.jpg/1280px-Laying_sewer_hi_res_(2).jpg)
Пластификатор ( в Великобритании : plasticiser ) — это вещество, которое добавляется к материалу, чтобы сделать его более мягким и гибким, повысить его пластичность , уменьшить его вязкость и/или уменьшить трение при его обработке в процессе производства.
Пластификаторы обычно добавляются в полимеры и пластики , такие как ПВХ , либо для облегчения обработки сырья во время изготовления, либо для удовлетворения требований применения конечного продукта. Пластификаторы особенно важны для удобства использования поливинилхлорида (ПВХ), третьего по распространенности пластика. При отсутствии пластификаторов ПВХ твердый и хрупкий; с пластификаторами он подходит для таких продуктов, как виниловый сайдинг , кровля , виниловые напольные покрытия , водосточные желоба , сантехника и изоляция/покрытие электрических проводов. [1]
Пластификаторы также часто добавляются в бетонные формулы, чтобы сделать их более обрабатываемыми и текучими для заливки, что позволяет снизить содержание воды. Аналогично, их часто добавляют в глины , штукатурку , твердое ракетное топливо и другие пасты перед формованием и формованием. Для этих применений пластификаторы в значительной степени совпадают с диспергаторами .
Пластификаторы для полимеров представляют собой жидкости с низкой летучестью или твердые вещества. По данным за 2017 год, общий объем мирового рынка пластификаторов составил 7,5 млн метрических тонн. В Северной Америке объем в 2017 году составил ~1,01 млн метрических тонн, а в Европе этот показатель составил 1,35 млн метрических тонн, разделенных между различными конечными приложениями с тенденцией перехода химического типа к более высокомолекулярным (HMW) ортофталатам и альтернативным типам после нормативных вопросов, касающихся более низкомолекулярных (LMW) ортофталатов.
Почти 90% полимерных пластификаторов, чаще всего фталатных эфиров , используются в ПВХ , что придает этому материалу повышенную гибкость и долговечность. [2] Другие полимеры, которые могут содержать высокие концентрации пластификаторов, включают акрилаты и пластики целлюлозного типа, такие как ацетат целлюлозы , нитроцеллюлоза и ацетат бутират целлюлозы .
Обычно считалось, что пластификаторы работают, внедряясь между цепями полимеров , раздвигая их (увеличивая «свободный объем»), [3] [4] или разбухая их и, таким образом, значительно понижая температуру стеклования пластика и делая его мягче. Позднее было показано, что объяснение свободного объема не может объяснить все эффекты пластификации. [5] Подвижность полимерной цепи более сложна в присутствии пластификатора, чем то, что предсказывает уравнение Флори–Фокса для простой полимерной цепи.
Молекулы пластификатора берут под контроль подвижность цепи - полимерная цепь не показывает увеличения свободного объема вокруг концов полимера. Если пластификатор/вода создает водородные связи с гидрофильными частями полимера, связанный свободный объем может быть уменьшен. [ необходимо разъяснение ] [6]
Влияние пластификаторов на модуль упругости зависит как от температуры, так и от концентрации пластификатора. Ниже определенной концентрации, называемой концентрацией перехода, пластификатор может уменьшить модуль материала. Однако температура стеклования материала уменьшится при всех концентрациях. Помимо концентрации перехода, существует температура перехода. Ниже температуры перехода пластификатор также увеличит модуль.
За последние 60 лет более 30 000 различных веществ были оценены на предмет их пригодности в качестве пластификаторов полимеров. Из них только небольшое число – около 50 – сегодня находятся в коммерческом использовании. [7]
Эфирные пластификаторы выбираются на основе оценки затрат и производительности. Разработчик резиновых смесей должен оценить эфирные пластификаторы на совместимость, технологичность, постоянство и другие эксплуатационные свойства. Широкий спектр эфирных химических соединений, которые находятся в производстве, включает себацинаты , адипаты , терефталаты , дибензоаты, глутараты , фталаты , азелаты и другие специальные смеси. Эта широкая линейка продуктов обеспечивает ряд преимуществ производительности, необходимых для многих применений эластомеров , таких как трубки и шланги, напольные покрытия, настенные покрытия, уплотнения и прокладки, ремни, провода и кабели, а также печатные рулоны.
Эфиры с низкой и высокой полярностью обеспечивают полезность в широком диапазоне эластомеров, включая нитрил , полихлоропрен , EPDM , хлорированный полиэтилен и эпихлоргидрин . Взаимодействие пластификатора и эластомера регулируется 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. [8]
Пластификаторы, используемые в ПВХ и других пластиках, 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. Фталаты алкиловых спиртов с прямой и разветвленной цепью соответствуют этим характеристикам и являются распространенными пластификаторами. Ортофталатные эфиры традиционно были наиболее доминирующими пластификаторами, но нормативные проблемы привели к переходу от классифицированных веществ к неклассифицированным, которые включают высокомолекулярные ортофталаты и другие пластификаторы, особенно в Европе.
Антипластификаторы — это полимерные добавки , которые оказывают действие, противоположное действию пластификаторов. Они повышают модуль, одновременно снижая температуру стеклования.
phthalate.svg/1280px-Bis(2-ethylhexyl)phthalate.svg.png)
Существенные опасения были выражены по поводу безопасности некоторых полимерных пластификаторов, особенно потому, что некоторые низкомолекулярные ортофталаты были классифицированы как потенциальные эндокринные разрушители с некоторой токсичностью для развития. [9] Пластификаторы могут выходить из пластика из-за миграции и истирания пластика, поскольку они не связаны с полимерной матрицей. « Запах новой машины » часто приписывают пластификаторам или продуктам их распада, [10] однако многочисленные исследования состава запаха не обнаружили фталатов в заметных количествах, вероятно, из-за их чрезвычайно низкой летучести и давления паров. [11]
Были исследованы биопластификаторы, такие как триацетат глицерина (триацетин) и ацетилтрибутилцитрат . Они используются в нишевых приложениях. Эпоксидированное соевое масло широко используется в качестве вторичного пластификатора во многих виниловых приложениях.
В технологии бетона пластификаторы и суперпластификаторы также называются водоредуцирующими веществами высокого диапазона. При добавлении в бетонные смеси они придают ряд свойств, включая улучшенную обрабатываемость и прочность. Прочность бетона обратно пропорциональна количеству добавленной воды, т. е. водоцементному соотношению (В/Ц). Для получения более прочного бетона добавляют меньше воды (не «голодая» смесь), что делает бетонную смесь менее обрабатываемой и сложной для смешивания, что требует использования пластификаторов, водоредуцирующих веществ, суперпластификаторов, флюидизаторов или диспергаторов. [16]
Пластификаторы также часто используются при добавлении пуццолановой золы в бетон для повышения прочности. Этот метод пропорционирования смеси особенно популярен при производстве высокопрочного бетона и фибробетона.
Добавление 1-2% пластификатора на единицу веса цемента обычно достаточно. Добавление избыточного количества пластификатора приведет к чрезмерному расслоению бетона и не рекомендуется. В зависимости от конкретного используемого химиката, использование слишком большого количества пластификатора может привести к эффекту замедления.
Пластификаторы обычно производятся из лигносульфонатов , побочного продукта бумажной промышленности . Суперпластификаторы обычно производятся из сульфированного нафталинового конденсата или сульфированного меламиноформальдегида , хотя сейчас доступны более новые продукты на основе поликарбоновых эфиров. Традиционные пластификаторы на основе лигносульфонатов, суперпластификаторы на основе нафталина и меламиносульфоната диспергируют флокулированные частицы цемента с помощью 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 на основе лигнина , нафталина и меламиносульфоната являются органическими полимерами. Длинные молекулы обволакивают частицы цемента, придавая им сильный отрицательный заряд, так что они отталкиваются друг от друга.
Поликарбоксилатный эфирный суперпластификатор (PCE) или просто поликарбоксилат (PC) работает иначе, чем сульфонатные суперпластификаторы, давая цементную дисперсию путем стерической стабилизации. Эта форма дисперсии более мощна по своему эффекту и обеспечивает улучшенное сохранение обрабатываемости цементной смеси. [17]
Пластификаторы можно добавлять в смеси для штукатурки стеновых панелей для улучшения обрабатываемости. Чтобы сократить потребление энергии при сушке стеновых панелей, добавляется меньше воды, что делает гипсовую смесь очень неудобоукладываемой и трудной для смешивания, что требует использования пластификаторов, водоредуцирующих добавок или диспергаторов. Некоторые исследования также показывают, что слишком большое количество диспергатора лигносульфоната может привести к эффекту замедления схватывания. Данные показали, что произошло образование аморфных кристаллов, что отвлекло от механического взаимодействия игольчатых кристаллов в ядре, предотвратив более прочное ядро. Сахара, хелатирующие агенты в лигносульфонатах, такие как альдоновые кислоты и экстрактивные соединения, в основном отвечают за замедление схватывания. Эти диспергаторы с низким содержанием воды обычно производятся из лигносульфонатов , побочного продукта бумажной промышленности .
Суперпластификаторы (диспергаторы) высокого диапазона обычно изготавливаются из сульфированного нафталинового конденсата, хотя поликарбоновые эфиры представляют собой более современные альтернативы. Оба этих водоредуцирующих агента высокого диапазона используются в количестве от 1/2 до 1/3 от типов лигносульфоната. [18]
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 на основе лигнина и нафталинсульфоната являются органическими полимерами. Длинные молекулы обволакивают частицы гипса, придавая им сильный отрицательный заряд, так что они отталкиваются друг от друга. [19]
Энергетические материалы пиротехнических составов , особенно твердые ракетные топлива и бездымные пороха для пушек, часто используют пластификаторы для улучшения физических свойств связующего вещества топлива или всего топлива, для обеспечения вторичного топлива и, в идеале, для улучшения удельного выхода энергии (например, удельного импульса , выхода энергии на грамм топлива или аналогичных показателей) топлива. Энергетический пластификатор улучшает физические свойства энергетического материала, одновременно увеличивая его удельный выход энергии. Энергетические пластификаторы обычно предпочтительнее неэнергетических пластификаторов, особенно для твердых ракетных топлив . Энергетические пластификаторы уменьшают требуемую массу топлива, позволяя ракетному транспортному средству нести большую полезную нагрузку или достигать более высоких скоростей, чем это было бы в противном случае. Однако соображения безопасности или стоимости могут потребовать использования неэнергетических пластификаторов даже в ракетных топливах. В качестве твердого ракетного топлива, используемого в качестве топлива для твердотопливного ускорителя космического корабля «Спейс шаттл» , в качестве неэнергетического вторичного топлива используется синтетический каучук HTPB .
Вот некоторые энергетические пластификаторы, используемые в ракетном топливе и бездымном порохе :
Из-за вторичных спиртовых групп NG и BTTN имеют относительно низкую термическую стабильность. TMETN, DEGDN, BDNPF и BDNPA имеют относительно низкую энергию. NG и DEGDN имеют относительно высокое давление паров . [20]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )