Технология производства пластмасс

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Пластмассы, их характеристика

2. Технология производства пластмасс

3. Промышленная пластмасса и изделия из неё

Список литературы

1. Пластмассы, их характеристика

Пластмасса, а другими словами пластическая масса, на сегодняшний день является незаменимым материалом не только в производстве, но и в обычном хозяйстве.

Первые пластмассы появились в конце 19-го века в результате поиска ученых-химиков заменителей ценных природных поделочных материалов (дерева, слоновой кости, перламутра). Первые пластмассы были получены на основе природных высокомолекулярных органических веществ (каучука - эбонит; нитроцеллюлозы - целлулоид; казеина молока - галалит). [1]

В начале 20-го века были получены первые синтетические пластмассы на основе фенолоформальдегидных смол. В настоящее время пластмассы стали основными конструкционными материалами наравне с металлами, сплавами, деревом. Основная масса пластмассовых изделий производится из синтетических пластмасс. Имея очень ценное свойство принимать практически любую форму, пластмассы стали очень потребляемым продуктом.

Пластмассы представляют собой материалы, сложную композицию высокомолекулярных соединений, которые могут находиться в аморфном и кристаллическом состоянии. Иным словами, на языке науки, эти материалы представляют собой группу органических материалов, основу которых составляют синтетические или природные смолообразные высокомолекулярные вещества (полимеры), способные при нагревании и давлении формоваться, устойчиво сохраняя приданную им форму.

Средняя плотность пластмасс от 15 до 2200 кг/м³. Они обладают значительной прочностью (предел прочности при сжатии 120...160 МПа, при изгибе 40...60 МПа), хорошими теплоизоляционными, электроизоляционными качествами, коррозийной стойкостью и долговечностью. Отдельные пластмассы характеризуются прозрачностью и высокой клеящей способностью, а также способностью образовывать тонкие пленки и защитные покрытия. Пластмассы имеют исключительно важное значение как строительные материалы, частоприменяемые в комбинации с вяжущими веществами, металлами каменными материалами.

В зависимости от степени влияния теплоты эти вещества могут быть классифицированы на следующие группы: термопласты - полиэтиленовые, капроновые, полистирольные, фторопластмассы - и реактопласты - различные текстолиты, пресс материалы, стеклопластики. При нагревании исходных компонентов переходит в вязко-текучее состояние, но с завершением химической реакции становится твердым и больше не могут размягчатся (в отличие от термопластов).

По своим физическим свойствам эти материалы могут быть также подразделены на: жесткие - имеющие незначительное удлинение, называются пластиками, мягкие - обладающие большим относительным удлинением, низкой упругостью называются эластики.

Кроме того, в зависимости от числа компонентов теория и практика химической промышленности выделяет: простые и композиционные (3-4 и 10 компонентов).

2. Технология производства пластмасс

Пластмассы изготовляют из связующего вещества-полимера, наполнителя, пластификатора и ускорителя отверждения. При изготовлении цветных пластмасс в их состав вводят минеральные красители. При изготовлении пластмасс в качестве связующих веществ используют синтетические смолы, синтетические каучуки и производные целлюлозы, относящиеся к высокомолекулярным соединениям полимерам. [2]

Способы переработки пластмасс подразделяют на группы:

в вязком текущем состоянии: прессованием, давлением, выдавливанием;

в высокоэластичном состоянии: штамповка, пневмо- и вакуум-формовка.

Получение пластмассовых деталей из жидких полимеров: литье.

Переработка пластмасс в твердом состоянии состоит из следующих этапов: резка, механическая обработка. Получение неразъемных соединений: сварка, пайка, склеивание.

К прочим способам можно отнести: напыление, спекание и др.

Прессование - производство выполняется в металлических пресс-формах с одной или несколькими формовыми полостями - матрицами. В них пластмасса подается в исходном состоянии в виде порошков, таблеток. Под воздействием тепла и давления пресс-материал заполняет формирующие полости, приобретая требуемую форму и размер, здесь же протекает процесс полимеризации.

Пресс-форма арматура. Недостатком является достаточно быстрый износ пресс-форм, так как прессование начинается при недостаточно пластичном материале.

Литьевое прессование: начальные этапы проводятся в отдельном устройстве - предварительная камера. При данном способе повышается стойкость пресс-формы, точность и качество деталей, так как заполнение идет только в жидком состоянии. Но усложняется конструкция.

Литьевое под давлением (наиболее эффективный метод). Применяется для термопластичных материалов. Повышенная производительность до нескольких сот деталей в минуту. Возможна полная автоматизация циклов, на машинах получают детали очень сложной формы. Процесс литья заключается в том, что расплавленный материал подается в рабочую полость стальной пресс-формы под давлением 300-500 МПа. Весь процесс осуществляется на одной машине, которая работает в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Это наиболее известная форма литья.

Одна часть формы подвижная. Металл подается в специальный мундштук из цилиндра. Чтобы металл не остывал, камера сжатия подогревается постоянно.

Экструзия - пластмассу заставляют течь через фасонное отверстие - фильеру. пластмасса свойство переработка технология

Формование - тонкий лист пластмассы укладывается на металлические пресс-формы. Воздух откачивается. Формирование происходит под действием атмосферного давления. Данный способ применяют для получения крупногабаритных и корпусных деталей.

Наполнителями при изготовлении пластмасс служат различные минеральные (кварцевая мука, мел, барит, тальк) и органические (древесная мука) порошки, асбестовые, древесные и стеклянные волокна, бумага, хлопчатобумажная и стеклянная ткани, асбестовый картон, древесный шпон и другое. Наполнители снижают стоимость изделий, а также улучшают отдельные их свойства, например, повышают прочность, твердость, теплостойкость, кислотостойкость, снижают хрупкость, увеличивают долговечность. Пластификаторы (цинковая кислота, стеарат алюминия и другое) придают пластмассе большую пластичность. Они должны быть химически инертными, малолетучими и нетоксичными. Катализаторы применяют для ускорения отверждения пластмасс. Например, для ускорения отверждения фенолоформальдегидного полимера ускорителем служит известь или уротропин.

Например, ученым из Калифорнийского университета удалось создать в лабораторных условиях вещество, которое, как считалось ранее, существует только в межзвездном пространстве и крайне нестабильно, сообщает CNews.ru со ссылкой на ScienceDaily. Новое вещество принадлежит к известному классу веществ - карбенам, большинство из которых нестабильны. Тем не менее, карбены в настоящее время широко используются для изготовления катализаторов, которые применяются в фармацевтике, нефтехимии и при изготовлении пластмасс. Циклопропенилидин, который в естественном виде содержится в космическом пространстве, содержит три атома углерода, расположенные треугольником, и два атома водорода. Ученые синтезировали более стабильную форму, заменив водород двумя атомами азота. Предполагается, что новое вещество будет использоваться для создания еще более мощных катализаторов. Новые модифицированные методы производства полимеров, предложенных по результатам лабораторных экспериментов, могут улучшить процесс получения полимерной цепи из отдельных молекул мономера при одновременном уменьшении технологических потерь. [3]

В настоящее время полимеры получают посредством проведения процесса свободно-радикальной полимеризации. Изменением условий процесса можно получать полимеры с разными свойствами. Например, изменение технологических параметров и добавлением разных сомономеров можно получать либо полиэтилен для изготовления плёнок и изоляции проводов, либо для изготовления твёрдой тары и труб.

Изготавливаются они из высокополимерных материалов. Содержат в своем составе полимеры. В зависимости от природы содержащихся полимеров и характера их перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние пластмассы делят на термопласты и реактопласты. Помимо полимера могут содержать твердые или газообразные наполнители и различные модифицирующие добавки, улучшающие технологию и эксплуатации свойства, снижающие стоимость и изменяющие внешний вид изделий. В зависимости от природы твердого наполнителя различают асбопластики, боропластики, графитопласты, металлополимеры, органопластики, стеклопластики, углепластики. Прочие же, содержащие твердые наполнители в виде дисперсных частиц различные формы (например, сферической, игольчатой, волокнистой, пластинчатой, чешуйчатой) и размеров, распределенных в полимерной матрице (связующем), называют дисперсно-наполненными. Содержащие наполнители волокнистого типа в виде ткани, бумаги, жгута, ленты, нити и других материалов, образующие прочную непрерывную фазу в полимерной матрице, называют армированными.

В пластических материалах могут также сочетаться твердые дисперсные и (или) непрерывные наполнители одинаковой или разной природы (так называемые гибридные или комбинированные наполнители). Содержание твердого наполнителя в дисперсно-наполненных пластических массах обычно изменяется в пределах 30-70 % по объему, в армированных -- от 50 до 80 %. Пластические массы, содержащие в качестве наполнителя газ или полые органические либо неорганические частицы, относят к пенопластам, которые также могут быть дисперсно-наполненными или армированными.

Основными методами переработки пластмасс являются: литье, литье под давлением, экструзия, прессование, виброформование, вспенивание и прочие.

Список основных видов пластмасс, применяемых в промышленности: АБС-пластик (изготовление бытовой и оргтехники, смарт-карт), бутадиеновый каучук (производство автомобильных шин, кислото- и щелочестойкой резины, эбонита), ацетат целлюлозы (производства фото- и кинопленки), целлофан (один из основных упаковочных материалов), эпоксидная смола (производства клея, электроизоляционных лаков), этилен-пропиленовый каучук (изоляция), этиленвинилацетат (пленки, листы, шланги, кабельная оболочка, обувная подошва, игрушки, клей), фторкаучук (уплотнители, изоляция), ударопрочный полистирол (корпуса приборов, вакуумные контейнеры, канцелярские принадлежности, сантехника, холодильники, бытовая техника), природный каучук (электроизоляция, автомобильные шины, промышленные товары и медицинские приборы), полиамид (шланги высокого давления, оборудование для точной механики, подшипники), поликарбонат (корпуса, выключатели, лаки, компакт-диски, прозрачные и ударостойкие витрины), полиэтилен (уплотнения, упаковочная фольга, изоляционный материал, трубы, баллоны, бутыли и пр. емкости), полиэтилентерефталат (производство различных емкостей), полиимид (подшипники), полиметилметакрилат/ оргстекло (фары, осветительные приборы, линзы, светофильтры, очки, светильники, световые панели и табло), полипропилен (аккумуляторные ящики, части для стиральных машин), полистирол (изоляционная фольга, игрушки, упаковочные материалы, канцелярские принадлежности), вспененный полистирол/ пенопласт (плиты для тепло- и звукоизоляции, упаковка), тефлон/ фторопласт (покрытия, уплотнения, изоляционная фольга, подшипники, шланги), полиуретан (накладки сцепления, подшипники, опорные катки, шестерни, смола клеев, матрасы, внутренняя обшивка автомобилей, подошва для обуви, упаковочные материалы). [4]

В качестве нового подхода к получению полимеров группа учёных из Университета Карнеги Меллона исследовала процесс радикальной полимеризации с переносом атома. Этот метод позволяет легко регулировать процесс роста полимерной цепи, однако, он имеет высокую цену из-за использования медного катализатора, который может безвозвратно теряться. В ходе исследования было открыто, что добавление в реактор витамина C или другого агента, абсорбирующего электроны, можно уменьшить количества медного катализатора в 1000 раз. Это приведёт к уменьшениям затрат на очистку продуктов реакции от меди, ухудшающей свойства полимеров.

В тоже время в Университете Пенсильвании учёные использовали радикальную полимеризацию с переносом одиночного электрона. Этот метод имеет относительно небольшие энергозатраты на синтез. Помимо этого, в нём в качестве катализатора применяется металлическая медь, что позволяет использовать в качестве растворителя чистую воду.

Отдельные виды полимерных материалов под действием теплоты, света и кислорода воздуха с течением времени изменяют свойства: теряют гибкость, эластичность, т. е. стареют. Процесс старения ускоряется при воздействии интенсивных и многократно повторяющихся нагрузок. Для предотвращения старения применяют специальные стабилизаторы (антистарители), представляющие собой различные металлорганические соединения свинца, бария, кадмия и др.

Например, в качестве светостабилизатора применяют тинувин. При сегодняшней жесткой конкурентной борьбе на рынке переработки пластмасс одними из ключевых факторов успеха являются технологии и оборудование, применяемые переработчиками.

Одним их самых распространенных искусственных, отсутствующих в природе и потому получаемых в процессе химической обработки, материалов являются полимеры, пластмассы, появление которых относится к 20 веку, веку бурного развития новых технологий. Их распространенность, применение обусловлено рядом их специфических свойств, таких как малая плотность при удовлетворительной технологической прочности, высокая химическая коррозионная стойкость, хорошие электроизоляционные свойства и прочее.

Их широкое применение в машиностроении, промышленности позволяет экономить расход дорогих цветных металлов, снижать массу изделий, повышать их долговечность, снизить трудоемкость продукции. Одним из преимуществ является также возможность не разделения процессов изготовления продукции путем совмещения процессов формообразования заготовки и получения готовых деталей. Процесс обработки является высоко автоматизированным, с незначительным уровнем механической доработки.

3. Промышленная пластмасса и изделия из неё

Пластмасса или пластик - это общий термин для широкого диапазона синтетических или полусинтетических изделий полимеризации. Они состоят из органического сгущения синтетической смолы или ступенчато-полимеризованных (аддитивных) полимеров и могут содержать другие вещества, чтобы улучшить износоустойчивость или экономичность. Существует много естественных полимеров, обычно считающихся "пластмассами". Пластмассы могут быть сформированы в пленки или волокна. Название "пластмасса" произошло из того факта, что многие виды этого материала являются гибкими, имея свойство пластичности. [5]

Пластмасса может классифицироваться многими способами, но наиболее часто по основам полимера (поливинил хлорид, полиэтилен, метакрилат полиметила и другие акрилаты, силиконы, полиуретаны и т.д.). Другие классификации включают термопласт, отверждаемый реактопласт, эластомер, техническую пластмассу, конденсацию или аддитивную полимеризацию (в зависимости от используемого метода полимеризации), и температуру стеклования.

Некоторые пластмассы являются частично прозрачными и частично аморфными по молекулярной структуре, дающей им обоим точку плавления (температуру, при которой межмолекулярные силы преодолеваются) и одну или больше температуру стеклования (температуру, выше которой степень молекулярной локализации существенно увеличивается). Так называемые полупрозрачные пластмассы включают - полиэтилен, полипропилен, поливинил хлорид, полиамиды (нейлоны), полиэстеры и некоторые полиуретаны. Многие пластмассы являются полностью аморфными, типа пенопласта и его сополимеров, полиметакрилат метила и всех отверждаемых материалов.

Пластмассы - это полимеры: длинные цепи атомов, имеющие связи друг с другом. Общие термопласты располагаются в молекулярном весе от 20 000 до 500 000, в то время как отверждаемые материалы, как считают, имеют бесконечный молекулярный вес. Эти цепочки состоят из многих повторяющихся молекулярных звеньев, известных как "повторяющиеся звенья", полученные из "мономеров". Каждая цепь полимера будет иметь несколько тысяч повторяющихся звеньев. Огромное количество пластмасс состоит из полимеров углерода и водорода с кислородом, азотом, хлором или серой в основе. (Основной коммерческий интерес представляют пластмассы с кремнием в основе).

