Używanie plastyfikatorów polimerowych

Oyoo /

guma i Tworzywa sztuczne stały się integralną częścią współczesnego życia, bez którego ludzie nie mogą żyć. Materiały te są stosowane w podeszwach butów, krzesłach ogrodowych, wszelkiego rodzaju foliach, DVD, CD, rurkach, wężach, oponach, opakowaniach i wielu innych produktach.

śledzenie zaawansowanej technologii tworzyw sztucznych oznacza, że osoby muszą znać nazwy-takie jak polioksymetylen, polipropylen, Kauczuk nitrylowy, poliuretan itp.- to może ich bardzo zdezorientować. Jednak w większości przypadków doskonałe właściwości cennych tworzyw sztucznych wykorzystywanych we wszystkich tych skutecznych zastosowaniach nie są związane wyłącznie z samymi polimerami.

tak jak błyskotliwy uczeń, który osiąga dobre oceny w szkole, również z niewielką ilością dodatkowej pomocy osiągnął szczyt swojej klasy. A ta pomoc zwykle oznacza po prostu łączenie unikalnych dodatków w celu uzyskania polimerów, które są miękkie, elastyczne i odporne na uderzenia i warunki atmosferyczne. Głównie dodatki to te, które sprawiają, że plastik jest tym, czym jest.

plastyfikatory

plastyfikatory są unikalnymi rodzajami dodatków. Na przykład, bez plastyfikatorów, PVC byłoby niezwykle kruche i kruche i nie podbiłoby ogromnego rynku, jak widać dzisiaj. Bez plastyfikatorów większość związków do formowania wtryskowego byłaby całkowicie niezdatna do tego celu, a niektóre mieszanki kauczuku w ogóle nie zostałyby wyprodukowane.

plastyfikatory sprawiają, że Tworzywa sztuczne są elastyczne, rozciągliwe, elastyczne i plastikowe w niskich temperaturach. W większości przypadków produkty polimerowe mogą być wytwarzane wyłącznie na zasadach komercyjnych poprzez zintegrowanie plastyfikatora.

w rzeczywistości wynalezienie plastyfikatorów było głównie odpowiedzialne za rozwój przemysłu tworzyw sztucznych. Gdyby nie to, przemysł może nie rozwinął się znacznie poza etapem, jaki był we wcześniejszych dniach. Wynika to z faktu, że pierwsze Tworzywa sztuczne, a także modyfikowane polimery naturalne, takie jak Galalit lub nitroceluloza, były kruche i twarde, a zatem nie mogły być stosowane do codziennych zastosowań.

z pewnością nie Zwiększa to możliwości sprzedaży nowego materiału, jeśli na przykład ludzie muszą dbać o swoje grzebienie tak, jakby były wykonane z miśnieńskiej porcelany.

kamfora

jednak plastyfikatory zmieniły to wszystko. Kamfora była pierwszą, która została wykorzystana w prawdziwych tworzywach sztucznych. Jest to bezbarwna substancja, której zapach przypomina wiele zimnych lekarstw i zawiera drobne kryształy uzyskane z drewna chińskiego krzewu laurowego o nazwie Cinnamomum camphora.

następnie, w 1869 roku, wynalazca John Wesley Hyatt i jego brat uczynili nitrocelulozę bardziej plastyczną, mieszając kamfor z nitrocelulozą.

Inne Oleje

firma Hyatt nie była pierwszą osobą, która próbowała ułatwić obsługę wczesnych kruchych produktów rozwijającego się sektora tworzyw sztucznych dzięki zastosowaniu dodatków. Równie ambitny wynalazca Alexander Parkes już próbował uzyskać ten sam efekt, używając na przykład olejów roślinnych lub smoły drzewnej.

jednak napotkał trudności w uzyskaniu odpowiedniego przepisu – jego” Parkesin ” był umiarkowanie łatwy w obróbce, ale po zaledwie kilku tygodniach przedmioty, takie jak Damskie Bransoletki, grzebienie i kolczyki, które zostały wyprodukowane z tego konkretnego produktu, wypaczały się do tego stopnia, że nie mogły być dłużej używane. Było to prawdopodobnie spowodowane zbyt szybkim odparowaniem olejów używanych przez Parkes.

