Введение
Вещество, добавляемое в материал для придания ему мягкости и гибкости.
Пластификатор (брит. пластификатор) – это вещество, добавляемое в материал для повышения его мягкости и гибкости, увеличения пластичности, снижения вязкости и/или уменьшения трения при его обработке в процессе производства. Пластификаторы обычно добавляют к полимерам, пластмассам и поливинилхлориду (ПВХ), либо для облегчения обработки сырья при изготовлении, либо для соответствия требованиям к применению готового изделия. Пластификаторы особенно важны для придания поливинилхлориду (ПВХ) – третьему по распространенности пластику – необходимых свойств. Без пластификаторов ПВХ является твердым и хрупким, а с ними он пригоден для изготовления таких изделий, как виниловый сайдинг, кровельные материалы, виниловые напольные покрытия, водосточные желоба, трубы и изоляция/оболочка для электрических проводов. Другие полимеры, способные содержать значительное количество пластификаторов, включают акрилаты и пластмассы на основе целлюлозы, такие как ацетат целлюлозы, нитроцеллюлоза и ацетатцеллюлозбутират.
Механизм действия
Обычно считалось, что пластификаторы действуют, внедряясь между полимерными цепями, увеличивая расстояние между ними (увеличивая "свободный объем") или вызывая их набухание, тем самым значительно снижая температуру стеклования пластика и делая его более мягким. Позже было показано, что теория свободного объема не может объяснить все эффекты пластификации. Подвижность полимерной цепи в присутствии пластификатора оказывается сложнее, чем предсказывает уравнение Флори-Фокса для простой полимерной цепи. Молекулы пластификатора берут под контроль подвижность цепи – полимерная цепь не демонстрирует увеличения свободного объема вблизи своих концов. Если пластификатор или вода образуют водородные связи с гидрофильными участками полимера, связанный свободный объем может уменьшиться. Влияние пластификаторов на модуль упругости зависит как от температуры, так и от концентрации пластификатора. При концентрации ниже определенного значения, называемого концентрацией пересечения, пластификатор может повысить модуль материала. Однако температура стеклования материала снижается при любой концентрации. Помимо концентрации пересечения, существует и температура пересечения. Ниже температуры пересечения пластификатор также увеличивает модуль.
Выбор
За последние 60 лет было оценено более 30 000 различных веществ на предмет их пригодности в качестве пластификаторов для полимеров. Из них лишь небольшое количество – около 50 – сегодня используется в коммерческих целях. Эфирные пластификаторы выбираются на основе оценки соотношения цены и эффективности. Специалист по резиновым смесям должен оценивать эфирные пластификаторы по таким параметрам, как совместимость, технологичность, стойкость и другие эксплуатационные характеристики. Широкий спектр производимых эфирных химических соединений включает себакаты, адипаты, терефталаты, дибензоаты, глутараты, фталаты, азелаты и другие специальные смеси. Эта широкая линейка продуктов обеспечивает множество преимуществ, необходимых для различных областей применения эластомеров, таких как трубки и шланги, напольные покрытия, настенные покрытия, уплотнения и прокладки, ремни, провода и кабели, а также печатные валики. Эфиры с низкой и высокой полярностью находят применение в широком спектре эластомеров, включая нитрильный каучук, полихлоропрен, ЭПДМ, хлорированный полиэтилен и эпихлорогидрин. Взаимодействие пластификатора и эластомера определяется множеством факторов, таких как параметр растворимости, молекулярная масса и химическая структура. Совместимость и эксплуатационные характеристики являются ключевыми факторами при разработке резиновой смеси для конкретного применения. Пластификаторы, используемые в ПВХ и других пластмассах, часто основаны на эфирах поликарбоновых кислот с линейными или разветвленными алифатическими спиртами средней длины цепи. Эти соединения выбираются на основе множества критериев, включая низкую токсичность, совместимость с основным материалом, низкую летучесть и стоимость. Фталаты алкиловых спиртов с прямой и разветвленной цепью соответствуют этим требованиям и являются распространенными пластификаторами. Ортофталаты традиционно были наиболее распространенными пластификаторами, но из-за нормативных ограничений произошел переход от веществ, подлежащих классификации, к веществам, не подлежащим классификации, что включает ортофталаты с высокой молекулярной массой и другие пластификаторы, особенно в Европе.
Антипластификаторы
Антипластификаторы — это полимерные добавки, оказывающие действие, противоположное пластификаторам. Они повышают модуль упругости и снижают температуру стеклования.
Безопасность и токсичность
Были высказаны серьезные опасения относительно безопасности некоторых полимерных пластификаторов, особенно в связи с тем, что некоторые ортофталаты с низкой молекулярной массой были классифицированы как потенциальные эндокринные дизрапторы, при этом сообщалось о некоторой токсичности для развития. Пластификаторы могут покидать пластик в результате миграции и истирания, поскольку они не химически связаны с полимерной матрицей. "Запах новой машины" часто объясняют наличием пластификаторов или продуктов их распада, однако многочисленные исследования состава этого запаха не выявили значительных количеств фталатов, вероятно, из-за их крайне низкой летучести и давления паров.
Бетон
В технологии бетона пластификаторы и суперпластификаторы также называются водоредукторами с широким диапазоном действия. При добавлении в бетонные смеси они придают целый ряд свойств, включая улучшенную удобоукладываемость и прочность. Прочность бетона обратно пропорциональна количеству добавленной воды, то есть водоцементному отношению (w/c). Для получения более прочного бетона добавляется меньше воды (без обеднения смеси), что снижает удобоукладываемость и затрудняет перемешивание бетонной смеси, что требует использования пластификаторов, водоредукторов, суперпластификаторов, флюидизаторов или диспергаторов. Пластификаторы также часто используются при добавлении позолановой золы в бетон для повышения прочности. Этот метод подбора состава особенно популярен при производстве высокопрочного бетона и фибробетона. Обычно достаточно добавлять 1-2% пластификатора от массы цемента. Превышение дозировки пластификатора может привести к чрезмерной сегрегации бетона и не рекомендуется. В зависимости от используемого химического вещества, избыточное количество пластификатора может вызвать замедление схватывания. Пластификаторы обычно производятся из лигносульфонатов – побочного продукта бумажной промышленности. Суперпластификаторы обычно изготавливаются из сульфонированного конденсата нафталина или сульфонированного меламинформальдегида, хотя в настоящее время доступны новые продукты на основе поликарбоксильных эфиров. Традиционные пластификаторы на основе лигносульфонатов и суперпластификаторы на основе нафталина и меламина сульфоната диспергируют агломерированные частицы цемента посредством механизма электростатического отталкивания (см. коллоид). В обычных пластификаторах активные вещества адсорбируются на частицах цемента, придавая им отрицательный заряд, что вызывает отталкивание между частицами. Лигнин, нафталин и меламинсульфонатные суперпластификаторы являются органическими полимерами. Длинные молекулы обволакивают частицы цемента, придавая им сильный отрицательный заряд, что обеспечивает их отталкивание друг от друга. Суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира (PCE) или просто поликарбоксилат (PC) действует иначе, чем сульфонатные суперпластификаторы, обеспечивая дисперсию цемента посредством стерической стабилизации. Этот вид дисперсии более эффективен и обеспечивает лучшую сохранность удобоукладываемости цементной смеси.
Стеклянные
Для улучшения удобоукладываемости в смеси штукатурки для гипсокартона можно добавлять пластификаторы. Чтобы снизить энергозатраты на сушку гипсокартона, добавляется меньше воды, что делает гипсовую смесь очень трудной в работе и перемешивании, что требует использования пластификаторов, водоредуцирующих добавок или диспергаторов. Некоторые исследования также показывают, что избыток диспергатора лигносульфонатов может привести к замедлению схватывания. Данные показали, что образовались аморфные кристаллические структуры, которые ослабляют механическое игольчатое кристаллическое взаимодействие в сердцевине, препятствуя формированию более прочной сердцевины. Сахара и хелатирующие агенты в лигносульфонатах, такие как альдоновые кислоты и экстрактивные соединения, в основном ответственны за замедление схватывания. Эти водоредуцирующие диспергаторы с низким диапазоном обычно производятся из лигносульфонатов – побочного продукта бумажной промышленности. Суперпластификаторы с широким диапазоном (диспергаторы) обычно производятся из сульфонированного нафталинового конденсата, хотя поликарбоксильные эфиры являются более современной альтернативой. Обе эти водоредуцирующие добавки используются в количестве 1/2 - 1/3 от количества лигносульфонатных. Традиционные пластификаторы на основе лигносульфоната и нафталинового сульфоната диспергируют агломерированные 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. Лигнин и нафталиновый сульфонат являются органическими полимерами. Длинные молекулы обволакивают частицы гипса, придавая им сильный отрицательный заряд, что вызывает их отталкивание друг от друга.
Энергетические материалы
Пиротехнические составы энергетических материалов, особенно твердые ракетные топлива и бездымные порохи для огнестрельного оружия, часто содержат пластификаторы для улучшения физических свойств связующего вещества или всего топлива в целом, для обеспечения дополнительного топлива и, в идеале, для повышения удельной энергии (например, удельного импульса, энергии на грамм топлива или аналогичных показателей). Энергетический пластификатор улучшает физические свойства энергетического материала, одновременно повышая его удельную энергию. Энергетические пластификаторы обычно предпочтительнее неэнергетических, особенно для твердых ракетных топлив. Энергетические пластификаторы снижают необходимую массу топлива, позволяя ракете нести большую полезную нагрузку или достигать более высоких скоростей, чем это было бы возможно в противном случае. Однако соображения безопасности или стоимости могут потребовать использования неэнергетических пластификаторов, даже в ракетных топливах. Твердое ракетное топливо, используемое в твердотопливных ускорителях космического шаттла, содержит HTPB – синтетический каучук – в качестве неэнергетического дополнительного топлива.