• Пластмассы

Определения и обозначения

Пластмасса — материал на основе полимера, которому при изготовлении придают нужную форму. Помимо полимера, в него могут входить наполнители, красители, пластификаторы и другие добавки. Поэтому пластмасса не обязательно является чистым полимером. Это определение помогает отличать материал готового изделия от вещества, которое образует его основу.

Полимер — вещество, молекулы которого состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Такие молекулы называют макромолекулами: они могут быть длинными цепями или иметь более сложное строение. Полимер служит основой пластмассы, потому что именно его молекулы во многом определяют прочность, гибкость и поведение при нагревании. Добавки позволяют дополнительно менять свойства этой основы.

Термопласт — пластмасса, которая размягчается при нагревании и вновь твердеет при охлаждении. Пока материал размягчён, ему можно придать форму, а после охлаждения она сохраняется. При повторном нагревании термопласт снова становится пригодным для формования. Это свойство важно при изготовлении изделий и переработке отходов, хотя возможности повторной переработки зависят и от состава материала.

Реактопласт — пластмасса, которая после отверждения при нагревании уже не размягчается так, чтобы её можно было сформовать заново. Во время отверждения между полимерными цепями возникают прочные связи, и образуется пространственная структура. Она удерживает цепи вместе и ограничивает их перемещение. Поэтому при сильном нагревании реактопласт может разрушаться, а не становиться текучим.

Как это устроено

Полимер получают из небольших молекул-мономеров: они соединяются друг с другом в длинные цепи. Этот процесс называют полимеризацией. Повторяющиеся звенья дают макромолекуле устойчивую основу, а длина и устройство цепей влияют на свойства вещества. Когда полимер используют для изготовления пластмассы, его можно дополнить веществами, которые помогают получить материал с нужными характеристиками.

Добавки нужны, потому что одного полимера может быть недостаточно для конкретного изделия. Минеральный или иной наполнитель способен менять прочность, жёсткость, массу и стоимость материала. Пластификаторы обычно делают его более гибким, а красители задают цвет; другие добавки могут улучшать устойчивость к свету или нагреванию. Их действие зависит от вида вещества и его количества, поэтому одинаковая полимерная основа с разными добавками может давать пластмассы с разными свойствами.

У термопластов полимерные молекулы обычно линейные или разветвлённые, но не соединены между собой сплошной прочной сеткой. При нагревании движение молекул усиливается, и цепи могут смещаться относительно друг друга. Поэтому материал размягчается и под давлением принимает новую форму. Охлаждение уменьшает подвижность цепей, и пластмасса снова твердеет; повторное нагревание может вернуть ей способность к формованию.

При изготовлении реактопласта нагревание запускает отверждение: между отдельными полимерными цепями образуются связи. В результате возникает пространственная сетка, которая не даёт цепям свободно перемещаться даже при дальнейшем нагревании. Поэтому отверждённый материал не становится пластичной массой, как термопласт. Если нагрев слишком сильный, химические связи и сами молекулы могут повреждаться, отчего изделие разрушается.

Пластмассы получили широкое применение, потому что многие из них легче металлов, не ржавеют и могут принимать сложную форму. Это удобно при производстве упаковки, бытовых предметов и деталей, которые должны быть лёгкими или устойчивыми к воздействию воды. Но стойкость к коррозии и другим внешним воздействиям не означает, что пластмасса быстро исчезнет в природе. Многие изделия медленно разлагаются, поэтому накопление отходов создаёт экологические проблемы и делает важными сбор и переработку.

Сравнение термопластов и реактопластов

Чтобы определить тип пластмассы, сначала смотрите на её поведение при нагревании: обратимое размягчение характерно для термопласта. Затем сопоставьте результат со строением цепей: отсутствие пространственной сетки позволяет им перемещаться. Таблица также помогает понять, почему переработка двух групп устроена по-разному.

Разбор задач

Задача 1. В составе пластмассы указаны полимер и минеральный порошок. Нужно установить, что является основой материала, а какую роль может выполнять порошок. Важно различать вещество, образующее полимерную основу, и компонент, который добавили для изменения свойств. Одно только слово «минеральный» не позволяет точно определить действие порошка, поэтому ответ следует сформулировать как возможную роль.

