Нічого цікавоМоже бутиНормальноДобреДуже цікаво (2 голосів, середній: 5,00 з 5)
Loading...Loading...
Кількість переглядів: 2 431

Полімерні матеріали

Термін полімер (грец. Πολύ – багато (poli); μέρος — частина (meres) був уведений у науку І.Берцеліусом, відомим шведським хіміком, у 1833 р. для позначення особливого виду ізомерії, при якій речовини однакового складу відрізняються молекулярною масою. Наприклад, етилен і бутилен, кисень і озон. Синтетичні полімери на той час ще не були відомі, а перші згадки про них належать до 1838 р. (полівініліденхлорид) і 1839 р. (полістирол).

Хімія полімерів як наука виникла лише після створення в 60-х роках     XIX ст. російським хіміком О. Бутлеровим (1828–1886) теорії хімічної будови органічних речовин, що дало можливість систематизувати величезний практичний матеріал, накопичений на той час органічною хімією. Німецькі хіміки Штаудінгер, Фішер, Меєр та Френсіс вивчали природу полімерів та способи їх отримання.

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Полімерні матеріали”

Звичайно, низькомолекулярні сполуки існували задовго до пізнання їх будови – це природні полімери, отриманих за допомогою бактерій, грибків, водоростей, рослин, тварин або в клітках організму людини. Целюлоза, що входить до складу рослин, крохмаль, накопичений рослинами, геноми ДНК, хітозан, колаген, шовк, каучук, казеїн – ось лише деякі приклади природних полімерів. Деревина, кістка, зуби можуть бути класифіковані як передові та досі не перевершені за поєднанням своїх властивостей композиційні полімери.

Перший повністю синтетичний полімер отримав бельгійський хімік Лео Хендрік Баекелана у 1909 році. Це був матеріал на основі фенолформальдегідної смоли, названий бакелітом, який мав дуже добрі ізоляційні властивості. У 1912 році німецький хімік Фріц Клатте розробив промисловий метод отримання полівінілхлориду.

Значний прогрес у розвитку полімерів розпочався у 30-х роках ХХ століття, що було пов’язано з винайденням методів переробки нафтопродуктів. Так, наприклад, було розроблено такі матеріали, як полістирол, поліамід, синтетичні волокна (нейлон, капрон) та багато інших. Комерційне виробництво таких матеріалів дозволяло економити натуральну сировину та здешевшувати вартість товарів. Полімерні матеріали почали використовувати у машинобудуванні, медицині, оптиці, для виготовлення предметів побутового вжитку, взуття та одягу. У 1953 році General Motors впровадив на ринок новий «шевроле корвет», корпус якого виготовлений з армованого скловолокна. Відтоді полімерні композити зі скловолокном використовують у кожній новій генерації «шеврове».

Про Рідкісноземельні метали (РЗМ) читайте за посиланням

Згодом полімерні матеріали знайшли застосування майже у всіх галузях. Сучасні літако- та ракетобудування широко використовують полімерні матеріали завдяки поєднанню їх механічних, фізичних та хімічних властивостей. Навіть для виготовлення костюмів для космонавтів використовують шарові тканини, виготовлені з нейлону, поліаміду, політерефталану етилену, дроту тефлону, поєднаних між собою синтетичним каучуком неопреном.

Виробництво пластмас зростає з року в рік. Якщо у 1976 р. у всьому світі було випущено 20 млн тонн пластмас, то у 2013 р. було виготовлено приблизно 350 млн тонн пластмаси. До найважливіших штучних полімерів, які виготовляють у світі, належать: поліетилени (PE-LD, PE-LLD, PE-HD), поліпропілен (РР), полівінілхлорид (PCW), полістирол (PS, EPS), поліуретан (PUR) та політерефталан етилену (РЕТ). Головним сектором використання полімерів на теперішній час є такі галузі, як упакування, будівництво, машинобудування, електроніка та електротехніка. У табл. 1.75 наведено етапи відкриття штучних полімерів.

За способом отримання полімери можна поділити на:

− синтетичні полімери (наприклад, поліетилен, що виготовляють з продуктів нафтопереробки або біополіетилен, що виготовляють у процесі ферментаціїї цукрового очерету);

− натуральні полімери (біополімери) (наприклад, натуральний каучук, білки, нуклеїнові кислоти (ДНК, РНК), полісахариди – крохмаль і целюлоза);

− модифіковані полімери – натуральні або синтетичні, структура яких була змінена шляхом фізичної або хімічної модифікації.

Основною сировиною для виробництва полімерів є сира нафта та продукти нафтопереробки. Пластмасова промисловість використовує цю сировину дуже економно, тільки близько 4% від світового виробництва сирої нафти використовується для виробництва цих матеріалів.

Таблиця 1.75

Етапи відкриття штучних полімерів [1]

 

Назва матеріалу

Винахідник матеріалу

Рік

Країна

Фірма

-

Гума

Гудеа С.

1839

США

-

NC

Азотан целюлози (паркесина, ксилоніт)

Паркес А.

1862

Англія

Parkesine Company

-

Целулоїд

Хіатт Д.

1870

США

Albany Dental Punt

PF

Фенопласт (бакеліт)

Бакеланд Л.

1909

США

General Backelite

PCW (PVC)

Полівінілхлорид

Клатт Ф.

1912

Німеччина

BASF

PMMA

Поліметакрилан метилу (плексиіглас)

Ром О.

1927

Німеччина

Rohm I Hass

PS

Полістирен

-

1930

Німеччина

BASF

РЕ

Поліетилен

Фавсетт Е., Гібсон Р.

