Состав пластмассы: из чего ее производят?

Каков он? Состав пластмасс во многом зависит от конкретного вида продукции. Но есть элементы, используемые при производстве в любом случае. Не считая основы в виде природного газа и нефти, это связующие вещества, пластификаторы и разного рода наполнители.

На что обратить внимание? От состава пластмассы в той или иной степени зависят ее свойства. К примеру, такие как легкость и прочность, устойчивость к внешним воздействиям и степень шумопоглощения, а также, конечно, стоимость.

Общая характеристика пластмасс

Пластмасса представляет собой искусственный материал, созданный на базе природных или синтетических полимеров. Его ключевая особенность заключается в способности приобретать заданную форму под воздействием нагрева и давления, а затем фиксировать ее после остывания.

Полимер, в свою очередь, является высокомолекулярным соединением, состоящим из множества мономеров, которые могут как повторяться, так и различаться между собой. Получают данные составы посредством процессов полимеризации и поликонденсации.

Для лучшего понимания рассмотрим простой бытовой пример. Если мы используем полиэтиленовый пакет для переноски покупок из магазина, то имеем дело с полимером — полиэтиленом, который образован огромным числом молекул этилена (мономера). Однако обычное соединение множества молекул этилена не обеспечит тех свойств, которыми обладает готовое изделие (в нашем случае пакет).

Сам термин «пластмассы» указывает на способность этих материалов под влиянием температуры и давления принимать определенную форму и удерживать ее после затвердевания или охлаждения. В процессе формования заготовка переходит из вязкотекучего или высокоэластичного состояния в твердое — стеклообразное или кристаллическое.

История получения пластмассы

Первый образец был получен в 1855 году английским изобретателем и металлургом Александром Парксом. Он дал своему открытию название «паркезин», хотя позже этот материал стал более известен под названием целлулоид. Впервые паркезин продемонстрировали широкой публике на Большой Международной выставке, проходившей в Лондоне в 1862 году.

Эволюция производства пластмасс начиналась с применения природных веществ, обладающих пластичностью, таких как шеллак. Следующим этапом внедрили химически обработанные природные компоненты, включая резину, нитроцеллюлозу, коллаген и галалит. Завершающим шагом стало создание полностью синтетических молекул, среди которых стоит выделить бакелит, эпоксидные смолы, поливинилхлорид и полиэтилен.

Преемником разработки Паркса является ксилонит — материал с аналогичным составом, который выпускала компания Даниэля Спилла, ранее работавшего с Парксом. Также значительную роль сыграл целлулоид, производством которого занимался Джон Уэсли Хайат. Изначально данный материал применяли в тех сферах, где ранее использовалась слоновая кость — производство бильярдных шаров, клавиш для пианино и искусственных зубов.

Важной вехой стало изобретение в 1907 году бакелита бельгийско-американским химиком Лео Бакеландом. Ему удалось добиться низкой стоимости и негорючести, учитывая, что материал являлся полностью синтетическим.

В России также проводились работы по созданию пластиков на базе фенола и формальдегида. В период 1913–1914 годов на шелкоткацкой фабрике, расположенной в деревне Дубровка близ Орехова-Зуева, Г. С. Петров вместе с В. И. Лисевым и К. И. Тарасовым синтезировали первую отечественную пластмассу — карболит. Вскоре было организовано его промышленное производство.

Свойства пластмасс

Пластик представляет собой широкую группу материалов, основу которых составляют длинные молекулярные цепи. Именно такая структура наделяет их особыми характеристиками. Среди ключевых свойств можно выделить следующие:

1. Малый вес. Пластик значительно легче стекла и металлов, что упрощает его перевозку и дальнейшую обработку. Это преимущество особенно востребовано в строительной сфере и автомобилестроении.
2. Стойкость к коррозии. Большинство видов этого материала не разрушаются под воздействием влаги, химических реагентов или других агрессивных сред, что гарантирует длительный срок службы изделий.
3. Изоляционные качества. Полимеры отлично защищают от прохождения электрического тока и тепла, благодаря чему они активно применяются в энергосберегающих технологиях и электротехнике.
4. Сочетание прочности и гибкости. В зависимости от вида полимера, материал может быть как очень прочным, так и достаточно гибким. Такое разнообразие позволяет использовать пластик в самых разных сферах.
5. Устойчивость к внешним факторам. Многие пластики не боятся ультрафиолетового излучения, воды, механических повреждений и прочих воздействий. Это делает их пригодными для эксплуатации на открытом воздухе.
6. Простота обработки. Материалы легко поддаются формовке, что дает возможность создавать изделия сложной конфигурации с высокой степенью детализации.
7. Способность поглощать шум. Отдельные виды пластиков эффективно гасят звуковые волны, поэтому их часто используют при изготовлении акустических панелей.
8. Вариативность цвета и текстуры. Пластик можно окрасить в любой оттенок и придать ему различную фактуру, что открывает широкие возможности для дизайнерских решений.
9. Доступная стоимость. Производство большинства видов пластика обходится недорого. Благодаря этому преимуществу материалы доступны для массового применения.

Состав пластмасс

Важно понимать, из чего состоят пластические массы и какими характеристиками они обладают. Это имеет ключевое значение для правильного подбора материала под конкретные задачи. Кроме того, такие знания необходимы при разработке методов утилизации и минимизации экологического ущерба.

• Сырье

Ресурсная база для создания полимеров весьма обширна. Основным источником служит природный газ, а также применяется «попутный» газ, выделяющийся при добыче нефти.

В продуктах нефтепереработки содержатся такие компоненты, как этилен и пропилен, которые на промышленных предприятиях преобразуются в полимеры.

Дополнительным сырьем выступает каменноугольный деготь, образующийся в процессе коксования угля и включающий в себя фенол и иные вещества. Также в производстве синтетических материалов задействуются азот и кислород, извлекаемые из воздуха, вода и другие распространенные соединения.

• Связующие вещества

Функцию связующего компонента состава пластмасс выполняют различные полимеры: синтетические смолы, каучуки и производные целлюлозы. Именно выбор такого вещества во многом определяет технические параметры готового изделия: его термостойкость, устойчивость к кислотам, щелочам и другим агрессивным средам, а также показатели прочности и деформации. Как правило, связующее является наиболее дорогостоящей частью пластмассы.

• Наполнители

В качестве наполнителей используются разнообразные органические и неорганические порошки, а также волокна. Для слоистых пластиков широко применяются бумага, ткани, древесный шпон и прочие листовые материалы. Присутствующий в составе пластмасс наполнитель значительно снижает расход дорогого полимера, тем самым удешевляя конечную продукцию. Такие включения, кроме того, улучшают эксплуатационные свойства: повышают теплостойкость и усиливают сопротивление разрыву и изгибу, работая по принципу арматуры в железобетоне.

• Пластификаторы

Эти вещества вводятся в состав полимера для повышения его эластичности и снижения хрупкости. Обычно в роли пластификаторов выступают низкомолекулярные жидкости с высокой температурой кипения. Их молекулы проникают между звеньями полимерных цепей, увеличивая расстояние между ними и ослабляя взаимосвязи, что приводит к снижению вязкости материала.

• Добавки

В производстве пластика используются и другие вспомогательные компоненты.

Инициаторы реакции полимеризации ускоряют процесс отверждения, поэтому их часто называют отвердителями. Стабилизаторы в составе пластмасс помогают сохранять структуру и свойства материала на протяжении времени, предотвращая преждевременное старение под воздействием ультрафиолета, кислорода, нагрева и иных неблагоприятных факторов.

Для окрашивания применяются как органические пигменты (например, нигрозин, хризоидин), так и минеральные (охра, мумие, сурик, ультрамарин, белила).

Смазочные добавки снижают вязкость состава и препятствуют прилипанию материала к стенкам пресс-формы в процессе обработки.

Для создания пористых структур в полимеры вводят порообразователи (порофоры). Такое вещество в составе пластмасс обеспечивает формирование пор внутри материала.

Типы пластмасс

По характеру застывания

Иначе говоря, пластик классифицируют «по связующему веществу», поскольку именно от выбранного компонента зависит механизм отверждения материала.

Термопласты отличаются возможностью многократного использования. Это свойство обеспечивается наличием специальных добавок (в частности, пластификаторов). Стоит учесть, что термопласты обычно являются многокомпонентными системами, в состав которых могут входить шеллак, канифоль, мел, тальк, оксид цинка и другие присадки.

Что касается реактопластов, то в них присутствует реагент, инициирующий процесс затвердевания. Роль связующих выполняют термореактивные полимеры, которые переходят в твердое состояние исключительно при нагреве. В ходе этого процесса происходит химическая реакция, изменяющая структуру материала: волокна переплетаются плотнее, а молекулярные связи укрепляются. В результате после охлаждения формируется прочный конструкционный пластик.

По эластичности

В зависимости от модуля упругости выделяют следующие категории:

• жесткие: показатель упругости превышает 700 МПа (сюда относятся все фенопласты и аминопласты);
• полужесткие: значение находится в диапазоне от 70 до 700 МПа (примерами служат полиамидные пластмассы и полипропиленовые трубы);
• мягкие и эластичные: модуль упругости составляет менее 70 МПа (как правило, это резины, которые с научной точки зрения также классифицируются как пластмассы).

Читайте также!

Производство пластиковых изделий: технологии и оборудование

Подробнее

Для наглядности: модуль упругости фторопласта-4 варьируется от 460 МПа и выше, но не превышает 700 МПа, поэтому он относится к полужестким материалам. В то же время у капролона этот показатель достигает примерно 2300 МПа в зависимости от разновидности.

Данная характеристика имеет критическое значение для последующей эксплуатации изделия.

По способу изготовления

Пластик представляет собой синтетический полимер. Как уже говорилось, для его получения необходимо выстроить мономеры в длинные и прочные цепочки. Реализовать эту задачу можно двумя путями:

• Поликонденсация. Представляет собой процесс взаимодействия мономеров, в результате которого образуются полимеры и побочные продукты (чаще всего жидкости или вода). Таким методом получают полиуретаны, полиамиды, поликарбонаты, полиэфиры, а также фенолформальдегидные и эпоксидные смолы.
• Полимеризация. Это реакция взаимодействия мономеров с формированием длинных полимерных цепей, но без выделения вторичных продуктов. Примерами процесса можно назвать получение полиэтилена из этилена, полистирола из стирола и поливинилхлорида из винилхлорида.

По применению

Исходя из свойств, пластмассы разделяют на следующие функциональные группы:

• Конструкционная: обладает высокой прочностью, пригодна для изготовления различных изделий.
• Фрикционная: способна выдерживать значительные силы трения без быстрого износа.
• Антифрикционная: применяется в подшипниках скольжения и подвижных узлах для снижения трения.
• Электроизоляционная: не проводит электрический ток.
• Оптически прозрачная: пропускает свет без искажений (например, оргстекло).
• Химически стойкая: устойчива к воздействию кислот и щелочей.
• Теплоизоляционная: характеризуется низкой теплопроводностью (например, газонаполненные пластмассы).
• Декоративная: включает в себя цветные материалы.
• Уплотнительная: обладает высокой упругостью, позволяющей материалу адаптироваться под форму соседних деталей.

На рынке представлено множество видов пластмасс с различными физико-химическими характеристиками. Они поставляются в разных формах в зависимости от назначения: в виде гранул, стержней, листов или уже готовых фасованных деталей.

По составу

Базовая классификация делит пластики на:

• однокомпонентные (состоят исключительно из полимера);
• многокомпонентные (включают различные присадки: отвердители катализаторы реакции, наполнители и др.)

Однако чаще под классификацией по составу подразумевают следующее разделение:

• Ненаполненные пластики. Содержат максимально чистый полимер с минимальным количеством химикатов для контроля реакции. Примеры: полиэтиленовая пленка, изделия из полистирола, полиэтилен, полиамид, капролон, поликарбонат и чистые фторопласты.
• Наполненные. Помимо основного полимера и реактивов, включают наполнители, красители и другие добавки. Примеры: графитопласты (полиамид с графитом), текстолит, поливинилхлорид, бумажно-слоистые пластики.

Существуют и другие варианты классификации по составу.

Базой любой пластмассы является определенный синтетический полимер. Наиболее распространенные типы:

• Фенопласты. Основа – фенолформальдегидная смола (бакелит). Часто используются как композитные материалы. Также из этой смолы производят бакелитовые лаки для пропитки некоторых видов ОСБ.
• Эпоксипласты. Базируются на эпоксидной смоле. Такие пластики обычно относятся к реактопластам.
• Аминопласты. Основа – мочевино-формальдегидные смолы (карбамидные пластики). Также являются реактопластами и отличаются высокой прочностью.

Наполненные пластмассы различают в зависимости от типа введенного наполнителя:

• Порошковый тип характеризуется не самой высокой прочностью на изгиб из-за отсутствия армирующих волокон. В качестве наполнителей используют золу, графит, тальк.
• Волокнистый наполнитель содержит синтетические или природные волокна, включая асбест.
• Слоистый тип представляет собой композитные материалы с листовыми наполнителями (бумага, ткань, стекло).
• Газонаполненным наполнителем является газ (в том числе воздух), что позволяет получать вспененные материалы.

Маркировка пластмасс

Система маркировки пластиковых изделий представляет собой набор условных знаков и цифровых обозначений, служащих для точной идентификации типа материала. Эта информация критически важна как для организации процесса сортировки и вторичной переработки отходов, так и для информирования покупателей о характеристиках и безопасности продукции.

Как правило, на упаковке или самом изделии можно увидеть треугольный значок, внутри которого расположена цифра, указывающая на конкретный вид полимера. Иногда рядом размещаются дополнительные сведения о возможности переработки. Расшифровка числовых кодов от 1 до 7 выглядит следующим образом:

• 1 – PET
• 2 – HDPE
• 3 – PVC
• 4 – LDPE
• 5 – PP
• 6 – PS
• 7 – прочие виды, включая композиты и многообразные

Подобная нумерация существенно упрощает утилизацию, поскольку каждый тип пластика обладает уникальными свойствами и требует специфических методов переработки.

Цифра в центре треугольника является главным идентификатором, однако не менее важно обращать внимание на сопутствующие пиктограммы. Например, изображение бокала с вилкой свидетельствует о том, что материал безопасен для контакта с пищевыми продуктами.

Читайте также!

Применение пластика и описание свойств

Подробнее

Знак в виде микроволновой печи указывает на термостойкость изделия, а снежинка говорит о его устойчивости к низким температурам.

Существуют также предупреждающие символы. Так, знак «не нагревать» часто встречается на изделиях из ПВХ и полистирола, а маркировка «одноразовое использование» характерна для ПЭТ-тары.

Часто задаваемые вопросы о составе пластмасс

Как различают пластмассы по составу?

Классификация исходит из типа основного связующего компонента. К примеру, фенопласты производятся на базе фенолоформальдегидных смол, эпоксипласты имеют в своей основе эпоксидную смолу, а аминопласты создаются с использованием мочевино-формальдегидных соединений.

Для чего в пластике нужны добавки?

Использование чистых полимеров не всегда экономически целесообразно и часто не обеспечивает требуемых эксплуатационных характеристик. Поэтому в составе пластмассы содержатся специальные присадки, модифицирующие материал под конкретные нужды, изменяя прочность, гибкость, термостойкость, цвет и иные параметры.

От чего зависят свойства пластмассы?

На конечные характеристики материала воздействуют не только его химический состав, но и технологические нюансы производства (режимы температуры, давления, длительность охлаждения), качество исходного сырья, а также условия дальнейшей эксплуатации, включая влияние влаги, освещения и температурных перепадов.

Если внимательно осмотреться вокруг, можно без труда обнаружить множество предметов из пластика: корпус шариковой ручки, компьютерную клавиатуру, бутылку с питьевой водой или газированным напитком. Все эти вещи изготовлены из пластмасс, которые, несмотря на внешнее сходство, могут существенно различаться по своему внутреннему составу.

Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com