Полимерные материалы: виды, применение, свойства, примеры

Поливинилхлорид стал значимым материалом в промышленном производстве гибких изделий после Второй мировой войны, заменив каучук, кожу и целлюлозные материалы во многих областях. По мере развития технологии переработки непластифицированный (жесткий) ПВХ начал активно вытеснять металл, стекло и древесину. Признание ПВХ основано на его благоприятном соотношении «цена – качество». При надлежащей разработке композиции можно получить большой набор полезных свойств при низкой стоимости – погодостойкость, инертность ко многим средам, присущая ему стойкость к воздействию пламени и микроорганизмов.

1.Непластизольные напольные покрытия

1.1 Мозаика виниловых композиций

Клиенты ищут недорогую альтернативу мраморным покрытиям, которую разработчики композитных покрытий могут предоставить почти в буквальном смысле. Дело в том, что составы для ГП обычно содержат больше карбоната кальция, чем любой другой ингредиент по весу. Упаковка, в которую упаковываются продукты из этого материала, зависит от качества полимера.

Основной проблемой для производителей ЭП является плавление композиций, содержащих карбонат кальция более 700 частей на 100 частей полимера. Для таких композиций предпочтительно использовать низкомолекулярный ПВХ с Kf от 55 до 59. ВП могут быть изготовлены с использованием смесителя Banbury.

Для ускорения плавления при производстве ВП обычно используется сополимер винилхлорида с синтетическим ацетатом (VC-VA) в количестве от 10 до 15 процентов и Kf от 50 до 60. Соотношение гомополимера и сополимера не имеет единого идеального значения; вместо этого оно зависит от стоимости сырья, типа используемого смесителя и технологии каландрирования.

Сополимеры V C-VA дороже, чем гомополимерный ПВХ, и в то же время предпринимаются попытки увеличить содержание полиизола. Одним из способов сделать это является использование легкоплавких пластификаторов, таких как бутилбензилфталат. В связи с тем, что цены на гомополимеры VC-VA и бутилбензилфталат изменяются независимо друг от друга, оптимальное соотношение гомополимера и сополимера для данного продукта или процесса может периодически меняться. Когда сополимеры VC-BA используются в композитах, они оказывают негативное влияние на стабильность композиции. Специально подобранные системы термостабилизаторов могут частично или полностью решить эту проблему.

Многие производители ПВХ испытывают трудности, используя некачественный полимер с высоким содержанием прозрачных частиц (гелей, “рыбьих глаз”). В процессе переработки плиточные композиции, содержащие 80 весовых процентов карбоната кальция (80 кг), обрабатываются при высоких напряжениях сдвига, которые способны разрушить почти все полимерные гели. Даже если некоторые полимерные гели перестают существовать, это не опасно. Поскольку требования к качеству поверхности для ВП ниже, чем для других пвх-лайнеров. ВП более терпимы к примесям, которые не имеют отношения к рецептуре полимеризации или технологии производства ПВХ.

Прочность расплава имеет решающее значение, поскольку каландрирование является основным методом, используемым для создания ВП. До обнаружения связи между асбестом и мезотелиомой, редкой формой рака легких, асбест использовался для повышения прочности расплава при производстве ВП. Производители виниловой масляной плитки были разорены судебными исками. При увеличении молекулярной массы полимеров или уменьшении содержания сополимеров прочность расплава ВП обычно увеличивается. Полнота расплава композиции является решающим фактором. Композиция не выдержит процесс каландрирования с провисанием, если она неправильно расплавлена.

После каландрирования и получения плиток соответствующего размера их физические свойства должны отвечать определенным требованиям. Хотя высокое содержание наполнителя в ER позволяет сохранять размеры конечного продукта, тем не менее, размеры изделий могут изменяться при повышенных температурах. Поэтому рекомендуется минимизировать обратимые нарушения размеров листа в процессе каландрирования. В некоторых случаях отклонения в размерах вызваны водопоглощением. В этом случае производство изделий из EPS не всегда требует тщательного соблюдения рецептуры.

Две другие характеристики, обычно измеряемые в продуктах VP. Две характеристики улучшаются при использовании гомополимера или сополимера с более высокой молекулярной массой. Винилацетат в сополимере нежелателен. Опять же, плохое плавление во время переработки сведет на нет все возможные улучшения в ударной прочности и долговечности полимера.

1.2 Твердая виниловая плитка

По сравнению с другими видами обычной плитки HP, твердая виниловая плитка считается более дорогой. Изначально созданная как альтернатива керамической плитке из винила, твердая виниловая плитка теперь является конкурентом HP. По сравнению с ER, твердая виниловая плитка имеет лучшие физические характеристики. Уменьшение содержания наполнителя и использование полимера с более высоким молекулярным весом приводит к улучшению физических свойств. Для этой цели обычно используются гомополимеры с постоянной фиктивной массы Kf от 59 до 66. При использовании твердых плиток сополимеры ПВХ с вонилоксидом для улучшения плавления обычно не требуются из-за более низкого содержания наполнителя в композиции.

1.3 Подвальная стена

Стеновой плинтус – это гибкий продукт на основе ПВХ, который может использоваться для перехода между полом и стеной. Важным физическим свойством этого продукта является его способность сгибаться под углом 90o без излома и не давать усадку во время установки. Плинтус может сломаться в процессе эксплуатации, особенно если он постоянно подвергается ударным нагрузкам под углом 90 градусов.

Хотя подвальные формовочные головки довольно большие и простые по сравнению с другими экструзионными изделиями из мягкого поливинилхлорида (ПВХ), высокое содержание наполнителя может создать проблемы с вязкостью расплава. По этой причине смолы обычно имеют значение Kf около 66. Некоторые виды плинтусов изготавливаются методом соэкструзии. В таких случаях удобнее выбирать полимеры покрытия и подложки на основе выбора состава, процесса изготовления. Коэкструдированная облицовка плинтуса также является отличным способом утилизации отходов мягкого ПВХ.

2. Какие полимеры выбрать для гибких пленок и листов?

2.1 Общие аспекты выбора полимера для листов, получаемых экструзией и каландрованием

2.1.1 Содержание стеклообразных частиц* в полимере

В принципе, требования к полимерам для экструзионных изделий общего назначения идентичны требованиям к другим изделиям. Любой полимер содержит большое количество стеклообразных частиц. В связи с тем, что суспензионные смолы обычно имеют меньшее содержание стеклообразных частиц в массе и вносят меньший вклад в образование полимерных продуктов. Два основных способа, которыми производители регулируют содержание стеклообразных частиц, – это чистота полимерного реактора и пористость смолы.

Один реактор из поливинилхлорида имел диаметр 2 – 2,5 м (6 футов). Для облегчения очистки реакторов рабочими. Очистка была необходима, поскольку после производства нескольких партий продукции на стенках реактора начали образовываться корки из поливинилхлоридной смолы. Если не обращать внимания на эти “корки”, то во время полимеризации они могли стать местом образования крупных частиц смолы. Эти крупные частицы в реакторе периодически отламывались и создавали проблемы со стеклообразными частицами.

В настоящее время реакторы из ПВХ имеют объем 38 м3 (10 000 галлонов). Специальное чистящее средство было создано потому, что новые реакторы сложнее чистить, чем старые, и их гораздо труднее очистить вручную. Снижение воздействия этого вещества на работников является преимуществом технологии, основанной на мономерном полимере или поливинилхлоридном наполнителе. В настоящее время ПВХ производится десятками тысяч партий, которые после очистки реакторов поступают в лабораторные установки.

В некоторых случаях, таких как экструзионные сорта смолы, разницы нет. Первые партии смолы, которые только что очистили от масла и залили на поверхность реактора, обычно обозначаются как “пленочные сорта”. Полимер из последних партий обозначается как “экструзионный сорт”. Граница, за которой смола из пленочного сорта переходит в экструзионный сорт, и как она делится на сорта после очистки.

Чем выше пористость смолы, тем меньше стеклообразных частиц в конечном продукте. Чем больше пористость частиц смолы, тем легче они впитывают пластификатор. Корреляция не является абсолютной, но существует четкая зависимость между содержанием стеклообразных частиц геля и пористостью в смолах для пластифицированных изделий из ПВХ.

