Определение, краткие исторические сведения

Материалов на основе полимеров

Тема 7.1 Определение и краткие исторические сведения. Основы производства

Искусственные полимеры – высокомолекулярные соединения (молекулы из нескольких тысяч или сотни тысяч атомов, построенных путем многократного повторения одинаковых групп или звеньев одинаковой структуры), полученные человеком из природных веществ в процессе оригинальных реакций. Природные полимеры – сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных. Для производства строительных материалов (как правило, специального назначения) используют битумы, дегти. Материалы на основе полимеров – твердые, пластично-вязкие (мастики) или жидкотекучие (лаки, краски) составы, в которых, кроме полимеров, содержится еще ряд компонентов, влияющих на их свойства. Полимерные композиции способны в процессе формования принимать требуемую форму и сохранить ее после снятия формующих нагрузок. Учитывая эту способность, материалы на основе полимеров называют также пластическими массами.

Первые искусственные полимеры, в том числе фенолформальдегид, были получены во второй половине ХІХ в. С 1907 г. на их основе в США было освоено промышленное производство пластмасс, и уже в 1916 г. в больших объемах производилась первая пластмасса горячего формования – бакелит. Первые дома из пластмасс появились в конце 20-х – начале 30-х гг. ХХ в. в США. «Винилайтхаус», представленный на Чикагской выставке 1933 г., имел панели из поливинилхлорида толщиной 5 см, размером 240х70 см и полы из поливинилхлоридных плит. Для здания конторы фирмы «Васко» использовали трехслойные панели из полиметилметакрилата и пенопласта. Заметный количественный и качественный рост производства пластмасс отмечается с 1935 г., когда был изобретен самый прочный материал на основе полимеров – стеклопластик. С 1945 г. строительные пластмассы все чаще применяют для внутренней отделки зданий и для ограждающих конструкций. В отечественной архитектурно-строительной практике вопросами применения материалов на основе полимеров занимались архитекторы А. Буров, Б. Иофан, В. Мунц, А. Крипа и др. В середине 50-х гг. ХХ в. в США, Японии, Великобритании, Франции, Швейцарии освоен выпуск каркасных зданий с панелями из пластмассы. Формообразующие возможности последней были показаны при строительстве «Дома-улитки» из стеклопластика во Франции и «Дома будущего» в США. В Париже было построено многоэтажное административное здание с наружными стенами из стеклопластика, в США – бескаркасные дома с несущими стенами из пластмассы.

Основы производства. Сырье. Основные сырьевые компоненты для производства пластмасс – полимеры, пластификаторы, наполнители, катализаторы, стабилизаторы, красители.В зависимости от способа получения искусственные (синтетические) полимеры разделяют на две группы: полимеризационные и поликонденсационные.

При реакции полимеризации происходит процесс соединения молекул низкомолекулярного вещества – мономера – без изменения его химического состава и выделения побочных продуктов. Поливинилхлорид получают различными методами из ацетилена и хлористого водорода. Из-за высокого содержания хлора полимер не воспламеняется и не горит. Однако при температуре 130-170^оС поливинилхлорид разлагается с выделением хлористого водорода. Это один из самых популярных полимеров для производства различных материалов. Полистирол образуется в результате дегидрирования этилбензола в присутствии водяного пара. Полимер отличается высокой светопрозрачностью - до 90%, хрупок, может разрушаться при действии некоторых органических растворителей. Полиэтилен производят на основе газа этилена. Он имеет линейное строение молекул, отличается сравнительно высокой коррозионной стойкостью, прочностью, но обладает низкой теплостойкостью (80^оС). Полиакрилаты представляют собой полимеры акриловой, метакриловой кислот и их производных. Эти полимеры светопрозрачны и способны пропускать ультрафиолетовые лучи. Полиметилметакрилат (органическое стекло) по светопрозрачности (свыше90%) превосходит силикатные стекла. Синтетические каучуки получают полимеризацией различных углеводородов. Такие полимеры состоят из гибких макромолекул, обладают эластичностью. Их прочность и теплостойкость повышают вулканизацией.

