Термопласттар. Термопластты полимерлердің үйінді тығыздығын анықтау тәсілдері

Кіріспе

Қазіргі уақытта  ғылым және техника саласында  пластикалық массаны қолдану  кең етек жайған. Халық шаруашылығында полимер материалдарын қолданбайтын саласыны айту қиын. Қазір пластмассалар  ерекше қасиетіне байланысты медицина, авиақұрылыс, радиоэлектроника және басқа да кешендерде жалғыз және алмастырылмайтын материал болып табылады.

Полимерлердің кең қолданылуы келесілерге негізделген

1. Бір материалда бірнеше маңызды техникалық қасиеттердің біріктірілуінде
2. Полимер материалдарынының синезіне қажеті шикізатардың қол жетімділігі
3. Алдын ала қасиеттері берілген полимерлерді синтездеу мүмкіндігі
4. Полимер материалдарын бұйымдарға өндеуде аздаған еңбек шығынының жеңілдігі

Пластмасса  өндеу процесі бірнеше технологиялық  процестердің жиынтығынан тұрады, олардың  көмегімен бастапқы полимерлерден эксплуатациялық қасиеттері таңдалған бұйымдар алуға болады. Пластмассаларының өңдеуiнiң әдiстерi тағайындауы бойынша даярлайтын, негiзгi және қорытындылаушыға бөлiнедi.

Алдын ала әзiрлеудiң әдiстерi қайта өңделетiн  шикiзаттың технологиялық қасиеттерiнiң жақсартуы үшiн қолданылады, сонымен бiрге шикiзаттар және өңдеу әдiстерiндегi бастапқы материалдар ретiнде қолданылатын (гранулалар, тәбiлеткiлер, парақтар) даярлауларды алу үшiн.

Алдын ала даярлау  әдісі өнделетін өнімнің технологиялық қасиетін жақсарту мақсатында, және жартылай өнім мен дайындамалар (гранула, таблетка, беттер) алу үшін қолданылады, олар өндеудің негізгі әдістерінде бастапқы материалдар ретінде пайдалынлады. Дайындалған әдістерге араластыру, вальцелдеу, таблетирлеу, кептіру, алдын ала қыздыру және бөлшектендіру жатады. 

Өндеудің негізгі  әдісі бастапқы материалдан белгіленген  пішіндегі дайын зат алу процесі  болып табылады.

Бұйымды дайындау экструзия, қысым астында құйма, пневмо- және вакуум құрастыру, ппрестеу, каладирлеу арқылыжүргізіледі. Өндеу әдісін таңдағанда полимердің табиғатына байланысты алынады (термопласт немесе реактопласт), себебі өндеу барысында оның жүрубарысы өзгеруі мүмкін.

Соңғы әдіс дайын  заттарға нақты пішін беріп, бұйымның элементтерiнiң ажырамайтын қосуларын құрады. Бұл әдістердің негізгілері заттарды механикалық өндеу, пісіру, желімдеу және қабат қаптау болып табылады.

 

 

 

1. Процестің теориялық негіздері

 

Термопластикалық  материалдарға немесе термопласттарға (thermoplast, thermoplastic) өндеу процесінде қыздыру кезінде қатты агрегатты күйден сұйыққа айналатын полимерлерді айтамыз: жоғары эластикалық немесе тұтқырағынды (құйма термопласттар тұтқырағынды күйге өтеді). Салқындаған кезде қайтадан қатты күйге айналады. Қыздыру кезінде термопласттар қылығы термореактивті  материалдарға немесе реактопласттарға қарағанда өзгеше, олар өндеу кезінде қатайып және ары қарата сұйық агрегаттық күйге өте алмайды.

 

Термопласттардың  физикалық күйі

 

 

 Термопластты материалдар  қабылданатын фазалық күйіне байланысты аморфты және кристаллды (кристалданатын) болып бөлінеді. Кристалданатын термопластталдарда әрдайым белгілі мөлшерде кристалданбаған (аморфты) материалдар қалып отырады, сондықтан ол материалдарды кейде бөлшекті-кристалды деп атайды. Кейбір материалдар (РС) кристалдана алатындар қысым астында құйғанда кристалданбай аморфты болып қалады. Құймалану шартына байланысты аморф немесе кристалды болатын материалдар (РЕТ) бар. Басқалары (РРS) – кристалдану дәрежесін қатты өзгертетіндер мен технологиялық режим өзгерісінен қасиетін өзгертетіндер. Кристаллизацияға қабiлеттiлiгi - метериалдарды өндегенде мінез – құлығының өзгеруін анықтайтын және мiндеттi түрде бұйымдардың құрастыруында есепке алынуы керек болатын және пресс-қалып және құюдың технологиялық тәртiптбін таңдаудағы материалдардың өте маңызды қасиетi.

Кристализацияланатын  материалдар тұну және тұну анизотропиясының (бойлық және көлденен тұну айырмасы) жоғары деңгейі болады. Пигментер және басқада  қоспалар нуклеаторлар  тәрізді  кристазилацияланатын материалдардың құрылымын және қасиеттарін өзгертулері мүмкін.

Температураға байланысты аморфты термопласттар 3 физикалық күйде болады: әйнектәрізді, жоғары эластикалық және тұтқырағынды.

Әйнектәрізділерге шамалы деформация серпімділігі тән. Жоғары эластикалықтан әйнек тәріздіге өтеу температуралар диапазонында өтеді, олардың ортасын әйнектелу температурасы T_c (glasstransitiontemperature, T_g) деп аталады. Әйнектелі температурасы анықтау әдісіне байланысты өзгеруі мүмкін. Әйнектелу температурасы жоғарылағанда аморфты материалдың тасымалдануы температурасы жоғарылайды.

Жоғары эластикалық  күйдегі полимерлер жүз және одан да жоғары % жететін  қайтымды деформацияға ұшырауы мүмкін. Құйма тәрізді  термопластты материалдардың температурасын көтергенде жоғары элестикалық күйден тұтқырағынды күйге өтеді. Мұндай өзгерудің температурасын ағынды температура Т_т деп атайды.

 

Пайдалану қасиеттеріне байланысты термопластардың  жіктелуі

 

Құйма термопластты материалдарды пайдалану қасиеттерінің  дәрежесіне қарай бірнеше топтарға бөледі. Осындай қасиеттердің біріне ұзақ уақыт пайдалану жатады.

 Пластмассаларды  шартты түрде топтарға бөледі (әр түрлі басылымдарда жіктелудің  бірнеше критерийлерін келтіреді):

• Жалпы қолданысқа немесе жалпы техникалыққа арналғандар (generalpurposeplastics);
• Конструкциялық пластмассалар немесе инженерлік – техникалаыққа арналған (engineeringplastics);
• Суперконтрукциялы (super-engineeringplastics) немесе жоғары температураға тұрақты полимерлер (hightemperatureplastics).

Термопласттардың  ішінде термопластикалық эластомерлер немеес термоэластопластарды (ТРЕ) ерекше көрсетеді, олар технологиялық қасиеттері бойынша олар қарапайым термопласттарға жатады, пайдалану қасиеттеріне карай каучуктер  мен резиналарға ұқсас, олар үлкен қайтымды деформацияға ұшырай алады. Ұзақ пайдалану температурасы қарай термопласттар жалпы қолданысқа (generalpurpose TPE) және инженерлі – техникалық қолданысқа (engineering TPE) арналған материалдар болып бөлінеді.

 

Химиялық  құрылымына байланысты термопласттардың жіктелуі

 

Химиялық құрылымына байланысты құйма термопластты материалдар әдетте бірнеше топтарға (кластарға) бөлінеді. Қазіргі өнеркәсіптерде полиолефиндердің (РО) көптеген түрлерін өндіреді, олардың ішінде ммаңызды топтарына полиэтилендер (РЭ) мен полипропиленден (РР) жатады. Материалдардың көптеген түрлері стиролды пластиктер (PS), полиамидтер (РА), күрделі полиэфирлер (polyester) топтарында келтірілген.

Полимерлерді целлюлоза  (cellulosicplastics), фторопластты (fluoroplastics) негіздегі топтарға дәстүрлі бөледі.

 

Өндіру  көлеміне байланысты термопласттардың жіктелуі

 

Әдебиеттерде  жиі үлкен тоннажды материалдарды  ерекшелейді, оларға полиэтилен (РЕ), полипропилен (РР), негізгі стиролды пластиктер (РS) мен негізінен АБС (АВС), акрилаттар (acrylic), ПВХ (PVC) және бутылкалы ПЭТ (PET) жатады.

 

Гомополимерлер. Сополимерлер. Стереизомерлер

 

Бірдей мономерлерден  тұратын полимерлер гомопилимерлер (homopolymer), ал әр түрліден – сополимерлер (copolymer).

Кейбір материал (полипропилен, полистирол, және т.б.) түрлері  химиялық формуладан басқа стереоизомерияға мән береді – атомдардың бүйір топтарының кеңістіктік конфигурациясы полимерлік тізбекке қатысты. Стереометрияның маңызды түрлері:

• Изотактикалық (isotactic) – бүйір топтары “бір жақты” полимерлі тізбекте орналасқан;
• Синдиотактикалық (syndiotactic) – бүйір тізбектер “бір жақтан басқа жаққа” қарай сатылы кезектесетін полимерлі тізбек;
• Атактикалық (atactic) – бүйір тізбектің “бір жақтан басқа жаққа” ретсіз орналасатын полимерлік тізбек.

 

Толтырғыштың түрi бойынша термопласттардың жіктелуі

 

Толтырғыштар термопласттардың пайдалану және технологиялық қасиеттерін біраз өзгертуі мүмкін. Термопласт құрамында шыныталшықтары мен басқа шыны түрлері бар толтырғыштарды дәстүрлі түрде шыныпластиктер (glassfilled) деп атайды. Соңғы жылдары өңдеудің ерекше жағдайын талап ететін ұзын шыныталшықты материалдары кең тараған.

Көмірпластиктер (carbonfilled) деп көмір талшықтары бар материалдарды атайды.

Кейде “арнайы” термопласт топтарын ерекшелейді. Оларға анетаприн (жануға тұрақтылығы жоғары материалдарды атайды), электрөткізгіш қоспалары (антастатикалық, электрөткізгіш, ЭМИ – экрандайтын материалдар), антифрикционды қоспалар (үйкеліс коэффициенті азайтылған материалдар), қоспалары бар материалдар жатады.

 

Физикалық қасиеттері

 

Полимерлердің физикалық қасиеттері мономер сипатына ғана емес, көпшілік жағдайда тізбектегі орташа мономерлік звенолар санына және соңғы макромолекулада тізбектер қалай орналасуына байланысты. Тізбектің орташа ұзындығы мен полимеризациялану дәрежесі бірнеше эксперименттік жолмен анықталады (мысалы, осмометриялық – әртүрлі ерітінділердің осмотриметриялық қысымының өзгеруі; тұтқырметриялық – тұтқырлығының өзгеруінен; оптикалық әдәс – әртүрлі ерітінділердің сәулежұтуының өзгеруі; ультрацентифугилеу – бұл жағдайда заттар тығыздықтары бойынша бөлінеді). Үйінді тығыздық – брутто полимердің салмағын білдіреді г/см³.

2. Шикізат, өнімдер мен материалдардың қысқаша сипаттамасы

 

Полиэтилен — [—CH2——CH2—]n, ақ түсті термопластикалық полимер. Полиэтиленді алғаш AlBr₃  катализаторын қолданып, Г.Г. Густавсон алған (1884). 1933—36ж 100МПа қысым мен 200ºС температурада Англия мен КСРО - да, кейінірек Германия мен АҚШ - та өндіріле бастады. Өнеркәсіп жағдайында жоғары қысымды полиэтиленді (тығыздығы 0,913 — 0,934 г/см³, балқу температурасы 102 — 105ºС) және төмен немесе орташа қысымды полиэтиленді (тығыздығы 0,919 — 0,973 г/см3, балқу температурасы 125 — 137ºС) этиленнің полимерленуі нәтижесінде алады. Полиэтиленнің физика-химиялық қасиеттері температураға өте тәуелді. Температура өзгергенде кристалдану дәрежесі, тығыздығы, т.б. көрсеткіштері өзгереді. Тығыздығы төмен полиэтилен 20ºС-та айына 0,04% су сіңіреді, ал тығыздығы жоғары полиэтилен үшін бұл көрсеткіш 0,01 — 0,04%. Бөлме температурада органикалық еріткіштер әсер етпейді, тек ғана HNO₃-те, хлорланған және ароматты көмірсутектерде ериді. Полиэтилен — халық шаруашылығында өте кең қолданылатын полимер. Ол жұқа пленка, су құбыры, химиялық аппарат бөліктерін, құты, стакан, тығын, тех. бұйымдар, т.б. дайындауда, ауыл шаруашылығында көкөніс пен жеміс өсіру ісінде қолданылады. Қазақстанда Атырау қаласындағы химиялық зауыт түйіршікті полиэтилен өндіріп, еліміздің 200-дей кәсіпорнын шикізатпен қамтамасыз етуде.

