Понимание пластификаторов: что это такое и как они используются в пластмассах?

Пластификаторы являются добавками, которые производят пластмассы, чтобы сделать их более гибкими, обрабатываемыми и долговечными. Они изменяют физические свойства полимеров, чтобы им было легко придавать различные формы для многих применений, таких как обертки или строительная арматура. В этой статье мы изучаем пластификаторы с научной точки зрения, рассматривая их химическую структуру, различные категории и то, как они влияют на эксплуатационные характеристики пластиковых изделий. Кроме того, мы рассматриваем нормативные аспекты и экологические проблемы, связанные с их использованием, тем самым давая полную картину пластифицирующих агентов для тех, кто хочет узнать больше о материаловедении и инженерии.

Что такое пластификаторы и как они работают?

Определение пластификаторов

Пластификаторы могут быть органическими или неорганическими веществами, которые включаются в полимеры для повышения их гибкости, мягкости и обрабатываемости. Они работают, встраиваясь между полимерными цепями, снижая межмолекулярные силы и обеспечивая более свободное движение. Это создает материал, который можно сгибать, растягивать или деформировать без разрушения, что делает их необходимыми для таких вещей, как пленки, покрытия и гибкие пластики. Эффективность пластификатора зависит от его химического состава, совместимости с полимером-хозяином и способности к миграции внутри матрицы с возрастом.

Механизм действия

Пластификаторы могут действовать в основном потому, что они могут изменять расположение молекул и межмолекулярные силы между полимерными цепями. Они заполняют пространство между цепями, тем самым предотвращая плотную упаковку полимерных сегментов и снижая температуру стеклования (Tg). Это позволяет полимеру быть более гибким при любой заданной температуре.

Пластификаторы также могут увеличивать свободный объем в матрице, вызывая большую сегментарную подвижность. Например, полярность, молекулярная масса и функциональные группы могут влиять на то, насколько хорошо определенный пластификатор взаимодействует с полимером и мигрирует внутри него. Эти принципы должны быть сбалансированы, поскольку слишком большая миграция может привести к потере пластификаторов, что ставит под угрозу конечный продукт Механические свойства. Такое понимание необходимо для улучшения эксплуатационных характеристик материалов среди инженеров или материаловедов для конкретных применений.

Распространенные приложения

Пластификаторы широко используются в различных секторах, поскольку они помогают сделать полимеры более гибкими и пригодными для обработки. Вот несколько важных применений:

1. Медицинские принадлежности: биосовместимый и стерильный пластифицированный ПВХ является стандартом для медицинских изделий, таких как трубки, пакеты для внутривенных вливаний и другие гибкие детали.
2. Строительные материалы: Пластификаторы повышают гибкость и срок службы таких продуктов, как виниловые напольные покрытия, настенные покрытия или водонепроницаемые мембраны, что делает возможным легкий монтаж во время строительства. Они также повышают долговечность.
3. Автомобильные детали: мягкие на ощупь компоненты, такие как приборные панели и уплотнители, используются в производстве, где они должны быть достаточно гибкими, чтобы не выходить из строя под воздействием окружающей среды.
4. Упаковка: Пластификаторы обеспечивают дополнительную сгибаемость или растяжение без разрыва гибких пленок/покрытий, используемых в упаковочных материалах.
5. Потребительские товары: Для обеспечения удобства и эстетической привлекательности синтетическая кожа (включая игрушки) и изоляция проводов зависят от содержания пластификатора.

Эти применения показывают, насколько универсальными могут быть пластификаторы в современном материаловедении и машиностроении.

Какие типы пластификаторов доступны?

Фталатные пластификаторы

Фталатные пластификаторы — это группа химических веществ, полученных из фталевой кислоты, которые обычно используются для изготовления таких пластмасс, как поливинил хлорид (ПВХ) более гибкие, прозрачные и долговечные. Они известны своей способностью снижать температуру стеклования полимеров, чтобы улучшить их перерабатываемость в различных приложениях. Наиболее распространенные фталаты включают ди(2-этилгексил)фталат (DEHP), ди-н-бутилфталат (DBP) и диизононилфталат (DINP). Несмотря на широкое применение, фталаты привлекли внимание из-за потенциальных рисков для здоровья и окружающей среды, что привело к ужесточению контроля за ними и замене многих приложений другими пластификаторами.

