Пластмасса - это высокопрочный, эластичный материал, который при нагревании становится мягким и пластичным. В этот промежуток времени из нее можно«слепить» практически все что угодно. После остывания изделие вновь становится твердым.
Краткая история появления
Считается, что первооткрывателем пластмассы был британский изобретатель Паркс.В 1855г. он решил чем-нибудь заменить материал бильярдных шаров. В то время они состояли из слоновой кости.
Он смешал масло камфорного дерева, нитроцеллюлозу (хлопок + азотная и серная кислота) и спирт. При нагревании получил однородную жидкую смесь, которая при охлаждении застыла и стала твердой. Это и была первая разновидность пластмассы, полученная искусственным путем из природных и химических материалов.
И только через сто лет в 1953г. немецкий профессор Штаудингер открыл синтетическую макромолекулу (молекула с очень большим количеством атомов и большой массой). Она то и стала базовой прародительницей для получения разнообразных видов промышленного пластика.
Если не вдаваться в научные подробности, новые виды пластмасс создаются следующим образом: в макромолекуле, особым образом, меняют расположение звеньев малых молекул. Эти цепочки называются полимерами. От этих «перестроений» рождаются материалы с определенными физико-механическими характеристиками.
Химики всего мира сразу, после этого открытия, стали выстраивать из этих кубиков трансформеров конструкции с ранее невиданными свойствами.
Свойства
Изделия из пластмасс имеют следующие особенности:
1. Для дизайнеров и инженеров это тот материал, из которого можно изготавливать самые сложные по форме конструкции.
2. Отличаются экономичностью в сравнении с аналогичными продуктами из других материалов. Малые энергетические затраты при производстве. Простота формовки.
3. Почти все виды палстика не нуждаются в покраске, так как они имеют свои различные цветовые гаммы.
4. У них небольшой вес.
5. Обладают высокой эластичностью.
6. Являются отличными диэлектриками (т.е. практически не проводят электрический ток).
7. Обладают низкой теплопроводностью (отличные теплоизоляторы).
8. У материалов высокий коэффициент шумоизоляции.
9. Не подвержены, в отличие от металлов коррозии.
10. Имеют хорошую устойчивость к перепадам дневных и межсезонных температур.
11. У пластиков высокая стойкость ко многим агрессивным химическим средам.
12. Они могут выдержать большие механические нагрузки.
Применение пластмасс
Пластмассы прекрасно могут заменять функции многих, более дорогих в изготовлении, металлических, бетонных или деревянных изделий.И в промышленности ив быту этот материал используется повсеместно.
1. На наземном, морском и авиационном транспорте применение пластмассовых частей и деталей машин существенно снижает их вес и стоимость.
2. В машиностроении из пластика изготавливают: технологическую оснастку; подшипники скольжения; зубчатые и червячные колеса; детали тормозных устройств; рабочие емкости и прочее.
3. В электротехнике многие виды пластмасс используют для производства корпусов приборов, изоляционного материалаи др.
4. В строительстве применяют сделанные из пластика несущие конструкции, отделочные и кровельные материалы, вентиляционные устройства, навесы, панели, двери, окна, рабочий инструмент и др.
5. В сельском хозяйстве из пластиковых полупрозрачных листов сооружают теплицы.
6. В медицине большинство аппаратов и приборов состоят из пластмассовых частей и деталей. А многие человеческие органы чаще всего заменяют их пластиковыми аналогами.
7. В быту полно изделий из пластика. Это - посуда, телевизоры, компьютеры, мобильные телефоны, обувь, одежда и др.
Маркировка пластмасс
Умение правильно расшифровывать буквенную маркировку пластика необходимо хотя бы для того, чтобы не нанести непоправимый вред здоровью при пользовании изделиями из этого материала.
Некоторые виды пластика способны медленно разрушать организм человека. Отказаться от них полностью мы не сможем, но уменьшить отрицательное влияние вполне реально.
Внимательно изучайте товар, который планируете купить. Производитель обязан маркировать свои изделия. Если специальное обозначение отсутствует — это должно вас насторожить.
Сами пластмассы не являются канцерогенами, а ими могут быть некоторые вещества в них содержащиеся. Они добавляются производителями для получения тех или иных свойств материала.
Определиться с типом пластика возможно, если на изделии имеется соответствующая маркировка. Обозначение часто наносят в виде треугольника, стороны которого состоят из трех стрелок. Под фигурой - аббревиатура, а внутри - цифра. На промышленных продуктах маркировка обычно выштамповывается в своеобразных скобках. Например, это может выглядеть так: >PCPUR >PP/EPDM
Виды и применение пластмасс
Разновидности пластика и их сфера применения основывается на том, какие полимеры являются базовыми - синтетические или природные. Эти материалы могут быть в виде термопластичных пластмасс (обратимыми по форме) и термореактивными (необратимыми).
Самыми распространенными в производстве и в быту являются следующие виды:
.(1) PET или PETE - лавсан (полиэтилентерефталат). Чаще всего используется при изготовлении упаковок, обивок и одноразовых стаканчиков для холодных напитков. Не рекомендуется повторное применение и изготовление из него детских игрушек.
.(2) HDPE или PE HD - так обозначается полиэтилен высокой плотности и полиэтилен низкого давления. Используют при изготовлении пластиковых пакетов, пищевых контейнеров, посуды, тары для моющих средств, ненагруженных деталей оборудования, покрытий, футляров и фольги. Относительно безопасен, но может выделять токсичное вещество (формальдегид).
. (3) PVC или V — это маркировка поливинилхлорида (или просто - ПВХ). Используется только в технических целях при производстве химического оборудования, различных деталей, элементов напольных покрытий, изоленты, жалюзи, мебели, окон, труб и тары. Эти виды пластмасс при сжигании выделяют много ядовитых веществ.
