Пластмассы и синтетические материалы

История, строение, свойства, производство и переработка. Материал для самостоятельного чтения и подготовки к уроку.

1. Что изменили новые материалы

В XIX–XX веках появились материалы, свойства которых можно было менять составом и способом обработки. Пластмассы помогли выпускать лёгкие корпуса, изоляцию проводов, упаковку и множество одинаковых деталей сложной формы. Синтетические волокна расширили выбор тканей и технических нитей. Синтетические каучуки позволили подбирать эластичные материалы для шин, уплотнений и других изделий.

Новые материалы не заменили все прежние. Для горячей детали, прочного каркаса, прозрачного окна или гибкого уплотнения нужны разные свойства. Инженер выбирает материал вместе с конструкцией изделия, условиями эксплуатации и способом производства.

2. Полимер, макромолекула и мономер

Макромолекула — большая молекула, в строении которой многократно повторяются группы атомов. Полимер — вещество, состоящее из макромолекул. Мономер — вещество, молекулы которого участвуют в образовании макромолекул. Термин «полимер» относится к веществу, а «макромолекула» — к отдельной молекуле.

В природе тоже есть полимеры: целлюлоза в растениях, белки, природный каучук. Синтетические полимеры получают химическими реакциями. Если химически изменяют уже существующий природный полимер, говорят о материалах на его основе. Поэтому искусственное получение изделия не всегда означает синтез совершенно нового полимера.

Пластмасса — материал на основе полимера, который можно формовать при определённых условиях. В состав часто входят красители, наполнители и другие добавки. Волокно, резина и пластмасса — разные формы и виды полимерных материалов; одно слово «полимер» не определяет их свойства. Видимая гранула содержит множество макромолекул.

IUPAC: терминология полимеров

3. Три исторических этапа

В 1862 году паркезин Александра Паркса был показан на международной выставке. Он был основан на химически изменённой целлюлозе, поэтому относится к ранним полусинтетическим пластмассам. Его история показывает, что разработка полезного материала включает не только получение вещества, но и решение производственных проблем.

В 1907 году Лео Бакеланд разработал бакелит на основе фенолформальдегидной смолы. Его называют первой полностью синтетической пластмассой. Материал стал важен для формованных электроизоляционных деталей. После отверждения его пространственная сетка не позволяет снова получить формуемый расплав простым нагреванием.

28 февраля 1935 года группа Уоллеса Карозерса получила полиамид, ставший нейлоном 6,6. Открытие вещества, выбор технологии и массовое производство — разные этапы. Нейлон стал одним из важных примеров того, как исследования макромолекул приводили к новым волокнам.

Для проверки истории:

Science Museum: Паркс и паркезин · ACS: бакелит · ACS: нейлон

4. Как образуется полиэтилен

Этен имеет формулу CH₂=CH₂. При его полимеризации двойная связь изменяется, и мономерные молекулы включаются в цепь с углеродным скелетом. Упрощённая запись реакции:

n CH₂=CH₂ → [—CH₂—CH₂—]ₙ

В этой записи звено — группа —CH₂—CH₂—. Внутри n таких звеньев находятся 2n атомов углерода и 4n атомов водорода. Концевые группы отдельно не учитываются. Например, шесть нарисованных звеньев содержат 12 атомов углерода и 24 атома водорода; это не полная формула реальной конечной молекулы.

На странице каждый цветной блок означает целое звено. Изгибы, расстояния и цвета условны. Длина цепи влияет на свойства, но не определяет их одна: важны ветвление, распределение длин, взаимное расположение цепей и состав материала. В других реакциях повторяющееся звено не обязательно совпадает с исходной молекулой мономера: например, при поликонденсации могут выделяться небольшие молекулы.

5. Термопласты и реактопласты

На схеме изогнутая линия обозначает одну длинную молекулу — полимерную цепь. Светлая перемычка обозначает химическую связь между цепями. Множество таких связей образует сетку. Показаны только несколько цепей: реальные молекулы не выстроены в три аккуратных ряда, а их форма и расположение гораздо сложнее.

Термопласты размягчаются при нагреве и твердеют после охлаждения. В подходящем рабочем диапазоне из них можно повторно формовать изделия. Примеры — полиэтилен, полипропилен и ПЭТ. Однако каждый цикл обработки способен менять материал; загрязнение, окисление и перегрев могут ухудшать свойства. Возможность плавления не гарантирует бесконечную переработку.

У реактопластов при отверждении образуется пространственная сетка химических связей. После этого материал не превращается при нагреве в расплав, пригодный для обычного повторного формования. При чрезмерном нагреве он разрушается. Примеры — отверждённые фенольные и эпоксидные смолы. Термин «отверждение» обозначает химическое превращение, а не только охлаждение.

Эластомеры способны к заметной обратимой деформации. В уроке показана вулканизованная резина с поперечными связями. Это не исчерпывающая классификация: существуют термопластичные эластомеры, сочетающие упругое поведение с термопластичной обработкой.

6. Состав и свойства изделия

Полимерная основа важна, но готовый материал может содержать наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и красители. Они изменяют свойства, стойкость или внешний вид. Кроме состава важны форма детали, толщина стенки, ориентация цепей и наличие армирования.

Для корпуса выбирают жёсткость и ударную стойкость, для плёнки — гибкость и барьерные свойства, для прокладки — упругость и совместимость со средой. Нельзя определить допустимый нагрев или пищевое применение только по названию полимера. Для конкретного изделия нужны маркировка и инструкция производителя.

7. Как формуют пластмассы

При литье под давлением термопластичный материал подают в нагреваемый цилиндр. Шнек помогает перемещать и перемешивать материал; расплав впрыскивают в закрытую форму. После заполнения выдержка под давлением помогает компенсировать усадку. Затем деталь охлаждают, форму открывают и изделие выталкивают. Геометрия полости определяет форму детали.

При экструзии материал непрерывно выходит через формующий инструмент: так получают, например, профили и некоторые плёнки. При выдувании полую заготовку раздувают внутри формы. В производстве бутылок эти операции могут сочетаться. Выбор метода зависит от геометрии, материала и объёма выпуска.

Лендинг показывает последовательность операций, а заводское изображение служит художественной иллюстрацией. Это не чертёж оборудования. Прогревать неизвестные пластмассы или проверять их горением для этого урока не требуется.

BPF: процессы обработки пластмасс

8. Знакомые материалы

Это типичные примеры, а не единственно возможные материалы. На иллюстрации названия служат учебному сравнению; состав настоящего изделия проверяют отдельно. Бутылка и крышка могут быть из разных полимеров. Для гибкого шарнира из предложенных PET, HDPE и PP в задании выбран PP.

BPF: свойства и применения материалов · BPF: полипропилен

9. Синтетические волокна

Нейлон относится к полиамидам; полиэстерные волокна часто получают из ПЭТ. Для некоторых синтетических волокон применяют формование из расплава: материал пропускают через отверстия фильеры, охлаждают и вытягивают. Ориентация цепей при вытягивании меняет механические свойства волокна. Несколько волокон могут объединяться в нить, а нити — в ткань или канат.

Не все химические волокна синтетические. Например, вискозу получают из природной целлюлозы через раствор и последующее формование. Не для всякого полимера подходит расплав: существуют методы формования из раствора. Точная технология зависит от материала.

Ткань нельзя надёжно определить как нейлон или полиэстер только по фотографии. На свойства одежды влияют не только химический состав, но и плетение, толщина нитей, обработка и смесь волокон.

Barmag: получение волокон из расплава

10. Каучук и вулканизация

Природный каучук получают из растительного сырья; синтетические каучуки производят химическими реакциями. Для изготовления резины каучук смешивают с необходимыми добавками и создают поперечные связи между цепями. Такой процесс называют вулканизацией. Во многих составах применяют серу, но существуют и другие системы сшивания.

При умеренном растяжении изогнутые цепи меняют форму и сильнее ориентируются вдоль нагрузки. Поперечные связи ограничивают их необратимое перемещение, помогая сети восстановиться после разгрузки. Это упругая деформация в определённых пределах. Слишком большая нагрузка, нагрев или старение могут повредить материал.

Шина представляет собой сложное изделие: разные резиновые смеси, наполнители и армирующие элементы выполняют разные задачи. Иллюстрация целой шины не показывает внутреннюю конструкцию и не утверждает, что весь объём изготовлен из одного каучука.

11. Композиты

Композит — материал, в котором компоненты с различными свойствами работают совместно. В стеклопластике стеклянные волокна служат армированием, а полимерная матрица связывает их и передаёт нагрузку. Направление и количество волокон, качество границы между компонентами и форма детали влияют на результат.

Композит может быть лёгким и прочным для конкретной задачи, но не является универсальным победителем по всем характеристикам. Сочетание материалов может затруднять ремонт, разделение и переработку.

NASA: учебный материал о композитах

12. Расчёт массы

Массу однородной сплошной детали определяют по формуле m = ρV. Плотность ρ показывает массу единицы объёма. Если плотность задана в г/см³, а объём — в см³, получаем массу в граммах. В задаче приняты ρPP = 0,90 г/см³ и ρAl = 2,70 г/см³. Эти числа — условия учебного сравнения, не паспорт любого материала.

Для объёма 100 см³: mPP = 0,90 × 100 = 90 г; mAl = 2,70 × 100 = 270 г. Разность составляет 180 г. При одинаковом объёме масса полипропиленовой детали равна трети массы алюминиевой. В интерактивном задании сравниваются два набора сплошных брусков одинаковой формы: полипропиленовых и алюминиевых. В каждом наборе N брусков, каждый объёмом V. Ползунок количества задаёт N для обоих наборов. Объём каждого набора равен NV, а его масса — ρNV.

Такой расчёт сравнивает только массу. В настоящем проекте детали могут иметь разную толщину, полости и армирование. Равные объёмы не означают равные прочность, жёсткость, температуру эксплуатации или долговечность.

13. Переработка и окружающая среда

На дне или стенке пластиковой упаковки можно встретить цифру в треугольнике и буквенное сокращение. Это маркировка вида пластмассы, которую также называют кодом материала. Например, 1 PET означает полиэтилентерефталат, 2 HDPE — полиэтилен высокой плотности, 5 PP — полипропилен. Цифра обозначает вид пластмассы, а не количество переработок. Он не означает, что любой местный оператор принимает любое изделие с этим кодом. Пункт может принимать бутылки, но не плёнку; иметь требования к очистке и крышкам. В интерактивном задании правила вымышлены: пункт А принимает бутылки PET 1 и HDPE 2, пункт Б также принимает контейнеры PP 5.

При механической переработке подходящий материал сортируют, очищают и измельчают; термопласт может затем пройти переплавку. Несовместимые смеси и загрязнение ухудшают качество. Некоторые изделия требуют других способов обработки или не принимаются в конкретной системе. Нельзя обещать, что всякая пластмасса бесконечно превращается в такое же изделие.

Биосырьё описывает происхождение исходного вещества. Биоразлагаемость описывает способность материала разлагаться биологически при определённых условиях. Эти понятия не равны. Компостируемость также требует указанных условий. Растительное происхождение само по себе не разрешает выбрасывать изделие в природу.

Долговечность полезна, когда изделие долго служит. После выбрасывания она может стать проблемой: материал сохраняется или дробится на мелкие частицы. Разумный выбор включает уменьшение ненужных одноразовых изделий, повторное использование подходящих вещей и соблюдение правил сбора отходов.

ANSI: маркировка пластмасс · EPA: правила переработки · EPA: переработка и компостирование

14. Типичные ошибки и заметки учителю

• «Гранула — одна молекула». Гранула видима глазом и содержит множество макромолекул.
• «Все полимеры синтетические». В природе есть целлюлоза, белки и каучук.
• «Любой пластик можно расплавить и заново формовать». Отверждённые реактопласты так не обрабатывают.
• «Нагрев и отверждение — одно и то же». Отверждение создаёт химическую сетку; охлаждение термопласта не является таким процессом.
• «Код 5 разрешает микроволновку». Разрешение зависит от конкретного изделия и маркировки.
• «Лёгкий материал всегда лучше». Сравнивать нужно все требования к детали.

Начните с предметов: бутылка, контейнер, ткань и уплотнение. Попросите назвать нужное свойство, а затем объясните молекулярную основу. На схеме сначала договоритесь, что означает линия или блок. При расчёте массы ученик должен указать единицы. В задании по сортировке обсуждайте именно данные условия, не переносите вымышленные правила на настоящий пункт приёма.

15. Задачи с разбором

1. В модели 8 звеньев полиэтилена. Сколько атомов находится внутри этих звеньев?

В одном звене CH₂–CH₂ два атома углерода и четыре атома водорода. В восьми: 16 атомов углерода и 32 атома водорода. Концевые группы не учитываются.

2. Почему отверждённую эпоксидную деталь нельзя просто переплавить?

При отверждении образовалась пространственная сетка химических связей. Она не превращается при обычном нагревании в формуемый расплав; сильный нагрев разрушает материал.

3. В каждом из двух наборов четыре сплошных бруска по 200 см³. Один набор из полипропилена (0,90 г/см³), другой из алюминия (2,70 г/см³). Найди массу каждого набора.

Суммарный объём: 4 × 200 = 800 см³. Первая масса: 0,90 × 800 = 720 г. Вторая: 2,70 × 800 = 2160 г. Разность: 1440 г. Прочность из этих чисел определить нельзя.

4. У контейнера код PP 5. Примет ли его учебный пункт А?

Нет: по условиям задания пункт А принимает только указанные бутылки PET и HDPE. Пункт Б принимает и контейнеры PP. Для настоящего пункта нужно отдельно проверить его правила.

5. Изделие сделано из растительного сырья. Будет ли оно быстро разлагаться в природе?

Из происхождения сырья такой вывод не следует. Нужно знать структуру материала, его подтверждённые свойства и условия разложения.