Пластиковые полимеры

Процесс образования пластиковой смолы по сути представляет собой реакцию полимеризации, в ходе которой молекулы мономеров химически связываются, образуя полимерные цепи. В зависимости от механизма реакции реакции полимеризации в основном делятся на две категории.

Aполимеризация присоединения. Молекулы мономеров соединяются друг с другом, образуя полимерные цепи путем разрыва ненасыщенных связей, таких как двойные и тройные связи. В ходе этой реакции не образуются побочные продукты в виде малых молекул. К распространенным смолам относятся полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ) и полистирол (ПС), все они производятся методом аддитивной полимеризации. Например, под действием катализатора двойные связи молекул этилена разрываются, образуя активные центры, которые затем последовательно соединяются с другими молекулами этилена, образуя линейную макромолекулу полиэтилена.

Cконденсационная полимеризация. Речь идёт об образовании полимерных цепей в результате реакции конденсации между молекулами мономеров, при этом одновременно образуются побочные продукты в виде малых молекул, такие как вода, спирты и аммиак. Для протекания этого типа реакции обычно требуется наличие у молекул мономеров двух или более функциональных групп (например, гидроксильных, карбоксильных и аминогрупп). Полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиамид (ПА, нейлон), эпоксидная смола (ЭС) и полиуретан (ПУ) производятся методом конденсационной полимеризации.

Легкость и высокая прочность: Плотность пластиковых смол обычно составляет от 0.9 до 2.0 г/см³, что значительно ниже плотности металлов и керамики. Однако удельная прочность некоторых высокоэффективных пластиков может превышать прочность металлических материалов, что делает их пригодными для аэрокосмической отрасли, облегчения конструкции автомобилей и других областей.

Хорошая пластичность и технологичность: При определенных условиях температуры и давления пластиковые смолы могут быть переработаны в различные формы с помощью литья под давлением, экструзии, выдувного формования, каландрирования и других процессов. Обработка требует относительно мало энергии, что делает ее подходящей для крупномасштабного промышленного производства. 

Превосходная химическая стабильность: Большинство пластиковых смол обладают хорошей коррозионной стойкостью к кислотам, щелочам, солям и другим химическим веществам, а также не склонны к окислению или разложению, что делает их пригодными для применения в областях, требующих химической стойкости, таких как химическое оборудование, трубопроводы и пищевая упаковка.

Хорошие теплоизоляционные свойства: Пластиковые смолы являются превосходными электроизоляторами, подходящими для изоляции корпусов электронных приборов, а также для оболочки проводов и кабелей. Одновременно с этим, их низкая теплопроводность обеспечивает отличную теплоизоляцию, что делает их широко используемыми в строительных изоляционных материалах и изоляционных слоях бытовой техники.      

Высокий уровень контроля затрат: Большинство универсальных пластиковых смол имеют широко доступное сырье и отработанные производственные процессы, что приводит к относительно низким производственным затратам и удовлетворяет потребности в крупномасштабном производстве потребительских товаров.

Выбор сорта смолы. Следует выбирать пластиковую смолу, характеристики которой наиболее близки к цели модификации, чтобы сэкономить количество добавляемых добавок.

Выбор марок смол. Различные марки одной и той же пластмассовой смолы имеют большие различия в характеристиках, поэтому следует выбирать марку, наиболее близкую к цели модификации.

Выбор текучести смолы. Вязкость каждого пластифицированного материала в формуле должна быть близкой, чтобы обеспечить текучесть обработки. Для материалов с очень разной вязкостью следует добавлять переходный материал, чтобы уменьшить градиент вязкости.

Рассмотрим взаимосвязь между методами обработки и текучестью. Различные типы пластиковых смол имеют разную текучесть. Один и тот же вид пластикового полимера также имеет разную текучесть, главным образом из-за различного распределения молекулярной массы и молекулярной цепи. Различные методы обработки требуют разных требований к текучести пластиковых смол.

Существует множество методов классификации смол. Помимо разделения на природные и синтетические смолы в зависимости от источника смол, их также можно классифицировать по реакции синтеза и составу основной цепи.

Классифицируется по реакции синтеза пластических полимеров. Согласно этому методу пластические полимеры можно разделить на полимеры присоединения и полимеры конденсации. Аддитивный полимер относится к полимеру, полученному путем аддитивной полимеризации, и химическая формула его звеньевой структуры такая же, как у мономера. Поликонденсатом называют полимер, полученный конденсационной полимеризацией, химическая формула его структурной единицы отличается от мономера.

Классифицируется по составу основной цепи молекул пластиковой смолы. Согласно этому методу, пластичные смолы можно разделить на полимеры с углеродными цепями, полимеры с гетероцепями и элементарные органические полимеры. Полимеры с углеродной цепью относятся к полимерам, у которых основная цепь полностью состоит из атомов углерода. Гетероцепные полимеры относятся к полимерам, основная цепь которых состоит из атомов двух или более элементов, таких как углерод и кислород, азот и сера. Элементарные органические полимеры означают, что основная цепь не обязательно содержит атомы углерода и в основном состоит из атомов таких элементов, как кремний, кислород, алюминий, титан, бор, сера и фосфор.

① Сырье на основе нефти: В настоящее время основным источником является нефть и природный газ, которые перерабатываются для получения мономеров, таких как этилен, пропилен и бензол, которые затем используются для синтеза большинства пластмасс общего назначения, таких как полиэтилен (PE), полипропилен (PP) и поливинилхлорид (PVC).

② Биооснованное сырье: Возобновляемые материалы, такие как крахмал, целлюлоза, растительные масла и продукты микробной ферментации, используются для производства биоразлагаемых пластиковых смол (например, PLA (полимолочной кислоты) и PHA (полигидроксиалканоатов)), что представляет собой важное направление в разработке экологически чистых материалов.

Молекулярная масса является показателем длины полимерных цепей и напрямую влияет на свойства смолы. Более высокая молекулярная масса приводит к лучшей прочности на разрыв, ударной прочности и другим механическим свойствам, но снижает текучесть при обработке. И наоборот, более низкая молекулярная масса приводит к лучшей текучести и более легкой обработке, но к более слабым механическим свойствам.

Распределение молекулярной массы относится к доле молекулярных цепей различной длины в смоле. Смолы с узким распределением обладают более однородными свойствами и лучшей технологической стабильностью. Пластиковые смолы с широким распределением удовлетворяют различным технологическим потребностям, но их свойства более изменчивы.

Показатель текучести расплава (MFR, единица измерения: г/10 мин) является ключевым показателем для измерения технологической текучести смолы. Он обозначает массу смолы, проходящую через стандартную капиллярную трубку в течение 10 минут при заданной температуре и давлении.

Более высокое значение MFR указывает на лучшую текучесть смолы, что облегчает ее формование с помощью таких процессов, как литье под давлением и экструзия (подходит для тонкостенных изделий сложной формы).

Более низкое значение MFR указывает на худшую текучесть, но формованное изделие обладает более высокой механической прочностью (подходит для толстостенных, несущих нагрузку изделий).

Например, полиэтилен низкой плотности с высоким показателем текучести (LDPE) подходит для изготовления пленок, а полиэтилен высокой плотности (HDPE) с низким показателем текучести (HDPE) — для изготовления пластиковых контейнеров.

① Температура плавления (Tm): температура, при которой плавятся термопластичные смолы.

② Температура стеклования (Tg): температура, при которой смола переходит из «стеклообразного» состояния в «высокоэластичное» состояние.

③ Температура тепловой деформации (ТТД): температура, при которой смола подвергается определенной деформации под заданной нагрузкой, непосредственно отражающая верхний предел рабочей температуры.

Устойчивость к атмосферным воздействиям относится к стабильности эксплуатационных характеристик смол в естественных условиях. Смолы с низкой устойчивостью к атмосферным воздействиям обесцвечиваются, становятся хрупкими, трескаются, стареют и ухудшают свои эксплуатационные характеристики после длительного использования на открытом воздухе. Их устойчивость к атмосферным воздействиям можно улучшить путем добавления присадок (УФ-поглотителей, антиоксидантов, светостабилизаторов) или путем модификации покрытия и смешивания (например, смешивание полипропилена с EPDM для улучшения устойчивости к атмосферным воздействиям).

① Литье под давлением: Требует умеренной текучести смолы и низкой усадки при формовании (высокая точность размеров), подходит для изделий сложной формы. Обычно используемые пластмассовые смолы включают ПП, ПЭ, АБС, ПК и ПА.

② Экструзия: Требует равномерного потока смолы и хорошей термической стабильности, подходит для производства труб, листов, пленок и профилей. Обычно используются смолы PE, PP, PVC и PET.

③ Выдувное формование: Требует высокой прочности расплава смолы и хорошей ударной вязкости, подходит для производства полых изделий (пластиковых бутылок и ведер). Обычно используются смолы HDPE, LDPE, PET и PP.

④ Компрессионное формование: В основном применяется для термореактивных смол (таких как EP и PF), требующих контролируемой скорости отверждения смолы и текучести, адаптированных к форме.

Подходящие для контакта с пищевыми продуктами пластмассы должны соответствовать стандартам безопасности материалов, контактирующих с пищевыми продуктами (таким как китайский стандарт GB 4806, стандарт Европейского агентства по безопасности пищевых продуктов (EFSA) и стандарт Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA)), не допускать миграции вредных мономеров, не иметь запаха и обладать химической стабильностью.   

① Пленки, пищевые пленки: LDPE, PP (термостойкие, пригодные для использования в микроволновой печи).

② Бутылки для напитков, бутылки для масла: ПЭТ (прозрачные, обладают хорошими барьерными свойствами), ПНД (устойчивы к кислотам и щелочам).

③ Столовая посуда или ланч-боксы: полипропилен (термостойкий 100-120℃, подходит для использования в микроволновой печи), полистирол (прозрачные ланч-боксы, не подходят для использования в микроволновой печи).

④ Контейнеры для пищевых продуктов: полипропилен (PP), полиэтилен высокой плотности (HDPE), композит из нержавеющей стали и полипропилена (PP).

① Условия хранения: Хранить в сухом, хорошо проветриваемом складском помещении при температуре 15-30℃ и относительной влажности ≤60%.  

② Упаковка: Храните оригинальную упаковку в герметично закрытом виде, чтобы предотвратить впитывание влаги.

③ Беречь от источников тепла и прямых солнечных лучей. Не хранить с кислотами, щелочами или растворителями.

④ Срок годности: Полимерные смолы общего назначения можно хранить в герметичных контейнерах от 6 до 12 месяцев. Конструкционные пластмассы рекомендуется использовать в течение 3-6 месяцев. После истечения срока годности необходимо повторно проверить их характеристики.    

① Сырьевые материалы на начальном этапе производства: Колебания цен на нефть и природный газ напрямую влияют на стоимость смол на нефтяной основе, таких как полиэтилен (PE) и полипропилен (PP). Цены на биосырье влияют на цены полимолочной кислоты (PLA) и полигидроксиалканоатов (PHA).

② Рыночное предложение и спрос: пиковый спрос в下游 приводит к росту цен, а избыточные мощности — к снижению цен.

③ Факторы политики: ограничения на производство экологически чистой продукции, импортные пошлины, запреты на пластик и т. д.

④ Логистические издержки влияют на цену импортируемых смол.