Пластмассы, термопласты. Химическая формула

Термопластичные полимеры - это, пожалуй, одни из самых известных пластмасс, поскольку они используются для изготовления различных предметов быта и упаковочных материалов. В 1995 году они составляли 10 процентов мировой химической промышленности (около 90 миллионов тонн). Изначально они изготавливались по технологии, основанной на использовании угля, но сейчас их обычно производят из продуктов на основе нефти.

Термопласты включают в себя пластмассы, разработанные еще в 1877 году, когда полиметилметакрилат (ПММА, или акрил) был впервые получен Рудольфом Фиттигом, разработан Отто Ромом, немецким химиком, но не был коммерчески разработан компанией Rohm & Haas до 1928 года, а затем Роуландом Хиллом и Джоном Кроуфордом в ICI в 1934 году. В 1930-х годах были разработаны другие термопласты, такие как полиэтилен компанией ICI в Великобритании, а также нейлон 6 и нейлон 6,6 компанией Wallace Hume Carothers из DuPont в США. Полиэтилен сегодня широко используется в качестве упаковочного материала и является синонимом пластикового пакета.

Впервые нейлон был использован для изготовления щетины зубной щетки в 1938 году, а затем женских чулок в 1939 году. Термопластичный полипропилен, поливинилхлорид (ПВХ) и полистирол - распространенные сегодня упаковочные материалы. Каротерс работал над полиэфирами, и его работы были продолжены Джоном Р. Уинфилдом и Джеймсом Т. Диксоном из Ассоциации печатников бязи в Великобритании, которые в 1941 году создали полиэфирное волокно терилен. Этот материал широко используется для изготовления одежды и бутылок для газировки.

К термопластам также относятся некоторые смолы, такие как полиэфирэфиркетоны (PEEK), которые используются для изготовления композитных материалов с превосходными механическими свойствами, хотя и с высокой стоимостью, поэтому они обычно применяются только в высокотехнологичных областях, таких как аэрокосмическая промышленность (см. «Композитные материалы»).

В случае термопластов повышение прочности и термостойкости сопровождается увеличением цены: полистирол - самый дешевый, наименее термостойкий и самый слабый термопласт, за ним следуют полиэтилен низкой плотности, полиэтилен высокой плотности, полипропилен, полиметилметакрилат (ПММА, или акрил), ударопрочный полистирол, акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС) (используется для изготовления автомобильных бамперов), полиэфиры, поликарбонаты и полисульфоны и нейлон (полиамид), который обладает самой высокой прочностью и термостойкостью, но при этом является самым дорогим. Поликарбонаты обладают высокой ударной прочностью, твердостью, вязкостью и устойчивостью к температурам от -40°C до 145°C. Полисульфоны термостойки при температурах до 150°C.

Термопласты можно формовать, придавая им определенную форму, но после повторного нагревания они могут быть изменены. Это обусловлено их молекулярной структурой, которая состоит из длинных цепочек молекул, удерживаемых вместе слабыми межмолекулярными силами. По своей структуре они почти напоминают спагетти, связанные между собой слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Некоторое сшивание может происходить за счет боковых групп, таких как виниловая группа в ПВХ. Ориентация этих боковых групп оказывает большое влияние на поведение полимера и его свойства, такие как прочность.

Термопласты должны перерабатываться при более высокой температуре, чем термореактивные пластмассы; для «высокотемпературных» термопластов она может превышать 400oC.

Слабые межмолекулярные силы в термопластах делают их относительно легкими для обработки различными методами, начиная от экструзии, вакуумного и выдувного формования и заканчивая, пожалуй, самым распространенным процессом - литьем под давлением. Они податливы, легко поддаются формовке и литью. Процесс формовки становится легче по мере нагревания термопластов, но в какой-то момент они плавятся.

Температура стеклования термопластов (Tg) выше комнатной температуры, в то время как у эластомеров она ниже комнатной. Температура стеклования - это температура, при которой полимер превращается из твердого тела в резину. Ниже этой температуры полимер становится твердым и хрупким, как стекло. Некоторые полимеры используются при температурах выше температуры стеклования, а другие, такие как полистирол и ПММА, - ниже.

Термопласты также можно смешивать с другими полимерами, например, эластомерами, для улучшения определенных свойств, например, жесткости. Такие смеси называются сополимерами и могут быть разработаны для конкретных целей.

Существует также класс термопластичных эластомеров с физическими, а не химическими сшивками. Примером такого материала является термопластичный эластомер, полиуретан.

Термопласты легко поддаются формовке и могут принимать нужную форму. Они устойчивы к деформации, но со временем деформируются или ломаются. Они твердые и хрупкие ниже своей Tg, но податливые и мягкие выше нее. Кристаллические полимеры плавятся ниже температуры стеклования, в то время как аморфные полимеры твердые и хрупкие ниже Tg, но становятся гибкими и резиновыми выше нее.

