Пластификатор ( Великобритания : пластификатор ) — это вещество, которое добавляется к материалу, чтобы сделать его более мягким и гибким, повысить его пластичность , уменьшить его вязкость и/или уменьшить трение во время обработки с ним в производстве.
Пластификаторы обычно добавляются к полимерам, таким как пластмассы и резина , либо для облегчения обращения с сырьем во время производства, либо для удовлетворения требований применения конечного продукта. Например, в поливинилхлорид (ПВХ), который в противном случае является твердым и хрупким, обычно добавляют пластификаторы, чтобы сделать его мягким и податливым; что делает его подходящим для таких продуктов, как занавески для душа , виниловые полы , одежда, сумки, гибкие пластиковые трубки и изоляция/покрытие электрических проводов.
Пластификаторы также часто добавляют в состав бетона , чтобы сделать его более удобоукладываемым и текучим при заливке, что позволяет снизить содержание воды. Точно так же их часто добавляют в глину , штукатурку , твердое ракетное топливо и другие пасты перед формованием. Для этих применений пластификаторы в значительной степени дублируют диспергаторы .
Пластификаторы для полимеров представляют собой либо жидкости с низкой летучестью, либо твердые вещества. По данным на 2017 год, общий мировой рынок пластификаторов составил 7,5 млн тонн. В Северной Америке объем в 2017 году составил ~ 1,01 миллиона метрических тонн, а в Европе этот показатель составил 1,35 миллиона метрических тонн, разделенных между различными видами конечного использования с тенденцией химического типа к переходу на ортофталаты с более высокой молекулярной массой (HMW) и альтернативные типы в связи с проблемами регулирования. относительно низкомолекулярных (НММ) ортофталатов.
Почти 90% полимерных пластификаторов, чаще всего эфиров фталевой кислоты , используются в ПВХ , что придает этому материалу повышенную гибкость и долговечность. [1] Другие полимеры, которые могут содержать большое количество пластификаторов, включают акрилаты и пластмассы целлюлозного типа, такие как ацетат целлюлозы , нитроцеллюлоза и ацетат-бутират целлюлозы .
Обычно считалось, что пластификаторы действуют, внедряясь между цепочками полимеров , раздвигая их (увеличивая «свободный объем») [2] [3] или набухая их и, таким образом, значительно снижая температуру стеклования пластика и делая оно мягче. Позже было показано, что объяснение свободного объема не может объяснить все эффекты пластификации. [4] Подвижность полимерной цепи в присутствии пластификатора более сложна, чем то, что предсказывает уравнение Флори-Фокса для простой полимерной цепи.
Молекулы пластификатора контролируют подвижность цепи – в полимерной цепи не увеличивается свободный объем вокруг концов полимера. Если пластификатор/вода создает водородные связи с гидрофильными частями полимера, соответствующий свободный объем может быть уменьшен. [ необходимо разъяснение ] [5]
Влияние пластификаторов на модуль упругости зависит как от температуры, так и от концентрации пластификатора. Ниже определенной концентрации, называемой концентрацией перехода, пластификатор может увеличить модуль материала. Однако температура стеклования материала будет снижаться при всех концентрациях. Помимо концентрации кроссовера, существует температура кроссовера. Ниже температуры перехода пластификатор также увеличивает модуль.
За последние 60 лет более 30 000 различных веществ были оценены на предмет их пригодности в качестве полимерных пластификаторов. Из них лишь небольшое количество – около 50 – сегодня используется в коммерческих целях. [6]
Эфирные пластификаторы выбираются на основе оценки эффективности затрат. Производитель резиновых смесей должен оценить сложноэфирные пластификаторы на предмет совместимости, технологичности, стойкости и других эксплуатационных свойств. Широкий спектр сложных эфиров, которые находятся в производстве, включает себакаты , адипаты , терефталаты , дибензоаты, глутараты , фталаты , азелаты и другие специальные смеси. Эта широкая линейка продуктов обеспечивает ряд преимуществ в производительности, необходимых для многих областей применения эластомеров , таких как трубы и шланги, напольные покрытия, настенные покрытия, уплотнения и прокладки, ремни, проволока и кабели, а также печатные рулоны.