olej bananowy, a nawet fuzelowy—który powstaje podczas destylacji whisky—był również używany przez innych wynalazców, ale bez większego sukcesu, jeśli brak rekordów jest czymś do pominięcia.

miękki jak guma do żucia, ale twardy jak róg

nowy plastik opracowany przez firmę Hyatt był lepiej przygotowany do sprostania wyzwaniom stawianym przez nowo powstający przemysł tworzyw sztucznych. W oparciu o ilość kamfory, którą połączył z kolodionem-roztworem bawełny pistoletowej, znanej chemicznie jako nitroceluloza-z powodzeniem stworzył plastik. Ten plastik był przezroczysty, ale mógł być kolorowy. Był tak elastyczny jak surowa guma, ale był tak twardy jak róg. Ten plastik był celuloidowy.

w umiarkowanej temperaturze od 80 ° C do 90 °C Ten ciągliwy materiał może być wytwarzany w dowolnym wymaganym kształcie dzięki pachnącej formule Hyatt. Jednym z pierwszych zastosowań tego materiału były sztuczne zęby. Pachniało jednak więcej niż niewielką ilością kamfory i w rezultacie nie zawsze spełniało pełną satysfakcję ich właścicieli. Ponieważ jednak materiał można było stworzyć w odpowiednim kolorze, nastąpiło znaczne ulepszenie twardych gumowych płyt, które były używane do tego czasu. Następnie ten sam materiał stał się popularny jako idealny materiał podkładowy do filmów fotograficznych.

pochodzenie nowoczesnych tworzyw sztucznych

faktem jest, że od pewnego czasu celuloid opracowany przez firmę Hyatt musiał sprostać wielu wyzwaniom spowodowanym bliskim związkiem z bawełną pistoletową. Małe eksplozje miały miejsce, gdy bilardowe kulki złożone z nitrocelulozy zderzyły się ze sobą. Według naocznych świadków eksplozje były tak ogromne, że kowboje stali wokół stołu bilardowego, by sięgnąć po broń.

w jednym z artykułów w magazynie przytaczano również historię kobiety, której wieczór stał się jeszcze bardziej ekscytujący, gdy celuloidowe guziki przypięte do jej sukni wieczorowej podeszły bardzo blisko kominka i zapaliły się. Pewnego razu eksplodowała cała fabryka celuloidów. Jednak incydenty te nie ukrywały faktu, że Hyatt opracował pierwszy termoplastyk i że był to plastyfikator, który przyczynił się do powstania plastiku dzisiaj.

ale nawet po Hyatt historia tworzyw sztucznych nadal była ściśle związana z historią jego plastyfikatorów. Następnie w 1946 r. prowadzono prace nad złożeniem kilkuset ton kruchego plastiku z trioctanu celulozy. Plastik ten był wykorzystywany m.in. do produkcji okien samolotów.

plastik leżał Nieużywany na terenie fabryki, wtedy kreatywny chemik wpadł na pomysł zintegrowania materiału z plastyfikatorem. Zaowocowało to nowatorskim materiałem do formowania wtryskowego. W 1952 r. niedawno uplastyczniony Cellit nazwano „Cellidor” i był doskonałym ucieleśnieniem wszechstronności. W latach 50. Cellidor był wykorzystywany do produkcji obudów do grzebieni, desek rozdzielczych, radiotelefonów, oprawek do okularów, uchwytów do wkrętaków, ślizgaczy do włosów itp.

plastyfikatory w gumie

Przemysł gumowy również używał plastyfikatorów do udoskonalania swoich produktów. Szerokie ugniatanie sprawia, że niewulkanizowana guma jest tak miękka jak guma do żucia, ponieważ proces ugniatania rozkłada długołańcuchowe cząsteczki polimeru. Ale oznacza to, że inne główne cechy tego użytecznego materiału również są tracone.