Каркас макромолекулы - это часть цепи на главном "пути", связывающей большое количество повторяющихся звеньев вместе. Чтобы изменить свойства пластмассы, оба повторяющихся звена с различными молекулярными группами "отвешиваются" от основы (обычно они "навешиваются" как часть мономеров перед соединением в одной точке, чтобы сформировать цепь полимера). Такая возможность перестройки молекулярной структуры повторяющихся звеньев позволила пластмассам стать важной частью жизни двадцать первого столетия, позволяя легко изменять свойства полимеров.

Люди экспериментировали с пластмассами, основанными на естественных полимерах в течение многих столетий.

В девятнадцатом столетии был выведен пластмассовый материал, основанный на химически измененных естественных полимерах. Чарльз Гудиер изобрел вулканизацию каучука (1839 год), а Александр Пейркс, английский изобретатель, (1813-1890) создал самую раннюю форму пластмассы в 1855 году. Он смешал пироксилин, частично нитрированную форму целлюлозы (целлюлоза - главный компонент стенок клеток растений), со спиртом и камфорой. Эти манипуляции привели к получению твердого, но пластичного прозрачного материала, который он назвал "Паркезин". Первая пластмасса, основанная на синтетическом полимере, была создана из фенола и формальдегида, с помощью первых дешевых методов синтеза, изобретенных Лео Эндриком Бекеландом в 1909 году. Это изделие было известно, как Бакелитовая мастика. Впоследствии поливинилхлорид, пенопласт, полиэтилен, полипропилен, полиамиды (нейлоны), полиэстеры, акрилаты, силиконы, полиуретаны были выделены среди множества развитых пластмасс и сейчас они имеют большой коммерческий успех.

Развитие пластмассы пришло от использования естественных материалов (например, жевательная резинка, грампластинка) к использованию химически измененных природных материалов (например, природный каучук, нитроцеллюлоза, коллаген) и наконец к полностью синтетическим молекулам (например, эпоксидная смола, поливинилхлорид, полиэтилен).

В 1959 году компания "Koppers" в Питсбурге, Пенсильвании, имела специальную группу, которая развивала растяжимый полистирольный пенопласт (EPS). В этой команде был Эдвард Дж. Стоувз, который создал первый коммерческий пенопласт. Экспериментальные стаканы из пластика были сделаны из воздушного риса, склеенного друг с другом, чтобы показать, как это будет выглядеть и ощущаться. Химия была тогда достаточно развита, чтобы сделать пластиковые стаканы коммерческими. Сегодня такие стаканы используются во всем мире в странах, изобилующих заведениями быстрого питания, а именно, Соединенных Штатах, Японии, Австралии и Новой Зеландии. Фреон никогда не использовался в стаканах. Стоувз сказал: " Мы не знали, что фреон был опасен для озона, но мы знали, что он не был полезен для людей, поэтому в производстве пластиковой посуды, никогда не использовался фреон".

Пластиковый стакан может быть захоронен, но он столь же устойчив, как бетон и кирпич. Если его должным образом сжечь при высоких температурах, единственными произведенными химикалиями будут вода, углекислый газ и углеродистая зола. Если же его сжечь без достаточного количества кислорода или при более низких температурах (как в походном костре или домашнем камине) он может произвести ядовитые пары и другие опасные побочные продукты. EPS может быть переработан, и из переплавленного материала можно будет сделать скамейки для парка, цветочные горшки и игрушки.

Список литературы

1. Грандберг И.И. Органическая химия. - М.: Высшая школа, 1980. - 463 с.

2. Перекалин В.В. Органическая химия. - М.: Просвещение, 1982. - 543 с.

3. Третьяков Ю.Д. Химия: Справочные материалы. - М.: Просвещение, 1984. -239 с.

4. Фурмер И.Э. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1987. - 334 с.

5. Хомченко Г.П. Химия для поступающих в ВУЗы. - Высшая школа, 1985. - 357 с.

Размещено на Allbest.ru