От полимеров к пластикам. Часть 1. Введение

В обзоре мы будем использовать материалы из различной литературы, в основном, западной, поскольку, несмотря на исследования отечественных специалистов, «передовая полимерная мысль» пока ещё всё же сосредоточена в основном в Европе и Северной Америке, хотя западных учёных активно «теснят» азиатские и российские. При этом заметим, что некоторые из русских учёных стояли у самых истоков полимерной отрасли — вспомним Ивана Остромысленского, который одним из первых стал исследовать свойства и способы обработки ПВХ. Рассмотрение начнём с происхождения пластмасс и полимеров. Основная характеристика полимеров состоит в том, что они состоят из чрезвычайно больших молекул; их молекулярная масса колеблется от 10 тысяч до 1 миллиона г / моль и более, в отличие от «нормальных» низкомолекулярных веществ, которые обычно составляют порядка 100 г / моль (например, у воды это значение 18, а у сахара 342). Молекулы полимера часто представляют собой длинные нитевидные цепи, которые иногда разветвлены, иногда химически сшиты друг с другом, так что они образуют сеть. Полимеры в изобилии присутствуют в природе, в растительных и животных тканях (в основном, в виде целлюлозы и белков).

Несколько технически используемых полимеров имеют природное происхождение: они используются в качестве технических материалов, поскольку их получают из натуральных материалов (это так называемые натуральные полимеры). Другие полимеры частично имеют естественное происхождение: цепная молекула выросла в живой ткани, но была химически модифицирована в полусинтетический полимер. Растущее число полимеров является полностью синтетическим: цепная молекула или сеть строятся из маленьких молекул (мономеров) в химическом процессе. Некоторые примеры этих категорий мы сейчас и приведём. Из природных полимеров отметим растительные: древесина, хлопок, джут, сизаль, конопля, пробка, а также животные: шерсть, шёлк, мех. К полусинтетическим полимерам относятся древесные (целлулоид, целлофан, вискоза, целлюлозные пластики), молочные (казеин, из которого получают пластиковый казеин), а также латексные (например, техническая резина). Самую большую группу, конечно, составляют синтетические полимеры: они синтезируются из низкомолекулярных компонентов, в основном органических мономеров.

Некоторые из этих молекул, такие как этилен и пропилен, могут быть использованы для построения насыщенных цепей (полиэтилен и полипропилен соответственно). Другие, такие как бутадиен, образуют ненасыщенные цепи, которые могут реагировать с серой с образованием вулканизированных каучуков. Из мономеров, полученных из карбохимических или нефтехимических источников, могут быть получены полимеры. Как упоминалось выше, двойные связи могут, таким образом, играть важную роль. Полимеры также могут быть синтезированы из насыщенных мономеров, например, путем конденсации органической кислоты со спиртом в сложный эфир с образованием воды. Простые спирты и жирные кислоты, такие как этиловый спирт (C2H5OH) и уксусная кислота (C2H5COOH), приводят к получению низкомолекулярного эфира, этилацетата, но когда используются бифункциональные молекулы, образуется полимерная цепь (полиэфир). А когда спирт является трифункциональным (триолом), в результате получается полимерная сеть.

Пластмассы как технические материалы основаны на полимерах (или макромолекулярных веществах), но в большинстве случаев они содержат ряд добавленных компонентов. Такой добавленный материал может быть другим полимером, и в этом случае мы имеем полимерную смесь. Кроме того, существует большое разнообразие добавок и наполнителей, смешиваемых с полимером для различных целей. Для улучшения обработки используют смазочные материалы для транспортировки в обрабатывающей машине, антиоксиданты для защиты полимера от окислительной деградации при переработке, серу для вулканизации каучуков, а также ускорители для ускорения реакции образования сети с резинами и термореактивными материалами и вспенивающие агенты для производства пены. Для изменения механических свойств используют пластификаторы (например для ПВХ, чтобы получить гибкость), кварцевый порошок, слюду и тальк для улучшения жесткости, короткие стеклянные волокна, чтобы улучшить жесткость и прочность, а также резиновые частицы, чтобы улучшить ударную вязкость. Для изменения других свойств используют ультрафиолетовые стабилизаторы, защищающие полимер от разрушения светом, антиоксиданты, для защиты от деградации при использовании при повышенных температурах, антистатики для снижения электростатического заряда, пигменты для окрашивания, удешевляющие компоненты (такие как древесная мука) и огнезащитные или антипиреновые добавки.