. (4) LDPE или PEBD - обозначение полиэтилена низкой плотности и высокого давления. Из него изготавливают пакеты, брезент, мусорные мешки, компакт-диски и линолеум. Относительно безопасен для человека, но вреден в плане экологии.
.(5) PP - маркировка полипропилена. Используют для изготовления детских игрушек, пищевых контейнеров, упаковок и медицинских шприцов. Идеальный материал для труб, элементов холодильного оборудования и деталей в автомобильной промышленности. Практически безвреден, хотя в некоторых случаях может выделяться формальдегид - ядовитый для здоровья человека газ.
.(6) PS - полистирол. Из него изготавливают сэндвич-панели, теплоизоляционные строительные плиты, оборудование, изоляционные пленки, стаканчики, чашки, столовые приборы, пищевые контейнеры, лоточки для различных видов продуктов. Не рекомендуется для повторного использования. В случае горения выделяет ядовитый стирол.
.(7) O или OTHER - полиамид, поликарбонат и другие виды пластмасс. Используют в производстве точных деталей машин, радио- и электротехники, аппаратуры, а также при изготовлении бутылок для воды, игрушек, бутылочек для детей и упаковок. При частом нагревании или мытье выделяют вещество (бисфенол А), ведущее к гормональным сбоям в человеческом организме.
В строительстве часто используют следующие виды пластика:
Это композиционный материал, созданный на основе термореактивных полимеров на основе эпоксидной смолы. Хрупкость этого пластика нивелируется волокнистыми наполнителями - стекловолокном и асбестом. Полимербетон применяется при изготовлении конструкций, стойких к различным агрессивным средам.
.Стеклопластик - листовой материал из тканей и стеклянных волокон, связанных полимером.
.Напольные материалы - это разные виды вязких жидких составов на основе полимеров и рулонные покрытия. Широко применяется в строительстве поливинилхлоридный линолеум. Он обладает хорошими теплозвукоизоляционными показателями.
К термореактивным видам пластмасс относятся:
.Фенопласт. Применяется для изготовления вилок, розеток, пепельниц корпусов сотовых телефонов, радиоприборов и изделий галантереи.
.Аминопласты. Используют в производстве электротехнических деталей, клея для дерева, пенистых материалов, галантереи и тонких покрытий для украшений.
.Стекловолокниты. Они чаще всего, применяются в машиностроении для изготовления крупногабаритных изделий несложных форм (лодок, кузовов автомобилей, корпусов приборов и пр.) и силовых электротехнических деталей.
.Полиэстеры - на их основе создают части автомобилей, спасательные лодки, корпусы летательных аппаратов, кровельные плиты для крыш, мебель, мачты для антенн, плафоны ламп, удочки, лыжи и палки, защитные каски и др.
.Эпоксидная смола - применяется как изоляционный материал: в трансформаторах, электромашинах и приборах, в радиотехнике (для печатных схем) и при производстве телефонной арматуры.
Производство
Основным сырьем при производстве пластмасс является этилен. С его помощью получают полиэтилен, полистирол и поливинилхлорид.
Нарушение технологии режима полимеризации, ухудшает качество готовой продукции. В ней могут появиться поры в виде пузырьков и разводов. Существуют следующие виды пористости пластмассы: гранулярная, газовая и пористость сжатия. Такие дефекты недопустимы при изготовлении продуктов влияющих на здоровье человека, напримерсъемных протезов. Для их изготовления используются базисные пластмассы (самотвердеющие, при смешивании специального порошка и жидкости, материалы).
Существует несколько основных технологий производства пластмассовых изделий:
1. Технология выдувания. Хорошо разогретая формовочная масса заливается в открытую опоку, после чего ее герметично закрывают. Затем туда подаетсясжатый воздух, который распыляет горячий пластик по стенкам заданной формы.
2. Формовка посредством вакуума (процесс изготовления проводится с перепадами воздушного давления).
3. Технология литья. Жидкая пластмасса заливается в специальные емкости, в которых происходит охлаждение иформовка материала.
4. Метод экструзии. Размягченную пластичную массу, продавливают через специальные отверстия в приспособление, которое формирует готовое изделие.
5. Прессование. Это самый распространенный способ получения продукции из термоактивных пластмасс. Формование выполняется в специальных опоках под воздействием высокого давления и температуры.
Тонет ли пластик в воде?
По поведению пластика в воде можно определить его вид.
Плотность воды известна - 1,10 г/куб.см. Для разных видов пластмасс она варьируется от 0,90 г/куб.см до 2,21 г/куб.см.
Легче воды только:
1. Полипропилен (0,90 г/куб.см).
2. Полиэтилен высокого давления (0,92 г/куб.см).
3. Полиэтилен низкого давления(0,96 г/куб.см).
Только эти виды пластика будут плавать, остальные пойдут ко дну.
Одним из самых тяжелых видов пластика является фторопласт с плотностью -2,20 г/куб.см.
Слово полимер широко вошло в обиход, однако, не все точно знают, что оно означает. Каждого из нас окружают предметы, сделанные из полимеров. Что это такое и чем они полезны для человека?
Сложная химия полимеров доступными словами.
Высокомолекулярные соединения, состоящие из повторяющихся мономерных звеньев, которые соединяются химическими связями или слабыми межмолекулярными силами и характеризующиеся определенным набором свойств, называют полимерами. Они бывают разного происхождения:
- Органические;
- Неорганические;
- Элементоорганические.
Основные свойства полимеров – эластичность и почти полное отсутствие хрупкости их кристаллических соединений нашли широкое применение в производстве пластиковых изделий. Под влиянием направленных механических воздействий молекулы полимеров имеют способность к ориентированию.
Разделяют полимеры и по реакции на температурные режимы – одни из них могут плавиться в процессе нагрева и возвращаться в исходное состояние при охлаждении. Эти полимеры получили название термопластичных , а ряд полимеров, которые при нагреве разрушаются, минуя стадию плавления, относят к термореактивным.
По происхождению различают полимеры природные и синтетические.
В промышленности полимерное сырье используется практически во всех областях. За счет способности некоторых полимеров после переработки принимать свои исходные свойства, существуют производства, выпускающие вторичное полимерное сырье. Используется вторичное полимерное сырье на те же цели, что и первичное, однако его применение имеет ряд ограничений для использования в пищевой и медицинской промышленности.
Первичное полимерное сырье
Рассмотрим основные характеристики некоторых видов
Полипропилен – синтетический. Вещество белого цвета, выпускается в виде твердых гранул. Имеет много модификаций, среди которых гомополимер, вспенивающийся полипропилен, каучуковый и металлоценовый полипропилен. Ссылка на каталог:
Полистирол – термопластический синтетический полимер. Твердый, стеклообразный. Хороший диэлектрик, отличается устойчивостью к радиоактивным воздействиям, инертен к кислотам и щелочным растворам (за исключением ледяной уксусной и азотной кислоты). Гранулы полистирола прозрачны и имеют цилиндрическую форму. Используются для производства различной продукции методом экструзионного выдавливания. Ссылка на каталог:
Полиэтилен низкого давления – кристаллические малопрозрачные гранулы высокой плотности. Всем известны «шумные» пакеты из ПНД, способные выдержать высокие нагрузки. Путем экструзии из него выдувают очень тонкие пленки. Ссылка на каталог:
Полиэтилен высокого давления – гранулы белого цвета с красивой гладкой глянцевой поверхностью. Имеет второе название – полиэтилен низкой плотности. Рекомендован для использования в пищевой промышленности и для изготовления изделий медицинского назначения. Ссылка на каталог:
Поливинилхлорид (ПВХ) – сыпучий порошок с размером частиц до 200 мкм. Легко перерабатывается в твердые и мягкие пластики. Используется для производства труб, пленок, линолеума и других изделий технического назначения. Ссылка на каталог:
Линейный полиэтилен высокого давления – используют для выпуска тонких эластичных упаковочных пленок и пленок для ламинирования. По свойствам занимает среднее положение между полиэтиленом низкой и полиэтиленом высокой плотности. Работы по усовершенствованию его свойств не прекращаются. Ссылка на каталог:
Вторичное полимерное сырье
На многих предприятиях с целью экономии бракованная продукция из полимерных пластиков поступает на вторичную переработку, обеспечивая безотходное производство. Наряду с этим существует целое направление бизнеса по переработке отходов во вторичные гранулы полимера для продажи. Процесс многоступенчатый, весь цикл от сбора и закупки бытовых пластиковых отходов, сортировке, промывке, дробления и переработки в гранулы довольно трудоемкий. Однако готовая продукция по своим свойствам практически не отличается от первичного сырья и успешно используется во многих производствах. Выпуск вторичного полимерного сырья – важная и нужная отрасль народного хозяйства, позволяющая сэкономить огромные средства на отсутствии необходимости утилизации отработанных пластиков.
Что выбрать?
Вопрос какое сырье выбрать стоит перед каждым производителем. И если у вторичного сырья есть очевидный плюс – низкая цена. То не менее очевидны и его минусы:
- Нестабильность свойств
- Наличие посторонних примесей
- Нет уверенности в марке полимера
Автоматически вытекают плюсы первичного полимерного сырья :
- Стабильные свойства
- Точно известна марка
- Абсолютная чистота
- Стабильные поставки
В наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!
Состав и свойства
Получение пластмасс
Пластмассы - это материалы, полученные на основе синтетических или естественных полимеров (смол). Синтезируются полимеры путем полимеризации или поликонденсации мономеров в присутствии катализаторов при строго определенных температурных режимах и давлениях.
В полимер с различной целью могут вводиться наполнители, стабилизаторы, пигменты, могут составляться композиции с добавкой органических и неорганических волокон, сеток и тканей.
Таким образом, пластмассы в большинстве случаев являются многокомпонентными смесями и композиционными материалами, у которых технологические свойства, в том числе и свариваемость, в основном определяются свойствами полимера.
В зависимости от поведения полимера при нагревании различают два вида пластмасс - термопласты, материалы, которые могут многократно нагреваться и переходить при этом из твердого в вязко-текучее состояние, и реактопласты, которые могут претерпевать этот процесс лишь однократно.
Особенности строения
Пластмассы (полимеры) состоят из макромолекул, в которых более или менее регулярно чередуется большое число одинаковых или неодинаковых атомных группировок, соединенных химическими связями в длинные цепи, по форме которых различают линейные полимеры, разветвленные и сетчато-пространственные.
По составу макромолекул полимеры делятся на три класса:
1) карбоцепные, основные цепи которых построены только из углеродных атомов;
2) гетероцепные, в основных цепях которых, кроме атомов углерода, содержатся атомы кислорода, азота, серы;
3) элементоорганические полимеры, содержащие в основных цепях атомы кремния, бора, алюминия, титана и других элементов.
Макромолекулы обладают гибкостью и способны изменять форму под влиянием теплового движения их звеньев или электрического поля. Это свойство связано с внутренним вращением отдельных частей молекулы относительно друг друга. Не перемещаясь в пространстве, каждая макромолекула находится в непрерывном движении, которое выражается в смене ее конформаций.
Гибкость макромолекул характеризует величина сегмента, т. е. число звеньев в ней, которые в условиях данного конкретного воздействия на полимер проявляют себя как кинетически самостоятельные единицы, например в поле ТВЧ как диполи. По реакции к внешним электрическим полям различают полярные (ПЭ, ПП) и неполярные (ПВХ, полиаксилонитрил) полимеры. Между макромолекулами действуют силы притяжения, вызванные ван-дер-ваальсовым взаимодействием, а также водородными связями, ионным взаимодействием. Силы притяжения проявляются при сближении макромолекул на 0,3-0,4 им.
Полярные и неполярные полимеры (пластмассы) между собой несовместимы - между их макромолекулами не возникает взаимодействия (притяжения), т. е. они между собой не свариваются.
Надмолекулярная структура, ориентация
По структуре различают два вида пластмасс - кристаллические и аморфные. В кристаллических в отличие от аморфных наблюдается не только ближний, но и дальний порядок. При переходе из вязко-текучего состояния в твердое макромолекулы кристаллических полимеров образуют упорядоченные ассоциации-кристаллиты преимущественно в виде сферолитов (рис. 37.1). Чем меньше скорость охлаждения расплава термопласта, тем крупнее вырастают сферолиты. Однако и в кристаллических полимерах всегда остаются аморфные участки. Изменяя скорость охлаждения, можно регулировать структуру, а следовательно, и свойства сварного соединения.
Резкое различие продольных и поперечных размеров макромолекул приводит к возможности существования специфического для полимеров ориентированного состояния. Оно характеризуется расположением осей цепных макромолекул преимущественно вдоль одного направления, что приводит к проявлению анизотропии свойств изделия из пластмассы. Получение ориентированных пластмасс осуществляется путем их одноосной (5-10-кратной) вытяжки при комнатной или повышенной температуре. Однако при нагреве (в том числе и при сварке) эффект ориентации снижается или исчезает, так как макромолекулы вновь принимают термодинамически наиболее вероятные конфигурации (конформации) благодаря энтропийной упругости, обусловленной движением сегментов.
Реакция пластмасс на термомеханический цикл
Все конструкционные термопласты при нормальных температурах находятся в твердом состоянии (кристаллическом или застеклованном). Выше температуры стеклования (Т ст) аморфные пластмассы переходят в эластическое (резиноподобное) состояние. При дальнейшем нагреве выше температуры плавления (T пл) кристаллические полимеры переходят в аморфное состояние. Выше температуры текучести Т T и кристаллические, и аморфные пластмассы переходят в вязкотекучее состояние Все эти изменения состояния обычно описываются термомеханическими кривыми (рис. 37.2), являющимися важнейшими технологическими характеристиками пластмасс. Образование сварного соединения происходит в интервале вязкотекучего состояния термопластов. Реактопласты при нагреве выше Т T претерпевают радикальные процессы и в отличие от термопластов образуют пространственные полимерные сетки, не способные к взаимодействию без их разрушения, на что требуется применение специальных химических присадок.
Основные пластмассы для сварных конструкций
Наиболее распространенными конструкционными пластмассами являются группы термопластов на основе полиолефинов: полиэтилена высокого и низкого давления, полипропилена, полиизобутилена.
Полиэтилен [..-СН 2 -СН 2 -...] n высокого и низкого давления - кристаллические термопласты, отличающиеся между собой прочностью, жесткостью, температурой текучести. Полипропилен [-СН 2 -СН(СН 3)-] n более температуростоек, чем полиэтилен, и обладает большей прочностью и жесткостью.
В значительных объемах используются хлорсодержащие пластики на основе полимеров и сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида.
Поливинилхлорид (ПВХ) [-(СН 2 -СНСl-)] n - аморфный полимер линейного строения, в исходном состоянии является жестким материалом При добавке к нему пластификатора можно получить очень пластичный и хорошо сваривающийся материал - пластикат. Из жесткого ПВХ - винипласта - изготавливают листы, трубы, прутки, а из пластиката - пленку, шланги и другие изделия. Из ПВХ изготавливаются также вспененные материалы (пенопласты).
Значительную группу полимеров и пластмасс на их основе составляют полиамиды , содержащие в цепи макромолекул амидные группы [-СО-Н-]. Это в большинстве кристаллические термопласты с четко выраженной температурой плавления. Отечественная промышленность выпускает главным образом алифатические полиамиды, используемые для изготовления волокон, отливки деталей машин, получения пленок. К полиамидам относятся, в частности, широко известные поликапролактам и полнамид-66 (капрон).
Наибольшую известность из группы фторлонов получил политетрафтор-этилен-фторлон-4 (фторопласт 4). В отличие от других термопластов при нагреве он не переходит в вязкотекучее состояние даже при температуре деструкции (около 415°С), поэтому его сварка требует особых приемов. В настоящее время химической промышленностью освоен выпуск хорошо сваривающихся плавких фторлонов; Ф-4М, Ф-40, Ф-42 и др. Сварные конструкции из фторсодержащих пластиков обладают исключительно высокой стойкостью к агрессивным средам и могут воспринимать рабочие нагрузки в широком диапазоне температур.
На основе акриловой и метакриловой кислоты производятся акриловые пластики . Наиболее известная в практике производная на их основе - пластмасса полнметилметакрилат (торговая марка «плексиглас»). Эти пластики, обладающие высокой прозрачностью, используются как светопроводящие изделия (в виде листа, прутков и т. д.) Нашли применение также сополимеры метилметакрилата и акрилонитрила, которые обладают большей прочностью и твердостью. Все пластики этой группы хорошо свариваются.
Хорошей прозрачностью отличается группа пластиков на основе полистирола . Этот линейный термопласт хорошо сваривается тепловыми способами.
Для изготовления сварных конструкций преимущественно в электротехнической промышленности используют сополимеры стирола с метилстиролом, акрилонитрилом, метилметакрилатом и, в частности, акрилонитрилбутадиенстирольные (АБС) пластики. Последние отличаются от хрупкого полистирола более высокой ударной прочностью и теплостойкостью.
В сварных конструкциях находят применение пластмассы на основе поликарбонатов - сложных полиэфиров угольной кислоты. Они обладают более высокой вязкостью расплава, чем другие термопласты, однако свариваются удовлетворительно. Из них изготавливают пленки, листы, трубы и различные детали, в том числе декоративные. Характерными особенностями являются высокие диэлектрические и поляризационные свойства.
