Термопласты

Термопласты (термопластичные полимеры) — это полимерные материалы, способные обратимо переходить при нагревании в высокоэластичное или вязкотекучее состояние, а при охлаждении — в твёрдое (стеклообразное или кристаллическое). В отличие от реактопластов (термореактивных полимеров), этот переход может повторяться многократно без существенного изменения химического состава и физико-механических свойств материала, что позволяет перерабатывать термопласты во вторичное сырьё.

Химическая природа и строение

Термопласты представляют собой линейные или слаборазветвлённые макромолекулы, между которыми действуют силы межмолекулярного взаимодействия (ван-дер-ваальсовы силы, водородные связи). При нагревании энергия теплового движения преодолевает эти силы, и полимер переходит в вязкотекучее состояние, в котором его можно формовать. При охлаждении межмолекулярные связи восстанавливаются, и материал застывает.

Ключевое отличие от реактопластов — отсутствие химического сшивания (образования трёхмерной сетки) при нагреве. У реактопластов при первом нагреве образуются ковалентные связи между цепями, и повторный нагрев приводит к разложению, а не к плавлению.

Классификация

Термопласты классифицируют по нескольким признакам.

По происхождению

• Природные (биополимеры): целлюлоза, природный каучук, некоторые белки (например, казеин). В чистом виде используются редко, чаще модифицируются.
• Синтетические: получают из мономеров путём реакций полимеризации или поликонденсации. Составляют основу современной промышленности.

По отношению к температуре

• Аморфные: при охлаждении не образуют кристаллической решётки, переходят в стеклообразное состояние. Прозрачны, имеют чёткую температуру стеклования (Tст). Примеры: полистирол (ПС), поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат (ПММА, оргстекло).
• Кристаллизующиеся (частично кристаллические): при охлаждении часть макромолекул упорядочивается в кристаллиты. Непрозрачны или полупрозрачны, имеют температуру плавления (Tпл) и более высокую прочность. Примеры: полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полиамид (ПА, нейлон), полиэтилентерефталат (ПЭТФ).

По эксплуатационным свойствам

• Товарные (массовые): полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид (ПВХ). Низкая стоимость, широко применяются в упаковке, строительстве, быту.
• Конструкционные: полиамиды, поликарбонат, полиоксиметилен (ПОМ), АБС-пластик. Обладают повышенной механической прочностью, ударной вязкостью.
• Инженерные (высокотемпературные): полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), полифениленсульфид (ПФС), полиимиды. Сохраняют свойства при температурах выше 150–200 °C, используются в авиации, космонавтике, электронике.
• Эластомеры-термопласты (термоэластопласты, ТЭП): сочетают свойства резины (эластичность) и термопластов (способность перерабатываться литьём). Примеры: стирол-бутадиен-стирольные (СБС) блок-сополимеры, термопластичные полиуретаны (ТПУ).

Основные свойства

Физико-механические свойства термопластов зависят от химического строения, молекулярной массы, степени кристалличности и наличия наполнителей.

• Механические: прочность на разрыв и изгиб, ударная вязкость, твёрдость, модуль упругости. Для кристаллизующихся термопластов характерны более высокие прочность и жёсткость.
• Термические: температура стеклования (Tст), температура плавления (Tпл), температура разложения (Tразл), теплопроводность, коэффициент линейного расширения. Большинство термопластов имеют низкую теплопроводность (0,15–0,4 Вт/(м·К)).
• Электрические: высокое удельное электрическое сопротивление (диэлектрики), низкая диэлектрическая проницаемость, высокая электрическая прочность. Широко используются в качестве изоляции проводов и кабелей.
• Химическая стойкость: устойчивость к действию кислот, щелочей, растворителей, масел. Полиэтилен и полипропилен стойки к большинству агрессивных сред, полистирол разрушается в ароматических углеводородах.
• Технологические: текучесть расплава (индекс расплава, MFI), усадка при литье, способность к сварке и склеиванию.

История развития

Первые термопласты были получены в XIX веке. В 1839 году Чарльз Гудьир открыл вулканизацию каучука, но натуральный каучук оставался термореактивным. В 1862 году Александр Паркс получил паркезин (нитроцеллюлозу с камфорой) — первый искусственный термопласт, хотя он был горючим и нестабильным. В 1907 году Лео Бакеланд создал бакелит (реактопласт), но развитие термопластов ускорилось лишь в 1930-х годах с открытием полиэтилена (1933, Эрик Фосетт и Реджинальд Гибсон) и полистирола (1930, И.Г. Фарбен).

В 1950-х годах Карл Циглер и Джулио Натта разработали катализаторы для стереорегулярной полимеризации, что позволило получать изотактический полипропилен и полиэтилен высокой плотности. В 1960-х годах появились инженерные термопласты (поликарбонат, полиамиды). В 1980-х годах началось активное использование термоэластопластов.

В СССР в 1930-х годах в Ленинграде под руководством С.В. Лебедева был налажен выпуск синтетического каучука (СК), а в 1940-х — полиэтилена и полистирола. Крупные производства термопластов появились в 1960-х годах на заводах «Казаньоргсинтез», «Нижнекамскнефтехим», «Уфаоргсинтез».

Технологии переработки

Термопласты перерабатываются в изделия методами, основанными на переводе материала в вязкотекучее состояние.

• Литьё под давлением: расплав под давлением впрыскивается в охлаждаемую форму. Самый распространённый метод для массового производства деталей сложной формы.
• Экструзия: расплав непрерывно выдавливается через формующую головку (фильеру). Применяется для производства труб, листов, плёнок, профилей, кабельной изоляции.
• Экструзионно-выдувное формование: из экструдированной трубчатой заготовки (париссона) выдувается изделие в форме. Используется для изготовления полых изделий (бутылки, канистры).
• Термоформование: лист термопласта нагревается и вакуумом или давлением прижимается к форме. Применяется для изготовления ванн, поддонов, упаковки.
• Ротационное формование: порошок или жидкий полимер загружается в форму, которая вращается в нагретой камере. Полимер плавится и покрывает стенки формы. Метод для крупногабаритных изделий (баки, лодки).
• 3D-печать (FDM): филамент (нить) термопласта расплавляется в печатающей головке и послойно наносится на платформу. Используются PLA, ABS, PETG, полиамид.

Применение

Термопласты проникли во все отрасли промышленности и быта.

• Упаковка: полиэтилен (ПЭВД, ПЭНД) — плёнки, пакеты; полипропилен (ПП) — контейнеры, стаканчики; полиэтилентерефталат (ПЭТФ) — бутылки для напитков.
• Строительство: поливинилхлорид (ПВХ) — окна, трубы, линолеум, сайдинг; полистирол (ПС) — теплоизоляционные плиты (пенополистирол).
• Автомобилестроение: полипропилен — бамперы, панели приборов; полиамиды — детали под капотом; поликарбонат — фары, стёкла.
• Электроника и электротехника: полистирол — корпуса приборов; поликарбонат — компакт-диски; полиамиды — разъёмы, изоляция проводов.
• Медицина: полиэтилен — шприцы, катетеры; полипропилен — хирургические нити; полиметилметакрилат — линзы, костные цементы.
• Бытовая техника: АБС-пластик — корпуса пылесосов, телевизоров; полипропилен — детали стиральных машин, посудомоечных машин.
• Текстильная промышленность: полиэфирные (ПЭТФ) и полиамидные (нейлон) волокна — ткани, ковры, верёвки.
• Спорт и отдых: поликарбонат — защитные очки, каски; полипропилен — спортивный инвентарь; термоэластопласты — подошвы обуви.

Экологические аспекты и вторичная переработка

Одним из главных преимуществ термопластов перед реактопластами является возможность их вторичной переработки (рециклинга). Изделия из термопластов могут быть измельчены, переплавлены и использованы для производства новых изделий. Однако на практике переработка ограничена:

• Загрязнение: смешанные отходы (например, ПЭТ-бутылки с ПП-крышками) требуют сортировки.
• Деградация свойств: при каждом цикле переработки молекулярная масса полимера снижается, ухудшаются механические свойства.
• Экономическая нецелесообразность: для некоторых видов термопластов (например, ПВХ) переработка дороже производства первичного сырья.

В России действует система раздельного сбора отходов, но уровень переработки термопластов остаётся низким (менее 10% по данным на 2023 год). Основные перерабатывающие предприятия сосредоточены в Центральном и Приволжском федеральных округах.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, термопласты имеют ряд недостатков:

• Низкая термостойкость: большинство термопластов размягчаются или плавятся при температурах выше 100–150 °C, что ограничивает их применение в высокотемпературных средах.
• Горючесть: многие термопласты (полиэтилен, полипропилен, полистирол) горят, выделяя токсичные продукты. Для снижения горючести вводят антипирены.
• Склонность к ползучести: под длительной нагрузкой при повышенных температурах термопласты могут деформироваться.
• Экологическая проблема: микропластик, образующийся при истирании и разложении термопластов, накапливается в окружающей среде и представляет угрозу для экосистем.

Источники

1. Полимеры: свойства, переработка, применение / Под ред. В.Н. Кулезнева. — М.: Химия, 2005.
2. Энциклопедия полимеров / Под ред. В.А. Кабанова. — М.: Советская энциклопедия, 1972–1977.
3. Термопласты: справочник / Под ред. В.И. Калинчевского. — М.: Химия, 1985.
4. Пластические массы (журнал), различные выпуски.
5. ГОСТ 24888-81. Пластмассы. Термины и определения.
6. Данные Росстата и Министерства природных ресурсов и экологии РФ по обращению с отходами (2020–2023).