Пластма́сса (пласти́ческая ма́сса, пластик) — широкий спектр синтетических или полусинтетических материалов, которые используют полимеры в качестве основного ингредиента.
Название «пластмасса» происходит от слова пластичность и означает, что этот материал под действием нагревания и давления способен формироваться в твёрдые предметы различной формы и после охлаждения сохранять заданную форму. Процесс формования сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего или высокоэластического) состояния в твёрдое состояние (стеклообразное или кристаллическое).
Широкое использование пластмасс в промышленности других сферах деятельности человека связано с такими их свойствами, как небольшая плотность, высокие пластичность, упругость, термо- и износоустойчивость, химическая и радиационная стойкость, незначительные электро- и теплопроводность, трещиностойкость в условиях значительных нагрузок и т. п. Наибольшее значение имеет применение пластмасс в автомобилестроении, авиа-, судо-, ракетостроении, медицине, производстве бытовой техники, строительстве.
С 1950 по 2019 год было произведено 6,3 млрд тонн пластмасс. В 2022 году было произведено 400 миллионов тонн пластика.
Важной задачей является вторичная переработка пластика. Несмотря на то, что пластмассы хорошо поддаются переработке, по состоянию на 2023 год в мире перерабатывается только 9 % пластика, остальное вывозится на свалки или сжигается.
История Первая пластмасса была получена английским металлургом и изобретателем Александром Парксом в 1855 годуEdward Chauncey Worden. Nitrocellulose industry. New York, Van Nostrand, 1911, p. 568. (Parkes, English patent #2359 in 1855). Паркс назвал её паркезин (позже получило распространение другое название — целлулоид). Паркезин был впервые представлен на Большой Международной выставке в Лондоне в 1862 году. Развитие пластмасс началось с использования природных пластических материалов (шеллака), затем продолжилось с использованием химически модифицированных природных материалов (резина, нитроцеллюлоза, коллаген, галалит) и пришло к полностью синтетическим молекулам (бакелит, эпоксидная смола, поливинилхлорид, полиэтилен и другие).
Паркезин являлся торговой маркой первого искусственного пластика и был сделан из целлюлозы, обработанной азотной кислотой и растворителем. Паркезин часто называли искусственной слоновой костью. В 1866 году Паркс создал фирму Parkesine Company для массового производства материала. Однако в 1868 году компания разорилась из-за плохого качества продукции, так как Паркс пытался сократить расходы на производство. Преемником паркезина стал ксилонит (другое название того же материала), производившийся компанией Даниэля Спилла, бывшего сотрудника Паркса, и целлулоид, производившийся Джоном Уэсли Хайатом. Первоначально целлулоид стал использоваться там, где раньше использовали слоновую кость, в частности, для изготовления бильярдных шаров, клавиш пианино, искусственных зубов.
В 1907 году бельгийский и американский химик Лео Бакеланд изобрёл бакелит — первую недорогую, негорючую и полностью синтетическую пластмассу универсального применения. Америка электрифицировалась, ей требовался материал для изоляторов, который мог заменить эбонит или шеллак. Но оказалось, что бакелит подходит для механизированного массового производства очень многих вещей. После создания бакелита многие фирмы оценили потенциал пластиков и стали проводить исследования с целью создания новых пластиков.
В России также велись работы по созданию пластических масс на основе фенола и формальдегида. В 1913—1914 годах на шёлкоткацкой фабрике в деревне Дубровке в окрестностях г. Орехова-Зуева Г. С. Петров совместно В. И. Лисевым и К. И. Тарасовым синтезирует первую русскую пластмассу — карболит и организует её производство. Своё название карболит получил от карболовой кислоты, другого названия фенола. В дальнейшем Григорий Семёнович Петров продолжает работу по усовершенствованию пластмасс и разрабатывает текстолит.
Полиэтилен был открыт в марте 1933 года Реджинальдом Гибсоном и Эриком Фосеттом, химиками-исследователями из Великобритании, а технология его производства разработана в 1935 году. Поливинилхлорид был впервые создан немецким химиком Ойгеном Бауманом в 1872 году, но только в конце 1920-х годов в США удалось наладить его коммерчески успешное производство. Коммерческое производство полистирола было начато в 1930-х годах немецкой компанией BASF, а в США — в 1937 году. Полиэтилентерефталат (ПЭТ) был получен сотрудниками американский компании Calico в 1941 году, лицензия на него была передана компании DuPont, которая начала производство в начале 1950-х годов. В целом, переход к повсеместному использованию пластика начался в 1940-е годы и активно осуществлялся в 1950-е годыAnthony L. Andrady, Mike A. Neal.Applications and societal benefits of plastics .
Типы пластмасс В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в твёрдое состояние при формовании изделий пластмассы делят на: Термопласты (термопластичные пластмассы) — при нагреве расплавляются, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние; Реактопласты (термореактивные пластмассы) — в начальном состоянии имеют линейную структуру макромолекул, а при некоторой температуре отверждения приобретают сетчатую. После отверждения не могут переходить в вязкотекучее состояние. Рабочие температуры выше, но при нагреве разрушаются и при последующем охлаждении не восстанавливают своих исходных свойств; Эластопласты — при повышенной температуре обладают текучестью, при нормальных температурах имеют резиноподобные свойстваБаринов С. М. и др. Толковый словарь по химии и химической терминологии. Основные термины. — М.: Русский язык, 1987. 528 с. С.503.
Также газонаполненные пластмассы — вспененные пластические массы, обладающие малой плотностью.
