Пластичность - это главное качество пластмассы, ее неотъемлемая часть. Данный материал очень просто в расплавленном виде принимает любую необходимую форму, но когда он застывает, перед наблюдателем предстает прочный монолит. Смесь, изготовленная из клея и наполнителя, уже может считаться пластмассой, хотя под данное правило попадают как бетон, так и ДСП, и даже папье-маше.
Пластмассой можно назвать и всю синтетику, но при ее производстве сверхтонкие волокна для повышения прочности скручиваются в нити, после чего из них изготавливается сотканное полотно.
Пластмасса сегодня является одним из самых популярных материалов в быту. Она обладает малым весом, сравнительно высокой прочностью. Единственным ее недостатком является возможность деформации под действием даже невысоких температур. Производство пластмассовых изделий - достаточно сложный процесс, несмотря на пластичность данного материала.
Как появилась пластмасса
Два века назад ученые всеми силами пытались изобрести заменитель ценных пород дерева и поделочных материалов. Таким образом, на основе высокомолекулярных органических веществ была получена первая пластмасса. Тогда, в 1839 году, Чарльз Гудиер, являющийся высококлассным химиком, проживающий в америке, изобрел эбонит.
Наиболее ранняя форма пластмассы появилась в 1855 году и была названа “паркезин”. Он основан на измененных химическим путем естественных полимерах, а первооткрывателем его стал английский изобретатель Александр Пайрксом.
Вскоре после достижения Пайрксом невероятных результатов в своих исследованиях, химики перешли на использование синтетических молекул в производстве пластмассы. Первыми материалами, которые послужили основой, стали формальдегид и фенол. Случилось это в далеком 1909 году посредством синтеза. Изделие было названо “бакелитовая мастика”, а ее первооткрывателем стал Лео Эндрик Бекеланд.
Во время Второй мировой войны материал получил свое заслуженное коммерческое развитие. Быт людей был разрушен, а на его восстановление стандартными способами требовалось много усилий. На помощь пришла пластмасса. Она намного дешевле известных натуральных материалов, а кроме того, стала основоположником становления новых представлений о домашнем уюте.
В современном мире пластмасса получила настолько широкое распространение, что ее используют даже в автомобильной промышленности. Основная часть этого материала изготавливается из синтетических полимеров.
ИСТОРИЯ Первая пластмасса была получена английским металлургом и изобретателем Александром Парксом в 1855 году. Паркс назвал её паркезин (позже получило распространение другое название - целлулоид). Паркезин был впервые представлен на Большой Международной выставке в Лондоне в 1862 году. Развитие пластмасс началось с использования природных пластических материалов (жевательной резинки, шеллака), затем продолжилось с использованием химически модифицированных природных материалов (резина, нитроцеллюлоза, коллаген, галалит) и, наконец, пришло к полностью синтетическим молекулам (бакелит, эпоксидная смола, поливинилхлорид, полиэтилен и другие). Паркезин являлся торговой маркой первого искусственного пластика и был сделан из целлюлозы, обработанной азотной кислотой и растворителем. Паркезин часто называли искусственной слоновой костью. В 1866 году Паркс создал фирму Parkesine Company для массового производства материала. Однако, в 1868 году компания разорилась из-за плохого качества продукции, так как Паркс пытался сократить расходы на производство. Преемником паркезина стал ксилонит (другое название того же материала), производимый компанией. Даниэля Спилла, бывшего сотрудника Паркса, и целлулоид, производимый Джоном Весли Хайатом.
ТИПЫ ПЛАСТМАСС В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании изделий пластмассы делят на: Термопласты (термопластичные пластмассы) - при нагреве расплавляются, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние; Реактопласты (термореактивные пластмассы) - в начальном состоянии имеют линейную структуру макромолекул, а при некоторой температуре отверждения приобретают сетчатую. После отверждения не могут переходить в вязкотекучее состояние. Рабочие температуры выше, но при нагреве разрушаются и при последующем охлаждении не восстанавливают своих исходных свойств. Также газонаполненные пластмассы - вспененные пластические массы, обладающие малой плотностью.
СВОЙСТВА Основные механические характеристики пластмасс те же, что и для металлов. Пластмассы характеризуются малой плотностью (0, 85- 1, 8 г/см³), чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой механической прочностью. При нагревании (часто с предварительным размягчением) они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований, отношение к органическимрастворителям различное (в зависимости от химической природы полимера). Физиологически почти безвредны. Свойства пластмасс можно модифицировать методамисополимеризации или стереоспецифической полимеризации, путём сочетания различных пластмасс другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная ткань, введением наполнителей и красителей, пластификаторов, тепло- и светостабилизаторов, облучения и др. , а также варьированием сырья, например использование соответствующих полиолов и диизоцианатов при получении полиуретанов.
ПОЛУЧЕНИЕ Производство синтетических пластмасс основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или пол иприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул (приставка «поли-» от греческого «много» , например этилен-полиэтилен).
