смазки для полимерных материалов. реферат ТОС. Реферат по теме Смазки для полимерных материалов
 Скачать 1.12 Mb.
|
Оценка _________________ Дата ___________________ РЕФЕРАТ по теме: «Смазки для полимерных материалов» Студент: Топчий А.И. _________________________ (ФИО) (Подпись) Группа: Х-480003 Екатеринбург 2022 ВВЕДЕНИЕШирокое применение полимерных композиционных материалов способствует развитию производства различных вспомогательных веществ, без которых невозможна ни переработка их в изделия, ни эксплуатация этих изделий. К ним относятся пластификаторы, стабилизаторы, антиоксиданты, антипирены, отвердители, вспенивающие добавки, поверхностноактивные вещества, аппреты, замасливатели, красители и пигменты. В настоящее время модифицирующие добавки и концентраты добавок стали одним из основных средств расширения марочного ассортимента полимерных материалов (ПМ). Модификация полимеров добавками – эффективный способ улучшения их технологических и эксплуатационных свойств. Современные модифицирующие добавки и их концентраты предоставляют большие возможности для интенсификации процессов переработки ПМ, уменьшения расхода материала, снижения себестоимости готовой продукции и придания более широкого функционального назначения. Они являются мощным средством повышения эффективности и конкурентоспособности производств по переработке ПМ. Все эти факторы объясняют расширение ассортимента и увеличение объемов выпуска модифицирующих добавок и их концентратов, которые наблюдаются в последние годы. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯВиды смазокОдним из важнейших видов технологических добавок являются смазки. В зависимости от характера действия и совместимости с основным полимером смазки условно разделяют на группы. Такое разделение применяют для того, чтобы упростить понимание механизма действия смазок на процессы переработки ПМ. Выделяют следующие группы смазок: внутренние смазки, термодинамически совместимые с полимером. Внутренняя смазка и полимер в этом случае являются взаиморастворимыми, а при их смешении смазка хорошо совмещается с полимером с образованием однофазной системы; внешние смазки, термодинамически не совместимые с полимером. Внешняя смазка имеет низкое сродство с полимером и практически не растворяется в нем, поэтому при их смешении образуется двухфазная или многофазная система; смазки комбинированного (внутренне-внешнего) действия, которые обладают свойствами как совместимых, так и несовместимых смазок. Преобладающее число промышленных смазок и ПМ в расплаве совмещаются ограниченно. Поэтому большинство смазок относится к смазкам комбинированного – внутренне-внешнего действия, обладая свойствами как внутренних, так и внешних смазок. Тем не менее смазка – в зависимости от своего химического строения и процентного содержания в рецептуре, а также от химического строения полимера – проявляет в большей или меньшей степени свойства внешней или внутренней смазки. Назначение смазокОдним из важнейших видов технологических добавок являются смазки. Они необходимы для предотвращения прилипания изделия к поверхности формующего инструмента. При остывании расплава смазки мигрируют к поверхности изделия, образуя защитный антиадгезионный слой. При расплавлении пластмассы вещества этой группы распределяются по всему объему расплава и влияют на его реологические свойства, т.е. они снижают его эффективную вязкость. В качестве смазок используют чаще всего стеараты кальция или цинка, парафины, силиконы. Например, нанесение одного процента олеиновой кислоты на поверхность гранул полипропилена уменьшает его вязкость на 40-60 %. Количество смазок и реологических добавок не должно превышать минимально необходимого. Избыток таких добавок приводит к снижению прочности и химической стойкости пластмасс. Наиболее распространенная причина использования внутренних смазок, это уменьшение вязкости и соответственно температуры плавления и последующего формования в изделие. Это качество позволяет значительно (около 30%) снизить затраты времени на производство, то есть увеличить производительность. При нагревании полимера до температуры плавления смазки равномерно распространяются по всему объему расплава, тем самым влияя на текучесть и вязкость в сторону ее снижения. При остывании и затвердевании полимера, наблюдается явление миграции смазки к поверхности изделия. Этот факт очень важен при формовании, так как смазка, находясь на линии раздела между формой и изделием значительно облегчает, а порой и делает единственно возможным, извлечение изделия из формы. Добавление смазок обычно производится на начальном этапе приготовления смеси, то есть смазка добавляется вместе с другими ингредиентами материала. Однако в некоторых случаях смазка наносится непосредственно на форму или другую технологическую оснастку. Делается это для того, чтобы избежать прилипания и обеспечить сохранение качества изделия во время съема. Сейчас существует огромное количество всевозможных смазок для полимеров. Каждая из них имеет определенные качества (растворяемость в полимере, скорость миграции к границе раздела, температура плавления). Преобладание какого-либо из качеств в смазке, делают ее более или менее совместимой с конкретным полимером. Содержание смазки колеблется от 0,5 % до 2 % от общего объема изделия. Следует отметить, что чрезмерное добавление смазки может серьезно навредить конечному продукту, значительно уменьшается его прочность и химическая стойкость. Содержание смазки в полимере не должно превышать минимально необходимого. Наиболее часто в качестве смазок для полимерных материалов используют стеараты кальция, углеводороды, парафины, воски, жирные кислоты и спирты, силиконы, амиды, сложные эфиры. Также иногда в роли смазывающих веществ используют полимерные продукты (тефлон, нейлон), однако, из-за их высокой стоимости случается это довольно редко. Механизм действия смазокМеханизм и особенности действия совместимых (внутренних) смазок следующие: имея хорошую совместимость с ПМ при температурах переработки, внутренние смазки уменьшают силы межмолекулярного взаимодействия (притяжения) в ПМ; вследствие указанного фактора происходит снижение вязкости расплава ПМ (возрастание показателя текучести расплава), что облегчает течение расплава во впусках, каналах литниковой системы и в оформляющей полости формы; снижение вязкости расплава приводит к уменьшению напряжений сдвига в потоке при его постоянной объемной скорости. Благодаря этому снижаются перепады давления в форме, необходимые для заполнения формы; уменьшение напряжений сдвига приводит к снижению возникающей при течении расплава в форме ориентации макромолекул, уменьшается возникающая эластическая деформация, и снижаются остаточные напряжения в готовых деталях. Вместе с тем, будучи термодинамически совместимыми с полимерами, внутренние смазки могут ухудшать упруго-прочностные свойства и теплостойкость основного полимера (на 10–15 %). В тех случаях, когда концентрация внутренней смазки в ПМ превышает растворимость последней в нем, начинает усиливаться внешнее проявление этой смазки. Механизм и особенности действия несовместимых (внешних) смазок следующие: внешние смазки несовместимы с ПМ при температурах переработки; внешние смазки, имеющие значительно меньшую вязкость по сравнению с вязкостью расплава ПМ, под действием градиента напряжений сдвига, возникающего при течении расплава в форме, выходят на поверхность потока текущего расплава, вследствие чего на поверхности раздела между металлической поверхностью формы и ПМ образуется разделительный слой смазки. Силы сцепления, действующие между ПМ и металлом формы через разделительный слой, меньше, чем таковые между ПМ и металлом формы без слоя смазки. Поэтому введение внешней смазки облегчает выемку деталей из формы; уменьшение сцепления между расплавом ПМ и металлическими поверхностями рабочих органов оборудования за счет образования разделительного слоя предотвращает локальные застои расплава у этих поверхностей и способствует уменьшению пригорания ПМ; при изотермическом течении расплава с внешней смазкой благодаря смазывающему слою коэффициент трения между расплавом ПМ и металлической поверхностью каналов уменьшается и материал начинает скользить по поверхности металла. Режим течения переходит в режим скольжения, и формируется так называемый «пробковый» режим течения. При таком режиме расплав ПМ продвигается по каналу с меньшими сдвиговыми напряжениями. Изменяются профиль распределения линейной скорости течения и профиль распределения напряжения сдвига по сечению потока расплава. Чем более высокие скорости и напряжения сдвига реализуются в каналах, тем в большей мере проявляется режим скольжения. Вместе с тем избыток внешней смазки (или ее чрезмерно интенсивное внешнее действие) может затруднять процессы пластикации ПМ. Для поддержания требуемой производительности пластикации уменьшают содержание смазки в ПМ или применяют смазку, которая обладает более низким внешним действием. Избыток внешней смазки или введение смазки с чрезмерно большим внешним эффектом в прозрачных полимерах может приводить к помутнению готовых деталей. Кроме того, такая смазка может выпотевать из готовых деталей в течение некоторого времени после их изготовления, что приводит к образованию нежелательного налета на поверхности деталей. Это ухудшает их внешний вид, создает трудности для нанесения печати и покрытия, а также может затруднять сварку и склеивание деталей. Для устранения этих недостатков следует снизить содержание смазки в рецептуре или подбирать смазки, которые имеют достаточную совместимость с ПМ и являются смазками