы. Вопросы долговечности материалов, изменяе­мости их свойств во времени в значительной мере определяют воз­можность их применения в строительстве. Пока, за время несколь­ких десятилетий их применения, нет отрицательных результатов. Вместе с тем создаются саморазрушающие пластмассы, чтобы не скапливать бытовых отходов.