Состав полимерного материала

ПМ представляют собой сложные по составу системы, свойства которых определяются видом, количеством и соотношением компонентов.

П определяет основные эксплуатационные и технологические свойства ПМ. Кроме полимера в состав ПМ могут входить следующие из перечисленных компонентов, объемное содержание которых может изменяться в весьма широких пределах (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Компоненты полимерных материалов

Необходимо отметить, что кроме перечисленных компонентов в состав пластмасс могут входить разнообразные специальные добавки, определяющие или усиливающие то или иное эксплуатационное свойство. Например, такими добавками могут быть различные поверхностно-активные вещества, влияющие на гидрофильность или гидрофобность пластмасс, триботехнические добавки, снижающие или повышающие коэффициент трения и улучшающие сопротивление истиранию, добавки, регулирующие адгезию полимеров к конкретным субстратам, и многие другие.

Различные наполнители вводят в П с целью:

• • повышения прочностных свойств, в том числе армирования;
• • придания ПМ специфических свойств (пористость, электропроводность, магнитовосириимчивость, теплопроводность или теплоемкость, фрикционноегь или антифрикционноегь и др.);
• • регулирования технологических свойств (вязкость расплава и его стабильность, температуры перехода из вязкотекучего в твердое состояние, особенности формования изделий и их извлечения из оснастки);
• • придания декоративных свойств;
• • снижения стоимости в результате использования дешевых разновидностей наполнителей.

Требования к наполнителям:

• - хорошая смачиваемость жидким полимером;
• - способность совмещаться с полимером с образованием однородной массы (для дисперсных наполнителей);
• - неизменность свойств при хранении и при переработке;
• - минимальная стоимость.

Важнейшими характеристиками наполнителей является их размер, форма, сыпучесть и удельная поверхность, от которых зависит эффективность взаимодействия с П, особенно когда они, наполнители, подвергаются обработке поверхностно-активными веществами, модификаторами и другими добавками.

В качестве наполнителей используются такие вещества, как древесная мука, песок, стекла, глины, тальк и даже некоторые синтетические П. Размер частиц наполнителей может варьироваться от 10 нм до макроскопического масштаба.

Введение дисперсных наполнителей в сравнительно небольших количествах (до 10 %), как правило, способствует сохранению или даже некоторому повышению прочности полимерного материала (рис. 1.4, кривая 1). При объемной доле наполнителя более 10 % физико-механические свойства композита аддитивно снижаются.

Для того чтобы повысить эффективность наполнителей, используется специальная обработка частиц, а также применяются сложные технологические процессы, позволяющие контролировать размер и форму частиц в целях улучшения взаимодействия на границе раздела фаз системы «полимер - наполнитель».

Концентрационный оптимум свойств рубленых волокнистых наполнителей приходится на 40... 50 % (рис. 1.4, кривая 2).

Применение непрерывных волокон оказывает упрочняющее действие на полимерный материал (рис. 1.4, кривая 3).

Пластифицирование - это физико-химический процесс, заключающийся в изменении межмолекулярного взаимодействия макроцепей вследствие заполнения пространства между ними пластификаторами.

Рис. 1.4. Принципиальная зависимость прочности (о) полимерного материала от содержания (С, %) наполнителя:

1 - дисперсного; 2 - волокнистого рубленого; 3 - армирующего (непрерывное волокно, тканый наполнитель)

Пластификаторами называют низкомолекулярные органические вещества, которые, будучи введенными в полимер на стадии его приготовления, уменьшают взаимодействие между соседними макромолекулами. Отсюда следует и ряд условий, которым должен со- ответс гвовагь пластификатор:

• - термодинамическая совместимость с полимером, обеспечивающая образование истинного раствора пластификатора в полимере;
• - нелетучесть;
• - отсутствие выпотевания из полимерной матрицы;
• - нетоксичность;
• - химическая стойкость;
• - температура разложения пластификатора не должна быть ниже температуры переработки полимера.

Перечисленные условия не всегда выполняются в полной мере, что сказывается на физических и технологических свойствах полимерного материала. Наибольший эффект достигается при использовании хорошо совместимых пластификаторов. При ограниченной совместимости количество пластификатора не должно превышать его равновесного предела.

Избыток пластификатора может самопроизвольно удаляться из системы, или, как принято обозначать это явление, - выпотевать.

Заметим, что значение равновесного предела зависит от внешних условий и, прежде всего, от температуры. Это означает, что эффект выпотевания может начинаться при повышении температуры среды, приводящем к нарушению термодинамического равновесия.

Понижая межмолекулярное взаимодействие, пластификатор изменяет и ряд физических свойств полимеров. Прежде всего, возрастает деформируемость при определенном уменьшении прочности и твердости. Полимер становится мягче, эластичнее. Например, жесткий поливинилхлорид - винипласт - при введении пластификаторов превращается в мягкий пластикат. Кроме того, пластификация приводит к снижению температуры текучести (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Принципиальная схема влияния содержания пластификатора (С, %) на температуру плавления

Предельное содержание пластификаторов в полимере зависит от их химических свойств.

