Пластические массы

Министерство образования  и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный  педагогический институт

 

Кафедра химии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

КР. 050112. 13-03 № зад. 13

 

по дисциплине Химия ВМС

Тема:  Пластические массы

 


(оценка)

 

 

 

Преподаватель

ст.преподаватель, к.х.н.

(должность, ученая степень)

Туркбенов Т.К.

(фамилия и инициалы)

_________________________

(подпись)                 (дата)

 

                                                                                  Группа     ХШ-42                 

                                                                                          Студент  Ишкова Е.А.

                                                                   

                                                             _____________________

                                                                                                     (подпись)                 (дата)

 

 

 

 

Павлодар, 2010 г.

Содержание

Введение

  1. Понятие и свойства пластических масс                                                    4-5
  2. Состав и классификация пластических масс                                            5-6
    1. Типы наполненных пластмасс                                                         6-8
    2. Основные виды термопластов и особенности их свойств          8-10
    3. Основные виды реактопластов и особенности их свойств       10-12
  3. Получение пластмасс                                                                                   12
    1. Общая характеристика производства полистирола                  12-13
    2. Производство полистирола блочным методом                        13-15
    3. Производство полистирола блочно-суспензионным методом 15-16
    4. Общая характеристика производства полиэтилена                   16-17
    5. Производство полиэтилена высокого давления                        18-19
  4. Применение                                                                                             19-20
    1. Применение полистирола                                                            20-21
    2. Применение полиэтилена                                                                  21
  5. Техника безопасности и охрана окружающей среды                          21-22 

Заключение                                                                                                        

Список использованных источников                                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Первая пластмасса была получена английским металлургом и  изобретателем Александром Парксом в 1855 году. Паркс назвал её паркезин (позже получило распространение другое название - целлулоид). Паркезин был впервые представлен на Большой Международной выставке в Лондоне в 1862 году. Развитие пластмасс началось с использования природных пластических материалов (например, жевательной резинки, шеллака), затем продолжилось с использованием химически модифицированных природных материалов (таких, как резина, нитроцеллюлоза, коллаген, галалит) и, наконец, пришло к полностью синтетическим молекулам (бакелит, эпоксидная смола, поливинилхлорид, полиэтилен и другие).

Паркезин являлся торговой маркой первого искусственного пластика и был сделан из целлюлозы, обработанной азотной кислотой и растворителем. Паркезин часто называли искусственной слоновой костью. В 1866 году Паркс создал фирму Parkesine Company для массового производства материала. Однако, в 1868 году компания разорилась из-за плохого качества продукции, так как Паркс пытался сократить расходы на производство. Преемником паркезина стал ксилонит (другое название того же материала), производимый компанией Даниэля Спилла, бывшего сотрудника Паркса, и целлулоид, производимый Джоном Весли Хайатом. [1]

Пластические массы  и синтетические смолы исключительно важны практически для всех отраслей народного хозяйства. В настоящее время ускорение научно-технического прогресса в области науки и технике невозможно без интенсивного использования пластмасс. Производство пластмасс характеризуется относительно низкой материалоемкостью и энергоемкостью. Поэтому их использование составляет ежегодно несколько миллионов тонн и продолжает увеличиваться.

Целью данной работы является изучение областей применения пластических масс, в зависимости от их свойств.

В задачи курсовой входит изучение способов получения некоторых  видов пластмасс и их свойств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          1 Понятие и свойства пластических масс

        Пластические массы,  пластмассы,  пластики – материалы, содержащие  в своём составе полимер, который  в  период  формования  изделий  находится  в вязкотекучем  или  высокоэластичном  состоянии,  а  при  эксплуатации – в аморфном стеклообразном или кристаллическом состоянии. 

В  зависимости  от  характера процессов, сопутствующих  формованию изделий, пластмассы делят на  реактопласты  и термопласты. К числу реактопластов относят материалы, переработка в  изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого полимера  - отвердением; при этом пластик необратимо утрачивает  способность  переходить в вязкотекучее состояние (раствор или расплав). При  формовании  изделий  из термопластов не  происходит  отвердения,  и  материал  в  изделии  сохраняет способность вновь переходить в вязкотекучее состояние.

Термопласты – полимеры, которые размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении. При обычной температуре термопласты находятся в твердом состоянии. При повышении температуры они переходят в высокоэластическое состояние и далее в вязкотекучее, что обеспечивает возможность формования их различными методами. Эти переходы обратимы и могут повторяться многократно, что делает возможной в частности переработку бытовых и производственных отходов в изделие.

Основные механические характеристики пластмасс те же, что  и для металлов. 
          Пластмассы характеризуются малой плотностью (0,85—1,8 г/см³), чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой механической прочностью. При нагревании (часто с предварительным размягчением) они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований, отношение к органическим растворителям различное (в зависимости от химической природы полимера). Физиологически почти безвредны. Свойства пластмасс можно модифицировать методами сополимеризации или стереоспецифической полимеризации, путём сочетания различных пластмасс друг с другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная ткань, введением наполнителей и красителей, пластификаторов, тепло- и светостабилизаторов, облучения, а также варьированием сырья, например использование соответствующих полиолов и диизоцианатов при получении полиуретанов.

Твёрдость пластмасс определяется по Бринеллю при нагрузках 50—250 кгс на шарик диаметром 5 мм.

Теплостойкость по Мартенсу — температура, при которой пластмассовый брусок с размерами 120 × 15 × 10 мм, изгибаемый при постоянном моменте, создающем наибольшее напряжение изгиба на гранях 120 × 15 мм, равное 50 кгс/см², разрушится или изогнётся так, что укреплённый на конце образца рычаг длиной 210 мм переместится на 6 мм.

Теплостойкость по Вика — температура, при которой цилиндрический стержень диаметром 1,13 мм под действием груза массой 5 кг (для мягких пластмасс 1 кг) углубится в пластмассу на 1 мм.

Температура хрупкости (морозостойкость) — температура, при которой пластичный или эластичный материал при ударе может разрушиться хрупко.

Для придания особых свойств  пластмассе в нее добавляют пластификаторы (силикон, дибутилфталат, и т.п.), антипирены (дифенилбутансульфокислота), антиоксиданты (трифенилфосфит, непредельные углеводороды).[2]

 

2 Состав и классификация  пластических масс

Пластические массы  обычно  состоят из  нескольких  взаимно совмещающихся и не совмещающихся компонентов. При этом помимо полимера, в состав пластмасс  могут входить:

    1. Наполнители  полимерных  материалов, обеспечивающие нужные механические свойства, прочность и повышающие экономичность производства;
    2. Пластификаторы,   понижающие температуру  текучести  и  вязкость   полимера;  
    3. Стабилизаторы полимерных материалов, замедляющие его старение;
    4. Отвердители, создающие трехмерную сшитую структуру полимера;
    5. Порофоры (порообразователи, вспенивающие вещества), разлагающиеся при нагревании и вводимые в композиции для получения газонаполненных пластических масс;
    6. Антипирены, понижающие горючесть пластмасс (инертные и химически активные, вступающие в реакцию с полимером);
    7. Смазывающие вещества, предотвращающие прилипание материала к оборудованию в процессе переработки и изготовления изделия;
    8. Красители

В основу классификации пластмасс  положены их состав, отношение к нагреванию и природа полимерной фазы.

Пластмассы  могут быть однофазными (гомогенными) или многофазными (гетерогенными,  композиционными) материалами. В гомогенных  пластмассах  полимер является  основным  компонентом, определяющим свойства материала. Остальные компоненты растворены в  полимере и способны улучшать те или иные его свойства.

В гетерогенных пластических массах  полимер выполняет функцию дисперсионной среды   (связующего)   по   отношению   к диспергированным в нём компонентам, составляющим самостоятельные  фазы.  Для распределения внешнего  воздействия  на  компоненты  гетерогенного  пластика необходимо обеспечить прочное сцепление на  границе  контакта  связующего с частицами  наполнителя,  достигаемое  адсорбцией  или  химической   реакцией связующего с поверхностью наполнителя. Чем большая доля связующего находится в сфере влияния поверхности наполнителя, тем резче изменяются свойства материала: понижается ползучесть, возрастает температура стеклования, изменяются степень кристалличности и морфология кристаллов, скорость и степень отверждения, повышается вязкость расплава.

По природе  полимера, составляющего полимерную фазу, пластические массы делятся  на полимеризационные, к которым  относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиакрилонитрил, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен и поликонденсационные, из которых наиболее распространены феноло-альдегидные или фенопласты и анилино-альдегидные или аминопласты, и модифицированные на основе целлюлозы (целлулоид, этролы).

Единой терминологии пластмасс не существует. Одни и  те же материалы выпускаются в  разных странах под разными названиями, например, полиэтилен (Россия), ротен (Япония), алкатен (Англия).

Состав конкретных пластмасс зависит от их назначения и требуемых свойств и может меняться в широких пределах: от почти чистого полимера (полэтилен, полипропилен) до систем, содержащих 50 и более процентов различных добавок.[3]

Пластические материалы, как правило, обладают высоким удельным поверхностным сопротивлением и низкой диэлектрической постоянной. Эти свойства при выпуске полимерных изделий приводят к высокому электростатическому заряду на поверхности готовых изделий и, как следствие – к налипанию на них микрочастиц пыли и грязи, а также к искрению и разряду в процессе намотки пленок и волокна, и разрывности волокна.

Антистатический эффект достигается за счет взаимодействия добавки с атмосферной влагой в результате чего образуется электропроводящий  поверхностный слой. Для достижения достаточного антистатического действия необходима определенная влажность (не менее 30%) воздуха для образования влажной пленки на поверхности полимера. Ρν антистатических материалов составляет 106Ом.м.

Рекомендуемый процент  ввода 0,5-3,0% от массы исходного полимера. Изменение концентрации антистатика может приводить к «замасливанию» поверхности.

 

2.1 Типы наполненных  пластмасс

Наполнитель в пластических массах может быть в газовой или  конденсированной фазе. В последнем случае его модуль упругости может быть ниже (низкомодульные наполнители) или выше (высокомодульные наполнители) модуля упругости связующего.

К числу газонаполненных  пластиков относятся пенопласты и поропласты. Такие пластмассы –  наиболее легкие из всех пластиков; их кажущаяся плотность составляет обычно от 0,02 до 0,8 г\см3. В пенопластах газовые пузырьки изолированы друг от друга пленкой связующего. Это придает таким материалам высокие электроизоляционные свойства, плавучесть, высокие звуко- и теплоизоляционные свойства.

Поропласты  пронизаны сквозными каналами и, в зависимости от их диаметра, избирательно проницаемы для частиц различных размеров.

Низкомодульные наполнители (эластификаторы), в качестве которых  обычно используют эластомеры, не понижая  теплостойкости и твердости полимера, придают материалу повышенную устойчивость к знакопеременным и ударным нагрузкам, предотвращают прорастание микротрещин в связующем.

Эластификатор диспергируют в связующем виде частиц размером 0,2-10 мкм. Это достигается полимеризацией мономера на поверхности частиц синтетических  латексов, отверждением олигомера, в котором диспергирован эластомер, механическим перетиранием смеси жесткоцепного полимера с эластомером. Наполнение должно сопровождаться образованием блок- или привитого сополимера на границе раздела частиц эластификатора со связующим. Это обеспечивает кооперативную реакцию связующего и эластификатора на внешнее воздействие в условиях эксплуатации материала.

Чем выше модуль упругости  наполнителя и степень наполнения материала, тем выше деформационная устойчивость наполненного пластика. Однако введение высокомодульных наполнителей в подавляющем большинстве случаев способствует возникновению остаточных напряжений в связующем, а следовательно понижению прочности и монолитности полимерной фазы.

Свойства пластиков с  твердым наполнителем определяются степенью наполнения, типом наполнителя и связующего, прочностью сцепления на границе контакта, толщиной пограничного слоя, формой, размером и взаимным  расположением частиц наполнителя.

