Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Общая характеристика полимерных материалов



История

Пластичность означает способность вещества формоваться. Первоначально исполь­зовали полимеры природного происхождения, и только относительно недавно были получены синтетические полимеры, главным образом из низкомолекулярных ве­ществ (мономеров), содержащих углерод и легко соединяющихся друг с другом, об­разуя полимеры.

Чтобы проследить развитие индустрии пластиков, мы должны вернуться в 1843 г., когда доктор Монтгомери, военный хирург, находившийся в то время в Малайзии, сообщил, что местные жители для производства рукояток ножей и других бытовых изделий используют гуттаперчу (белый или коричневый млечный сок местных де­ревьев, похожий на каучук). Это привело к образованию Гуттаперчевой компании, начавшей выпускать рамки для картин, чернильницы и бильярдные шары.

Приблизительно в то же время Альфред Критчлоу разработал пресс-формы и пресс для формования изделий из смеси расплавленного шеллачного компаунда, измельченной соломы и гуттаперчи, что позволило ему изготовлять пуговицы, шашки и другие предметы на заказ. Во время гражданской войны в США недоста­ток слоновой кости для изготовления бильярдных шаров привел к тому, что фирма Рке1ап апй СоИапЛег предложила в качестве премии за разработку подходящего за­меняющего материала $10 000. Это привлекло внимание Джона Уисли Хьятта, ин­женера-печатника из г. Олбани, штат Нью-Йорк. После нескольких лет экспери­ментов он получил патент, где описывалось необыкновенное воздействие камфары на коллоксилин, получаемый из хлопковой целлюлозы и азотной кислоты. Этот материал не перерабатывался литьем, но обрабатывался резанием и формовался, а по внешнему виду походил на слоновую кость. Название «целлулоид» было при­думано братом Джона, работавшим совместно с ним и усердно помогавшим ему в экспериментах. До следующего важнейшего шага в развитии индустрии пластиков прошел сорок один год. В 1909 г. доктор Лео Хендрик Бакеланд после многочисленных экспери­ментов нашел условия для проведения контролируемых реакций между фенолом и формальдегидом. Примечательно, что до него это пытались сделать многие исследо­ватели, но им не удалось получить практически пригодных продуктов для этих реак­ций. В возрасте 35 лет Бакеланд посвятил себя исследованию феноло-формальде-гидных смол (ФФС) и после четырех лет интенсивной работы открыл значение уротропина как отвердителя ФФС и пришел к выводу, что для предотвращения вспе­нивания их необходимо формовать под давлением. В итоге был получен материал, названный в честь первооткрывателя «бакелитом». Он стал первой в истории синте­тической смолой и положил начало производству синтетических пластиков. Новые виды пластиков появлялись в следующей последовательности: в 1919 г. — казеино-формальдегидные смолы, в 1926 г. — алкидные и анилиноформальдегидные смолы, в 1927 г. — ацетилцеллюлоза и поливинилхлорид и в 1929 г. — карбамидоформаль-дегидные (мочевиноформальдегидные) смолы.

Для производства упаковки настоящим прорывом явилось получение в Англии полиэтилена (ПЭ). В декабре 1935 г. химики, работавшие в лабораториях фирм, провели полимеризацию этилена при высоком давлении с добавкой небольшого количества кислорода. В результате этого получился материал с хорошими диэлектрическими свойствами, который в больших количествах был ис­пользован в ходе второй мировой войны как электроизоляционный материал в воен­ных средствах связи и как упаковочный материал для стрелкового оружия. Экструдированная пленка из ПЭ была получена в начале 1945 г., но она была недостаточно прозрачна, склонна к растрескиванию в напряженном состоянии и малопригодна для нанесения на нее печати.

После окончания второй мировой войны конъюнктура рынка существенно изме­нилась, и начались поиски других сфер применения полимеров. Метод экструзионно-раздувного формования изделий из полимеров, который соединил в себе процес­сы выдавливания и формования, был разработан Енохом Т. Фернгреном и Вильямом Копитке еще в 1937 г. Была показана его пригодность для получения изделий из по­лиэтилена низкой плотности (ПЭНП), и около 1947 г. на рынке появился дезодо­рант «Стопетт» в мягких флаконах. В 1953 г. доктор Карл Циглер разработал процесс получения полиэтилена с использованием в качестве катализаторов тетрахлорида титана и триэтилалюминия. Этот процесс не требовал высокого давления для уско­рения реакции. В результате этой разработки был получен полиэтилен высокой плот­ности (ПЭВП), который, в частности, позволял выдувать емкости с более тонкими стенками. В 1959 г. пластиковые бутылки для моющих средств, изготовленные из ПЭВП выпускали уже пять фирм. С этого момента существенно ускорились процес­сы создания различных пластиков, а также технологий производства на основе экст­рузии, литья под давлением и термоформования, которые породили бесконечное разнообразие типов пластиков и форм изделий.