1933

Англія

І.С.І.

UP

Поліестрова смола

Еліс С.

1936

США

American Cyanamid

PUR

Поліуретан

Баєр О.

1937

Німеччина

Bayer

EP

Епоксидна смола

Кастан П.

1938

Швеція

-

РА 6,6

Поліамід 6,6 (нейлон)

Каротерс В.

1941

США

DuPont

PET

Політерефталан етилену

Уїнфілд Д.

1941

Англія

Calico Printers’ Association

SI

Силікон

Варрік Е.

1941

США

General Electric

PTFE

Політетрафлуороетилен (тефлон)

Планкет Р.

1943

США

DuPont

РОМ

Поліоксиметилен

МакДоналд Р.

1953

США

DuPont

РР

Поліпропілен

Натта Д.

1957

Франція

Montecatini

PW (PC)

Полівеглан

Фокс Д.

1953

Німеччина, США

Bayer, General Electric

 

 

Крім того сировина може містити вугілля, природний газ, азот, водень і вапняк або солі. Загалом у виробництві полімерів частка продуктів переробки нафти, супутнього і природного газу становить близько 90%, частка продуктів переробки вугілля – 9 – 10%. При цьому вартість сировини у собівартості виробництва становить 70 – 80%.

Крім нафтохімічних полімерів є біологічні полімери, які отримують з відновлюваної сировини. Сьогодні кількість таких полімерів становить лише 1% від усього ринку полімерів. Рослинна сировина є важливою альтернативою нафти, поклади якої неперервно виснажуються. Біологічні полімери, одержувані в даний час на основі деревних компонентів та однорічних рослин, що містять крохмаль (картопля, кукурудза, пшениця, рис) і целюлозу. Також такі матеріали можуть бути отримані за допомогою деяких бактерій, грибів та водоростей.

Отже, полімери – це природні та штучні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних однакових або різних за будовою атомних угруповань, з'єднаних між собою хімічними або координаційними зв'язками у довгі лінійні або розгалужені ланцюги.

Типові молекули синтетичних полімерів складаються з великої кількості невеликих фрагментів, що мають назву елементарних ланок.

Залежно від кількості (m) типів таких ланок розрізняють: гомополімери (полімери, m=1)  та гетерополімери (сополімери, m≥2) [2].

Елементарна ланка_полімерні матеріали
Елементарна ланка_полімерні матеріали

Більшість полімерів синтезовано з ненасичених вуглеводнів (реакція полімеризації), їх полімерний ланцюг складається з атомів вуглецю, такі полімери мають назву карболанцюгових.

Полімери, утворені в результаті реакції між функціональними групами (реакції поліприєднання або поліконденсації – реакції, що супроводжуються утворенням низькомолекулярних сполук), називають гетероланцюговими – їх полімерний ланцюг містить гетероатом (О,N,S) між ланками з вуглеводнів.

Для утворення полімерного ланцюга необхідно, щоб функціональність (кількість активних центрів, що беруть участь у реакції) молекули була ≥2, отже, мономери – це сполуки, що мають функціональність ≥2. Активними центрами в макромолекулярній хімії можуть бути: подвійні зв'язки (реакція полімеризації – утворюються карболанцюгові полімери), нестійкі цикли (капролактам, окис етилену – реакція поліприєднання – утворюються гетероланцюгові полімери), функціональні групи – СООН, –NН2, –ОН (реакція поліконденсації – утворюються гетероланцюгові полімери).

Елементарна ланка полімеру, синтезованого з ненасиченого мономера, збігається із залишком мономера.

Мономер (М) _Мономерна ланка ( М )
Мономер (М) _Мономерна ланка ( М )

Добре відомі полімери мають такі групи замінників X та У:

−  поліетилен                                      Х=Н; Y=Н

− поліпропілен                                   Х=Н; Y=СН3

− полістирол                                      Х=Н; Y=С6Н5

− поліакрилонітрил                            Х=Н; Y=СN

− поліметилстирол                            Х=СНз; Y=С6Н5

− поліметакрилова кислота               Х=СН3;Y=СООН

Класифікація полімерів базується на таких ознаках:

−         за хімічним складом (органічні, неорганічні, елементоорганічні);

−         за походженням (природні, синтетичні, штучні);

−         за формою макромолекули (лінійні, розгалужені, стрічкові, драбинкові, просторові, сітчасті, тривимірні (рис.1.88);

−         за реакцією на нагрівання (термопластичні, термореактивні);

−  за природою атомів полімерного ланцюга  (карбо-,  гетероланцюгові);

−  за кількістю елементарних ланок полімерного ланцюга (полімер, гомополімер);

−  за фазовим станом (аморфні, кристалічні);

−  за полярністю (полярні, неполярні).

Незалежно від виду, складу вихідних речовин та способів отримання матеріали на основі полімерів можна класифікувати на:

− пластмаси;

− волокнити;

− шаруваті пластики;

− плівки;

− покриття;

         − клеї.

 

Можливі форми макромолекул полімерів
Можливі форми макромолекул полімерів

На відміну від низькомолекулярних сполук властивості полімерів значною мірою визначаються формою (архітектурою) макромолекул. Маючи велику молекулярну масу, вони не можуть переходити в газоподібний стан, при нагріванні утворювати в’язкі рідини або зовсім розм’якшуватись, легко розчинятися.

