Свойства пластических масс, их применение, экологический вред

     Химические свойства. Стойкость полимеров к воде, кислотам, щелочам, моющим средствам, растворимость и другие показатели химических свойств могут быть различны. О стойкости полимера к химическому реагенту судят по изменению внешнего вида (цвета, блеска), растворимости, набухаемости, потере механических свойств и т. д. Большинство полимеров обладает высокой химической стойкостью. Наиболее стойкими являются фторопласты, полиэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, кремнийорганические и другие смолы, не содержащие полярных групп.

     Например, политетрафторэтилен (фторопласт-4) устойчив к действию концентрированных кислот, в том числе и смеси азотной и соляной кислот («царской водке») и не растворяется ни в одном растворителе.

     Введение в молекулу полимера полярной группы понижает по стойкость к воде и другим полярным веществам. Так, поливиниловый спирт, имея в своей молекуле сильно полярную группу — ОН, растворим в воде, но устойчив к неполярным веществам (жирам и бензину).

     Химические свойства пластмасс определяются также видом наполнителя. Минеральные наполнители повышают водостойкость, кислотно- и щелочестойкость, а органические снижают эти свойства.

     Безвредность. Этот показатель очень важен для санитарно-гигиенической оценки пластмасс.

     Полимеры и другие компоненты пластмасс не должны выделять в окружающую среду, пищу, воду физиологически вредные вещества, придавать запах и изменять вкус продуктов.

     Физиологически вредное действие на организм могут оказывать содержащиеся в пластмассах остатки мономеров, не вступивших в реакцию присоединения, некоторые пластификаторы, катализаторы и другие добавки, а также продукты окисления или разложения пластика. Например, полистирол, поливинилхлорид, полиэтилен, полиамиды, являясь химически стойкими, не растворяются в воде и пищевых средах. Они, как полимерные вещества, безвредны для человека.

     Однако в полистироле некоторых марок содержится свободный стирол, полиамидов. Стирол и капролактам, будучи физиологически вредными для организмов, могут переходить в раствор. Отрицательно влияют на организм человека также некоторые пластификаторы поливинилхлорида, катализаторы полиэтилена низкого давления. Поэтому из полиамидов, поливинилхлорида, полиэтилена низкого давления не изготовляют посуду и тару для пищевых продуктов. Полистирол разрешено использовать в производстве посуды для сухих продуктов.

2 СОСТАВ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС

     Пластическими массами (пластмассами, пластиками) называют жесткие, полужесткие и мягкие искусственные материалы на основе полимеров, способные при нагревании переходить в вязко-текучее (пластическое) состояние и принимать под давлением необходимую форму. Затвердевая, пластмасса сохраняет при эксплуатации полученную форму.

     Пластмассы имеют различный состав. Они могут состоять из полимера или представлять сооой сложную композицию, в которую входят связующие

вещества, наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители и другие специальные составляющие (добавки).

     Добавки могут существенно изменить эксплуатационные свойства пластмассы, повысить ее надежность и эффективность. Большинство полимеров используют в изделиях в виде сложных композиций.

     Связующие вещества, основными компонентами, определяющими свойства пластмасс, являются природные и синтетические полимеры, называемые связующими веществами.

     Полимеры принадлежат к высокомолекулярным соединениям, их молекулярный вес не менее 5000. В отличие от других высокомолекулярных соединений они имеют макромолекулы, в состав которых входят много одинаковых частей, или звеньев, т. е. небольших по размеру атомных группировок. Молекулы полимеров характеризуются степенью полимеризации (числом повторяющихся элементарных звеньев) или молекулярным весом. Полимеры высокой степени полимеризации называют высокомолекулярными полимерами (для сокращения — полимерами). Полимеры, содержащие макромолекулы низкой степени полимеризации, называются олигомерами. Высокомолекулярные полимеры широко получают из низкомолекулярных соединений — мономеров — в результате их химического взаимодействия (полимеризации и поликонденсации). Макромолекулы полимеров состоят из основной цепи и боковых звеньев. Свойства полимеров в значительной степени определяются составом основной цепи, видом и характером расположения боковых звеньев. По составу основной цепи различают полимеры карбоцепные и гетероцепные. Карбоцепные полимеры в основной цепи содержат толы и углерод (карбо — уголь, лат.), гетероцепные — углерод и другие элементы (кислород, азот, кремний, алюминий и др.). Примером карбонетого полимера является полиэтилен, гетероцепного — полиамид.

     Боковые звенья содержат водород, хлор, фтор и другие элементы, а также группы элементов (радикалы.).

     В зависимости от характера расположения боковых звеньев полимеры бывают нерегулярного и регулярного строения. Боковые звенья полимеров нерегулярного строения расположены беспорядочно по отношению к оси макромолекулы, например у атактического поливинилхлорида.

     Полимеры регулярного строения имеют определенный (повторяющийся) порядок расположения боковых звеньев. Например, у стереорегулярных (пространственно упорядоченных) полимеров боковые звенья располагаются по одну сторону плоскости основной цепи (у изотактических полимеров) или по обе стороны (у оиндсотактических).

     Пространственное упорядочение расположения атомов и групп способствует повышению физико-механических свойств полимеров.

     Наполнители. В качестве наполнителей применяют твердые, газообразные, реже жидкие вещества, которые вводят для изменения свойств пластмасс и снижения стоимости изделий из них, облегчения их формования. Содержание наполнителя в пластмассе может достигать 50—75% по весу.

     Природа и вид наполнителя в пластмассах различны. По происхождению их подразделяют на неорганические (кварц, асбест, слюда, каолин, тальк, мел, волокно стеклянное, графит и пр.) и органические (хлопковые и синтетические волокна и ткани, древесина в виде стружки, муки, шпона и фанеры, бумага и картой). По внешнему виду наполнители бывают порошковые, волокнистые, слоистые.

     Волокнистые и слоистые наполнители повышают механическую прочность, твердость, гибкость, снижают хрупкость. Наполнение пластика газами снижает вес и механическую прочность, но придает пластмассам хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства. Неорганические наполнители уменьшают горючесть, водопоглошаемость пластмассы, улучшают ее электроизоляционные свойства.

     Пластификаторы, легкие изделия изготовляют из непластифицированпого пластика. Для получения полужестких и мягких полуфабрикатов и изделии в пластмассу добавляют пластификаторы — вещества, увеличивающие подвижность длинных полимерных молекул, а также комплексов и их образований в виде пачек, лент).

В качестве пластификаторов применяют сложные эфиры фосфорной и фталевой кислот, камфару, олеиновую кислоту и другие маслообразные, нелетучие низкомолекулярные вещества, способные частично или неограниченно совмещаться с полимером. Пластификаторами могут быть также полимеры небольшого молекулярного веса (фенолформальдегиды, аминоальдегидные, полиэфирные и др.).

     При хорошей совместимости малые и подвижные молекулы пластификатора внедряются между макромолекулами или структурными образованиями полимера и ослабляют связь между ними.

     В результате этого повышается подвижность молекул и комплексов связующего и пластик становится мягче, эластичнее, более текучим (лучше формуется) и морозостойким, легче совмещается с наполнителем. В то же время пластификатор понижает устойчивость к повышенным температурам и, в некоторой степени, диэлектрические свойства. Например, твердые и жесткие изделия из непластифицированного поливинилхлорида (винипласта) приобретают мягкость и пластичность лишь при 70° С. Тот же поливинилхлоридным пластик, но пластифицированный (с добавкой 40— 50% по весу диботалаугалата) становится мягким, эластичным, гибким, лучше совмещается наполнителем уже при комнатной температуре.

     Стабилизаторы (противостарптели). Под действием света (особенно его ультрафиолетовой части), тепла, кислорода воздуха, влаги, механических и других факторов изменяются состав и строение пластмасс. Происходит так называемое старение полимеров — разрыв макромолекул па более короткие цепи (деструкция) или сшивание цепей поперечными связями (структурирование).

     Обычно оно сопровождается снижением механической прочности, эластичности, появлением жесткости и хрупкости, трещин и изменением внешнего вида (блеска, цвета). Введение стабилизаторов препятствует окислению (антиокислители), термоокислению (термостабилизаторы), предотвращает действие света (светостабилизаторы) и др. В качестве стабилизаторов применяют амины, сажу, окись цинка и др.