Варианты без фталатов

Нефталатные пластификаторы становятся более популярными, чем традиционные фталатные пластификаторы, из-за возросшего регулирования и потребительского спроса на более безопасные материалы. К ним относятся адипатные, цитратные или себацинатные типы с различными диапазонами совместимости и производительности. Например, в гибких ПВХ-приложениях часто используется ди(2-этилгексил)адипат (DEHA), который обладает превосходными низкотемпературными свойствами; триэтилцитрат (TEC) получают из возобновляемых ресурсов, поэтому его можно использовать в упаковке пищевых продуктов и медицинских приложениях без возникновения проблем с токсичностью, в то время как дибутилсебацинат (DBS) ценен, поскольку его высокая термостойкость делает его пригодным для использования при повышенных температурах, где другие типы слишком быстро испаряются или мгновенно разлагаются. Это изменение представляет собой значительный отход в материаловедении к устойчивому развитию в сочетании с улучшенными показателями безопасности во всем этом секторе.

Полимерные и вторичные пластификаторы

Полимерные пластификаторы, такие как поли(этиленгликоль) (ПЭГ) и поли(пропиленгликоль) (ППГ), имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными низкомолекулярными пластификаторами. Они демонстрируют лучшую совместимость и миграционную устойчивость в полимерных матрицах, повышая долговечность и производительность в различных приложениях. Эти материалы лучше всего подходят для систем, которым требуется высокая гибкость, таких как пленки, покрытия и клеи.

Напротив, вторичные пластификаторы обычно добавляются в рецептуры для изменения свойств первичного пластификатора, улучшая характеристики обработки и производительности. Минеральные масла и некоторые сложные эфиры входят в число этих соединений, которые могут значительно повысить гибкость, одновременно снижая твердость, не ставя под угрозу низкотемпературное поведение общей структуры полимеров.

Полимерные или вторичные — оба типа пластификаторов указывают на тенденцию к диверсификации в этой области, позволяя создавать больше вариантов в соответствии с конкретными требованиями к эксплуатационным характеристикам, установленными производителями, при этом по-прежнему учитывая воздействие на окружающую среду и опасность для здоровья, которую представляют традиционные пластификаторы.

Как пластификаторы используются в ПВХ?

Роль в гибком ПВХ

Гибкий поливинилхлорид (ПВХ) становится пригодным для использования с помощью пластификаторов, которые помогают в его производстве и применении, улучшая характеристики технологичности и конечные эксплуатационные характеристики. В гибких ПВХ-формах пластификаторы, такие как диоктилфталат (ДОФ), среди прочих, используются в основном для снижения температуры стеклования и повышения гибкости и эластичности. Это позволяет материалу соответствовать различным требованиям применения, от мягкости и эластичности, как медицинские трубки, к жестким, таким как напольное покрытие.

Механические свойства, термическая стабильность и устойчивость к влаге или ультрафиолетовому излучению, среди прочих воздействий окружающей среды, могут быть затронуты в зависимости от типа выбранного пластификатора. Также были разработаны альтернативы без фталатов с помощью усовершенствованной технологии, которые не ставят под угрозу стандарты производительности, но решают проблемы со здоровьем и окружающей средой, связанные с этими химикатами. Таким образом, наилучшее использование пластификаторов улучшит свойства, присущие гибкому ПВХ, и будет гармонировать с отраслями, переходящими к более безопасным материалам, которые являются экологически чистыми в больших масштабах.

Использование в медицинских приборах

Гибкие медицинские изделия из ПВХ изготавливаются с использованием пластификаторов, которые придают им гибкость, долговечность и биосовместимость. Они также повышают производительность этих изделий, так что их можно использовать с комфортом даже после того, как они подверглись многочисленным процессам стерилизации. В последнее время в медицину были введены нефталатные пластификаторы; этот шаг решил проблемы, связанные с правилами, и снизил риски, связанные с обычными пластификаторами. Эти изобретения более безопасны и соответствуют строгим стандартам здравоохранения, что делает мягкий поливинилхлорид надежным выбором для различных медицинских целей, таких как пакеты и трубки для внутривенных вливаний. Такие улучшения указывают на то, что в этом секторе всегда будут новые области исследований, поскольку исследователи стремятся найти лучшие комбинации, которые лучше всего подходят для различных применений, при этом соблюдая меры безопасности, необходимые для медицинских целей.

