Основные компоненты пластических масс

Полимеры и пластические массы на их основе по композиционному составу существенно отличаются друг от друга. Полимер не содержит добавок, пластмассы же - это многокомпонентные системы. Основой любой пластмассы служит связующее, т.е. полимер. Кроме него в состав могут входить: -      наполнители

-        пластификаторы

-        смазывающие вещества

-        отвердители и ускорители отверждения

-        структурообразователи и регуляторы структурообразования

-        ингибиторы или стабилизаторы

-        красители

-        антистатики-      антипирены

-        газообразователи

-        аппретирующие и другие добавки

Каждый из них придаёт определённые свойства пластмассовому изделию.

Связующее вещество влияет на все свойства (физико-механические), а поэтому связующее вещество определяет свойства изделия из пластмассы. В качестве связующих используют главным образом синтетические и природные смолы, некоторые производные целлюлозы. Широкое применение получили поликонденсационные фенолформальдегидные, кремнийорганические соединения, а также соединения полимеризационного типа: ПЭ, ПП, ПС. В зависимости от связующего при выборе конкретного полимера в качестве связующего необходимо руководиться следующими теоретическими и практическими данными:

1.            При производстве изделий применяющихся в качестве конструкционных или машиностроительныхдеталей, рекомендуются применять главным образом поликонденсационные фенолформальдегидные олигомеры.

2.            Для производства изделий электротехнического назначения в качестве связующих можно применятьфенолформальдегидные олигомеры, ПС, ПК, полиамиды, ПВХ и ПЭ.

3.            Для изготовления химического оборудования часто выбирают ПЭ, полиизобутилен - они стойкие к действию солей, кислот. Также используются фенолформальдегидные олигомеры. Универсальной химической стойкостью отличается политетрафторэтилен.

4.            Для придания изделию цветостойкости, светостойкости, способности окрашиваться в любые цветаприменяются ПС, карбамидоформальдегидные смолы, сополимеры ПС с другими полимерами, ПВХ.

5.            При изготовлении изделий, работающих на трение, в состав вводят фенолформальдегид илиполиамиды.

Выбор состава полимерной композиции зависит от свойств основного компонента - полимера - а также от способности этого полимера совмещаться с добавками, и зависит от предъявляемых конечной пластмассе физико-механических и других эксплуатационных свойств. В последнее время используются гибридные связующие смеси полимеров в различных соотношениях.

Наполнители оказывают существенное влияние, а часто и определяющее, на физико-механические свойства изделия, а также на формовочные свойства (текучесть, усадка) и на режим переработки, а именно предопределяет величину удельного давления, температуры и продолжительность формования.

Интерес представляют твёрдые наполнители. По своей природе они бывают органическими и неорганическими. Каждая из групп подразделяется на порошковые, волокнистые и слоистые наполнители.

К неорганическим порошковым относят молотую слюду, кварцевую муку, графит, железный порошок, каолин, тальк, оксид цинка, диоксид титана и другие. К неорганическим волокнистым - длинноволокнистый асбест, стекловолокно.

Органические порошковые включают древесную муку. Волокнистые органические - хлопковый линтер, сульфитная целлюлоза, крошка древесного шпона, текстильная крошка, искусственные химические волокна. Слоистые наполнители включают стеклянную и х/б ткань, бумагу, древесный шпон.

При производстве изделий с заданными свойствами большое значение имеет выбор типа связующего и наполнителя, соотношения между ними, технологии переработки пластической массы в изделие. При одном и том же связующем в зависимости от свойств наполнителя свойства пластмасс сильно различаются.

Для материалов с особо высокими свойствами используют х/б ткань, химические волокна и древесный шпон. Повышенные диэлектрические свойства достигаются использованием слюды, кварцевой муки. Для придания кислотостойкости, теплостойкости и фрикционных свойств вводят асбест. Для получения пластмасс легкоокрашивающихся в светлые тона используют сульфитную муку. Для улучшения физикомеханических характеристик пластмасс используют аппретирование. Аппреты - полифункциональные соединения (органические), способные взаимодействовать и с наполнителями и со связующим.