     Особое значение имеет стабилизация пластмасс, изделия из которых подвергаются при эксплуатации атмосферному воздействию, т. е. одновременному действию света, тепла, влаги и др. При производстве пластмасс применяют комплексные стабилизаторы.

     Красители. Раствор, расплав или порошковую смесь пластмассы окрашивают для изменения цвета органическими или минеральными пигментами. Они выполняют также роль наполнителя.

     Специальные добавки. К ним относят вещества, придающие пластикам негорючесть; осветлители — химически активные соединения, образующие поперечные связи и тем самым ускоряющие отверждение пластмассы, т. е. переход полимера из плавкого (термопластического) состояния в неплавкое (термореактивное); ядохимикаты — препятствующие образованию плесени и разрушению различными насекомыми.

3 КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС

     Пластические массы разделяют на классы, подклассы, группы, подгруппы, виды и подвиды.

     Класс пластмасс устанавливают в зависимости от природы связующего вещества. Различают четыре класса пластмасс: класс А — па основе полимеров (смол) патетических, полученных полимеризацией; Б —на основе полимеров, смол) синтетических, полученных поликонденсацией;

• на основе химически модифицированных природных полимеров (целлюлозы и белков»; р. — на основе битумов и исков (битумно-пековых смол). Наибольшее применение имеют пластмассы на основе синтетических смол (пластмассы классов А и Б).

     Подклассы пластмасс выделяют в зависимости от их термических свойств. Пластмассы каждого класса делят на два подкласса — термопластичные и термореактивные.

     Термопластичные пластмассы (термопласты) имеют линейные или разветвленные макромолекулы. При нагревании они размягчаются или плавятся, при охлаждении .отвердевают, сохраняя первоначальные свойства. Процесс плавления и отверждения может быть многократным. К термопластам относятся большинство пластмасс на основе полимеризационных смол (полиэтилен, поливинилхлорид, полиакрилаты, полистирол и др.), некоторые поликонденсационные (полиамиды, полиуретаны), а также пластмассы на основе эфиров целлюлозы, битумов и пеков.

     Термореактивные пластмассы (реактопласты) в отличие от термопластов являются необратимыми, так как они при нагревании, а в присутствии катализаторов и па холоде теряют способность размягчаться, плавиться, растворяться, т. е. переходят из плавкого в неплавкое состояние.

     Реактопласты могут находиться в стадии А, В и С. В стадии А (полуфабрикатные смолы  имеют линейную макромолекулу, растворимы, при нагревании плавятся и принимают заданную форму. Дальнейшее нагревание сопровождается соединением линейных цепей поперечными связями («сшивкой») и образованием сетчатой структуры. В результате этого пластики теряют пластичность, постепенно переходят в промежуточную стадию, характеризующуюся малым числом поперечных связей и низкой пластичностью, а переходят в стадию С. Пластики в стадии С находятся в неплавком состоянии, так как имеют большое число поперечных связей; молекулы их жестко скреплены между собой. Переход пластиков из стадии А в стадию С сопровождается потерей растворимости, повышением твердости и изменением других свойств.

     К реактопластам относятся пластмассы на основе фенол и аминоальдегидных, алкидных и других смол.

     Группу пластмасс определяют в зависимости от состава. Различают две группы пластмасс — однородные (простые) и неоднородные (сложные).

     Однородные пластмассы (ненаполненные) перерабатывают в изделия без наполнителей. Их делят на две подгруппы — чистые (содержат только связующее вещество) и композиционные (с пластификаторами и красителями).

           Неоднородные пластмассы (наполненные) содержат связующее вещество, наполнители, пластификаторы и другие ингредиенты. Структура у них неоднородная, в изломе видны частицы наполнителя. По природе наполнителя неоднородные пластмассы разделяют на следующие подгруппы: преспорошковые — смеси измельченной смолы с порошковым наполнителем; волокнистые — композиции с наполнителем в виде хлопкового волокна (волокнит), стеклянного (стекловолокнит), отрезков ткани (текстоволокнит), асбеста (асбоволокнит); слоистые — с наполнителем в виде бумаги (бумаголит, или гетинакс), древесного шпона (древолит), хлопковой ткани (текстолит), стеклоткани (стеклотекстолит), асбестовой ткани (асболит): газонаполненные — пористые с ячейками, заполненными водородом и  другим газом. Газонаполненные пластмассы