Свойства Основные механические характеристики пластмасс те же, что и для неметаллов.
Пластмассы характеризуются малой плотностью (0,85—1,8 г/см³), чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой механической прочностью. При нагревании (часто с предварительным размягчением) они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований, отношение к органическим растворителям различное (в зависимости от химической природы полимера). Физиологически почти безвредны. Свойства пластмасс можно модифицировать методами сополимеризации или стереоспецифической полимеризации, путём сочетания различных пластмасс друг с другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная ткань, введением наполнителей и красителей, пластификаторов, тепло- и светостабилизаторов, облучения и др., а также варьированием сырья, например, использование соответствующих полиолов и диизоцианатов при получении полиуретанов.
Твёрдость пластмасс определяется по Бринеллю при нагрузках 50—250 кгс на шарик диаметром 5 мм.
Теплостойкость по Мартенсу — температура, при которой пластмассовый брусок с размерами 120 × 15 × 10 мм, изгибаемый при постоянном моменте, создающем наибольшее напряжение изгиба на гранях 120 × 15 мм, равное 50 кгс/см², разрушится или изогнётся так, что укреплённый на конце образца рычаг длиной 210 мм переместится на 6 мм.
Теплостойкость по Вика — температура, при которой цилиндрический стержень диаметром 1,13 мм под действием груза массой 5 кг (для мягких пластмасс 1 кг) углубится в пластмассу на 1 мм.
Температура хрупкости (морозостойкость) — температура, при которой пластичный или эластичный материал при ударе может разрушиться хрупко.
Для придания особых свойств пластмассе в неё добавляют пластификаторы (силикон, дибутилфталат, ПЭГ и т. п.), антипирены (дифенилбутансульфокислота), антиоксиданты (трифенилфосфит, непредельные углеводороды).
Получение Производство синтетических пластмасс основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, нефти, природного газа и попутного нефтяного газа, таких, к примеру, как бензол, этилен, фенол, ацетилен и других мономеров. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул (приставка «поли-» от греческого «много», например, этилен-полиэтилен).
Применение Пластмассы широко применяются во множестве отраслей. Наибольшая доля пластика применяется для производства упаковки, также он используется в строительстве (трубы, двери и окна, отделочные панели и т. п.), производстве одежды и обуви (синтетические ткани), потребительских товарах (игрушки, посуда, зубные щетки и т. п.), медицине, транспорте, электронике и т. п. В автомобилестроении использование пластмасс позволяет снизить массу транспортного средства на 20-30 % и более, за счет чего снижается расход топлива.
Применение пластика в авиастроении позволяет снизить массу самолётов до 50 %, что положительно влияет на их полезную нагрузку и дальность полета.
В области упаковки, полимеры обеспечивают оптимальный баланс массы упаковки, её защитных свойств, эксплуатационных характеристик, простоты обработки, эстетических качеств и экономических затрат. Пластиковая упаковка (в отличие от металлической или стеклянной) может быть как полностью герметичной, так и избирательно проницаемой, а также гибко реагировать на внешние воздействия (ударные нагрузки, свет, тепло и т. п.).
Согласно исследованию McKinsey, в 13 из 14 рассмотренных случаев применения пластмасс они обеспечивают более низкие выбросы парниковых газов, чем альтернативы.
В медицине без использования полимеров невозможна реконструктивная хирургия сердца и сосудов, также из пластмасс изготавливается широкий профиль одноразовых медицинских изделий (катетеры, зонды, трубки, шприцы, капельницы и т. п.), детали и узлы медицинской техники, различные имплантанты и т. п.
Методы обработки Литьё или литьё под давлением Экструзия Прессование Виброформование Вспенивание Отливка Сварка Вакуумная формовка и пр. Механическая обработка
Пластические массы, по сравнению с металлами, обладают повышенной упругой деформацией, вследствие чего при обработке пластмасс применяют более высокие давления, чем при обработке металлов. Применять какую-либо смазку, как правило, не рекомендуют; только в некоторых случаях при окончательной обработке допускают применение минерального масла. Охлаждают изделие и инструмент струёй воздуха.
Пластические массы более хрупки, чем металлы, поэтому при обработке пластмасс режущими инструментами применяют высокие скорости резания и уменьшают подачу. Износ инструмента при обработке пластмасс значительно больше, чем при обработке металлов, вследствие чего применяют инструмент из высокоуглеродистой или быстрорежущей стали или из твёрдых сплавов. Лезвия режущих инструментов затачивают, по возможности, более остро, пользуясь для этого мелкозернистыми кругами.
Пластмасса может быть обработана на токарном станке, может фрезероваться. Для распиливания могут применяться ленточные пилы, дисковые пилы и карборундовые круги.
Сварка Соединение пластмасс между собой может осуществляться механически (с помощью фигурных профилей, болтов, заклепок и т. д.), химически (склеиванием, растворением с последующим высыханием), термически (сваркой). Из перечисленных способов соединения только при помощи сварки можно получить соединение без инородных материалов, а также соединение, которое по свойствам и составу будет максимально приближено к основному материалу. Поэтому сварка пластмасс нашла применение при изготовлении конструкций, к которым предъявляются повышенные требования к герметичности, прочности и другим свойствам.
Процесс сварки пластмасс состоит в образовании соединения за счёт контакта нагретых соединяемых поверхностей. Он может происходить при определённых условиях: Повышенная температура. Её величина должна достигать температуры вязкотекучего состояния. Плотный контакт свариваемых поверхностей. Оптимальное время сварки — время выдержки.