СИСТЕМА МАРКИРОВКИ ПЛАСТИКА Для обеспечения утилизации одноразовых предметов в 1988 году Обществом Пластмассовой Промышленности была разработана система маркировки для всех видов пластика и идентификационные коды. Маркировка пластика состоит из 3 -х стрелок в форме треугольника, внутри которых находится число, обозначающая тип пластика. Часто при маркировке изделий под треугольником указывается буквенная маркировка (в скобках указана маркировка русскими буквами)
Международные универсальные коды переработки пластмасс. Значок. Англоязычное название. Русское название. Примечание. PET или PETEПЭТ, ПЭТФ Полиэтилентерефталат. Обычно используется для производства тары для минеральной воды, безалкогольных напитков и фруктовых соков, упаковки, блистеров, обивки. PEHD или. HDPEПЭНД Полиэтилен высокой плотности, полиэтилен низкого давления. Производство бутылок, фляг, полужёсткой упаковки. Считается безопасными для пищевого использования. PVCПВХ Поливинилхлорид. Используется для производства труб, трубок, садовой мебели, напольных покрытий, оконных профилей, жалюзи, изоленты, тары длямоющих средств и клеёнки. Материал является потенциально опасным для пищевого использования, поскольку может содержатьдиоксины, бисфенол А, ртуть, кадмий. LDPE и PELDПЭВД Полиэтилен низкой плотности, полиэтилен высокого давления. Производство брезентов, мусорных мешков, пакетов, пленки и гибких ёмкостей. Считается безопасным для пищевого использования. PPПП Полипропилен. Используется в автомобильной промышленности (оборудование, бамперы), при изготовлении игрушек, а также в пищевой промышленности, в основном при изготовлении упаковок. Распространены полипропиленовые трубы для водопроводов. Считается безопасным для пищевого использования. PSПС Полистирол. Используется при изготовлении плит теплоизоляции зданий, пищевых упаковок, столовых приборов и чашек, коробок CD и прочих упаковок (пищевой плёнки и пеноматериалов), игрушек, посуды, ручек и так далее. Материал является потенциально опасным, особенно в случае горения, поскольку содержит стирол. OTHER или ОПрочие. К этой группе относится любой другой пластик, который не может быть включен в предыдущие группы. В основном это поликарбонат. Поликарбонат может содержать опасный для человека бисфенол Используется для изготовления твёрдых прозрачных изделий, как например детские рожки.
МЕБЕЛЬНЫЕ ПЛАСТМАССЫ Пластик, который используют для производства мебели, получают путем пропитки бумаги термореактивными смолами. Производство бумаги является наиболее энерго- и капиталлоемким этапом во всем процессе производства пластика. Используется 2 типа бумаг: основой пластика является крафт-бумага (плотная и небеленая) и декоративная (для придания пластику рисунка). Смолы подразделяются на фенолформальдегидные, которые используются для пропитки крафт-бумаги, и меламиноформальдегидные, которые используются для пропитки декоративной бумаги. Меламиноформальдегидные смолы производят из меламина, поэтому они стоят дороже. Мебельный пластик состоит из нескольких слоёв. Защитный слой - оверлей - практический прозрачный. Изготавливается из бумаги высокого качества, пропитывается меламиноформальдегидной смолой. Следующий слой - декоративный. Затем несколько слоев крафт-бумаги, которая является основой пластика. И последний слой - компенсирующий (крафтбумага, пропитанная меламиноформальдегидными смолами). Этот слой присутствует только у американского мебельного пластика. Готовый мебельный пластик представляет из себя прочные тонированные листы толщиной 1 -3 мм. По свойствам он близок к гетинаксу. В частности, он не плавится от прикосновения жалом паяльника, и, строго говоря, не является пластической массой, так как не может быть отлит в горячем состоянии, хотя и поддается изменению формы листа при нагреве. Мебельный пластик широко использовался в XX веке для отделки салонов вагонов метро.
ПЛАСТИКОВЫЕ ОТХОДЫ И ИХ ПЕРЕРАБОТКА Скопления отходов из пластмасс образуют в Мировом океане под воздействием течений особые мусорные пятна. На данный момент известны пять больших скоплений мусорных пятен - по два в Тихом и Атлантическом океанах, и одно - в Индийском океане. Данные мусорные круговороты в основном состоят из пластиковых отходов, образующихся в результате сбросов из густонаселённых прибрежных зон континентов. Руководитель морских исследований Кара Лавендер Ло из Ассоциации морского образования (англ. Sea Education Association; SEA) возражает против термина «пятно» , поскольку по своему характеру - это разрозненные мелкие куски пластика. Пластиковый мусор опасен ещё и тем, что морские животные, зачастую, могут не разглядеть прозрачные частицы, плавающие по поверхности, и токсичные отходы попадают им в желудок, часто становясь причиной летальных исходов . Взвесь пластиковых частиц напоминает зоопланктон, и медузы или рыбы могут принять их за пищу. Большое количество долговечного пластика (крышки и кольца от бутылок, одноразовые зажигалки) оказывается в желудках морских птиц и животных, в частности, морских черепахах и черноногих альбатросов. Помимо прямого причинения вреда животным, плавающие отходы могут впитывать из воды органические загрязнители, включая ПХБ (полихлорированные бифенилы), ДДТ (дихлордифенилтрихлорметилметан) и ПАУ (полиароматические углеводороды). Некоторые из этих веществ не только токсичны - их структура сходна с гормоном эстрадиолом, что приводит к гормональному сбою у отравленного животного. Пластиковые отходы должны перерабатываться, поскольку при сжигании пластика выделяются токсичные вещества, а разлагается пластик за 100- 200 лет.
"Пластик", происходит от греческого слова «Plastikos», обозначает любой гибкий или податливый материал, найденный в природе или полученный синтетически.
В настоящее время, пластмассы распространены настолько, что кажется совершенно невероятным, что когда-то было время, когда пластик отсутствовал в нашей повседневной жизни. Природные пластмассы, такие как смола сосны, Пек, гудрон, Янтарь, воск, сало, копал, гуттаперча, натуральный кератин, использовались в человеческой истории в течение долгого времени.
Развитие различных пластмасс
В 1862 году на выставке в Англии, английский изобретатель Александр Паркс представил материал, получаемый из нитрата целлюлозы, который был назван Parkesine и, как ожидалось, будет использован для множества различных целей, одна из которых как более дешевый вариант резины. Однако, на самом деле, он оказался слишком дорогим и неудобным для коммерческого производства и не прижился. Примерно в то же время, Джеймс Хайятт Олбани из Нью-Йорка, стремясь выиграть конкурс по поиску альтернативы слоновой кости (используется, чтобы сделать бильярдные шары), разработал первый коммерчески жизнеспособный вид пластиковой целлюлозы путем смешивания Камфоры с Коллодия. Он назвал этот материал «Целлулоид » и, несмотря на серьезные недостатки из-за его огнеопасного характера, это был успех, революция, в частности в фото-и киноиндустрии.
В 1894 году два английских ученых, Кросс и Бивен, получили патенты для «ацетата целлюлозы» , который был похож по характеру на Целлулоид, но безопаснее. При растворении в ацетоне, он мог быть использован для создания водонепроницаемой ткани, которой покрывали деревянные рамы первых самолетов и поэтому пользовался огромным спросом в годы Первой Мировой Войны. Искусственные шелковые ткани, посуда, прозрачные листы, а также другие практические изделия также начали делать из ацетата целлюлозы. Однако, качество этих объектов, оставляло желать лучшего.
В 1907 году Бакелит Лео Хендрик, обнаружил что жидкая смола при закаливании обладает свойством сохранять свою форму навсегда. Это была первая термореактивная пластмасса и она оказалась настолько незаменимой, что используется до сих пор. Дальше пошли нейлон , который был впервые произведен в знаменитой лаборатории компании DuPont. Еще одним важным шагом стала разработка поливинилхлорида (ПВХ) или винила химиком-органиком Б. Ф. Гудричем, Уолдо Сэмоном. Saran , пластик, из которого изготавливаются упаковки пищевых продуктов, был обнаружен Ральфом Уили в 1933 году, и химик Рой Планкет обнаружил тефлон в 1938 году . Сегодня тефлон широко используется в кухонных принадлежностях. Жесткие и прозрачные полиметилметакрилаты или акрил, известный как Плексиглас начал серийно выпускаться еще в 1932 году для навесов. Два исследователя Кузнецов и Гибсон, наткнулись на полиэтилен в 1933 году во время испытаний воздействия высокого давления. Политен начал широко использоваться только во время Второй Мировой Войны и использовался как облегченная изоляция для радара. Позже его стали применять для таких предметов, как бутылки, контейнеры и мешки, и сегодня это наиболее часто используемый тип пластмассы в мире. После войны, в 1949 году инженер по имени Джеймс Райт изобрел пластиковую замазку, которая могла растягиваться и при этом не разрушаться. Сегодня она известна под названием «пластилин» , он стал очень популярен как детский элемент игры.
С тех пор пластмассовая промышленность прошла долгий путь. Сегодня, пластмасса помимо всего перечисленного выше, используется в упаковке, текстиле, игрушках, кредитных картах, телевизорах, автомобилях, компьютерах и периферии; пластмасса регулярно и успешно используется врачами, чтобы заменить части тела человека, позволяя людям жить более продуктивной и долгой жизнью; детали из пластмассы на заказ сегодня можно заказать практически везде. Они спроектированы, чтобы снизить экологические и финансовые затраты крупномасштабной добычи нефти и нефтехимии на полимерных заводах. Ученые создали первые электропроводящие пластмассы, хотя прежде чем они могут быть практически применены, необходимы дополнительные исследования. В 2000 году Нобелевская премия по химии была присуждена исследователям, которые изначально показали, что пластмассы могут проводить электричество.
Пластик – это обобщенное название группы материалов, (с греч. «поли» - это означает «много», а «мерос» - «часть»).
Существует множество видов пластика, которые способны образовывать самостоятельные формы и варианты. Основой любого пластика являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры), состоящие из мономерных единиц.
Еще одно популярное название этого материала - пластмассы – пластические массы.
Название «пластмассы» обозначает, что если нагреть под давлением этот материал, то после охлаждения он сохранит заданную форму.
Нашу жизнь невозможно представить без пластика. Пластик везде, он прочно занял позиции во всех сферах нашей жизни. Преимущества пластика перед другими материалами очевидны: пластичность, низкий вес, но при этом высокая механическая прочность; устойчивость к коррозии, в том числе к воде и воздуху, идеальные электроизоляционные свойства, привлекательный внешний вид любой расцветки и дешевизна.
Современный мир невозможно представить без пластика, хотя изобретен он сравнительно недавно!
История пластика
Винилхлорид и поливинилденхлорид
В 1835 году французский физик и химик Анри Виктор Реньо впервые случайно в реакции присоединения хлористого водорода к ацетилену получил винилхлорид, а в 1838 году он синтезировал полимер на его основе - поливинилиденхлорид.
Полистирол
В 1839 году немецким аптекарем Эдуардом Симоном был обнаружен полистирол, но применять его начали только в 1938 году, когда ученые разработали коммерческий способ его изготовления. Полистирол применяется для изготовления пластиковых стаканов, коробок для упаковки.
Паркезин, ксилонит
Александром Парксом в 1855 год был получен, и назван в честь него паркезин, часто называемый искусственной слоновой костью. Паркезин это материал на основе нитроцеллюлозы растворенной в этаноле. Фирма Паркса с 1866 года массово выпускала паркезин, но прогарела из-за плохого качества продукции и желания Паркса быстро и много заработать.
Продолжателем паркезина стал ксилонит (другое название паркензина), производимый компанией Даниэля Спилла, бывшего сотрудника Паркса.
Целлулоид
В 1870 году Джон Уэсли Хайатт создал и зарегистрировал пластик под торговой маркой Celluloid. Целлулоид это твердая смесь нитроцеллюлозы с пластификатором для придания пластичности из касторового (вазелинового, синтетического камфора) масла. Из целлулоида делали бильярдные шары, кинопленку и много других разных вещей, несмотря на существенный его изъян: на свету целлулоид менял цвет и становился хрупким.
Поливинилхлорид (ПВХ)
В 1872 году немецкий химик Евгений Бауман создал поливинилхлорид (ПВХ), но так и не запатентовал свое открытие. Патент за поливинилхлорид получил его соотечественник Фридрих Клатте, который изобрел новый метод полимеризации винилхлорида с использованием солнечного света. Но применяться ПВХ стали только с 1926 года после усовершенствования Вальдо Семоном. Поливинилхлорид (ПВХ) – самый универсальный пластик. Из него делают разные аксессуары, элементы одежды и нитки для нее; обувь; различную тару, бутылки; упаковочную пленку, скотч, корпуса различной техники; трубы; предметы обихода и многое многое другое.
Полиэтилен
В 1899 году немецкий инженер Ганс фон Пехманн случайно получил полиэтилен. Сейчас полиэтилен самая распрастраненная пластмасса, но тогда полиэтилен не получил должного внимания. Вторая жизнь полиэтилена началась в 1933 году благодаря инженерам Эрику Фосету и Реджинальду Гибсону. Сначала полиэтилен использовался в производстве телефонного кабеля и лишь в 1950-е годы стал использоваться в пищевой промышленности как упаковка.
В 1908 году Швейцарский инженер Жак Бранденбергер создал целлофан - прозрачные листы из регенерированной целлюлозы. Американская компания «Whitman’s», первая стала использовать целлофан для обертки шоколада.
Бакелит - полиоксибензилметиленгликольангидрид
Полиоксибензилметиленгликольангидрид - очень длинное название бакелита - фенолформальдегидная термоактиная смола. Бакелит первый пластик который изготовлен из синтетических компонентов. В 1909 году бакелит разработан бельгийским химиком Бекеландом. Благодаря своей низкой электропороводимости и термостойкости применяется в электрических изоляторах.
В 1926 году американским изобретателем Вальтером Смоном изобретен винил или ПВХ. Впервые винил использовался для производства шаров и каблуков. В настоящее время винил второй пластик по масштабам производства. Из винила делают провода, плащи, занавески для душа, напольную плитку, различные приборы и многое другое.
Поливинилиденхлорид (ПВДХ)
Поливинилиденхлорид или сарана был случайно обнаружен в 1933 году Рольфом Вайли. Сарана впервые начали использовать военные как защитное покрытие от морской воды на самолетах. Потом производители автомобилей стали использовать сарана для авто, хотя у сарана были существенные минусы: неприятный запах и зеленый цвет. Но после Второй мировой войны после улучшения сарана его одобрили для изготовления упаковочного материала для пищевых продуктов.
Полиэтилен
В 1935 году британцами Реджинальдом Гибсоном и Эриком Фосеттом был обнаружен полиэтиен в двух формах: полиэтилен низкой плотности и полиэтилен высокой плотности. Полиэтилен - это самый дешевый, но в то же время прочный материал. Полиэтилен низкой плотности используется для изготовления пленок и упаковочных материалов, а полиэтилен высокой плотности чаще всего используется для изготовления контейнеров, сантехники и автомобильных запчастей.
В 1936 году открытие полиметилметакрилата или акрила. Акрил используется в жидком (краски) и твердом виде (заменитель стекла).
Полиуретан
В 1937 году немецким химиком был изобретен полиуретан. Полиуретан используется в различных формах. В виде эластичного пенопласта полиуретан используется в обивке, в матрацах, также используется как химически стойкое покрытие, в специальных клеях, в герметиках и упаковке. В твердой форме полиуретан используется в материалах для термоизоляции зданий, в водонагревателях.
Политетфторэтилен - тефлон
В 1938 году тефлон случайно открыт химиком Ройем Планкеттом. Тефлон использовался в качестве защитного материала для металлических поверхностей. В 1960 году появились тефлоновые антипригарные сковороды.
Нейлон и неопрен
В 1931 году во время поисков синтетических материалов для замены шелка, Уоллесом Каротерсом были обнаружены нейлон и неопрен. Нейлон назван "чудо волокно", а в 1939 году впервые продемонстрированы нейлоновые чулки. Тогда нейлон также применялся для изготовления лески, хирургической нити.
Полиэстер (ПЭТ) - полиэфир - лавсан
Ненасыщенный полиэстер или ПЭТ, также его называют полиэфир, лавсан. Полиэстер открыт и запатентован в 1942 году английскими химиками Джоном Рекс Уинфилдом и Джеймсом Теннант Диксоном и использовался для изготовления синтетических волокон. Из полиэстера изготавливают бутылки, разные запчасти. Из полиэстера делали пленку для аудио и видео кассет.
Полипропилен
В 1951 году американскими химиками Полом Хоганом и Робертом Бэнксом открыл полиэтилен высокой плотности или полипропилен. Полипропилен в отличии от своего родственника полиэтилена, более крепкий, используется практически везде. Из полиэтилена делают пластиковые бутылки, мебель, очень активно используют в автомобильной промышленности.
Пенополистирол - пенопласт
В 1954 году ученым Рэем Макинтайром случайно был изобретен пенополистирол или пенопласт. Он хотел сделать гибкий электрический изолятор, соединяя стирол с изобутиленом под давлением, но получился пенополистирол с пузырьками, который в 30 раз легче обычного полистирола.
С того времени открыто еще очень много пластика как полезного и даже вредного, численность которого в данный момент насчитывается десятками.
В истории развития пластика можно выделить три этапа.
Началась история развития пластмасс с использования природных материалов, таких как жевательная резинка, шеллак.
Срединный этап в истории пластика прошел с использованием химически модифицированных природных материалов, таких как резина, нитроцеллюлоза, коллаген, галалит.
Третий этап в истории пластика, характеризует использование полностью синтетических молекул - бакелит,эпоксидная смола, поливинилхлорид, полиэтилен и другие).
В современных автомобилях доля пластмассовых деталей постоянно растет. Растет и количество ремонтов на пластмассовых поверхностях, все чаще мы сталкиваемся с необходимостью их окрашивания.
Во многом окраска пластмасс отличается от окраски металлических поверхностей, что обусловлено, в первую очередь, самими свойствами пластмасс: они более эластичны и имеют меньшую адгезию к ЛКМ. А так как спектр полимерных материалов, применяемых в автомобилестроении, очень разнообразен, то не будь каких-то универсальных ремонтных материалов, способных создавать качественное декоративное покрытие на многих из их типов, малярам бы, наверное, пришлось получать специальное образование по химии.
