Что это такое и какие полимеры являются термопластичными
Это материалы на основе полиэфиров, которые размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении. Их физические состояния меняются под температурным воздействием, однако химических изменений в структуре не происходит. Процесс перехода из твердой агрегатной формы в мягкую и обратно можно повторять, но даже при нескольких переработках свойства сохраняются. Сырье не изнашивается, поддается формованию и изменению размеров.
Техническое определение: термопластичными называются полимеры, которые способны к пластическому деформированию при повторном нагреве.
Обратимость и простота восстановления — редкое свойство среди подобных веществ. Это выгодное сырье с точки зрения закупочной цены и эффективности использования. Тут применима практика сокращения отходов и безотходного изготовления за счет возможности повторной эксплуатации и переработки как можно больше того, что осталось в заводских условиях. Если правильно подобрать оборудование под вид термопласта и особенности готового изделия, можно отсечь ненужные траты на сырье, повысить объем и глубину перерабатывания.
Примеры
Неправильный выбор сырья — ловушка, которая ведет к провалу промышленного производства. Вид сырья определяет его специфические свойства и области применения.
К термопластичным полимерам относятся следующие виды материалов:
|
Полипропилен
ПП/PP
|
Полукристаллическая структура из полипропиленовых мономеров
|
Нетоксичный, легкий, но относительно прочный, устойчивый к коррозии
|
|
Поливинилхлорид
ПВХ/PVC
|
Аморфное строение из мономеров хлористого винила
|
Может быть жестким и гибким, водостойкий, долговечный, совместим с различными видами добавок
|
|
Полистирол
ПС/PS
|
Аморфная структура мономеров стирола
|
Высокая твердость, но склонен к трещинам, сравнительно невысокая термостойкость, легко окрашивается и склеивается
|
|
Полиэтилен высокой плотности ПЭВП/ПЭНД/HDPE
|
Линейная молекулярная цепь мономеров этилена с повышенной кристалличностью
|
Высокая плотность, износостойкий, диэлектрик, химически стойкий
|
|
Полиэтилентерефталат ПЭТ/PET
|
Принимает кристаллическое и аморфное состояние, образуется при полимеризации этилентерефталата
|
Твердый, ударостойкий, пластичный, диэлектрик, высокая химическая устойчивость
|
|
Полиэтилен низкой плотности
ПЭНП/ ПЭВД/LDPE
|
Низкая кристалличность из мономеров этилена
|
Прочный, но достаточно мягкий и гибкий, прозрачный, устойчивый к коррозии
|
|
Поликарбонат
ПК/PC
|
Аморфная структура из повторяющихся карбонатных групп
|
Прочный и оптически прозрачный как стекло, нетоксичный, устойчив к температурным колебаниям
|
Термопластичные полимеры – это примеры сырья, с которыми наиболее часто работают предприятия, и под работу с которыми заточены современные экструдеры, термопластавтоматы и выдувные машины.
С целью эффективного использования материала, переработчики термопластов и продавцы оборудования должны подкреплять экспертизу друг друга. В то время как производственник разбирается в технологиях и характеристиках своих изделий, поставщик подкован в технической части, сможет оценить перспективу покупки, дать нужные цифры о производительности и энергоэффективности, подключить инженера и в итоге предложить машину или линию под конкретный проект.
Экспертность поставщика — неизменная константа успеха и устойчивости производства как на этапе запуска с нуля, так и при поддержке в процессе модернизации или изготовлении нового продукта.
Какую структуру имеют термопластичные полимеры
Длинные линейные и разветвленные молекулярные цепи с разной степенью упорядоченности молекул внутри и разнообразными межмолекулярными силами. Именно эти они имеют температурную зависимость и наделяют вещества свойствами. Особенности строения являются критерием разделения термопластов на две фазовые группы.
Классификация
Делятся на две категории, рассмотрим их ниже.
Аморфные
Имеют длинные хаотичные молекулярные цепи: они не могут установиться в упорядоченную структуру. Подобную полимерную модель можно сопоставить с комком ваты. Отсутствие кристаллических областей приводит к образованию пустых пространств, снижению плотности и термостойкости.
В нормальном состоянии это твердые вещества, гибкость увеличивается под влиянием температур. Вследствие внутренней беспорядочности они не кристаллизуются, они более хрупкие и менее прочные, прозрачные и через них легко проходят лучи света.
Данное строение имеют:
- поликарбонат (ПК);
- полистирол (ПС);
- поливинилхлорид (ПВХ).
Возможные результаты их переработки — теплицы, перегородки, бутыли для воды, одноразовая посуда, емкости для еды, трубы и фитинги, стройматериалы, рекламные вывески.
С частичной кристаллизацией
Содержат участки с упорядоченными молекулами — это небольшие кристаллические области, называемые кристаллитами, которые сменяются аморфными фазами.
Такая модель вызывает большее межмолекулярное взаимодействие с последующим увеличением плотности полимера, повышением термостойкости и снижением скорости охлаждения при затвердевании, увеличением сопротивления к деформации. Данные вещества всегда полупрозрачны или непрозрачны, поскольку между молекулами мало или нет места для прохождения света. Прозрачность увеличивается по мере уменьшения кристалличности.
К данной классификации относятся:
- полипропилен (ПП);
- полиэтилентерефталат (ПЭТ);
- полиэтилен (ПЭ).
Примеры изделий:
- упаковочный материал;
- медицинские товары;
- объемная полая тара;
- преформы;
- автомобильные детали;
- стройматериалы.
Изменение характеристик под влиянием нагрева
Свойства, характерные для термопластичных полимеров, непостоянны и существенно зависят от температуры их использования. У каждого свой температурный диапазон, в котором он меняет свое физическое состояние.
Для нетермостойких необходимо 60-70 °С, более теплостойкие начинают работать при 150-250 °С, и это не предел. К примеру, в инновационной высокотемпературной 3D печати используют термопласт PEEK при 400 °С.
Посмотрите на некоторые интересные особенности того, как различные по составу материалы находят новую область назначения.
Термопластичные полимеры при нагревании: определение и применение
- ПВХ — полукристаллическое вещество с низкой термической стабильностью до +60 °С. Применяется в трубах, но его следует избегать в системах горячего водоснабжения. Вариантное вещество, такой как хлорированный поливинилхлорид (ХПВХ), имеет другую нагревостойкость: труба ХПВХ лучше проводит тепло, выдержит температуру порядка 90 °С и не «провиснет» при циркуляции горячей воды. Характеристики поменяются, если из состава исключить пластификатор: непластифицированный поливинилхлорид (НПВХ, 0…+60 °С) станет жестким и пригодным для канализационных труб.
- ПЭТ — самый распространенный среди полиэфиров с высокой химической устойчивостью, но теплостойкостью до +60 °С, полиэтилентерефталат «не любит горячее». Из ПЭТ-преформы получаются идеальные тонкостенные бутылки, но при нагреве они размягчаются и деформируются. Поэтому ПЭТ-тара подходит для холодного розлива (масел, соусов, косметики). Впрочем, молекулярные свойства ПЭТ можно модифицировать: повысив кристалличность, выйдет более устойчивый полимер к тепловому воздействию.
- ПЭ — лидер в производстве упаковки — невысокая теплостойкость (до +60-90 °С) полиэтилена не позволяет использовать изделия из него при высоком нагреве: полиэтиленовые пленка, игрушка, труба или арматура плавятся и теряют форму.
Очевидно, чем выше температурные качества сырья, тем больше требуется энергии, чтобы получить готовый продукт, и сам процесс изготовления дольше. Поэтому важно учитывать потенциал энергосбережения оборудования.
Характеристики
Говоря об особенностях материалов, следует иметь в виду то, как они реагируют на разные рабочие среды и как проявляют себя.
Физические свойства и состояния термопластичных полимеров
Кроме агрегатных и фазовых признаков можно выделить физические сущности. Так, аморфный пластик эксплуатируют в трех состояниях с соответствующими механическими качествами — стеклообразном (твердом), высокоэластическом (промежуточном мягком) и вязкотекучем (высоковязкой жидкой субстанции).
Стойкость к химическим средам
При контакте с агрессивными средами — кислотами, растворами щелочей и окислителей, растворителями — кристаллические материалы остаются прочными, и напротив низкая хим стойкость порой становится слабым местом веществ и сопровождается деструкцией.
К термопластичным полимерам относится и понятие коррозионной стойкости. Они считаются наиболее прогрессивным видом. Инженеры могут рассмотреть возможность использования термопластиков для технологических трубопроводов, деталей автомобилей, декоративно-защитного слоя профлистов и металлочерепицы.
Электрические свойства
Изоляция силовых кабелей зачастую представлена термопластами благодаря их высоким диэлектрическим характеристики. При этом качества электроизоляции существенно зависят от качества их переработки. В частности, в экструзии такими факторы станут стабильность работы шнека экструдера, температурные параметры плавления и охлаждения.
