Модуль 1. Свойства и области применения полимерных композиций

Ю. Н. Никитин

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРОВ

Учебное пособие

Омск-2013

УДК 678-036(075.8)

ББК 24.7я73

К 90

Рецензенты:

Ю.К. Машков, д-р техн. наук, профессор, профессор ФГБОУ ВПО Омский государственный технический университет

В.И.Суриков, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой физики ФГБОУ ВПО Омский государственный технический университет

Никитин Ю.Н.

Курс лекций по технологии переработки полимеров: Учеб. пособие. Омск: Изд-во филиала ФГБОУ ВПО «МГУТУ им. К. Г. Разумовского» в г. Омске, 2013.-181с.

В первой части учебного пособия «Курс лекций по технологии переработки полимеров» даны краткие сведения о структуре и свойствах полимеров и составе полимерных композиционных материалов, а во второй части - об основных процессах технологии производства изделий из них. Особое внимание уделено единой технологии производства резиновых изделий из эластомеров, обеспечивающей более ста лет и устойчивое развитие мирового автопрома, и технический прогресс в целом. Далее освещены основные технические способы переработки термопластов и реактопластов – экструзию полуфабрикатов, а также прессование и литьё, прокатку и протяжку, вакуумформование и пневмоформование, штамповку и центробежное формование изделий. Подробно освещены особенности производства пенопластов, изделий из виниловых термопластов и клеев.

Учебное пособие предназначено для студентов бакалавриата по направлению 240100.62 – «Химическая технология», специализирующихся по профилю 3 – «Технология переработки полимеров», а также для инженеров специальности 240502 – «Технология переработки пластических масс и эластомеров». Учебное пособие может быть использовано и специалистами по переработке полимеров и полимерных материалов, а также аспирантами и преподавателями.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 4

Введение 5

Модуль 1. Свойства и области применения полимерных композиций 6

1.1. Эластомерная основа композиций 7

1.2. Ингредиенты резиновых смесей 20

1.3. Карбоцепные термопласты 29

1.4. Гетероцепные термопласты 37

1.5. Природные термопласты 41

1.6. Реактопласты 42

1.7. Смеси полимеров 44

Контрольные вопросы к главе 1 45

Модуль 2. Основные технологии переработки полимеров 47

2.1. Единая технология производства резиновых изделий 47

2.2. Экструзия термопластов 72

2.3. Литьевые технологии 85

2.4.Прессование полимерных композиций 102

2.5. Новые упрощенные методы формования пластмасс 122

2.6. Особенности переработки винилхлоридных полимеров 139

2.7. Особенности технологии производства пенопластов 154

Контрольные вопросы к главе 2 178

Библиографический список 180

ПРЕДИСЛОВИЕ

Высокомолекулярными соединениями называют все природные (натуральный каучук, гутаперча, целлюлоза и белки) и синтетические продукты, которые состоят из больших молекул с молекулярной массой в несколько тысяч и даже миллионов. Большинство их является полимерами, и первые технологии их переработки сформировались к 1850 году, когда представления о их структуре ещё отличались от современных. Т. Грэхэм в работах от 1861 г относил растворы полимеров к коллоидам, а их высокую вязкость объяснял ассоциацией малых молекул вещества в крупные частицы за счет сил межмолекулярного притяжения. «Теория ассоциатов» была научным обоснованием всех особенностей поведения полимеров при их переработке.

Основоположник фундаментальной науки о полимерах Г. Штаудингер в 1910 г. начал исследования процессов химического взаимодействия молекул с двойными связями под действием света или тепла и через 10 лет пришел к выводу, что теория ассоциатов неверна. Только в 1929 г он обнаружил концевые группы молекул, начал разработку теории цепных молекул и впервые ввел и термин «макромолекула». Датой рождения науки о полимерах считается 1935 год, когда очередной съезд Фарадеевского общества признал достижения профессора Г. Штаудингера. В XXI веке технология и переработка полимеров и полимерных материалов на их основе продолжает оставаться одной из наиболее быстро развивающихся областей человеческой деятельности, конечной целью которой является производство громадного ассортимента изделий для эксплуатации в различных условиях.

В учебном пособии кратко рассмотрены виды и особенности свойств природных и синтетических полимеров как основы получения большого разнообразия изделий из них, описаны процессы единой технологии производ-ства изделий из эластомеров, технические способы переработки термопластов и реактопластов. Показано, что на всех стадиях процесса переработки полимеров происходят глубокие физико-химические изменения, которые зависят от технологических параметров процесса и вида оборудования.

ВВЕДЕНИЕ

Полимеры - многочисленная группа высокомолекулярных соединений, макромолекулы которых состоят из одной или нескольких многократно повторяющихся групп атомов - составных звеньев. Первыми полимерами, которые начали перерабатывать в середине XIX века в изделия с заданными свойствами на специальном оборудовании, были натуральный каучук и искусственные пластмассы (нитроцеллюлоза и казеин). Первыми методами переработки были прессование и выдавливание (плунжерная экструзия), копировавшие известные ранее способы переработки глины, мягких металлов и других высокопластичных материалов. Лишь с 40-х годов XX века появились принципиально новые методы переработки полимеров и сложных композиций на их основе, использующие специфические особенности их свойств – вакуумформование, пневмоформование, каландрование, штамповка, новые виды спекания и центробежное формование.

В XXI веке технология переработки полимерных материалов продолжает оставаться одной из наиболее быстро развивающихся областей человеческой деятельности, конечной целью которой является производство громадного ассортимента изделий для эксплуатации в различных условиях. Наиболее специфичными и массовыми по объему производства среди полимерных материалов продолжают оставаться эластомеры, переработка которых в резиновые изделия связана с глубокими химическими превращениями (вулканизацией) и использованием разнообразных органических и неорганических компонентов, называемых ингредиентами. Благодаря резинокордным пневматическим шинам и большому разнообразию резиновых технических изделий достигли современного уровня развития автомобильный транспорт, авиация и космос. Непрерывно растут и объемы производства пластмасс, из которых 90% приходится на долю поливинилхлорида, полиэтилена, полистирола, полиамидов и полиэфиров. Наряду с синтетическими термопластами находят также применение и природные полимеры - целлюлоза и продукты ее переработки.

Модуль 1. Свойства и области применения полимерных композиций.

Свойства полимерных композиций и уровень межмолекулярного взаимодействия в них зависят от химического строения и состава звеньев в макромолекулах полимерной основы. По химическому строению основной цепи полимеры подразделяются на карбоцепные (с углеродной цепью) и гетероцепные (с элементоорганической цепью). Межмолекулярным взаимодействием определяется способность полимера к растворению в низкомолекулярных жидкостях, поведение его при низких температурах, эластические и другие свойства. Уровень его оценивают параметром растворимости – отношением произведения плотности полимера на сумму констант притяжения отдельных групп атомов в звене к молекулярной массе звена. Для этого используют также плотность энергии когезии (кДж/моль), которая эквивалентна работе удаления взаимодействующих макромолекул или групп атомов друг от друга на бесконечно большие расстояния. При температуре ниже температуры стеклования (Т _с) энергия межмолекулярного взаимодействия становится выше энергии теплового движения, и полимер переходит в твердое застеклованное состояние. Эластомерами (каучуками) называют полимеры с параметром растворимости 14-19 (М ^. Дж/м ³) ^1/2 и Т _с ниже комнатной, а пластмассами – с Т _с выше комнатной.

Общая деформация полимеров складывается из упругой, высокоэлас-тической и пластической деформации. У пластмасс превалирует упругая деформация, а эластомеры из-за очень малой ее доли относят к упруговязким материалам. При деформировании с бесконечно малой скоростью напряжение в эластомерах близко к нулю, что сближает их по поведению с жидкостями. Вулканизация превращает эластомер в резину, которая благодаря сетчатой структуре теряет способность переходить в вязкотекучее состояние и как твердое упругое тело является вязкоупругим материалом. Пластмассы, подобно эластомерам и резине, подразделяют на термопласты, способные обратимо переходить в вязкотекучее состояние, и реактопласты, которые при переработке отверждаются с образованием сетчатой структуры.

Полимеры могут быть с повторяющимися одной (гомополимеры) или несколькими (сополимеры) составными звеньями. Поведение и свойства их определяются строением, химическим составом и средней молекулярной массой (ММ) макромолекул, молекулярно-массовым распределением (ММР) и взаимным расположением звеньев. Гуттаперча (пластмасса) и НК (каучук) являются примером влияния конфигурационной изомерии звеньев на свойства полиизопренов. В первой ориентированные в одном направлении метильные группы у атомов углерода с жесткой двойной связью в основной цепи встречаются через одну мономерную группу, и их период идентичности равен 0,82 нм, а во второй – в каждой мономерной группе через 0,48 нм. При стереоспецифической полимеризации бутадиена получены четыре стереорегу-лярных полимера, из которых 1,4- транс -полибутадиен и 1,2-поли-бутадиены синдиотактической и изотактической структуры являются пластмассами белого цвета, и только 1,4- цис -полибутадиен – эластомер. С усложнением структуры мономерного звена число стереорегулярных полимеров увеличивается. Из-за несимметричности молекулы изопрена из него можно получить еще две 3,4-структуры – изотактическую и синдиотактическую. Звенья различной конфигурации могут быть в одной макромолекуле и нарушать регулярность ее структуры, а чередование звеньев бывает произвольным (статистическим) или упорядоченным. Стереорегулярны часто отдельные участки макромолекул, а отношение числа звеньев в этих участках, к общему числу звеньев называют степенью стереорегулярности.