Состав пластмасс: ингредиенты и их влияние на свойства

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