Наукоемкие технологии получения пластмасс, отвечающие эколого-экономическим показателям

      При сварке многих пластмасс выделяются вредные пары и газы. Для каждого газа имеется строго определенная предельно доступная его концентрация в воздухе (ПДК). Например, для диоксида углерода ПДК равна 20, для ацетона — 200, а для этилового спирта — 1000 мг/м³.

2. Образование состава и свойств загрязнителей окружающей среды в процессе производства, эксплуатации и утилизации изделий из пластмасс

      Загрязнение среды, контактирующей с поверхностью пластмасс происходит газообразными веществами и твердыми частичками пыли, которые образуются за счет трения. В этом случае говорят о процессе эмиссии, миграции из материала содержащихся в нем летучих соединений. Этот процесс может быть усилен условиями эксплуатации, действиями высокой температуры, радиации, механических нагрузок и др. Таким образом сама контактирующая с материалом среда может вызывать реакции, приводящие к образованию мигрирующих соединений. При этом могут образовываться так называемые вторичные загрязнители, которые также могут быть вредны для человека.

      Источником формальдегида в помещении могут служить древесно-стружечные плиты, полимерные материалы для полов, внутренней отделки стен, декоративные слоистые пластики и др. Формальдегид (2-й класс опасности) обладает хронической токсичностью, негативно воздействующей на наследственность, дыхательные пути, глаза, кожный покров, репродуктивные органы. В зависимости от материала интенсивность выделения формальдегида со временем может уменьшаться или увеличиваться (материалы с защитным слоем по мере старения и растрескивания увеличивают выделение формальдегида, а без защитного слоя уменьшают), (ПДК_р.з. = 0,5 мг/м³, ПДК_м.р. = 0,035 мг/м³ ПДК_с.с. = 0,003 мг/м³). Интенсивность выделения летучих веществ зависит также от температуры, влажности, воздухообмена.

       Фенол могут выделять ДСП, линолеумы, мастики, шпаклевка; стирол — отделочные материалы на основе полистирола; бензол — мастики, клеи, линолеумы; ацетон — лаки, краски, клеи, шпатлевки, мастики; толуол — лаки, краски, клеи, мастики, линолеумы и другие отделочные материалы.

       Фенол ядовит. Вызывает нарушение функций нервной системы. Пыль, пары      и раствор фенола раздражают слизистые оболочки глаз, дыхательных путей, кожу (ПДК 5мг/м³, в водоёмах 0,001 мг/л). Зачастую фенол является причиной онкозаболеваний.

      Также в состав пластмасс могут входить различные токсичные вещества и соединения, такие как анилин(С₆H₅NH₂), кадмий(ПДК для кадмия 0,001 мг/дм³ (СанПиН 2.1.4.1074-01)),  бисфенол (4,4'-дигидрокси-2,2-дифенилпропан , дифенилолпропан технический, ДФП), ртуть и др.

      Многие синтетические смолы и пластмассы физиологически безвредны, но содержащиеся в них остатки исходных мономеров (стирол, капролактам, формальдегид, фенол и др.), а также некоторые специально введенные пластификаторы, красящие вещества, катализаторы могут быть токсичными. Физиологически вредные вещества могут образовываться также под воздействием условий переработки пластмасс, эксплуатации изделий (особенно при повышенной температуре и под воздействием некоторых пищевых сред) и при пожаре.

      Чрезвычайно токсичными могут быть вещества, выделяемые при горении пластмасс. Отходы из пластических масс  нельзя  сжигать  в  обычных  мусоросжигательных печах. Для этой цели необходимо применять кислотостойкие  установки,  а  HCl из абгазов  -  поглощать. Так, при горении поливинилхлорида образуется диоксин — сильнейший яд, ничтожная доза которого способна убить человека. Под  термином   «диоксины»   понимают определенную группу химических соединений, включающую полихлорированные дибензо-n-диоксины (ПХДД) и дибензофураны (ПХДФ).   Диоксин в тысячу раз токсичнее известного яда стрихнина. Он оказывает опаснейшее воздействие на имунную и эндокринную системы организма, вызывает образование опухолей и воздействует на репродуктивные функции. Действие диоксинов проявляется при ничтожных концентрациях. Так, в нашей стране принята допустимая суточная доза (ДСД) — 10 пкг/кг массы тела в день (пикограмм — это одна триллионная доля грамма).

3. Пожароопасность

      Большинство пластмасс относится к сгораемым материалам, т. е. способным к самостоятельному горению и тлению после удаления источника огня в течение более 1 мин с потерей массы более 20%. Материалы, которые не горят при нагревании до температуры 750°С, имеют потерю массы после испытания менее 10% и не выделяют горючих газов в количестве, достаточном для их воспламенения, считают несгораемыми. Несгораемые материалы: фторопласты, материалы из перхлорвинила.

     Примерные температуры воспламенения, плавления, а так же теплота сгорания некоторых полимеров представлены в табл. 2.2.

                                                                                                                Таблица 2.2.

Физические свойства и  показатели пожарной опасности пластических масс

 

Поли-меры	Агрегат-ное сос-тояние	Плот-ность, кг/м³	Температура, С°			Теплота сгорания, кДж/кг
			Плавле-ния	Воспламе-нения	Самовоспла-менения
Поли-сти-рол	Твердое прозрачное кристалличес-кое веще-ство	1040-                 1070	200-300	210-250	440-480	9960
Поли-капро-лактам (полиамид 6)	Твердое роговидное ве-щество	1113	215-220	395	440	7337
Полиэтилен (низ-кого давления)	Твердое веществ мато-вого цвета	940-   960	200	306	417	11135
Полиметил-мета-крилат (орга-ничес-кое стекло)	Твердое прозрачное кристалличес-кое вещес-тво	1180	200	214	439	6621

       Рассмотрим свойства, характеризующие пожарную опасность пластических масс, полученных на основе полиэтилена, полистирола, поливинилхлорида.

       Пластические массы на основе полиэтилена горят светящимся пламенем В условиях пожара выделяется большое количество тепла. Теплота сгорания составляет 47767 кДж/кг. При нагревании они деполимеризуются с выделением горючих газообразных продуктов, которые с воздухом могут образовывать взрывоопасные смеси с НКПВ-12.6 г/м³.

       Пластические массы на основе полистирола горят сильно коптящим пламенем. В условиях пожара выделяется большое количество тепла. Теплота сгорания выше 37800кДж/кг. Пыль полистирола с воздухом взрывоопасна (НКПВ-15 г/м³). Температура самовоспламенения аэровзвеси 488⁰С. Максимальное давление при взрыве пылевоздушной смеси равно 0.65МПа. Осевшая пыль пожароопасна. Температура тления 200⁰С. Полистирол применяется в строительстве для изготовления ванн, теплоизоляционных материалов (пенопласты), в электротехнической промышленности, широко применяется в быту.

     Пластические массы на основе поливинилхлорида при нагревании вспучиваются, обугливаются с выделением хлористого водорода. Пыли ПВХ с воздухом взрывоопасны. Продуктами горения являются также сверхтоксичные вещества – диоксины.

     Летучие цианистые соединения и оксид углерода(II) образуются при горении азотсодержащих пластмасс (полиуретанов, полиакрилонитрила, аминопластов), но только при недостатке кислорода (при тлении).

Выводы к разделу 2.