Полиэтилен радиотехника ментелеқондырғыларда электроқшаулағыш, химиялық өндірістерде антикоррозиялық жабындар ретінде, сондай-ақ орама кабыршақтар мен ыдыстар жасауда, мата, қағаз, ағаш өнімдеріне сіңіруге қолданылады. Полиэтиленнен химиялық өнеркәсіпте корпустар, футеровкалар, сонымен қатар химиялық белсенді және күйдіргіш заттар әсер ететін жағдайларда жұмыс істейтін қондырғылардың әр түрлі бөлшектері жасалады.

 

Сурет 1. Полиэтилен

 

Полипропилен (nCH₂=CH(CH₃) → [-CH₂-CH(CH₃)-]_n) пропиленнің полимерлену өнімі, ақ түсті қатты зат. Полипропиленді радикалдық полимерлеу әдісімен алғанда, кіші молекулалы сұйық өнім түзіледі. Ал стереореттелген жоғары молекулалы полимерін алу үшін триэтилалюминий (С₂Н₅) А1 және тетрахлортитан ТіС1₄ катализаторлары қолданылады. Полипропиленнің бүйір топтары негізгі тізбек осінің бойында оралма тәрізденіп, әрбір екі элементарлы буыннан кейін кезектесіп орналасады. Полипропилен жоғары температураның өзінде де қышқыл, негіз және майлардың әсеріне төзімді. Кәдімгі температурада ешбір еріткіште ерімейді, ал 80ºС-тан жоғары температурада қыздырғанда, ароматты көмірсутектер мен хлорлы парафиндерде  ериді.

Полипропилен полиэтиленге өте ұқсас. Түсі ақ, қолға майдай сезіледі, термопластикалы материал. Молекулалық массасы 300—700 мың аралығында, тығыздығы 920 кг/м. Полиэтиленнен айырмашылығы — берік, жоғары температурада (160ºС—170ºC) жұмсарады. Полипропиленнен аса берік оқшаулағыштар, түтіктер, машина тетіктері, химиялық құрылғылар жасайды. Берік болғандықтан, қажалуға төзімді арқан, тор, техникалық мата алуда қолданылады.

 

Сурет 2. Полипропилен

 

 

Поливинилхлорид (ПВХ)  [-CH₂-CHCl-]_n (гр. poly — көп, лат. vinul — шарап және хлорид) — тұрмыста кең қолданылатын, маңыздылығы жағынанполиэтиленнен кейін екінші тұрған синтетикалық полимер. ПВХ-дан құбырлар, терезе жақтаулары, терезе жапқыштар, дастарқандар, еден төсеніштері, ойыншықтар, ыдыстар, қаптар, жәшіктер, т.б. жасалады. Тамақ өнімдерін ПВХ-дан жасалған бұйымдармен қаптауға болмайды. ПВХ-дан жасалған бұйымдарды қоқыс жағатын заводтарда жағу ерекше қауіп туғызады. Себебі, жағу нәтижесінде атмосфераға ПВХ құрамына кіретін диоксиндер.

 

 

Сурет 3. Поливинилхлорид

Полистирол (ПС) – стирол полимері:

Атактикалық полистиролды стиролды радикалды полимеризация  кезінде  инициаторлар ретінде пероксидті немесе азоқосылыстар қатысында  алады. Полимеризацияны массалық, эмульсияда (сулы ортада), жиі суспензияда өткізіледі. М = 500 + 2000 мың. Маркалық құрамы полистиролды алу әдісіне байланысты анықталады.  Полистирол маркасы массалық полимеризация - ПСМ, суспензиялық – ПСС, эмульсияда – ПСЭ деп белгіленеді. Полистирол балқымасының аққыштық көрсеткіші 1,5 – ден 15- ке дейін өзгереді. Тұрақтандырылған гранула немесе ұнтақ түрінде шығарылады.