Важнейшие пластмассы, используемые в пищевой промышленности

Термопластичные пластмассы

Полиэтилен. Основой служит получаемый полимеризацией под давлением карбоцепной полимер (-CH₂-CH₂-)_n. В зависимости от температуры и давления при изготовлении степень «кристалличности» меняется от 50 до 90 %. Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) имеет степень кристалличности – 50-60 %, удлинение d до 700 %, разрушающее напряжение при растяжении - s_в 8-16 Мпа. Полиэтилен низкого давления (ПЭНД) имеет степень кристалличности 80-90 %, s_в –21-28 Мпа, d-200 %.

Температуры эксплуатации полиэтиленов от –70⁰С до +60-90⁰С. Он обладает хорошей водостойкостью (но в тонких слоях пропускает воздух), отличается хорошей стойкостью к разбавленным кислотам и щелочам, хорошими диэлектрическими характеристиками. Изделия из полиэтилена выпускаются в форме готовых изделий (труб, ёмкостей), а также в виде листов и плёнок. Чистый полиэтилен, не подвергавшийся облучению, является экологически безвредным. Его широко используют при переработке, хранении и упаковке пищевых продуктов.

Полипропилен получается методом поликонденсации пропилена. Он более прочен, чем полиэтилен (s_в до 25-40 Мпа), может работать до более высоких температур (120-150⁰С), но он менее морозостоек (до –30⁰С). Полипропилен применяют для изготовления труб, пленок, синтетических волокон, бытовых и технических тканей.

Фторопласты. Фторопласт-3 (полифторхлорэтилен) обладает высокими электроизоляционными свойствами, хорошей химической стойкостью и теплостойкостью (охрупчивается лишь при температурах ниже –120₀С). Применяют для электроизоляционных деталей, коррозионно-стойких труб, мембран.

Фторопласт-4 (тетрахлорэтилен, торговое название тефлон). Обладает исключительно высокой стойкостью против любых растворителей, низким коэффициентом трения, хорошими диэлектрическими свойствами. Область рабочих температур от –269 до +260⁰С. Применяют для нанесения стойких защитных покрытий на металлические изделия, для изготовления подшипников, допускающих непосредственный контакт с пищевыми продуктами, и др. изделий. В частности, в хлебопекарной промышленности его используют для нанесения покрытий на формы для выпечки хлеба, а также на тесторазделочных линиях. Из него изготавливают сильфоны и различные прокладки, пробки, используемые при изготовлении безалкогольных напитков. Применяют его для изготовления деталей центробежных насосов молочной промышленности и для многих других целей.

Недостатком фторопласта-4 является низкая твёрдость и низкая адгезия (склонность к отслоению покрытий), поэтому его наносят на поверхность изделий, предварительно покрытых затвердевшими каплями алюминия.

Поливинилхлорид выпускается в пластифицированной форме (пластикат) и без пластификации (жесткий винипласт). Винипласт выпускают в форме листов, труб, штампованных изделий. Служит он в качестве антикоррозионных покрытий. Используется в качестве упаковочного материала пищевых продуктов, лекарств, в качестве футеровочного материала вентиляционных коробов в зернохранилищах.

Пластикат обладает стойкостью против старения (при 70⁰С может работать более 1000 часов), он морозостоек до –40, –50⁰С, влагонепроницаем, негорюч, устойчив против действия бензина и масел. Применяют для изготовления труб, изоляции кабелей, изготовлении линолеума и др. изделий.

Полиамиды – стойки против воздействия щелочей, жиров, имеют хорошие антифрикционные свойства, отличаются высокой прочностью при ударных нагрузках. Наибольшее промышленное использование получили капрон, нейлон. Высокая удельная прочность в них сочетается с высокой коррозионной стойкостью. Они имеют очень широкий спектр областей применения. В частности их широко используют при изготовлении различных деталей мельничного оборудования, для различных деталей машин, имеющих контакт с мукой, манной крупой. В качестве упаковочного материала используют при расфасовке жиров, в качестве оболочек колбасных изделий и др.

Термореактивные пластмассы

Термореактивные пластмассы делятся на порошковые, волокнистые (с наполнителями в форме волокон) и слоистые пластики (упрочняемые листовыми наполнителями). К числу порошковых термореактивных пластмасс относится антегмит – смесь фенолформальдегидной смолы с графитовым порошком. Он обладает достаточно высокой прочностью (s_в @ 180 – 200 Мпа), высокой теплостойкостью (до 170⁰С) и устойчивостью в средах повышенной агрессивности. Используется в качестве футеровочного материала (в форме плитки), а также как антифрикционный материал.