Пластики с частицами  наполнителя малых размеров, равномерно распределенными по материалу, характеризуются изотропией свойств, оптимум которых достигается при степени наполнения, обеспечивающей адсорбцию всего объема связующего поверхностью частиц наполнителя. При повышении температуры и давления часть связующего десорбируется с поверхности наполнителя, благодаря чему материал можно формовать в изделия сложных форм с хрупкими армирующими элементами. Мелкие частицы наполнителя, в зависимости от их природы, до различных пределов повышают модуль упругости изделия, его твердость, прочность при нагружении, придают ему фрикционные или антифрикционные качества, теплоизоляционные, теплопроводящие или электропроводящие свойства.

Для получения  пластиков низкой плотности применяют  наполнители в виде полых частиц. Такие материалы (синтетические пены) обладают хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами

Применение  в качестве наполнителей природных  и синтетических органических волокон, стеклянных, кварцевых, борных, углеродных, асбестовых, хотя и ограничивает выбор методов формования и затрудняет изготовление изделий сложной конфигурации, но резко повышает прочность материала. Упрочняющая роль волокон (диаметром 3-12 мкм) в волокнитах и органоволокнитах, стекловолокнитах, асбоволокнитах, карбоволокнитах проявляется уже при длине волокна в 2-4 мм. С увеличением длины волокон прочность возрастает благодаря взаимному их переплетению и понижению напряжения в связующем, локализованных по концам волокон.

В тех случаях, когда это допускается формой изделия, волокна скрепляют между собой в нити и в ткани различного плетения. Пластические массы, наполненные тканью (текстолиты), принадлежат к числу слоистых пластиков, отличающихся анизотропией свойств, в частности высокой прочностью вдоль слоя наполнителя и низкой в перпендикулярном направлении. Этот недостаток слоистых пластиков отчасти устраняется применением так называемых объемнотканых тканей, в которых полотна переплетены между собой в перпендикулярном направлении. Связующее заполняет неплотности переплетения, и, отверждаясь, фиксирует форму, приданную заготовке из наполнителя.

В изделиях несложных  форм, и особенно в полых телах  вращения, волокна-наполнители укладывают по направлению действия внешних  сил. Прочность таких пластиков  в заданном направлении определяется в основном прочностью волокон; связующее лишь фиксирует форму изделия и равномерно распределяет нагрузку по волокнам.

Для панельных конструкций  удобно использовать слоистые пластики с наполнителем из древесного шпона  или бумаги, в том числе из синтетического волокна. Значительное понижение массы панелей при сохранении жесткости достигается применением материалов трехслойной, или сэндвичевой, конструкции, в которых сотопласты защищены тонкими листами обшивки из слоистого пластика.[4]

 

2.2 Основные виды термопластов и особенности их свойств

Среди термопластов наиболее разнообразно применение материалов из полиэтилена, поливинилхлорида и  полистирола, преимущественно в  виде гомогенных или эластифицированных материалов, реже газонаполненных и  наполненных минеральными порошками или короткими стеклянными, углеродными либо синтетическими органическими волокнами.

Пластики на основе полиэтилена  легко формуются и свариваются  в изделия сложных форм, они  устойчивы к ударным и вибрационным нагрузкам, химически стойки, отличаются высокими электроизоляционными свойствами и низкой плотностью. Пластические массы с особенно удачным сочетанием свойств получаются при наполнении полиэтилена коротким (до 3 мм) стекловолокном. При степени наполнения 20% прочность при растяжении возрастает в 2,5 раза, при изгибе – в 2 раза, ударная вязкость – в 4 раза и теплостойкость – в 2,2 раза.

Жесткий пластик на основе поливинилхлорида – винилпласт, в  том числе эластифицированный (ударопрочный), формуется значительно труднее  полиэтиленовых пластиков, но прочность его к статическим нагрузкам много выше, ползучесть ниже и твердость выше. Наиболее широкое применение находит пластифицированный поливинилхлорид – пластикат. Он легко формуется и надежно сваривается, а требуемое сочетание в нем прочности, деформационной устойчивости и теплостойкости достигается изменением количества пластификатора и твердого наполнителя.

