Проблеми екології виробництва та застосування полімерних матеріалів

Широке застосування полімерних матеріалів у будівництві передбачає під­вищені вимоги до довговічності їх та надійності при експлуатації.

Однією з найважливіших властивостей полімерних матеріалів є висока корозійна стійкість. Однак і полімерні матеріали не є універсальними. Ступінь їх корозійної стійкості залежить від властивостей, виду, хімічного складу агресивно­го середовища та умов його впливу.

Вплив агресивного середовища на полімерні матеріали може проявлятися у зміні їхньої структури та властивостей. При цьому матеріал в середині може руй­нуватися, але зовні лишатися неушкодженим.

Корозія полімерів - результат подолання сил взаємодії між їх атомами чи молекулами, але може виникати також під впливом різних окиснювальних аген­тів, термічного, радіаційного, механічного впливу та інших енергетичних факто­рів, а також при хімічній взаємодії з різними агресивними середовищами. При цьому в полімерах протікають різноманітні деструктивні процеси.

Окиснювальна деструкція полімерів виникає під впливом кисню повітря чи озону. Крім того, у реальних умовах зберігання чи використання матеріалів на полімер впливають сонячні промені, волога, тепло. Зміни, які виникають під їх­нім впливом, обумовлюють старіння матеріалів.

Термічна деструкція виникає під дією тепла, а іноді при одночасній дії теп­ла та кисню може утворюватись термоокиснювання.

Для протидії полімеру окиснювальній чи термічній деструкції у його склад вводять добавки проти старіння (феноли, аміни) чи стабілізатори (солі свинцю, кадмію, барію, кальцію). Стабілізатори чи добавки проти старіння не повинні по­гіршувати фізико-механічні властивості полімеру, і тому їх вводять у кількості, що не перевищує 2%.

Радіаційна деструкція полімерів проходить під впливом випромінювання «високої енергії» чи «іонізуючого випромінювання» (рентгенівські промені, електрони, протони та ін.). їх дія полягає у збудженні і іонізації окремих ланок мак­ромолекул, що надають макромолекулам ста­лість, полегшуючи деструкцію полімеру. Залежно від типу полімеру і тривалості опромінювання, деструкція супроводжується виділенням низькомолекулярних газоподібних речовин (водню, хлору, азоту, метану).

Механічна деструкція полімерів відбувається під дією механічних наванта­жень, що перевищують границю міцності матеріалів. Така деструкція в присут­ності кисню повітря може прискорюватися.

Біологічна деструкція - дія мікроорганізмів, комах на вироби з синтетичних полімерних матеріалів. Мікроорганізми знижують гігієнічність виробів та погір­шують їхній зовнішній вигляд. Пігменти мікроорганізмів здатні перефарбовувати полімерні матеріали так, що навіть після видалення плісняви на їхніх поверхнях залишаються плями сірого, зеленого, чорного, фіолетового чи рожевого кольорів.

Пліснява сприяє конденсації водяної пари і погіршує властивості матеріа­лу, що проявляється у втраті блиску чи «травленні» поверхні. Деякі види пліс­няви та бактерій використовують для себе як поживне середовище пластифікато­ри чи наповнювачі, що входять до складу полімерного матеріалу, і цим приско­рюють старіння виробу. Іноді пліснява проростає навіть крізь плівки з полімер­них матеріалів.

Більшість природних високомолекулярних сполук чи їхніх похідних - дже­рело харчування для мікроорганізмів. Навпаки, більшість синтетичних полімер­них матеріалів не є поживним середовищем для мікроорганізмів і у присутності їх розмноження останніх пригнічується. Однак присутність у пластмасі наповню­вачів, пластифікаторів, стабілізаторів, які є джерелами вуглецю, може спричиня­ти руйнування виробів, виготовлених навіть з достатньо стійких полімерів.

Хімічна деструкція полімерних матеріалів виникає при хімічній взаємодії їх з навколишнім середовищем.

Хімічні реакції макромолекулярних і органічних низькомолекулярних речо­вин підпорядковані однаковим закономірностям, але протікають по-різному.