Пластификаторы - это жидкие или твёрдые вещества, придающие полимеру эластичность, придающие температуре размягчения и температуре стеклования. Они способствуют улучшению

перерабатываемости. Они вводятся в том случае, когда основные компоненты плохо перемешиваются, плохо вальцуются и плохо прессуются.

Пластификаторы чаще всего применяются для эфиров целлюлозы, для полимеризационных пластмасс.

К пластификаторам предъявляют следующие требования:

-         совместимость со связующим и с композицией в целом

-         светостойкость

-         теплостойкость

-         малая летучесть

-         должен сообщать материалу пластичность даже при низких температурах

-         низкая стоимость

В качестве пластификаторов применяют камфору, трикрезилфосфат, трифенилфосфат, триэтилфосфат, триметилфосфат, дибулитфталат, дибутилксилацинат.

Смазывающие вещества: стеарин, олеиновая кислота. Они предотвращают прилипание пластмассы к технологическому оборудованию на стадии приготовления пластмассы и на стадии переработки при формовании.

Красители - они используются в декоративных целях. Применяются различные добавки: фенольные прессматериалы окрашиваются в чёрный и коричневый. Новолачные прессматериалы окрашиваются в чёрный с помощью нигрозина. Резольные -  в коричневый с помощью мумия.

Аминопласты, полимеризационные пластмассы, эфиры целлюлозы окрашиваются в разнообразные цвета. Обычно в производстве применяют органические и неорганические красители, они растворяются в углеводородах, спиртах, иногда в воде, а также применяют нерастворимые красители - пигменты (охра, сурик жёлтый, технический углерод).

К потенциальным красителям предъявляют следующие требования:

-совместимость с компонентами пластмасс

-химически инертные (не вступали в реакции с компонентами)

-чистота окраски

-светостойкость

-теплостойкость

-неизменность во времени

-низкая стоимость

Отверждающие вещества - они вводятся в полимерный материал для обеспечения перехода полимера от линейному к пространственному строению. В качестве отверждающих веществ могут быть использованы совместно вводимые инициаторы и ускорители полимеризации. Эти добавки обычно способствуют развитию радикальной полимеризации. Этот способ обычно применяется для отверждения полиэфиракрилатных и полиэфирмалеиновых смол, в состав которых входит стирол и другие полимеризующиеся мономеры.

Для сшивания эпоксидных олигомеров используются ангидриды кислот, амины и другие соединения (фталевый ангидрид, полиэтиленполиамид ПЭПА).

Резольные фенолформальдегидные олигомеры отверждаются в результате поликонденсации при повышенной температуре.

Новолачные фенолформальдегидные олигомеры с помощью добавок формальдегида или уротропина переводятся в резольные олигомеры и отверждаются далее при нагревании.

В последнее время широкое распространение получила сшивка полиолефинов органическими пероксидами.

К числу других добавок, применяемых для изготовления пластмасс, относятся венская известь (MgO + CaO), и оксид Mg. Эти оксиды в составе пластмассы нейтрализуют остатки кислых катализаторов и предотвращают коррозию пресс-формы. Они же способствуют снижению прилипаемости формуемых изделий к поверхности оснастки.

В процессе приготовления и ещё более в процессе переработки, а также при эксплуатации изделий из пластмасс, полимерные изделия подвергаются воздействию тепла, кислорода, влаги, света и механических воздействий. При этом происходит деструкция, окисление, структурирование. В свою очередь окисление сопровождается ухудшением диэлектрических свойств, уменьшением упругости, повышением температуры стеклования полимера, возникающие при деструкции свободные радикалы вступают во вторичные реакции, образуя в полимере ответвления и сетчатую структуру.

Деструкция, которая сопровождается последующим сшиванием, и приводит к повышению молекулярной массы полимера вплоть до полной потери растворимости. При этом полимер теряет способность переходить в пластическое и вязкотекучее состояние. Разрыв же макромолекул и по длине цепи снижает среднюю молекулярную массу и изменяет фракционный состав полимера.

