Влияние агрессивной химии на полимеры (пластики)

Как пластики реагируют на окружающую среду, в частности, на агрессивную химию? Вопрос достаточно обширный. В первую очередь надо сказать, что это зависит не только от вида и марки, но и от многих других факторов. В статье мы доступным языком разъясним, что такое полимеры и в чём их отличия друг от друга. Расскажем о том, что влияет на их химическую стойкость. Рассмотрим, когда и к каким веществам они бывают уязвимы. А также разберём, к чему и при каких условиях они остаются равнодушными.

Что такое полимеры? Каких они бывают видов?

Полимеры — это вещества, состоящие из множества повторяющихся структурных единиц — мономеров. Вместе они образуют макромолекулу. В низкомолекулярных полимерах их меньше, в то время как в высокомолекулярных — огромное количество. По числу мономеров в макромолекуле определяется степень полимеризации. У полимеров, как известно, много видов. И, чтобы приступить к их описанию и поведению при химическом воздействии, нужно сперва объяснить, как они классифицируются. Во-вторых, они делятся на 2 вида по молекулярной структуре:

• аморфные. При их охлаждении их молекулы принимают хаотический порядок. В результате этого при определённых температурах данные полимеры твердеют;
• кристаллические. У них чёткая (упорядоченная) структура цепей молекул. За счёт этого они славятся большей прочностью.

Во-вторых, отличаются по методу производства. Бывают:

• натуральными;
• синтетическими (у них нет аналогов в природе);
• модифицированными (изменёнными либо физическим, либо химическим путём).

И в-третьих у полимеров есть ещё 2 класса — термопласты и реактопласты. Первые при нагреве смягчаются и плавятся, а затем восстанавливают свою форму. А вторые меняют структуру молекул. При повторном нагреве они не превращаются в жидкости. Они просто-напросто разрушаются.

Факторы, влияющие на химическую стойкость полимеров:

• вид пластика (плёнка, трубы, листы, стержни, пена и т.д.);
• способ его производства;
• наличие добавок, улучшающих свойства полимера;
• молекулярная масса материала и степень его кристалличности;
• температура, при которой происходит контакт с химикатом;
• время нахождения в агрессивной среде;
• и, разумеется, концентрация химического вещества.

В зависимости от них полимеры могут частично или же полностью растворяться. Покрываться трещинами. Менять форму и пластифицироваться (другими словами, обретать эластичность). Изменять некоторые из своих свойств. Либо полностью разрушаться. Теперь, когда мы более-менее раскрыли основные понятия и факторы, под действием которых химическая стойкость полимеров может быть изменена, перейдём к обзору каждого из пластиков.

Акриловое (органическое) стекло

Акрил (оргстекло) — это полимер из класса термопластов. В его основе — акриловые смолы и добавки, придающие материалу особые свойства. На его химстойкость влияет то, как был изготовлен пластик. Литое оргстекло, к примеру, создают путём полимеризации жидкого мономера ММА. Его в горячем (расплавленном) виде заливают в форму, после чего оно остывает и твердеет. А вот экструзионный акрил производят по-другому. Гранулы ММА закладывают в машины «экструдеры», из чьих головок выходят изделия требуемых форм. В обоих случаях получают полиметилметакрилат (ПММА). Один и тот же пластик, но разный по свойствам. Чем отличаются эти материалы друг от друга?

• литой акрил имеет прочные связи молекул. Они как бы склеены между собой в длинные химические цепи. Чтобы разрушить такой пластик, нужно больше времени и энергии. За счёт этого он, без сомнения, лучше противостоит химии. В частности, не так реагирует на щелочи и кислоты. И к тому же допускается к применению в воде и на улице зимой;
• экструзионный по составу молекул другой. Связи между ними короткие. Как следствие, этот акрил менее устойчив к любым воздействиям. В том числе к химическим.

В целом акриловое стекло устойчиво к спиртам, жирам и неорганическим солям. Сдерживает слабые кислоты и разбавленные щелочи. И в то же время не боится минеральных масел. А от чего оно разрушается?

• от концентрированных кислот (азотной, соляной, хромовой и серной)
• от синильной и плавиковой кислоты (даже в малой концентрации).

Плюс ко всему, оно деформируется от этилового спирта. Но реакция, к слову сказать, при этом медленная. 10% спирт, кстати, может не давать изменений. Ах да, вот ещё что… в дихлорэтане и других хлорированных углеводородах акрил растворяется. В сложных эфирах, в кетанах и в альдегидах тоже.

При очистке акриловых изделий надо избегать щёток, составов с абразивами и даже отряпок с ворсом. Ко всему прочему, избегать химсредств с аммиаком, растворителями, спиртами, бензином и ацетоном. Они вызывают помутнения, трещины и царапины.