При реакции поликонденсации образуются высокомолекулярные соединения с выделением побочных продуктов. Например, при поликонденсации фенола и формальдегида получаются фенолформальдегидная смола и вода. Химический состав таких полимеров отличается от исходных продуктов. Для производства материалов широко применяют, в частности, следующие поликонденсационные полимеры. Фенолальдегидные производят при поликонденсации фенолов с альдегидами. Они достаточно водостойки и прочны. Карбамидно- и меламиноформальдегидные получают в результате соответствующей реакции аминов с альдегидами. Эти полимеры отличаются тепло- и светостойкостью. Полиэфиры образуютсяпри взаимодействии двух основных кислот, их ангидридов или эфиров с многоатомными спиртами. Полиуретаны получают в процессе реакций с участием полиэфиров, многоатомных спиртов. Они характеризуются сравнительно высокой химической стойкостью и прочностью. Эпоксидные полимеры отличают высокие коррозиеустойчивость, прочность, незначительная усадка. Кремнийорганические полимеры содержат в макромолекулах атомы кремния. Они обладают высокой теплостойкостью (более 400^оС), водо- и морозостойкостью, гидрофобностью. Но механическая прочность этих полимеров невысока. Пластификаторы повышают гибкость и эластичность полимеров и тем самым облегчают условия их переработки. Их вводят в количестве 5-40% по массе полимера, в зависимости от его состава и свойств. Наполнители вводят для повышения теплостойкости, прочности, твердости, уменьшения усадочных деформаций, улучшения других эксплуатационно-технических свойств пластмасс. Применяют волокнистые (стеклянные, асбестовые, синтетические), листовые (древесный шпон, бумага, фольга), порошкообразные (древесная мука, тонкомолотые мел, известняк, тальк и др.) наполнители, а также ткани (асбестовые, стеклоткани, хлопчатобумажные). Катализаторы ускоряют процесс отверждения полимеров и образования их структуры. Стабилизаторы способствуют сохранению свойств пластмасс в процессе эксплуатации. Используют, в частности, термо- и светостабилизаторы, снижающие скорость окисления полимеров. Красители используют для объемного окрашивания пластмасс. Применяют минеральные или органические пигменты, синтетические окрашивающие составы.

Основы технологии. Основные технологические операции при производстве полимерных материалов – дозировка, перемешивание, формование, отделка лицевой поверхности. Формообразование пластмасс осуществляется разнообразными способами. Основные из них – экструзионный, литье под давлением, вакуумформование, каландрирование, прессование.

Экструзионный способ формования пластмасс осуществляется, как правило, с помощью шнековых экструзионных машин, куда смесь сырьевых компонентов подается в порошкообразном или гранулированном виде. Под действием нагревателей масса размягчается и выдавливается через экструзионную головку. Таким способом формуют длинномерные (погонажные) профилированные и рулонные материалы. Прессование производят с помощью гидравлических прессов. При этом сырьевая масса разогревается. Таким способом формуют материалы с большим количеством наполнителя. Литье под давлением осуществляется путем разогревания сырьевой массы до жидкотекучего состояния в литьевых машинах и впрыскивания ее под давлением через сопло в форму. После охлаждения и затвердения пластмассы форму раскрывают. Вакуум-формование производят в специальных формах. Листовая заготовка при действии теплоты от нагревателей размягчается. После создания вакуума в форме лист пластмассы приобретает конфигурацию, соответствующую форме. Таким образом, формуют сравнительно тонкие листовые и плитные материалы. Каландрирование (вальцевание) предполагает прохождение полимерной смеси через зазоры между каландрами (валками). Таким способом формуют рулонные и пленочные материалы.

Отделка лицевой поверхности пластмасс выполняется различными способами, среди которых окрашивание (объемное и поверхностное), печатание, тиснение, аппликация, декалькомания, металлизация. На практике, в основном, применяют объемное окрашивание и печатание на лицевой поверхности тонких рулонных материалов (пленок). Большое количество современных строительных пластмасс имеет после формования лицевую поверхность, готовую к применению. При выборе способа отделки обязательно учитывают адгезионную способность поверхности, стойкость к различным химическим реагентам, влагопроницаемость, термостойкость и другие физико-химические свойства пластмасс. В большей мере качество отделки определяется качеством подготовки поверхности материала. Механические, физические и химические методы подготовки поверхности связаны, главным образом, с ее обезжириванием, приданием ей шероховатости, химическим модифицированием, нанесением адгезионных поделоев. Адгезионная способность поверхности пластмасс после соответствующей подготовки к отделке оценивается различными методами, в том числе, путем измерения красного угла капли дистиллированной воды, нанесенной на поверхность; измерения угла наклона поверхности, при котором с нее начинает скатываться капля дистиллированной воды, а также измерением натяжения смачивания. В последнем случае фиксируют время (1 мин), в течение которого тонкий слой индикаторной жидкости на поверхности пластмассы не должен собираться в капли. Для испытаний используют набор индикаторных жидкостей, например, на основе смеси третичного бутилового спирта и дистиллированной воды, с известным поверхностным натяжением. В последнее время активно развивается отделка пленочных пластмасс способом печати. Из-за ряда свойств пластмасс не все способы печати в равной степени пригодны. Способ высокой (типографской) печати позволяет получать чистый и четкий оттиск рисунка. Но длительность высыхания используемых высоковязких красок приводит к тому, что этот способ печати почти не применяется. Разновидность высокой печати – флексографская основывается на применении маловязких быстросохнущих красок на летучих растворителях, но при этом заметно ухудшается четкость оттиска рисунка. Принцип офсетной печати связан со смачиванием печатной формы увлажняющим раствором и накатыванием жирной краски, которая при этом избирательно задерживается на несмачиваемых (печатных) элементах. С печатной формы красочный оттиск переходит на эластичный резиновый цилиндр, а с него – на запечатываемый материал. Преимущество такого способа печати – возможность получать мягкие и плавные переходы тонов рисунка при сравнительно высокой скорости. Целесообразно отметить высокое качество печати, которое достигается при четырехкрасочном методе печати триадными красками (желтый, пурпурный, голубой). Хорошим воспроизведением различных изображений отличается глубокая печать, основанная на применении цилиндра со специальными печатающими ячейками. Рядом преимуществ обладает способ трафаретной печати, который заключается в продавливании краски посредством ракеля на материал через трафарет, служащий печатной формой. Этот способ отличают простота конструкции, высокое качество изображения (возможность получения красочной пленки толщиной до 70 мкм), экономичность.

При отделке тиснением рисунок получают путем переноса оттиска с металлизированного или пигментированного слоя специальной пленки под давлением горячего штампа. Различают глубокий оттиск – запечатываются углубленные места рисунка, образуемые в результате вдавливания рельефной поверхности металлического штампа; плоский оттиск – тиснение гладкой эластичной поверхностью резинового штампа; рельефный оттиск – при контакте гладкой поверхности эластичной пластины с рельефной поверхностью материала. Преимущество этого способа – возможность применения высокопроизводительного оборудования, четкость рисунка и его разнообразие.

Интерес представляет аппликация – нанесение на поверхность отделываемого материала накладных элементов различных составов (бумага, полимерная пленка, ткань и др.). Такие элементы отделки наносятся на поверхность готового материала или закрепляются на изделии в процессе его формования. Соответственно различают накладную или заформованную аппликацию. В последнем случае отделка материалов отличается более высокими эксплуатационными характеристиками. Но по сравнению с накладной аппликацией технологический процесс заформования рисунка более сложен.

При декалькомании, в отличие от прямого запечатывания, изображение наносят предварительно на специальную подложку, а затем переводят на поверхность материала одним из трех способов – мокрым, сухим или термическим. Соответственно в качестве материалов для подложки используются загрунтованная клеевым слоем бумага, полимерная пленка, целлофан, металлическая фольга и др. С помощью декалькомании можно наносить рисунок на отделочные материалы весьма сложной формы и фактуры. К недостатку декалькомании относится сложность механизации этого процесса.

При металлизации поверхности пластмасс (нанесения тонкого слоя металла) она приобретает отражательную способность, большую твердость и абразивостойкость. Химическая металлизация основана на осаждении тонких слоев металла на поверхности материала при восстановлении из растворов солей или в газовой среде. При обработке материала таким способом учитывают, что покрытия в виде сплошной металлической оболочки толщиной около 100 мкм вызывают напряжения сжатия полимерного материала. Качество получаемого покрытия весьма низкое, а процесс металлизации проходит длительное время. Химико-гальваническая металлизация основана на наращивании электролитическим путем на электропроводящем подслое материала слоя металла. В этом случае для получения покрытия высокого качества применяют полимерные материалы с определенной механической прочностью. Металлизация напылением в вакууме связана с испарением нагреваемых металлов и конденсации их паров на поверхности материала. Не все пластмассы в равной степени пригодны для металлизации напылением в вакууме. Пластификаторы или растворители, содержащиеся в материале, испаряются при создании вакуума и препятствуют адгезии металла. Наиболее пригодны для металлизации в вакууме пластмассы на основе полиметилметакрилата и полистирола.

Металлизация пневмораспылителем заключается в покрытии поверхности полимерного материала тонким слоем металла путем распыления его в расплавленном виде с помощью сжатого воздуха. Рисунок может быть получен при изоляции поверхности трафаретным экраном. Толщина металлопокрытия 20 мкм и более. Фактура получается матовой, для получения блеска проводят дополнительную обработку. Металлическое покрытие получают также кратковременным погружением материала в псевдоожиженный слой дисперсного металла, нагретого до температуры, превышающей температуру плавления полимера. При этом частицы диспергированного и разогретого металла внедряются в поверхностный слой материала. Адгезию металлопокрытия к поверхности материала увеличивают путем предварительной ее обработки известными методами активирования (физическими или химическими).

Литература: [1], с. 201-204.

Дата добавления: 2014-12-08