Полімери характеризуються еластичністю (каучуки), малою крихкістю (пластмаси, органічне скло), здатністю макромолекул до орієнтації за дії спрямованого механічного поля, високою в’язкістю розчину за малої концентрації полімеру, розчинністю після стадії набухання, здатністю різко змінювати свої фізико-механічні властивості при дії малої кількості реагента. Полімери можуть перебувати у склоподібному, високоеластичному або в’язко-рідкому стані.

Зі зміною температури лінійний або розгалужений полімер може переходити з одного фізичного стану в інший. Із підвищенням температури полімери розм’якшуються і стають дуже пластичними.

Механічні властивості полімерів залежать не тільки від їх будови та температури, але і від часу експлуатації та докладеного навантаження. При дії докладених напружень відбувається як розпрямлення та розкручування ланцюжків макромолекул, так і їх переміщення.

Полімерам властиве явище старіння – зміна фізико-механічних властивостей, спричинена різними хімічними реакціями (окиснення, утворення вільних радикалів, деполімеризація з одиничними розривами ланцюжків), які проходять у полімері. Старіння може відбуватися унаслідок дії тепла, озону та атмосфери протягом тривалого часу. Якщо при цьому докладаються механічні навантаження, то процес старіння пришвидшується. Для уповільнення та запобігання явищу старіння до складу полімерів вводять антиоксиданти.

При дії іонізуючого випромінювання у полімерах відбувається явище іонізації та порушення, що супроводжується розривом хімічного зв’язку й утворенням вільних радикалів. Для підвищення стійкості полімерів до дії іонізуючого випромінювання до їх складу вводять антирадикали.

Пластмаси: основні поняття і класифікація. Пластмаси – це штучні матеріали, які одержують на основі органічних полімерів. Основними інгредієнтами, що входять до складу пластмас, є:

− наповнювачі – для підвищення міцності, твердості, в’язкості, хімічної стійкості та поліпшення інших властивостей пластмас;

− пластифікатори – для поліпшення технологічних та експлуатаційних властивостей;

− стабілізатори – для підвищення стійкості пластмас до впливу різних факторів, які сприяють розпаданню полімеру;

− антистатики;

− агенти – для зшивання молекули полімеру у сітку;

− барвники;

− за потреби речовини, що змащують, прискорюють твердіння, поліпшують антифрикційні або фрикційні властивості.

Пластмаси, отримані на основі термопластичних полімерів, називають термопластичними, або термопластами, а отримані на основі термореактивних смол – термореактивними, або реактопластами.

Термопласти випускають як без наповнювача (поліетилен, органічне скло), так і з наповнювачами у вигляді мінеральних і синтетичних волокон (органопласти).

Термореактивні полімери після твердіння та переходу в термостабільний стан крихкі, тому вони, в основному, не мають самостійного застосування, а використовуються як сполучні (матриці) при одержанні полімерних композиційних матеріалів.

Загальними особливостями пластмас є мала густина (до 2·103 кг/м3), низька теплопровідність (0,1-0,3 Вт/(мК), добрі електроізоляційні властивості, висока хімічна стійкість, фрикційні та антифрикційні властивості, значне теплове розширення. Міцність силових пластиків порівнянна з міцністю сталі і вище. Пластмаси мають добрі технологічні властивості. Недоліками пластмас є невисока теплостійкість, низькі модулі пружності порівняно з металами, а деяких – схильність до старіння.

Ненаповнені термопласти. В основі термопластів лежать полімери з лінійною або слаборозгалуженою структурою. Вони можуть піддаватися повторній переробці при нагріванні. Менш термостійкі термопласти вже при 60-70°С різко знижують свої фізико-механічні властивості, більш теплостійкі структури можуть працювати до 150-250°С, а термостійкі із твердими ланцюгами та циклічними структурами стійкі до 400-600°С. При тривалому статичному навантаженні в термопластах з'являється вимушено-еластична деформація і міцність знижується. Зі збільшенням швидкості деформування не встигає розвиватися високоеластична деформація і з'являється твердість, іноді навіть крихке руйнування. Більш міцними і твердими є кристалічні полімери. Границя міцності термопластів становить 10-100Мпа, модуль пружності (1,8-3,5)103 МПа. Вони добре протистоять втомі, їхня довговічність вища, ніж металів.

Неполярні термопласти. Поліетилен (–СН2–СН2–)n – продукт полімеризації газу етилену. Залежно від умов одержання поліетилен має різний ступінь кристалічності (від 55 до 95%) і різну густину. Чим вищі густина та кристалічність поліетилену, тим вищі міцність і теплостійкість матеріалу. Довгостроково поліетилен можна застосовувати в інтервалі температур від –   70°С і до 60–100°С. Поліетилен хімічно стійкий і при нормальній температурі не розчиняється у жодному з відомих розчинників. Недоліком поліетилену є його схильність до старіння. Для захисту від старіння у поліетилен додають стабілізатори та інгібітори (2–3% сажі сповільнюють процеси старіння у 30 разів). Під дією іонізуючого випромінювання поліетилен твердіє: набуває більшої міцності і теплостійкості. Застосовують для виготовлення труб, литих і пресованих несилових деталей, плівок. Він служить покриттям на металах для захисту від корозії, вологи, електричного струму.

Поліпропілен (–СН2–СНСН3–)n – твердий, хімічно стійкий, нетоксичний матеріал, що зберігає форму до температури 350°С. Поліпропіленові плівки і волокна міцні й еластичні. Недоліками поліпропілену є його невисока морозостійкість (від -10 до -20°С) і схильність до старіння. Поліпропілен застосовують для виготовлення труб, конструкційних деталей автомобілів, холодильників, корпусів насосів, різних місткостей та ін. Плівки використовують для того, що й поліетиленові.