1. Находим в составе полимер: он образует основу пластмассы.
2. Минеральный порошок рассматриваем как добавку, а не как полимерную основу.
3. Указываем, что порошок может быть наполнителем: он способен менять прочность, жёсткость, массу или стоимость материала. Какое именно свойство изменится, зависит от состава порошка и пластмассы.

Ответ: основа материала — полимер, а минеральный порошок может выполнять роль наполнителя и менять свойства или стоимость пластмассы.

Задача 2. Пластмассовое изделие при нагревании размягчилось, а после охлаждения сохранило приданную форму. Нужно определить тип материала по наблюдению. Для этого важно выяснить, обратимо ли изменение: повторное размягчение с последующим затвердеванием — характерный признак термопласта. Само по себе сохранение формы после охлаждения ещё не говорит о том, что изделие относится к реактопластам.

1. Отмечаем, что при нагревании изделие размягчилось, то есть стало пригодным для изменения формы.
2. После охлаждения материал снова затвердел и сохранил новую форму.
3. Сопоставляем наблюдение со свойством термопластов: они размягчаются при нагревании и твердеют при охлаждении. Именно обратимость процесса позволяет формовать их повторно.

Ответ: это термопласт, потому что он размягчился при нагревании и затвердел после охлаждения, сохранив приданную форму.

Задача 3. Первое из двух изделий при нагревании размягчилось, а второе после отверждения не изменило форму и начало разрушаться. Требуется сравнить вероятное строение полимеров. Рассуждать нужно по тому, могут ли цепи двигаться относительно друг друга. Наблюдение при нагревании позволяет предположить тип пластмассы, но не даёт оснований безоговорочно определить точный состав изделия.

1. Первое изделие размягчилось, значит, его полимерные цепи могут перемещаться при нагревании; вероятнее всего, это термопласт с линейным или разветвлённым строением.
2. Второе изделие уже было отверждено и не стало пластичным, а начало разрушаться. Такое поведение характерно для реактопласта с прочными связями между цепями.
3. Связываем различие с устройством молекул: у первого материала нет прочной пространственной сетки, а у второго она ограничивает движение цепей. Сильный нагрев второго материала приводит к повреждению структуры, а не к повторному формованию.

Ответ: первое изделие, вероятно, изготовлено из термопласта с линейными или разветвлёнными цепями, второе — из реактопласта с пространственной сеткой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать пластмассу чистым полимером. Так думают, потому что полимер действительно является её основой, но в готовый материал часто вводят добавки. Чтобы проверить себя, посмотрите, указаны ли в составе наполнители, пластификаторы или красители. Если указаны, значит, пластмасса включает не только полимер.

Ошибка: путать термопласты и реактопласты. Причина — оба материала могут твердеть после изготовления, и это кажется одинаковым признаком. Проверьте, что происходит при повторном нагревании: термопласт снова размягчается, а отверждённый реактопласт не формуется заново. Если он разрушается, это не означает, что он стал термопластичным.

Ошибка: считать, что все пластмассы одинаково ведут себя при нагревании. Такую мысль могут вызвать похожий внешний вид изделий или общее название материала. Но поведение определяется строением полимера и добавками. Проверяя ответ, учитывайте и признаки состава, и то, есть ли у материала пространственная сетка.

Ошибка: полагать, что химическая стойкость означает быстрое разложение пластмассы в природе. Это заблуждение возникает из-за смешения устойчивости к воздействию среды со способностью распадаться на природные вещества. Стойкость часто, наоборот, замедляет разрушение отходов. Проверить себя можно простым вопросом: помогает ли материалу устойчивость к внешним воздействиям исчезнуть быстрее? Обычно нет, поэтому нужны сбор и утилизация.

Связь с другими темами

Для понимания пластмасс нужно знать, что такое мономер и полимер и как при полимеризации образуются макромолекулы. Представления о химической связи и строении вещества объясняют, почему линейные цепи ведут себя иначе, чем пространственная сетка. Эти знания пригодятся при изучении синтетических волокон и других полимерных материалов. Они также помогают понять, почему способы переработки отходов зависят от типа пластмассы.

Что запомнить

• Основой пластмасс служат полимеры.
• Состав пластмассы может включать добавки, изменяющие её свойства.
• Термопласты размягчаются при нагревании и твердеют при охлаждении.
• Отверждённые реактопласты нельзя повторно формовать простым нагреванием.
• Свойства пластмассы зависят от строения полимера и состава материала.
• Устойчивость пластмасс полезна в изделиях, но может затруднять их разложение и утилизацию.