Переработка полимеров

Переработка полимеров

ВВЕДЕНИЕ

Полимерные молекулы представляют собой обширный класс соединений,

основными отличительными характеристиками которых являются большая

молекулярная масса и высокая конформационная гибкость цепи. Можно с

уверенностью сказать, что и все характеристические свойства таких молекул,

а также связанные с этими свойствами возможности их применения обусловлены

вышеуказанными особенностями.

В нашем урбанизированном быстро развивающемся мире резко возрос спрос

на полимерные материалы. Трудно себе представить полноценную работу

заводов, электростанций, котельных, учебных заведений, электрической

бытовой техники, которая нас окружает дома и на работе, современных

вычислительных машин, автомобилей и много другого без использования этих

материалов. Хотим ли мы сделать игрушку или создать космический корабль - и

в том, и в другом случае не обойтись без полимеров. Но каким образом можно

придать полимеру требуемую форму и вид? Чтобы ответить на этот вопрос,

рассмотрим иной аспект технологии полимеров, а именно их переработку, что и

является предметом данной работы.

В широком смысле переработку полимеров можно рассматривать как некую

инженерную специальность, занимающуюся превращением исходных полимерных

материалов в требуемые конечные продукты. Большинство методов, применяемых

в настоящее время в технологии переработки полимеров, являются

модифицированными аналогами методов, используемых в керамической и

металлообрабатывающей промышленности. Действительно, нам необходимо понять

все тонкости переработки полимеров для того, чтобы заменить обычные

традиционные материалы другими материалами с улучшенными свойствами и

внешним видом.

Около 50 лет назад существовало очень ограниченное количество

процессов переработки полимеров в конечные изделия. В настоящее время

имеется множество процессов и методов, основными из них являются

каландрование, отливка, прямое прессование, литье под давлением, экструзия,

пневмоформование, холодное формование, термоформование, вспенивание,

армирование, формование из расплава, сухое и мокрое формование. Последние

три метода используют для производства волокон из волокнообразующих

материалов, а остальные - для переработки пластических и эластомерных

материалов в промышленные изделия. В следующих разделах я попытался в общем

виде рассмотреть эти важные процессы. Для более детального ознакомления с

этими и другими процессами, такими, как нанесение покрытий окунанием и

методом вихревого напыления псевдоожиженного слоя, электронная и тепловая

герметизация и сварка, следует обратиться к специальным учебникам по

переработке полимеров. За пределы этого реферата также выходят и вопросы,

касающиеся покрытий и адгезивов.

Перед тем, как непосредственно перейти к рассмотрению способов и

методов переработки полимеров в конечные продукты необходимо узнать: что же

представляют собой полимеры, какие они бывают и где могут использоваться,

т.е. какие конечные продукты могут быть получены из полимеров? Роль

полимеров очень велика и мы должны понять необходимость их переработки.

1. ПОЛИМЕРЫ И ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ

Полимером называется органическое вещество, длинные молекулы которого

построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев — мономеров. По

происхождению полимеры делятся на три группы.

Природные образуются в результате жизнедеятельности растений и

животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это протеин, целлюлоза,

крахмал, шеллак, лигнин, латекс.

Обычно природные полимеры подвергаются операциям выделения очистки,

модификации, при которых структура основных цепей остается неизменной.

Продуктом такой переработки являются искусственные полимеры. Примерами

являются натуральный каучук, изготовляемый из латекса, целлулоид,

представляющий собой нитроцеллюлозу, пластифицированную камфарой для

повышения эластичности.

Природные и искусственные полимеры сыграли большую роль в современной

технике, а в некоторых областях остаются незаменимыми и до сих пор,

например в целлюлозно-бумажной промышленности. Однако резкий рост

производства и потребления органических материалов произошел за счет

синтетических полимеров – материалов, полученных синтезом из

низкомолекулярных веществ и не имеющих аналогов в природе. Развитие

химической технологии высокомолекулярных веществ — неотъемлемая и

существенная часть современной НТР. Без полимеров уже не может обойтись ни

одна отрасль техники, тем более новой. По химической структуре полимеры

делятся на линейные, разветвленные, сетчатые и пространственные.

Молекулы линейных полимеров химически инертны по отношению друг к

другу и связаны между собой лишь силами Ван-дер-Ваальса. При нагревании

вязкость таких полимеров уменьшается и они способны обратимо переходить

сначала в высокоэластическое, а затем и в вязкотекучее состояния (рис. 1).

[pic]

Рис.1. Схематическая диаграмма вязкости термопластичных полимеров в

зависимости от температуры: Т1 – температура перехода из стеклообразного в

высоко эластичное состояние, Т2 – температура перехода из высокоэластичного

в вязкотекучее состояние.

Поскольку единственным следствием нагрева является изменение

пластичности, линейные полимеры называют термопластичными. Не следует

думать, что термин «линейные» обозначает прямолинейные, наоборот, для них

более характерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким

полимерам механическую прочность.

Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так

как связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под действием реагентов.

Разветвленные (привитые) полимеры более прочны, чем линейные.

Контролируемое разветвление цепей служит одним из основных промышленных

методов модификации свойств термопластичных полимеров.

Сетчатая структура характерна тем, что цепи связаны друг с другом, а

это сильно ограничивает движение и приводит к изменению как механических,

так и химических свойств. Обычная резина мягка, но при вулканизации серой

образуются ковалентные связи типа S-0, и прочность растет. Полимер может

приобрести сетчатую структуру и спонтанно, например, под действием света и

кислорода произойдет старение с потерей эластичности и работоспособности.

Наконец, если молекулы полимера содержат реакционно-способные группы, то

при нагревании они соединяются множеством прочных поперечных связей,

полимер оказывается сшитым, т. е. приобретает пространственную структуру.

Таким образом, нагрев вызывает реакции, резко и необратимо изменяющие

свойства материала, который приобретает прочность и высокую вязкость,

становится нерастворимым и неплавким. Вследствие большой реакционной

способности молекул, проявляющейся при повышении температуры, такие

полимеры называют термореактивными.

| |

|Рис.2 Реакции образования |

|полимеров: |

|а) – полимеризация, |

|б) - поликонденсация |

Термопластичные полимеры получают по реакции полимеризации,

протекающей по схеме пМ[pic]Мп (рис.2), где М — молекула мономера, Мп —

макромолекула, состоящая из мономерных звеньев, п — степень полимеризации.

При цепной полимеризации молекулярная масса нарастает почти мгновенно,

промежуточные продукты неустойчивы, реакция чувствительна к присутствию

примесей и требует, как правило, высоких давлений. Неудивительно, что такой

процесс в естественных условиях невозможен, и все природные полимеры

образовались иным путем. Современная химия создала новый инструмент —

реакцию полимеризации, а благодаря ему большой класс термопластичных

полимеров. Реакция полимеризации реализуется лишь в сложной аппаратуре

специализированных производств, и термопластичные полимеры потребитель

получает в готовом виде.

Реакционно-способные молекулы термореактивных полимеров могут

образоваться более простым и естественным путем — постепенно от мономера к

димеру, потом к тримеру, тетрамеру и т. д. Такое объединение мономеров, их

«конденсацию», называют реакцией поликонденсации; она не требует ни высокой

чистоты, ни давлений, но сопровождается изменением химического состава, а

часто и выделением побочных продуктов (обычно водяного пара) (рис. 2).

Именно эта реакция реализуется в природе; она может быть легко осуществлена

за счет лишь небольшого нагрева в самых простых условиях, вплоть до

домашних. Такая высокая технологичность термореактивных полимеров

предоставляет широкие возможности изготовлять различные изделия на

нехимических предприятиях, в том числе на радиозаводах.

Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения

материалы на основе полимеров можно классифицировать следующим образом:

пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи. Я не буду

особо заострять внимание на всех этих продуктах, расскажу лишь о самых

широко используемых. Необходимо показать, насколько велика потребность

полимерных материалов в наше время, а, следовательно, и важность их

переработки. Иначе проблема была бы просто необоснованна.

1.2 ПЛАСТИКИ

Слово "пластик" происходит из греческого языка и обозначает материал,

который может быть спрессован или сформован в любую форму по выбору.

Согласно этой этимологии даже глину можно было бы назвать пластиком, однако

в действительности пластиками называют только изделия из синтетических

материалов. Американское общество испытаний и материалов определяет, что

такое пластик, следующим образом: "это любой представитель широкого круга

разнообразных материалов, полностью или частично органических по составу,

которому можно придать необходимую форму при воздействии температуры и

(или) давления".

Известны сотни пластиков. В табл. 1 представлены основные их виды и

приведены отдельные представители каждого из видов. Следует отметить, что в

настоящее время не существует единого способа описания всего разнообразия

пластиков ввиду их многочисленности.

Таблица 1. Основные типы пластиков

|Тип |Типичные представители |Тип |Типичные |

| | | |представители |

|Акриловые |Полиметилметакрилат (ПММА)|Полиэфиры |Ненасыщенные |

|пластики |Полиакрилонитрил (ПАН) | |полиэфирные смолы|

|Аминопластик|Мочевиноформальдегидная | | |

|и |смола | |Полиэтилснтерефта|

| |Меламиноформальдегидная | |лат (ПЭТФ) |

| |смола | |Полиэтилснадипат |

|Целлюлозы |Этилцеллюлоза |Полиолефины |Полиэтилен (ПЭ) |

| |Ацетат целлюлозы |Стирольные |Полипропилен (ПП)|

| |Нитрат целлюлозы |пластики |Полистирол (ПС) |

|Эпоксидные |Эпоксидные смолы | |Сополимер стирола|

|пластики | | |с акрилонитрилом |

|Фторопласты |Политетрафторэтилен (ПТФЭ)| |Сополимер |

| |Поливинилиденфторид | |акрилонитрила со |

| | | |стиролом и |

| | | |бутадиеном (АБС) |

|Фенопласты |Фенолоформальдегидная |Виниловые |Поливинилхлорид |

| |смола Фенолофурфуроловая |пластики |(ПВХ) |

| |смола | |Поливинилбутираль|

|Полиамидные |Поликапролактам (ПА-6) | |Сополимер |

|пластики |Полигексам етиленадипамид | |винилхлорида с |

|(найлоны) |(ПА-6,6) | |винилацетатом |

Первым термопластом, нашедшим широкое применение, был целлулоид —

искусственный полимер, полученный путем переработки природного — целлюлозы.

Он сыграл большую роль в технике, особенно в кинематографе, но вследствие

исключительной пожароопасности (по составу целлюлоза очень близка к

бездымному пороху) уже в середине XX в. ее производство упало почти до

нуля.

Развитие электроники, телефонной связи, радио настоятельно требовало

создания новых электроизоляционных материалов с хорошими конструкционными и

технологическими свойствами. Так появились искусственные полимеры,

изготовленные на основе той же целлюлозы, названные по первым буквам

областей применения этролами. В настоящее время лишь 2 ... 3% мирового

производства полимеров составляют целлюлозные пластики, тогда как примерно

75% — синтетические термопласты, причем 90% из них приходится на долю

только трех: полистирола, полиэтилена, поливинилхлорида.

Полистирол вспенивающийся, например, широко используется как

теплозвукоизоляционный строительный материал. В радиоэлектронике он находит

применение для герметизации изделий, когда надо обеспечить минимальные

механические напряжения, создать временную изоляцию от воздействия тепла,

излучаемого другими элементами, или низких температур и устранить их

влияние на электрические свойства, следовательно, — в бортовой и СВЧ-

аппаратуре.

1.3 ЭЛАСТОМЕРЫ

Обычно эластомеры называют каучуками. Воздушные шары, подошвы ботинок,

шины, хирургические перчатки, садовые шланги – это типичные примеры изделий

из эластомеров. Классическим примером эластомеров является природный

каучук.

Макромолекула каучука имеет спиральное строение с периодом

идентичности 0,913 нм и содержит более 1000 изопреновых остатков. Строение

макромолекулы каучука обеспечивает его высокую эластичность – наиболее

важное техническое свойство. Каучук обладает поразительной способностью

обратимо растягиваться до 900% первоначальной длины.

Разновидностью каучука является менее эластичная гуттаперча, или

балата, - сок некоторых каучуконосных растений, произрастающих в Индии и на

Малайском полуострове. В отличие от каучука молекула гуттаперчи короче и

имеет транс-1,4-строение с периодом идентичности 0,504 нм.

Выдающееся техническое значение натурального каучука, отсутствие его в

ряде стран, в том числе в Советском Союзе, экономически рентабельных

источников, стремление располагать материалами, превосходящими по ряду

свойств (масло-, морозостойкость, прочность к стиранию) натуральный каучук,

стимулировали исследования по получению синтетического каучука.

В настоящее время используется несколько синтетических эластомеров.

Они включают в себя полибутадиены, сополимеры стирола с бутадиеном,

акрилонитрила с бутадиеном (нитрильный каучук), полиизопрен, полихлоропрен

(неопрен), сополимер этилена с пропиленом, сополимер изопрена с

изобутиленом (бутиловый каучук), полифторуглерод, полиуретан и силиконовые

каучуки. Сырьем для получения синтетического каучука по способу Лебедева

служит этиловый спирт. Теперь разработано получение бутадиена из бутана

через каталитическое дегидрирование последнего.

Ученые добились успеха и сегодня более одной трети резины,

производимой в мире, изготовляется из синтетического каучука. Каучук и

резина внести огромный вклад в технический прогресс последнего столетия.

Вспомним хотя бы о резиновых сапогах и разнообразных изоляционных

материалах, и нам станет ясна роль каучука в важнейших отраслях хозяйства.

Более половины мирового производства эластомеров расходуется на

производство шин. На изготовление покрышек для малолитражки нужно около 20-

ти кг каучука, причем разных сортов и марок, а для самосвала почти 1900 кг.

Меньшая часть идет на остальные виды резиновых изделий. Каучук делает нашу

жизнь удобнее.

1.4 ВОЛОКНА

Всем нам известны волокна природного происхождения, такие, как хлопок,

шерсть, лен и шелк. Также нам знакомы синтетические волокна из найлона,

полиэфиров, полипропилена и акрилов. Основной отличительной чертой волокон

является то, что их длина в сотни раз превосходит их диаметр. Если

натуральные волокна (кроме шелка) представляют собой штапельные волокна, то

синтетические могут быть получены как в виде непрерывных нитей, так и в

виде штапельною волокна.

С точки зрения потребителя волокна могут быть трех типов;

повседневного спроса, безопасные и промышленные.

Волокнами повседневного спроса называют волокна, используемые для

изготовления нижней и верхней одежды. В эту группу входят волокна для

изготовления белья, носков, рубашек, костюмов и пр. Эти волокна должны

обладать соответствующей прочностью и растяжимостью, мягкостью, не

горючестью, поглощать влагу и хорошо окрашиваться. Типичными

представителями этого класса волокон являются хлопок, шелк, шерсть, найлон,

полиэфиры и акрилаты.