Формообразование деталей из пластмасс
Термопласты поставляются для переработки в гранулах размером 3-5 мм. Основными технологическими процессами изготовления полуфабрикатов и деталей из них являются: экструзия, литье, прессование, каландрирование, производимые в температурном интервале вязкотекучего состояния.
Трубопроводы из полиэтиленовых и поливинилхлоридных труб применяют для транспорта агрессивных продуктов, в том числе нефти и газа с содержанием сероводорода и углекислоты и химических (неароматических) реагентов в химическом производстве. Резервуары и цистерны для перевозки кислот и щелочей, травильные ванны и другие сосуды облицовываются пластмассовыми листами, соединяемыми с помощью сварки Герметизация пластикатом помещений, загрязняемых изотопами, покрытие полов линолеумом также осуществляются с помощью сварки. Консервация пищевых продуктов в тубы, коробки и банки, упаковка товаров и почтовых посылок резко ускоряются с применением сварки.
Машиностроительные детали . В химическом машиностроении свариваются корпуса и лопатки различного рода смесителей, корпуса и роторы насосов для перекачки агрессивных сред, фильтры, подшипники и прокладки из фторопласта, из полистирола сваривается осветительная арматура, из капрона неэлектропроводные шестерни, валики, муфточки, штоки, из фторлона - несмазывающиеся подшипники, вытеснители топлива и т д.
Оценка свариваемости пластмасс
Основные стадии процесса сварки
Процесс сварки термопластов состоит в активации свариваемых поверхностей деталей, либо находящихся уже в контакте (), либо приводимых в контакт после ( , и т. д.) или одновременно с активизацией ( , УЗ-сварка).
При плотном контакте активированных слоев должны реализоваться силы межмолекулярного взаимодействия.
В процессе образования сварных соединений (при охлаждении) происходит формирование надмолекулярных структур в шве, а также развитие полей собственных напряжений и их релаксация. Эти конкурирующие процессы определяют конечные свойства сварного соединения. Технологическая задача сварки состоит в том, чтобы максимально приблизить по свойствам шов к исходному - основному материалу.
Механизм образования сварных соединений
Реологическая концепция . Согласно реологической концепции, механизм образования сварного соединения включает два этапа - на макроскопическом и микроскопическом уровнях. При сближении под давлением активированных тем или иным способом поверхностей соединяемых деталей вследствие сдвиговых деформаций происходит течение расплава полимера. В результате этого удаляются из зоны контакта ингредиенты, препятствующие сближению и взаимодействию ювенильных макромолекул (эвакуируются газовые, окисленные прослойки). Вследствие разности скоростей течения расплава не исключено и перемешивание макрообъемов расплава в зоне контакта. Только после удаления или разрушения дефектных слоев в зоне контакта, когда ювенильные макромолекулы сблизятся на расстояния действия Ван-дер-Ваальсовых сил, возникает взаимодействие (схватывание) между макромолекулами слоев соединяемых поверхностей деталей. Этот аутогезионный процесс происходит на микроуровне. Он сопровождается взаимодиффузией макромолекул, обусловленной энергетическим потенциалом и неравномерностью градиента температур в зоне свариваемых поверхностей.
Итак, чтобы образовалось сварное соединение двух поверхностей, необходимо прежде всего обеспечить течение расплава в этой зоне.
Течение расплава в зоне сварки зависит от его вязкости: чем меньше вязкость, тем активнее происходят сдвиговые деформации в расплаве - разрушение и удаление дефектных слоев на контактирующих поверхностях, тем меньшее давление необходимо прилагать для соединения деталей.
Вязкость расплава в свою очередь зависит от природы пластмассы (молекулярной массы, разветвленности макромолекул полимера) и температуры нагрева в интервале вязкотекучести. Следовательно, вязкость может служить одним из признаков, определяющих свариваемость пластмассы: чем она меньше в интервале вязкотекучести, тем лучше свариваемость и, наоборот, чем больше вязкость, тем сложнее разрушить и удалить из зоны контакта ингредиенты, препятствующие взаимодействию макромолекул. Однако нагрев для каждого полимера ограничен определенной температурой деструкции Т д, выше которой происходит его разложение - деструкция. Термопласты различаются по граничным значениям температурного интервала вязкотекучести, т. е. между температурой их текучести Т T и деструкции Т д (табл. 37.2).
Классификация термопластов по их свариваемости . Чем шире интервал вязкотекучести термопласта (рис. 37.3), тем практически проще получить качественное сварное соединение, ибо отклонения по температуре в зоне шва отражаются менее на величине вязкости. Наряду с интервалом вязкотекучести и минимальным уровнем в нем значений вязкости заметную роль играет в реологических процессах при образовании шва градиент изменения вязкости в этом интервале. За количественные показатели свариваемости приняты: температурный интервал вязкотекучести ΔT, минимальное значение вязкости η min и градиент изменения вязкости в этом интервале.
По свариваемости все термопластичные пластмассы можно разбить по этим показателям на четыре группы (табл. 37.3).
Сварка термопластичных пластмасс возможна, если материал переходит в состояние вязкого расплава, если его температурный интервал вязкотекучести достаточно широк, а градиент изменения вязкости в этом интервале минимальный, так как взаимодействие макромолекул в зоне контакта происходит по границе, обладающей одинаковой вязкостью.
В общем случае температура сварки назначается, исходя из анализа термомеханической кривой для свариваемой пластмассы, принимаем ее на 10-15° ниже Т д. Давление принимается такое, чтобы эвакуировать расплав поверхностного слоя в грат либо разрушить его, исходя из конкретной глубины проплавления и теплофизических показателей свариваемого материала. Время выдержки t CB определяется исходя из достижения квазистационарного состояния оплавления и проплавления либо по формуле
где t 0 - константа, имеющая размерность времени и зависящая от толщины соединяемого материала и способа нагрева; Q - энергия активации; R - газовая постоянная; Т - температура сварки.