Полістирол (–СН2–СНС6Н5–)n – твердий, прозорий, аморфний полімер, що добре фарбується та розчиняється у бензолі. Недоліками полістиролу є його невисока теплостійкість, схильність до старіння та утворення тріщин. З полістиролу виготовляють деталі для радіотехніки і приладів, деталі машин, посудини для води та хімікатів, плівки для електроізоляції.

Фторопласт-4 (фторлон-4) політетрафторетилен (–CF2–CF2–)n є аморфно-кристалічним полімером (ступінь кристалічності від 45 до 85%). Тривалий час може працювати при температурі 260ºС і руйнується при температурі вище 435°С. Аморфна фаза має високу еластичність, що зберігається навіть при температурах, близьких до нуля. Фторопласт-4 стійкий до дії розчинників – кислот, лугів, окислювачів, а руйнується тільки під дією розплавлених лужних металів і елементарного фтору. Він має дуже низький коефіцієнт тертя (μ=0,04), що не залежить від температури. Фторопласт-4 не переходить у в'язко-текучий стан, що утруднює виготовлення виробів з нього звичайними методами. Недоліком фторопласту-4 є виділення токсичного фтору при високій температурі. Застосовують для виготовлення труб, вентилів, кранів, насосів, мембран, ущільнювальних прокладок, манжет, сифонів, електро-радіотехнічних деталей, антифрикційних покриттів на металах (підшипники, втулки). З його різновиду (фторопласт-42) виготовляють волокно та плівку фторлон. Фторлонова тканина не горить, хімічно стійка. Її застосовують для місткостей, рукавів, спецодягу, діафрагм тощо.

Полярні термопласти. Фторопласт-3 (фторлон-3) – політрифторхлоретилен (–CF2–CFCl–)п. Введення атома хлору порушує симетрію ланок макромолекул, тому матеріал стає полярним, діелектричні властивості знижуються, але з'являється пластичність і полегшується його переробка на вироби. Фторопласт-3, повільно охолоджений після формування, має кристалічність близько 80-85%, а загартований – 30-40%. Інтервал робочих температур – від 105 до 70°С. Стійкий до дії кислот, окислювачів, розчинів лугів і органічних розчинників. Модифікований політрифторхлоретилен – фторопласт-3М має більшу теплостійкість (робоча температура 150-170°С), він більш еластичний і легше формується, ніж фторопласт-З. Використовують як низькочастотний діелектрик, крім того, з нього виготовляють труби, шланги, клапани, насоси, захист покриття металів та ін.

Органічне скло – це аморфний термопласт на основі складних ефірів акрилової та метакрилової кислот, прозорий у видимому та ультрафіолетовому діапазонах. Має густину 1,18·103 кг/м3 (що вдвічі менше густини силікатного скла), високу стійкість до дії розведених кислот і лугів, вуглеводневих палив. При температурі 80°С органічне скло починає розм'якшуватися. Його старіння у природних умовах проходить повільно. Недоліком є невисока твердість. Підвищення термостійкості та властивостей міцності органічного скла досягається орієнтуванням, а полімеризацією з іншими полімерами одержують частково зшиту структуру (термостабільне скло). Органічне скло використовують у літакобудуванні, автомобілебудуванні. З нього виготовляють світлотехнічні деталі, оптичні лінзи та ін.

Полівінілхлорид (–СН2–CHCl–)n – аморфний полімер, що має високі електроізоляційні властивості і не підтримує горіння. Непластифікований твердий полівінілхлорид називається вініпластом. Вініпласт має високу міцність і пружність. З нього виготовляють труби, деталі вентиляційних установок та теплообмінників, захисні покриття для металу, лицювальні плитки. Його недоліками є низька міцність і низька робоча температура (60–70°С), крихкість при низьких температурах. При введенні пластифікатора одержують поліхлорвініловий пластикат, що має морозостійкість до -50°С і температуру розм'якшення 160–195°С. Він застосовується для ізоляції проводів і кабелів, ущільнювальних прокладок.

Поліаміди – це пластмаси (капрон, нейлон, анід та ін.) із загальною формулою (–NH–CO–(CH2)m–NH–CO–(CH2)m–), де метиленові групи (–CH2–) повторюються від 2 до 10 разів. Між групами СО і NН, які належать різним ланцюжкам, виникає водневий зв'язок, що сприяє утворенню регулярної структури та підвищує температуру плавлення до 210–264°С. При одноосьовій орієнтації утворюються поліамідні волокна, нитки, плівки.

Поліаміди мають низький коефіцієнт тертя (μ<0,05). Вони удароміцні та здатні поглинати вібрацію, стійкі до лугів, бензину, спирту. Недоліками поліамідів є деяка їх гігроскопічність та схильність до старіння внаслідок окислення при переробці. З поліамідів виготовляють шестірні, втулки, підшипники, болти, гайки, шківи тощо.

Поліуретани містять уретанову групу (–NН–СОО–). Залежно від вихідних речовин, застосовуваних при одержанні поліуретанів, вони можуть мати різні властивості; бути твердими, еластичними й навіть термореактивними. Властивості поліуретану близькі до властивостей поліамідів. Ділянка їх робочих температур від – 70°С до 170°С. З поліуретану одержують малогігроскопічні і хімічностійкі плівки та волокна.