Пластики на основе полистирола  формуются много легче, чем из винилпласта, их диэлектрические свойства близки к свойствам полиэтиленовых пластических масс, они оптически прозрачны и по прочности к статическим нагрузкам мало уступают винилпласту, но более хрупки, менее устойчивы к действию растворителей и горючи. Низкая ударная вязкость и разрушение вследствие быстрого прорастания микротрещин устраняются при наполнении полистирольных пластиков полимерами или сополимерами с температурой стеклования ниже -40ºС. Эластифицированный (ударопрочный) полистирол наиболее высокого качества получают полимеризацией стирола на частицах латекса из сополимеров бутадиена со стиролом или с акрилонитрилом. Материал, названный АБС, содержит около 15% гель-фракции, состоящей из блок- и привитых сополимеров полистирола и указанного сополимера бутадиена, эластифицирующего эластомера и полистирола, создающего жесткую матрицу. Морозостойкость материала ограничивает температура стеклования эластомера, теплостойкость – температура стеклования полистирола.

Термостойкость перечисленных  термопластов (ненаполненных) лежит  в пределе 60-80ºС, их свойства резко изменяются при незначительном изменении температуры, низка деформационная устойчивость под нагрузкой. Этих недостатков ненаполненных термопластов отчасти лишены иономеры, например сополимеры этилена, пропилена, стирола с мономерами, содержащими ионогенные нруппы (обычно ненасыщенные карбоновые кислоты или их соли). Ниже температуры текучести благодаря взаимодействию ионогенных групп между макромолекулами создаются прочные узлы и образуется сетчатая структура, которая размягчается при размягчении полимера. В иономерах удачно сочетаются свойства термопластов, благоприятные для формования изделий с повышенными деформационной устойчивостью и жесткостью, со свойствами, характерными для сетчатых полимеров. Однако с повышением концентрации ионогенных групп в составе полимера ухудшаются его диэлектрические свойства и понижается влагостойкость.

Пластики с более высокой  теплостойкостью (100-130ºС) и менее резким изменением свойств с повышением температуры производят на основе полипропилена, полиформальдегида, поликарбонатов, полиакрилатов, ароматических полиамидов. Особенно быстро расширяется номенклатура изделий, изготавливаемых из поликарбонатов, в том числе наполненных стекловолокном.

Для деталей, работающих в  узлах трения, широко применяются  пластики из алифатических полиамидов, наполненных теплопроводящими материалами.

Особенно высоки химическая стойкость, прочность к  ударным нагрузкам и диэлектрические  свойства пластиков на основе политетрафторэтилена и сополимеров тетрафторэтилена. В материалах на основе полиуретанов удачно сочетается износостойкость с морозостойкостью и длительной прочностью в условиях знакопеременных нагрузок. Полиметилметакрилат используют для изготовления оптически прозрачных атмосферостойких материалов, применяемых в качестве ударопрочных, легких, легко штампуемых, механически обрабатываемых и свариваемых органических стекол. Объем производства термопластов с повышенной теплостойкостью и органических стекол составляет около 10% общего объема всех полимеров предназначенных для изготовления пластических масс.

Отсутствие  реакций отверждения во время  формования термопластов дает возможность предельно интенсифицировать процесс переработки, производить вакуум- и пневмоформование ранее изготовленных листов и профилей, раздув трубчатых заготовок в пленки и полые изделия, сборку сложных конструкций сваркой и повторное формование амортизированных изделий.

Дальнейшее  развитие производства термопластов направлено на создание материалов из тех же полимеров, но с новыми сочетаниями свойств  применением эластификаторов, порошковых и высокомодульных коротковолокнистых наполнителей.[4]

 

2.3 Основные  виды реактопластов и особенности  их свойств

После окончания  формования изделий из реактопластов  полимерная фаза приобретает сетчатую (трехмерную) структуру с высокой  плотностью сетки. Благодаря этому  отвержденные реактопласты имеют более высокие, чем термопласты, показатели по твердости, модулю упругости, теплостойкости (до 250-300ºС), усталостной прочности, более низкий температурный коэффициент расширения. Однако неспособность отвержденных реактопластов переходить в вязкотечее состояние вынуждает проводить синтез полимера в несколько стадий.

Первую стадию оканчивают получением олигомеров (смол) с молекулярной массой 500-1000. Благодаря  низкой вязкости раствора или расплава олигомеры легко совмещать с  наполнителем и равномерно распределять по его поверхности даже в том случае, когда степень наполнения достигает 80-85% (по массе). После введения всех компонентов текучесть неотвержденного реактопласта остается настолько высокой, что изделия из него можно формовать заливкой (литьем), контактным формованием, намоткой. Такие реактопласты называются компандами полимерными и премиксами – в том числе, когда они содержат наполнитель в виде мелких частиц, и препрегами – если наполнителями являются непрерывные волокна, ткань, бумага.

Технологическая оснастка для формования изделий из компаундов, премиксов и препрегов проста и энергетические затраты невелики, но процессы связаны с длительной выдержкой материала в индивидуальных формах для отверждения связующего. При этом происходит сильная усадка материала и в нем возникают значительные остаточные напряжения, а монолитность, плотность и прочность далеко не достигают предельных значений (за исключением изделий, полученных намоткой с натяжением), особенно в случае отверждения по реакции поликонденсации.

Чтобы избежать этих недостатков в технологии получения  материала предусмотрена дополнительная стадия (после смешения компонентов) – предотверждение олигомера, осуществляемое при вальцевании или сушке. При  этом сокращается длительность выдержки материала в формах и повышается качество изделий, однако заполнение форм из-за понижения текучести связующего становится возможным только при давлениях       25-60 Мн/м2 (250-600 кгс/см2).

Олигомеры в  реактопластах могут отверждаться самопроизвольно (с тем большей скоростью, чем выше температура) или с помощью полифункционального низкомолекулярного вещества – отвердителя. Отверждение может осуществляться по механизму поликонденсации (например, в случае феноло-альдегидных, эпоксидных, карбамидных, кремнийорганических смол) и полимеризации (полиалкиленгликольмалеинаты, олигоэфиракрилаты, форполимеры диаллилфталата).

Реактопласты  с любым наполнителем изготавливают, применяя в качестве связующего феноло-формальдегидные  смолы, часто эластифицированные поливинилбутиралем, бутадиен-нитрильным каучуком, полиамидами, поливинилхлоридом (такие материалы называются фенопластами), и эпоксидные смолы, иногда модифицированные феноло- или анилино-формальдегидными смолами или отверждающимися олигоэфирами.

Высокопрочные пластики с термостойкостью до 200ºС производят сочетанием стеклянных волокон или тканей с отверждающимися олигоэфирами, фенолоальдегидными или эпоксидными смолами. В производстве изделий, длительно работающих при 300ºС, применяют стекло- или асбопластики с кремнийорганическим связующим; при 300-340ºС – полиимиды в сочетании с кремнеземным, асбестовым или углеродным волокном; при 350-500ºС в воздушной и при 2000-2500ºС в инертной средах – фенопласты или пластики на основе полиимидов, наполненные углеродным волокном и подвергнутые карбонизации (графитизации) после формирования изделий.

Высокомодульные пластики производят сочетанием эпоксидных смол с углеродными, борными или  монокристаллическими волокнами. Монолитные и легкие материалы,  устойчивые к вибрационным и ударным нагрузкам, водостойкие и сохраняющие диэлектрические свойства и герметичность в условиях сложного нагружения, изготавливают сочетанием эпоксидных, полиэфирных или меламино-формальдегидных смол с синтетическими волокнами, тканями, бумагой из синтетических волокон.

Наиболее высокие  диэлектрические свойства в сухой  среде характерны для материалов на основе кремнеземных или кварцевых  волокон и полиэфирных или кремнийорганических связующих.[4]

 

3 Получение пластмасс

Производство синтетических пластмасс  основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул.

 

3.1 Общая характеристика производства полистирола

Полистирол (              )n это   карбоцепной термопластичный

Пластические массы