Классификация

Полимерная упаковка является самым современным типом упаковки, поскольку широкое промышленное производство по­лимеров началось только с 30—40-х гг. XX в. Полимерная упаков­ка бывает жесткой (бутылки, банки) и мягкой (пленки, пакеты, мешки).

Преимущества полимерной тары: низкая удельная масса (плот­ность), химическая инертность, низкая хрупкость, легкость ок­рашивания, технологичность, взаимозаменяемость.

Преимущества такой тары, например банок, по массе в срав­нении со стеклянной тарой прослеживается на графике, приве­денном на рис. 9.1 для тары из полиэтилентерефталата и стекла.

Недостатки полимерной тары: старение под действием кисло­рода агрессивных сред и солнечного света (фотостарение), появ­ление постороннего запаха (полиэтилен), трудность идентифика­ции при утилизации, возможность миграции органических ком­понентов в продукцию.

Специфические требования, которым должна соответствовать полимерная тара: жиростойкость, водостойкость, кислотостойкость, стойкость к горячей воде, светостойкость; обладать барьерными свойствами по отношению к газам, парам, влаге, аромату; пыленепроницаемость и т. п.

По гигиеническим свойствам (санитарно-химическим) поли­мерную тару и упаковочные пленки условно можно разделить на несколько групп:

1) для пищевых продуктов;

2) товаров бытового назначе­ния;

3) товаров технического на­значения;

4) ядохимикатов, дезинфи­цирующих средств, удобрений, земли, бытового мусора и т. п.

Наиболее высокие требования по гигиеническим (токсикологи­ческим, микробиологическим и саннтарно-химическим) свойствам предъявляют к первой группе материалов. Для упаковки товаров бытового назначения, транспортной тары можно использовать воз­вратные и вторичные полимеры. Для пленок третьей и четвертой групп гигиенические требования наиболее низкие. В этом ряду су­ществует правило: пленки для второй, третьей, четвертой групп никогда нельзя применять для упаковывания пищевых продуктов. Однако тара и пленки для первой группы могут быть использованы для второй, третьей и четвертой групп. Единственным ограниче­нием является более высокая иена за невостребованное качество.

Общая характеристика полимерных материалов

Полимерные материалы. Это общее название группы материа­лов, основным компонентом которых являются высокомолеку­лярные соединения — полимеры. Эти материалы обычно делят на пластмассы (жесткие и полужесткие материалы), эластомеры (каучукоподобные) и композиционные — инженерные конструк­ционные пластики.

Пластмассы. Они представляют материалы, содержащие в своем составе полимеры, а также необходимые ингредиенты и специ­альные добавки. Пластмассы эксплуатируют в твердом состоянии.

Основным компонентом пластмасс является полимер или смесь полимеров. Полимеры и полимерные композиции определяют свой­ства будущего изделия и способ переработки.

По происхождению полимеры подразделяют на природные (целлюлоза, природные белки); искусственные, которые получа­ют химической обработкой природных соединений (гидратцеллюлоза, нитроцеллюлоза, карбоксиметилпеллюлоза и др.); син­тетические, полученные химическим синтезом низкомолекуляр­ных соединений — мономеров рахпичной природы.

Каждый компонент полимерной композиции выполняет свою роль при производстве или в процессе эксплуатации пластмассы. Ниже приведено назначение основных компонентов, применяе­мых для пластмасс при производстве тары:

Термические свойства полимеров. По отношению к нагреванию полимеры и пластмассы подразделяют на термопластичные и тер­мореактивные (реактопласты). Термопластичные пластмассы при нагревании размягчаются и способны к течению. Реактопласты отвердевают необратимо и устойчивы к нагреванию.

Для производства упаковки используют главным образом тер­мопластичные полимеры: полиэтилен высокой и низкой плотно­сти, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиамиды. Термопласты при нагревании перехо­дят сначала в высокоэластическое, затем в вязкотекучее состоя­ние (если они аморфные) или плавятся, если они являются кри­сталлическими полимерами (слайд). Эта способность термопластов позволяет использовать их повторно — как отходы в собственном производстве и как вторичные полимеры.