z tego powodu badacze kauczuku wcześnie zaczęli, łącząc wszystkie rodzaje płynnych składników w swoje czarne preparaty-oleje, PAK, smołę węglową, parafinę, terpeny (takie jak kamfora), a nawet wazelinę. Oznaczało to, że mieszanina surowego kauczuku była wystarczająco lepka dla różnych składników stałych, nawet gdy wielkość cząsteczek kauczuku nie jest znacznie zmniejszona. Sadza jest przykładem stałego składnika, który można bez wysiłku ugniatać razem w mieszalniku.

czynniki te pokazują znaczenie tych dyskretnych plastyfikatorów w odniesieniu do przetwarzania polimerów—i jak mogą całkowicie przekształcić cechy tego, co pierwotnie było stosunkowo nieatrakcyjnym materiałem polimerowym. Paradoksalnie ta niezwykła moc świadczy również o tym, że nawet wybitni historycy chemiczni mają obecnie trudności z uzyskaniem informacji na temat technologii plastyfikatorów.

„właściwe” plastyfikatory są znaczące do tego stopnia, że informacje zebrane na temat wydajności plastiku przez lata zniknęły w skarbcach firm wykorzystujących polimery. Z biegiem czasu oznaczało to, że plastyfikatory stały się stosunkowo anonimowymi substancjami utylitarnymi.

współcześni potomkowie kamfory

wiadomo jednak, że oprócz Hyatta inni również zaczęli używać kamfory. Rzeczywiście, dwie trzecie wszystkich kamfory syntetyzowane na całym świecie jest używany do produkcji celuloidu nawet dzisiaj.

Encyklopedia chemiczna z 1931 roku z rozdziałem zatytułowanym „plastyfikatory” wymienia również terpen, oprócz estrów glicerolu, ftalanów i fosforanów organicznych, takich jak fosforan trikrezylu.

związki te sprawiają, że Tworzywa sztuczne są elastyczne, a także poprawiają swój potencjał ognioodporny do tego stopnia, że octan celulozy, następca celuloidu, był w stanie przezwyciężyć jedną z głównych wad oryginalnego tworzywa sztucznego. Na przykład zapobiegano palności tworzywa sztucznego po jego elastyczności za pomocą kombinacji fosforanów i kamfory.

zaawansowana technologia zna około 400 substancji-czyli substancji egzotycznych i „worldbeaterów” – które są wykorzystywane jako plastyfikatory w takiej czy innej formie. Około 100 z tych substancji ma dużą wartość handlową.

ilości plastyfikatorów

w połowie lat 90-tych wykorzystywano ponad 4,2 miliona ton plastyfikatorów. Obecnie około 90% wszystkich plastyfikatorów jest wykorzystywanych w PVC-plastiku, który w swojej podstawowej formie jest praktycznie tak kruchy jak szkło i byłby całkowicie bezużyteczny dla większości zastosowań, gdyby plastyfikatory nie stanowiły około 55% jego zawartości. Nawet sztywne PVC może mieć około 12% plastyfikatorów, które są znane z zwiększania jego przetwarzalności.

w zależności od rodzaju zastosowania, inne polimery wykorzystują plastyfikatory w wielu różnych ilościach. Papier zawiera około 5% plastyfikatorów, materiały termoplastyczne do 10%, a elastomery czasami nawet 60%; niektóre Tworzywa sztuczne mają również 95% plastyfikatorów.

jak działają plastyfikatory

zasadniczo wszystkie plastyfikatory opierają się na tej samej zasadzie i takiej, która jest praktycznie oczywista, pod warunkiem, że ludzie mogą zrozumieć, z czego składają się Tworzywa sztuczne w środku. „Plastik” zawsze zawiera bardzo długołańcuchowe cząsteczki, które wyglądają jak długie nici pod ekstremalnie dużym powiększeniem. Tworzywo sztuczne staje się elastyczne, gdy nici te są luźno splecione ze sobą.

jednak w przypadku większości tworzyw sztucznych nici te mają tendencję do leżenia na sobie, podobnie jak pakowane spaghetti. W rzeczywistości, gdy ktoś przypadkowo rzuca spaghetti na patelnię bez mieszania go podczas gotowania, a później przesiewa go, oprócz luźno splątanych nici makaronu, będą również obszary, w których nici makaronu są nadal połączone razem, tak jak były w torbie. Takie grudki wydają się nieco twardsze niż reszta, chociaż sam makaron jest całkowicie ugotowany i miękki.

podobna rzecz występuje w odniesieniu do cząsteczek łańcuchowych tworzyw sztucznych. Sztywna struktura analogiczna do ściśle regularnego składu kryształów sprawia, że tworzywo sztuczne wygląda sztywno od zewnętrznej strony. Zarówno w probówce, jak i na patelni zasada jest następująca: sztywna struktura jest twarda, a luźno splątana jest elastyczna.

Chemia

tutaj plastyfikatory mają do odegrania rolę. W większości przypadków, niezależnie od tego, czy omawiany jest olej mineralny, czy kamfora, cząsteczki są stosunkowo mniejsze niż cząsteczki łańcuchowe materiału polimerowego. Są one wplecione w strukturę przypominającą spaghetti podczas przetwarzania plastiku.

cząsteczki te następnie przepychają się między sąsiednimi nitkami cząsteczek plastikowych i oddzielają je od siebie. Działają one w taki sam sposób, jak olej na talerzu spaghetti, gdzie umożliwia przesuwanie się nici makaronu. Sugeruje to, że możliwe jest wytworzenie luźnej i swobodnie ruchliwej struktury—plastik okazuje się elastyczny, a po dodaniu większej ilości plastyfikatora staje się jeszcze bardziej elastyczny. Ta prosta korelacja wyjaśnia całą gamę produktów, które są niezbędne w pracy chemika tworzyw sztucznych.

w dużym stopniu doświadczenie twórcy materiałów polega na tym, że jest w stanie zidentyfikować substancje, które są dobrze dostosowane do użytego tworzywa sztucznego. Nie jest możliwe przeplatanie substancji hydrofilowych w cząsteczki hydrofilowe, na przykład te z niewulkanizowanego kauczuku, ponieważ obie substancje oddzielałyby się tak jak olej i woda.

ważne jest również, aby wybrać plastyfikator, który oferuje idealne dopasowanie w odniesieniu do własnej konfiguracji molekularnej i docelowych cząsteczek łańcucha z tworzywa sztucznego. Cząsteczki łańcuchowe nie są do siebie tak porównywalne, jak nici spaghetti—niektóre polimery mogą przypominać płaski makaron, podczas gdy inne wydają się łańcuchem grubych rurek neonowych połączonych cienkimi drutami lub mają zygzakowaty wygląd. Jeszcze inne wydają się naszyjniki wykonane z ekstremalnych pereł tłuszczu. Niemniej jednak celuloid Hyatta był tym, który osiągnął sukces. To dlatego, że cząsteczki kamfory pasowały dość dobrze między cząsteczkami bawełny pistoletu, które zostały uformowane jak naszyjnik z pereł.

jednak nie wszystkie plastyfikatory są odpowiednie dla każdego polimeru. Innym faktem jest to, że każdy plastyfikator ma inny wpływ na swoją ” cząsteczkę gospodarza.”Podczas gdy jeden plastyfikator zapewnia większą elastyczność w niższych temperaturach, inny został specjalnie opracowany, aby zapobiec upłynnianiu tworzyw sztucznych w wysokich temperaturach. Tymczasem istnieją inne plastyfikatory, które sprawiają, że Tworzywa sztuczne są bardziej elastyczne, a także zachowują się jak rodzaj zintegrowanej gaśnicy, która może gasić płomienie w początkowych etapach. Plastyfikatory osiągnąć to poprzez rozkład w obecności ciepła do tworzenia substancji, które są odporne na płomienie.

jeden Problem-wiele rozwiązań

z biegiem lat portfel zamówień sektora tworzyw sztucznych na plastyfikatory przekształcił się w niezorganizowaną aglomerację chemikaliów. Jednak jest on regulowany przez kilka „głównych rodzin” produktów.

Ftalany są stosowane w foliach i kablach PVC, klejach celulozowych i powłokach. Dzięki diwęglanom elastyczny PVC staje się elastyczny w niskich temperaturach. Fosforany są wykorzystywane zarówno jako płyn hydrauliczny, jak i jako środek zmniejszający palność. Estry kwasów tłuszczowych-dalekich krewnych margaryny-są używane do uplastyczniania wykładzin podłogowych z gumy i żywicy winylowej. W niektórych zastosowaniach technolodzy tworzyw sztucznych zwracają się również do estrów kwasu winowego i kwasu cytrynowego.

z pewnością należy pamiętać, że pomimo korzystnego wpływu plastyfikatorów na technologię tworzyw sztucznych, mają one również swoje wady. W niedawnej przeszłości podejrzewano, że ftalany są szkodliwe dla zdrowia. Chociaż ostateczne dowody nie zostały jeszcze uzyskane, obecnie trwają badania.

na szczęście, niezależnie od wyniku tej dyskusji, w żadnym wypadku nie oznacza to, że wszystkie plastyfikatory powinny być potępione: w końcu pojedynczy plastyfikator nie jest taki sam jak następny, jak pokazuje kamfora, która jest produktem naturalnym.

alternatywy

tymczasem stworzono kilka bardzo przydatnych produktów, które służą jako substytut ftalanów. Produkty takie jak te przyjmują postać szeregu substancji, których członkowie są nazywani ” sulfonianami alkilowymi.”Od dawna wiadomo było, że sulfoniany alkilowe nie mają niekorzystnych skutków i zostały zatwierdzone jako Bezpieczne do stosowania w żywności w większości krajów.

sulfoniany alkilowe, które są już stosowane w miejsce kontrowersyjnych ftalanów w rękawiczkach, figurkach zabawek, lalkach i membranach do łóżek wodnych, można znaleźć w uszczelniaczach w sektorze budowlanym i są stosowane w butach wellington i pomocach pływackich. Ponadto materiał zapewnia pełną gamę dodatkowych korzyści—na przykład różni się od wielu innych plastyfikatorów i nie jest atakowany przez wodę i pierwiastki, a także powoduje produkty, które sprzyjają drukowaniu. Jest to istotny czynnik, jeśli chodzi o tworzenie żywych kolorowych brodzików dla dzieci, między innymi z folii PVC.

surowa forma PVC jest krucha, praktycznie szklana, która byłaby prawie bezużyteczna, gdyby nie plastyfikatory. Sulfoniany alkilowe sprawiają, że PVC jest elastyczne i odporne na zmydlanie i warunki atmosferyczne.

dryfujące cząsteczki plastyfikatora

ostatnio naukowcy z branży wymyślili rozwiązanie problemu dryfujących cząsteczek plastyfikatora. Drobne cząstki plastyfikatorów przechowywane w tworzywach sztucznych są niezwykle mobilne. W szczególnych okolicznościach cząstki poruszają się jak miód w gąbce. W plastiku ruch niektórych cząsteczek plastyfikatora prędzej czy później dobiega końca, gdy dotrą do powierzchni i utworzą nieatrakcyjny tłusty film.

Unikalne plastyfikatory, które zostały przeszkolone, aby pozostać w jednym miejscu wewnątrz polimeru-na przykład poprzez dostarczanie im długołańcuchowych cząsteczek – mogą zapobiegać rozwojowi tłustej lub matowej powierzchni gumy i plastiku.

ponadto naukowcy stworzyli niestandardowe bezhalogenowe plastyfikatory do płytek elektronicznych, dzięki czemu kruche tworzywo sztuczne używane do ich produkcji nie pęka, gdy płytki są wiercone, dziurkowane i lutowane.

wzrost i rozwój przemysłu

Sektor plastyfikatorów jest w dużej mierze związany z konwencjonalnymi produktami. Choć jest to dość niezwykłe, aby poświęcić tyle wysiłku na rozwój produktu, to na pewno się opłaca.

w ciągu ostatnich dwóch lat rynek tworzyw sztucznych osiągnął wzrost zaledwie o 4%, ale mimo to sprzedaż niektórych specjalistycznych plastyfikatorów wzrosła w tym samym okresie o około 15%. Sama ta liczba jest wystarczająca, aby pokazać, że ostatni rozdział w długiej historii plastyfikatorów nie został jeszcze napisany: innowacyjne Tworzywa sztuczne i najnowsze wymagania stawiane produktom, które są z nich stale wytwarzane, wymagają nowatorskich rozwiązań. Tutaj tylko zbiorowe umysły ekspertów od tworzyw sztucznych mogą wymierzyć im sprawiedliwość.

Naturalne plastyfikatory

jednak wracając do plastyfikatorów, plastyfikujące chemikalia wyłaniające się z tygli i kolb sektora chemicznego nie są jedynymi, które występują na całym świecie. Ponieważ natura również częściowo zawiera polimery, potrzebuje również substancji, aby zapewnić, że polimery te będą nadal elastyczne.

skrobie, DNA, białka, drewno, a nawet kamienie zasadniczo zawierają długie i czasami przestrzennie połączone cząsteczki łańcuchowe. Natura wykorzystuje wodę jako główny plastyfikator. Włókna naturalne, takie jak bawełna, wełna lub jedwab, będą kruche bez zawartości wody.

ponadto nadmiar wody utrzymuje elastyczność białek mięśniowych. W zaawansowanym wieku zawartość wody zmniejsza się, podczas gdy tłuszcze mniej lub bardziej odgrywają rolę plastyfikatora z powodzeniem. Przemysł tworzyw sztucznych nie jest jedynym, który opiera się na plastyfikatorach, ale nawet matka natura nie poradzi sobie bez nich. Włókna mięśniowe składają się z cząsteczek łańcuchowych podobnych do tych występujących w tworzywach sztucznych. Podobnie jak współczesne polimery, włókna mięśniowe zawierają własne plastyfikatory w postaci cząsteczek tłuszczu i wody.

również woda może być używana do zmiękczania kwarcu, który jest znany jako bardzo twardy materiał – podczas gdy twardy, naturalny kwarc zawiera tylko 0,01% wody, ze względów technicznych sztuczny kwarc zawiera około 10 razy tyle. Sztuczny kwarc może być formowany podobnie do gipsu w temperaturze 400 °C-temperaturze, która może być łatwo tolerowana przez minerały-podczas gdy” suchy „naturalny kwarc pozostaje „solidny” do temperatury 1000 °C.

jest to doskonały przykład na to, że zastosowanie plastyfikatorów w technologii niekoniecznie ogranicza się do tworzyw sztucznych. Osoby, które mocno myślą o zakrzywionym uchwycie swoich parasoli, wiedziałyby, że stosuje się pewien rodzaj procedury, aby drewno było elastyczne.

gorąca para wodna może być rzeczywiście używana do zmiękczania drewna, ale ciekły amoniak, po zmieszaniu z rozpuszczalnikami organicznymi, takimi jak tetrahydrofuran, sulfotlenek dimetylu lub glikol polietylenowy, robi to jeszcze lepiej. Specyficzny preparat, taki jak ten, pozwala nawet osobom wiązać węzły w laski. Po odparowaniu amoniaku Drewno wraca do stanu pierwotnego-czyli świeżo ściętego.

powstające w średniowieczu Tworzywa sztuczne

ponad sto lat temu Tworzywa sztuczne stały się znane dzięki wynalazkowi Hyatta. Nic więc dziwnego, że zawody, które do tej pory były związane z konserwacją antycznych pigmentów, teraz godzą się z kwestiami plastyfikatorów. Na przykład konserwatorzy obecnie walczą o utrzymanie skafandrów kosmicznych, które były noszone przez astronautów Apollo na Księżycu i przybyły na Ziemię nieuszkodzone.

te skafandry zawierały rurki PCV, które zostały uplastycznione za pomocą ftalanu. Po spędzeniu ponad trzech dekad w Muzeum, ta płynna substancja rozproszyła się z polimeru, w sposób typowy dla wszystkich dryfujących plastyfikatorów. W rezultacie rury zasilające stały się kruche. To, co kiedyś uważano za szczyt w technologii skafandrów kosmicznych, stało się teraz mniej wytrzymałe w porównaniu z rycerskimi uprzężami, które mają setki lat. Patrząc na rzeczy z tego punktu widzenia, można zatem stwierdzić, że ludzie są nadal w tak zwanym średniowieczu technologii tworzyw sztucznych.