При экспериментальной оценке свариваемости пластмасс фундаментальным показателем является длительная прочность сварного соединения, работающего в конкретных условиях по сравнению с основным материалом.
Испытываются образцы, вырубленные из сварного соединения, на одноосное растяжение. При этом временной фактор моделируется температурой, т. е. используется принцип температурно-временной суперпозиции, основанный на допущении, что при данном напряжении связь между длительной прочностью к температурой однозначна (метод Ларсона-Миллера).
Методы повышения свариваемости
Схемы механизма образования сварных соединений термопластов . Повышение их свариваемости может производиться за счет расширения температурного интервала вязкотекучести, интенсификации удаления ингредиентов или разрушения дефектных слоев в зоне контакта, препятствующих сближению и взаимодействию ювенильных макромолекул.
Возможно несколько путей:
введение в зону контакта присадки в случае недостаточного количества расплава (при сварке армированных пленок), при сварке разнородных термопластов присадка по составу должна обладать сродством к обоим свариваемым материалам;
введение в зону сварки растворителя или более пластифицированной присадки;
принудительное перемешивание расплава в шве путем смещения соединяемых деталей не только вдоль линии осадки, но и возвратно-поступательно поперек шва на 1,5-2 мм или наложением ультразвуковых колебаний. Активизация в зоне контакта перемешивания расплава может производиться после оплавления стыкуемых кромок нагревательным инструментом, имеющим ребристую поверхность. Свойства сварного соединения могут быть улучшены последующей термической обработкой соединения. При этом снимаются не только остаточные напряжения, но возможно исправление структуры в шве и околошовной зоне, особенно у кристаллических полимеров. Многие из изложенных мероприятий приближают свойства сварных соединений к свойствам основного материала.
При сварке ориентированных пластмасс во избежание потери их прочности вследствие переориентации при нагреве до вязко-текучего состояния полимера применяют химическую сварку, т. е. процесс, при котором в зоне контакта реализуются радикальные (химические) связи между макромолекулами. Химическую сварку применяют и при соединении реактопластов, детали из которых не могут переходить при повторном нагреве в вязкотекучее состояние. Для инициирования химических реакций в зону соединения при такой сварке вводят различные реагенты в зависимости от соединяемого вида пластмасс. Процесс химической сварки, как правило, производится при нагреве места сварки.
Волченко В.Н. Сварка и свариваемые материалы т.1. -M. 1991
История пластмассы очень захватывающая. Ниже приведены даты самых важных событий в истории пластика за последние 150 лет.
Обратите внимание на то, как много видов пластика имеют знакомые торговые названия, как например тефлон (Teflon) и пенопласт (Styrofoam).
Что более интересно, так это то, сколько известных видов пластика на самом деле были обнаружены случайно!
Ранние годы пластика
- 1862 г - открытие паркезина . Паркезин - первый искусственный пластик, который был создан Александром Парксом в Лондоне и представлял собою органический материал, полученный из целлюлозы. После нагревания и предания формы его охлаждали и он сохранял полученную форму;
- 1863 г – открытие нитрата целлюлозы или целлулоида . Материал был открыт Джоном Уэсли Хайатом, когда он пытался найти замену слоновой кости в бильярдных шарах. Целлулоид (Celluloid) стал известен как материал, использующийся в первой гибкой кинопленке для фотографии и кино;
- 1872 г - открытие поливинилхлорида (ПВХ) . Впервые поливинилхлорид был создан немецким химиком Евгением Бауманом, который так и не запатентовал свое открытие. В 1913 году его соотечественник Фридрих Клатте изобрел новый метод полимеризации винилхлорида с использованием солнечного света. Именно он стал первым изобретателем, который получил патент на поливинилхлорид. Тем не менее, применятся ПВХ стал только после того, как в 1926 году Вальдо Семон усовершенствовала материал.
Период перед Второй мировой войной
- 1908 г - открытие целлофана ®. В 1900 году швейцарского инженера текстильной промышленности Жака Э. Бранденбергера впервые посетила мысль создать прозрачный, защитный материал для упаковки . В 1908 году он разработал первую машину по производству прозрачных листов регенерированной целлюлозы. Первым клиентом Жака стала американская компания по производству конфет «Whitman’s», которая решила использовать целлофан для обертывания шоколада;
- 1909 г - открытие бакелита . Бакелит (полиоксибензилметиленгликольангидрид) был одним из первых видов пластика, изготовленных из синтетических компонентов. Он был разработан химиком Лео Бекеландом, уроженцем Бельгии, проживавшим в Нью-Йорке. Бакелит, фенолформальдегидная термореактивная смола, благодаря его низкой электрической проводимости и термостойким свойствам применяется в электрических изоляторах , корпусах для радио и телефонов и в таких разнообразных изделиях, как посуда, ювелирные изделия, трубы и детские игрушки;
- 1926 г
- открытие винила или ПВХ
. Винил был изобретен в США Вальтером Симоном, исследователем из компании по производству компонентов для самолетов «B.F. Goodrich». Впервые материал был использован в шарах для гольфа и каблуках. Сегодня винил является вторым самым производимым пластиком в мире
и используется во многих изделиях, таких как занавески для душа, плащи, провода, различные приборы, напольная плитка, краски и поверхностные покрытия;
- 1933 г - открытие поливинилиденхлорида (ПДВХ/PVDC) или сарана (Saran) . Материал был случайно обнаружен Ральфом Вайли в лаборатории американской химической компании «Dow Chemical» и был впервые использован военными для покрытия им истребителей для защиты от соленой морской воды. Производители автомобилей также использовали поливинилиденхлорид в качестве обивочного материала. После Второй мировой войны компания нашла способ избавиться от зеленого цвета и неприятного запаха сарана и, таким образом, его одобрили для изготовления в качестве упаковочного материал для пищевых продуктов . В 1953 году его стали продавать под торговым именем «Saran Wrap»®;
- 1935 г - открытие полиэтилена низкой плотности (ПЭВД/LPDE) . Этот материал был обнаружен Реджинальдом Гибсоном и Эриком Фосеттом в лаборатории британского промышленного гиганта «Империя химической промышленности» (Imperial Chemical Industries) в двух видах: полиэтилен низкой плотности (ПЭВД /LDPE) и полиэтилен высокой плотности (HDPE/ПЭНД) . Полиэтилен является дешевым, гибкий, прочный и химически стойким материалом. ПЭВД используется для изготовления пленок и упаковочных материалов , в том числе и полиэтиленовых пакетов. ПЭНД чаще всего используется для изготовления контейнеров, сантехники и автомобильных запчастей ;
- 1936 г - открытие полиметилметакрилата (ПММА) или акрила . К 1936 году американские, британские и немецкие компании производили полиметилметакрилат, более известный как акрил. Хотя акрил в наши дни широко применяется в жидком виде красках и синтетических волокнах, в твердом виде он довольно крепкий и более прозрачный, чем стекло. Торговые марки «Plexiglas» и «Lucite» продают акрил как заменитель стекла ;
- 1937 г
- открытие полиуретана
. Полиуретан - органический полимер , который был изобретен химиком Отто Байером из немецкой компании «Фридрих Байер и Компания». Полиуретаны используются в виде эластичного пенопласта в обивке, матрацах, затычек для ушей, химически стойких покрытиях, в специальных клеях, в герметиках и упаковке. В твердой форме полиуретан используется в материалах для термоизоляции зданий
, в водонагревателях, при рефрижераторных перевозках, при коммерческих и некоммерческих охлаждениях. Полиуретаны продаются под торговыми названиями «Igamid»® в качестве пластмассовых материалов и «Perlon»® в качестве волокон;
- 1938 г - первое применение полистирола . Полистирол был впервые обнаружен в 1839 году немецким аптекарем Эдуардом Симоном, но его начали применять только в 1930-х годах, когда ученые из самой крупной химической компании в мире «BASF» разработали коммерческий способ изготовления полистирола. Полистирол является прочным пластиком, который можно изготавливать литьем под давлением, прессованием, экструзией или формованием с раздувом. Материал широко применяется в пластиковых стаканах, картонных коробках для яиц, в упаковках для арахиса, а также в строительных материалах и электроприборах ;
- 1938 г - открытие политетрафторэтилена (ПТФЭ) или тефлона . Полимер был открыт случайно химиком Ройем Планкеттом, работавшим тогда на американскую химическую компанию «DuPont». ПТФЭ был одним из самых широко применяемых пластиков на войне, который (совершенно секретная информация!) наносили на металлические поверхности в качестве защитного покрытия с низким коэффициентом трения для предотвращения царапин и коррозии. В начале 1960-х годов огромной популярностью стали пользоваться тефлоновые антипригарные сковороды. ПТФЭ был позже использован для синтеза первых мембранных тканей «Gore-Tex». Смешивая тефлон с соединениями фтора, получают материал, который используется для изготовления ложных ракет, чтобы отвлечь ракеты с тепловым наведением;
- 1938 г - открытие нейлона и неопрена . Оба материала были разработаны Уоллесом Каротерсом, когда его команда исследователей из компании «DuPont» пыталась найти синтетическую замену шелку. Неопрен, синтетический каучук, был впервые изготовлен в 1931 году. Дальнейшие исследования полимеров привели к развитию нейлона, известный также как «чудо-волокно». В 1939 году компания «DuPont» впервые объявила и продемонстрировала нейлон и нейлоновые чулки американской общественности на Всемирной выставке в Нью-Йорке. Также нейлон ранее применялся в изготовлении лески, хирургической нити и зубной щетки;
- 1942 г - открытие ненасыщенного полиэстера или ПЭТ (еще называют полиэфир, лавсан и дакрон ). Материал был запатентован английскими химиками Джоном Рекс Уинфилдом и Джеймсом Теннант Диксоном и применялся для изготовления синтетических волокон , которые продавали в послевоенное время. Так как полиэстер более плотный по сравнению с другими дешевыми видами пластмассы, его применяют в изготовлении бутылок для газированных и кислых напитков. И так как полиэстер также крепкий и устойчивый к стиранию, он используется для изготовления механических запчастей , пищевых подносах и других предметах. Пленка из полиэстера от компании «Mylar» используются в аудио и видео кассетах.
Фторопласт обладает довольно низким коэффициентом трения, хорошей износостойкостью, стойкостью к воздействиям повышенных температур, благодаря чему успешно используется в различных отраслях.
Важные открытия после Второй мировой войны
- 1951 г - открытие полиэтилена высокой плотности или полипропилена . Два американских химика Пол Хоган и Роберт Бэнкс, работающие в нефтяной компании «Phillips Petroleum» в Нидерландах, нашли способ производства кристаллического полипропилена. Полипропилен похож на своего «родственника» полиэтилена и его стоимость относительно низкая, но в отличие от полиэтилена, он гораздо более крепкий и используется практически повсюду, начиная с изготовления пластиковых бутылок и заканчивая коврами и пластиковой мебелью. Применяют его очень активно и в автомобильной промышленности;
- 1954 г - открытие пенополистирола (Styrofoam) или пенопласта . Английское обозначение пенополистирола «Styrofoam» а качестве торгового названия позаимствовала химическая компания «The Dow Chemical Company». Пенопласт был изобретен случайно ученым Рэем Макинтайром, который пытался изготовить гибкий электрический изолятор, комбинируя стирол с изобутиленом под давлением, что являлось довольно взрывоопасным соединением. В результате его эксперимента был открыт пенополистирол с пузырьками, который в 30 раз легче обычного полистирола.
Оглянитесь вокруг комнаты, где Вы находитесь прямо сейчас, и подсчитайте, сколько предметов полностью или частично состоят из пластика. Вы сразу увидите, насколько пластик вездесущ. Он действительно везде!
Видео: "Пластик - уникальный синтетический материал"
Эта небольшая статья будет посвящена пластику, вернее его маркировке. Почему мы решили сконцентрировать ваше внимание на этом банальном для всех материале, да именно потому, что он банальный. Это каждодневная привычка пользоваться пластиком для всего и везде порой играет с нами злую шутку. Мы уже не задумываемся о том, а можно ли вообще здесь и так применять пластиковые изделия, как мы привыкли это делать и как мы делаем каждый день. Осознание порой приходит спонтанно, но вникая в суть проблемы, ужасаешься как все серьезно. Именно исходя из выше перечисленных принципов, и ноток наших сегодняшних реалий, мы хотели бы довести до вас информацию по маркировке изделий из пластика. Рассказать о том, где и как они применяется, и насколько он может быть вреден для нас и всего живого.
№ 1 (PETE или PET) – полиэтилентерефталат. Самый распространенный тип пластика. Используется для разлива прохладительных напитков, кетчупов, растительного масла, косметических средств и прочего. Отличительная черта – дешевизна. Производство данного вида не требует особых затрат, этим и обусловлена его популярность. Использовать такой вид пластика можно лишь раз. При повторном использовании бутылка или коробка выделяет опасное вещество – фталат (токсичен, способен вызывать серьезные болезни нервной и сердечно-сосудистой системы). Поддается переработке, один из самых безопасных видов. При этом в Европе и США из данного вида пластика запрещено изготавливать детские игрушки.
№ 2 (HDPE или PE HD) – полиэтилен высокой плотности. Относительно недорогой, устойчив к температурным воздействиям. Такой пластик используется при изготовлении пластиковых пакетов, одноразовой посуды, пищевых контейнеров, пакетов для молока и тары для моющих и чистящих средств. Поддается переработке, годен для вторичного использования. Относительно безопасен, хотя может выделять формальдегид (токсичное вещество, которое поражает нервную, дыхательную и половую системы, может вызвать генетические нарушения у потомства).
№ 3 (PVC или V) - поливинилхлорид. Этот вид пластика используется в технических целях. К примеру, для изготовления пластиковых окон, элементов мебели, труб, скатертей, тары для технической жидкости и прочего. Противопоказан для пищевого использования. Пластик содержит бисфенол А, винилхлорид, фталаты, а так же может содержать кадмий. Один из самых опасных видов пластмассы. При сжигании выделяет в воздух очень опасные яды - канцерогенные диоксины.
№ 4 (LDPE или PEBD) – полиэтилен низкой плотности. Обществу известен по пакетам, мусорным мешкам, компакт-дискам и линолеуму. Довольно широкое распространение данного типа обусловлено его дешевизной. Безопасность относительна. ПЭТ-пакеты для организма человека практически безопасны (однако не забывайте об их влиянии на окружающую среду). В редких случаях тип PE-LD выделяет формальдегид. Поддается переработке и вторичному использованию.
№ 5 (PP) – полипропилен. Прочный и термостойкий. Из него изготавливают пищевые контейнеры, шприцы и детские игрушки. Сравнительно безопасен, но при некоторых обстоятельствах может выделять формальдегид (нагрев, и в процессе разложения со временем). В итоге, можно сказать, что он вреден для людей также как и другие виды пластика. Выигрыша никакого.
№ 6 (PS) – полистирол. Этот тип пластика вы встретите в мясном или молочном отделе. Из него сделаны стаканчики для йогурта, мясные лоточки, коробочки под овощи и фрукты, сэндвич-панели и теплоизоляционные плиты. При повторном использовании выделяет стирол, который является канцерогеном. Специалисты рекомендуют по возможности отказаться от использования данного вида пластика или сократить его потребление к минимуму.
№ 7 (O или OTHER) – поликарбонат, полиамид и другие виды пластмасс. В данную группу входят пластмассы, не получившие отдельный номер. Из них изготавливаются бутылочки для детей, игрушки, бутылки для воды, упаковки. При частом мытье или нагревании выделяет бисфенол А - вещество, которое ведет к гормональным сбоям в организме человека.
Маркировки приведенные выше, вернее вещества перечисленные в них, являются основными. Они содержатся в каждом пластиковом изделии частично, но в большем количестве. При этом существует еще и множество дополнительных веществ, связующих и технологических, которые также входят в состав пластмассы, но при этом не указаны на маркировке.
Все бы ничего и все не так страшно, но при длительно контакте и использовании всех этих видов химических веществ начинают появляться побочные эффекты. Да, вы можете очень долго пользоваться каким-то видом пластика и не ощущать значимых изменений в организме. Тем не менее, это еще не значит, что их нет на самом деле. Весь «пластмассовый негатив» может дать о себе знать в любой момент. И тогда в последствии вы будете недоумевать, откуда взялись все эти болячки и болезни навалившиеся на вас. Еще страшнее, если токсичные вещества скажутся на здоровье вашего последующего поколения. Поэтому сделайте все возможное, чтобы свести к минимуму контакты с пластиком. Выбросите всю пластмассовую посуду, которая имеется на вашей кухне. Ни в коем случае не оставляйте в хозяйстве пластиковые баночки из-под мороженого или варенья. Особенно внимательно изучайте маркировку детских бутылочек для кормления. Контейнеры, в которых вы берете обед на работу, старайтесь менять как можно чаще. Даже самые качественные коробочки не должны служить вам дольше одного месяца. Это в идеале! Покупая любое изделие из пластика, обязательно понюхайте его. Даже малейший неприятный запах должен заставить вас задуматься о качестве данного товара и о целесообразности его покупки.
Еще раз тоже самое о маркировке пластмассы, но сведенное в одной картинке.
Теперь вы будете знать не только о том как маркируется пластик и какие основные компоненты входят в тот и иной вид пластмассы, но и сможете проанализировать последствия от использования пластиковых изделий.