Сложные эфиры с низкой и высокой полярностью используются в широком диапазоне эластомеров, включая нитрил , полихлоропрен , EPDM , хлорированный полиэтилен и эпихлоргидрин . Взаимодействие пластификатора и эластомера определяется многими факторами, такими как параметр растворимости , молекулярная масса и химическая структура. Совместимость и эксплуатационные характеристики являются ключевыми факторами при разработке рецептуры резины для конкретного применения. [7]
Пластификаторы, используемые в ПВХ и других пластмассах, часто основаны на эфирах поликарбоновых кислот с линейными или разветвленными алифатическими спиртами с умеренной длиной цепи. Эти соединения выбираются на основе многих критериев, включая низкую токсичность, совместимость с материалом-хозяином, нелетучесть и стоимость. Фталатные эфиры алкиловых спиртов с прямой и разветвленной цепью соответствуют этим спецификациям и являются обычными пластификаторами. Ортофталатные эфиры традиционно были наиболее доминирующими пластификаторами, но проблемы регулирования привели к переходу от классифицированных веществ к неклассифицированным, которые включают высокомолекулярные ортофталаты и другие пластификаторы, особенно в Европе.
Антипластификаторы – полимерные добавки, действие которых противоположно действию пластификаторов. Они увеличивают модуль, одновременно снижая температуру стеклования.
phthalate.svg/1280px-Bis(2-ethylhexyl)phthalate.svg.png)
Существенные опасения были высказаны по поводу безопасности некоторых полимерных пластификаторов, особенно потому, что некоторые низкомолекулярные ортофталаты были классифицированы как потенциальные эндокринные разрушители с некоторой токсичностью для развития. [8] Пластификаторы могут выходить из пластика из-за миграции и истирания пластика, поскольку они не связаны с полимерной матрицей. « Запах нового автомобиля » часто приписывают пластификаторам или продуктам их разложения, [9] однако многочисленные исследования состава запаха не обнаруживают фталатов в заметных количествах, вероятно, из-за их чрезвычайно низкой летучести и давления пара. [10]
Были исследованы пластификаторы биологического происхождения, такие как триацетат глицерина (триацетин) и ацетилтрибутилцитрат . Они используются в нишевых приложениях. Эпоксидированное соевое масло широко используется в качестве вторичного пластификатора во многих виниловых изделиях.
В технологии бетона пластификаторы и суперпластификаторы также называют водоредукторами высокого диапазона. При добавлении в бетонные смеси они придают ряд свойств, включая улучшенную удобоукладываемость и прочность. Прочность бетона обратно пропорциональна количеству добавленной воды, т. е. водоцементному соотношению (в/ц). Для получения более прочного бетона добавляется меньше воды (без «голодания» смеси), что делает бетонную смесь менее работоспособной и ее трудно смешивать, что приводит к необходимости использования пластификаторов, понизителей воды, суперпластификаторов, разжижающих агентов или диспергаторов. [15]
Пластификаторы также часто используются, когда пуццолановая зола добавляется в бетон для повышения прочности. Этот способ дозирования смеси особенно популярен при производстве высокопрочных бетонов и фибробетонов.
Обычно достаточно добавления 1-2% пластификатора на единицу веса цемента. Добавление чрезмерного количества пластификатора приведет к чрезмерному расслоению бетона и не рекомендуется. В зависимости от конкретного используемого химиката использование слишком большого количества пластификатора может привести к замедлению процесса.
Пластификаторы обычно производятся из лигносульфонатов , побочного продукта бумажной промышленности . Суперпластификаторы обычно производятся из сульфированного конденсата нафталина или сульфированного меламиноформальдегида , хотя сейчас доступны более новые продукты на основе простых эфиров поликарбоновых кислот. Традиционные пластификаторы на основе лигносульфоната, суперпластификаторы на основе сульфоната нафталина и меламина диспергируют флокулированные частицы цемента посредством механизма электростатического отталкивания (см. Коллоид ). В обычных пластификаторах активные вещества адсорбируются на частицах цемента, придавая им отрицательный заряд, что приводит к отталкиванию между частицами. Суперпластификаторы лигнин , нафталин и сульфонат меламина представляют собой органические полимеры. Длинные молекулы обволакивают частицы цемента, придавая им очень отрицательный заряд, поэтому они отталкивают друг друга.
