Kunststof polymeren

Het vormingsproces van kunsthars is in essentie een polymerisatiereactie, waarbij monomeermoleculen chemisch aan elkaar worden gekoppeld om polymeerketens te vormen. Op basis van verschillende reactiemechanismen worden polymerisatiereacties hoofdzakelijk in twee categorieën verdeeld.

Aadditiepolymerisatie. Bij additiepolymerisatie worden monomeermoleculen aan elkaar gekoppeld om polymeerketens te vormen door onverzadigde bindingen, zoals dubbele en drievoudige bindingen, te verbreken. Er ontstaan ​​geen kleine moleculaire bijproducten tijdens deze reactie. Bekende harsen zijn onder andere polyethyleen (PE), polypropyleen (PP), polyvinylchloride (PVC) en polystyreen (PS), die allemaal worden geproduceerd via additiepolymerisatie. Onder invloed van een katalysator breken bijvoorbeeld de dubbele bindingen van ethyleenmoleculen om actieve centra te vormen, die vervolgens achtereenvolgens verbinding maken met andere ethyleenmoleculen om een ​​lineair polyethyleenmacromolecuul te vormen.

Cdensatiepolymerisatie. Het verwijst naar de vorming van polymeerketens door de condensatiereactie tussen monomeermoleculen, waarbij tegelijkertijd kleine moleculaire bijproducten zoals water, alcoholen en ammoniak ontstaan. Dit type reactie vereist doorgaans dat monomeermoleculen twee of meer functionele groepen bezitten (zoals hydroxyl-, carboxyl- en aminogroepen). Polyethyleentereftalaat (PET), polyamide (PA, nylon), epoxyhars (EP) en polyurethaan (PU) worden allemaal geproduceerd door middel van condensatiepolymerisatie.

Lichtgewicht en hoge sterkte: De dichtheid van kunststofharsen ligt doorgaans tussen 0.9 en 2.0 g/cm³, veel lager dan die van metalen en keramiek. De specifieke sterkte van sommige hoogwaardige kunststoffen kan echter die van metalen materialen overtreffen, waardoor ze geschikt zijn voor de lucht- en ruimtevaart, gewichtsbesparing in de automobielindustrie en andere toepassingen.

Goede plasticiteit en verwerkbaarheid: Onder bepaalde temperatuur- en drukcondities kunnen kunstharsen door middel van spuitgieten, extrusie, blaasvormen, kalanderen en andere processen in diverse vormen worden verwerkt. Deze processen verbruiken relatief weinig energie, waardoor ze geschikt zijn voor grootschalige industriële productie. 

Uitstekende chemische stabiliteit: De meeste kunststofharsen vertonen een goede corrosiebestendigheid tegen zuren, basen, zouten en andere chemicaliën, en oxideren of ontbinden niet gemakkelijk. Daardoor zijn ze geschikt voor toepassingen die chemische bestendigheid vereisen, zoals chemische apparatuur, pijpleidingen en voedselverpakkingen.

Goede isolatie- en thermische isolatie-eigenschappen: Kunststofharsen zijn uitstekende elektrische isolatoren, geschikt voor isolerende behuizingen in elektronische apparaten en als omhulsel voor draden en kabels. Tegelijkertijd zorgt hun lage warmtegeleidingsvermogen voor een uitstekende thermische isolatie, waardoor ze veelvuldig worden gebruikt in isolatiematerialen voor de bouw en als isolatielaag in apparaten.      

Kostenbeheersing met hoge kosten: De meeste algemene kunststofharsen hebben ruim beschikbare grondstoffen en volwassen productieprocessen, wat resulteert in relatief lage productiekosten en voldoet aan de eisen van grootschalige consumentenproducten.

Selectie van harsvariëteiten. De keuze van kunststofhars moet degene zijn met de prestatie die het dichtst bij het doel van de modificatie ligt, om de hoeveelheid toegevoegde additieven te besparen.

Selectie van harskwaliteiten. Verschillende kwaliteiten van dezelfde kunststofhars hebben grote verschillen in prestaties, en de kwaliteit die het dichtst bij het doel van de modificatie ligt, moet worden geselecteerd.

Selectie van harsvloeibaarheid. De viscositeit van elk geplastificeerd materiaal in de formule moet dicht bij elkaar liggen om de verwerkingsvloeibaarheid te garanderen. Voor materialen met sterk verschillende viscositeiten moet een overgangsmateriaal worden toegevoegd om de viscositeitsgradiënt te verminderen.

Denk aan de relatie tussen verwerkingsmethoden en vloeibaarheid. Verschillende soorten kunststofharsen hebben verschillende vloeibaarheden. Hetzelfde soort kunststofpolymeer heeft ook verschillende vloeibaarheid, voornamelijk vanwege de verschillende verdeling van moleculaire massa en moleculaire keten. Verschillende verwerkingsmethoden vereisen verschillende vloeibaarheidsvereisten voor kunststofharsen.

Er zijn veel classificatiemethoden voor harsen. Naast dat ze worden onderverdeeld in natuurlijke harsen en synthetische harsen op basis van de bron van de harsen, kunnen ze ook worden geclassificeerd op basis van de synthesereactie en de samenstelling van de hoofdketen.

Geclassificeerd op plastic polymeer synthese reactie. Volgens deze methode kunnen plastic polymeren worden onderverdeeld in additiepolymeren en condensatiepolymeren. Additiepolymeer verwijst naar een polymeer geproduceerd door additiepolymerisatie, en de chemische formule van zijn ketenstructuur is hetzelfde als die van het monomeer. Polycondensaat verwijst naar een polymeer geproduceerd door condensatiepolymerisatie, de chemische formule van zijn structurele eenheid is anders dan die van het monomeer.

Geclassificeerd volgens de hoofdketensamenstelling van kunststofharsmoleculen. Volgens deze methode kunnen kunststofharsen worden onderverdeeld in koolstofketenpolymeren, heteroketenpolymeren en elementaire organische polymeren. Koolstofketenpolymeren verwijzen naar polymeren waarin de hoofdketen volledig is samengesteld uit koolstofatomen. Heteroketenpolymeren verwijzen naar polymeren waarvan de hoofdketen is samengesteld uit atomen van twee of meer elementen zoals koolstof en zuurstof, stikstof en zwavel. Elementaire organische polymeren betekenen dat de hoofdketen niet noodzakelijkerwijs koolstofatomen bevat en voornamelijk is samengesteld uit atomen van elementen zoals silicium, zuurstof, aluminium, titanium, boor, zwavel en fosfor.

① Op aardolie gebaseerde grondstoffen: Momenteel de belangrijkste bron, gebaseerd op aardolie en aardgas, die worden geraffineerd tot monomeren zoals ethyleen, propyleen en benzeen. Deze worden vervolgens gebruikt voor de synthese van de meeste gangbare kunststoffen zoals PE, PP en PVC.

② Biobased grondstoffen: Hernieuwbare materialen, zoals zetmeel, cellulose, plantaardige oliën en producten van microbiële fermentatie, worden gebruikt om biologisch afbreekbare kunststofharsen te produceren (zoals PLA (polymelkzuur) en PHA (polyhydroxyalkanoaten)), wat een belangrijke richting is voor milieuvriendelijke materialen.

Het moleculair gewicht is een indicator voor de lengte van de polymeerketens en heeft een directe invloed op de eigenschappen van harsen. Een hoger moleculair gewicht resulteert in een betere treksterkte, slagvastheid en andere mechanische eigenschappen, maar een verminderde verwerkbaarheid. Omgekeerd resulteert een lager moleculair gewicht in een betere verwerkbaarheid en een gemakkelijkere verwerking, maar in zwakkere mechanische eigenschappen.

De molecuulgewichtsverdeling verwijst naar de verhouding van moleculaire ketens van verschillende lengtes in de hars. Harsen met een smalle verdeling hebben uniformere eigenschappen en een betere verwerkingsstabiliteit. Kunststofharsen met een brede verdeling voldoen aan verschillende verwerkingsbehoeften, maar hun eigenschappen fluctueren meer.

De smeltstroomindex (MFR, eenheid: g/10min) is een belangrijke indicator voor de verwerkingsvloeibaarheid van hars. Het geeft de massa hars aan die binnen 10 minuten door een standaard capillairbuis stroomt bij een bepaalde temperatuur en druk.

Een hogere MFR-waarde duidt op een betere vloeibaarheid van de hars, waardoor deze gemakkelijker te vormen is via processen zoals spuitgieten en extrusie (geschikt voor dunwandige, complexe producten).

Een lagere MFR duidt op een slechtere vloeibaarheid, maar het gegoten product heeft een hogere mechanische sterkte (geschikt voor dikwandige, dragende producten).

Zo is bijvoorbeeld LDPE met een hoge smeltbrandstofwaarde geschikt voor het maken van folie, terwijl HDPE met een lage smeltbrandstofwaarde geschikt is voor het maken van plastic verpakkingen.

① Smeltpunt (Tm): De temperatuur waarbij thermoplastische harsen smelten.

② Glastransitietemperatuur (Tg): De temperatuur waarbij de hars overgaat van een "glasachtige" toestand naar een "zeer elastische" toestand.

③ Warmtevervormingstemperatuur (HDT): De temperatuur waarbij de hars een bepaalde vervorming ondergaat onder een gespecificeerde belasting, die direct de bovengrens van de bedrijfstemperatuur weergeeft.

Weerbestendigheid verwijst naar de prestatiestabiliteit van harsen in natuurlijke omgevingen. Harsen met een slechte weerbestendigheid zullen verkleuren, broos worden, barsten, verouderen en prestatieverlies vertonen na langdurig gebruik buitenshuis. Hun weerbestendigheid kan worden verbeterd door toevoeging van additieven (UV-absorbers, antioxidanten, lichtstabilisatoren) of door coating- en mengmodificatie (zoals het mengen van PP met EPDM om de weerbestendigheid te verbeteren).

① Spuitgieten: Vereist een matige harsvloei en een lage krimp tijdens het spuitgieten (hoge maatnauwkeurigheid), geschikt voor producten met complexe vormen. Veelgebruikte kunststofharsen zijn PP, PE, ABS, PC en PA.

② Extrusie: Vereist een gelijkmatige harsstroom en goede thermische stabiliteit, geschikt voor de productie van buizen, platen, folies en profielen. Veelgebruikte harsen zijn PE, PP, PVC en PET.

③ Blaasvormen: Vereist een hoge smeltsterkte en goede taaiheid van de hars, geschikt voor de productie van holle producten (plastic flessen en emmers). Veelgebruikte harsen zijn onder andere HDPE, LDPE, PET en PP.

④ Persvormen: Voornamelijk toepasbaar op thermohardende harsen (zoals EP en PF), waarbij een regelbare uithardingssnelheid en vloeibaarheid van de hars, aangepast aan de mal, vereist zijn.

Geschikte kunststofharsen voor contact met levensmiddelen moeten voldoen aan de veiligheidsnormen voor materialen die met levensmiddelen in contact komen (zoals de Chinese GB 4806-serie, de EU EFSA en de Amerikaanse FDA), mogen geen schadelijke monomeermigratie vertonen, moeten geurloos zijn en chemisch stabiel zijn.   

① Folies, huishoudfolies: LDPE, PP (hittebestendig, geschikt voor de magnetron).

② Drankflessen, olieflessen: PET (transparant, goede barrière-eigenschappen), HDPE (zuur- en alkalibestendig).

③ Serviesgoed of lunchboxen: PP (hittebestendig 100-120℃, geschikt voor de magnetron), PS (transparante lunchboxen, niet geschikt voor de magnetron).

④ Voedselverpakkingen: PP, HDPE, roestvrij staal, composiet PP.

① Omgeving: Bewaren in een droog, goed geventileerd magazijn met een temperatuur tussen 15-30℃ en een relatieve luchtvochtigheid van ≤60%.  

② Verpakking: Houd de originele verpakking gesloten om vochtabsorptie te voorkomen.

③ Verwijderd houden van warmtebronnen en direct zonlicht. Niet bewaren in de buurt van zuren, basen of oplosmiddelen.

④ Houdbaarheid: Algemene kunststofharsen kunnen 6-12 maanden in luchtdichte verpakkingen worden bewaard. Voor technische kunststoffen wordt aanbevolen om ze binnen 3-6 maanden te gebruiken. Na afloop van de houdbaarheidstermijn moeten de prestaties opnieuw worden getest.    

① Grondstoffen in de toeleveringsketen: Schommelingen in de olie- en aardgasprijzen hebben een directe invloed op de kosten van op aardolie gebaseerde harsen zoals PE en PP. De prijzen van biobased grondstoffen beïnvloeden de prijzen van PLA en PHA.

② Vraag en aanbod op de markt: Een piek in de vraag vanuit de downstreammarkt drijft de prijzen op, terwijl overcapaciteit leidt tot prijsdalingen.

③ Beleidsfactoren: Milieubeschermingsmaatregelen, productiebeperkingen, importheffingen en verboden op plastic, enz.

④ Logistieke kosten beïnvloeden de prijs van geïmporteerde harsen.