(*В отечественной литературе стеклоподобные частицы называются “рыбьими глазами” и “спиралями”).

Прозрачность.

Прозрачность является проблемой для многих областей применения экструдированных пленок и листов. Бывает, что смолы ПВХ обладают различными свойствами. Некоторые ПВХ-смолы содержат антистатические добавки, а также остаточные вещества процесса полимеризации. Эти добавки и примеси влияют на прозрачность продукта. Вещество, которое используется для антистатической обработки поверхности и служит в качестве фильтра при обработке поверхности.

Прозрачность может варьироваться в зависимости от ряда факторов, включая молекулярный вес смолы. Для того чтобы готовый продукт был прозрачным, необходима хорошая гомогенизация. Смолы с низким молекулярным весом смешивать проще, чем смолы с высоким молекулярным весом. При обработке они могут давать более прозрачный цвет. Для повышения прозрачности используются акриловые добавки с коэффициентом преломления, аналогичным поливинилхлориду, и легкоплавкие пластификаторы.

Одна из проблем качества смолы ПВХ, которая может вызвать проблемы с прозрачностью в пленках и листах, – это наличие темных частиц в готовом продукте. После удаления воды центрифугированием взвешенный ПВХ высушивают. Чем выше температура сушки, тем быстрее высыхает смола. Если процесс сушки смолы слишком активный, или если в сушилке есть места, где частицы полимера могут зависать.

Пригодность для нанесения печати

Большинство производимых гибких пленок и листов печатаются. При определении пригодности композиции для печати решающее значение имеет выбор добавок и полимера. Например, полужесткую ПВХ-пленку или лист с 25 частями пластификатора обычно легче печатать после хранения. Полужесткая композиция требует более горячих каландровых валов, чем мягкая композиция. Переход на полимер с более низкой молекулярной массой может обеспечить температуру, необходимую для обработки полужесткой рецептуры на основе смолы с более высокой молекулярной массой. В свою очередь, это может привести к улучшению пригодности к печати благодаря меньшему содержанию пластификатора. Если используется сополимер винилацетата, то печатаемость может быть улучшена.

2.1.4 Другие свойства

Увеличение молекулярной массы полимера играет важную роль в сопротивлении разрыву и проколу. Смолы с более высокой молекулярной массой полезны для продуктов, где требуется высокая прочность расплава или другие последующие технологические операции требуют большей жесткости продукта. Смолы с более высокой молекулярной массой используются в продуктах, где требуется больше пластификатора или где необходимы более высокие физические свойства.

2.2 Мягкие пленки и листы, изготавливаемые методом экструзии

В зависимости от применения вязкость смолы, используемой для экструзии пленок и листов, составляет 60 или 71. В целом, содержание стеклообразных частиц в смоле имеет решающее значение для различных применений, связанных с гибкими экструдированными и каландрированными пленками и листами. С помощью процесса экструзии можно изготавливать более толстые листовые продукты.

Для экструзионных пленок и листов важно наличие поверхностного блеска. Это свойство зависит от условий обработки и молекулярного веса смолы. Более высокие температуры обработки и/или смолы с более низкой молекулярной массой приводят к более высокому поверхностному блеску. Старая технология улучшения блеска листовых изделий заключается в смешивании эмульсионной смолы с обычным гомополимером ПВХ. Вещества, обычно находящиеся на поверхности частиц эмульсионной смолы, увеличивают блеск готового продукта. Недостатком использования эмульсионных смол для этих целей являются проблемы, которые они могут вызвать с точки зрения пригодности к печати. Обычно те же поверхностно-активные вещества, которые усиливают блеск, ответственны за снижение пригодности к печати.

Сшитая смола ПВХ может быть объединена с гомополимером для уменьшения блеска. Для увеличения блеска относительная вязкость сшитой смолы должна быть выше, чем у смеси гомополимеров.

2.2 Каковы преимущества каландрирования по сравнению с другими способами?

Многие из перечисленных выше требований применимы и к каландрированным пленкам. Есть несколько отличий, которые выделяются.