Поликарбоксилатный эфирный суперпластификатор (PCE) или просто поликарбоксилат (PC) действует иначе, чем суперпластификаторы на основе сульфонатов, придавая цементу дисперсию за счет стерической стабилизации. Эта форма дисперсии имеет более мощный эффект и обеспечивает лучшее сохранение удобоукладываемости цементной смеси. [16]
В штукатурные смеси для стеновых плит можно добавлять пластификаторы для улучшения удобоукладываемости. Чтобы снизить затраты энергии на сушку стеновых плит, добавляют меньше воды, что делает гипсовую смесь очень непригодной для работы и ее трудно смешивать, что приводит к необходимости использования пластификаторов, водоредуцирующих добавок или диспергаторов. Некоторые исследования также показывают, что слишком большое количество лигносульфонатного диспергатора может привести к замедлению схватывания. Данные показали, что возникали аморфные кристаллические образования, которые отвлекали от механического игольчатого взаимодействия кристаллов в ядре, предотвращая образование более прочного ядра. За замедление схватывания в основном ответственны сахара, хелатирующие агенты в лигносульфонатах, такие как альдоновые кислоты и экстрактивные соединения. Эти диспергаторы с низким содержанием воды обычно производятся из лигносульфонатов , побочного продукта бумажной промышленности .
Суперпластификаторы (диспергаторы) высокого диапазона обычно производятся из сульфированного конденсата нафталина , хотя эфиры поликарбоновых кислот представляют собой более современную альтернативу. Оба этих высокоэффективных понизителя воды используются в количестве от 1/2 до 1/3 типов лигносульфонатов. [17]
Традиционные пластификаторы на основе лигносульфоната и нафталинсульфоната диспергируют флокулированные частицы гипса посредством механизма электростатического отталкивания (см. Коллоид ). В обычных пластификаторах активные вещества адсорбируются на частицах гипса, придавая им отрицательный заряд, что приводит к отталкиванию между частицами. Пластификаторы лигнин и нафталинсульфонат представляют собой органические полимеры. Длинные молекулы обволакивают частицы гипса, придавая им очень отрицательный заряд, поэтому они отталкивают друг друга. [18]
В пиротехнических композициях энергетических материалов , особенно твердого ракетного топлива и бездымных порохов для орудий, часто используются пластификаторы для улучшения физических свойств связующего вещества или всего топлива в целом, для обеспечения вторичного топлива и, в идеале, для улучшения удельного выхода энергии (например, удельного импульса) . , выход энергии на грамм пороха или аналогичные показатели) пороха. Энергетический пластификатор улучшает физические свойства энергетического материала, а также увеличивает его удельный выход энергии. Энергичные пластификаторы обычно предпочтительнее неэнергетических пластификаторов, особенно для твердого ракетного топлива . Энергичные пластификаторы уменьшают необходимую массу топлива, позволяя ракете нести больше полезной нагрузки или достигать более высоких скоростей, чем это было бы в противном случае. Однако соображения безопасности или стоимости могут потребовать использования неэнергетических пластификаторов даже в ракетном топливе. Твердое ракетное топливо , используемое в качестве топлива для твердотопливного ракетного ускорителя космического корабля "Спейс Шаттл", использует HTPB , синтетический каучук , в качестве неэнергетического вторичного топлива.
Вот некоторые энергичные пластификаторы, используемые в ракетном топливе и бездымных порохах :
Из-за вторичных спиртовых групп НГ и БТТН обладают относительно низкой термической стабильностью. TMETN, DEGDN, BDNPF и BDNPA имеют относительно низкие энергии. НГ и ДЭГДН имеют относительно высокое давление пара . [19]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )