Полімерні матеріали



Скачати 463.61 Kb.
Сторінка2/3
Дата конвертації09.12.2016
Розмір463.61 Kb.
1   2   3

Термостійкі пластики. У цих полімерах феніленові ланки чергуються із гнучкими ланками (амідними, сульфідними й ін.). Температура їх експлуатації досягає 400°С. Крім полімерів із гнучкими ланками, є полімери із твердими ланцюгами, у які вводять стійкі гетероцикли. Циклічні структури стійкі до 600°С і вище.

Практичний інтерес мають ароматичні поліаміди, поліфеніленоксид, полісульфон і гетероциклічні полімери – поліаміди, полібензімідазоли.

Ароматичний поліамід – фенілон – містить фенільні радикали, з'єднані групами –NН–СО–. Це лінійний гетероланцюговий полімер, здатний кристалізуватися та довгостроково працювати при температурі 250–260ºС (tпл=430°С). Фенілон морозостійкий (навіть при температурі рідкого азоту), має підвищену радіаційну, хімічну стійкість та зносостійкість. З фенілону виготовляють підшипники, ущільнювальні деталі, зубчасті колеса, радіодеталі. З нього одержують плівки, волокна, папір (номекс).

Арилокс-поліфеніленоксид – простий ароматичний поліефір, аморфний, важко кристалізується, за термічною стабільністю поступається фенілону. Його можна довгостроково застосовувати при температурах 130–150°С. Має високу хімічну стійкість, низьке водопоглинання, гарні фізико-механічні характеристики. З поліфеніленоксиду виготовляють деталі устаткування, хірургічні інструменти, ізоляцію на високочастотних установках.

Полісульфон – простий ароматичний поліефір, у макромолекулах якого між феніленовими групами є ланки –SO2– (підвищують стійкість до нагрівання), групи –О–, –С(СН3)2– (зменшують жорсткість). Це аморфний полімер. Матеріал термічно стабільний, хімічно стійкий, за механічними властивостями близький до поліфеніленоксиду. Полісульфон застосовують у вигляді плівок, литих виробів і покриттів для експлуатації при температурі від -100 до 175°С (в інертній атмосфері до 400°С). З нього виготовляють деталі автомобілів, верстатів, побутових машин, електротехнічних виробів.

Полііміди – ароматичні гетероциклічні полімери. Ланцюг макромолекул містить амідні цикли та ароматичні ядра, з'єднані гнучкими зв'язками – О–, –СО–. Залежно від структури полііміди можуть бути термопластичними та термореактивними. Найбільше практичне застосування одержали лінійні полііміди. Полііміди відрізняються високими механічними та електроізоляційними властивостями, широким діапазоном робочих температур (від -200 до 300°С), стійкістю до радіації. На їх основі одержують плівки, що за міцністю не поступаються лавсановим. Вони стійкі до дії розчинників, мастил, слабких кислот, руйнуються при тривалому впливі киплячої води та водяного пару, можуть довгостроково працювати у вакуумі при високих температурах. Полііміди мають високі механічні властивості, стійкі до стирання, мають низький коефіцієнт тертя. Їх використовують як матеріал конструкційного, антифрикційного та електроізоляційного призначення.

Полібензимідазоли є ароматичними гетероциклічними полімерами. В основному ланцюзі макромолекул містяться бензимідазольні цикли. Полімери можуть мати кристалічну або аморфну будову, бути термопластичними та термореактивними. Зшита структура виникає при введенні агентів, що зшивають. Полібензимідазоли мають високу термостійкість (температура розкладання на повітрі 300–600ºС), добрі діелектричні властивості та міцність.

Волокна вогнестійкі та термостійкі. Полібензимідазоли застосовують у вигляді плівок, волокон, тканин для спеціальних костюмів. Композити на основі полібензимідазолів можуть використовуватися як абляційні термозахисні матеріали. Одержують також композитні антифрикційні матеріали, що мають високу термостійкість і самозмащувальні властивості.



Газонаповнені пластмаси. Газонаповнені пластмаси складаються із твердого полімеру сполучного, який утворює стінки комірок або пор, наповнених газом-наповнювачем. Використовують як термореактивні, так і термопластичні полімери. Така структура обумовлює надзвичайно малу густину і високі теплозвукоізоляційні характеристики. Газонаповнені пластмаси поділяють на пінопласти, поропласти та стільникопласти.

Пінопласти – матеріали, де газоподібні наповнювачі ізольовані один від одного тонкими шарами полімеру. Загальна густина пінопластів коливається від 20 до 300 кг/м3. Замкнено-пориста структура забезпечує добру плавучість і високі теплоізоляційні властивості. Коефіцієнт теплопровідності низький (від 0,003 до 0,007 Вт/ м•К). Міцність пінопластів невисока і залежить від густини матеріалу.

Найбільш поширеними термопластичними пінопластами є пінополістирол і пінополівінілхлорид, які можуть використовуватися при температурах – 60°С. Термореактивні пінопласти на основі фенолоформальдегідної смоли та фенолокаучукові працюють до температур 120–160оС, а пінопласт на кремнієорганічній основі короткочасно витримує температуру 300оС. Застосовують для теплоізоляції приміщень, холодильників, труб, для додавання плавучості. Пінопласт, як легкий заповнювач, підвищує питому міцність, твердість і вібростійкість конструкцій. М'які й еластичні пінопласти застосовують для амортизаторів, м'яких сидінь, губок.

Пінопласти застосовують для теплоізоляції кабін, контейнерів, приладів, холодильників, рефрижераторів, труб тощо. У будівництві їх використовують під час виробництва важкозатоплюваних виробів, а в радіо- і електронній техніці для заливання деталей, тому що пінопласт підвищує питому міцність, твердість і вібростійкість силових елементів конструкцій.

У поропластах (губчастих матеріалах) з відкритою пористою структурою газоподібні включення вільно сполучені одне з одним і навколишньою атмосферою. Унаслідок такої структури вони мають значне водопоглинання.

Поропласти при звичайних температурних умовах мають добре звукопоглинання, так, наприклад, пористий поліуретан (поролон) щільністю 30–75 кг/м3 при товщині 50 мм має коефіцієнт звукопоглинання 0,9 на частоті 500 Гц. Поролон застосовують під час виготовлення амортизаторів, м'яких сидінь, а в будівництві – у вигляді плит і шкарлуп для утеплення стін і покриттів, теплоізоляції промислового устаткування й трубопроводів при температурах до 60°С.

Стільникопласти виготовляють із тонких гофрованих листових матеріалів (різні тканини, просочені фенолоформальдегідним, поліімідним або іншим сполученням), які склеюють у вигляді стільникової структури. Стільникопласти використовують як легкі заповнювачі в панелях, що складаються із шарів стільникопластів та приклеєної до них несучої обшивки. Стільникопласти мають високі теплоізоляційні та електроізоляційні властивості. Їх застосовують для виготовлення панелей в авіа- і суднобудуванні, для несучих конструкцій, при створенні зовнішнього теплозахисту та теплоізоляції космічних кораблів, посудин у кріогенній техніці, в антенних обтічниках літаків та ін.

Застосування полімерів. Відносно невелика густина пластмас спричиняє те, що вироби з них є надзвичайно легкими. Пластмаси виявляють досконалі термо- й електроізоляційні властивості, а деякі полімери, навпаки, можна застосовувати як електропровідники. Полімери стійкі до різних корозивних середовищ, які зумовлюють корозію багатьох інших матеріалів. Деякі пластмаси прозорі, завдяки чому їх можна використовувати у виробництві оптичних пристроїв. Пластмасам легко надавати різноманітної бажаної форми, а також з’єднувати з іншими матеріалами. Якщо ж властивості пластмаси не відповідають певним вимогам, їх можна модифікувати, застосовуючи різного виду додатки, наприклад, зміцнювальними наповнювачами, пігментами, пластифікаторами, засобами спінювання.

Виняткова різнобічність пластмас дозволяє застосовувати їх щораз частіше у будівництві, транспорті, електричній і електронній промисловості, сільському господарстві, медицині чи спорті. Можливості їх застосування практично не обмежені. Вони є матеріалами, що дозволяють розв’язувати проблеми відповідно до різноманітних ужиткових потреб, становлять практично не обмежене джерело інновацій у різних секторах промисловості та життєдіяльності.

Протягом багатьох років люди використовували вживані матеріали для виробництва нових виробів. Це пов’язано з малим промисловим виробництвом. Прикладом можуть бути мечі, перековані на орала. Також більшість збудованих у Європі у Х та ХІ столітті церков було зведено на фундаментах попередніх конструкцій V–VI сторіч. Лише промислова революція ХІХ сторіччя, і, зокрема, можливості синтезу матеріалів і виробництва полімерів у ХХ столітті зумовили різке зростання відходів і скорочення циклу придатності продуктів.

Важливим елементом розвитку полімерних матеріалів є нешкідливість сировини на кожному етапі виробництва, переробки й утилізації. У наш час щораз більшу вагу звертають на екологічний візерунок матеріалу, зокрема на використання полімерних відходів, а також відновлюваної сировини рослинного походження.

Проектування і вибір матеріалів мають бути реалізовані з урахуванням кінцевого етапу їх циклу життя. Тобто шляхом вказання способу розпаду, рециклювання або утилізації. Частина біопохідних пластмас можуть підлягати біодеградації, тобто розпаду під впливом ензиматичної дії організмів протягом короткого часу. Застосування біодеградованих матеріалів – це розв’язання проблем утилізації відходів через швидку й екологічну утилізацію в процесі компостування. Збільшення сортаменту пластмасових виробів та винаходження нових композицій для виготовлення пластмас зумовлює нагромадження великої кількості відходів як у формі вжитих виробів, так і у вигляді технологічних відходів чи упаковок. Велика кількість відходів із пластмас, а також їх різноманітність, утруднюють їх повторне використання у вигляді сировини чи матеріалів.

Тому виробники пластмас, які створюють або можуть створювати відходи, повинні таку діяльність планувати, проектувати і виконувати так, щоб:

− запобігати утворенню відходів або обмежувати їх кількість і негативну дію на середовище при виробництві виробів, під час і після завершення їх використання;

− забезпечувати відновлення згідно з принципами охорони середовища, якщо не вдалося запобігти утворенню відходів;

− забезпечувати знешкодження відходів згідно з принципами охорони середовища, утворенню яких не вдалося запобігти або не вдалося їх переробити.

До сучасних технологій, метою яких є забезпечення рециклювання полімерних матеріалів, належать:

− матеріальна переробка матеріалів відпрацьованих виробів;

− переробка сировини термічними і хімічними методами;

− використання відходів як палива (термічна переробка);

− компостування виробів з полімерів, що деградують;

− проектування виробів, що полегшує їх подальшу переробку;

− радіаційна обробка.



Матеріальна переробка, або механічна, полягає у безпосередній переробці відходів без застосування хімічних процесів, з отриманням матеріалу, який буде використовуватись як повновартісна сировина для подальшої переробки. Отримані вироби можуть бути додатковою сировиною для нових виробів. Важливою умовою ефективності застосування цього методу є правильна сегрегація відходів як комунальних, так і промислових. Наприклад, при демонтажі автомобілів це може бути полегшено правильним маркуванням виробів згідно зі стандартами ІSO 1043. Таке маркування – це знак, що становить замкнений цикл, що означає систему «cтворення – застосування – утилізація» з вказанням матеріалу, з якого виготовлений виріб (рис. 1.89).

При утилізації вторинної полімерної сировини з метою створення маловідходних технологій та зниження навантаження на довкілля особливу роль в організації збору вибулих з ужитку полімерів та їх сортуванні має екологічне маркування. Європейський Союз ще не має єдиного уніфікованого екомаркування. Екологічне маркування, що наноситься на полімерну упаковку, зараз поділяють на групи. Наприклад, до знаків, що означають ступінь екологічності товару та упаковки відносять: «Голубий ангел» (Німеччина), «Білий лебідь» (скандинавські країни), «Еко-знак» (Японія), а також екологічні знаки різних фірм, що виготовляють товари і хочуть зробити свій внесок в охорону довкілля (рис. 1.90). Право на використання цих знаків проводиться на конкурсній основі або через продаж, що є вагомою фінансовою основою для багатьох виробників.



PET PE-HD PVC
PE-LD PP PS О

Рис. 1.89. Приклади маркування виробів з полімерів (О- інші пластмаси)
экология и утилизация полимерной упаковки экология и утилизация полимерной упаковки экология и утилизация полимерной упаковки экология и утилизация полимерной упаковки экология и утилизация полимерной упаковки экология и утилизация полимерной упаковки экология и утилизация полимерной упаковки
Рис. 1.90. Знаки екологічності продукції
Деякі знаки закликають до збереження природного середовища (рис. 1.91). Їх наносять на упакування товарів загального вжитку.

экология и утилизация полимерной упаковки  экология и утилизация полимерной упаковки

Рис. 1.91. Знаки, що закликають берегти довкілля

Для позначення виробів, що несуть небезпеку для морської флори та фауни при перевезенні їх морськими шляхами, або є небезпечними для навколишнього середовища законодавством ЄС розроблена окрема група знаків (рис. 1.92).



экология и утилизация полимерной упаковки экология и утилизация полимерной упаковки
Рис. 1.92. Знаки, що вказують на небезпеку для довкілля
В Україні екомаркування не набуло ще широкого застосування. Але в останні роки все більше виробників на своїй продукції застосовує зображення екологічних знаків, що супроводжуються відповідними написами. Це значно розширює знання користувачів про продукцію і полегшує переробку використаних упаковок.

Сировинна переробка полягає у деградації макрочастинок на фракції з меншою частинковою масою (наприклад, методами гідролізу, алкоголізу, сольволізу), які можуть бути повторно використані як мономери або сировина для виготовлення інших або таких самих хімічних продуктів, з яких їх отримали. Такій переробці можуть підлягати полімерні композити незалежно від виду використаного полімеру, наповнювачів або домішок. Цей метод не потребує початкової сегрегації відходів, їх миття або усунення інших органічних речовин. Проте істотно обмежує у поширення цієї групи методів переробки необхідність застосування складних установок високих температур і тиску, каталізаторів і докладний контроль параметрів переробки.

Одним із перспективних методів переробки використаних полімерних матеріалів є піроліз. Під час цього процесу матеріал підлягає термічному розпаду за відносно низької температури в закритій камері печі у захисній атмосфері, наприклад, в азоті. Температури й умови спалювання вибирають таким чином, щоб полімерна матриця розклалася на олію та газ, а волокно, у разі композиційних матеріалів, лишилося неушкодженим.

Форсованим способом знищення полімерних відходів з використаних виробів з полімерів є їх радіаційна обробка. Необхідний результат при цьому досягають при використанні гамма-випромінювання, нейтронів та бета-частинок, енергія яких значно перевищує енергію хімічних зв’язків макромолекул. При радіодеструкції полімерів утворюються високомолекулярні й олігомерні вільні радикали, що легко взаємодіють з киснем повітря, ініціюючи ланцюгові реакції фото- та термоокислювальної деструкції. Це приводить до руйнування полімерів.

Істотною перевагою термопластичних пластмас і композиційних матеріалів, що містять натуральні волокна, є можливість їх легкої утилізації порівняно з композитами зі скляним або вугільним волокном. Унаслідок дії на полімерні матеріали різних факторів природного та техногенного характерів макромолекула розпадається на низькомолекулярні продукти, такі, як спирти, ефіри, кислоти і карбонільні сполуки, які потім природним способом залучаються до природних та біологічних циклів кругообігу речовини, при цьому не завдаючи шкоди навколишньому середовищу. З точки зору енергетичної вартості такого процесу теплоти спалювання біополімерів, петрохімічних полімерів та традиційних палив приблизно на одному рівні (рис. 1.93).



Рис. 1.93. Теплота спалювання полімерів порівняно з традиційними полімерами і паливами
Полімери з несегрегованих або забруднених комунальних відходів є специфічним паливом, яке дозволяє утилізувати відходи з макулатури, упакування, текстилю і навіть скла. Це вказує на потребу будування в Україні багатьох підприємств термічної утилізації відходів.

Проблема переробки полімерних матеріалів також може бути розв’язана шляхом проектування виробів, яке полегшуватиме їх подальшу переробку. Раніше при проектуванні і виробництві виробів брали до уваги такі критерії, як, безпека, функціональність, конкурентоспроможність і зовнішній вигляд. Зараз перед конструкторами ставлять додаткові вимоги:

− заощадження матеріалів і енергетична ефективність переробки;

− уникнення виготовлення і використання виробів із сумішей багатьох матеріалів;

− простий спосіб монтажу і демонтажу елементів конструкцій;

− вибір відповідного матеріалу з точки зору наступної переробки;

− відповідне маркування виробів;

− застосування в одній конструкції сумісних полімерів для полегшення наступної матеріальної переробки;

− збільшення часу життя виробів шляхом підвищення їх якості;

− застосування матеріалів з відновлюваної сировини;

− проектування матеріалів, при виробництві яких нема шкідливих виділень.

Одним із найголовніших завдань переробки є мінімалізація відходів виробництва. Спосіб монтажу конструкцій повинен забезпечувати її легкий і швидкий демонтаж. Відповідно обрана технологія з’єднання скорочує час демонтажу. Необхідно відмовлятись від металевих елементів і клейових з’єднань. Вибираючи матеріали на певний виріб, необхідно враховувати його здатність до повторної переробки. Потрібно також обмежувати кількість видів матеріалів, з яких виробляють об’єкт, що збільшує ефективність відновлення матеріалів високої чистоти. Форма виробу з матеріалу, призначеного для переробки, повинна забезпечити мінімалізацію кількості використаного матеріалу.

Можна виділити різні етапи циклу життя виробу, перш ніж буде ухвалено рішення про його виведення з ужитку:


  • фізичний – час, протягом якого виріб може використовуватися без ремонту;

  • функціональний – час, протягом якого є сенс використання виробу;

  • технічний – час технологічно обґрунтованого життя;

− економічний – час, протягом якого розвиток технології пропонує ту саму функціональність за меншу вартість;

− правничий – час, протягом якого нові стандарти і норми обмежують застосування виробу;

− втрата зовнішнього вигляду – час, протягом якого зміни в уподобаннях, моді, естетиці, преференціях стають причиною завершення використання виробу.

Виріб, закінчуючи «життя», повинен бути кваліфікований до одного зі способів утилізації: повторне вживання, матеріальна переробка, спалювання з отриманням енергії, компостування деградованих матеріалів, сировинна переробка, вивезення на сміттєзвалища, що необхідно застосовувати у виняткових випадках.

Прикладом такого підходу є проектування і виробництво пляшок для напоїв з поліетилену (РЕТ). Зокрема недоцільно додавати до їх складу при виробництві елементи іншого виду пластмас (наприклад, полівінілхлориду), у виробництві поліетилен розкладається з виділенням SiC та НС1, що є причиною небажаних хімічних реакцій. Крім того, паперові етикетки або стретч-плівки на пляшках при митті потребують додаткової фільтрації матеріалу. Клеї розчиняються і заважають переробці, а також погіршують механічні властивості переробленого матеріалу.

Важливо, щоб переробка не тільки була обов’язком, але й сприяла ринковій діяльності, була економічно доцільною, мала юридичний та економічний супровід, наприклад, супроводжувалось наданням дешевих кредитів або державних допомог.

Зростання попиту на пластикові вироби має значний вплив на довкілля. По-перше, пластики виготовляють з нафти, яка є невідновлюваним ресурсом. По-друге, дуже великі труднощі, особливо в Україні, становить переробка пластмас. Термореактивні полімери взагалі не підлягають переробці, що стає дедалі більшою проблемою (наприклад, переробка автомобільних шин). По-третє, пластмаси, що не підлягають переробці, потребують значної площі на сміттєзвалищах. Це значно зменшує площу корисного використання землі. Спалювання відходів з пластмас дуже небезпечне: у повітря виділяються великі обсяги отруйних речовин, що призводить до його забруднення, а у грунт та воду потрапляє багато токсичних солей. При спалюванні відходів з пластмас значно зношуються дорогі сміттєспалювальні печі, забруднюються фільтри та газовловлювачі, що потребує їх заміни.

Біополімерні матеріали. Інтерес до біополімерних матеріалів, які розпадаються при дії на них різних мікроорганізмів, в останні роки значно зростає як в Україні, так і в інших країнах. Виготовлення матеріалів, строк служби яких можна регулювати шляхом введення спеціальних домішок, що пришвидшують розпад макромолекули полімерів, значно полегшує проблему переробки полімерів. Як домішки використовують крохмаль з кукурудзи, картоплі, рису, пшениці або інших рослин.

Молекула полісахариду крохмалю добре суміщається з макромолекулами синтетичних полімерів. Це дало можливість розробити велику групу біополімерних матеріалів різного складу та призначення. Одним із небагатьох недоліків таких матеріалів є те, що вони мають схильність до всмоктування вологи, що дещо обмежує галузі їх застосування.

При виготовленні біополімерів процеси руйнування або деструкції базового полімеру майже не пришвидшуються. Для їх інтенсифікації до матриці полімеру вводять різні домішки, що прискорюють розпад матриці під дією ультрафіолетового випромінювання. До таких домішок відносять сополімери на основі етилену та моносахариди вуглецю, вінілкетони та інші подібні матеріали (Ecoplast, Ecolyte – Канада, Bioplast, Biopol та Ecostar – Великобританія, Novon, Tone – США, Biocell – Франція). Такі сополімери отримують з біомаси бактерій певного штаму, культивують на вуглецевих живильних середовищах та варіаційним співвідношенням мономерних ланок отримують поліефірні матеріали з різними властивостями. Отримані матеріали при потребі легко розпадаються під дією біофакторів в анаеробних умовах протягом невеликого часу (від 6 тижнів до 18 місяців залежно від складу).

Вартість усіх біополімерних матеріалів визначається з урахуванням вартості вихідного базового полімеру, додаткової сировини, а також домішок та способу отримання матеріалу.



Але виготовлення біополімерних матеріалів не вирішує проблему захисту довкілля. Це пояснюється неможливістю контролю за швидкістю їх розпаду на сміттєзвалищах під дією навколишнього середовища, високою вартістю домішок, складною технологією виробництва. Крім того, незворотно втрачаються дорогі сировинні та паливно-енергетичні ресурси.


Поділіться з Вашими друзьями:
1   2   3


База даних захищена авторським правом ©divovo.in.ua 2017
звернутися до адміністрації

войти | регистрация
    Головна сторінка


загрузить материал