внутренне-внешнего действия. Будучи термодинамически не совместимыми с ПМ, внешние смазки практически не ухудшают упругопрочностные свойства и теплостойкость ПМ. Следует еще раз заметить, что разделение смазок на внутренние или внешние достаточно условно. В промышленной практике и в литературе эти понятия иногда применяют только для того, чтобы обозначить тот эффект, который они вызывают при их введении в ПМ. Например, если смазка увеличивает текучесть ПМ, то ее относят к группе смазок внутреннего действия, а если смазка обеспечивает легкую выемку деталей из формы, то ее относят к группе смазок внешнего действия. Значение смазок для повышения эффективности литья и качества деталейВведение смазок (внутренних или внутренне-внешних) значительно улучшает формуемость ПМ, облегчает заполнение формы и течение расплава во впусках и каналах литниковой системы, что уменьшает перепады давления в форме и в литниковой системе, необходимые для заполнения формы, и соответственно снижает требуемое давление литья. Более легкое заполнение формы, достигаемое при использовании смазок, дает следующие преимущества. Расширяет ассортимент литьевых деталей, поскольку: появляется возможность изготавливать протяженные детали с большим отношением длины детали к ее толщине без увеличения количества впусков; появляется возможность изготавливать тонкостенные детали толщиной до 0,5–0,8 мм при больших скоростях впрыска (что требует технология литья тонкостенных деталей), а также детали более сложной конфигурации. Позволяет оптимизировать технологические параметры литья для повышения его эффективности, поскольку: появляется возможность снижать давление литья на 10–30 % при сохранении той же объемной скорости впрыска и соответственно времени заполнения формы. появляется возможность снижать температуру литья на 5–25  (в пределах рекомендуемого диапазона) при том же давлении литья, что сокращает время цикла и повышает производительность на 5–15 %, а также уменьшает термоокислительную деструкцию ПМ при его пластикации;Позволяет использовать марки с более низким показателем текучести расплава. Иногда это бывает необходимо, так как высоковязкие (высокомолекулярные) марки многих полимеров имеют более высокие показатели эксплуатационных свойств. Использование внешних и внутренне-внешних смазок в составе ПМ обеспечивает более легкое извлечение деталей из литьевой формы без ее периодического смазывания жидкой силиконовой смазкой. Периодическое смазывание формы силиконовой смазкой имеет ряд недостатков. Во-первых, исключается возможность работы литьевой машины в автоматическом режиме, и, во-вторых, эта смазка может оставаться на поверхности готовых деталей в виде разводов, что ухудшает их внешний вид и часто делает их непригодными к использованию, а также затрудняет нанесение печати на их поверхность. Внешние и внутренне-внешние смазки в составе ПМ облегчают отделение деталей от металлической поверхности формы благодаря уменьшению сцепления между ними. В результате уменьшается усилие выталкивания деталей из формы. Легкое извлечение деталей из литьевой формы способствует работе литьевой машины в автоматическом режиме с повышенной производительностью. Уменьшение силы, необходимой для извлечения деталей из формы, в некоторых случаях позволяет увеличить температуру съема деталей, что способствует снижению времени их охлаждения и опять же повышению производительности литья. Введение смазок (внутренних, внутренне-внешних или внешних) в состав ПМ позволяет предотвратить различные дефекты литья и повысить качество деталей. с помощью внутренних или внутренне-внешних смазок можно предотвратить дефекты, вызванные слишком высокой вязкостью используемой марки ПМ, у деталей, имеющих большой путь течения расплава. К таким дефектам относятся недолив, волнистая поверхность на конце детали и др.; использование внутренних или внутренне-внешних смазок способствует снижению напряжений сдвига и уменьшению эластической деформации, возникающей при литьевом формовании ПМ, и тем самым снижению остаточных напряжений в готовых деталях. Это уменьшает усадку и коробление деталей и повышает стабильность размеров деталей при эксплуатации. Структура деталей оказывается более однородной, поэтому уменьшаются растрескивание и расслоение деталей, особенно из композиционных материалов, наполненных анизотропными наполнителями, а также из смесей ПМ; образование разделительного слоя при использовании внутренне-внешних или внешних смазок уменьшает прилипание расплава к металлическим поверхностям материального цилиндра и препятствует образованию нагара на этих поверхностях. Это предотвращает, в свою очередь, возникновение дефекта в виде нерегулярно распределенных частиц разрушенного нагара на поверхности деталей. Использование смазок любого вида уменьшает деструкцию ПМ в