Наукоемкие технологии получения пластмасс, отвечающие эколого-экономическим показателям

ОГЛАВЛЕНИЕ

Задание на курсрвую работу....................................................................................

Введение……………………………………………………………………………3

1. Исходные компоненты пластмасс………………………………………...5
1. Основные виды пластмасс и их свойства……………………………..7
1. Фторопласт……………………………………………………………...7
2. Гетинакс ………………………………………………………………...7
3. Винипласт ………………………………………………………………7
4. Стеклопластики и органопластики…………………………………….8

Выводы к разделу  1………………………………………………………………10

2. Физико-механические характеристики пластмасс……………………...11
1. Механическая обработка. Методы обработки ……………………..12
2. Образование состава и свойств загрязнителей окружающей среды в процессе производства, эксплуатации и утилизации изделий из пластмасс………………………………………………………………13
3. Пожароопасность……………………………………………………...15

Выводы к разделу  2………………………………………………………………17

3. Применение пластмасс…………………………………………………...18
1. Российский рынок пластмасс, реализация…………………………..20

Выводы к разделу  3……………………………………………………………...21

4. Наукоемкие технологии получения пластмасс, отвечающие эколого-экономическим показателям…………………………………………….22
1. Металлоценовые катализаторы………………………………………23
2. Замена полиолефинам………………………………………………...24
3. Геосинетики……………………………………………………………24
4. Нанонаполнители……………………………………………………...25
5. Биоразлагаемые пластмассы………………………………………….25
6. WPC…………………………………………………………………….26

Выводы к разделу  4………………………………………………………………27

5. Экологические и экономические показатели пластмасс……………….28
1. Реализация современных пластмасс…………………………………29

Выводы к разделу  5………………………………………………………………32

Заключение……………………………………………………………………….33

Литература……………………………………………………………...............34

ВВЕДЕНИЕ

Вторая половина нынешнего  столетия ознаменовалась быстрым развитием  исследований и производства пластмасс. Широкое распространение этих материалов в промышленности, в частности  в качестве конструкционных материалов. Первой промышленной пластмассой был эбонит, полученный в 1843 г. вулканизацией натурального каучука серой [7].

       Пластмассы - материалы на основе органических природных, синтетических или органических полимеров, из которых можно после нагрева и приложения давления формовать изделия сложной конфигурации. Полимеры - это высоко молекулярные соединения, состоящие из длинных молекул с большим количеством одинаковых группировок атомов, соединенных химическими связями. Кроме полимера в пластмассе могут быть некоторые добавки.

      В  среднем пластмассы примерно в 2 раза легче алюминия и в 5-8 раз легче стали, меди  и других металлов, а некоторые сорта пенопластов более  чем  в  10  раз  легче пробки. Прочность  некоторых  видов  пластмасс  даже  превосходит  прочность некоторых марок стали, чугуна, дюралюминия и др.    По химической  стойкости пластмассы не имеют себе равных среди металлов. Они устойчивы  не  только  к действию влаги воздуха, но и  таких  сильнодействующих  химических  веществ, как кислоты  и  щелочи.         Обычно  пластмассы  являются  диэлектриками. Отдельные сорта пластмасс представляют  собой  лучшие  диэлектрики  из  всех известных  в  современной  технике. В  настоящее  время  известен  целый  ряд

пластмасс, обладающих значительной тепло- и морозостойкостью, что  позволяет применять их  для  изготовления  изделий,  работающих  в  широком  интервале температур [4].

         Переработка пластмасс - это совокупность технологических процессов, обеспечивающих получение изделий - деталей с заданными конфигурацией, точностью и эксплуатационными свойствами.  
         Высокое качество изделия будет достигнуто, если выбранные материал и технологический процесс будут удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям изделия: электрической и механической прочности, диэлектрической проницаемости, прочности, плотности и т.п. Эти требования должны быть учтены при создании элементной базы (микросхем, микросборок и т.п.) и элементов базовых несущих конструкций (БНК), печатных плат, панелей, рам, стоек, каркасов и др.

      Роль пластмасс совсем не в том, чтобы служить заменителем каких-то материалов. Охватывая множество технических и экономических категорий, они открывают специальные области использования.