Поликарбонат (ПК)

Поликарбонат, как и акрил, термопластичен. Он образуется из сложных полиэфиров угольной кислоты, а также 2-х атомных спиртов. Что же до его характеристик, то он прозрачный, лёгкий и гибкий. Стоит заметить, что стойкость к химии у ПК очень сильно зависит от его марки (и, как следствие, состава). А кроме этого, от температуры агрессивной среды и всех тех факторов, что мы описали выше. Итак, давайте же смотреть, как он реагирует на химию… Не любит: минеральных и органических кислот. Не выдерживает: ацетона, диэтилового и этилового спиртов. При этом, наряду с ними, его лучше держать вдали от керосина и некоторых лаков. А ещё от трихлорэтилена, толуола и бензина. Данные растворители могут стать причиной трещин на ПК. Быстро разрушается от: альдегидов, сложных эфиров, кетонов и к тому же щелочей. Лучше сопротивляется химии: в том случае, если его покрыть лаком. Или, как вариант, защитным слоем из другого термопласта. Хорошо переносит: соли и минеральные масла. И, вдобавок к ним, слабые разбавленные кислоты (особенно при температуре до 60 °C). Относится к средствам очистки: инертно. И к моющим жидкостям, и к дезинфекторам. Проблемы могут возникать с хлорированными и ароматическими углеводородами. В них пластик частично растворяется. В общем, в средствах по уходу за ПК их, само собой, быть не должно. И, плюс ко всему, надо беречь стёкла из поликарбоната от чистки жидкостями с аммиаком. Неустойчив к клеям и герметикам: вред от них, как правило, определяется опытным путём. Нужно нанести на небольшой участок ПК клей, подождать, пока он застынет, и посмотреть, что происходит. Чаще всего материал склеивают составами на базе полиуретана, акрила и силикона.

Поливинилхлорид (ПВХ)

ПВХ — твёрдый белый или желтоватый термопласт с аморфным строением молекул. Из него создают трубы и листы. Стройматериалы и кабели. Детали для химической аппаратуры и многое другое. Отметим, что пластификаторы, которые иногда вводят в ПВХ, делают его более эластичным. Но вот его химическая стойкость, к сожалению, при этом теряется. А как насчёт пластика без добавок? Про него можно уверенно сказать, что он весьма устойчив к агрессивной химии. В чём растворяется: в малом числе растворителей. И обычно при нагревании. ПВХ не стоек к ароматическим и хлорированным углеводородам. Набухает и растворяется в хлорбензоле, 4-х хлористом углероде и ацетоне. И в то же время не переносит кетонов и сложных эфиров. Что разрушает ПВХ: вещества с высокой концентрацией. В частности, щелочи и азотная кислота. И всё же листы материала устойчивы к тем же химикатам в малой и средней концентрации. Это надо учитывать при покупке моющих средств по уходу за пластиком. Также стоит подчеркнуть, что ПВХ неустойчив к хлору. Как в жидком, так и в газообразном виде. В химпроме, кстати сказать, ПВХ применяют в изоляции трубопроводов. Почему? Потому, что он защищает трубы от соляной и серной кислот.

При температуре выше 80-120° С ПВХ лучше не использовать. Он, как известно, начинает выделяет хлористый водород. Едкий и опасный для здоровья яд, разъедающий слизистую и кожу.

Полиэтилен

Полиэтилен — лёгкая смола на базе этилена. Этот полимер термопластичен. Если его подвергают охлаждению до -60 °С, он принимает вид кристалла. А повышение температур влечёт за собой снижение его химстойкости. У пластика 2 вида — ПВД и ПНД. Химическая прочность у полиэтилена высокого давления выше, чем у полиэтилена низкого давления. Первый обладает средней стойкостью к жирным маслам, спиртам и мылу. А на устойчивость второго влияет его молекулярная масса. Соли, масла, щелочи и кислоты (кроме NO3, H2SO4) не наносят ему вреда. Но при температуре от 80 °С его губят растворители. ПНД в отличие от ПВД стоек к ацетону. А ещё к 4-х хлористому углероду, толуолу, фенолу и этиловому эфиру. При комнатных условиях органические растворители полиэтилену, к счастью, не страшны. На что реагируют оба полиэтилена, а на что нет?

1. на них не действуют кислоты (если, конечно, не брать сильных окислителей);
2. они устойчивы к некоторым спиртам;
3. они не боятся растворов солей и 30% перекиси.

ПВХ и полипропилен (о нём поговорим ниже) более стойки к химии, чем данный полимер. Но полиэтилен всё же используют в качестве труб для перевозки агрессивных жидкостей. Разумеется, кроме тех, о которых мы только что упомянули. Наряду с температурным фактором, на химстойкость полиэтилена, кстати, влияет и его форма. При долгом нахождении в растянутом состоянии он может начать трескаться.

