Пластмассы представляют собой материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании и под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.
Около двух третей всего мирового производства пластмасс составляют массовые продукты: полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол. Основные области их применения - это строительство, упаковка, машиностроение, электротехника, транспорт. Причиной их широкого распространения служат главным образом относительно низкая цена и легкость переработки и лишь во вторую очередь свойства, которые во многом уступают свойствам более дорогих специальных веществ. В оставшейся трети преобладают полиэфирные смолы, полиуретаны, поливинилацетат, аминопласты, фенопласты, полиакрилаты и полиметакрилаты. Так называемые специальные пластмассы, например, полиформальдегид, поликарбонаты, фторполимеры, силиконы, полиамиды и эпоксидные смолы, все вместе составляют около 2%.
Пластмассы получаются синтезом (соединением) молекул простых органических и неорганических веществ (мономеров) с получением больших макромолекул – полимеров ("поли"– много).
В зависимости от поведения при нагревании пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные.
Пластмассы, свойства и строение которых после нагревания и последующего охлаждения не изменяются, называются термопластичными – каждый раз при нагревании они размягчаются, а при охлаждении затвердевают, не изменяя своих свойств, поэтому могут перерабатываться многократно. Полимеры, которые при нагревании или охлаждении необратимо изменяют структуру, теряя способность плавиться и растворяться, называются термореактивными. Эти полимеры могут обрабатываться однократно.
Для придания пластмассе различных полезных свойств в ее состав вводят наполнители, пластификаторы и различные добавки.
Наполнителями служат органические или неорганические вещества в виде порошков (древесной или кварцевой муки, графита), волокон (бумажных, хлопчатобумажных, асбестовых, стеклянных) или листов (ткани, слюды, древесного шпона). Наполнители повышают прочность, теплостойкость, износостойкость и другие свойства пластмасс.
Пластификаторами называют вещества, вводимые в состав пластмасс с целью повышения их пластичности и эластичности.
К добавкам откосятся вещества, замедляющие разрушение пластмасс при воздействии тепла, света и других факторов. Для изменения цвета пластмассы в нее добавляют красители.
По происхождению пластмассы делятся на природные и синтетические. К природным полимерам относятся материалы, созданные на основе целлюлозы (продукта переработки древесины и хлопка) – целлофан, целлулоид, ацетатное волокно, нитролаки, кинопленка и др.
Экономически наиболее эффективными являются синтетические пластмассы, получаемые полимеризацией или поликонденсацией.
Полимеризацией называется процесс образования высокомолекулярных соединений – полимеров, при котором макромолекулы образуются путем последовательного соединения молекул низкомолекулярного вещества – мономера, при этом не происходит образование каких-либо побочных продуктов.
Поликонденсацией называется процесс образования высокомолекулярных соединений не менее чем из двух мономеров, проходящий с выделением низкомолекулярных продуктов (низкомолекулярных веществ – воды, спирта и т. д.).
Широкое применение пластмасс определяется их ценными физическими и химическими свойствами. Для органических полимеров и пластмасс на их основе характерна низкая плотность, что определяет их широкое использование в авиа-, авто-, ракето- и судостроении.
Многие пластмассы отличаются высокой химической стойкостью. Они не подвержены электрохимической коррозии, на них не действуют слабые кислоты и щелочи. Некоторые из пластмасс (фторопласты, поливинилхлориды, полиолефины и др.) находят применение в химическом машиностроении, в ракетостроении, служат для защиты металлов от коррозии. Большинство пластмасс безвредно в санитарном отношении.
Пластмассы обладают высокими диэлектрическими свойствами и широко применяются в электро-, радиотехнике и радиоэлектронике.
Пластмассы имеют низкую теплопроводность (в 70–220 раз ниже теплопроводности стали), что позволяет их использовать в качестве теплоизоляторов.
Механические свойства пластмасс находятся в широком диапазоне. В зависимости от вида они могут быть твердыми и прочными или же гибкими и упругими. Ряд видов пластмасс по механической прочности превосходит чугун и бронзу.
Пластмассы обладают хорошей восприимчивостью к окрашиванию. Некоторые пластмассы могут быть изготовлены прозрачными, не уступающими по своим оптическим свойствам стеклу. При этом пластмассы, в отличие от стекла, пропускают ультрафиолетовые лучи.
Пластмассы обладают хорошими технологическими свойствами – при обработке хорошо льются, прессуются, обрабатываются резанием. Изделия из пластмасс изготавливают способами безотходной технологии (без снятия стружки) – литьем, прессованием, формованием с применением невысоких давлений в вакууме.
Недостатком пластмасс являются: малая прочность, жесткость и твердость, большая ползучесть, особенно у термопластов, низкая теплостойкость (для большинства пластмасс температура составляет от -60° до +200°), старение, плохая теплопроводность. Однако положительные свойства пластмасс несравнимо выше их недостатков, поэтому их применение очень высокое и непрерывно растет. Рассмотрим наиболее часто применяемые виды пластмасс.
Из полимеризационных пластмасс наиболее широко используются: полиэтилен, полипропилен, полистирол, винипласт, фторопласт и полиакрилат.
Полиэтилен. Полиэтилен является продуктом полимеризации этилена. Его получают при крекинге нефти, из коксового газа, из этилового спирта.
Полиэтилен выпускается в виде пленок толщиной 0,03–0,3 мм, шириной 1400 мм и длиной до 300 м, а также в виде листов толщиной 1–6 мм и шириной до 1400 мм. Полиэтилен обладает исключительно высокими диэлектрическими свойствами, поэтому находит широкое применение при изготовлении кабельной изоляции, деталей для радиоаппаратуры, телевизионных и телеграфных установок.
Полипропилен является производным этилена. По сравнению с полиэтиленом полипропилен имеет более высокую механическую прочность и жесткость, большую теплостойкость и меньшую склонность к старению. Недостатком полипропилена является его невысокая морозостойкость.
Полипропилен применяют для изготовления антикоррозионного покрытия резервуаров, труб и арматуры трубопроводов, электроизоляторов, а также для изготовления деталей, применяемых при работе в агрессивных средах. Из полипропилена изготавливают корпуса автомобилей и аккумуляторов, прокладки, трубы, фланцы, водонапорную арматуру, пленки, пленочные покрытия бумаги и картона, корпуса воздушных фильтров, конденсаторы, зубчатые и червячные колеса, ролики, подшипники скольжения, фильтры масляных и воздушных систем, уплотнения, детали приборов и автоматов точной механики, кулачковые механизмы, детали телевизоров, магнитофонов, холодильников, стиральных машин, изоляцию проводов и кабелей и т.д. Полипропилен обладает хорошими технологи-ческими свойствами – способностью к литью, экструзии, прессованию, сварке и обработке резанием.
Полистирол – продукт полимеризации стирола. Твердый, жесткий, бесцветный, прозрачный полимер, водостоек, обладает прекрасными диэлектрическими свойствами, химически инертен, легко окрашивается в различные цвета. Недостатками полистирола являются его повышенная хрупкость при ударных нагрузках, склонность к старению, невысокая тепло- и морозостойкость.
Полистирол перерабатывается в изделия литьем под давлением, экструзией. Его применяют для изготовления деталей радио- и электроаппаратуры, предметов домашнего обихода, детских игрушек, трубок для изоляции проводов, пленок для изоляции в электрических кабелях и конденсаторах, открытых емкостей (лотков, тарелок, подносов), прокладок, втулок, светофильтров, крупногабаритных изделий радиотехники (корпусов транзисторных приемников), деталей электропылесосов, мебельной фурнитуры, конструкционных изделий с антистатическими свойствами. Ударопрочным полистиролом облицовывают пассажирские вагоны, салоны автобусов и самолетов. Из него изготавливают крупногабаритные детали холодильников, корпуса радиоприемников, телефонных аппаратов и т. д.
В настоящее время пластмассы получили широчайшей распространение. Причиной такого распространения являются их низкая цена и легкость переработки, а также свойства, которые в некоторых случаях уникальны. Пластмассы применяют в электротехнике, авиастроении, ракетной и космической технике, машиностроении, производстве мебели, легкой и пищевой промышленности, в медицине и строительстве, - в общем, пластмассы используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Пожалуй, единственная область, где использование пластмасс пока ограничено - это техника высоких температур. Но в скором времени они проникнут и сюда: уже получены пластмассы, выдерживающие температуры 2000-2500°C. Развитие химических технологий, помогающих создавать вещества с заданными свойствами, позволяет сказать, что пластмассы один из важнейших материалов будущего.