Из волокнистых термореактивных пластмасс следует отметить фаолиты (или кислотостойкие пластмассы). Фаолиты делятся на Фаолит-А (наполнителем служат волокна асбеста) и Фаолит-Т (наполнителем является смесь волокон асбеста и графита). Прочность фаолитов колеблется от 125 до 380 Мпа, область рабочих температур до 120⁰С. Их кислотостойкость в HCl составляет 3 года, в H₂SO₄ –3-4 года, в лимонной кислоте –2 года. Устойчивы фаолиты также в уксусной, щавелевой и молочной кислотах. Нестойки - в азотной кислоте, ацетоне, спирте.

В пищевой промышленности фаолиты используется как футеровочный материал для различных ёмкостей, в ректификационных колоннах, оросительных холодильниках, насосах, для различных деталей в аппаратах, работающих под избыточным давлением, для различных изделий, контактирующих с атмосферами хлора, а также для теплоизоляции.

Текстолит (пластмасса с листовым наполнителем из текстильной ткани). Прочность меняется от 80 до 100 МПа, рабочие температуры – от –60⁰С до +100⁰С. Обладает хорошей водостойкостью, стойкостью к бензину и маслам, высокой износостойкостью, хорошо поглощает вибрацию. Используется для изготовления различных трущихся деталей (подшипники, шестерни, кулачки). В цехах по изготовлению макаронных изделий, где предъявляются высокие требования к санитарно-гигиеническому состоянию оборудования, для облицовки помещении. Изделия в установках для подогрева воды и др.

Гетинаксы (пластмасса с листовым наполнителем из бумаги). Прочность порядка 80-100 Мпа, устойчивы против действия жиров, минеральных масел, уксусной и разбавленной соляной кислот. В сильных кислотах и щелочах неустойчивы. В пищевой промышленности, в частности хлебопекарной и макаронной используются в качестве декоративно-отделочного материала при облицовке разделочных столов и других узлов оборудования. Он водостоек, хорошо моется, что важно для поддержания санитарно-гигиенических условий в производственных помещениях.

В радиотехнической и телевизионной промышленности гетинаксы широко используются при изготовлении печатных схем, в различных программных и счётно-решающих устройствах.

Пористые пластмассы. Среди различных изоляционных материалов (теплозащитных, вибро- и шумопоглощающих) широко используются так называемые газонаполненные пластики (пенопласты, в которых наполненные газом ячейки не сообщаются между собой, и поропласты – с сообщающимися между собой газонаполненными ячейками).

К числу пористых пластмасс относятся пенополистирол, пенополиуретан, различные фенопласты. Эти материалы обладают низкой плотностью – от 20 до 300 кг/м³. Пенополистирол обладает высокой химической стойкостью, не гниёт, стоек к действию грибков и бактерий, не повреждается грызунами. Указанные свойства позволяют эффективно использовать его в зернохранилищах и на мельничных комбинатах. Но широкое использование пенопластов на элеваторах сдерживается пока их сравнительно высокой стоимостью.

Пенополистирол используется как термоизоляционный материал в области температур до 60 – 70⁰С. Его теплопроводность равна 0,0326 Вт/м. К и близка к теплопроводности воздуха. Пенополистирол хорошо амортизирует ударные нагрузки, его широко используют в качестве упаковочного материала. Недостатком является присутствие горючего порообразователя (изопентана). Для снижения горючести к нему добавляют оксид сурьмы.

Среди эластичных пенополиуретанов наиболее часто используется поролон. Его плотность меняется от 25 до 50 кг/м³. Он является хорошим тепло- и звукоизолятором, а также амортизатором. В качестве тепловой изоляции работает как при низких температурах (до –196⁰С), так и при повышенных температурах (до 120⁰С).

Особо следует отметить пенопласт – мипору, которая обладает исключительно малой плотностью (20 кг/м³, что в 10 раз легче пробки). Обладает хорошей стойкостью против горения. Широко используется для теплоизоляции холодильных установок, шумопоглощения в различных теле- и радиостудиях. Целесообразно использовать в цехах по расфасовке сыпучих продуктов (круп, сахара и др.).