Гетероланцюгові полімери (поліаміди, тіоколи, силоксани, поліефіри та ін.) порівняно легко розпадаються під дією гарячої води, кислот, лугів. Карболанцюгові полімери в цілому значно більш стійкі до агресивних середовищ.

Молекулярна гратка полімеру належить до найменш міцних, а енергія роз­риву зв'язків атомів у органічних вуглеводневих сполуках значно менша, ніж у молекулах більшості неорганічних речовин, широко застосовуваних у будівниц­тві. Цим і обумовлені невисока робоча температура, при якій можлива експлуатація пластмас, а також їхня схильність до окиснювальних процесів, які призво­дять до зміни як фізико-хімічних, так і технічних показників властивостей полі­мерних матеріалів.

Особливо швидко ці процеси, які називають старінням, проходять при ком­бінованому впливі кисню повітря та ультрафіолетового випромінювання, а також при підвищенні температури навколишнього середовища. При цьому реакції мо­жуть розвиватися у двох напрямках: перший з них пов'язаний з деструкцією, під якою розуміють сукупність процесів, які призводять до зменшення довжини мо­лекул полімеру, тобто до їх руйнування; другий напрямок, навпаки, призводить до агрегування молекул чи до об'єднання ланок молекул, що обумовлює змен­шення еластичності, підвищення жорсткості полімеру та збільшення не тільки міцності, але і крихкості виробів на його основі.

В матеріалах, що працюють під навантаженням, зазвичай виникає сітка мікротріщин та інших дефектів, які призводять практично до повної втрати структурно-механічних властивостей конструкції або споруди.

Механізм руйнування багатьох полімерів, так само як і процес їх утво­рення, - ланцюговий. Це дозволяє пропонувати у якості ефективних спосо­бів гальмування процесів руйнації обрив ланцюгів, зменшення вірогідності їх зародження.

Практика показує, що велику роль при цьому мають наповнювачі, які пе­рестають бути інертними матеріалами та приймають участь у хімічних процесах. Деякі з них (наприклад сажа, яку вводять у поліетилен) блокують вільні зв'язки на кінцівках молекул полімеру і знижують таким чином його реакційну спроможність. Інші наповнювачі, не пропускаючи чи відбиваючи сонячні проме­ні, зменшують вірогідність розвитку ланцюгових процесів. Деякі наповнювачі мо­жуть виконувати функції антиокиснювачів.

При введенні в полімери тих чи інших наповнювачів зазвичай враховують сукупність властивостей, які вони надають пластмасам. Наприклад, в разі вико­ристання різної кількості тонкодисперсних наповнювачів полімерні матеріали набувають більшої твердості та міцності.

З точки зору фізико-хімічних процесів, що обумовлюють такі зміни, роз­глядають взаємодію зв'язуючої речовини з наповнювачем, яка проходить на ме­жі поділу фаз. При цьому необхідна спорідненість між наповнювачем і зв'язу­ючим компонентом для отримання міцної та довговічної пластмаси.

Таким чином, пластмаси, у яких зв'язуюча речовина поєднується з напов­нювачами - порошкоподібними (тальк, кварцовий пісок), волокнистими (азбест, деревне волокно, костриця льону), застосовують у будівництві не тільки з метою підвищення хімічної стійкості, поліпшення механічних та деформативних показ­ників конструкцій, а і для отримання значного економічного ефекту. Таким шляхом були створені різноманітні композиційні матеріали, в тому числі склоплас­тики, яким притаманні високі показники коефіцієнта конструктивної якості.

Поєднання зв'язуючої речовини з наповнювачем у полімербетонах (пластбетонах) дозволяє знизити усадочні деформації органічного полімеру (що особ­ливо важливо для підлог) і підвищити його міцність; в деревностружкових пли­тах - об'єднати у єдине природні й штучні органічні сполуки, утилізуючи відхо­ди деревини; в полімерцементних композиціях - підвищити непроникність і еластичність. При цьому оптимальна міцність композита досягається при введен­ні певної кількості наповнювача, вид якого вибирається з урахуванням сили адгезійного зчеплення між компонентами.

Крім того, волокнисті і частково порошкоподібні наповнювачі здатні запо­бігати розвитку мікротріщин, які «обриваються» на границі поділу фаз.

За допомогою наповнювача можна надати пластмасам і додаткових спеці­альних властивостей, необхідних, наприклад, для комбінованих виробів. Так, полімерні матеріали мають зазвичай відмінний від металів і бетону коефіцієнт термічного розширення. Введення у полімер наповнювача неорганічного поход­ження, наприклад, кварцу, вапняку, цементу, графітового порошку, сприяє зближенню коефіцієнтів термічного розширення полімеру і неорганічної під­кладки.

Для будівельних пластмас, які так само, як деякі інші органічні сполуки, експлуатують в умовах прямого впливу на них сонячних променів, особливе зна­чення набувають питання стабільності в часі. У подібних випадках введення одних тільки наповнювачів може бути недостатнім і тоді, крім вибору найбільш стійких, до таких полімерів (полістиролу, поліметилметакрилату) треба ще засто­совувати інгібітори - речовини, здатні різко гальмувати ланцюгові процеси.

До ефективних інгібіторів відносять деревносмоляні антиокиснювачі, збага­чені фенолами, а також похідні бензофенолу, деякі аміни та стеарати свинцю, кальцію, барію.

Підвищення еластичності полімерів можна досягти шляхом внутрішньої чи зовнішньої пластифікації за рахунок використання «прищеплених» полімерів, вибору відповідних бокових ланцюгів і найбільш придатних мономерів, а також введенням нелетких висококиплячих органічних рідин, які викликають набухан­ня полімеру.

Як пластифікатори застосовують фосфати, диметилфталат, бутилстеарат і деякі інші речовини.

Для підвищення негорючості будівельних пластмас застосовують галоїдопохідні (полівінілхлорид, хлорований парафін), кремнієорганічні сполуки (силіко­ни), а також антипірени (фосфорнокислий амоній).

Іноді одна й та сама речовина у пластмасі може виконувати одночасно кілька функцій. Так, фосфати використовують одночасно як антипірени і пластифі­катори. Наповнювачі можуть виконувати функції антиокиснювача, пігменту, а також компонента, який підвищує непроникність матеріалу.

При виготовленні та застосуванні в будівництві пластмасових матеріалів, виробів та конструкцій потрібно брати до уваги те, що на стадії виготовлення та застосування деякі з них можуть мати негативний вплив на навколишнє середо­вище. Характер впливу синтетичних полімерів і пластмас на організм людини визначається їхньою хімічною будовою і фізико-хімічними властивостями. Різноманітні пластмаси і їхні низькомолекулярні леткі домішки, впливаючи на орга­нізм, можуть викликати будь-які біологічні реакції, в тому числі сенсибілізуючо­го, мутагенного, канцерогенного та фіброгенного характеру.

Для існуючого асортименту пластмас, з урахуванням способів їх одержання і переробки, слід виділити окремі етапи виробництва (синтез полімерів, форму­вання виробів та їх обробка), які потребують екологічного контролю.

Наприклад, на етапі синтезу полімерів основними причинами забруднення виробничого середовища шкідливими речовинами є періодичність процесів, від­сутність комплексної механізації, дистанційного контролю і управління процеса­ми, використання недосконалого обладнання, наявність ручних виробничих опе­рацій, ручного відбору проб з необхідністю відкривання люків апаратів.

При цьому працівники можуть зазнавати комплексної (інгаляційна та через шкіру) дії незаполімеризованих вихідних продуктів синтезу смол (мономерів), по­бічних продуктів реакції поліконденсації (аміаку, хлористого водню), додаткових речовин (пластифікаторів, розчинників, каталізаторів тощо), які не вступають у міцний хімічних зв'язок з полімером, продуктів деполімеризації, смол (при руч­них операціях).

Процеси формування виробів (екструзія, пресування, лиття під тиском то­що), при яких полімери піддають термічній обробці, характеризуються впливом на працівників складної суміші продуктів термоокиснювальної деструкції. Поряд з такими продуктами при виготовленні виробів з пластмас у повітря виробничих приміщень можуть надходити і хімічні речовини, характерні для попереднього етапу технології.

Під час обробки виробів з пластмас (різання, шліфування, полірування) по­вітря виробничих приміщень забруднюється пилом та високодисперсними аеро­золями.

Дата добавления: 2014-01-04