Применение в проводах и кабелях

Изоляция проводов и кабелей является неотъемлемой частью пластификаторов, которые могут сделать их более гибкими и работать в различных условиях окружающей среды. Производители могут производить кабели, которые можно сгибать и которые устойчивы к истиранию, теплу и влаге, добавляя пластификаторы в поливинилхлоридные (ПВХ) составы. Это очень важно для приложений, которые проходят через узкие пространства или подвергаются воздействию погодных условий. Современные нефталатные пластификаторы все чаще используются для соответствия стандартам безопасности без ущерба для требуемых электрических свойств. Такой переход решает проблемы со здоровьем и отвечает новым тенденциям спроса на экологически чистые материалы в отрасли проводов и кабелей. Постоянно прилагаются усилия по повышению долговечной прочности и термостойкости размягченного ПВХ в отношении проводов и кабелей, чтобы они могли выдерживать суровые условия, создаваемые современными электрическими или электронными системами, лучше, чем когда-либо.

Как выбираются пластификаторы для индивидуального производства пластика?

Критерии отбора

При выборе пластификаторов для индивидуального производства пластмасс необходимо учитывать несколько важных факторов, чтобы обеспечить наилучшую производительность, безопасность и соответствие нормативным стандартам.

1. Совместимость: выбранный пластификатор должен быть совместим с используемым полимером. Это обеспечивает правильную обработку и желаемые физические свойства конечного продукта. Он также влияет на дисперсию пластификаторов по всей матрице, влияя на гибкость, долговечность и механическую прочность.
2. Токсикологический профиль: Производители должны оценить воздействие на здоровье и окружающую среду, вызванное различными типами пластификаторов. Нетоксичные варианты, не основанные на фталатах, все чаще востребованы для снижения рисков, связанных с ними среди рабочих или конечных пользователей. Оценка потенциала миграции таких соединений и общей химической безопасности имеет решающее значение, особенно при использовании для материалов, контактирующих с пищевыми продуктами, или медицинских устройств.
3. Эксплуатационные свойства: Гибкость, ударопрочность и термическая стабильность являются ключевыми эксплуатационными характеристиками, которые должен улучшать выбранный пластификатор. Это справедливо как для строительной отрасли, так и для автомобильной промышленности или сектора потребительских товаров, где существуют различные температурные условия вместе с определенными напряжениями, связанными с этими применениями.
4. Соответствие нормативным требованиям: Соблюдение местных и международных правил является обязательным. Пластификаторы должны соответствовать промышленным нормам, чтобы гарантировать безопасность при использовании, особенно в сфере здравоохранения, где очень строгие правила диктуют, что можно использовать.
5. Экономическая эффективность: Помимо безопасности при эффективной работе, необходимо также учитывать общие финансовые последствия использования конкретного пластификатора. Это означает, что производители должны найти баланс между качеством и ценой, тем самым делая свои инвестиции оправданными с точки зрения рентабельности в процессе производства.

Эти критерии обеспечат удовлетворение технических потребностей и помогут достичь целей устойчивого развития, поставленных различными отраслями промышленности, задействованными в этом секторе по всему миру.

Совместимость с полимерами

Совместимость с полимерами является одним из самых важных факторов, которые следует учитывать при выборе пластификаторов, поскольку она влияет на то, насколько хорошо материал будет работать после пластификации. Взаимодействие между полимерной матрицей и пластификатором может влиять на механические свойства, термическую стабильность и срок службы.

1. Типы полимеров: Различные типы полимеров имеют разный уровень совместимости с пластификаторами, поэтому это должно определять их выбор. Например, фталаты совместимы с ПВХ, поскольку они делают его более гибким, не меняя при этом существенно другие механические свойства.
2. Выщелачивание и миграция: способность к выщелачиванию должна рассматриваться во время использования в рамках данного исследования. Совместимые пластификаторы демонстрируют низкую выщелачиваемость, особенно в пищевых или медицинских применениях, чтобы предотвратить потерю физических характеристик с течением времени из-за загрязнения или любых других средств.
3. Методы смешивания: Метод смешивания, используемый для введения этих химикатов в пластмассы, также может влиять на их совместимость. Правильное смешивание должно обеспечивать равномерное распределение по всему полимеру, что необходимо для желаемых характеристик.

