Состав пластмасс. Влияние компонентов на качество изделий

Состав пластических масс

По составу пластические массы разделяют на простые и сложные (композиционные). Первые состоят только из полимера (синтетической смолы или химически видоизмененного природного полимера), к которому могут добав­ляться небольшие количества красителей и стабилизаторов (до 3%). Композиционные пластмассы содержат, кроме того, значительные количества (до нескольких десятков процентов) других компонентов: наполнителей, пластифика­торов, газообразователей, отвердителей. Вспомогательной добавкой являются смазывающие вещества, предотвра­щающие прилипание отформованного изделия к стенкам формы. В композиционных пластмассах полимеры выпол­няют роль компонента, связывающего другие составные части (особенно наполнитель), поэтому их называют свя­зующими веществами.

Связующими веществами являются преимущественно синтетические высокомолекулярные соединения и неко­торые видоизмененные природные полимеры (эфиры целлюлозы). Они являются главной составной частью, опре­деляющей все основные свойства пластмасс; их способность формоваться при повышенных температурах и давлении, а также сохранять приданную изделию форму. К композиционным относятся пластмассы на основе феноло- и амино-альдегидных смол, которые применяют обычно с наполнителями и красителями, поэтому по своей структуре они гетерофазны. Многие синтетические смолы (полиэтилен, полистирол и др.), а также эфиры целлюлозы используют в качестве пластмасс как с наполнителями, так и без них.

Наполнителями пластмасс служат различные измельченные неорганические и органические материалы, напри­мер: древесная мука, кварцевый песок, каолин, тальк, дробленая слюда (отходы) и другие порошкообразные и волок­нистые материалы (очесы хлопка, волокна асбеста, измельченные обрезки тканей и бумаги). Наполнитель может со­ставлять более половины состава пластмассы. В слоистых пластмассах (гетинаксе, текстолите) наполнителем являют­ся рулонная бумага и ткани, пропитанные и склеенные смолой.

Порошкообразные наполнители перемешиваются со связующими веществами и остальными компонентами пластмассы, пропитываются и обволакиваются связующим веществом, благодаря чему в процессе формования изде­лий образуется твердая и плотная масса. При этом свойства пластмасс видоизменяются.

Введение наполнителя повышает механическую прочность и твердость, понижает величину усадки пластмассы в процессе формования изделия. Особенно улучшаются механические свойства, повышается прочность на удар при введении в пластмассу волокнистых наполнителей, выполняющих роль армирующих элементов и устраняющих хруп­кость ненаполненных пластмасс. Наряду с повышением прочности и твердости введение наполнителей в ряде случаев повышает теплостойкость и огнестойкость пластмасс, облегчает их переработку и снижает стоимость.

Газообразователи вводят в состав для получения газонаполненных пластмасс (поро- и пенопластов). Они пред­ставляют собой химические соединения, разлагающиеся в процессе формования изделий при нагревании с выделени­ем газообразных веществ.

Пластификаторами являются маслообразные органические вещества, имеющие высокую температуру кипения, - преимущественно сложные эфиры фталевой и фосфорной кислот (дибутилфталат, диоктилфталат, трикрезилфосфат) и др. Их добавляют в тех случаях, если необходимо уменьшить жесткость и хрупкость полимера. Повышая пластич­ность связующего вещества и тем самым облегчая переработку пластмассы, пластификаторы придают материалам и изделиям эластичность и гибкость. Для полярных полимеров применяют полярные, а для неполярных - неполярные пластификаторы.

Проникая между макромолекулами и иными структурными элементами смолы, молекулы пластификатора взаимодействуют с ними, сольватируют и раздвигают их, ослабляют силы межмолекулярного взаимодействия между ними. При этом температура стеклования (затвердевания) понижается, расширяются пределы температур, в которых полимер сохраняет высокоэластическое состояние. В результате увеличивается его морозостойкость, хотя стойкость к повышенным температурам (теплостойкость) понижается. Большое количество пластификаторов (до 50% и более со­става пластмассы) расходуется для превращения жесткого и относительно хрупкого полимера - поливинилхлоридной смолы - в мягкий и эластичный пластик - поливинилхлоридный пластикат.

Пластификаторы должны взаимодействовать и хорошо совмещаться с полимером, не испаряться и не мигриро­вать («выпотевать») из него, быть химически стабильными и физиологически безвредными. Последнее требование особенно важно для пластмасс, используемых в производстве бытовых изделий. Очень перспективными пластифика­торами оказались низкомолекулярные полиэфирные смолы, которые почти совсем не мигрируют из полимера, прак­тически нелетучи, обладают масло- и бензиностойкостью.

Красящие вещества пластмассы - это тонко измельченные пигменты и органические красители, стойкие к тем­пературам, при которых формуются изделия. Некоторые минеральные пигменты одновременно выполняют роль не только красителя, но и наполнителя пластмасс (окись цинка, литопон, сажа и др.). При выборе красящего вещества для окрашивания учитывают и его способность ускорять (стимулировать) или, наоборот, задерживать (ингибировать) старение пластмассы.

Стабилизаторы (ингибиторы) - это вещества, препятствующие необратимому изменению свойств синтетиче­ских смол и пластмасс под действием тепла, кислорода воздуха, света, влаги и прочих факторов, т. е. замедляющие процессы старения. Особенно интенсивное старение пластмасс вызывают ультрафиолетовые лучи, обладающие большой мощностью, сравнимой с энергией химических связей. Вследствие этого они способны отрывать электроны с наружных оболочек атомов. Такое действие ускоряет взаимодействие макромолекул полимера с кислородом, влагой и между собой, приводит, с одной стороны, к их разрыву (деструкции), с другой - к образованию поперечных связей (сшивок) между цепями (структурированию). В результате понижаются механическая прочность и эластичность по­лимерных материалов и изделий, возрастает хрупкость, ухудшается их внешний вид.

По характеру действия стабилизаторы делят на термостабилизаторы, препятствующие термоокислительной де­струкции, и светостабилизаторы, защищающие полимер от фотохимической деструкции. Имеются стабилизаторы и комплексного действия.

Сущность действия небольших добавок (0,1-3%) стабилизаторов (аминов, фенолов и др.) сводится к блоки­рованию активных центров (свободных радикалов), образующихся при деструкции полимера. Светостабилизаторы (сажа и др.) поглощают энергию ультрафиолетовых лучей и этим предотвращают разрыв молекул полимера и другие возможные химические процессы старения.

Отвердители вводят в отдельные пластмассы для перевода полимера в процессе формования изделий в неплав­кое и нерастворимое состояние. Их действие основано на сшивании структуры полимера. Ими являются ди- и поли-функциональные соединения (формальдегид, диамины, дикарбоновые кислоты и др.).