Краткий обзор полимерных материалов

Данная информация может быть полезной для клиентов, часто пользующихся изделиями из пластмассы. Существует множество сортов полимерных материалов, сильно отличающихся друг от друга своими свойствами. Более того, внутри самого сорта можно с помощью различных добавок сильно изменять свойства полимеров. Приобретая изделия из пластика, необходимо обладать общей информацией, что бы понимать, сколько будет служить, купленное изделие и не переплачиваете ли вы за него. Изделия из дешёвых сортов полимерных материалов и из дорогих внешне могут выглядеть совершенно одинаково. С другой стороны, изначально более дешёвый полимер, с помощью специальных добавок, может по свойствам превосходить более дорогие. Очень важен подход производителя, либо он слепо копирует подобные изделия, либо, изучив назначение детали, осознанно проводит выбор материала. Наибольшее распространение, при производстве комплектующих для пластиковых окон, получили полиэтилен, полипропилен, АБС, полиамид 6. Материалы перечислены в порядке возрастания цены.
Полиэтилен применяется для неответственных изделий. Сложилось мнение, что это "вечный" материал благодаря извечному пластиковому мусору, но под действием атмосферных факторов полиэтилен, сохраняя свой внешний вид, теряет механические свойства, что приводит к разрушению изделия.
Полипропилен нашёл более широкое применение, но из него нежелательно изготавливать светлые декоративные изделия. Белые колпачки водосливных каналов, или торцевые заглушки на отливы через год начинают темнеть, их цвет меняется до чёрных оттенков.
АБС позволяет изготавливать широкую гамму изделий, цвет сохраняется намного дольше, чем у полипропилена.
Полиамид относится к категории конструкционных материалов, способен выдерживать высокие механические нагрузки.

Использование полимерных материалов в строительстве предполагает их сроки службы не менее 20-30 лет без существенной потери свойств. Долговечность полимерных материалов определяется двумя основными группами факторов:
1) свойства исходного полимера - надлежащее качество сырья и правильный подбор материала с учетом требований к конструкции изделия;
2) условия эксплуатации изделий из пластмасс - температура, давление (напряжённое состояние), УФ-облучение, влажность, агрессивные среды и т.д.

Сейчас практически отсутствуют методы оценки долговечности полимерных материалов в реальных условиях их эксплуатации, выражаемой в годах. Это обусловлено тем, что долговечность полимеров является показателем протекания со временем сложных физико-химических превращений в полимерах, скорость которых зависит от множества факторов, зачастую трудно поддающихся учёту.
Старение полимеров это необратимое изменение полезных свойств полимеров под действием одного или нескольких факторов. Старение характеризуется разрушением химических связей, образующих основную цепь полимера. К вредному для полимеров воздействию можно отнести нагрев, контакт с кислородом, солнечный свет, озон, ионизирующие излучения и др. Виды старения классифицируются по факторам воздействия: термическое, термоокислительное, световое, озонное, радиационное. Старение происходит на протяжении всего жизненного цикла полимеров. При хранении, переработке и эксплуатации изделий из них. В реальных условиях на полимеры воздействует одновременно несколько факторов, например при атмосферном старении - кислород, свет, озон, влага. Важный фактор, ускоряющий старение, - механические напряжения, развивающиеся в полимерах при их переработке и в некоторых условиях эксплуатации.
Причина старения - химические превращения макромолекул приводящие к их деструкции и к образованию разветвленных или трёхмерных структур ("сшиванию"). Механизмы старения различны и зависят от факторов старения. Скорость старения зависит от чувствительности полимера к воздействию перечисленных факторов, от интенсивности последних, а также от состава полимерного материала. Следствия старения - ухудшение механических характеристик полимеров, появление трещин на поверхности и их разрастание (иногда полное разрушение), изменение окраски и др. Стойкость полимеров к старению во многих случаях определяет сроки их хранения, а иногда и службы изделий. Эффективный способ защиты полимеров от старения - стабилизация различными добавками, что естественно повышает стоимость материала.

Далее мы приводим развёрнутые характеристики полимерных материалов, взятые из различных источников.

Полиэтилен (ПЭ, PE) - полимер, получаемый полимеризацией мономера этилена с помощью различных технологических способов. Общая структурная формула полиэтилена -(--СН2-СН2--)n. Он является типичным термопластом и перерабатывается в изделия всеми известными способами. Свойства ПЭ сильно зависят от плотности материала. Увеличение плотности приводит к повышению прочности, жесткости, твердости, химической стойкости. В то же время при увеличении плотности снижается ударопрочность при низких температурах, удлинение при разрыве, проницаемость для газов и паров.
Полиэтилен разделяют на LDPE - низкой плотности (полиэтилен высокого давления) и HDPE -полиэтилен высокой плотности (полиэтилен низкого давления), хотя высокое давление может применяться для изготовления как LDPE, так и HDPE.

LDPE Полиэтилен низкой плотности (полиэтилен высокого давления).
Достоинства - обладает отличными диэлектрическими характеристиками, имеет очень высокую химическую стойкость, отличается повышенной радиационной стойкостью, биологически инертен, легко перерабатывается.
Недостатки - склонен к растрескиванию при нагружении, не отличается стабильностью размеров, не стоек к жирам, маслам. Не стоек к УФ-излучению.

HDPE Полиэтилен высокой плотности (полиэтилен низкого давления)
Характеризуется хорошей ударной прочностью и большей теплостойкостью по сравнению с LDPE.
Имеет очень высокую химическую стойкость (больше, чем у LDPE).
Достоинства - обладает отличными диэлектрическими характеристиками, биологически инертен, легко перерабатывается, дает блестящую поверхность.
Недостатки - наблюдается высокая ползучесть при длительном нагружении.

Полипропилен (ПП, PP). Легкий кристаллизующийся материал.
Достоинства - прекрасная прозрачность (при быстром охлаждении в процессе формообразования), высокая температура плавления, химическая и водостойкость. Имеет хорошую прозрачность и блеск, высокую химическую стойкость, особенно к маслам и жирам, не растрескивается под воздействием окружающей среды. Устойчив к кислотам, щелочам, растворам солей, минеральным и растительным маслам при высоких температурах. Имеет хорошие механические свойства. Имеет повышенную жесткость, но хрупок при низких температурах, имеет низкое влагопоглощение. Характеризуется хорошими электроизоляционными свойствами в широком диапазоне температур. При комнатной температуре нерастворим в органических растворителях.
Недостатки - хрупок при низких температурах. ПП чувствителен к кислороду и окислителям, имеет низкую износостойкость
ПП пропускает водяные пары, что делает его незаменимым для "противозапотевающей" упаковки продуктов питания (хлеба, зелени, бакалеи), а также в строительстве для гидро-ветроизоляции.

Полистирол (ПС, GPPS, PS) - Прозрачный, жесткий, хрупкий аморфный материал. Максимальная температура эксплуатации: 75-80°С (отдельные марки работают при температурах до 105°С).
Достоинства - имеет высокую твердость, имеет низкое влагопоглощение, характеризуется высокими диэлектрическими свойствами, радиационно стоек, имеет низкое влагопоглощение, устойчив к воде, разбавленным кислотам, щелочам, спиртам.
Недостатки - при старении наблюдается большое падение прочности, не стоек к УФ-излучению (устойчивость к УФ-излучению повышается при введении специальных добавок). Не стоек к органическим растворителям, техническим маслам.

АБС, ABS - Аморфный материал, двухфазный привитой сополимер бутадиенового каучука (или бутадиенстирольного каучука) и акрилонитрил-стирольного сополимера (SAN). "Теплостойкий ABS" может содержать 4-й компонент: альфаметилстирол, N-фенилмалеинимид и др.
Обычный ABS выдерживает кратковременный нагрев до 90-100°С, т.н. теплостойкий ABS - до 110-130°С. Максимальная температура длительной эксплуатации: 75-80°С (для теплостойких марок: до 90-100°С).
Обладает высокой стойкостью к ударным нагрузкам по сравнению с полистиролом общего назначения (GPPS), ударопрочным полистиролом (HIPS) и другими сополимерами стирола. Износостоек. Механические свойства изменяются в широких пределах в зависимости от состава сополимера.
Имеет хорошую химическую стойкость. Стоек к щелочам, смазочным маслам, растворам неорганических солей и кислот.
Характеризуется пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с GPPS, HIPS.
Пригоден для нанесения гальванического покрытия, вакуумной металлизации (имеются специальные марки), а также для пайки контактов. Хорошо сваривается.
Не стоек к УФ-излучению.
Рекомендуется для точного литья. Имеет высокую размерную стабильность.
Дает блестящую поверхность (имеются специальные марки с повышенным и пониженным блеском.

ПА-6 - Конструкционный кристаллизующийся материал с высокой механической прочностью. Марочный ассортимент отличается широким диапазоном механических характеристик: свойства материала значительно изменяются при введении модификаторов и наполнителей.
Сочетает высокую ударопрочность с жесткостью и стойкостью к ползучести. Имеет высокое водопоглощение. Механические свойства материала сильно зависят от скорости деформирования и влажности. При повышении влажности резко снижается жесткость, прочность и твердость, но возрастает стойкость к ударным нагрузкам, после высушивания первоначальный уровень свойств восстанавливается. В этом отношении лучше полиамиды -11 и -12, у которых водопоглощение меньше, чем у полиамидов -6 и -6,6.
Обладает низким коэффициентом трения. Стоек к истиранию.
Устойчив к автомобильному топливу, смазкам, углеводородам, нефтяным продуктам.
Базовые марки не рекомендуется для точного литья из-за повышенной нестабильности размеров. Стабильность размеров повышается для наполненных марок.
Неокрашенные марки имеют светло-кремовый цвет. При деструкции материала в процессе изготовления, а также при использовании вторичного полимера, материал приобретает темно-коричневые тона, его физико-механические свойства ухудшаются.
Отличается высокой текучестью. Требует хорошей сушки перед переработкой

В целом полиамиды - жесткие материалы с высокой прочностью при разрыве и высокой стойкостью к износу. Они сохраняют эластичность при низких температурах, так что температурный интервал их использования очень широк. ПА пленки обладают хорошими свойствами при ударе и продавливании, легко свариваются. Полярная природа позволяет проводить их сварку высокочастотным методом.

ПВХ(PVC) - один из старейших пластиков.
ПВХ получают блочной (ПВХ-М), суспензионной (ПВХ-С) и эмульсионной (ПВХ-Е) полимеризацией. Его химическая формула:
[-СН₂-СНС1-]n.
Открыт в 1835 г. химиком Регнольдом. Сегодня ПВХ производят из нефтепродуктов, а так же из соляной кислоты. Изделиям из ПВХ присущи высокая атмосферная и химическая стойкость, низкие коэффициенты теплопроводности и линейного расширения, достаточно высокая механическая прочность. Эффективность ПВХ как конструкционного материала реализуется только при использовании необходимых добавок (аддитивов), рецептуры которых обеспечивают требуемые свойства пластика и изделий из него.

Разложение полимера сопровождается изменением его цвета от "слоновой кости" до вишнево-коричневого. Для предотвращения этого явления в ПВХ вводят комплекс стабилизаторов, из которых наиболее известны соединения свинца (оксиды, фосфиды, карбонаты), соли жирных кислот, меламин, производные мочевины.