процессе литья. «Жесткие» условия переработки, когда в расплаве ПМ возникают высокие скорости и напряжения сдвига, все чаще реализуются при литье. Возникающие в ПМ высокие напряжения сдвига могут вызвать его механическую деструкцию. Использование в этих случаях внутренних смазок или внутренне-внешних смазок позволяет уменьшить напряжения сдвига и защитить тем самым ПМ от деструкции и снизить температуру литья. Все это снижает термоокислительную деструкцию ПМ при переработке. Снижение механо- и термоокислительной деструкции ПМ при использовании смазок повышает качество деталей (внешний вид, прозрачность, цвет, ударную прочность, эластичность и другие показатели) и улучшает качество отходов, что обеспечивает их эффективный возврат в технологический процесс. Использование внутренних и внутренне- внешних смазок в составе ПМ сокращает удельную потребляемую мощность (мощность, потребляемую на производство единицы массы продукции). Введение в состав ПМ смазок любого вида снижает расход полимерного сырья и обеспечивает его экономию. Сырье – главная составляющая себестоимости литьевых деталей, поэтому его экономия – одна из основных задач современной технологии литья. Экономия сырья при использовании смазок в составе ПМ достигается благодаря следующим положительным эффектам: на заполнение формы и течение в литниковой системе расплава ПМ со смазками требуются более низкие перепады давления и соответственно более низкое давление литья. Это уменьшает среднее давление в форме, что способствует уменьшению сжатия и переуплотнения расплава в форме при впрыске и подпитке. Благодаря этому несколько снижаются масса детали и соответственно расход материала. экономия сырья достигается также за счет совершенствования конструкции детали и уменьшения толщины стенок, что можно реализовать при использовании ПМ со смазками; использование в составе ПМ смазок способствует более полному возврату технологических отходов в производство тех же самых деталей (без заметного ухудшения их свойств), т. к. появляется возможность создать щадящие режимы переработки, при которых первичный материал меньше деструктирует и сохраняет свои свойства в отходах, а сами отходы в меньшей степени подвергаются термо- и механодеструкции; Использование в составе ПМ любого вида смазок позволяет повысить производительность литья. Благодаря введению смазок в состав ПМ облегчается процесс течения расплава в форме и в литниковой системе и появляется возможность снизить температуру литья. Кроме того, уменьшается разогрев расплава. Все это способствует сокращению времени цикла и повышению производительности литья. Производительность литья при использовании смазок можно дополнительно увеличить также за счет уменьшения толщины стенок деталей, что позволяет сократить продолжительность охлаждения деталей в форме. Введение смазок в состав ПМ увеличивает долговечность литьевых форм и продлевает срок службы рабочих узлов литьевого оборудования (шнека и материального цилиндра). Расплавы ПМ в большей или меньшей степени являются химически агрессивными средами, так как могут содержать окисленные продукты деструкции, активные низкомолекулярные вещества, незаблокированные активные группы, наполнители и антипирены. Длительный контакт между химически агрессивными расплавами и металлическими поверхностями формы, шнека и цилиндра способствует образованию и разрастанию трещин на этих поверхностях. При использовании внешних и внутренне-внешних смазок образуется разделительный слой, который ослабляет контакт между металлическими поверхностями и химически агрессивными средами (расплавами ПМ). МЕТОДЫ СИНТЕЗА СМАЗОК ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВСмазки – это химические соединения, молекулы которых содержат n повторяющихся групп (например, –СН2-), где n равно или более 12 (для групп –СН2-). Именно длинные неполярные участки (СnН2n) молекулярных цепей смазок создают смазочный эффект. Модифицирующий эффект смазки вызывают, когда их содержание в ПМ составляет 0,05–0,5 (до 3) %. В таблице 2.1 приведены примеры веществ, используемые в качестве смазок для полимерных материалов, а также характер их действия. Таблица 2.1 Группы смазок для полимерных материалов
Окончание таблицы 2.1