Поліетилентерефталат (лавсан, майлар, терілен) – складний поліефір. Лавсан є кристалічним полімером, при швидкому охолодженні розплаву можна одержувати аморфний полімер, що при нагріванні понад 80°С починає кристалізуватися. Температура плавлення лавсану 255-257°С, морозостійкість до -70°С. Він є діелектриком і має високу хімічну стійкість. З лавсану виготовляють шестірні, кронштейни, канати, ремені, тканини, плівки, волокна та ін.

Полікарбонат (дифлон) – складний поліефір вугільної кислоти. Це кристалічний полімер, якому при плавленні й подальшому охолодженні можна надати аморфну структуру. Такий матеріал стає склоподібним і прозорим. Полікарбонату властиві гнучкість й одночасно міцність і твердість у великому діапазоні температур. Полікарбонат хімічно стійкий до розчинів солей, розведених кислот і лугів, мастил; руйнується мідними лугами. З полікарбонату виготовляють гнучкі і міцні плівки, шестірні, підшипники, авто- та радіодеталі. Його використовують у кріогенній техніці для роботи в середовищі рідких газів.

Поліарилати – складні гетероланцюгові поліефіри. Їм властиві висока термічна стійкість і морозостійкість (до -100ºС), добрі показники міцності, хімічної стійкості, антифрикційні властивості. Поліарилати використовуються для виробництва підшипників, що працюють у вакуумі без застосування мастильного матеріалу, а також як ущільнювальні матеріали в буровій техніці.

Пентапласт є хлорованим простим поліефіром. Він повільно кристалізується. Міцність пентапласту близька до міцності вініпласту, але він витримує температуру 180°С і добре формується. Пентапласт нехолодотекучий, стійкий до стирання, має задовільні електроізоляційні властивості, водостійкий. За хімічною стійкістю він займає проміжне місце між фторопластом і вініпластом. З пентапласту виготовляють труби, клапани, деталі насосів і точних приладів, місткості, плівки та захисні покриття на металах.

Поліформальдегід – простий поліефір – лінійний полімер, що має в ланцюзі кисень (–СН2–О–)п. Підвищена кристалічність (75%) і надзвичайно щільне упакування кристалів дають поєднання таких властивостей, як твердість, висока ударна в'язкість і пружність. Температурний інтервал застосування полімеру – від -40 до 130°С, він водостійкий, стійкий до дії мінеральних масел і бензину. Поліформальдегід використовують для виготовлення зубчастих передач, шестерень, підшипників, клапанів, деталей автомобілів тощо.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

− матеріальна переробка матеріалів відпрацьованих виробів;

− переробка сировини термічними і хімічними методами;

− використання відходів як палива (термічна переробка);

− компостування виробів з полімерів, що деградують;

− проектування виробів, що полегшує їх подальшу переробку;

− радіаційна обробка.

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

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

Приклади маркування полімерних виробів
Приклади маркування полімерних виробів

Знаки екологічного продукту
Знаки екологічного продукту

Деякі знаки закликають до збереження природного середовища          (рис. 1.91). Їх наносять на упакування товарів загального вжитку.

Знаки, що закликають берегти довкілля
Знаки, що закликають берегти довкілля

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

 

Знаки, що вказують на набезпеку для довкілля
Знаки, що вказують на набезпеку для довкілля

В Україні екомаркування не набуло ще широкого застосування. Але в останні роки все більше виробників на своїй продукції застосовує зображення екологічних знаків, що супроводжуються відповідними написами. Це значно розширює знання користувачів про продукцію і полегшує переробку використаних упаковок.

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

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

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

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

 

Теплота спалювання полімерів порівняно з традиційними полімерами і паливами
Теплота спалювання полімерів порівняно з традиційними полімерами і паливами

Полімери з несегрегованих або забруднених комунальних відходів є специфічним паливом, яке дозволяє утилізувати відходи з макулатури, упакування, текстилю і навіть скла. Це вказує на потребу будування в Україні багатьох підприємств термічної утилізації відходів.

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

− заощадження матеріалів і енергетична ефективність переробки;

− уникнення виготовлення і використання виробів із сумішей багатьох матеріалів;

− простий спосіб монтажу і демонтажу елементів конструкцій;

− вибір відповідного матеріалу з точки зору наступної переробки;

− відповідне маркування виробів;

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

− збільшення часу життя виробів шляхом підвищення їх якості;

− застосування матеріалів з відновлюваної сировини;

− проектування матеріалів, при виробництві яких нема шкідливих виділень.

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

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

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

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

−         технічний – час технологічно обґрунтованого життя;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Застосування полімерів у будівництві. Полімерні синтетичні матеріали у будівництві почали використовувати порівняно недавно, приблизно 60 років тому. Але на теперішній час вони набули провідного місця у цій галузі господарства завдяки своїм властивостям та використовуються як зв’язні речовини, компоненти дорожнього покриття, як конструкційні міцні матеріали, тепло- та гідроізолятори тощо. Важливими властивостями пластмас для застосування у будівництві є їх висока хімічна стійкість, водонепроникність та стійкість до дії мікроорганізмів. Широкого застосування у будівельних конструкціях набули скло- та деревопластики, полімербетони, пінопласти та склопласти. Не зважаючи на різні галузі застосування будівельних пластмас, є декілька основних вимог до кожної з них. Насамперед це висока довговічність та достатня механічна міцність. Увага до цих характеристик обумовлюється тим, що молекулярна гратка полімерів належить до неміцних, а енергія розриву зв’язків між атомами в органічних сполуках значно менша, ніж у молекул більшості неорганічних сполук, що застосовуються як будівельні матеріали. Цим обумовлена невисока температура, за якої можна експлуатувати полімерні матеріали, а також їх схильність до процесів окислювальної деструкції, що призводить до зміни їх фізико-хімічних та технічних показників.