Большинство термопластов представляют собой смесь кристаллической и аморфной структуры. Твердые пластики, такие как полистирол и ПВХ, используются при температурах ниже Tg, в то время как гибкие пластики, такие как полипропилен, используются при температурах выше Tg. Некоторые термопласты, такие как полипропилен, нейлон, поликетоны и синдиотактический полистирол, являются высококристаллическими, в то время как другие, такие как ПММА, поликарбонаты и атактический полистирол, являются высокоаморфными из-за их полимерной структуры и межмолекулярных сил.

Для изменения кристаллической структуры термопласта можно использовать термические или механические методы. Если полимер охлаждается медленно от точки плавления, то более вероятна высокая степень кристалличности. Однако при быстром охлаждении полимеров из расплава аморфные цепи могут быть заморожены в твердое тело. Это происходит потому, что цепи не успевают распутаться от своей расплавленной формы, чтобы отделиться и образовать кристаллы.

Термопластичные композиты часто более жесткие, чем термореактивные, но, хотя они не обладают повышенными усталостными или статическими свойствами, а также могут иметь худшую прочность на сжатие, они более устойчивы к влаге и ряду промышленных растворителей, чем термореактивные.

Термопласты изготавливаются из молекулярных цепей с различными типами стереохимического расположения, которые могут придавать полимеру различные свойства. Они называются атактическими, изотактическими и синдиотактическими. В изотактическом полимере все группы заместителей находятся на одной стороне молекулярной цепи. Например, в изотактическом полипропилене метильные (CH₃) группы находятся на одной стороне молекулярной цепи. Такое расположение позволяет молекулярным цепям легче соединяться друг с другом, создавая кристаллическую структуру, которая отличается прочностью, жесткостью и хрупкостью (см. рис. 9).

Рис. 9. Химическая формула

Атактические термопласты имеют заместители, расположенные в случайном порядке по обе стороны цепи, например, метильные группы в атактическом полипропилене (см. рис. 10). Такое расположение означает, что цепи не могут упаковываться друг в друга, в результате чего образуется аморфная структура, которая делает полимер прочным и резиновым. В результате получается упрочненный полипропилен.

Рис. 10. Химическая формула

В синдиотактических полимерах повторяющиеся единицы находятся по обе стороны от молекулярной цепи, чередуясь друг с другом (см. рис. 11). В синдиотактическом полистироле цепи способны плотно прилегать друг к другу, образуя кристаллическую структуру, тогда как атактическая форма полистирола является аморфной, поскольку цепи не могут так плотно прилегать друг к другу.

Рис. 11. Химическая формула

Термопласты могут быть переработаны, но для этого требуется тщательная сортировка, чтобы отделить различные полимеры. Если смешать разные сорта, то полученный в результате переработки полимер будет иметь разные свойства. Обычно переработка полимера приводит к некоторому ухудшению его свойств.

Термопласты обладают гибкостью и поэтому полезны там, где это необходимо, например, в бутылках для мытья посуды с отжимным механизмом. Первой такой бутылкой стала бутылка 1958 года «Squeezy», изготовленная из полиэтилена (правда, с металлическими концами). Термопласты можно формовать выдувным формованием в различные формы, и полиэтилентерефталат (ПЭТ) - популярный термопласт, используемый для изготовления бутылок для поп-музыки.

Термопласты являются отличными материалами для соэкструзии - процесса, широко используемого в упаковке для изготовления многослойных листов с различными свойствами в разных слоях - прочных снаружи и непроницаемых внутри. Эта технология популярна при производстве упаковочных материалов.

Несмотря на то, что полиэтилен является самозатвердевающим, были разработаны различные составы полиэтилена, такие как полиэтилен низкой плотности, самый ранний тип которого был разработан в 1933 году, полиэтилен высокой плотности, а теперь и полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой.

Полипропилен используется для упаковки и в автомобилях, а полипропиленовые волокна - для изготовления одежды, ковров и нетканых материалов. Ударопрочные сополимеры полипропилена используются для изготовления автомобильных бамперов, а также в медицине.

Тефлон (политетрафторэтилен или PTFE) используется для изготовления изделий, работающих при высоких температурах, благодаря своим термостойким свойствам. Он обладает превосходными химическими, электрическими, механическими и термическими свойствами, а также химически инертен. К тефлону почти ничего не прилипает, поэтому его используют для изготовления сковородок с антипригарным покрытием. Поскольку он очень термостойкий, его часто используют в космической технике, например, в качестве материала для защиты стержней солнечных батарей, которые заменили оригинальные батареи во время первого обслуживания космического телескопа «Хаббл» в 1993 году.

Будущее термопластов требует улучшения перерабатываемости, прочности, ремонтопригодности и «умных приложений», таких как способность к самовосстановлению, возможно, встроенное устаревание и, в идеале, биоразлагаемость. Биоинженерные термопласты - класс так называемых биополимеров - представляют собой новую захватывающую разработку. Полиэфиры уже разработаны для производства специализированных волокон, необходимых для спортивных целей. Постоянно разрабатываются более совершенные волокна. В будущем они также должны будут обладать экологически чистым жизненным циклом.