Народнохозяйственный эффект от внедрения полимерных материалов проявляется, например, тогда, когда  необходимо решить проблему коррозии и износа. Из-за коррозии и износа ГДР несет ежегодно убытки в размере от 1 до 2 млрд. марок, то есть от 1 до 2% национального дохода ГДР. В химической промышленности 50-60% производственных потерь, связанных с отказом материалов, вызывается коррозией и износом. Если при этом принять во внимание ежегодные затраты в размере 17 млрд. марок на мероприятия по поддержанию в исправности этих средств производства и 600 000 рабочих, которые осуществляют эти мероприятия, то можно представить значение обоснованного внедрения материалов. Постоянное расширение применения пластмасс в качестве конструкционных и защитных материалов создает материальные предпосылки» для ограничения этих затрат.

Там, где действуют механические и термические нагрузки, пластмассами зачастую можно заменить дорогие  высоколегированные металлические  материалы.

Успешное внедрение пластмасс  в качестве материала для подшипников  и их пригодность для восстановления металлических частей также подтверждает их техническое и экономическое  значение.

В соответствии с планируемой  структурой использования материалов пластмассы должны играть все большую  роль. Поэтому здесь ожидается  самый высокий прирост производства. Относительная доля металлических  материалов в структуре потребляемых материалов имеет заметную тенденцию  к снижению, хотя абсолютный объем  металлических материалов будет  еще возрастать.

С точки зрения экономии материала пластмассы также имеют  ряд преимуществ. Современная технология позволяет производить детали сложного профиля за один технологический  цикл, без последующей обработки  резанием, то есть без отходов. Применение новых конструкционных принципов  также делает возможной значительную экономию материала.

1. ИСХОДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПЛАСТМАСС

      Основными компонентами пластических масс служат связующие (полимеры) и наполнители. При необходимости вводят также разнообразные добавки — пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, красители и пр. 
Синтетические полимеры — высокомолекулярные соединения, полученные из низкомолекулярных веществ — мономеров в результате реакций полимеризации и поликонденсации. Молекулярная масса полимеров обычно не менее 10 000. В состав их макромолекул входит более 1000 атомов. Исходными материалами для производства синтетических полимеров обеих групп являются природный газ, каменный уголь и нефть. Из исходного сырья изготавливают низкомолекулярные соединения — мономеры. В зависимости от способа получения полимеры разделяют на полимеризационные и поликонденсационные.

      Полимеризация — это реакция, при которой высокомолекулярное вещество возникает из низкомолекулярного (мономера) без отщепления побочных продуктов. Простейшим примером полимеризации является реакция образования полиэтилена (—СН2— — СН2—)n из мономера — этилена СН2 = СН2: 
 
…СН2 = СН2 + СН2 = СН2 + ... -> ... — СН2— СН2— СН2— СН2—...

Смолы, способные при нагревании многократно размягчаться и приобретать пластичность, а при охлаждении отверждаться, называют термопластичными, они имеют линейное или разветвленное строение и получаются преимущественно реакцией полимеризации (полиметилметакрилат (оргстекло), полиэтилен, поливинилацетат, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полистирол и пр.). Смолы с пространственным строением макромолекул не могут после отверждения вновь при нагревании приобретать пластичность и называются термореактивными (реактопластами). К ним относится большинство поликонденсационных смол (фенолформальдегидные, эпоксидные полиэфирные, мочевино-формальдегидные и пр.) [1].

Характерными физико-механическими  свойствами, по которым классифицируют полимерные материалы, являются упругость  и деформативная способность. Высокомолекулярные соединения, способные под действием внешних сил деформироваться обратимо, называют эластиками (эластомерами), пластически, т. е. необратимо,— пластиками (пластомерами). К эластикам относятся, например, разнообразные каучуки, а к пластикам — большинство полимеров, образующих пластмассы.

Наполнители вводят для улучшения ряда свойств и снижения стоимости пластмассы. Наполнители бывают органические и минеральные, порошкообразные, волокнистые (хлопковые, асбестовые, стеклянные волокна) и листовые( бумага, хлопчато-бумажная, стеклянная, асбестовая ткань, древесный шпон). Порошкообразными наполнителями служат опилки, древесная и кварцевая мука, слюда, окись алюминия, цемент, алюминиевую пудру, целлюлоза, тальк и пр.

      Пластификаторы применяют для придания пластичности, улучшения формовочных свойств и эластичности пластмасс. В строительстве применяют низко- и высокомолекулярные пластификаторы. Из низкомолекулярных пластификаторов используют эфиры фталевой (дибутилфталат, диоктилфталат) и фосфорной (трикрезилфосфат) кислоты.

      Растворители - органические летучие жидкости, снижающие вязкость полимеров и композиций и образующие со связующими истинные растворы, стабильные во времени. Разбавители - это тоже органические жидкости, но способные растворять полимеры только в смеси с активным растворителем или образующие с ним устойчивые смеси (суспензии или эмульсии).

      Отвердители придают способность термореактивным олигомерам полимеризоваться и способствуют переходу пластично-вязкой композиции в твердое состояние. В ряде случаев отвердителями могут быть кислород или влага, содержащиеся в воздухе.

      Вещества, способные видоизменить полимер с целью устранения или ограничения тех или иных недостатков, например хрупкости, горючести, плохой растворимости и т. п., называют модификаторами.

        Стабилизаторы и антиоксиданты тормозят старение пластмасс под действием солнечного света и кислорода воздуха, повышают долговечность пластмассовых изделий.

        Красящие вещества включают пигменты - тонкодисперсные цветные порошки, минеральные или органические, не растворимые в пленкообразующих веществах и органических растворителях, и красители - синтетические продукты, хорошо растворимые в жидких компонентах пластмасс.

В составе пластмасс могут  быть специальные добавки, влияющие на их свойства. Например, для получения  ячеистых пластмасс к полимерам  добавляют порофоры (порообразователи) - твердые, жидкие или газообразные вещества, вспенивающие пластмассу.

2. Основные виды пластмасс и их свойства

1. Фторопласт

     Помимо высокой химической стойкости фторопласта-4 почти ко всем агрессивным средам, очень ценной для химической промышленности является его эксплуатационная температура, которая находится в пределах от минус 190 до плюс 250 градусов, фторопласта-4 используется при эксплуатации трубопроводов для транспортировки высоко агрессивных сред, футеровки реакторов, аппаратов колонного типа, запорной арматуры, насосов, ёмкостей для хранения химически активных сред, прокладочно-уплотнительных деталей контактирующих с агрессивными средами и др.

    Однако фторопласт-4 имеет существенный недостаток: адгезия его к металлам и другим материалам крайне низка, что ограничивает его применение для обкладки аппаратов или в качестве пленочного покрытия. Имеются сведения, что при обработке поверхности аппаратов раствором металлического натрия в жидком аммиаке можно достигнуть удовлетворительной адгезии фторонласта-4 к металлам, дереву, пластмассам и др. и клеить его обычными клеями (бакелитовым лаком и др.).

2. Гетинакс

Гетинакс - электроизоляционный материал на бумажной основе, имеющий слоистую структуру. Такую структуру получают путем горячего прессования бумаги, которую предварительно пропитывают термореактивным связующим. Основу его составляет смола либо фенолформальдегидная, либо эпоксидная.   
Диапазон длительно допустимой рабочей температуры - от -65°С до +120°С.

3. Винипласт

 
      Винипласт ГОСТ 9639-71 является непластифицированной поливинилхлоридной смолой, получаемой путем полимеризации хлористого винила. Одним из главных достоинств винипласта, его исключительная антикоррозионная стойкость в химически анрессивных средах. Он легко обрабатывается, практически водонепроницаем, легко сваривается и склеивается. Недостаток – малая теплостойкость (до 60°С, и морозостойкость до - 30°С). Большой коэффициент линейного расширения( в 7 раз больше чем у стали) и малая ударная вязкость. Винипласт является самым дешевым термопластом, используется для гидроизоляции, в качестве кровельного покрытия. Весьма перспективным является армированный винипласт. В этом случае повышается прочность винипласта, и он может использоватся в несущих конструкциях.

 Стеклопластики и органопластики

Все выше перечисленные виды пластмасс  относятся к двум основным группам пластиков, это стеклопластики и органопластики.

                                                                                                              Таблица 1.

               Свойства полимерных композиционных  материалов

Из таблицы 1. видно, что  стеклопластики и органопластики обладают такими характерными свойствами как  высокие прочностные характеристики. Показатели конечно разные из за того что свойства у них различные, определяются природой волокна и связующего, видом, ориентацией и содержанием наполнителя, взаимодействием на границе волокно-связующее, технологией изготовления.

Удельная прочность:      где - предел прочности материала, МПа.

Удельная жесткость:      Е=      где Е₀ - модуль упругости, МПа.

      Стеклопластики — материалы с малым удельным весом и заданными свойствами, имеющие широкий спектр применения. Стеклопластики обладают очень низкой теплопроводностью (примерно, как у дерева), прочностью как у стали, биологической стойкостью, влагостойкостью и атмосферостойкостью полимеров, не обладая недостатками, присущими термопластам.

      Стеклопластики уступают стали по абсолютным значениям предела прочности, но в 3,5 раза легче её и превосходят стали по удельной прочности. При изготовлении равнопрочных конструкций из стали и стеклопластика, стеклопластиковая конструкция будет в несколько раз легче. Коэффициент линейного расширения стеклокомпозита близок к стеклу (составляет 11… 13 х 106 1/ °С), что делает его наиболее подходящим материалом для светопроницаемых конструкций. Плотность стеклопластика, полученного путем прессования или намотки, составляет 1,8-2,0 г/см³.

      Органопластики - композиционные материалы, содержащие в качестве армирующего наполнителя орг. волокна в виде нитей, жгутов, тканей, нетканых материалов, матов, войлока, бумаги. Наиб. широко применяют синтетич. волокна (особенно арамидные), реже-природные и искусственные (см. Волокна химические. Термостойкие волокна).

     Характерные св-ва О.: низкая плотн. (1100-1400кг/м³), высокие прочностные, диэлектрич., теплоизоляц. характеристики, ударная вязкость, хим. стойкость, радиопрозрачность, более высокая способность демпфировать мех. и звуковую вибрацию, чем у стеклопластиков и др. композиц. материалов. Св-ва определяются природой волокна и связующего, видом, ориентацией и содержанием наполнителя, взаимод. на границе волокно-связующее, технологией изготовления.

Связующими в термореактивных О. служат эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, полиимиды; степень наполнения 40-70%. Наиб. высокими мех. св-вами обладают О. на основе арамидных волокон (табл. 1). По уд. прочности при растяжении эти О. превосходят стеклопластики в 1,5-1,8 раза, а по уд. модулю упругости - более чем в 2 раза. При растяжении О. на основе непрерывных ориентированных арамидных волокон в интервале от -250 до 200 °С наблюдается линейная зависимость деформации от нагрузки, а также рост модуля упругости с понижением температуры. При сжатии у арамидных О., а также при растяжении и сжатии у О., армированных большинством др. волокон, проявляются пластические св-ва.

Выводы к разделу 1

1. Итак, ясно что в  среднем пластмассы примерно в 2 раза легче алюминия и в 5-8 раз легче стали, меди  и других металлов, а некоторые сорта пенопластов более  чем  в  10  раз  легче пробки. Прочность  некоторых  видов  пластмасс  даже  превосходит  прочность некоторых марок стали, чугуна, дюралюминия и др.    По химической  стойкости пластмассы не имеют себе равных среди металлов.
2. Известно, у большинства пластмасс существенная часть объема приходится на долю наполнителей, а некоторые пластмассы на 80...90 % (по объему) состоят из них (например, древесностружечные плиты, полимербетоны, пенопласты). Наполнители, уменьшая содержание полимера в пластмассах, значительно снижают их стоимость, усадку и деформативность.
3. Выявлено, что наиболее используемые в строительстве - органопластики и стеклопластики. В 2007 году мировой рынок композитов составил 9 млн.тонн. из них стеклопластиков ~95%, органопластики ~2,5% и др. Но стеклопластики уступают стали по абсолютным значениям предела прочности, но в 3,5 раза легче её и превосходят стали по удельной прочности.

2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАСТМАСС

       В  среднем пластмассы примерно в 2 раза легче алюминия и в 5-8 раз легче стали, меди  и других металлов, а некоторые сорта пенопластов более  чем  в  10  раз  легче пробки. Прочность  некоторых  видов  пластмасс  даже  превосходит  прочность некоторых марок стали, чугуна, дюралюминия и др.    По химической  стойкости пластмассы не имеют себе равных среди металлов. Они устойчивы  не  только  к действию влаги воздуха, но и  таких  сильнодействующих  химических  веществ, как кислоты  и  щелочи.         Обычно  пластмассы  являются  диэлектриками. Отдельные сорта пластмасс представляют  собой  лучшие  диэлектрики  из  всех известных  в  современной  технике. В  настоящее  время  известен  целый  ряд

пластмасс, обладающих значительной тепло- и морозостойкостью, что  позволяет применять их  для  изготовления  изделий,  работающих  в  широком  интервале температур.

         Плотность пластиеских масс колеблется в широких пределах в зависимости от типа составляющих компонентов, их соотношения и технологии получения. Самая легкая пластмасса – мипора ( ρ = 0,02 г/см²), а самая тяжелая – прессматериал на основе фенолформальдегидной смолы и свинцовой пыли ( ρ = 10 г/см²). Подавляющее большинство пластмасс имеет плотность в пределах ρ = 0,9…1,8 г/см².