Термореактивные смолы используют для производства лаков (например, для лакирования консервной тары), для изготовле­ния жестких конструктивных элементов потребительской и транс­портной тары, поддонов.

Три важнейшие температуры определяют эксплуатационные и технологические свойства полимеров:

- температура стеклования - для аморфных полимеров опреде­ляет температуру перехода из твердого стеклообразного состоя­ния в высокоэластическое (каучукоподобное). Эта температура ог­раничивает интервал эксплуатации жесткой полимерной тары, поскольку начинается деформация материала; температура стек­лования ограничивает его теплостойкость;

- температура плавления (для кристаллических) или темпера­тура текучести (для аморфных) определяет переход в жидкоподобное, вязкотекучее состояние, расплав. Эта температура опре­деляет интервал переработки полимеров;

- температура морозостойкости (близка к температуре хрупко­сти) определяет предел эксплуатации полимерного материала при низких температурах. Ниже этой температуры тара становится хрупкой и разрушается.

Обозначение полимеров, основные температуры переходов, температура плавления Тпл, стеклования Тс, текучести Ттек, струк­турные формулы звена полимера приведены в табл. 9.1.

Старение пластмасс является недостатком многих полимеров -подверженность старению под действием ультрафиолетовых лу­чей части спектра солнечного света, тепла, кислорода и озона. Чтобы защитить полимеры и пластмассы на их основе от старе­ния, в них вводят стабилизаторы и антиоксиданты. Применение этих добавок ограничено или специально оговорено в ГОСТ для полимеров, предназначенных для контакта с пищевыми продук­тами так как некоторые стабилизаторы являются токсичными. Признаками старения являются пожелтение, помутнение, рас­трескивание.

Длительное действие вышеперечисленных факторов, нагрева­ние пластмасс до температур, значительно превышающих темпе­ратуру плавления или текучести, приводит к деструкции, т.е. раз­рушению полимера. Признаками деструкции является почернение, уменьшение объема и массы, выделение низкомолекулярных про­дуктов и снижение молекулярной массы. Выделение мономеров наблюдается при нагревании полимеров, содержащих третичный атом углерода, например в полиметилметакрилате, полистироле, в ПВХ — отщепление хлористого водорода; другие полимеры раз­общаются с понижением молекулярной массы по закону случая. Физико-механические и физико-химические свойства полимер­ных материалов чрезвычайно разнообразны и зависят от природы макромолекулярной цепи (строения, жесткости), степени кристаллизации, степени ориентации, характера надмолекулярной структуры (слайд).

Чаще всего кристаллические полимеры прочнее аморфных, имеют более низкую проницаемость, высокую жесткость. Ориен­тация приводит обычно к упрочнению полимерного материала, поскольку при этом происходит упорядочение макромолекул и возможна их кристаллизация. Гигроскопичность увеличивается по мере увеличения в макромолекулярной цепи полярных групп: -ОН, -СОН, -СООН, -1NН2 и др.

Многотоннажные полимеры, применение которых для произ­водства тары начато в 1960-х гг. — ПЭ и ПВХ. В России многотоннаж­ным полимером № 1, наиболее широко применяемым для произ­водства тары, является полиэтилен (ПЭ). Столь же развита ин­фраструктура по производству поливинилхлорида, полистирола и его сополимеров. В последние 10 лет в России увеличилось произ­водство полипропилена. В маркировке тары в мировой практике полимер № 1 — полиэтилентерефталат (1 — РЕТ). В связи с появ­лением коммерческой переводной литературы в России часто ис­пользуется сокращенное обозначение полимера ПЭТ, а не ПЭТФ, как это принято и рекомендует ГОСТ Р 51695 — 2000.

Немаловажное влияние на производство тары оказывает сто­имость полимера. Не только в России, но и в мире 20—30 лет назад ПЭ являлся наиболее дешевым полимером. Освоение выпус­ка полипропилена и полиэтилентерефталата, модернизация тех­нологий привели к снижению стоимости этих полимеров. При не­большой разнице в цене выявились преимущества ПЭТФ и ПП перед ПЭ, и в настоящее время все три полимера широко исполь­зуют для изготовления тары и упаковочных полимерных пленок.

Сложилась тенденция поиска путей модификации наиболее известных и распространенных многотоннажных полимеров — пу­тем смешивания или комбинирования с другими полимерами и полимерными материалами в многослойных и комбинированных композициях. Это позволяет создать разнообразные сочетания свойств в одном материале.




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.