Смолы с более низкой молекулярной массой требуют меньшего охлаждения каландра и могут использоваться в изделиях, где физические свойства не имеют большого значения. Они также способствуют прилипанию валков при высоких температурах. Они используются для получения желаемых температур, если трудно достичь достаточно высоких температур на каландровых валках.

С помощью “полированных” и “тисненых” каландровых валков достигается желаемый уровень блеска поверхности, высокий или низкий. Для каландрированных продуктов в этой ситуации может потребоваться некоторый контроль блеска в экструзионных продуктах. Некоторые методы контроля блеска рецептур, в частности, для экструзии мягкого ПВХ, будут работать и для каландрированных пленок.

Но даже если в смоле присутствуют стеклообразные частицы, непрозрачные каландрированные пленки более чувствительны к дефектам поверхности. Но по мере уменьшения толщины каландрированных пленок проблемы со стеклообразными частицами становятся более важными. Если пленка тонкая, стеклообразные частицы могут вызвать проколы в конечном продукте. Стекловидные частицы могут образовываться в мягких листах ПВХ, особенно в тех местах, где материал подвергается термоформовке. Как и в других случаях, наличие стеклообразных частиц смолы или включений способствует тому, что каландрированные пленки не являются прозрачными.

3 Литье под давлением из мягкого ПВХ

Мягкий (пластифицированный) ПВХ легче поддается обработке литьем под давлением, чем его жесткий аналог. Благодаря пластификаторам, многие композиции, изначально разработанные для экструзионных изделий или предназначенные только для изготовления пластиковых колец в гидравлическом процессе, могут быть переработаны методом литья под давлением. Хотя иногда используются смолы со значением К 70 и выше, для литья под давлением пластифицированного ПВХ предпочтительны смолы в диапазоне от 65 до 68. Смолы ПВХ с более низким молекулярным весом могут быть полезны при литье изделий сложной формы или при использовании нерегулярного литника.

Литьевые композиции на основе смол с более низкой молекулярной массой не нагреваются во время обработки и могут формоваться при более низких температурных условиях. Более низкие температуры в процессе литья под давлением могут привести к сокращению времени цикла и уменьшению расхода стабилизатора. Снижение расхода стабилизатора может способствовать увеличению количества вторичного измельченного полимера, который может быть впрыснут под давлением.

Выдувное формование мягкого ПВХ

При выборе смолы для литья под давлением пластифицированного ПВХ не следует забывать о требованиях к подбору ее композиций. Однако для полужестких изделий используются смолы с К при 60. Вязкость расплава и прочность композиции можно регулировать путем изменения содержания пластификатора, условий переработки или изменения молекулярной массы смолы. Смолы, получаемые методом литья под давлением с выдувом, обычно имеют К ниже.

4 Выбор полимеров для конкретных применений жестких ПВХ-композитов

4.1 Трубы

4.1.1 Общие принципы выбора смолы для производства труб большого объема

Трубы – наиболее обширная область применения смол ПВХ и, определенно, одно из самых конкурентоспособных их применений. Чтобы свести стоимость к минимуму, основные производители перерабатывают экструзией порошкообразную композицию жесткого ПВХ и акцентируют внимание на снижении стоимости и увеличении выпуска изделия. Мы сначала обсудим понятия, связанные с ПВХ смолой, важные для всех трех основных типов ПВХ труб:
1) напорных труб,
2) ДКВ(дренажных канализационных и вентиляционных) труб,
3) дренажных и сточных труб.

После обсуждения требований к смоле ПВХ, общих для каждого типа труб в целом и их отдельных видов, мы затем обсудим каждый тип труб, которые используются.

Объемная плотность смолы

На что производители труб обращают наибольшее внимание при выборе смолы Первая характеристика – объемная плотность смолы. Эта характеристика важна для увеличения объемной плотности композита. По мере увеличения композита в зоне нагрузки увеличивается потенциальная пропускная способность.

Электростатический заряд присутствует в компонентах смолы. Частицы смолы начинают отталкиваться друг от друга, когда они становятся электростатически заряженными. Частицы материала имеют низкое содержание влаги в результате обработки поверхности смолы и тщательного контроля процесса сушки. Поверхность частиц смолы будет иметь контролируемое содержание влаги, что будет способствовать рассеиванию электростатических зарядов, которые могут накапливаться во время транспортировки.

