Пластмасите са високомолекулни въглерод съдържащи вещества. Молекулите им се състоят от дълги въглеродни вериги, на които се дължат и техните полезни свойства. Самата дума пластмаса произлиза от латинската дума plasticus (податлив на моделиране) и гръцката plastikos (подходящ за оформяне). Може да се произвеждат различни видове пластмаси - твърди като камък, здрави като стомана, прозрачни като стъкло, светли, наподобяващи дърво, еластични като гума. Също така пластмасите са леки, водонепропускливи, устойчиви на химически агенти и може да се произвеждат във всички цветове. Известни са повече от 50 вида пластмаси, като същевременно се разработват и нови видове.
Също като металите, пластмасите се разделят на различни видове. Например, найлонът е вид пластмаса, която се поделя според различните си свойства, цена и вида на производствения и процес.
Пластмасите може да се смесват, образувайки сплави като металите. Това има за цел да се обединят желаните свойства на няколко вида пластмаса в един.
Пластмасите могат лесно да се отливат във форми. Те са синтетични материали, които се добиват главно от изкопаемите горива.
Приложение на пластмасите
Пластмасите са от първа необходимост за съвременния бит на човека. Много голяма част от предметите, които използваме в ежедневието си са изработени от пластмаса.
Пластмасите намират широко приложение в индустрията - за направата на различни детайли, в медицинската промишленост, космическата техника и много други отрасли.
Основни свойства на пластмасите
Пластмасите притежават голямо разнообразие от ценни свойства и са относително евтини. Те са по-леки от други материали със същата здравина, и за разлика от дървесината и металите, те не ръждясват и не изгниват. Може да се произвеждат във всякакви цветове (може и да са прозрачни) и форми.
Имат по-малка плътност от металите и са по-леки. Плътността на повечето пластмаси варира от 0.9 до 2.2 гр./куб. см. Те могат да се подсилват със стъкло и други вещества като по този начин се получават много здрави материали.
Но те имат и някои недостатъци. При изгарянето им се отделят отровни газове. Въпреки, че пластмасите имат висока температурна устойчивост - до 288 С, не се използват, когато е необходим материал с висока температурна издръжливост. Заради тяхната молекулна стабилност, пластмасите трудно се раздробяват на по-дребни части и това създава проблеми свързани с изхвърлянето има в сметищата.
Химия на пластмасите
Пластмасите се състоят от много дълги молекули от въглеродни атоми, свързани във вериги. Полиетилена, например е изграден от изключително дълги молекули, съдържащи над 200 000 въглеродни атома. Точно тази структура придава ценните свойства на пластмасите, за разлика от малките кристали на структура на металите.
Малка част от пластмасите се произвеждат от растителни масла, но по-голямата част се произвеждат от природните изкопаеми горива. Тези горива съдържат въглеводороди, които са градивните единици на дългите полимерни молекули. Тези единици се наричат мономери, съединени една за друга образуват дългите вериги наречени полимери. Процесът на съединяване на отделните мономерни молекули във верига се нарича полимеризация.
Например Етилена (Етена) при нормални условия е в газообразно състояние. Когато обаче се подложи на висока температура, налягане и катализатори полимеризира до полиетилен.
Когато се съединяват много еднакви мономерни единици процесът се нарича полимеризация. Веригите на така получените съединение (полимери) са изградени само от един същ мономер. Пластмаси, които са получени при полимеризацията на еднакви мономери са полиетилен, полипропилен, поливинил хлорид, полистирен и други.
Когато се свързват два или повече различни мономери процеса се нарича кондензация. При този процес освен главния продукт - дадения полимер се образува и нискомолекулно съединение - вода, алкохол. Веригите на този вид полимери са изградени от различни мономери подредени по определен начин. Полимери, които се получават при поликондензация са найлон (полиамид), полиестерите, полиуретан и други.
Свойствата на пластмасите се определят от дължината на молекулите и дадения мономер или мономери, от които са изградени. Например еластомерите са вид пластмаси, изградени от дълги, плътно усукани молекули. Тези усукани молекули дават възможност на пластмасите да се разтягат и повторно да възтановяват изходната си форма като пружина. Пример за такива пластмаси са Силиконовите запушалки и гумените ластици.
Въглеродния скелет на полимерите често се свързва с по-малки допълнителни вериги състоящи се от други елементи - хлор, флуор, азот, силикон и др. Тези допълнителни вериги добавят нови свойства на пластмасите. Например, когато водороден атом въглеродната верига се замести с хлорен, се получава поливинил хлорид, една от най-широкоразпространените и използвани пластмаси. Добавянето на хлор във веригата увеличава здравината и твърдостта на пластмасата и я прави по-устойчива.
Всеки вид пластмаса има определени предимства и недостатъци свързани със съответния им строеж. Дългите полимерни вериги стават по оплетени (като спагети), което придава на пластмасите висока издръжливост на опън, здравина и удароустойчивост, но пък стават по трудни за отливане във форми.
Термопласточност и втвърдяване на пластмасите
Всички пластмаси, независимо дали са получени чрез полимеризация или чрез поликондензация, се разделят на две групи термопластични и термовтвърдяващи се. Тези два вида се определят в зависимост от това как реагират пластмасите на топлина. Термопластичните пластмаси при нагряване омекват, а при охлаждане се втвърдяват. А термовтвърдяващите се пластмаси стават завинаги по-твърди след загряване.
Причината за различната реакция на пластмасите към топлина е в тяхната химична структура. Молекулите на термопластичните пластмаси са линейни или много слабо разклонени, те не се свързват химически помежду си при нагряване. Термопластичните пластмаси може да се нагряват и охлаждат, затова те могат да се претопяват и формоват почти неограничено дълго време.
Термовтвърдяващите се пластмаси се състоят от вериги, които се свързват химически една с друга при нагряване. Когато това стане молекулите образуват голяма, пространствена мрежа, която се приема за една гигантска молекула. Веднъж втвърдени, термовтвърдяващите се пластмаси не могат повече да се разтопяват. Те се използват за направата на топлоустойчиви изделия, защото може да се нагряват до температури около 260 Ц, без да се разтопя.
Различната молекулярна структура на термопластичните и термовтвърдяващите се пластмаси, позволява на производителите сами да определят свойствата на различните пластмаси, според това, за което ще се използват. Понеже термопластичните пластмаси са изградени от отделни молекули, свойствата им са много повлияни от молекулната им маса. При повишаване на молекулната им маса се увеличава разтегливостта, удароустойчивостта и износването.
Обратното, защото термовтвърдяващите се пластмаси се състоят от една голяма мрежовидна молекула, молекулната им маса не влияе на свойствата им. Вместо това свойствата им се определят от добавянето на различни пълнители и подсилващи материали като фибро-стъкло и др.
Термопластичните пластмаси може да се разделят в няколко групи, в зависимост от начина на подреждане на молекулите им. Правите и здраво подредени една до друга линейни вериги дават по здрава пластмаса. Такива са молекулите на найлона.
Ъгълът, които сключват веригите помежду си определя прозрачността на пластмасата. Пластмасите с успоредни вериги отразяват светлината и са непрозрачни.
Пластмасите с частично успоредни вериги само частично разпръскват светлината и са полупрозрачни.
Пластмасите с аморфна структура не отразяват светлината и са прозрачни. Те се използват в оптиката.
Производство
Процесът на придаване на определена форма на пластмасите стои в основата на тяхното производство. Има много методи за формоване. Те се делят на два вида според вида на пластмасите - за производство на термопластични пластмаси и за производство на термовтвърдяващи се пластмаси.
Методи за производство на изделия от термопластични пластмаси.
Впръскване във форма
Екстурзия
Издуване
Издуване на тънък филм
Пресуване
Методи за производство на изделия от термовтвърдяващи се пластмаси
Оформяне с компресия
Валцуване
Реакционно-впръскващо моделиране
Общи методи за производство на пластмасови изделия
Отливане
Газо-разширяемо формоване
По-важни видове пластмаси:
Термопластични пластмаси:
Полиетилен - РЕ - [8CH28CH28]n
" Полиетилен с ниска плътност - LDPE - 0.91 - 0.93 г/куб.см.
" Полиетилен с висока плътност - HDPE - 0.94 - 0.97 г/куб. см.
Поливинил хлорид - PVC
Полипропилен - PP -
Полиетилен терафталат - PET - [8OOC8C6H48COO8CH2CH28]n
Акрилонитрил бутадиен стирен - ABS - [8CH9CH8CH9CH8] n
Полиметил метакрилат - PMMA -
Полиамид - PA -
Термовтвърдяващи се пластмаси:
Полиуретан - [8R8OOCNH8R'8]n -
Фенолфомралдехиди -
Меламин-формалдехид - MF -
Урея-формалдехид - UF -
Ненаситени полиестери - UP -
Епоксидни смоли
Подсилени пластмаси
Био-деградиращи пластмаси
Поради своята молекулна стабилност, пластмасите трудно се разграждат до по прости съединения, затова повечето видове пластмаси днес се разглеждат като био-неразграждащи се. Но в последно време учените се опитват да синтезират пластмаси, които се разлагат от различни видове бактерии или от слънчевата светлина. Такъв нов вид пластмаса е специален полимер на нишестето, които се разгражда от бактерии. Съвременните изследвания са насочени към откриване на нови пластмаси, които да се разлагат при излагане на слънчева светлина. Продължителното излагане на пластмасата на ултравиолетово лъчение довежда до повреждането и.
ПОЛИМЕРНИ МАТЕРИАЛИ
Полимерните материали биват три вида:
- пластмаси
- каучук
- текстилни влакна
Пластмасите са полимерни материали, които при определени условия могат да се формуват в изделия. Предшественици на съвременните пластмаси са естествените смоли – кехлибар, колофон, земен восък, пчелен восък и др. В състава на пластмасите влизат полимерът (свързващото в-во) и различни добавки – пълнители, омекчители, оцветители и др. Пластмасите, които се получават от полимеризационни полимери най-често са без пълнители. Те са термопластични. Като пълнители се използват твърди инертни материали, като дървесно брашно, каолин, стъклени влакна и др. Пластификаторите (висши мастни к-не, естери и др. съединения) увеличават пластичността им. Св-ва и употреба – имат редица ценни св-ва , които определят широкото им приложение. Тяхната ниска плътност, съчетана със значителна якост, дава възможност за използването им като конструкционни материали, вместо метали, сплави, дърво и др. Те са добри диелектрици, топло- и звукоизолатори и пропускат вода и газове, проявяват висока химическа устойчивост и не гният. От някои прозрачни полимери могат да се изработват трудночупливи стъкла, тънко фолио и др. изделия. Недостатъците, които имат пластмасите е тяхната ограничена термоустойчивост, малката повърхностна твърдост и свойството да стареят.
Каучук – по своето значение каучукът може да се сравнява със стоманата, нефта и каменните б-ща. Световното производство на естествен и на синтетичен надвишава 3 млн. тона годишно. Естественият каучук е полимер на 1,3 – бутадиен, който се получава от млечния сок на някои тропически растения. Той е бледожълто еластично в-во, разтворимо в някои органични разтворители (бензен, бензин и др.) Линеен полимер със силно нагънати макромолекули и аморфен строеж. В сурово състояние се използва предимно за производство на лепила. Технологическият процес на обработването на суровия каучук със сяра при нагряване се нарича вулканизация. Серните атоми образуват напречни връзки между макромолекулите като по този начин се получава пространствено-омрежен полимер наречен гума.
Синтетичния каучук е полимер на 1,3-бутадиен и на неговото хлорно и метилно производно. Той също подлежи на вулканизация. Изходна суровина за получаване на синтетичен каучук е 1,3-бутадиена получен от етанол. Полимеризацията се извършва в присъствие на катализатор натрии.
CH2 = CH - CH = CH2 -->Na--> –( CH2 - CH = CH - CH2 )–
1,3-бутадиен полибутадиен
Бутадиеновият каучук притежава добра водо- и газонепроницаемост, но отстъпва на естествения по еластичност и устойчивост на изтриване. Някои от синтетичните каучуци се характеризират с голяма механична трайност, други с висока хим. Устойчивост, други запазват еластичността си при много високи температури. Като добри електроизолатори те се използват в електротехниката.
Текстилни влакна – изградени са от полимери с голяма мелокулна маса, линейни макромолекули и кристална надмолекулна структура. Те биват:
- природни
- химични
Природните влакна се подразделят на растителни и животински. Растителните от своя страна биват (памук, лен, коноп) и са изградени от целулоза, а животинските (вълна, естествена коприна) от белтъчни макромолекули.
Химични влакна се подразделят на:
- изкуствени (целволе, вискоза)
- синтетично (ямболен, пам, найлон, капрон)
Изкуствените влакна се получават при химична обработка на дървесна целулоза. При взаимодействие с определени реактиви тя се превръща във вискозен разтвор. Разтворът се пропуска през голям брой тесни отвори. Получават се струйки, в които макромолекулите са подредени надлъжно, успоредно на оста на отвора. Струйките веднага се обработват, при което се превръщат в тънки, здрави нишки. Получените влакна се подлагат на изтегляне и допълнителна обработка, при което се получава свескозна коприна. По външен вид приличат на естествените. В сухо състояние вискозната коприна е здрава и еластична. В мокро състояние здравината и намалява. Намират приложение в текстилната и в трикотажната промишленост.Ацетатна изкуствена коприна – тя е целулозен диацетат. Тъканите от ацетатна коприна приличат на естествените копринени тъкани, но не са толкова здрави. Предимствата на синтетичните влакна са: здравина, еластичност, немачкаемост, трудно се замърсяват, лесно се почистват. Техен недостатък е свойството им да задържат статично електричество. Синтетично влакна – те се получават от синтетични полимери. Те се делят на полимеризационни и поликондензационни. Днес най-голямо значение имат полиестерните, полиамидните и полиакрилнитрилните влакна. Полиестерните влакна – получават се през овлакняване на стопилка от полиетилентерефталатната смола. Отличават се с голяма здравина коакто в суха, така и в мокро състояние. От тях се произвеждат памучен, вълнен и копринен тип влакна. Полиамидни влакна = получават се на базата на синтетични хетероверижни полимери. У нас най-широко приложение намира полиамидното влакно (видлон) произвеждано в хим. Комбинат във Видин. Те са леки, много здрави, еластични и изключително устойчиви на изтриване. Недостатъкът им е, че на светлина стареят. Полиакрилонитрилни влакна – получават се при полимеризация на мономера акрилонитрил. Те приличат на вълната и се използват като неин заместител