Конструкційні неметалеві матеріали. Полімери

Трудове навчання (технічні види праці). 9 клас. Терещук

§ 2. Конструкційні неметалеві матеріали. Полімери

Пригадайте

• Які матеріали називають композиційними?

• Яку будову мають композиційні матеріали?

Полімери та їх види

Полімери оточують нас усюди. Полімерами є не тільки пластмаси, гуми й не лише полімерні плівки і волокна, з яких виготовлений наш одяг. Ми й самі складаємося з полімерів (основні полімери, які є в живій системі, — це ДНК і РНК, білки і полісахариди). Полімери — основа неметалевих матеріалів.

Слово «полімер» грецького походження: poly — багато; merоs — частина; macros — великий, довгий.

Переваги полімерних конструкційних матеріалів:

• висока міцність

• зносостійкість;

• стійкість до хімічних впливів;

• добрі діелектричні характеристики;

• можна надавати спеціальні властивості, різну форму й колір;

• дешеве виробництво.

Полімери — речовини, молекули яких складаються з великої кількості ланок (мономерів) однакової структури. Молекулу полімеру називають макромолекулою (рис. 2.1).

Усі полімери за походженням можна розділити на три класи (див. рис. 2.2):

• природні — виділені з природних продуктів;

• штучні — отримані шляхом впливу хімічних реагентів на природні полімери;

• синтетичні — отримані з мономерів, молекули яких стають ланками полімерних ланцюгів (при хімічній переробці кам’яного вугілля, природного і промислового газу, нафти та інших видів сировини).

Природні й синтетичні полімери можуть мати приблизно однакову будову. Тому властивості синтетичних матеріалів часто схожі на властивості природних полімерів.

Недоліки полімерних конструкційних матеріалів:

• невисока теплостійкість;

• схильність до старіння;

• схильність до деформування під навантаженням (повзучість);

• залежність міцності від режимів навантаження (температура, час);

• зміна розмірів унаслідок впливу вологи або агресивних середовищ.

Полімери використовують як матрицю у виробництві різноманітних конструкційних матеріалів.

Усі полімери залежно від зміни властивостей при нагріванні поділяють на термопластичні (термопласти) і термореактивні (реактопласти).

Термопластичні полімери (поліетилен, полістирол, поліаміди та ін.):

• розм’якшуються при нагріванні і тверднуть при охолодженні;

• можна переробляти багато разів.

Термореактивні полімери (фенолоформальдегідна, гліфталева та ін. смоли):

• тверднуть при нагріванні і стають неплавкими й нерозчинними;

• не можна переробити повторно.

1964 року концерн DuPont, широковідомий винаходом нейлону, намагався розробити й налагодити виробництво міцних, але легких полімерних ниток, якими можна було б замінити важкий сталевий кістяк автомобільних шин (для економії пального). У результаті були отримані полімерні нитки, волокно з яких у п’ять разів міцніше за сталь.

Новий полімер — кевлар з’явився на ринку 1975 року. Сьогодні його використовують для виготовлення тросів, кузовів автомобілів і катерів, армування автомобільних шин, виготовлення вітрил, фюзеляжу літаків і деталей космічних кораблів, тенісних ракеток. Один з найвідоміших прикладів — застосування кевлару як основи для куленепробивних жилетів і бронешоломів (рис. 2.3).

Броньоване скло складається з кількох шарів загартованого скла, яке чергується з полімерним композитом (полікарбонатом) (рис. 2.4). Куля, випущена в таке скло, витрачає всю свою енергію в зовнішньому шарі та сплющується, потім зупиняється в середньому шарі, а останній шар затримує скалки й остаточно гасить залишкову ударну хвилю і коливання.

Для виготовлення лобового скла автомобілів використовують триплекс — два листи скла склеюються плівкою з полівінілбутилу. Еластичний шар створює амортизаційну стійкість до зовнішніх впливів. Якщо скло руйнується, осколки не випадають, а залишаються приклеєними до пластмасового шару (рис. 2.5).

Пластмаси

Що скільки розкладається:

• паперовий рушник — 2–3 тижні;

• бананова шкірка — 3–4 тижні;

• паперовий пакет — 1 місяць;

• газета — 1,5 місяця;

• недогризок яблука — 2 місяці;

• картон — 2 місяці;

• апельсинова шкірка — 6 місяців;

• фанера — 1–3 роки;

• вовняна шкарпетка — 1–5 років;

• шкіряні туфлі — 25–40 років;

• пластиковий стаканчик — 50 років;

• пластиковий контейнер — 50–80 років;

• алюмінієва банка — 100 років;

• пластикова пляшка — 450 років;

• пластиковий пакет — 200–1000 років.

Пластмаси — це матеріали на основі синтетичного або природного полімеру, що здатні за певних умов (підвищена температура, тиск) формуватися і зберігати надану їм форму.

Щоб поліпшити характеристики матеріалу і надати йому спеціальних властивостей, до полімерів додають наповнювачі та інші інгредієнти — пластифікатори, барвники, мастила, стабілізатори та ін.

Залежно від здатності опиратися деформаціям розрізняють пластики й еластики.

Пластики — тверді і пружні, а еластики - м’які й еластичні.

За складом пластмаси поділяють на наповнені й ненаповнені.

Ненаповнені — це чисті полімери з незначною кількістю домішок (барвників, стабілізаторів та ін.). До них належать поліетилен, поліпропілен, оргскло та ін.

Наповнені — містять ще й різні наповнювачі. Тобто наповнені пластмаси — це композиційні матеріали (див. § 1). Наповнювачем полімерів може бути і газ. До газонаповнених полімерів належить пінопласт.

Завдяки своїм численним перевагам пластмаси швидко проникли в усі сфери, зокрема будівельну, автомобільну, авіакосмічну, пакувальну галузі промисловості, виробництво побутової продукції, іграшок, виробів медичного і фармацевтичного призначення (рис. 2.6).

Чим більше пластмасових виробів використовує людство, тим більше забруднюється довкілля.

Пластик має два дуже важливі недоліки: по-перше, його виробляють з невідновлюваних природних ресурсів — нафти, вугілля, газу. А по-друге, його перевага — довговічність — перетворилася на проблему. Оскільки пластик не розкладається, то чим більше ми його використовуємо, тим більше забруднюємо довкілля. Тому сьогодні дуже актуальним є питання утилізації використаних пластикових виробів.

Маркування пластмас

Щоб поінформувати про тип матеріалу, можливості його переробки, а також щоб спростити сортування перед відправленням пластмаси на переробку і вторинне використання, виробники наносять на вироби з пластмас маркування.

Знак маркування пластмас. Символізує замкнутий цикл: створення —> застосування —> утилізація. Цифра у трикутнику означає тип пластику, під трикутником — абревіатура назви.

Поліетилентерефталат (ПЕТ). Використовується для виготовлення упакування (пляшок, банок, коробок тощо) для прохолодних напоїв, соків, води; для різних порошків, сипких харчових продуктів тощо. Найпоширеніший вид пластмас. Добре піддається переробці.

Поліетилен високої щільності. Використовується для виготовлення чашок і пакетів для молока й води, пляшок для відбілювачів, шампунів, мийних засобів; пластикових пакетів; каністр для моторної та інших машинних олив і т. д. Дуже добре піддається переробці й повторному використанню. Вважається безпечним для харчового використання.

Полівінілхлорид (ПВХ). Використовується для упакувань рідин для миття вікон, харчових рослинних олій. З нього виготовляють банки для упакувань сипких харчових продуктів і різних харчових жирів. Цей пластик використовують для виробництва труб, підлогових і настінних покриттів, вікон, садових меблів, для виготовлення жалюзі, плівок для натяжних стель, шторок для ванної, пластикових пакетів і навіть іграшок. Цей пластик належить до найбільш небезпечного виду пластмас і практично не піддається переробці. При спалюванні ПВХ виділяє в повітря канцерогенні діоксини (дуже небезпечні отрути).

Поліетилен низької щільності. Використовується у виробництві поліетиленових пакетів, відер, гнучких пластикових упакувань і для виробництва деяких пластикових пляшок, труб. Добре піддається переробці. Вважається безпечним для харчового використання.

Поліпропілен. Використовується в автомобільній промисловості (обладнання, бампери), при виготовленні іграшок, а також у харчовій промисловості, переважно при виготовленні упакувань. Вважається безпечним для харчового використання.

Полістирол. Використовується при виготовленні плит для теплоізоляції будівель, сандвіч-панелей, упакувань харчових продуктів, контейнерів для яєць, посуду. Матеріал є потенційно небезпечним, особливо при горінні, оскільки містить стирол.

Усі інші пластмаси (O(ther)). До цієї групи належить інший пластик, котрий не може бути включений у попередні групи. Переважно це полікарбонат, який не токсичний для навколишнього середовища, але може містити небезпечний для людини бісфенол А. Використовується для виготовлення твердих прозорих виробів.

Акрилонітрил бутадієн стиролу. З нього виробляють корпуси моніторів і телевізорів, кавоварки, стільникові телефони, більшість комп’ютерного пластику.

Самі по собі полімери не токсичні й не потрапляють у харчові продукти, але різні добавки, розчинники, а також продукти хімічного розпаду здатні проникати в продукти і впливати на людину. За певних умов пластик виділяє токсичні сполуки.

Цей знак свідчить, що пластиковий посуд придатний для контакту з харчовими продуктами.

Щоб не завдати шкоди здоров’ю:

• не зберігайте продукти у пластиковій тарі, яка для цього не призначена;

• не використовуйте одноразовий посуд повторно;

• не пийте гарячих напоїв із пластикових стаканчиків;

• не нагрівайте їжу в пластиковому посуді;

• не використовуйте повторно пластикові пляшки;

• не спалюйте пластикову тару — у процесі згоряння пластику і поліетилену утворюються дуже отруйні речовини — діоксини.

Органічне скло і пінопласт

Органічне скло (поліметилметакрилат), воно ж оргскло, акрилат, плексиглас. — високопрозорий, світлостійкий, відносно легкий матеріал. Основний компонент — термопластична смола. Склом його називають суто формально — через зовнішню подібність до скла. Однак опірність удару в оргскла в 5 разів більша, ніж у скла. За однакової товщини воно важить майже в два з половиною рази менше, ніж скло, тому конструкція з нього не потребує додаткових опор. Воно стійке до атмосферних впливів. Екологічно чисте (при горінні не виділяє отруйних речовин). Йому можна надати різноманітних форм за температури +100 °С. Після охолодження ця форма зберігається. Механічна обробка так само легка, як і в дерева. Можна пиляти, свердлити, згинати, обробляти лазером тощо.

Сфера застосування оргскла дуже широка: автомобіле-, судно- та літакобудування; виробництво меблів; медицина (оптичні лінзи, окуляри); зовнішня реклама (покажчики, тримачі, лайтбокси, дисплеї); торгове обладнання; виставкові конструкції; облаштування стель верхнього світла, теплиць та ін.

Властивості оргскла:

• тверде;

• крихке;

• не тріскається;

• стійке до старіння;

• прозоре;

• погодостійке.

У 1928 році після тривалих експериментів німецький хімік Отто Рем зумів синтезувати прозорий пластик, який він назвав «плексиглас» . З 1933 року фірма Rohm and Haas у Дармштадті почала промислове виробництво цього матеріалу, затребуваного здебільшого в авіації: він був водостійким, безскалковим, нечутливим до бензину й оливи і міг набувати будь-якої форми.

На Всесвітній виставці в Нью-Йорку (1939) корпорація General Motors, у яку входила марка Pontiac, представила плексигласовий Pontiac (рис. 2.7). Усі металеві конструкції автомобіля були пофарбовані в мідний колір, а обладнання і приладова панель — хромовані. Колеса були білими. Зробили його не американці, а німці — та сама фірма Rohm and Haas. Після виставки «автомобіль-привид» вирушив у рекламне турне країною. Він і досі у робочому стані.

Пінопласти отримують, додаючи до складу пластмас речовини, які розкладаються при нагріванні з виділенням газів. Пінопласти нагадують застиглу піну — газ усередині пластмаси займає замкнені порожнини. Приблизно на 98 % вони складаються з повітря.

Властивості пінопласту:

• висока тепло- і звукоізоляційна здатність;

• мінімальне водопоглинання;

• низька щільність

Зауважте, що пінопласти — це цілий клас пластичних мас, вихідною сировиною для яких є той чи той полімер.

Пористість — дуже цінна якість матеріалу. Пористі матеріали є добрими звукоізолятами й теплоізолятами, мають низьку щільність. Пінопласти використовують для теплоізоляції у побутових приладах, наприклад у холодильниках, для теплозвукоізоляції кабін літаків, кузовів автомобілів, у суднобудуванні, для зовнішнього і внутрішнього утеплення будинків, трубопроводів тощо. Деякі види пінопласту придатні для виготовлення харчової тари й одноразового посуду. М’які й еластичні пінопласти (типу поролон) застосовують для амортизаторів, м’яких меблів.

1. Які речовини називають полімерами?

2. Як класифікують полімери за походженням, реакцією на нагрівання, наявністю наповнювача?

3. Які полімери називають термопластичними, термореактивними? Наведіть приклади.

4. Які переваги і недоліки полімерних конструкційних матеріалів?

5. Якими властивостями зумовлене широке використання пластмас?

6. Які екологічні проблеми пов’язані з використанням пластмас?

7. Для чого призначене маркування пластмас?

8. Складіть перелік переваг і недоліків пластикових меблів.

9. Підготуйте повідомлення про способи переробки пластику.