Технологически пластификация представляет собой, как правило, операцию смешения, в результате которой две жидких среды с большей (полимер) и меньшей (пластификатор) вязкостью образуют как бы однородную систему. При качественном перемешивании молекулы пластификатора должны располагаться в межмолекулярном пространстве полимера. В качестве пластификаторов используют дибутилфгалат, трикрезилфосфаг и др.

Для увеличения долговечности полимерных материалов в используемые синтетические связующие вводят стабилизаторы, г.е. вещества, затрудняющие процессы деструкции макромолекул. В соотвегствии с причинами, вызывающими деструкционные процессы, вводимые стабилизаторы называются антиоксидантами, тепловыми стабилизаторами, биостабилизаторами, фотоантиоксидантами, абсорбентами УФ излучения и г.д.

Как отмечалось выше, количество вводимых стабилизаторов составляет доли или единицы процентов. В связи с этим важной технологической задачей процесса введения стабилизатора является достижение равномерного его распределения по объему полимера.

Используются различные методы введения стабилизатора, например:

• - в процессе полимеризации - метод обеспечивает высокую равномерность распределения, что позволяет понизить эффективное содержание стабилизатора; недостаток - возможность гермодеструк- ции стабилизатора в тепловых условиях синтеза;
• - в расплаве полимера - метод широко применяется в процессах производства полимерных материалов, поскольку позволяет точнее учесть условия эксплуатации получаемых материалов; стабилизатор вводят непосредственно в расплав, создаваемый в пластифицирующем оборудовании;
• - использование полимерных концентратов стабилизаторов

упрощает технологию их введения в композиты, однако требуется согласование вида полимерных матриц концентрата и стабилизируемого продукта; достоинство метода состоит также в том, что концентрат можно производить в виде порошков и гранул, являющихся самостоятельным продуктом.

Смазки и реологические добавки входят в рецептурный состав полимерных материалов, их смешивают с гранулами и порошками полимера, как правило, непосредственно перед их переработкой.

Смазки необходимы для предотвращения прилипания получаемых изделий к поверхности формующего инструмента. При остывании расплава смазки мигрируют к поверхности изделия, образуя защитный антиадгезионный слой.

Пигменты представляют собой тонкодисперсные порошки, как правило, неорганических нерастворимых красящих продуктов. Они, подобно тонкодисперсным наполнителям, образуют с полимером гегерофазную систему. Пигменты могут вводиться в состав полимерного материала при его приготовлении непосредственно перед переработкой.

Количество порошковых пигментов в полимерном материале может достигать 2... 5% и, следовательно, они влияют на физические свойства материала. В качестве пигментов используют мел, мраморную муку, диоксид титана, оксид цинка и хрома, кадмий и кобальт, оксиды железа, сульфат бария и др.

В качестве красителей используют сложные органические соединения, растворяющиеся в полимерах. Красители вводятся в расплав полимера, как правило, перед его грануляцией. Благодаря высокой красящей способности их содержание в полимерах невелико и составляет 0,01... 1,0%, вследствие чего они не оказывают сколько- нибудь заметного влияния на физико-механические свойства полимера, определяя главным образом его светоиропускание. В отличие от пигментов красители сохраняют прозрачность полимеров. Типичными органическими красителями являются фгалоцианин и хинок- ридоны.

К целевым добавкам относятся вещества, введение которых в полимеры и олигомеры приводит к формированию узкоспециальных свойств, необходимых для конкретной группы изделий. Например, их используют для увеличения блеска пленок или для придания их поверхности шероховатости, для увеличения ударной вязкости материала, повышения или снижения коэффициента трения, дымообразо- вания при горении и т.п. Пламегасящие добавки (антипирены) снижают воспламеняемость полимеров. Их применение регламентируется нормативными актами. Торможение процесса горения достигается применением григидратокиси алюминия, гидроксида магния или нанодобавки.

Антистатики служат для предотвращения накопления электрических зарядов на поверхности изделий из полимерных материалов. С этой целью используются два основных приема. Первый - в полимер вводятся различные антистатические поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное сопротивление. Такие вещества в своем химическом строении имеют кратные связи (четвертичные аммониевые основания, амины и др.). Содержание вводимых антистатиков, как правило, не превышает 2 %.

Второй прием заключается во введении в полимерную матрицу электропроводящих наполнителей. Ими могут служить как металлы, гак и их соединения (серебро, никель, медь). Требования к таким наполнителям: оптимальная дисперсность и отсутствие оксидной пленки на поверхности частиц. Количество электропроводящих наполнителей и их распределение в полимерной матрице должны обеспечить образование в композите токопроводящих мостиков. Этот прием позволяет получать технологичные композиты с весьма высокой электропроводностью (на уровне алюминия).

Антимикробные добавки предотвращают развитие в полимерных материалах различных микроорганизмов, что особенно важно для изделий медико-биологического, пищевого назначения, а также для изделий, эксплуатирующихся в условиях тропического климата (требование троникостойкости).