        Пластмассы обладают высокими механическими показателями. Так, пластмассы с порошкообразными и волокнистыми наполнителями имеют предел прочности при сжатии до 120... 200 МПа, а предел прочности при изгибе — до 200 МПа. Прочность пластмасс на растяжение с листообразными наполнителями достигает 150 МПа, а стекловолокнистого анизотропного материала (СВАМ) — 480...950 МПа.    '

        Пластмассы не подвергаются коррозии, они стойки против действия растворов слабых кислот и щелочей, а некоторые пластмассы, например из полиэтилена, полиизобутилена, полистирола, поливинилхлорида, стойки к воздействию даже концентрированных растворов кислот, солей и щелочей; их используют при строительстве предприятий химической промышленности, канализационных сетей, для изоляции емкостей.

      Пластмассы, как правило, являются плохими проводниками тепла, их теплопроводность К = 0,23...0,8 Вт/(м-°С), а у пено- и поропластов Х = 0,06...0,028 Вт/(м-°С), в связи с этим пластмассы широко используют в качестве теплоизоляционных материалов, их пористость может достигать 95...98%.

Пластмассы  хорошо окрашиваются  в любые цвета и долго сохраняют цвет.

     Водопоглощение пластмасс очень низкое — у плотных материалов оно не превышает 1%.

     На основе полимеров изготовляют клеи для склеивания как пластмассовых изделий между собой, так и с другими материалами — древесиной, металлом, стеклом, тканями. Клеи могут применяться для горячего и холодного отверждения.

     Ценным свойством пластмасс является легкость их обработки — возможность придания им разнообразной, даже самой сложной формы различными способами: литьем, прессованием экструзией.

     Большая группа пластмасс позволяет сваривать их между собой и, таким образом, изготовлять сложной формы трубы и различные емкости.

     Синтетические пластмассы получают из многих химических веществ, например угля, нефти, извести, газа, воздуха, однако их запасы ограничены.

1. Механическая обработка пластмасс.  Методы обработки

Методы обработки:

• Литье/Литье под давлением
• Экструзия
• Прессование
• Виброформование
• Вспенивание
• Отливка
• Сварка
• Вакуумная формовка и пр.

       Пластические массы, по сравнению с металлами, обладают повышенной упругой деформацией, вследствие чего при обработке пластмасс применяют более высокие давления, чем при обработке металлов. Применять какую-либо смазку, как правило, не рекомендуют; только в некоторых случаях при окончательной обработке допускают применение минерального масла. Охлаждать изделие и инструмент следует струей воздуха.

      Пластические массы более хрупки, чем металлы, поэтому при обработке пластмасс режущими инструментами надо применить высокие скорости резания и уменьшать подачу. Износ инструмента при обработке пластмасс значительно больше, чем при обработке металлов, почему необходимо применять инструмент из высокоуглеродистой или быстрорежущей стали или же из твердых сплавов. Лезвия режущих инструментов надо затачивать, по возможности, более остро, пользуясь для этого мелкозернистыми кругами.

       Пластмасса может быть обработана на токарном станке, может фрезероваться. Для распиливания может применяться ленточные пилы, дисковые пилы и карборундовые круги.

       Соединение пластмасс между собой может осуществляться механическим путем с помощью болтов, заклепок, склеиванием, растворением с последующим высыханием, а также при помощи сварки. Из перечисленных способов соединения только при помощи сварки можно получить соединение без инородных материалов, а также соединение, которое по свойствам и составу будет максимально приближен к основному материалу. Поэтому сварка пластмасс нашла применение при изготовлении конструкций к которой применяются повышенные требования к герметичности, прочности и других свойств.

     Пластмассы обладают рядом недостатков. Большинство пластмасс имеет невысокую теплостойкость (70...200°С), высокий коэффициент термического расширения (25*...120*), в то время как у стали он равен 10*, это обусловливает значительные остаточные внутренние напряжения, которые могут быть причиной появления трещин в строительных изделиях при резких изменениях температур. Повышенная ползучесть; в них при постоянной нагрузке развивается пластическое течение, большее, чем, например, в стали и бетоне. Существенным недостатком пластических масс является их малая поверхностная твердость. Для пластмасс с волокнистыми наполнителями она достигает 25, для полистирольных и акриловых пластиков—15 кГ/мм2. Наиболее низкой твердостью отличаются целлюлозные пластики (этролы) — 4 —5 кГ/мм2 (у стали этот показатель около 450). Со временем некоторые пластмассы стареют, т. е. происходит постепенное их разрушение (деструкция), снижаются прочность и твердость, появляются хрупкость, потемнение. Старение пластмасс происходит под действием света, воздуха, температуры. При возгорании многие пластмассы выделяют токсические вещества.