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 Т_пл, стеклования Т_с, текучести Т_тек, 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.

Поиск по сайту: