Пластмассы прочно вошли в нашу повседневную жизнь: от упаковки продуктов до корпусов техники и автозапчастей.
История появления пластмасс
Первые пластмассы появились в середине XIX века. В 1855 году англичанин Александр Паркс изобрел паркезин - материал на основе целлюлозы и азотной кислоты. В 1866 году было налажено его промышленное производство, однако уже через 2 года компания обанкротилась. На смену паркезину пришли другие целлюлозные пластмассы - ксилонит и целлулоид.
Поворотным моментом стало изобретение бакелита бельгийским химиком Лео Бакеландом в 1907 году. Это был первый полностью синтетический и доступный по цене пластик. Бакелит начали активно использовать для производства бытовых изделий и радиотехнических деталей. А уже в 30-х годах XX века началось повсеместное применение и выпуск все новых марок пластмасс.
Определение и классификация пластмасс
По определению пластмассы - это полимерные композиционные материалы, состоящие из полимерной основы и различных добавок, придающих нужные свойства. В зависимости от происхождения основного полимерного компонента различают натуральные (на основе природных полимеров) и синтетические (на основе искусственно синтезированных высокомолекулярных соединений) пластмассы.
По отношению к нагреванию можно выделить два основных класса:
- Термореактивные - необратимо затвердевают при нагревании выше определенной температуры
- Термопластичные - размягчаются при нагревании и вновь затвердевают при охлаждении
Основные компоненты состава пластмасс
Полимер (смола) является основой пластмассы, обеспечивающей целостность изделия и заданную форму. Как правило, это самая дорогая часть состава. Для удешевления в пластмассы добавляют наполнители - неорганические и органические порошки, волокна, а также бумагу, ткани, древесные материалы. Наполнители улучшают некоторые характеристики, например прочность.
Для придания пластичности и эластичности используют пластификаторы - специальные добавки, разрушающие межмолекулярные связи в полимере. Также в состав могут входить стабилизаторы, замедлители и ускорители реакций отверждения, пигменты и красители.
Сырье для производства полимеров
Основным сырьем для синтеза пластмасс служат природный газ, попутный нефтяной газ, содержащие этан, пропан, бутан и другие газообразные углеводороды. Их переработка дает этилен, пропилен, стирол и другие мономеры для получения полимеров.
Еще одним важным источником химических веществ для пластмасс является каменноугольный деготь, получаемый при коксовании угля. Он богат фенолами, крезолами и другими ароматическими соединениям, используемыми в синтезе полимеров.
Кроме того, применяют доступные и дешевые компоненты - азот, кислород (из воздуха), воду и некоторые другие вещества.
Виды наполнителей пластмасс
В качестве наполнителей пластмасс широко используются неорганические порошки - мел, мрамор, каолин, карбонат кальция и др. Они удешевляют состав, повышают твердость и теплостойкость материалов.
Применяют и органические порошки - измельченную древесину, скорлупу орехов, рисовую и пшеничную шелуху. Такие добавки придают изделиям привлекательный внешний вид.
Армирующими наполнителями служат различные волокна - стеклянные, базальтовые, углеродные, которые значительно повышают прочность композитов.
Пластификаторы и их действие
В качестве пластификаторов чаще всего выступают низкомолекулярные органические вещества, содержащие полярные группы. Наиболее распространен диоктилфталат (ДОФ). Молекулы пластификатора разрывают водородные связи между макромолекуалами полимера, увеличивая подвижность последних.
Это приводит к снижению вязкости, повышению эластичности и снижению хрупкости пластмасс. Однако при переизбытке пластификатора материалы могут становиться липкими и даже выделять компоненты.
Прочие добавки в пластмассы
Для ускорения реакций отверждения в состав пластмасс вводят специальные вещества - отвердители и катализаторы. А для замедления процессов используют ингибиторы.
Стабилизаторы защищают пластмассы от вредных внешних воздействий, препятствуя преждевременному старению и разрушению материала.
Способы переработки пластмасс
Основные технологии формования деталей из пластмасс - это прессование (обычно для термореактивных полимеров), экструзия (для термопластов) и литье под давлением, позволяющее создавать изделия практически любой, в том числе весьма сложной конфигурации.
Сферы применения пластмасс
Наиболее массовые области использования пластмасс - это производство различной упаковки и тары, пленок, изоляционных материалов. В строительстве и промышленности они применяются для изготовления труб, емкостей, разнообразных конструкционных изделий, дорожных покрытий, кровли, отделочных работ.
Положительные свойства пластмасс
К достоинствам пластмасс относят:
- Низкую плотность - от 20 до 2200 кг/м3
- Высокие прочностные характеристики (предел прочности при разрыве до 350 МПа)
- Низкую теплопроводность (0,03-0,05 Вт/(м*°C))
- Стойкость к химическим воздействиям и коррозии
Пластмассы технологичны в обработке - их можно пилить, сверлить, фрезеровать, склеивать между собой и другими материалами.