Рассмотрим синтез некоторых из вышеперечисленных веществ: получение тристеарата глицерина  получение стеарилстеарата  Получение моностеарата этиленглиголя  получение олеамида  получение стеарата кальция  ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАХимические свойстваХимические свойства сложных эфиров: Ферментный, кислотный и щелочной гидролиз (омыление):  При щелочном гидролизе образуются мыла – калиевые или натриевые соли высших карбоновых кислот. Окисление:  Реакции присоединения характерны для жиров, содержащих остатки ненасыщенных карбоновых кислот. Они способны присоединять галогены (обесцвечивают бромную воду), галогенводороды, а также вступают в другие реакции присоединения. В практическом плане важной является реакция присоединения водорода (гидрирование жиров). При гидрировании жиров происходит насыщение двойных связей и переход жидких растительных масел в твердые жиры.  Химические свойства амидов Гидролиз: При действии горячей воды или водного пара амиды гидролизуются. Реакция протекает медленно, поскольку вода обладает низкой реакционной способностью по отношению к амидам. Гидролизу способствует щелочная либо кислая среда: в первом случае атаку на амид осуществляет более нуклеофильный гидроксид-ион OH-, а во втором случае амид протонируется по атому кислорода, из-за чего амидная группа становится более восприимчивой к атаке. {\displaystyle {\mathsf {RCONH_{2}+H_{2}O\rightarrow RCOOH+NH_{3}}}}  Почти все амиды гидролизуются в щелочной среде. Реакция ускоряется, если в амиде присутствуют электроноакцепторные группы, и замедляется при наличии пространственных затруднений. Катализ может осуществляться не обязательно протоном или гидроксид-ионом: возможен и общий кислотно-основный катализ. Восстановление: Амиды устойчивы к восстановлению, и лишь сильные восстановители (гидриды, натрий в жидком аммиаке и электролиз) вступают с ними в реакции. При обработке первичных амидов алюмогидридом лития в диэтиловом эфире или тетрагидрофуране они восстанавливаются до первичных аминов. Аналогично, вторичные амиды дают вторичные амины, а третичные амиды – третичные амины. Лактамы в этих условиях дают циклические амины. Также в этих реакциях можно использовать диборан и электролиз. Дегидратация:{\displaystyle {\mathsf {RCONR_{2}\rightarrow RCH_{2}NR_{2}}}} {\displaystyle {\mathsf {RCONR_{2}\rightarrow RCHO+R_{2}NH\rightarrow RCH_{2}OH+R_{2}NH}}}Первичные амиды отщепляют воду, давая нитрилы, под действием хлористого тионила, оксалилхлорида и оксихлорида фосфора. Наилучшим вариантом считается использование хлористого тионила в ДМФА. Нитрозирование: Первичные амиды легко разлагаются на холоде раствором азотистой кислоты, при этом выделяется азот и образуется соответствующая карбоновая кислота. В практическом плане преимущество имеют алкилнитриты RONO и тетрафторборат нитрозония NO+BF4-. Вторичные амиды, по аналогии с аминами, дают N-нитрозоамиды.  Галогенирование и перегруппировка Гофмана: {\displaystyle {\mathsf {RCONH_{2}+HNO_{2}\rightarrow RCOOH+H_{2}O+N_{2}}}}Первичные и вторичные амиды реагируют с NaOCl, NaOBr, давая соответствующие N-хлорамиды или N-бромамиды. Сами эти соединения являются селективными галогенирующими реагентами (типичным примером является N-бромсукцинимид). Также N-галогенамиды в избытке щёлочи вступают в перегруппировку Гофмана, отщепляя при этом молекулу CO2 и давая амин, имеющий на один атом углерода меньше, чем исходный амид. Кислотно-основные свойства: Амиды обладают очень слабо выраженными кислотными и основными свойствами. Реагируя со щелочными металлами, они дают соли, легко разлагаемые водой. Амиды способны присоединять протон в присутствии сильной кислоты, образуя соли. Физические свойстваФизические свойства некоторых веществ, используемых в качестве смазок для полимерных материалов, приведены в таблице 3.1. Таблица 3.2 Физические свойства
Окончание таблицы 3.1
ЗАКЛЮЧЕНИЕВ ходе выполнения работы были изучены области применения и назначение смазок для полимерных материалов, их виды и механизм действия. Также были рассмотрены способы получения некоторых смазок для полимерных материалов и их химические и физические свойства. Опыт использования смазок показывает, что, несмотря на свою высокую стоимость, правильное использование нужных смазочных материалов, способно значительно повысить рентабельность производства и переработки пластмасс. В России производство смазок для полимерных материалов осуществляется на следующих предприятиях: ПАО «Казаньоргсинтез» (р. Татарстан); ПАО «Нижнекамскнефтехим» (р. Татарстан); ООО «Ставролен» (Ставропольский край); ООО «Титан-Полимер» (г. Псков); ООО «ГалоПолимер Кирово-Чепецк» (г. Киров). СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВКулезнев В. Н. Смеси и сплавы полимеров. Конспект лекций. / В. Н. Кулезнев. – Санкт-Петербург : изд-во «Научные основы и тенологии», 1990. – 304 с. Маския Л. Добавки для пластических масс. Пер. с англ. / Л. Маския. – М.: Химия, 1978. – 184 с. Ирмухаметова Г.С. Основы технологии полимерных композиционных материалов. Учебное пособие для студентов специальности «Химическая технология органических веществ». / Г. С. Ирмухаметова. – Алматы : КазНУ, 2016. – 27 с. Полимерные материалы. Эффективное литье под давлением полимерных материалов со смазками. [Электронный ресурс] / URL: http://www.polymerbranch.com/magazine/magdocs/view/198.html (дата обращения: 11.04.22). |
