Пластические массы
Пласти́ческие ма́ссы (пластмассы, пластики), конструкционные материалы, основу которых составляют стеклообразные или кристаллические полимеры, которые при формовании изделий находятся преимущественно в вязкотекучем состоянии, реже в высокоэластическом состоянии. Пластические массы подразделяют на термопласты и реактопласты: первые затвердевают за счёт охлаждения изделия после формования и перехода в стеклообразное или кристаллическое состояние, вторые отверждаются в результате образования сетки химических связей при формовании с последующим стеклованием при охлаждении. Поэтому термопласты при повторном нагревании переходят в вязкотекучее состояние, а реактопласты отверждаются необратимо (термореактивные пластмассы).
Гранулы полипропилена.По объёму производства выделяют крупно-, средне- и малотоннажные пластические массы. Крупнотоннажные пластические массы (мировой объём производства – от нескольких миллионов до десятков миллионов т/год): термопласты на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полипропилена, полиэтилентерефталата, полистирола и сополимеров, а также реактопласты на основе полиуретанов, феноло-формальдегидных смол, мочевино-формальдегидных смол, эпоксидных смол, полиэфирных смол и др.
Полиэтилен выпускается низкой плотности (ПЭНП), высокой плотности (ПЭВП) и линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП). ПЭНП получают радикальной полимеризацией, что приводит к образованию разветвлённых молекул и низкой кристалличности (< 40 %). ПЭВП получают с малой разветвлённостью и высокой кристалличностью (70–80 %). ЛПЭНП получают сополимеризацией этилена с 0,2–0,3 % (молекулярных) пропилена, бутилена и др. Сополимеризация снижает кристалличность и делает ЛПЭНП по свойствам близким к ПЭНП. Полипропилен (ПП) и его блоксополимеры получают с кристалличностью 70–75 %. Поливинилхлорид (эмульсионный или суспензионный) в основном аморфный со степенью кристалличности 7–10 %. Применяется в виде винипласта (жёсткий ПВХ), пластиката (эластичный ПВХ с содержанием до 50 % пластификаторов – фталатов, себацинатов, фосфатов) с прочностью 10–18 МПа, удлинением 100–250 %, а также в виде пластизолей – суспензий частиц эмульсионного ПВХ в пластификаторах. Полистирол (ПС) получают радикальной полимеризацией в массе (блочный полистирол – гранулы) или в эмульсии (эмульсионный, порошок), стеклообразный, прозрачный, хрупкий полимер. Более половины производимых пластических масс на основе полистирола приходится на его сополимеры. Это оптически прозрачный сополимер стирола с акрилонитрилом (70–80 % стирола и 20–30 % акрилонитрила) – САН, блоксополимер стирол-акрилонитрил-бутадиен (АБС-пластики), а также ударопрочный полистирол (УПС) – дисперсия бутадиен-стирольного каучука в матрице ПС, стабилизированная привитыми и блоксополимерами стирол-бутадиен. В таблице 1 приведены основные показатели свойств описанных выше крупнотоннажных термопластов.
Свойство | Полиолефины | Поливинилхлорид | Стирольные | ||||
Полиэтилен низкой плотности | Полиэтилен высокой плотности | Полипропилен | Полистирол | Ударопрочный полистирол | АБС‑пластики | ||
Плотность, | 910–935 | 945–955 | 920–930 | 1380–1400 | 1040–1050 | 1040–1070 | 1020–1050 |
Прочность, МПа | 12–16 | 22–30 | 30–40 | 40–60 | 40–45 | 30–35 | 35–40 |
Модуль упругости, | 100–200 | 400–1250 | 1054–1265 | 3000–4000 | 2700–3200 | 2000–2500 | 1500–2400 |
Удлинение при разрыве, % | 150–600 | 300–800 | 400–800 | 10–50 | 1–3 | 20–30 | 10–25 |
Ударная вязкость (по Шарпи с надрезом), | – | – | 7–14 | 2–10 | 1,5–2,0 | 5–12 | 10–30 |
Теплостойкость | 80–100 | 110–120 | 140–155 | 75–90 | 100–105 | 75–90 | 105–115 |
Температура плавления, °С | 108–110 | 120–125 | 165–170 | – | – | – | – |
Температура стеклования, °С | –80 (–120*) | –70 (–150*) | –10 | 70–80 | 100 | 100 | 90–105 |
К крупнотоннажным пластическим массам относится группа реактопластов (олигомеры, смолы, связующие), которые применяются в основном в виде полимерных композиционных материалов (ПКМ): пресс-порошки (дисперсный наполнитель), премиксы и препреги (первые – тестообразная масса с дисперсным наполнителем; вторые включают наполнитель с ориентированной структурой, волокнистый или слоистый, и жидкое связующее). Содержание наполнителя 40–70 %, изделия получают отверждением под давлением. Наряду с реактопластами в виде ПКМ всё шире применяются термопласты.
Среднетоннажные пластические массы (производят от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов т/год) – полиамиды, полибутилентерефталат, поликарбонаты, полиакрилаты и др. Малотоннажные (несколько процентов от общего объёма производства пластических масс) – фторопласты, полиимиды, полисульфоны, кремнийорганические полимеры, жидкокристаллические полимеры и др.