(*В русской литературе это свойство смолы называется “насыпной плотностью”)

4.1.3 смола прослежена

Пористость смолы является положительным свойством для пластифицированного ПВХ. В жестком ПВХ малая пористость нежелательна для облегчения впитывания жидкого стабилизатора и смазочных материалов. Повышенная пористость смолы может повлиять на жесткий ПВХ, снижая насыпную плотность. Как указано выше, это может негативно сказаться на производительности экструдера.

4.1.4 Гранулометрический состав смолы

Большая насыпная плотность может быть достигнута, если обратить внимание на распределение частиц смолы по размерам. Насыпную плотность полимера можно повысить, регулируя коэффициент упаковки частиц смолы. Расположение частиц смолы на поверхности является одним из факторов, обуславливающих важность гранулометрического состава смолы в композиции. В процессе производства полимеров производители труб обычно стремятся поддерживать постоянный гранулометрический состав.

Если свойства плавления смолы остаются стабильными, то и эксплуатационные характеристики остаются неизменными. Это очень важно для производителей труб. Цель производителя труб – получить как можно более жесткие допуски на продукцию. Если размер частиц смолы или насыпная плотность изменяются в процессе экструзии, характеристики продукции не будут стабильными. Производитель труб, вероятно, сделает припуск на несколько больший размер трубы, чтобы компенсировать изменение характеристик в зависимости от качества плавления и удовлетворить хотя бы минимальные требования к размерам. Производитель труб должен выпускать продукцию со средним 2-процентным избыточным весом из-за колебаний производительности, связанных с процессом плавления.

Лучшее время для производства труб – это время, когда экструдеры могут работать непрерывно, без необходимости останавливаться и регулировать настройки процесса. В такой ситуации возможны низкие производственные затраты. Для достижения этих целей решающее значение имеют объемная плотность серы и система стабилизации размера частиц смолы.

4.1.5.Труба под давлением

К жестким напорным трубам из композита ПВХ типа I предъявляются строгие требования по физическим свойствам. Несмотря на то, что производители труб стараются скрыть свои рецептуры, для физических свойств они используют довольно схожие составы. Из-за требований к прочности трубы из смолы с К ниже 65 трудно производить. В настоящее время смола с К 65 или 66, одобренная Национальным санитарным фондом (NSF), является предпочтительной смолой для этих изделий.

Напорные трубы P VC, а также другие виды труб из полимера K 66 не соответствуют требованиям по физическим свойствам.

4.1.6 Дренаж, водоотвод и вентиляционные трубы

. В чем основное различие между напорной трубой и трубой ДКВ? Как и дренажная труба, канализационная труба имеет строгое отношение к физическим свойствам, для удовлетворения которых предпочтительна смола с К 65-66.

4.1.7. дренажные и канализационные трубы

По сравнению с напорными трубами и трубами DKV, дренажные или канализационные трубы не подвергаются строгому контролю. В связи с этим к трубам могут предъявляться меньшие требования по физическим свойствам. Для этих изделий можно использовать более дешевые смолы без согласования со службой санитарного контроля, тем самым снижая стоимость. Из этого следует, что цена смолы может быть важным фактором при выборе наполнителя для данного типа труб.

Если цены на смолу ПВХ высоки, экономически выгоднее использовать высокую степень наполнения менее дорогим карбонатом кальция. При таком подходе увеличивается вязкость расплава, и использование смол с более низким молекулярным весом может дать преимущество. При высоких ценах на ПВХ экономически выгодно использовать карбонат кальция с большим размером частиц (3 мкм и более), применяемый для соединения труб. При низкой плотности наполнителя, более низкой степени наполнения и более дешевых низкомолекулярных смолах конкуренты будут иметь преимущество в виде более низкой вязкости расплава.

