Gumos ir plastiko gaminių, kurie yra nepakeičiamos medžiagos šiuolaikinėje pramonėje ir kasdieniame gyvenime, našumas ir pritaikymas labai priklauso nuo jų cheminių komponentų sudėties ir santykio. Guma ir plastikinės medžiagos pirmiausia skirstomos į dvi kategorijas: guma (elastomerai) ir plastikai. Šios dvi medžiagos labai skiriasi savo chemine struktūra, molekulinės grandinės savybėmis ir priedų naudojimu, tačiau abiems skirtos specifinės funkcijos pasiekiamos modifikuodami polimerų junginius. Šiame straipsnyje bus aptariamas bazinių polimerų, priedų sistemų ir cheminės sudėties poveikis veikimui.
Pagrindinė gumos ir plastiko gaminių cheminė sudėtis
1. Gumos medžiagų cheminė sudėtis
Pagrindinis gumos komponentas yra natūralus arba sintetinis polimero elastomeras. Pagrindinis natūralaus kaučiuko komponentas yra poliizoprenas (cis-1,4-poliizoprenas), išgautas iš kaučiuko medžių latekso, pasižymintis puikiu tamprumu ir atsparumu nuovargiui. Sintetinė guma gaminama iš naftos chemijos žaliavų. Įprasti pavyzdžiai:
• Stireninis -butadieno kaučiukas (SBR): pagamintas iš butadieno ir stireno kopolimerizacijos, pasižymi geru atsparumu dėvėjimuisi nei natūralus kaučiukas ir yra plačiai naudojamas padangose.
• Butadieno kaučiukas (BR): pagamintas iš 1,3-butadieno, pasižymi itin dideliu elastingumu ir dažniausiai naudojamas smūgius sugeriančiuose komponentuose.
• Chloropreno kaučiukas (CR): polichloroprenas, turintis chloro atomų (-Cl). Jis yra -atsparus aliejui ir senėjimui-, todėl tinka sandarinimo medžiagoms.
Gumos elastingumas atsiranda dėl jos ilgų{0}}grandinių molekulių gebėjimo elastingai deformuotis nesukietėjus. Vykstant vulkanizavimui (paprastai pridedant sieros ir greitintuvų) per kryžminio sujungimo reakcijas susidaro trimatis-tinklas, žymiai pagerinantis jo stiprumą ir atsparumą karščiui.
2. Plastikų cheminė sudėtis
Plastikai susideda iš sintetinių dervų ir priedų ir pagal jų šiluminį elgesį priskiriami termoplastiniams arba termoreaktingiesiems plastikams. Termoplastikai (pvz., polietilenas ir polipropilenas) gali būti pakartotinai lydomi ir kaitinami performuojami. Jų stuburus dažnai sudaro pavieniai anglies -anglies ryšiai (pvz., pasikartojantys -CH₂-CH₂- vienetai polietilene) arba polinės grupės (pvz., chloro atomai polivinilchloride). Termoreaktyvūs plastikai (pvz., fenolio dervos) po kietėjimo sudaro negrįžtamus kryžminius ryšius. Įprastų plastikų cheminė sudėtis apima:
• Polietilenas (PE): polimerizuotas iš etileno monomerų. Mažo -tankio PE (LDPE) yra lankstus dėl šakotos struktūros, o didelio -tankio PE (HDPE) yra standesnis dėl linijinių molekulinių grandinių.
• Polipropilenas (PP): polipropilenas, kurio sudėtyje yra metilo šoninių grandinių (-CH₃), yra chemiškai atsparus ir mažo tankio.
• Polivinilchloridas (PVC): polimerizuotas iš vinilo chlorido monomerų, chloro atomų įvedimas suteikia medžiagai antipireną, tačiau norint pagerinti jos lankstumą, reikalingi plastifikatoriai.
Priedai modifikuoja gumos ir plastiko gaminių chemines savybes
Grynų polimerinių medžiagų eksploatacinės savybės dažnai neatitinka praktinių reikalavimų, todėl reikalingi priedai, siekiant optimizuoti jų apdirbamumą, atsparumą oro sąlygoms ir funkcines savybes. Pagrindiniai priedų tipai yra šie:
1. Plastifikatoriai
Naudojamas plastikuose (pvz., PVC), siekiant susilpninti tarpmolekulines jėgas, padidinti grandinės mobilumą ir taip pagerinti lankstumą. Dažniausiai naudojami ftalatai (pvz., DEHP), tačiau dėl galimo jų toksiškumo vis labiau populiarėja aplinkai nekenksmingos alternatyvos (pvz., citratai).
2. Stabilizatoriai
Gumą ir PVC gali skaidyti šviesa, šiluma ir deguonis, todėl norint sugauti laisvuosius radikalus arba skaidyti peroksidus, reikia pridėti stabilizatorių (pvz., švino druskų ir kalcio -cinko komplekso stabilizatorių).
3. Užpildai ir stiprintuvai
Neorganiniai užpildai, tokie kaip kalcio karbonatas ir suodžiai, gali sumažinti išlaidas ir pagerinti atsparumą dilimui. Suodžiai yra pagrindinis gumos sutvirtinimo komponentas, didinantis stiprumą, sudarydamas fizinius kryžminius ryšius.
4. Antipirenai ir antistatinės medžiagos
Atsparumui ugniai pagerinti naudojami brominti antipirenai (pvz., dekabromdifenilo eteris), o laidžios suodžiai arba paviršinio aktyvumo medžiagos naudojamos statinės elektros kaupimuisi pašalinti.
Cheminės sudėties įtaka gumos ir plastiko gaminių savybėms
Galutines gumos ir plastiko medžiagų savybes lemia molekulinė struktūra ir jų cheminių komponentų sąveika. Pavyzdžiui:
• Atsparumas karščiui: polimerų grandinės, kuriose yra aromatinių žiedų (pvz., polistirolo) arba polinių grupių (pvz., chloro PVC), užtikrina didesnį terminį stabilumą;
• Cheminis atsparumas: prisotintos anglies grandinės (pvz., PE) atsparios rūgščių ir šarmų korozijai, o medžiagos, kuriose yra polinių grupių (pvz., nailonas), yra jautrios tirpiklio poveikiui;
• Apdorojimo sklandumas: medžiagas, turinčias mažos molekulinės masės arba daug plastifikatorių, lengviau formuoti, tačiau gali nukentėti mechaninis stiprumas.
Išvada
Guminių ir plastikinių gaminių cheminės sudėties dizainas yra labai svarbus siekiant subalansuoti našumą, kainą ir suderinamumą su aplinka. Nuo bazinio polimero parinkimo iki funkcinių priedų sudarymo kiekvienam etapui reikia tikslios kontrolės molekuliniu lygiu. Ateityje, kuriant bio-pagrįstus polimerus (pvz., polipieno rūgštį) ir nanokompozitus, gumos ir plastiko gaminių cheminė sudėtis taps tvaresnė ir efektyvesnė.