К счастью, все на самом деле окажется значительно проще и погружаться с головой в изучение молекулярной химии полимеров нам не придется. Но все же некоторые сведения о типах пластмасс и их свойствах, хотя бы с целью расширения кругозора, будут явно нелишними.
Сегодня вы узнаете
Пластмассы — в массы
В XX веке человечество пережило синтетическую революцию, в его жизнь вошли новые материалы — пластмассы. Пластмассу можно смело считать одним из главных открытий человечества, без ее изобретения многие другие открытия были бы получены намного позже или их не было бы вовсе.
Первая пластмасса была изобретена в 1855 году британским металлургом и изобретателем Александром Парксом. Когда он решил найти дешевый заменитель дорогостоящей слоновой кости, из которой в то время делались бильярдные шары, вряд ли он мог себе представить, какое значение впоследствии приобретет полученный им продукт.
Ингредиентами будущего открытия стала нитроцеллюлоза, камфора и спирт. Смесь этих компонентов прогревалась до текучего состояния, а затем заливалась в форму и застывала при нормальной температуре. Так на свет появился паркезин — прародитель современных пластических масс.
От природных и химически модифицированных природных материалов к полностью синтетическим молекулам развитие пластмасс пришло несколько позже — когда профессор Фрейбургского университета немец Герман Штаудингер открыл макромолекулу — тот «кирпичик», из которого строятся все синтетические (да и природные) органические материалы. Это открытие принесло в 1953 году 72-летнему профессору Нобелевскую премию.
С тех-то пор все и началось… Чуть ли не ежегодно из химических лабораторий шли сообщения об очередном синтетическом материале с новыми, невиданными свойствами, и сегодня в мире ежегодно производятся миллионы тонн всевозможных пластических масс, без которых жизнь современного человека абсолютно немыслима.
Пластмассы используются везде, где только можно: в обеспечении комфортной жизнедеятельности людей, сельском хозяйстве, во всех областях промышленности. Не исключением является и автомобилестроение, где пластик используется все шире, неудержимо вытесняя своего основного конкурента — металл.
По сравнению с металлами пластмассы — очень молодые материалы. Их история не насчитывает и 200 лет, в то время как олово, свинец и железо были были знакомы человечеству еще в глубокой древности — за 3000-4000 лет до н. э. Но несмотря на это, полимерные материалы по ряду показателей значительно превосходят своего основного технологического конкурента.
Преимущества пластмасс
Преимущества пластмасс по сравнению с металлами очевидны.
Во-первых, пластик существенно легче. Это позволяет снизить общий вес автомобиля и сопротивление воздуха при движении, и тем самым — уменьшить расход топлива и, как следствие, выброс выхлопных газов.
Общее снижение веса автомобиля на 100 кг за счет применения пластмассовых деталей позволяет экономить до одного литра топлива на 100 км.
Во-вторых, использование пластмасс дает почти неограниченные возможности для формообразования, позволяя воплощать в реальность любые дизайнерские идеи и получать детали самых сложных и хитроумных форм.
К преимуществам пластмасс также можно отнести их высокую коррозионную стойкость, устойчивость к атмосферным воздействиям, кислотам, щелочам и прочим агрессивным продуктам химии, отличные электро- и теплоизоляционные свойства, высокий коэффициент шумоподавления… Словом, неудивительно, почему полимерные материалы находят столь широкое применение в автомобилестроении.
Предпринимались ли попытки создать полностью пластмассовый автомобиль? А как же! Вспомнить хотя бы небезызвестный «Трабант», выпускавшийся в Германии более 40 лет назад на заводе в Цвик-кау — его кузов был целиком изготовлен из слоистого пластика.
Для получения этого пластика 65 слоев очень тонкой хлопчатобумажной ткани (поступавшей на завод с текстильных фабрик), чередующихся со слоями размолотой крезолоформальдегидной смолы, спрессовывались в очень прочный материал толщиной 4 мм при давлении 40 атм. и температуре 160 °С в течение 10 мин.
До сих пор кузова гэдээровских «Трабантов», про которые пели песни, рассказывали легенды (но чаще сочиняли анекдоты), лежат на многих свалках страны. Лежат… но ведь не ржавеют!
Trabant. Самый популярный в мире автомобиль из пластика
Шутки шутками, а перспективные разработки цельнопластмассовых кузовов серийных авто есть и сейчас, многие кузова спортивных автомобилей целиком изготавливаются из пластика. Традиционно металлические детали (капоты, крылья) на многих автомобилях сейчас также меняют на пластиковые, например, у автомобилей Citroën, Renault, Peugeot и других.
Вот только в отличие от кузовных панелей народного «Траби», пластиковые детали современных автомобилей уже не вызывают иронической улыбки. Напротив — их стойкость к ударным нагрузкам, способность деформированных участков к самовосстановлению, высочайшая антикоррозионная стойкость и малый удельный вес заставляют проникнуться к этому материалу глубоким уважением.
Завершая разговор о достоинствах пластмасс нельзя не отметить тот факт, что хоть и с некоторыми оговорками, но все-таки большинство из них отлично поддается окрашиванию. Не имей серая полимерная масса такой возможности, вряд ли бы она снискала такую популярность.
Зачем красить пластик?
Необходимость окрашивания пластмасс обусловлена с одной стороны эстетическими соображениями, а с другой — необходимостью защищать пластики. Ведь ничего вечного нет. Пластики хоть и не гниют, но в процессе эксплуатации и воздействия атмосферных влияний, они все равно повергаются процессам старения и деструкции. А нанесенный лакокрасочный слой защищает поверхность пластика от различных агрессивных воздействий и, следовательно, продлевает срок его службы.
Если в условиях производства окрашивание пластмассовых поверхностей производится очень просто — в данном случае речь идет о большом количестве новых одинаковых деталей из одной и той же пластмассы (да и технологии там свои), то маляр в авторемонтной мастерской сталкивается с проблемами разнородности материалов различных деталей.
Вот здесь то и приходится ответить себе на вопрос: «Что вообще такое пластмасса? Из чего ее делают, каковы ее свойства и основные виды?».
Что такое пластмасса?
В соответствии с отечественным государственным стандартом:
Пластмассами называются материалы, основной составной частью которых являются такие высокомолекулярные органические соединения, которые образуются в результате синтеза или же превращений природных продуктов. При переработке в определенных условиях они, как правило, проявляют пластичность и способность к формованию или
деформации.
Если из такого сложного даже для чтения, а не только для понимания, описания убрать первое слово «пластмассами», пожалуй, вряд ли кто догадается, о чем вообще идет речь. Что ж, попробуем немного разобраться.
«Пластмассы» или «пластические массы» назвали так потому, что эти материалы способны при нагреве размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать определенную форму, которая при дальнейшем охлаждении и отверждении сохраняется.
Основу любой пластмассы составляет (то самое «высокомолекулярное органическое соединение» из определения выше).
Слово «полимер» происходит от греческих слов «поли» («много») и «мерос» («части» или «звенья»). Это вещество, молекулы которого состоят из большого числа одинаковых, соединенных между собой звеньев. Эти звенья называют мономерами («моно» — один).
Так, например, выглядит мономер полипропилена, наиболее применяемого в автомобилестроении типа пластика:
Молекулярные цепи полимера состоят из практически бесчисленного числа таких кусочков, соединенных в единое целое.
Цепочки молекул полипропилена
По происхождению все полимеры делят на синтетические и природные . Природные полимеры составляют основу всех животных и растительных организмов. К ним относят полисахариды (целлюлоза, крахмал), белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук и другие вещества.
Хотя модифицированные природные полимеры и находят промышленное применение, большинство пластмасс являются синтетическими.
Синтетические полимеры получают в процессе химического синтеза из соответствующих мономеров.
В качестве исходного сырья обычно применяются нефть, природный газ или уголь. В результате химической реакции полимеризации (или поликонденсации) множество «маленьких» мономеров исходного вещества соединяются между собой, будто бусины на ниточке, в «огромные» молекулы полимера, который затем формуют, отливают, прессуют или прядут в готовое изделие.
Так, например, из горючего газа пропилена получают пластик полипропилен, из которого делают бамперы:
Теперь вы наверное догадались, откуда берутся названия пластмасс. К названию мономера добавляется приставка «поли-» («много»): этилен → полиэтилен , пропилен → полипропилен , винилхлорид → поливинилхлорид и т.д.
Международные краткие обозначения пластмасс являются аббревиатурами их химических наименований. Например, поливинилхлорид обозначают как PVC (Polyvinyl chloride), полиэтилен — PE (Polyethylene), полипропилен — PP (Polypropylene).
Кроме полимера (его еще называют связующим) в состав пластмасс могут входить различные наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители и другие вещества, обеспечивающие пластмассе те или иные технологические и потребительские свойства, например текучесть, пластичность, плотность, прочность, долговечность и т.д.
Виды пластмасс
Пластмассы классифицируют по разным критериям: химическому составу, жирности, жесткости. Но главным критерием, который объясняет природу полимера, является характер поведения пластика при нагревании. По этому признаку все пластики делятся на три основные группы:
- термопласты;
- реактопласты;
- эластомеры.
Принадлежность к той или иной группе определяют форма, величина и расположение макромолекул, наряду с химическим составом.
Термопласты (термопластичные полимеры, пластомеры)
Термопласты — это пластмассы, которые при нагреве плавятся, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние.
Эти пластмассы состоят из линейных или слегка разветвленных молекулярных цепей. При невысоких температурах молекулы располагаются плотно друг возле друга и почти не двигаются, поэтому в этих условиях пластмасса твердая и хрупкая. При небольшом повышении температуры молекулы начинают двигаться, связь между ними ослабевает и пластмасса становится пластичной. Если нагревать пластмассу еще больше, межмолекулярные связи становятся еще слабее и молекулы начинают скользить относительно друг друга — материал переходит в эластичное, вязкотекучее состояние. При понижении температуры и охлаждении весь процесс идет в обратном порядке.
Если не допускать перегрева, при котором цепи молекул распадаются и материал разлагается, процесс нагревания и охлаждения можно повторять сколько угодно раз.
Это особенность термопластов многократно размягчаться позволяет неоднократно перерабатывать эти пластмассы в те или иные изделия. То есть теоретически, из нескольких тысяч стаканчиков из-под йогурта можно изготовить одно крыло. С точки зрения защиты окружающей среды это очень важно, поскольку последующая переработка или утилизация — большая проблема полимеров. Попав в почву, изделия из пластика разлагаются в течение 100–400 лет!
Кроме того, благодаря этим свойствам термопласты хорошо поддаются сварке и пайке. Трещины, изломы и деформации можно легко устранить посредством теплового воздействия.
Большинство полимеров, применяемых в автомобилестроении, являются именно термопластами. Используются они для производства различных деталей интерьера и экстерьера автомобиля: панелей, каркасов, бамперов, решеток радиатора, корпусов фонарей и наружных зеркал, колпаков колес и т.д.
К термопластам относятся полипропилен (РР), поливинихлорид (PVC), сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола (ABS), полистирол (PS), поливинилацетат (PVA), полиэтилен (РЕ), полиметилметакрилат (оргстекло) (РММА), полиамид (РА), поликарбонат (PC), полиоксиметилен (РОМ) и другие.
Реактопласты (термореактивные пластмассы, дуропласты)
Если для термопластов процесс размягчения и отверждения можно повторять многократно, то реактопласты после однократного нагревания (при формовании изделия) переходят в нерастворимое твердое состояние, и при повторном нагревании уже не размягчаются. Происходит необратимое отверждение.
В начальном состоянии реактопласты имеют линейную структуру макромолекул, но при нагревании во время производства формового изделия макромолекулы «сшиваются», создавая сетчатую пространственную структуру. Именно благодаря такой структуре тесно сцепленных, «сшитых» молекул, материал получается твердым и неэластичным, и теряет способность повторно переходить в вязкотекучее состояние.
Из-за этой особенности термореактивные пластмассы не могут подвергаться повторной переработке. Также их нельзя сваривать и формовать в нагретом состоянии — при перегреве молекулярные цепочки распадаются и материал разрушается.
Эти материалы являются достаточно термостойкими, поэтому их используют, например, для производства деталей картера в подкапотном пространстве. Из армированных (например стекловолокном) реактопластов производят крупногабаритные наружные кузовные детали (капоты, крылья, крышки багажников).
К группе реактопластов относятся материалы на основе фенол-формальдегидных (PF), карбамидо-формальдегидных (UF), эпоксидных (EP) и полиэфирных смол.
Эластомеры — это пластмассы с высокоэластичными свойствами. При силовом воздействии они проявляют гибкость, а после снятия напряжения возвращают исходную форму. От прочих эластичных пластмасс эластомеры отличаются способностью сохранять свою эластичность в большом температурном диапазоне. Так, например, силиконовый каучук остается упругим в диапазоне температур от -60 до +250 °С.
Эластомеры, так же как и реактопласты, состоят из пространственно-сетчатых макромолекул. Только в отличие от реактопластов, макромолекулы эластомеров расположены более широко. Именно такое размещение обуславливает их упругие свойства.
В силу своего сетчатого строения эластомеры неплавки и нерастворимы, как и реактопласты, но набухают (реактопласты не набухают).
К группе эластомеров относятся различные каучуки, полиуретан и силиконы. В автомобилестроении их используют преимущественно для изготовления шин, уплотнителей, спойлеров и т.д.
В автомобилестроении используются все три типа пластиков. Также выпускаются смеси из всех трех видов полимеров — так называемые «бленды» (blends), свойства которых зависят от соотношения смеси и вида компонентов.
Определение типа пластика. Маркировка
Любой ремонт пластиковой детали должен начинаться с идентификации типа пластмассы, из которой изготовлена деталь. Если в прошлом это давалось не всегда просто, то сейчас «опознать» пластик легко — все детали, как правило, маркируются.
Обозначение типа пластмассы производители обычно выштамповывают с внутренней стороны детали, будь то бампер или крышка мобильного телефона. Тип пластика, как правило, заключен в характерные скобки и может выглядеть следующим образом: >PP/EPDM<, >PUR<,
Контрольное задание : снимите крышку своего мобильного телефона и посмотрите из какого типа пластмассы он сделан. Чаще всего это >PC<.
Вариантов подобных аббревиатур может быть множество. Все рассмотреть мы не сможем (да и нет в том необходимости), поэтому остановимся на нескольких наиболее распространенных в автомобилестроении типах пластмасс.
Примеры наиболее распространенных в автомобилестроении типов пластика
Полипропилен — РР, модифицированный полипропилен — PP/EPDM
Самый распространенный в автомобилестроении тип пластика. В большинстве случаев при ремонте поврежденных или окраске новых деталей нам придется иметь дело именно с различными модификациями полипропилена.
Полипропилен обладает, пожалуй, совокупностью всех преимуществ, какими только могут обладать пластмассы: низкой плотностью (0,90 г/см³ — наименьшее значение для всех пластмасс), высокой механической прочностью, химической стойкостью (устойчив к разбавленным кислотам и большинству щелочей, моющим средствам, маслам, растворителям), термостойкостью (начинает размягчаться при 140°C, температура плавления 175°C). Он почти не подвергается коррозионному растрескиванию, обладает хорошей способностью к восстановлению. Кроме того, полипропилен является экологически чистым материалом.
Характеристики полипропилена дают повод считать его идеальным материалом для автомобильной промышленности. За свои столь ценные свойства он даже получил титул «короля пластмасс».
На основе полипропилена изготовлены практически все бампера, также этот материал используется при изготовлении спойлеров, деталей салона, приборных панелей, расширительных бачков, решеток радиатора, воздуховодов, корпусов и крышек аккумуляторных батарей и т.д. В быту даже чемоданы изготавливаются из полипропилена.
При литье большинства вышеперечисленных деталей используется не чистый полипропилен, а его различные модификации.
«Чистый» немодифицированный полипропилен очень чувствителен к ультрафиолетовому излучению и кислороду, он быстро теряет свои свойства и становится хрупким при эксплуатации. По этой же причине нанесенные на него лакокрасочные покрытия не могут иметь долговечной адгезии.
Введенные же в полипропилен добавки — чаще в виде резины и талька — значительно улучшают его свойства и дают возможность его окрашивать.
Окрашиванию поддается только модифицированный полипропилен. На «чистом» полипропилене адгезия будет очень слабой! Из чистого полипропилена >РР< изготавливают бачки омывателей, расширительные емкости, одноразовую посуду, стаканчики и т.д.
Любые модификации полипропилена, какой бы длинной не была аббревиатура его маркировки, первыми двумя буквами обозначен все равно, как >РР…<. Наиболее распространенный продукт этих модификаций — >PP/EPDM< (сополимер полипропилена и этиленпропиленового каучука).
ABS (сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола)
ABS — эластичный, но в тоже время ударопрочный пластик. За эластичность отвечает составляющая каучука (бутадиена), за прочность — акрилонитрил. Этот пластик чувствителен к ультрафиолетовому излучению — под его воздействием пластик быстро стареет. Поэтому изделия из ABS нельзя долго держать на свету и нужно обязательно окрашивать.
Чаще всего используется для производства корпусов фонарей и наружных зеркал, решеток радиатора, облицовки приборной панели, обивки дверей, колпаков колес, задних спойлеров и т. п.
Поликарбонат — PC
Один из наиболее ударопрочных термопластов. Чтобы понять, насколько прочен поликарбонат, достаточно того факта, что это материал используется при изготовлении пуленепробиваемых банковских стоек.
Помимо прочности поликарбонаты характеризуются легкостью, стойкостью к световому старению и перепадам температур, пожаробезопасностью (это трудно воспламеняющийся самозатухающий материал).
К сожалению, поликарбонаты достаточно чувствительны к воздействию растворителей и имеют склонность к растрескиванию под воздействием внутренних напряжений.
Не подходящие агрессивные растворители могут серьезно ухудшать прочностные характеристики пластика, поэтому при покраске деталей, где прочность имеет первостепенное значение (например мотоциклетного шлема из поликарбоната) нужно быть особенно внимательными и четко следовать рекомендациям производителя, а иногда даже принципиально отказываться от окрашивания. Зато спойлеры, решетки радиатора и панели бамперов из поликарбоната можно красить без проблем.
Полиамиды — PA
Полиамиды — жесткие, прочные и при этом эластичные материалы. Детали из полиамида выдерживают нагрузки, близкие к нагрузкам, допустимым для цветных металлов и сплавов. Полиамид обладает высокой стойкостью к износу, химической устойчивостью. Он почти невосприимчив к большинству органических растворителей.
Чаще всего полиамиды используют для производства съемных автомобильных колпаков, различных втулок и вкладышей, хомутов трубок, языков замка дверей и защелок.
Полиуретан — PU, PUR
До широкого внедрения в производство полипропилена, полиуретан был самым популярным материалом для изготовления различных эластичных деталей автомобиля: рулевых колес, грязезащитных чехлов, покрытия для педалей, мягких дверных ручек, спойлеров и т.д.
У многих этот тип пластика ассоциируется с маркой Mercedes. Бамперы, боковые накладки дверц, порогов практически на всех моделях изготавливались до недавнего времени из полиуретана.
Производство деталей из этого типа пластмассы требует менее сложного оборудования чем для полипропиленовых. В настоящее время многие частные компании, как за рубежом, так и в странах бывшего Союза предпочитают работать именно с этим типом пластика для изготовления всевозможных деталей для тюнинга автомобилей.
Стеклопластики — SMC, BMC, UP-GF
Стеклопластики являются одним из важнейших представителей так называемых «армированных пластиков». Они изготавливаются на базе эпоксидных или полиэфирных смол (это реактопласты) со стеклотканью в качестве наполнителя.
Высокие физико-механические показатели, а также стойкость к воздействию различных агрессивных сред определили широкое применение этих материалов во многих областях промышленности. Всем известный продукт, используемый в производстве кузовов американских минивэнов.
При изготовлении изделий из стеклопластика возможно применение технологии типа «сэндвич», когда детали состоят из нескольких слоев различных материалов, каждый из которых отвечает определенным требованиям (прочности, химстойкости, абразивоустойчивости).
Легенда о неизвестном пластике
Вот мы держим в руках пластиковую деталь, не имеющую на себе никаких опознавательных знаков, никакой маркировки. Но нам позарез нужно выяснить ее химический состав или хотя бы тип — термопласт это или реактопласт.
Потому что, если речь идет, например, о сварке, то она возможна лишь с термопластами (для ремонта термореактивных пластмасс применяются клеевые композиции). Кроме того, свариваться могут только одноименные материалы, разнородные просто не взаимодействуют. В связи с этим возникает необходимость идентифицировать пластик «no name», чтобы правильно подобрать ту же сварочную присадку.
Идентификация типа пластика — задача непростая. Анализ пластмасс производится в лабораториях по различным показателям: по спектрограмме сгорания, реакции на различные реактивы, запаху, температуре плавления и так далее.
Тем не менее, существует несколько простейших тестов, позволяющих определить приблизительный химический состав пластика и отнести его к той или иной группе полимеров. Один из таких — анализ поведения образца пластика в открытом источнике огня.
Для теста нам понадобится проветриваемое помещение и зажигалка (или спички), с помощью которой нужно осторожно поджечь кусочек испытуемого материала. Если материал плавится, значит мы имеем дело с термопластом, если не плавится — перед нами реактопласт.
Теперь убираем пламя. Если пластик продолжает гореть, то это может быть ABS-пластик, полиэтилен, полипропилен, полистирол, оргстекло или полиуретан. Если гаснет — скорее всего это поливинилхлорид, поликарбонат или полиамид.
Далее анализируем цвет пламени и запах, образующийся при горении. Например, полипропилен горит ярким синеватым пламенем, а его дым имеет острый и сладковатый запах, похожий на запах сургуча или жженной резины. Слабым синеватым пламенем горит полиэтилен, а при затухании пламени чувствуется запах горящей свечи. Полистирол горит ярко, и при этом сильно коптит, а пахнет довольно приятно — у него сладковатый цветочный запах. Поливинилхлорид, наоборот, пахнет неприятно — хлором или соляной кислотой, а полиамид — горелой шерстью.
Кое-что о типе пластика может сказать и его внешний вид. Например, если на детали наблюдаются явные следы сварки, то оно наверняка изготовлено из термопласта, а если имеются следы снятых наждаком заусенцев, значит это термореактивная пластмасса.
Также можно провести тест на твердость: попробовать срезать небольшой кусочек пластмассы ножом или лезвием. С термопласта (он более мягкий) стружка будет сниматься, а вот реактопласт будет крошиться.
Или еще один способ: погружение пластика в воду. Этот метод позволяет довольно просто определить пластики, входящие в группу полиолефинов (полиэтилен, полипропилен и др.). Эти пластмассы будут плавать на поверхности воды, так как их плотность почти всегда меньше единицы. Другие полимеры имеют плотность больше единицы, поэтому они будут тонуть.
Эти и другие признаки, по которым можно определить тип пластика, представлены ниже в виде таблицы.
P.S. В мы уделим внимание вопросам подготовки и покраски пластиковых деталей.
Бонусы
Полноразмерные версии изображений откроются в новом окне при нажатии на картинку!
Расшифровка обозначения пластмасс
Обозначения наиболее распространенных пластиков
Классификация пластиков в зависимости от жесткости
Основные модификации полипропилена и области их применения в автомобиле
Методы определения типа пластмассы