Недостатки пластмасс
Основные минусы пластиков:
- Низкая теплостойкость - от +70 до +200°C
- Высокий коэффициент термического расширения
- Повышенная ползучесть, особенно при нагревании
- Горючесть некоторых разновидностей
Кроме того, не до конца изучены сроки службы пластмасс, стабильность их характеристик со временем.
Прогнозирование свойств
Свойства пластмасс в значительной степени определяются их составом и технологией производства. С помощью компьютерного моделирования можно достаточно точно предсказывать характеристики еще на стадии проектирования материала.
Контроль качества
Важное значение имеет контроль качества пластмасс и изделий из них на всех этапах - от входного сырья до готовой продукции. Для этого используется целый комплекс аналитических и физико-механических методов испытаний.
Переработка пластиковых отходов
Отходы пластмасс подвергают вторичной переработке методами механического, химического и термического рециклинга. Это позволяет снизить нагрузку на окружающую среду и получить дополнительное сырье для производства.
Тенденции роста производства пластмасс
Наблюдается устойчивая тенденция к увеличению объемов производства пластмасс в мире. Средние темпы роста составляют 4-5% в год. Этому способствуют следующие факторы:
- Удешевление сырья и технологий производства полимеров
- Расширение областей применения пластмасс
- Рост спроса на пластиковую продукцию
В то же время ужесточаются требования по утилизации пластиковых отходов, стимулируя развитие технологий переработки.
Перспективы развития отрасли
В ближайшие 10-15 лет ожидается дальнейший значительный рост производства пластмасс. Прогнозируется появление принципиально новых высокотехнологичных видов полимерных материалов.
Особое внимание будет уделяться экологической безопасности пластмасс, разработке технологий биоразлагаемых и перерабатываемых полимеров.
Рекомендации по применению
При работе с пластмассами и изделиями из них следует:
- Учитывать температурный режим эксплуатации
- Избегать воздействия агрессивных химических веществ
- Периодически контролировать техническое состояние
Ответственно подходить к утилизации пластиковых отходов, отдавая предпочтение вторичной переработке.
Новые области применения
Перспективными направления использования пластмасс считаются:
- 3D-печать изделий сложной формы по цифровым 3D-моделям
- Производство композитных материалов с уникальным комплексом свойств
- Создание наноструктурированных полимеров для высоких технологий
Расширятся области применения биоразлагаемых и «умных» пластмасс, изменяющих свои свойства под внешними воздействиями.
Снижение себестоимости
Одним из ключевых направлений развития производства пластмасс является снижение их себестоимости. Этого можно добиться за счет:
- Вовлечения дешевых источников углеводородного сырья
- Совершенствования технологии полимеризации
- Применения более дешевых наполнителей
- Комплексной автоматизации и роботизации производства
Ресурсо- и энергосбережение
Важной задачей является снижение материало- и энергоемкости процессов производства и переработки пластмасс. Для этого используются:
- Безотходные и малоотходные технологии
- Вторичное использование технологических отходов
- Внедрение энергоэффективного оборудования
Улучшение эксплуатационных характеристик
Применение новых методов модификации пластмасс позволяет улучшить такие их свойства, как:
- Тепло- и морозостойкость
- Стабильность размеров
- Стойкость к ультрафиолету и старению
Расширение ассортимента
Ведутся разработки новых марок и классов пластмасс с уникальными характеристиками:
- Конструкционные нанокомпозиты
- Металлопласты
- Полифункциональные "умные" полимеры
Обеспечение экологичности
Остро стоит проблема негативного воздействия пластиковых отходов на окружающую среду. Для ее решения применяют:
- Биоразлагаемые полимеры
- Технологии переработки отходов
- Системы раздельного сбора мусора
Повышение качества пластмасс
Для улучшения качества пластмасс и изделий из них необходим комплекс мероприятий:
- Жесткий контроль качества сырья
- Автоматизация технологических процессов
- Входной контроль готовой продукции
- Стандартизация и сертификация
- Повышение квалификации персонала
Ужесточение законодательства
Государственное регулирование в области производства и переработки пластмасс направлено на:
- Введение более жестких нормативов в области экологической безопасности
- Стимулирование вторичной переработки отходов
- Поддержку наукоемких и ресурсосберегающих технологий
Цифровизация отрасли
Внедрение цифровых технологий в производство пластмасс позволяет:
- Моделировать и оптимизировать техпроцессы
- Контролировать параметры в режиме реального времени
- Автоматически регулировать оборудование и роботов
Развитие научных исследований
Актуальные направления научных исследований в сфере полимерных материалов:
- Создание принципиально новых типов пластмасс
- Модификация свойств существующих материалов
- Разработка технологий получения и переработки
Подготовка квалифицированных кадров
Требуются специалисты по следующим направлениям:
- Химия и физика полимеров
- Процессы производства пластмасс
- Конструирование изделий из пластмасс
- Технологии переработки отходов