Полистирол (ПС)

Полистирол — ещё один термопластичный полимер. Он бесцветный и жёсткий, а по молекулярному составу — аморфный. Его получают из органического сырья — мономерного стирола. Впрочем, для улучшения свойств его снабжают разными добавками. Достоинство материала в том, что он стоек к некоторым кислотам. В частности, к соляной, к плавиковой и к серной. В то же время его отличает устойчивость к солям, маслам, спиртам и щелочам. Где растворяется ПС? Во-первых, в бензинах, а ещё в хлорированных, в бромированных и в ароматических углеводородах. Во-вторых, в сложных эфирах (но в меньшей степени). В-третьих, в кетонах. Среди многих видов полистирола стоит выделить 3:

• обычный — по внешнему виду он схож с акрилом. Он служит сырьём для производства продукции методом экструзии и литьём;
• ударопрочный — в него добавляют каучук. Он укрепляет ПС и, в свою очередь, расширяет сферу его применения;
• экструдированный — это хороший утеплитель, вот почему в основном его используют в строительстве.

В плане химических свойств серьёзных отличий между материалами нет. В числе значимых плюсов пластика — экологичность. А явный минус обычного полистирола — хрупкость (к ударам и температурным влияниям).

Также нельзя обойти вниманием и пенополистирол — это мягкие, обработанные паром гранулы. Они привлекают производителей тем, что обладают и химической, и биологической, и влагостойкостью.

Полипропилен (ПП)

Полипропилен — термопласт с кристаллической структурой молекул. Его сырьём является газ пропилена, который полимеризуют с применением катализаторов. В отличие от полиэтилена, он, как мы уже сказали, менее подвержен агрессивным средам. Если же брать трубы из него, они выдерживают не только химию, но и морозы. Какие растворители ПП не любит: в органических он при комнатных температурах набухает. При нагреве от 100 °С — растворяется в бензоле и толуоле. К чему устойчив: к кислотам (кроме HNO3 и H2SO4). К маслам и соляным растворам (при нагреве до 100 °С). А также к спиртам и щелочам. Деструкция происходит: при контакте с парами углеводородов (при 30 ˚С и выше), с галогенами, с окисляющими газами и солями. За счёт стойкости к ржавчине и химическим веществам ПП используют в создании ёмкостей и резервуаров для агрессивных растворов. И, плюс ко всему, в разработке гальванических ванн. При работах с пластиком важно иметь в виду вот что — влияние агрессивной химии на него зависит от термоусловий.

Пенополиуретан

Пенополиуретаны (ППУ) — это продукты на базе полимера полиуретана. К термопластам они не принадлежат. Обычный ППУ реактопластичен, а в его полимерную структуру включены пузырьки газа. При высоких температурах он деструктирует, но не становится эластичным. Впрочем, есть и такие полиуретаны, которые, будучи пенами, как раз относятся к термопластам — их именуют «ТПУ». Свойства того или иного ППУ зависят от его вида и состава. Так, например, различают:

• эластичный ППУ — среди них выделяется поролон. Он однозначно стоек к окислению. Хорошо сдерживает искусственные средства для мытья. И к тому же не портится от мыла. Пенопласты этого типа на базе простых полиэфиров более стойки к морозам, чем те, что состоят из сложных. Тем не менее первые не так устойчивы к растворителям;
• жёсткий ППУ — это листы, панели и скорлупы. С одной стороны, они совершенно не выдерживают растворителей и минеральных масел. Но вот зато ни топливо, ни кипящая вода, ни мыло им не вредят. Более того, жёсткие ППУ не разрушаются от бензина и керосина. Они нейтральны к слабым кислотам и щелочам. И, вдобавок ко всему, не реагируют на соляные растворы и этиловый спирт.

Важно! Минусом пенопласта является то, что он горюч. При пожарах же он выделяет ядовитые вещества. Хотя, среди марок ППУ можно встретить и затухающийся пенополиуретан. Его помечают буквой «С». Как снижается горючесть пенопласта? Во время его производстве в него вносят антипирены. Но есть, кстати, и другой путь — применение огнестойких покрытий для материала.

Выводы

Как видите, на стойкость полимеров к химии влияет обширный ряд факторов. Материалы, имеющие в основе одно и то же вещество могут сильно отличаться от своих собратов, улучшенных добавками. Мы надеемся, что наш комплексный анализ помог вам лучше узнать, что представляют собой полимеры. И, в свою очередь, понять, какие у них химические свойства и как их учитывать при использовании пластиков. Конечно, наша статья — лишь краткий экскурс в химические особенности полимеров. Однако мы попытались собрать всю самую важную информацию об агрессивном воздействии на них.