Широкого застосування як дорожнє покриття набули полімерцементні бетони – суміші цементу і полімерів з наповнювачами або без них. Складові цементу вступають у взаємодію з водою та утворюють цементний камінь, що з’єднує частинки наповнювача у моноліт. Рівномірно розподілений у бетоні полімер поліпшує зчеплення цементного каменю з наповнювачем та окремих цементних зерен між собою.

Для оснащення балконів, лоджій, похилої покрівлі вже давно застосовують гідроізоляційні плівки, виготовлені з полімерних матеріалів. Великого розповсюдження набули пластикові двері та вікна. Широко застосовуються полімери при будівництві інженерних мереж трубопроводів, що зумовлюється меншою вагою та ціною порівняно з металевими трубами, а також підвищенням строку експлуатації.

Застосування полімерних мембран стало невід’ємною частиною при будівництві покрівлі, що зумовлюється відмінною гідроізоляцією такого матеріалу, виготовленого з пластику. Вони складаються з двох-трьох шарів полівінілхлориду та домішок, які збільшують стійкість до нагрівання від сонячних променів, мають стійкість до перепаду температур, велику еластичність, стійкі до термічних, хімічних та механічних впливів, легко встановлюються, а після монтажу не потребують додаткового догляду.

Одним із головних недоліків використання полімерів як будівельних матеріалів є їх займистість та токсичність. Тому при обранні матеріалів, що застосовуються для будівництва житла, необхідно уникати небезпечних для життя людини матеріалів.

Застосування полімерів у медицині. Для медичних цілей використовують полімерні матеріали загальнотехнічного призначення та спеціальні полімерні матеріали. З перших виготовляють будівельне і санітарно-технічне устаткування лікувальних установ, посуд, предмети догляду за пацієнтами, деталі різних приладів, дослідницької та лікувальної апаратури, інструментів, посуду для аналітичних лабораторій та багато іншого. Застосування полімерних матеріалів замість скла і металів зумовлюється їх низькою вартістю та кращими технологічними, фізико-механічними та споживчими властивостями. Крім загальнотехнічних вимог до них ставлять вимоги щодо їх санітарно-гігієнічних властивостей, а саме: мінімальне виділення в довкілля газоподібних продуктів, нерозчинність у миючих та дизенфікуючих розчинах, можливість стерилізації тощо.

Найширше на теперішній час у медицині використовують полімерні матеріали на основі полівінілхлориду, сополімерів стиролу, поліпропілену, поліметилметакрилату, поліуретанів, фенолформальдегідних смол.

Спеціальні полімерні матеріали медичного призначення застосовуються у безпосередньому контакті з живим організмом: в ендопротезах, матеріалах для відбудовної хірургії, у матеріалах і виробах для відбору та зберігання крові, для виготовлення апаратури, що заміняє функції органів, компонентів терапевтичних і діагностичних засобів. Основу таких полімерних матеріалів становлять синтетичні та природні високомолекулярні сполуки, які не мають шкідливого впливу на живі організми. За характером впливу такі полімерні матеріали поділяють на біоінертні (поліетилен, поліпропілен, фторопласт, силікони, поліметилакрилат), біосумісні (сополімери вінілпіролідону, акриламіду, акрилатів) та біоактивні (сульфапіридазином, пілокарпіном, тринітролонг, динітросорбілонг, похідні целюлози).

Біоінертні матеріали практично не змінюють своїх властивостей під впливом середовища живих організмів. Їх використовують для створення штучних судин, клапанів серця, очних кришталиків, м’язових зв’язок, деталей апарата штучної нирки та серця.

Біосумісні матеріали здатні поступово піддаватись біодеструкції або розчиненню у біологічних середовищах, що дозволяє здійснювати відбудовні хірургічні операції. Їх використовують у вигляді плівок, ниток, сіток і комбінованих протезів для тимчасового заміщення тканин при хірургічному втручанні, закриття ран внутрішніх органів, заповнення післяопераційних порожнин, заміщення дефектів кісткової тканини, склеювання кісткових уламків тощо.

Біоактивні полімерні матеріали можуть мати фізіологічну активність завдяки лікарським препаратам, що утримуються в них як спеціальні домішки. Їх використовують як готові лікарські форми у вигляді композицій, де високомолекулярні з’єднання або відіграють роль основи (очні лікарські плівки з різними апаратами), або мають власну фізіологічну активність макромолекул (полімерні ліки, штучні плазмо- та кровозамінники).

До медичних полімерів ставлять високі вимоги щодо їх чистоти за токсичними речовинами, барвниками, стабілізаторами, наповнювачами, які в живому організмі здатні вимиватися з полімерів та здійснювати негативний вплив. Тому здебільшого виробництво полімерів медичного призначення та виробів на їх основі здійснюється у стерильних умовах, що виключають найменше забруднення. Все це потребує додаткових капіталовкладень у їх виробництво і переробку. Наявність стабільного та зростаючого збуту виробів зі спеціальних медичних полімерів, а також поліпшення за їх допомогою здоров’я людей, є головними факторами, що стимулюють розвиток виробництва. В останні роки медицина за обсягом споживання пластмас посідає четверте місце у світі після упакування, будівництва, електротехніки та електроніки).

З усіх галузей медицини полімери знайшли найбільше застосування у стоматології, де синтетичні полімери використовують як пломбувальні матеріали, захисні покриття, для виготовлення зубних протезів. У нових композиціях тверднення полімерів досягається при фотохімічній дії ультрафіолетового випромінювання кварцової лампи (фотополімерні пломби).

Важливим напрямом впровадження полімерних матеріалів у медицину є їх використання в офтальмології. Використання в очній хірургії медичних контактних лінз та штучних очних кришталиків, виготовлених з поліметилметакрилату, значно поліпшило життя людей з поганим зором. Однак внаслідок твердості очних лінз, що викликає відчуття дискомфорту, і поганої здатності до пропускання кисню, багато пацієнтів не можуть адаптуватися до них. В останні роки для виготовлення твердих лінз почали застосовувати ацетобутират целюлози, що добре змочується і є більш проникним для кисню. Особливий інтерес мають гідрофільні, проникні для кисню контактні лінзи для тривалого носіння, виготовлені з поліоксіетилметакрилату, що володіє добрими оптичними і механічними властивостями та зберігає свої властивості у широких інтервалах температур та значеннях рН.

Застосування полімерів у сільському господарстві. Перше місце у застосуванні полімерів у сільському господарстві належить плівкам. Завдяки використанню захисних плівок урожайність деяких культур підвищується на 30%, а терміни дозрівання пришвидшуються на 10-14 днів. Використання поліетиленової плівки для гідроізоляції водоймищ забезпечує істотне зниження втрат вологи. Накривання плівкою сіна, силосу та кормів забезпечує їх краще зберігання навіть у несприятливих умовах. Але головною ділянкою використання плівкових полімерних матеріалів у сільському господарстві є будівництво та експлуатація плівкових теплиць. Зараз технічно можливо випускати полотно плівки розміром до 16 м, що дає змогу будувати плівкові теплиці великих розмірів. У таких теплицях можна вирощувати продукцію цілий рік та механізувати всі сільскогосподарські роботи. У холодну пору року теплиці прогріваються за допомогою полімерних труб, що закладаються у сухий грунт на глибину 60-70 см.

У тепличних господарствах використовують плівки, виготовлені з поліетилену, непластифікованого полівінілхлориду, поліамідів. Вони відрізняються доброю світлопроникністю, міцнісними властивостями. Їх недоліками є високі втрати тепла та мала стійкість до природних умов, що потребує частої їх заміни.

Інша галузь застосування полімерних матеріалів у сільському господарстві – меліорація. З полімерних матеріалів можна виготовляти труби різноманітної форми, шланги для поливання, особливо для крапельного зрошування. Термін служби пластмасових труб у системах дренажу більший, ніж у керамічних. До того ж використання пластмасових труб, особливо з гофрованого полівінілхлориду, дозволяє майже виключити ручну працю під час прокладання дренажних систем.

Також полімерні матеріали у сільському господарстві широко використовують для будівництва приміщень для тварин, сількогосподарського машинобудування.

Застосування полімерів для виготовлення упакування. Полімерні матеріали є незамінними для упакування. Вони володіють рядом функціональних властивостей, які у поєднанні зі спеціальними методами проектування та обробки дозволяють отримувати економічно вигідні рішення, які доводять їх провідні позиції на ринку.

Пакувальні матеріали займають найбільш значущий сектор споживання пластмас, що становить приблизно третину світового споживання пластмас (приблизно 50 млн тонн). Причому з кожним роком ця цифра зростає.

Ринок пакувальних матеріалів є найбільшим ринком для пластмас та термопластів. Це зумовлюється тим, що пластмаси дозволяють отримати виключний баланс маси, експлуатаційних характеристик, простоти виробництва, естетичних переваг та малих витрат на виробництво. Пластмаси дозволяють створювати різноманітні форми упаковок, мають більші захисні властивості, ніж традиційні пакувальні матеріали.

Споживання пластмас для виготовлення упаковок перевищує 38% всього обсягу споживання пластмас у Європі та приблизно 29% у США (табл. 1.76).

Згідно зі звітом Університету Клемсона контроль якості упаковки необхідно проводити за чотирма основними параметрами:

−      захист: упаковка повинна захищати вміст від довкілля, розкрадання, ламання, бактерій, токсичних речовин, агресивних продуктів, кисню та атмосфери тощо;

Таблиця 1.76

Питома вага товарів в обороті ринку для основного застосування полімерів

 

Ринок

Частка, %

Європейський ринок полімерів

Упакування

38

Будівництво та цивільне будівництво

18

Автомобільна та транспортна промисловість

7

Електрична та електронна промисловість

7

Промисловість

5

Спорт та розваги

5

Меблі та спальні приналежності

4

Предмети домашнього вжитку

5

Сільське господарство

3

Медицина

1

Ринок термопластів США

Упакування

29

Будівництво та цивільне будівництво

17

Автомобільна та транспортна промисловість

5

Електрична і електронна промисловість

 3

 

 

−      створення герметичності: це найголовніша причина використання упакування для транспортування харчових продуктів та води, промислових, сільськогосподарських та побутових хімікатів;

−      надання інформації та естетичність: пластмаси можуть бути прозорими або непрозорими, фарбованими, прикрашеними, з імітацією дерева або металу, з нанесеним текстом або малюнком, нести інформацію для клієнтів або користувачів, що додатково матиме значення для залучення клієнтів;

−      простота використання: використання пластмаси дозволяє винаходити оригінальне застосування та постійно вводити інновації для відомих герметичних упаковок, що повторно герметизуються: еластичних, що легко згортаються, не рвуться, володіють бар’єрними властивостями плівок; упаковок, що не руйнуються.