Разновидности плёночных пластмассовых материалов

Помимо ранее упоминавшихся плёночных материалов из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида и полистирола, выпускаются промышленностью специальные плёнки с высокой химической стойкостью (поливинилкарбазол, работает до 120⁰С), полиарилатные плёнки (термостойкие до 150 – 200⁰С). Наиболее высокой термостойкостью обладают полиимидные плёнки (работают в температурном интервале от –269 до +300⁰С, а отдельные виды, например, плёнка марки ПМ кратковременно стойка до 500⁰С). Эта пленка при комнатной температуре не меняет свои свойства в течение 10 лет, при 300⁰С – 1 год, а при 350-400⁰С – 1 месяц. Она негорюча и сохраняет гибкость при криогенных температурах.

Резины

Резинами называют высокоэластичные материалы, изготовленные из каучуков (натуральных и синтетических) с добавками серы и других связующих элементов.

Каучуки – это полимеры с линейной, либо разветвлённой структурой макромолекул. Процесс переработки каучуков в резину называется вулканизацией. При этом процессе структура макромолекул переходит в сетчатую форму. Степень сетчатости полимера зависит от количества добавляемой серы. Соответственно с этим меняются и эластичные свойства резины. При добавлении 5-10 % серы образуется редкосетчатая структура каучуков и получается обычная эластичная резина. Если же добавки серы достигают 30 %, формируется густосетчатая структура, эластичные свойства исчезают, и получается жёсткий материал называемый эбонитом.

При вулканизации, помимо серы, добавляют ускорители (полисульфиды, оксиды свинца и др. добавки), а также пластификаторы (стеарин, вазелин, растительные масла), антиоксиданты, замедляющие процесс старения (воск, парафин) и наполнители (мел, тальк, старая измельчённая резина) для удешевления стоимости резины.

Маркируются резины начальными буквами каучуков, являющихся их основой: НК – натуральный каучук, СКБ – синтетический бутадиеновый каучук, СКС – бутадиен-стирольный каучук, СКН – бутадиен-нитрильный каучук, СКИ – изопреновый каучук.

Прочность различных марок резины колеблется от 5-8 МПа до 40-42 МПа, а эластичность от 700-800 % до 350-400 %, соответственно.

По назначению резины делятся на резины общего и специального назначения. Резины общего назначения работают в воде, на воздухе, в слабых растворах щелочей и кислот. Температурный интервал их работы для различных марок меняется от –50⁰С до +130⁰С.

К резинам общего назначения относят НК, СКБ, СКС, СКИ. Из них изготавливают шины, ремни, транспортёрные ленты, изоляцию кабелей, различные резинотехнические изделия.

Резины специального назначения делят на маслобензостойкие, химически стойкие, теплостойкие и химически термостойкие.

К маслобензостойким резинам относят: 1) наирит (название торговой марки хлоропреновых каучуков). Его s_в = 20-25 Мпа, d = 750 %, рабочая температура от –35⁰С; 2) СКН – бутадиен-нитрильный каучук, рабочие температуры от –45⁰С до 130-170⁰С, s_в = 26 Мпа.

К химически стойким резинам относят тиокол (резина на основе полисульфидного каучука), рабочая температура от –40⁰С до 60⁰С, высокая стойкость по отношению к щелочам и кислотам. В пищевой промышленности используется в качестве различных уплотнителей-герметиков.

Теплостойкая резина СКТ – на основе кремнийорганических каучуков имеет прочность от 3 до 8 Мпа, d = 350 %, но интервал её рабочих температур от –70⁰С до 250 – 300⁰С. В пищевой промышленности используется в качестве различных уплотнительных и компенсационных соединений в теплообменных аппаратах, работающих при повышенных температурах.

Химически термостойкая резина – СКФ (на основе фторсодержащих каучуков) – стойка в маслах и различных растворителях при температурах до 300⁰С, допускает непосредственный контакт с пищевыми продуктами.

Стекло

Стеклом называют твёрдые, прозрачные, аморфные материалы. Стекла делятся на органические и неорганические.

Органическое стекло (о.с.) является одной из разновидностей пластмасс. Основой его является органический полимер (полиметилметакрилат).

Отличительной особенностью о.с. является его лёгкость (плотность 1,18-1,19 г/см³), высокая удельная прочность, хорошая стойкость по отношению к ударным нагрузкам (хрупкость отсутствует до температур –60⁰С), хорошими диэлектрическими свойствами. О.с. пропускает до 90-92 % ультрафиолетового излучения, неорганические стёкла пропускают лишь 1-3 %.

Для повышения стойкости о.с. против растрескивания его подвергают растяжению в размягченном состоянии (нагретом до 130-140⁰С) в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Это приводит к повышению ударной вязкости в 7-10 раз.

Используется о.с. при изготовлении ограждений осветительной аппаратуры, защитных щитков на станках и т.п. В автомобильной промышленности применяют для изготовления безосколочного стекла триплекс, когда два слоя неорганического стекла склеиваются со слоем о.с.

Триплексы в пищевой промышленности используются для изготовления различных смотровых окон в аппаратах, работающих при умеренных температурах, но повышенных давлениях.

Неорганическое стекло

Основой неорганических стёкол являются затвердевшие расплавы смесей различных оксидов. Оксиды делятся на стеклообразующие (SiO₂, GeO₂, B₂O₃) и модифицирующие, т.е. меняющие свойства (Na₂O, K₂O,CaO, BaO и др.). В зависимости от соотношения концентраций тех или иных оксидов, меняются свойства различных марок стёкол. Введение оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов снижает прочность, термо- и химическую стойкость стёкол, но облегчает технологичность их производства. Введение оксидов Al₂O₃, TiO₂, BaO, PbO и др. металлов значительно повышают указанные свойства. Так, для обычного силикатного стекла, содержащего только оксиды кремния и щелочных, либо щелочно-земельных металлов, температура размягчения стекла –700-790⁰С, термостойкость до 80-100⁰С, а для кварца (практически чистый –99,5 % SiO₂) эти характеристики повышаются до 1000-1200⁰С. В стёклах марок Мазда и №31, с пониженным содержанием оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов, термостойкость повышается до 150-185⁰С.

Механическая прочность различных марок стекол (на сжатие) колеблется в пределах 400-700 Мпа (прочность на растяжение почти на порядок ниже –50-100 Мпа). Стекла отличаются высокой хрупкостью. Для повышения механических свойств используют различные способы их поверхностного упрочнения путём химической, термической и термомеханической обработок.

По назначению неорганические стекла делятся на: 1) ходовые (бутылки, банки, бытовые зеркала и др.), 2) строительные (оконное, витринное, стеклоблоки), 3) технические (оптическое, электротехническое, химико-лабораторное, приборное, трубное) и др.

Помимо вышеописанных марок стекол, широко используется пеностекло, получаемое путем введения в неорганические стекла вспенивающих добавок (мела, кокса и др.). Пеностекло имеет малую плотность, хорошую тепло- и звукоизолирующую способность, высокую химическую стойкость. В пищевой промышленности используется в качестве теплозащитных и шумопоглощающих экранов, а также для изготовления различного рода фильтров.

Стеклокристаллические материалы – ситаллы

Ситаллы изготавливают на основе неорганических стекол, путем их полной, или частичной кристаллизации при введении специальных добавок. В отличие от неорганических стекол, свойства которых определяются химическим составом, для ситаллов главным фактором, регулирующим свойства, является структура, определяемая количеством и дисперсностью добавляемой кристаллической фазы. При изготовлении ситаллов добавляют либо оксиды (SiO₂, Al₂O₃, P₂O₅, NaF, и др.), либо чистые металлы (Ag, Au, Pt). Доля кристаллической фазы в ситаллах может меняться от 60 до 95 %, а размер кристаллов близок к 1-2 мкм.

По типу вводимых кристаллизаторов ситаллы делятся на термоситаллы (вводят оксиды) и фотоситаллы (указанные чистые элементы). Причем кристаллизацию термоситаллов проводят путем нагрева стёкол до температур 400-600⁰С, а кристаллизацию фотоситаллов – путем освещения их ультрафиолетовыми лучами.

Термоситаллы обладают прочностью (s_в на сжатие достигает 1000-2000 Мпа), невысокой плотностью (их плотность r = 2,4 - 2,7 г/см³), хорошей химической устойчивостью, низкими коэффициентами трения, высокой термостойкостью (до 700-800⁰С).

В пищевой промышленности термоситаллы используют для изготовления подшипников, допускающих непосредственный контакт с пищевыми продуктами, цилиндров и поршней в различных термообменных аппаратах. Их целесообразно использовать для футеровки трасс при расфасовке сыпучих продуктов.

Фотоситаллы используют при изготовлении различных фотоэлементов, различных деталей в радиоприборах и др., для деталей контрольно-измерительной аппаратуры.

Вопросы для самоконтроля по теме

1. Какие пластмассы наиболее широко используют в пищевой промышленности?

2. На какие группы делят резины по назначению?

3. Каковы различия органических и неорганических стекол.

4. Каковы преимущества и недостатки тефлона как конструкционного материала?

Дата добавления: 2015-07-25