Термопластичные полимеры

Термопластичные полимеры (термопласты) — это полимерные материалы, способные обратимо переходить в вязкотекучее (расплавленное) состояние при нагревании и затвердевать при охлаждении, сохраняя при этом свои исходные свойства. Данный процесс может повторяться многократно, что отличает термопласты от термореактивных полимеров (реактопластов), которые при нагреве необратимо отверждаются. Термопласты составляют основу современной промышленности полимерных материалов, широко используясь в производстве упаковки, деталей машин, бытовых изделий, волокон, плёнок и конструкционных элементов.

История

Первые коммерческие термопласты появились во второй половине XIX века. В 1862 году английский химик Александр Паркс создал паркезин — один из первых искусственных термопластичных материалов на основе нитроцеллюлозы. Однако массовое применение термопластов началось с изобретения в 1907 году бакелита (реактопласта) и последующего синтеза в 1920-х годах полистирола (стирола) и поливинилхлорида (ПВХ). В 1930-х годах были разработаны полиэтилен (впервые получен в 1933 году в Великобритании) и полиметилметакрилат (оргстекло). После Второй мировой войны начался бурный рост производства термопластов, связанный с развитием нефтехимии. В 1950-х годах был создан полипропилен, а в 1960-х — поликарбонат и полиамиды. В СССР первые промышленные термопласты (полиэтилен, полистирол) начали выпускаться в 1950-х годах на заводах в Казани, Уфе и Дзержинске.

Классификация

Термопластичные полимеры классифицируются по нескольким признакам.

По происхождению

• Природные термопласты: встречаются в природе, например, канифоль, янтарь, некоторые смолы.
• Синтетические термопласты: получаются химическим синтезом из мономеров (например, полиэтилен, полипропилен, полистирол).

По структуре макромолекул

• Линейные полимеры: молекулы имеют вид длинных цепей (например, полиэтилен высокой плотности, поливинилхлорид).
• Разветвлённые полимеры: цепи имеют боковые ответвления (например, полиэтилен низкой плотности).
• Сшитые полимеры: между цепями образуются поперечные связи, но в небольшом количестве, что сохраняет термопластичность (например, некоторые виды каучуков).

По кристалличности

• Аморфные термопласты: не имеют упорядоченной кристаллической структуры, прозрачны, аморфны (например, полистирол, поликарбонат, полиметилметакрилат).
• Кристаллические (полукристаллические) термопласты: содержат как кристаллические, так и аморфные области, непрозрачны, обладают более высокой прочностью и теплостойкостью (например, полиэтилен, полипропилен, полиамиды, полиэтилентерефталат).

По температуре эксплуатации

• Термопласты общего назначения: используются при температурах до 100–120 °C (полиэтилен, полипропилен, полистирол, ПВХ).
• Инженерные (конструкционные) термопласты: выдерживают температуры до 150–200 °C и обладают повышенной прочностью (полиамиды, поликарбонат, полиоксиметилен, полибутилентерефталат).
• Высокотемпературные термопласты: работают при температурах выше 200 °C (полиэфиримид, полиэфирсульфон, полифениленсульфид, фторполимеры).

Основные виды термопластов

Полиэтилен (ПЭ, PE)

Самый распространённый термопласт. Различают полиэтилен низкой плотности (ПЭНП, LDPE) — гибкий, прозрачный, используется для плёнок и пакетов; полиэтилен высокой плотности (ПЭВП, HDPE) — жёсткий, прочный, применяется для бутылок, канистр, труб. В России крупнейшие производители — «Казаньоргсинтез», «Нижнекамскнефтехим».

Полипропилен (ПП, PP)

Обладает высокой химической стойкостью, термостойкостью до 140 °C. Используется для производства контейнеров, деталей автомобилей, медицинских шприцев, упаковки. В РФ выпускается на заводах «Томскнефтехим», «Полиом» (Омск).

Поливинилхлорид (ПВХ, PVC)

Бывает жёстким (винипласт) и пластифицированным (пластикат). Применяется для оконных профилей, труб, линолеума, изоляции проводов. В России основные производители — «Саянскхимпласт», «Башкирская химия».

Полистирол (ПС, PS)

Прозрачный, хрупкий, легко окрашивается. Используется для одноразовой посуды, корпусов бытовой техники, пенопласта (пенополистирол). В РФ выпускается на «Нижнекамскнефтехиме» и «Ангарском заводе полимеров».

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ, PET)

Прозрачный, прочный, газонепроницаемый. Основное применение — бутылки для напитков, пищевые контейнеры, синтетические волокна (лавсан). В России — «ПЭТ-Технолоджи» (Калуга), «Сибур-ПЭТФ» (Тверь).

Полиамиды (ПА, PA)

Известны как нейлон, капрон. Обладают высокой прочностью, износостойкостью, устойчивостью к истиранию. Используются для изготовления деталей машин (шестерни, подшипники), щетины, рыболовных сетей, текстильных волокон. В РФ — «КуйбышевАзот», «Щёкиноазот».

Поликарбонат (ПК, PC)

Прозрачный, ударопрочный, термостойкий до 130 °C. Применяется для производства компакт-дисков, линз, защитных очков, сотового поликарбоната для теплиц. В России — «Казаньоргсинтез».

