какая добавка способствует предотвращению старения пластмасс

Методы защиты полимеров от старения

Изделия из полимерных материалов постоянно подвергаются воздействию разнообразных внешних факторов: температурных перепадов, света, кислорода, радиоактивных излучений и т.д. В результате меняются свойства полимерных материалов, иными словами, происходит старение полимеров. Существуют ли средства и методы для защиты полимеров от старения?

Старение полимеров – что это такое?

Из-за воздействия внешних факторов в результате эксплуатации и вторичной переработки полимерных изделий со временем их свойства ухудшаются:

Главным образом, подобные изменения, или старение полимеров, происходит из-за процесса окисления. Особенно быстро этот процесс протекает при повторной переработке полимерных изделий. Именно поэтому для изделий из вторичных полимеров характерен меньший срок эксплуатации и худшие прочностные характеристики по сравнению с изделиями из первичных полимерных материалов.

Возможно ли замедлить процесс старения, увеличив при этом срок эксплуатации полимерных изделий?

Способы защиты полимеров от старения

Самым эффективным способом, благодаря которому замедляется старение полимеров, считается добавка в полимерные материалы стабилизаторов.

Стабилизатор – специальное вещество, способствующее рассеиванию энергии на молекулах, которая в противном случае приводит к разрушению полимеров. Такие стабилизаторы, которые замедляют реакцию, рассеивая энергию, называют ингибиторами. При распаде стабилизаторов-ингибиторов образуются свободные радикалы, таким образом, процесс старения полимерных материалов замедляется.

Существует два типа стабилизаторов, которые замедляют старение путем препятствия развития окислительных реакций:

Еще один способ замедлить процесс старения полимера – изменить его физическую структуру. Применение такого способа подразумевает особую обработку полимерного материала – механическую или термическую. В отдельных случаях (в зависимости от вида и типа материала) в полимер вводят специальные добавки, изменяющие его химическую структуру – структурообразователи.

Основные виды стабилизаторов

В зависимости от типа старения полимеров, а также от условий, в которых происходит процесс старения, используются разные виды стабилизаторов. В частности:

Для оценки эффективности того или иного стабилизатора обычно учитывают следующие характеристики и параметры:

На сегодняшний день вопрос старения полимеров и поиск новых методов защиты от этого процесса занимает одно из важнейших мест в химической промышленности. Современные методы дают возможность существенно увеличить срок эксплуатации изделий из полимерных материалов, а также улучшить их качественные характеристики.

Источник

Увидеть, как стареет пластик

Только-только начавшие разрушаться полимерные материалы можно заставить светиться с помощью соединений борной кислоты.

Все материалы рано или поздно стареют и начинают разрушаться: в них появляются трещины, изделия теряют прочность и перестают выполнять свои функции. Неподвластным времени не могут быть ни дерево, ни металл, ни бетон, ни любое другое вещество. Естественно, что и такой распространённый в наши дни материал, как пластик, тоже не избежал «старческих» проблем. С одной стороны, за пластиком закрепилось представление как о недолговечном материале – в этом немалую роль сыграла та же дешёвая одноразовая упаковка, вроде пакетов, бутылок и плёнки.

Фото: pxhere.com, CC0 – Public Domain

Но, с другой стороны, изделия из полимерных материалов могут служить верой и правдой не просто годами, а десятилетиями и даже столетиями. Взять хотя бы водопроводные трубы из пластика – им не страшны коррозия, морозы и даже землетрясения, а срок эксплуатации легко переваливает за сотню лет. Наверняка вы сможете найти примеры из жизни, когда неказистая с виду пластиковая вещь служит и категорически отказывается ломаться годами. Бывает и обратная ситуация, когда ни с того ни с сего в пластиковом изделии вдруг возникают трещины, отламываются крепления или случается ещё какая-нибудь неприятность.

Знать, в каком точно состоянии находится тот или иной предмет, сделанный из полимеров, может оказаться крайне полезным. Можно не только заблаговременно заменить пластиковую деталь или элемент конструкции, но и в точности сказать, когда тот же предмет гарантированно ещё послужит, тем самым сэкономив на замене материала и не допустив образования ненужных отходов. Так как же узнать у пластика, как он себя чувствует, и каков его настоящий возраст, а «не по паспорту»?