У виробництві матеріалів для упакування застосовують переважно термопласти, які володіють всім комплексом необхідних властивостей. Найширше використовують поліолефіни (65%), поліуретани (1%), поліакрилати, поліаміди, полікарбонати (разом 15%). У решті випадків для упакування застосовують традиційне упакування (тканину, папір, картон, скло), а також композиційні матеріали на основі скловолокна. В останні роки споживання полівінілхлориду для виготовлення упаковок зменшується через його погану екологічність.

Через проблеми з утилізацією використаних упаковок виготовлення їх з полімерних матеріалів у багатьох країнах обмежене або підлягає оподаткуванню (Ірландія, Німеччина, Тайвань). Тому в останні роки розробляють упаковки, виготовлені з біополімерів. Мережі супермаркетів розвинутих країн пропонують покупцям власне упакування з біополімерів, що дещо здорожчує продукцію, але не має негативного впливу на довкілля.

Існує декілька причин для використання полімерів при виготовленні упаковки:

−      поєднання властивостей, якого неможливо досягнути при використанні традиційних матеріалів;

−      еластичність та стійкість до впливу середовища відрізняє термопластичні плівки від паперу та картону;

−      велика стійкість до удару порівняно зі склом;

−      хімічна інертність порівняно з металами;

−      амортизуючі властивості пінопластів;

−      низький модуль пружності, м’якість;

−      простота обробки;

−      можливість серійного та дрібного виробництва;

−      невелика маса;

−      можливість гнучкого проектування, що дозволяє отримувати різноманітні форми, що є неможливим при використанні традиційних матеріалів;

−      зниження витрат (без пластмасового упакування виробничі витрати та споживання енергії збільшуються вдвічі, а обсяг відходів збільшується на 150%);

−      збереження природних ресурсів тощо.

Водночас полімери мають деякі загальні недоліки, а саме:

− екологічні обмеження при застосуванні;

− витрати на сировину;

− низькі значення модуля пружності та міцності.

Щоб розширити свого перебування на ринку пакувальних матеріалів з пластмаси, слід збільшити їхні експлуатаційні характеристики, спростити обробку, підвищити виробничість та можливість утилізації. Наприклад:

−      поліпшити тепловий режим, оскільки технології упакування використовують підвищені температури при заповненні пляшок або контейнерів харчовими продуктами, або при швидкому розігріванні контейнерів з харчовими продуктами;

−      поліпшити тепловий режим за низьких температур: заморожуванні або глибокому заморожуванні;

−      спростити обробку: здатність добре оброблятись дозволяє отримати легші та дешевші упаковки, причому час виробничого циклу зменшується, а виробничість підвищується;

−      низькі кінцеві витрати: легше наносити друк, фарбування всього матеріалу, декорування у процесі формування, збирання у процесі формування та адаптоване проектування дозволяє зменшити витрати на оброблення та збір;

−      переробка: необхідність полегшити її та знайти промислові ринки збуту завдяки раціональному вибору сумісних матеріалів та роботі тільки з одним матеріалом.

Отже, незважаючи на небагату історію, полімерні матеріали стали незамінними у різних галузях господарства. Це зумовлено багатьма факторами, зокрема їх механічними властивостями, дешевизною, простотою виготовлення, технологічністю, можливістю переробки та повторного використання тощо.

Основним недоліком використання пластмас ще й досі лишається екологічний фактор. Економічна наука мало звертала увагу на екологічні проблеми, що й стало однією з причин формування техногенного типу економічного розвитку. Цей тип можна охарактеризувати як природоруйнівний, оснований на використанні штучних засобів виробництва, створених без урахування екологічних обмежень.

Для запобігання глобальній та локальній екологічним кризам необхідно змінити техногенний тип розвитку на сталий. Останній дає можливість задовольнити потреби сучасних поколінь, але не ставить під загрозу існування наступних. Концепція сталого розвитку набула визнання як в економічній науці, так і в міжнародній практиці.

Головним завданням усіх виробників полімерних матеріалів зараз є впровадження методів, які дозволять реалізувати життєдіяльність суспільства шляхом упровадження його до природних біохімічних циклів, що призведе до мінімізації використання природних ресурсів, збереження необхідних ресурсів і умов для майбутніх поколінь. Це стане можливим при заміні звичайних полімерних матеріалів на біологічні.

Якість навколишнього середовища дещо поліпшилася у розвинутих країнах, але погіршується у нових індустріальних країнах. Найгірше те, що до основної проблеми виснаження невідновлюваних ресурсів додалася і стала найголовнішою деградація відновлюваних ресурсів – ґрунтів, лісів, водних ресурсів, атмосфери.

Для створення такої економічної стратегії сталого розвитку необхідно обмежити споживання. Суспільство має обмежити своє існування необхідними корисними потребами, які забезпечать безкризове існування. Престижні та згубні потреби мають бути ліквідовані. Критеріями сталого розвитку мають стати мінімальна собівартість та висока якість корисної та необхідної продукції і послуг, невисока диференціація при розподілі серед членів суспільства матеріальних благ, які створюються у сфері суспільного виробництва. Використання полімерних матеріалів дозволить швидше досягти поставленої мети в Україні та усьому світі.

 


*Тепла Тетяна Леонідівна – канд. екон. наук, ст. викладач кафедри прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів Національного університету «Львівська політехніка».

 

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Полімерні матеріали”


Publisher: Team EPMPD  

Додати коментар

Ваш e-mail не буде опублікований. Обовязкові поля відмічені *

Можна використовувати наступні HTML-теги і атрибути: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>