Полиэфиры: свойства и применение¶

Полиэфиры — класс синтетических высокомолекулярных соединений (полимеров), макромолекулы которых содержат в основной цепи повторяющиеся сложноэфирные группы —COO—. К этой группе относятся как термопластичные материалы (полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат), так и реактопласты (ненасыщенные полиэфирные смолы, алкидные смолы). Полиэфиры широко применяются в производстве волокон, плёнок, тары, лаков, стеклопластиков и композиционных материалов.

¶История

Сложные полиэфиры начали изучать в XIX веке. В 1847 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус описал реакцию образования сложных эфиров, но получить высокомолекулярные продукты долгое время не удавалось. В 1929 году американский химик Уоллес Карозерс, работавший в компании DuPont, синтезировал первые алифатические полиэфиры и заложил основы теории поликонденсации. В 1941 году английские исследователи Джон Уинфилд и Джеймс Диксон получили полиэтилентерефталат (ПЭТФ), который с 1950-х годов стал выпускаться в промышленных масштабах под торговыми марками «терилен» и «дакрон». В СССР производство полиэтилентерефталата (лавсана) было налажено в 1950-е годы; лавсановая плёнка и волокно нашли применение в текстильной, электротехнической и пищевой отраслях.

¶Классификация

Полиэфиры делят по нескольким признакам.

По типу исходных мономеров и строению:

Термопластичные полиэфиры — линейные или слаборазветвлённые полимеры, способные многократно переходить в вязкотекучее состояние при нагреве: полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат, поликарбонат (формально относится к сложным полиэфирам угольной кислоты).
Реактопласты (термореактивные) — сшитые сетчатые структуры, необратимо отверждающиеся: ненасыщенные полиэфирные смолы, алкидные смолы, получаемые поликонденсацией многоатомных спиртов с многоосновными кислотами.

По природе компонентов различают полиэфиры на основе ароматических дикарбоновых кислот (терефталевой, изофталевой) и алифатических (адипиновой, себациновой). Ароматические полиэфиры обладают повышенной жёсткостью и термостойкостью.

¶Свойства

Основные характеристики определяются строением цепи. Термопластичные полиэфиры отличаются:

высокой механической прочностью и износостойкостью;
стойкостью к большинству органических растворителей, разбавленным кислотам и щелочам;
хорошими диэлектрическими показателями;
диапазоном рабочих температур от −60 до +150 °C (для ПЭТФ);
низким влагопоглощением.

Ненасыщенные полиэфирные смолы после отверждения образуют твёрдые, химически стойкие материалы, часто армируемые стекловолокном. Алкидные смолы хорошо совмещаются с растительными маслами, что делает их основой для лакокрасочных материалов.

К недостаткам относят горючесть многих марок, склонность к гидролизу при длительном воздействии горячей воды и пара, а также низкую ударную вязкость у некоторых реактопластов.

¶Применение

Полиэфиры — один из наиболее востребованных классов полимеров.

Волокна и текстиль. Полиэтилентерефталатные волокна (лавсан, полиэстер) составляют значительную долю мирового производства химических волокон. Они используются в одежде, домашнем текстиле, геотекстиле, канатах, фильтрах.

Тара и упаковка. Из ПЭТФ изготавливают бутылки для напитков, контейнеры, плёнки. ПЭТ-бутылки подлежат переработке, что делает материал одним из лидеров вторичного оборота полимеров.

Строительство и транспорт. Ненасыщенные полиэфирные смолы со стекловолокном (стеклопластики) применяются для корпусов лодок, деталей автомобилей, труб, ёмкостей, кровельных материалов.

Электротехника. Полиэфирные лаки и компаунды служат для изоляции обмоток электродвигателей, трансформаторов, конденсаторов.

Лакокрасочная промышленность. Алкидные смолы — основа эмалей и лаков для дерева и металла.

¶Производство и переработка

Полиэтилентерефталат получают поликонденсацией терефталевой кислоты (или её диметилового эфира) с этиленгликолем. Мировое производство ПЭТФ измеряется десятками миллионов тонн в год; крупные мощности сосредоточены в Китае, Индии, странах Юго-Восточной Азии, США, Западной Европе. В России ПЭТФ выпускают предприятия нефтехимического комплекса, обеспечивающие сырьём заводы по производству волокон, плёнок и бутылочной преформы.

Переработка термопластичных полиэфиров ведётся методами литья под давлением, экструзии, выдувного формования, формования волокон из расплава. Реактопласты перерабатывают пропиткой наполнителей с последующим отверждением.

¶Экологические аспекты

ПЭТ относится к наиболее перерабатываемым полимерам: из использованных бутылок получают волокно, плёнку, упаковочную ленту. Вместе с тем загрязнение окружающей среды полиэфирным микропластиком, образующимся при износе волокон и разрушении изделий, рассматривается как значимая экологическая проблема. Развиваются технологии химической переработки — гликолиз, метанолиз, гидролиз, позволяющие возвращать мономеры в производственный цикл.

¶Полиэфиры в России

В России сложные полиэфиры выпускаются с середины XX века. Лавсан производился на ряде предприятий текстильной и химической промышленности. Современная номенклатура включает ПЭТФ-гранулят для волокон и упаковки, полибутилентерефталат для инженерных пластиков, полиэфирные смолы для стеклопластиков и лакокрасочных материалов. Научные разработки в области полиэфиров ведутся в институтах Российской академии наук и отраслевых центрах полимерной химии.

Источники: Большая российская энциклопедия; Кнунянц И. Л. (ред.) Химическая энциклопедия; справочники по полимерным материалам; отраслевые обзоры нефтехимической промышленности.