Полиметилметакрилат (ПММА, PMMA)

Оргстекло (плексиглас). Прозрачный, устойчивый к УФ-излучению. Используется для остекления, светильников, вывесок, в медицине. В РФ — «Дзержинское оргстекло» (Нижегородская область).

Фторполимеры (например, ПТФЭ, PTFE)

Тефлон (политетрафторэтилен). Обладает исключительной химической стойкостью, низким коэффициентом трения, термостойкостью до 260 °C. Применяется для антипригарных покрытий, уплотнений, в химической промышленности. В РФ — «Кирово-Чепецкий химический комбинат».

Физико-химические свойства

Термопласты характеризуются рядом общих свойств:

• Термопластичность: способность многократно плавиться и затвердевать без потери свойств.
• Низкая плотность: обычно 0,9–2,2 г/см³ (легче металлов и керамики).
• Химическая стойкость: устойчивы к действию воды, кислот, щелочей, органических растворителей (зависит от конкретного полимера).
• Электроизоляционные свойства: большинство термопластов — диэлектрики.
• Механические свойства: от хрупких (полистирол) до высокоэластичных (полиэтилен низкой плотности). Прочность на разрыв — от 10 до 100 МПа.
• Температура стеклования (Tg) и температура плавления (Tm): для аморфных полимеров — Tg, для кристаллических — Tm. Например, для полиэтилена Tm ≈ 130–140 °C, для полистирола Tg ≈ 100 °C.
• Усадка при охлаждении: от 0,5% до 3% (необходимо учитывать при литье).

Технологии переработки

Термопласты перерабатываются в изделия методами, основанными на их способности плавиться:

• Литьё под давлением: расплав впрыскивается в пресс-форму под давлением. Самый распространённый метод для массового производства деталей сложной формы.
• Экструзия: расплав выдавливается через формующую головку для получения непрерывных профилей (трубы, листы, плёнки, волокна).
• Экструзионно-выдувное формование: для изготовления полых изделий (бутылки, канистры).
• Термоформование: лист термопласта нагревается и формуется в матрице (например, ванны, поддоны).
• Ротационное формование: порошок или расплав распределяется по внутренней поверхности вращающейся формы.
• 3D-печать (FDM): послойное нанесение расплавленной нити термопласта (PLA, ABS, PETG).

Применение

Термопласты используются практически во всех отраслях промышленности:

• Упаковка: плёнки, бутылки, контейнеры, пакеты (ПЭ, ПП, ПЭТФ, ПС).
• Строительство: трубы, оконные профили, линолеум, теплоизоляция (ПВХ, ПЭ, ПП, пенополистирол).
• Автомобилестроение: бамперы, панели приборов, воздуховоды, топливные баки (ПП, ПА, ПК, АБС-пластик).
• Электроника: корпуса приборов, изоляция проводов, разъёмы (ПВХ, ПС, ПК, ПЭТФ).
• Медицина: шприцы, катетеры, контейнеры для крови, имплантаты (ПП, ПЭ, ПВХ, ПТФЭ).
• Текстильная промышленность: синтетические волокна (полиэстер, нейлон, акрил).
• Бытовая техника: детали холодильников, стиральных машин, пылесосов.
• Сельское хозяйство: плёнки для теплиц, капельные ленты, трубы для орошения.

Экологические аспекты

Термопласты составляют основную массу пластиковых отходов. Их главная экологическая проблема — низкая скорость биоразложения (сотни лет). В России и мире развиваются системы переработки (рециклинга) термопластов: механическая переработка (дробление, мойка, грануляция), химическая (деполимеризация) и энергетическая (сжигание с получением тепла). В РФ с 2019 года действует система расширенной ответственности производителя (РОП), стимулирующая утилизацию упаковки. В 2024 году в России введён запрет на захоронение ряда видов пластиковых отходов (в том числе ПЭТ-бутылок). Разрабатываются биоразлагаемые термопласты (полилактид, полигидроксиалканоаты), но их доля в общем производстве пока незначительна (менее 1%).

Интересные факты

• Первый синтетический термопласт — полистирол — был случайно получен в 1839 году немецким аптекарем Эдуардом Симоном, но его промышленное производство началось только в 1931 году.
• Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) был открыт в 1953 году немецким химиком Карлом Циглером, за что он получил Нобелевскую премию.
• Тефлон (ПТФЭ) был случайно обнаружен в 1938 году американским химиком Роем Планкеттом при попытке создать новый хладагент.
• В России ежегодно производится около 5 млн тонн термопластов (данные на 2023 год), из них наибольшую долю занимают полиэтилен и полипропилен.
• Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) используется для производства не только бутылок, но и синтетического волокна лавсан, которое было разработано в СССР в 1940-х годах.

Источники

• Полимерные материалы: учебное пособие / под ред. В. А. Белого. — М.: Химия, 2005.
• Энциклопедия полимеров. — М.: Советская энциклопедия, 1972–1977. — Т. 1–3.
• Справочник по пластическим массам / под ред. В. М. Катаева. — М.: Химия, 1985.
• ГОСТ 24888-81. Пластмассы. Термины и определения.
• Данные Минпромторга РФ о производстве полимеров (2023).