Безопасными волокнами называют волокна, используемые для производства

ковров, занавесей, чехлов для кресел, драпировок и пр. Подобные волокна

должны быть жесткими, прочными, долговечными и износостойкими. С точки

зрения безопасности к этим волокнам предъявляются следующие требования: они

должны плохо воспламеняться, не распространять пламя и при горении выделять

минимальное количество тепла, дыма и токсических газов. При добавлении

небольших количеств веществ, содержащих такие атомы, как В, N, Si, P, C1,

Вг или Sb, в волокна повседневного спроса удается придать им огнестойкие

свойства и, таким образом, превратить их в безопасные волокна. Введение в

волокна модифицирующих добавок уменьшает их горючесть, снижает

распространение пламени, но не приводит к уменьшению выделения токсических

газов и дыма при горении. Исследования показали, что в качестве безопасных

волокон' могут быть использованы ароматические полиамиды, полиимиды,

полибензимидазолы и полиоксидиазолы. Однако при горении этих волокон

наблюдается выделение токсических газов, поскольку в их молекулах

содержатся атомы азота. Этого недостатка лишены ароматические полиэфиры.

Промышленные волокна используются в качестве армирующих материалов в

композитах. Эти волокна также называют структурными волокнами, поскольку

они обладают высоким модулем, прочностью, термостойкостью, жесткостью,

долговечностью. Структурные волокна используют для упрочнения таких

изделий, как жесткие и гибкие трубы, трубки и шланги, а также в

композиционных структурах, называемых волокнитами и применяемых в

конструкциях кораблей, автомобилей, самолетов и даже зданий. К этому классу

волокон относятся одноосно ориентированные волокна ароматических

полиамидов и полиэфиров, углеродные и кремневые волокна.

2. ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРОВ

2.1 КОМПАУНДИРОВАНИЕ

Полимеры в чистом виде, полученные с промышленных предприятий после их

выделения и очистки, называются "первичными" полимерами или "первичными"

смолами. За исключением некоторых полимеров, таких, как полистирол,

полиэтилен, полипропилен, первичные полимеры обычно не пригодны для прямой

переработки. Первичный поливинилхлорид, например, является материалом

рогоподобной фактуры и не может быть сформован без предварительного

смягчения путем добавления пластификатора. Аналогично этому для формования

натурального каучука требуется введение в него вулканизующего агента.

Большинство полимеров защищают от термической, окислительной и

фотодеструкции введением в них подходящих стабилизаторов. Добавление в

полимер красителей и пигментов перед формованием позволяет получить изделия

самых различных цветов. Для уменьшения трения и улучшения течения полимера

внутри перерабатывающего оборудования в большинство полимеров добавляют

смазочные материалы и вещества для улучшения технологических свойств.

Наполнители же в полимер обычно добавляют для придания им специальных

свойств и уменьшения стоимости конечного продукта.

Процесс, включающий в себя введение таких ингредиентов, как

пластификаторы, вулканизирующие агенты, отвердители, стабилизаторы,

наполнители, красители, пламегасители и смазочные вещества, в первичный

полимер, называют “компаундированием”, а смеси полимеров с этими добавками

– “компаундами”.

Первичные пластические полимеры, такие, как полистирол, полиэтилен,

полиметилметакрилат и поливинилхлорид, обычно находятся в виде сыпучих

мелких порошков. Ингредиенты в виде мелкого порошка или жидкости смешивают

с порошкообразным первичным полимером с использованием планетарных

миксеров, V-смесителей, мешалок с ленточной винтовой лопастью, Z-миксеров

или опрокидывателей. Смещение можно проводить или при комнатной, или при

повышенной температуре, которая, однако, должна быть намного ниже

температуры размягчения полимера. Жидкие форполимеры смешивают с

использованием простых высокоскоростных мешалок.

Первичные эластомерные полимеры, такие, как натуральный каучук,

бутадиенстирольный каучук или нитрильный каучук, получают в виде крошки,

спрессованной в толстые пластины, называемые "кипами". Они, как правило,

смешаны с вулканизирующими агентами, катализаторами, наполнителями,

антиоксидантами и смазочными материалами. Поскольку эластомеры не являются

сыпучими порошками, как первичные пластические материалы, их нельзя

смешивать с названными выше ингредиентами, используя методы, применяемые

для первичных пластиков. Смешение первичных пластических полимеров с

другими компонентами компаунда достигается перемешиванием, тогда как

Страницы: 1, 2, 3