Трубы с вспененным сердечником в настоящее время доминируют на рынке дренажных и канализационных труб, но тенденция сохраняется. Сердцевина трубы вспенивается для уменьшения доли материала, используемого при производстве трубы. Такие изделия изготавливаются методом соэкструзии, что требует более высоких первоначальных капитальных затрат. Но в большинстве случаев снижение стоимости материала быстро оправдывает более высокие капитальные затраты и затраты на состав. Конечные пользователи также оценили низкий вес и простоту обработки труб с пенопластовым сердечником.

Внешний слой трубы с вспененным сердечником обычно изготавливается из смол с коэффициентом K около 65. Хотя жесткие, не вспененные трубы из ПВХ могут выиграть от использования смол с более низким молекулярным весом, большинство производителей труб используют только одну или две фракции. Более высокий молекулярный вес также приводит к улучшению механических свойств. Для улучшения свойств расплава и ускорения спекания в рецептурах вспененного сердечника обычно используются более высокие технологические добавки. Отходы жестких ПВХ-труб хорошо востребованы в дренажных и канализационных трубах.

5. из каких полимеров изготавливают сайдинг

Соэкструзия является частью процесса производства сайдинга из ПВХ. Поверхностный слой обычно соэкструдируется с небольшим количеством наполнителей, что снижает общую стоимость продукта.

Поверхностный слой

Если поверхностный слой составляет 20 процентов от толщины готового сайдинга и имеет толщину от 0,003 до 0,008 дюймов (0,007-0,025 м). Этот слой должен быть ударопрочным и устойчивым к атмосферным воздействиям структурно. Модификаторы и выбор смолы работают вместе для создания компонентов ударопрочности. Для поверхностного слоя более высокая молекулярная масса обеспечивает большую ударопрочность. В этом случае стоимость процедуры может быть снижена за счет использования меньшего количества модификаторов для создания композита. Виниловый сайдинг с низкой вязкостью и температурой особенно хорошо проявляет преимущества более высоких смол при низких температурах окружающей среды. Толщина поверхностного слоя – еще одно соображение. Чем выше ударопрочность, тем толще, как правило, должен быть поверхностный слой конструкции.

В начале 1990-х годов большинство составов для поверхностного покрытия изготавливалось на основе смолы K 65. Сегодня для некоторых составов используется смола с К 68, и изучается возможность использования других полимеров. По сравнению с другими смолами, вязкость расплава этих пород выше.

Лучшим показателем является блеск, который относится к показателям смолы. Современные тенденции дизайна сайдинга предполагают использование низкоглянцевого покрытия. Фактически это достигается за счет снижения содержания технологических добавок и использования сополимеров этилена с винилацетатом 45%. Но увеличение молекулярной массы смолы может привести к снижению блеска поверхностного слоя. При выборе способа снижения поверхностного блеска экструдированных изделий следует проявлять осторожность, так как многие добавки или модификации могут повлиять на ударные свойства изделий.

Чтобы поверхностный слой хорошо работал, он должен обладать хорошей адгезией к подложке. Существует множество технологических и технических факторов, влияющих на адгезию. Чем ниже молекулярный вес смолы, тем легче добиться хорошей адгезии. Конечно, большую роль играют смазочные материалы в составе. В смоле присутствуют стеклообразные частицы. Дешевые сорта смол для труб очень часто содержат слишком много стеклообразных частиц.

5.2 Основа

Критерии выбора смолы для базового слоя не имеют значения и зависят от выбора состава, толщины этого слоя или ударопрочности в конечном продукте. Одно из главных отличий смолы для поверхностного слоя от смолы для базового слоя заключается в том, что для ее поверхности допустимо более высокое содержание стеклообразных частиц или примесей. На протяжении всего срока службы сайдингового изделия 80% и более его материала составляет основа, значительной экономии можно добиться, используя дешевые трубные марки смолы К 65-66.

Другая возможность использования смол с более низкой молекулярной массой для основы заключается в улучшении адгезии поверхностного слоя к основе. Сильно упрочненный интерфейс обеспечивает большее сопротивление передаче энергии удара через базовый полимер. Рассеивание энергии является одним из способов сохранения целостности поверхностного слоя после удара.

В книге: “Руководство по разработке композиций на основе ПВХ”, опубликованной НЕ