1. Известно, пластмассы обладают высокими механическими показателями. Так, пластмассы с порошкообразными и волокнистыми наполнителями имеют предел прочности при сжатии до 120... 200 МПа, а предел прочности при изгибе — до 200 МПа. Прочность пластмасс на растяжение с листообразными наполнителями достигает 150 МПа, а стекловолокнистого анизотропного материала (СВАМ) — 480...950 МПа. Применение 1 т пластмасс позволяет экономить 5–6 т металла.  Благодаря таким характеристикам они широко применяются в различных сферах производства.
2. Выяснено, что износ инструмента при обработке пластмасс значительно больше, чем при обработке металлов, почему необходимо применять инструмент из высокоуглеродистой или быстрорежущей стали или же из твердых сплавов. При сварке многих пластмасс выделяются вредные пары и газы. Для каждого газа имеется строго определенная предельно доступная его концентрация в воздухе (ПДК). Например, для диоксида углерода ПДК равна 20, для ацетона — 200, а для этилового спирта — 1000 мг/м³.
3. Считается, наиболее распространенными токсичными веществами выделяющимися из пластмасс являются фенолы(ПДК 5мг/м³),, формальдегид (ПДК_р.з. = 0,5 мг/м³), бисфенол –А, ртуть, кадмий, диоксины и др. Готовая фенолформальдегидная смола может содержать до 11% свободного фенола и 4–5% свободного формальдегида. Это означает что и фенол, и формальдегид постоянно отщепляются, загрязняя окружающую среду. Следовательно существует необходимость улучшения характеристик пластмасс и их компонентов, для устранения негативных факторов.
4. Большинство пластмасс относится к сгораемым материалам, т. е. способным к самостоятельному горению и тлению после удаления источника огня в течение более 1 мин с потерей массы более 20%. Многие виды пластмасс горят уже от 200°С, при этом выделяется значительное количество токсичных газов, около 70% людей гибнут от отравления ими. За последний год произошло около 20 наиболее крупных пожаров на заводах пластмасс. Наиболее опасное вещества выделяющееся при горении это диоксины (ПДКс.с=10 пкг/кг).

 

3. ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАСТМАСС

      На протяжении многих десятилетий полимеры применяются в качестве:

•  легкой и ресурсосберегающей, но в то же время надежной упаковки, прекрасно выполняющей барьерные функции 
•  изоляции, труб газо-, водоснабжения, водоотведения, равно как и для оконных профилей или напольных покрытий в строительстве 
•  конструктивного материала, отличающегося легкостью, многообразием форм, расцветок, вариабельностью и мобильностью  
•  в медицине в качестве надежного сырья для одноразовых расходных материалов или в качестве гибкого материала, например, для целей катетерной диагностики  
•  микронасосов или вспомогательного оборудования для дозирования или впрыскивания в фармацевтике в форме инсулиновых шприцев или ингаляторов  
• материала при производстве различных товаров для спорта и отдыха, спортивного инвентаря, одежды и обуви 
•  погодостойких и простых в уходе искусственных газонов для спортивных и частных объектов

 Применение на производстве

      Волоконные композиционные материалы, так называемые композиты, позволяют производить высокопрочные, но при этом очень легкие структурные компоненты: непрерывно растет производство отдельных элементов из стекловолокна и матриц из дуропласта/ duroplast, усиленных длинными волокнами, или изделий с термопластической матрицей. Сферы применения подобной продукции очень широк, например, изготовление протезов для рук и ног для людей, переживших ампутацию, или же лопастей для ветряных электростанций.

      Что касается стеклопластиков, до недавнего времени стеклопластики использовались преимущественно в самолётостроении, кораблестроении и космической технике. Широкое применение стеклопластиков сдерживалось, в основном, из-за отсутствия промышленной технологии, которая позволила бы наладить массовый выпуск профилей сложной конфигурации с требуемой точностью размеров. Эта задача успешно решена с созданием пултрузионной технологии. Существует достаточно много методов, позволяющих массово производить стеклопластиковые изделия различной конфигурации, необязательно профили — например, RTM, вакуумная формовка.

   Также пластмассы широко  применяются для производства  труб водоснабжения но и тут  есть свои недостатки которые  необходимо устранять. 

Зависимость прочности  труб из ПВХ и ПЭ от температуры 
      Поскольку у высокопрочного чугуна умеренный и надежный коэффициент теплового расширения, то при смене рабочих температур проблем не возникает. У высокопрочного чугуна нет значительной разницы в пределе прочности при обычной рабочей температуре водопроводов (от 0° до +35°C) или при самых экстремальных условиях прокладки трубопровода (от -60° до + 60°С). 
      Вследствие термопластичной полимерной природы ПВХ и ПЭ эксплуатационные характеристики труб из этих материала в значительной мере зависят от рабочей температуры (см. рис. 1). Указанием на это служит тот факт, что производители не рекомендуют эксплуатировать трубопроводы из ПЭВП под давлением при температуре выше 60°С. К этому следует добавить, что при эксплуатационной температуре выше 22°С трубы из ПВХ и ПЭ начинают терять прочность, жесткость и пространственную стабильность. Запас прочности по давлению труб из ПВХ и ПЭ ограничен, а также при прокладке трубопроводов следует избегать излишнего осевого отклонения. Вследствие того, что коэффициент теплового расширения ПВХ в 5 раз выше, а у ПЭ в 18 раз выше, чем у ВЧ, при воздействии экстремальных значений температур в трубах ПВХ и ПЭВП возможны нежелательные структурные изменения. 
 
                                    рис.1 
 
       При температуре 43°С предел прочности на разрыв для труб из ПВХ составляет 50%, а для труб ПЭВП составляет приблизительно 70% от соответствующих значений при температуре 22°С, при повышении же температуры до 60°С эти показатели снижаются еще больше. Эти изменения прочности следует учитывать при проектировании трубопроводов из ПВХ и ПЭВП.

Применение в быту

Гигантские молекулы обеспечили новыми материалами не только промышленность, они помогли обуть и одеть  человечество. Изделия из искусственных  и синтетических волокон, меха, кожзаменителя  стали неотъемлемой частью гардероба  любого современного человека. В 2000 г. на каждого человека выпускалось 9–12 кг волокон, причем максимальная доля синтетики составила 70%. Сейчас по гигиеническим  свойствам предпочтительны натуральные  ткани, однако ученые стремятся, чтобы  и по этим показателям синтетические  материалы приблизились к природным.

Пластмассы, каучуки и  композиты все шире используются в различных сегментах рынка  упаковочных материалов: 
- пленки: полиэтилен, полиэфир, ПВХ; 
- бутылки, банки и прочее: ПВХ, ПЭТФ, полиэтилен; 
- пеноматериалы: амортизирующие и защитные упаковки: полистирол, полиэтилен, полиуретан и т. д.; 
- герметизация от газов, жидкостей, пыли, влаги и воздуха; 
- структурная упаковка; 
- жесткие и прозрачные листы ПВХ, поликарбоната, полиметилметакрилата для блистерных упаковок и коробок. 
Большим препятствием на пути распространения полимеров на рынке упаковочных материалов является экологическая озабоченность: субъективные и объективные доводы, а также истинные и ложные причины. 

 Применение в медецине

      Широкое применение в различных областях техники и медицины нашел полиэтилентерефталат, эти волокна являются основой для изготовления протезов кровеносных сосудов. Современные протезы кровеносных сосудов получают на текстильных производствах в виде гофрированных трубок различного диаметра. Важнейшей их характеристикой является пористость боковой стенки сосуда.

3.1. Российский  рынок пластмасс, реализация

     Качество и цена российских конструкционных пластмасс вполне конкурентоспособны. Однако при их производстве наблюдаются некоторые проблемы: средняя энергоемкость единицы продукции в 2,5 раза выше, чем в ведущих промышленно развитых странах; потребление технологической и оборотной воды выше на 25%; производительность труда ниже в 35 раз; смена поколения оборудования и технологий осуществляется через 20–25 лет.

      В настоящее время около 7% российской полимерной продукции не отвечает по качеству мировому уровню при существенно ограниченном ассортименте изделий. Кроме того, практически не выпускаются некоторые марки полиэтиленов, которые предусмотрены стандартами на ПЭВД, ПЭНД и некоторые сополимеры. Например, «исчезла» базовая марка ПЭНД — 206; технические характеристики сэвиленов значительно уступают аналогичным материалам фирм DuPont, Borealis; качество добавок (светостабилизаторов, антипиренов, ПАВ, синергических смесей) также далеко от требуемого, поэтому применяют дорогие зарубежные аналоги.