Теплопроводимость
Термопластичные полимеры и пластмассы на их основе — эффективные теплоизоляторы. С этим связан важный технологический аспект: охлаждение в процессе отверждения занимает больше времени, чем у других веществ. Поэтому для организации энергоэффективной переработки используется быстрое охлаждение, часто опрыскиванием холодной водой либо с погружением в водяную ванну.
Токсичность
Термопласты могут быть потенциально или изначально токсичны или безопасны для здоровья. О безопасности отдельных термопластиков говорит их использование в производстве пищевых стаканчиков и упаковке для напитков, детских игрушек, средств личной гигиены, медицинских протезов, касок для спорта.
Область применения термопластичных полимеров
Непревзойденная широта свойств позволяет их использовать в различных отраслях промышленности. Вот некоторые из специализированных отраслей, которые могут извлечь выгоду.
- Рециклинг. Обратимость позволяет предприятиям измельчать отходы производства и повторно запускать их в работу, либо получать сырье из отходов потребления.
- Аэрокосмическая и автомобильная промышленность. Исключительное соотношение прочности, легкости и коррозионности термопластиков порой не имеет себе равных и позволяет частично отказаться от металла.
- Трубопроводная промышленность. Идеальны в изготовлении труб и арматуры для движения газа, горячей и холодной воды, где решающее значение имеют прочность, тепловые и коррозийные характеристики, длительный срок службы и минимальное техническое обслуживание.
- Медицина. Гибкость, износостойкость, герметичность некоторых термопластиков вывела на новый уровень производство расходных материалов (катетеров, трубок и шлангов, флаконов), позволила заменить стекло в изделиях и приборах, усовершенствовать лабораторное оборудование и пробирки.
Чем отличаются от термореактивных
Основное различие заключается в реакции на тепло. Это два различных класса.
Термопластичные полимеры это примеры мягких пластмасс, термореактивные — более жесткие. В основе первых лежат смолы, которые могут размягчаться при повторных нагревах. Такое превращение подобно тому, как размягчается при комнатной температуре сливочное масло и снова затвердевает в холодильнике.
В реактопласты входят смолы (вулканизированные каучуки, эпоксидные смолы, фенольные смолы), претерпевающие в условиях нагрева химические изменения и теряющие в результате этого способность к повторному использованию. Из вязкотекучего состояния они отверждаются и больше никогда не размягчаются, подобно тому, как невозможно превратить крутое яйцо в сваренное всмятку. Поэтому реактопласты называют необратимыми. К ним относятся аминопласты, фенопласты, эпоксипласты, стеклопласты и другие.
Какие полимеры, термопластичные или термореактивные перерабатывать, зависит от задач производства и полезности практического применения самого вещества. Но поскольку термопласты мягкие, они требуют относительно невысоких температур для плавления, что выгодно с точки зрения энергосбережения и сокращения производственного цикла.
Подведем итоги
Промышленность научилась качественно производить и перерабатывать различные полимеры, благодаря гибкости их макромолекулы. Этот легкий и универсальный материал способен принять габариты формы, в которую он впрыскивается в виде расплава и охлаждается, чтобы затвердеть до желаемой модели при обработке, часто с помощью процесса экструзии, литья под давлением и выдувного формования. Это определяет перспективность использования термопластов в разных сегментах полимерных производств и стабильность спроса на российских рынках сбыта, которые далеки от насыщения.
Термопластичные полимеры характеризуются простотой обработки: их высокая технологичность позволяет получить изделие за один цикл сразу в «размер», полностью автоматизировать переработку. И это более выгодный материал в сравнении с обработкой металла и дерева, когда строго регламентированы технологические процессы, предъявляются большие экологические требования, действуют запреты на экспорт и темпы сокращения производств.
Вопрос/Ответ
Какие изделия делают из термопластичных полимеров?
Они используются в изготовлении одноразовых столовых приборов и посуды, игрушек, пластиковых труб для холодного и горячего водоснабжения, полупроводников, пластиковых ящиков, строительных профилей и окон, спортивных товаров, продуктовых сумок и пакетов, упаковки, автомобильных деталей, медицинского реквизита, тканевых волокон, канистр и бутылей под жидкости, многих других товаров, которые окружают нас.
Какие вещества относятся к термопластам?
Примеры включают полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полибензимидазол, поликарбонат, акрил, нейлон и тефлон.
Какое строение у термопластичных полимеров?
По химическому составу выделяют вещества с линейной и разветвленной молекулярной структурой, которые представлены аморфной и полукристаллической фазами.