Круговые ткацкие станки для производства полипропиленового полотна.В перечисленных пластических массах исходным сырьём являются углеводороды, что обеспечивает высокую стойкость к деградации в почве и создаёт экологические проблемы. Поэтому расширяется производство пластических масс из растительного сырья, изделия из которых дают биоразлагаемые бытовые отходы. Это главным образом полилактаты (полимеры молочной кислоты и её производных) и крахмал – как материал и как компонент биоразлагаемых композитов.
По совокупности эксплуатационных параметров пластические массы классифицируют на материалы общетехнические (предел прочности при растяжении σр ⩽ 50 МПа, теплостойкость по Вика ⩽ 150 °C); инженерные пластики (σр ⩽ 120 МПа, теплостойкость по Вика ⩽ 210 °C); теплостойкие, высокопрочные пластики (σр ⩽ 145 МПа, теплостойкость по Вика ⩽ 280 °C). Большинство термопластов выпускается в виде двух марок, отличающихся технологическими свойствами: экструзионные (показатель текучести расплава 0,2–2 г / 10 мин) и литьевые (2–30 г / 10 мин).
Основным неполимерным компонентом ПКМ является дисперсный наполнитель – твёрдые частицы и/или волокна. Модуль упругости ПКМ обычно увеличивается по сравнению с исходным полимером-матрицей, а разрывное удлинение уменьшается. В некоторых случаях возрастает прочность. Это происходит за счёт увеличения фактической поверхности разрушения из-за наличия твёрдых частиц и за счёт образования адсорбционного (упрочнённого) слоя полимера на поверхности частиц. Оба фактора приводят к увеличению удельной энергии образующихся поверхностей и, следовательно, к росту прочности. В качестве наполнителей используют дисперсные частицы мела, каолина, аэросила, технического углерода, древесной муки, стеклосфер и волокнистых наполнителей – стекловолокон, углеродных волокон, нитевидных кристаллов («усов», вискеров) – карбидов и нитридов бора и др. (см., например, Стеклопластики, Углепластики, Боропластики). Усиливающей способностью отличаются наноразмерные (⩽ 100 нм) наполнители (т. н. нанонаполнители), к которым относятся фуллерены, однослойные и многослойные углеродные трубки, дисперсный (детонационный) алмаз (40–60 нм), а также слоистые структуры – монтмориллонит (после эксфолиации частиц на пластинки толщиной 1 нм) и графен. Размер частиц наполнителей: до 100 нм (усиливающие), 5–20 мкм (полуусиливающие), 200–300 мкм, 1–5 мм (заполнители). В полипропилен вводят мел, каолин, стекловолокна; в ПА – стекловолокна; для ПВХ используется широкий ассортимент наполнителей. Другие термопласты наполняют для решения узких, специфических задач.
К числу ПКМ относятся и смеси полимеров: полимер-полимерные эмульсии (суспензии), в ряде случаев обнаруживающие синергизм в формировании комплекса свойств. Наполнение газом приводит к созданию газонаполненных пластических масс (пенопластов; в основном на основе полиэтилена, полистирола, полиуретана). Наполнение длинными волокнами и тканями (стеклянные, углеродные, органические) приводит к получению армированных пластических масс (наполнение до 90 % по объёму при однонаправленной намотке), в которых нагрузку несёт в основном наполнитель, а связующее служит для сохранения укладки наполнителя и формы изделия. В некоторые ПКМ (чаще на основе ПВХ) вводят пластификаторы, которые (в отличие от наполнителя) уменьшают модуль упругости и увеличивают разрывное удлинение.
Промышленное производство синтетических пластических масс в мире началось в 1909 г. выпуском феноло-формальдегидных смол и ПКМ на их основе (бакелит), в России – в 1914 г. (карболит). Мировое производство пластических масс составило (в млн т): в 1910 г. – 0,03; в 1950 г. – 1,5; в 1989 г. – 100; в 2002 г. – 200; в 2008 г. – 255; в 2020 г. – 367. Бурный рост производства и применения пластических масс обусловлен следующими основными факторами: сочетание прочности и стойкости к удару; малая плотность и, следовательно, высокая удельная прочность (таблица 2); экономичность, в том числе бо́льший (по сравнению с металлами и керамикой) объём выпускаемой продукции на единицу рабочей силы (высокая производительность), меньшая энергоёмкость производства на единицу массы изделий, снижение отходов (за счёт способности пластических масс к формованию изделий).
Свойство | Металлы | Полимеры | Стеклопластики |
Плотность, , кг/м3 | 1800–7850 | 900–1800 | 1600–2200 |
Прочность, , МПа | 127–2058 | 0,98–343 | 343–1764 |
Удельная прочность, , км | 4–53 | 0,1–30 | 30–100 |
Промышленные методы получения пластических масс и ПКМ: химический синтез из мономеров (полимеризация, поликонденсация и их разновидности), получение ПКМ путём смешения компонентов на смесительном оборудовании (закрытые смесители периодического действия, одно- и двухшнековые экструдеры непрерывного действия), а также пропитка армирующего наполнителя.
Пластические массы применяются во всех сферах человеческой деятельности, наибольшие объёмы пластических масс (более 50 % мирового производства) идут на упаковку (плёнка), тару и в строительство.