При переработке оба процесса (деструкция и сшивание) могут идти одновременно и происходящие при этом термоокислительные и механохимические превращения в итоге вызывают резкое ухудшение качества полимера. Поэтому задача технолога состоит в том, чтобы по возможности замедлить химические процессы, приводящие к разрушению пластмассы. Следует иметь ввиду, что ухудшение качества наблюдается и в процессе эксплуатации. Механохимические и термоокислительные превращения полимеров, которые протекают по механизму цепных реакций, замедляются при использовании для синтеза полимеров очень чистых мономеров.

Стабилизаторы:

-      антиокислители (антиоксиданты). Они предотвращают или замедляют процесс окисления под действием кислорода. При окислении органических соединений молекулярным кислородом образуются пероксидные радикалы, являющиеся реакционно-способными частицами. Макромолекулы антиоксидантов вступают в реакции с пероксидными радикалами, в результате чего пероксидный активный радикал заменяется малоактивным радикалом антиоксиданта. Он не способен продолжать цепь.

Таким образом, стабилизаторы, как правило, являются акцепторами свободных радикалов, т. е. они замедляют цепные реакции распада полимера. Некоторые классы стабилизаторов, прежде всего амины, различные производные фенолов, подвергаются более быстрому окислению по сравнению с полимерами, поэтому они быстрее воспринимают действие кислорода воздуха и тем самым предотвращают его действие на полимер.

На практике различают термо- и светостабилизаторы. В качестве термостабилизаторов применяются серосодержащие соединения, амины, производные фенолов в количестве до 0,2 % от массы композиции.

Для  фотостабилизации используются производные бензофенона, сложные эфиры салициловой кислоты, производные бензотризола, различные органические соединения олова, тиазолидоны, канальная сажа.

Для этрола в качестве термостабилизатора применяют дифениламин, а в качестве фотостабилизатора салол. Эффективными стабилизаторами являются стеараты Ca, свинца, бария.

-              антирады - вещества, повышающие стойкость пластмасс к действию ионизирующих излучений. В их качестве используются нафталин, антрацен, фенантрен, пирокатехин. Они поглощают энергию, рассеивают её в виде тепла, флуоресценции, при этом сами Антирады не претерпевают существенных изменений.

-              антипирены - добавки, снижающие горючесть полимерных материалов, затрудняющие их воспламенение и замедляющие процесс распространения в них пламени. В качестве их применяются галогенсодержащие соединения, производные фосфора, изоцианата, соединения сурьмы, комбинации этих соединений.

Они должны обладать следующими свойствами:

ü хорошая совместимость с полимером

ü нетоксичность ü бесцветность ü атмосферостойкость

ü высокие диэлектрические показатели

-              антимикробные добавки препятствуют зарождению и развитию микроорганизмов в полимерном изделии. Органические соединения ртути, меркаптаны.

-              антистатики препятствуют возникновению и накоплению статического электричества в изделиях из пластмасс. Накопление на поверхности электрических зарядов при трении или при разрыве контакта между полимером и проводником обуславливается высокими диэлектрическими свойствами. Действие антистатиков основано на повышении электрической проводимости материалов, это и обеспечивает утечку электрических зарядов. Антистатиками являются все порошки металлов и их оксидов, технический углерод, графит, ПАВ, некоторые полимеры с хорошими антистатическими свойствами.

Регуляторы структурообразования или нуклеирующие агенты вводятся с целью формирования желаемой надмолекулярной структуры в полимере и желаемых свойств. Часто используется мелкокристаллический материал, тугоплавкий, добавки титана.

Газообразователи применяются для получения пенопластмасс. Органические и неорганические соединения, азо- и диазосоединения, сульфогидразины, нитрозосоединения, производные гуанидина, углекислый аммоний, бикарбонат натрия, легколетучий жидкий изопентан. Газообразователи характеризуются температурой разложения и газовым числом - это количество газа в см³, который выделяется при разложении 1 г газообразователя. При нагревании полимера с газообразователем, он разлагается с выделением газа, который и производит вспенивание.