Исследователи из Пекинского университета химических технологий предложили использовать для этих целей одно из соединений борной кислоты – борный люминофор (DPBA). Как и практически любые другие люминофоры, борный люминофор способен светиться при попадании на него ультрафиолета. Но его главная особенность заключается в том, что молекулы этого люминофора могут закрепляться на тех участках полимерных цепочек, которые уже начали как-то химически стареть.

Дело в том, что при действии температуры, кислорода или того же ультрафиолета, полимерные цепочки (в случае простейших полимеров вроде полиэтилена или полипропилена) начинают разрываться, и в месте разрыва быстро образуются фрагменты, содержащие атом кислорода – гидроксильные группы. Попросту говоря, полимер начинает потихоньку окисляться. Сначала масштабы этого процесса незначительны, но со временем этих областей разрушения становится всё больше, кроме того, они начинают расти «вглубь» материала, приводя уже к механическим повреждениям. Здесь вполне можно провести аналогию с плесенью, разрушающей необработанную древесину.

Так вот, если полимер погрузить ненадолго в раствор с борным люминофором, то последний прореагирует с гидроксильными группами в зарождающихся очагах разрушения полимера. После отмывки люминофор останется только в тех местах, где он химически связался с повреждёнными молекулами пластика, тем самым выступив в роли своеобразного проявителя – при облучении пластика с люминофором светом определённой длины волны очаги пластиковой «коррозии» выдадут себя ярким свечением.

В отличие от других методов, обработка борным люминофором позволяет увидеть самое-самое начало процессов старения, когда пластик ещё не начал разрушаться, но уже появились первые «седые волосы». Пока что исследователи проверили работоспособность метода на плёнках из двух наиболее распространённых полимерных материалов: полипропилена и полиэтилена.
Где потенциально могла бы пригодиться подобная технология оценки степени устаревания полимеров?

Вряд ли она окажется удобной для бытового применения, по крайней мере, сейчас – всё-таки изучать флуоресценцию пластиковых деталей, чтобы спрогнозировать оставшееся время до поломки, дело довольно хлопотное. Однако оценить остаточный ресурс, например, водопроводных труб из полипропилена таким методом может быть вполне возможно и разумно.

Различие в качестве используемых труб, разные условия эксплуатации – всё это создаёт неопределённость в том, сколько ещё прослужит система до первой протечки: десять лет, пятьдесят или трубам уже настолько плохо, что их надо менять уже «вчера».

Источник

Презентация к уроку по материаловедению на тему: «Неметаллические материалы».

Описание презентации по отдельным слайдам:

ГППОУ «ЧПТ» Презентация К уроку По теме: «Неметаллические материалы» Пластмассы По предмету Материаловедения 1 курс Разработал мастер п\о Долгополов М.В. Чебаркуль 2019г

Назначение пластмасс Пластмассами называют материалы, способные при определенных температуре и давлении принимать заданную форму и сохранять ее в эксплуатационных условиях.

Свойства пластмасс Малая плотность, высокая устойчивость против коррозии, низкий коэффициент трения, декоративность, высокие электроизоляционные и теплоизоляционные свойства.

Недостатки пластмасс К недостаткам относятся – склонность к старению и снижение прочностных свойств под воздействием температуры и различных сред. Низкие теплостойкость и теплопроводность.

Получение и состав пластмасс Обычно пластмассу получают в результате совместной обработки высокомолекулярных органических соединений (синтетических смол), наполнителей, окрашивающих веществ, пластификаторов, отвердителей и других добавок.

Главная составляющая пластмасс Главной составляющей пластмассы, определяющей ее тип и основные свойства, является смола.

Классификация пластмасс Пластмассы длятся на две группы Простые ; Сложные.

Простые и сложные пластмассы Простые пластмассы состоят только из одних полимеров (смол). Например полиэтилен, полистирол. Сложные пластмассы состоят из полимеров и добавок.

Добавки пластмасс Наполнитель существенно влияет на характеристику пластмассы, изменяя ее физико-механические и электрические свойства. Кроме того, введение наполнителей уменьшает стоимость пластмассы, так как сокращает расход сравнительно дорогой смолы.

Наполнители В качестве наполнителей применяют молотую слюду, кварц, стекловолокно (минеральные наполнители), а также древесную муку, хлопчатобумажное волокно (органические наполнители).

Пластификаторы Пластификаторы повышают текучесть пластмассы, облегчая ее переработку в пресс-формах.

Отвердители Отвердители способствуют ускорению процесса отверждения и сокращают цикл изготовления изделий.

Стабилизаторы Стабилизаторы способствуют предотвращению старения пластмасс и сохранению их полезных характеристик.

Специальные добавки Красители; Добавки от плесени; Добавки от горючести; Смазочные материалы.

В зависимости от применяемых смол пластмассы разделяют на термореактивные и термопластичные (реактопласты и термопласты).

Реактопласты при нагреве во время переработки переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Процесс переработки реактопластов необратим — они не размягчаются вторично.

Применение В машиностроении широко применяют термореактивные прессовочные массы, получаемые на основе фенолформальдегидных смол или их модификаций (фенопласты).

В зависимости от состава и назначения фенопласты делятся на следующие типы: О — общего назначения; Сп — специальные безаммиачные; Э — электроизоляционные; Вх — влагохимстойкие; У — ударопрочные; Ж — жаростойкие.

Получение термопластов Термопласты производят на основе термореактивных смол — полиэфиров: фенолформальдегидных, аминоальгидных, эпоксидных, полиамидных, кремнийорганических, ненасыщенных. Термопласты обычно изготовляют без наполнителя. Из большой группы таких пластмасс основными являются: полиэтилен, поливинилхлорид, полиамиды (нейлон, капрон), полистирол, органическое стекло, фторопласт-4.

Достоинства термопластов Пластмассы на основе этих смол отличаются повышенной прочностью, не склонны к ползучести и способны работать при повышенных температурах.

Недостатки термопластов Однако термопласты обладают хладотекучестью, поэтому изделия из них не могут долго работать под напряжением вследствие понижения их прочности.

Применение термопластов Из термопластов изготовляют литьевые, пленочные и листовые изделия, которые обладают хорошими электроизоляционными свойствами, химически стойки в агрессивных средах и к атмосферным воздействиям, отличаются высокой стойкостью к истиранию, вибрации.

Реактопласты Реактопласты характеризуются отсутствием хладотекучести, большой теплостойкостью и нерастворимостью в обычных растворителях. Основу реактопластов составляют смолы: фенолформальдегидная, эпоксидная, кремнийорганическая и др.

Классификация реактопластов В зависимости от формы частиц наполнителя реактопласты можно разделить на следующие группы: порошковые, волокнистые. слоистые.

Наполнители В качестве порошковых наполнителей применяют древесную муку, молотый кварц, слюду, асбест и др. Порошковые пластмассы применяют для несиловых конструкционных и электроизоляционных деталей

Пластмассы с волокнистым наполнителем Волокиты применяют для изготовления деталей общего технического назначения (рукояток, фланцев, шкивов и др.). Асбоволокниты используют в качестве материала тормозных устройств. Стекловолокниты — для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения.

Слоистые пластмассы Слоистые пластмассы являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. К ним относятся гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики (ДСП), асботекстолит, стеклопластики. Гетинакс используют в качестве прокладок или плат для приборов электрооборудования. Текстолит как конструкционный материал применяют для зубчатых колес газораспределительного вала.

Древеснослоистые пластики Древеснослоистые пластики имеют высокие физико-механические свойства, низкий коэффициент трения.

Применение древеснослоистых пластиков Они с успехом заменяют текстолит и цветные сплавы. ДСП применяют при изготовлении внутренних панелей автобусов, сидений автомобилей.

Асботекстолит является одновременно конструкционным, фрикционным и термоизоляционным материалом. Из него изготавливают фрикционные диски, тормозные колодки, лопатки ротационных бензонасосов.

Стеклопластик свойства и применение Промышленность выпускает большое число марок стеклопластиков для различного применения с разными наполнителями (стеклоткань или стеклянный шпон) и связующими. Они отличаются большим разнообразием свойств, однако все обладают высокой прочностью, низкой плотностью, высокими электро-, тепло- и звукоизоляционными свойствами, химической стойкостью. Их применяют в качестве для изготовления автоцистерн.

Газонаполненные пластмассы К газонаполненным пластмассам относятся пенопласты, поропласты и сотопласты. Они отличаются чрезвычайно низкой плотностью и высокими теплозвукоизоляционными свойствами.

Применение газонаполненных пластмасс Газонаполненные пластмассы используют как амортизационный материал в сидениях автомобилей, а также в качестве теплоизоляционных материалов, например в цельнометаллических рефрижераторных полуприцепах, для звукоизоляции кабин тракторов, экскаваторов и других машин.

Изделия из фторопласта

Детали из пластмасс

Детали из пластмасс

Детали из пластика

Детали из пластмасс

Детали из резины и пластмасс

Закрепление материала Тест 1.Что является основой пластмасс? А) Полимеры, Б) Наполнители, В) Каучук. 2. Из чего состоят простые пластмасс? А) Полимеры, Б) Наполнители, В) Каучук. 3. Какая добавка способствует предотвращению старения пластмасс? А) Стабилизаторы, Б) Наполнители, В) Отвердители. 4. Как называются органические материалы, которые на определенной стадии производства под действием температуры и давления принимают любую форму, не подвергаясь при этом разрушению? А) Резины, Б) Пластмассы, В) Стабилизаторы. 5. Как называется добавка, которая ускоряет процессы отверждения смол и получения пластмасс? А) Наполнитель, Б) Пластификатор, В) Отвердитель. 6. Какая добавка относится к специальной? А) Стабилизатор; Б) Смазочные материалы; В) Наполнитель. 7. Какую добавку добавляют в пластмассы, для повышения прочности и снижения стоимости? А) Наполнители; Б) Пластификаторы; В) Стабилизаторы. 8.Какие бывают пластмассы в зависимости от полимера? А) Кислотостойкие; Б) Маслостойкие; В) Эпоксидные. 9.Какие бывают пластмассы в зависимости от вида и состава наполнителя? А) Полиамидные; Б) Волокнистые; В) Стирольные. 10.Назовите одно из достоинств пластмасс. А) Невысокая теплопроводность; Б) Невысокая электропроводность; В) Устойчивость против коррозии.

Правильные варианты ответов 1 – А. 2 – А. 3 – А. 4 – Б. 5 – В. 6 – Б. 7 – А. 8 – В. 9 – Б. 10 – Б.

Контрольные вопросы 1. Дайте определение пластмассам? Пластмассы – органические материалы, которые на определенной стадии производства под действием температуры и давления принимают любую форму, не подвергаясь при этом разрушению. 2. Что является основой пластмасс? Основой пластмасс являются полимеры (смолы), которые служат связующим веществом. 3. С какой целью в состав пластмасс вводят добавки? В состав пластмасс входят добавки, позволяющие изменить свойства материалов в нужном направлении. 4. Перечислите добавки, которые входят в состав пластмасс. К добавкам относятся наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, спецдобавки. 5. Перечислите свойства пластмасс. Малая плотность, высокая устойчивость против коррозии, низкий коэффициент трения, декоративность, высокие электро и теплоизоляционные свойства. 6. Перечислите недостатки пластмасс. К недостаткам относятся – склонность к старению и снижение прочностных свойств под воздействием температуры и различных сред. Низкие теплостойкость и теплопроводность.

Рефлексия 1. На уроке я работал активно/пассивно 2. Своей работой на уроке я доволен,/не доволен. 3. Урок для меня показался коротким/длинным. 4. За урок я не устал,/устал. 5. Мое настроение стало лучше,/стало хуже. 6. Материал урока мне был понятен,/не понятен Полезен/бесполезен Интересен/скучен. 7. Домашнее задание мне кажется легким/трудным Интересно/не интересно.

Источник

Старение и стабилизация полимеров

Процессы старения полимеров

При хранении и переработке полимерных материалов, а также при эксплуатации изделий из них полимеры подвергаются воздействию различных факторов — тепла, света, проникающей радиации, кислорода, влаги, агрессивных химических агентов, механических нагрузок. Эти факторы, действуя раздельно или в совокупности, вызывают в полимерах развитие необратимых химических реакций двух типов. Деструкции, когда происходит разрыв связей в основной цепи макромолекул, и структурирования, когда происходит сшивание цепей. Изменение молекулярной структуры приводит к изменениям в свойствах полимерного материала; теряется эластичность, повышается жесткость и хрупкость, снижается механическая прочность, ухудшаются диэлектрические показатели, изменяется цвет, гладкая поверхность становится шероховатой, и т.д. Изменения свойств полимеров и изделий подобного рода называют старением.

Реакции, происходящие при старении полимеров, могут протекать по радикальному, ионному и редко по молекулярному механизмам. Радикальные процессы развиваются при эксплуатации полимеров и естественных атмосферных условиях и в космосе, при действии радиации.

Главная причина старения полимеров — окисление их молекулярным кислородом, которое особенно быстро протекает при повышенных температурах, например при переработке полимерных материалов. Окисление часто ускоряется и облегчается светом, примесями металлов переменной валентности, которые могут присутствовать в полимере из-за коррозии аппаратуры или неполного удаления катализатора из него после окончания синтеза. По типу активатора и основного агента, вызывающих разрушение полимеров, различают следующие виды старения: тепловое, термоокислительное, световое, атмосферное (озонное), радиационное и старение пол влиянием механических нагрузок (утомление).

Преимущественное протекание при старении полимеров ценных реакции деструкции или структурировании зависит от химического строения цепей. Как правило, виниловые полимеры склонны к деструкции, некоторые диеновые полимеры — к структурированию. Во всех видах старения деструкция макромолекул происходит тогда, когда в некоторых частях цепей сосредотачивается энергия, превосходящая энергию простой С—С-связи (305 кДж/моль). Это приводит к превращению макромолекулы в макрорадикал.

Термическая деструкция — это процесс разрушения макромолекул под влиянием повышенных температур. При термической деструкции одни полимеры разрушаются с образованием коротких цепей различного строения (полиэтилен, полипропилен), другие с образованием мономера.
Реакции деполимеризации подвержены полимеры, в цепях которых содержится третичный или четвертичный атом углерода. Деполимеризация, являясь видом старения полимеров, может намеренно применяться для утилизации отходов термопластов с целью получения мономеров и возвращения их в стадию синтеза полимера.

Термоокислительная деструкция — это процесс разрушения макромолекул при совместном действии на полимеры повышенных температур и кислорода. Присутствие кислорода существенно снижает стойкость полимеров к действию тепла.

Первичными продуктами термоокисления являются полимерные гидроперекиси, которые при распаде образуют свободные радикалы, вследствие чего процесс развивается по цепному механизму и является автокаталитическим. Полимеры, макромолекулы которых не содержат С-С-связей, более устойчивы к термоокислительной деструкции, чем, например, полиены, содержащие ненасыщенные связи. Это объясняется легкостью прямого присоединения кислорода к С=С-связям и образованием очень неустойчивых напряженных циклических перекисей.

При термоокислительной деструкции происходит образование больших количеств различных низкомолекулярных кислородсодержащих веществ: воды, кетонов, альдегидов, спиртов, кислот.

Фотохимическая деструкция представляет собой разрушение макромолекул под влиянием света. Особенно глубокая деструкция полимера происходит под влиянием ультрафиолетовых (УФ) лучей, характеризующихся длиной волны К менее 400нм. Энергия кванта УФ-излучения превышает энергию С—С-связи макромолекулы и не завысит от температуры. Поэтому фотодеструкция может развиваться даже при относительно низких температурах, ускоряясь и углубляясь в присутствии кислорода. Особенно интенсивно деструктируют полимеры, содержащие группы атомов, способные поглощать свет.
Фотохимическая деструкция является радикально-цепным процессом и, в силу малой проникающей способности УФ-излучения, происходит преимущественно в поверхностных слоях полимера.

Радиационная деструкция происходит при воздействии на полимеры гамма-лучей, альфа-частиц, нейтронов. Энергия проникающей радиации значительно превосходит энергию химических связей в макромолекулах. Возникающие при этом свободные радикалы «захватываются» полимером и существуют в нем очень долго, разрушая его во времени.

Деструктировать полимер может и под действием механических напряжений. Механическая деструкция начинается, когда механические напряжения превышают энергии связей атомов в полимере. Распределение напряжений по отдельным связям макромолекулы может быть непрерывным, что приводит к возникновению в ней «перенапряженных участков» — центров разрушения. Механическая деструкции полимера возможна при его переработке, например, при длительном вальцевании, тонком помоле, скоростном механическом перемешивании. Возникающие в механическом поле свободные полимерные радикалы могут не только рекомбинировать, но и реагировать с макромолекулами полимера. Эти приводит к получению разветвленных или сшитых продуктов.

Химическая деструкция представляет собой разрушение макромолекул при действии химических агентов. Она характерна для многих гетероцепных полимеров, содержащих в основной цепи группы, способные к химическим превращениям. Глубина деструкции зависит от природы и количеств низкомолекулярного реагента, условий его воздействия.

Защита полимеров от старения

Поскольку старение многих полимеров протекает в основном по механизму цепных радикальных реакций, то при защите полимеров от старения нужно в первую очередь исходить их таких мер, которые были бы направлены па подавление этих реакций. Промышленным путем защиты полимеров от старения, стабилизации свойств изделий из них во времени является введение в полимеры на стадии переработки малых (до 5%) добавок низкомолекулярных — стабилизаторов. Общее назначение стабилизатора состоит в рассеянии на своих молекулах энергии, которая могла бы привести к разрушению полимера.

Стабилизаторы, подавляющие развитие цепных реакций деструкции, называют ингибиторам. Следовательно, стабилизатор-ингибитор— это вещество, распадающееся с образованием радикалов. Эффективность стабилизатора тем выше, чем менее активен в развитии цепных реакций и более устойчив во времени его радикал.

Стабилизаторы, препятствующие развитию окислительных реакций в полимерах, называют антиоксидантами. По механизму действия антиоксиданты делятся на две большие группы. Первую группу составляют вещества (ингибиторы), которые реагируют со свободными полимерными и радикалами на стадии их образования. К этой группе относятся широко применяемые на практике соединения на основе ароматических аминов и фенолов с разветвленными алкильными заместителями. Ко второй группе относятся вещества, не способные к образованию свободных радикалов, но уменьшающие разложение образующихся в макромолекулах полимерных гидроперекисей. Последние в определенных условиях сами становятся источником новых свободных радикалов, которые углубляют развитие реакций деструкции полимеров. Вещества, разрушающие полимерные гидроперекиси без образования радикалов, называют превентивными антиоксидантами. Превентивными антиоксидантами являются сульфиды, тиофосфаты и др.

Эффективную защиту от термоокислительного старения обеспечивает применение пары антиоксидантов, действующий по разным механизмам, взаимоусиленный стабилизирующий эффект смесью двух антиоксидантов называют синергизмом.

Многие антиоксиданты проявляют активность при температурах, не превышающих 280оС. При более высоких температурах полимеры защищают от термоокисления металлами, оксидами металлов переменной валентности. Тонкодисперсные порошки этих добавок поглощают кислород, и термоокислительная деструкция заменяется термической, которая всегда протекает медленнее.

Для защиты полимеров от светового старения применяют светостабилизаторы, действие которых основано как на поглощении солнечного света (УФ-абсорберы), так и на торможении реакций деструкции. Последние инициируются в полимере светом, но развиваются в его отсутствие. Защитное действие УФ-абсорберов заключается в том, что вся поглощенная ими энергия расходуется на перестройку макромолекул. Возвращение к начальной структуре сопровождается выделением теплоты, не опасной для полимера.

Активными светостабилизаторами для многих промышленных полимеров являются неорганические пигменты (TiO2, ZnS), канальная сажа, производные резорцина и т. д.

В настоящее время накоплен большой материал по механизму старения полимеров, разработаны эффективные меры комплексной защиты их от всех видов разрушения. При оценке эффективности стабилизаторов учитывают не только их активность в химических реакциях, но и способность совмещаться с полимерами, доступность, дешевизну и токсические свойства.

Источник