Производители должны понимать такие параметры совместимости, чтобы оптимизировать эксплуатационные характеристики материалов и при этом соблюдать нормативные требования в конкретных секторах.

Эксплуатационные характеристики

Различные механические свойства пластифицированных материалов зависят от механической прочности, термической стабильности и удлинения при разрыве.

1. Механическая прочность: Пластифицированные полимеры обычно более гибкие и устойчивые к ударам. Например, ПВХ можно сделать более прочным на разрыв, добавив диоктилфталат (ДОФ), что также улучшает его обрабатываемость.
2. Термическая стабильность: способность пластифицированного материала противостоять изменениям размеров, вызванным теплом, имеет важное значение во многих приложениях, где происходят колебания температуры. Таким образом, различные тепловые среды могут влиять на температуру стеклования полимера (Tg) в зависимости от типа используемого пластификатора, тем самым изменяя его поведение.
3. Удлинение при разрыве: Пластификаторы делают материалы менее хрупкими, тем самым увеличивая их устойчивость к разрыву под действием нагрузки. Изделия, которые должны восстанавливать форму после многократного напряжения или деформации, должны обладать этим свойством.

Поэтому производители должны учитывать эти характеристики при проектировании и использовании этих материалов, чтобы они не только отвечали функциональным потребностям, но и соответствовали нормативным стандартам.

Каково воздействие пластификаторов на окружающую среду?

Миграция пластификаторов

Миграция пластификаторов относится к тому, когда эти добавки перемещаются или вымываются из полимерной матрицы в окружающую среду или изделия. Этот процесс становится очень серьезным, если мы учитываем безопасность и экологические последствия вещей, которые стали мягче под воздействием химикатов. Изменения температуры, уровни влажности и типы материалов, контактирующих с полимерами, являются одними из многих факторов, которые могут привести к миграции, согласно различным исследованиям, проведенным по этой теме. Миграция может привести к снижению механических свойств, поставить под угрозу структурную целостность и вызвать риски воздействия вредных веществ. Многие регулирующие органы по всему миру устанавливают ограничения на миграцию пластификаторов, в основном в упаковочных материалах для пищевых продуктов и детских товарах, чтобы контролировать опасность для здоровья, обеспечивая при этом соблюдение стандартов безопасности. Производителям необходимо знать, как перемещаются пластификаторы, поскольку это поможет им производить более безопасную продукцию, соответствующую требованиям законодательства.

Деградация и биоаккумуляция

Существует несколько способов расщепления пластификаторов в полимерных матрицах: гидролиз, окисление и термическая деградация. Каждый метод может преобразовать пластификатор в крошечные фрагменты, которые могут быть опасны при попадании в окружающую среду. Со временем эти химикаты накапливаются в живых организмах; это называется биоаккумуляцией и может быть очень вредно для животных или экосистем. Следует также отметить, что любое вещество, которое накапливается в организме, может нарушить его эндокринную систему, снизить показатели фертильности и навсегда нанести вред разнообразию видов. Такое законодательство, как REACH (разрешение на регистрацию и оценку химических веществ) в Европейском союзе, требует тщательного изучения воздействия пластика на окружающую среду, подталкивая к более экологичным альтернативным материалам, при этом продолжая действовать как пластификаторы. Производители должны знать пути разложения наряду с их биоразлагаемым потенциалом, чтобы минимизировать опасности и сэкономить расходы, связанные с экологически опасными продуктами во время обработки.

Воздействие на дикую природу

Влияние пластификаторов на животных многогранно, в основном потому, что они могут проникать в различные среды обитания и вмешиваться в жизненные процессы. Исследования показали, что пластификаторы нарушают эндокринную систему водных организмов, что приводит к порокам развития, нарушению воспроизводства и ненормальному поведению. Воздействие фталатов снижает фертильность и вызывает ненормальное репродуктивное развитие у видов рыб. Наземная фауна не остается в стороне; посредством проникновения в пищевую цепочку, которая в основном влияет на существ, зависящих от загрязненных источников воды или охотящихся на них, пластик уничтожает дикую природу. Этот процесс биоаккумуляции может привести к огромному сокращению численности популяции и утрате биоразнообразия, тем самым дестабилизируя баланс экосистем. Чтобы спасти наших собратьев от этих неблагоприятных воздействий, вызванных пластиком, необходимо регулировать его использование и находить безопасные способы его утилизации. Знания по этому вопросу должны быть усвоены политиками, которые стремятся к устойчивости в отношении сохранения разнообразия наряду с инициативами экологической безопасности со стороны экологов, работающих над достижением таких целей в более широких общественных контекстах.

Справочные источники

Фталаты

Пластификатор

Поливинил хлорид

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Что такое пластификатор?

A: Пластификатор — это добавка, которая увеличивает способность пластикового материала к изгибу, работе и износостойкости. Пластификаторы используются во многих секторах для улучшения свойств пластика.

В: Безопасны ли пластификаторы?

A: Безопасность пластификаторов во многом зависит от их типа и назначения. Некоторые пластификаторы, такие как фталаты, вызывают опасения по поводу рисков для здоровья, в основном из-за их потенциального воздействия на эндокринную систему; однако многие правительства регулируют эти вещества так, что могут использоваться только те, которые подходят для определенных применений, таких как упаковка продуктов питания или игрушки.

В: Перечислите некоторые распространенные примеры пластификаторов.

A: К общеизвестным типам относятся фталевые эфиры (такие как диизононилфталат и дибутилфталат), алифатические эфиры и полимерные эфиры, среди прочих, каждый из которых служит различным целям повышения гибкости и долговечности различных полимерных материалов.

В: Как в изделиях из ПВХ используются пластификаторы?

A: Добавление пластификатора делает поливинилхлорид (ПВХ) более гибким и обрабатываемым в процессе производства. Вот почему кабели, напольные покрытия или медицинские приборы часто содержат эти соединения.

В: Почему строительные материалы изготавливаются с использованием пластификаторов?

A: Пластификаторы добавляются в строительные материалы для улучшения их производительности и долговечности. Например, герметики становятся более эластичными с дополнительной пластичностью, что делает их менее склонными к растрескиванию даже при экстремальных температурах, в то время как покрытия приобретают универсальность в различных погодных условиях.

В: Какое влияние оказывает использование пластификаторов на здоровье человека?

A: Есть некоторые пластификаторы, в частности, несколько фталатов, которые связаны с эндокринными нарушениями и репродуктивными проблемами. Крайне важно контролировать и контролировать эти вещества, поскольку они могут представлять потенциальный риск для здоровья людей через прямой контакт с людьми через косметику или упаковку продуктов питания.

В: Что следует учитывать при выборе пластификатора?

A: При выборе пластификаторов важно учитывать такие факторы, как совместимость с полимерным материалом, желаемая гибкость, долговечность, аспекты безопасности и нормативные требования, среди прочего. Решение о том, какой тип пластификатора использовать, может существенно повлиять на производительность и безопасность конечного продукта.

В: Можно ли использовать пластификаторы в упаковке пищевых продуктов?

A: Да, но они должны строго соответствовать требованиям безопасности и не представлять угрозы для здоровья людей, которые контактируют с такими контейнерами. После многочисленных испытаний и оценок эти конкретные типы были объявлены безопасными для использования в веществах, в которых хранятся съедобные продукты.

В: Что вы понимаете под полимерными пластификаторами?

A: Это длинноцепочечные молекулы, добавленные к полимерам, таким как ПВХ, чтобы стать гибкими и прочными одновременно. По этой причине они нелегко мигрируют из материалов, что делает их подходящими для применений, где требуется долгосрочная стабильность в сочетании с низкими рисками для здоровья.

В: Как пластмассы изменяют свои свойства под воздействием добавок?

A: Присадки проникают между полимерными цепями, уменьшая межмолекулярные силы и увеличивая подвижность внутри них. Это приводит к более гибким, жестким и обрабатываемым пластиковым материалам для различных целей.