Вещества этой группы входят в рецептурный состав пластических масс и смешиваются с другими компонентами (гранулы и порошки полимера, пигменты и прочее), как правило, непосредственно перед переработкой в изделия.

Смазки необходимы для предотвращения прилипания изделия к поверхности формующего инструмента. При остывании расплава смазки мигрируют к поверхности изделия, образуя защитный антиадгезионный слой. Таким образом, по механизму действия они су­щественно отличаются от пластификаторов. Из сказанного также следует, что при расплавлении пластмассы вещества этой группы распределяются по всему объему расплава и, следовательно, влия­ют на его реологические свойства и, прежде всего, на эффективную вязкость, как правило, в сторону ее снижения.

Положительный эффект от введения смазок и реологических добавок наблюдается независимо от полярности полимера и степени растворимости в нем этих веществ.

В качестве смазок используют жирные спирты С₁₂ - С₂₂, жирные кислоты С₁₄ - С₁₈, их эфиры с жирными спиртами, эфиры парафиновых кислот, полиэтиленовые воска, твердые парафины С₇₀ - С₉₀ или их окисленные аналоги, содержащие окси- и карбонильные группы. Стеараты кальция или цинка кроме эффекта смазки оказы­вают еще и противоокислительное действие [5].

Для снижения вязкости расплавов служат полиэтиленовые воска, олеиновая или стеариновая кислоты и те же стеараты.

Неполярные смазки хорошо совмещаются с расплавами полиолефинов, влияя на реологические параметры. Жирные кислоты и их эфиры нерастворимы и используются только в качестве смазок наружного действия.

Количество смазок и реологических добавок не должно превы­шать минимально необходимого. Избыток таких добавок приводит к снижению прочности и химической стойкости пластмасс.

Пигменты и красители

Пигменты представляют собой тонкодисперсные порошки, как правило, неорганических нерастворимых красящих продуктов. Они, подобно дисперсным наполнителям, образуют с полимером гетерофазную систему. Пигменты могут вводиться в состав полимерного материала при его приготовлении непосредственно перед переработкой. В качестве пигментов используют диоксид титана, оксид цинка и хрома, кадмий, кобальт, оксиды железа, технический углерод и другие.

Количество порошковых пигментов в полимерном материале может достигать 2-5% и, следовательно, они влияют на физические свойства материала.

В качестве красителей используют сложные органические соединения, растворяющиеся в полимерах. Красители вводятся в расплав полимера, как правило, перед его грануляцией. Благодаря высокой красящей способности, их содержание в полимерах невелико и составляет 0,01-1 %, вследствие чего они не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на физико-механические свойства, определяя главным образом светопропускание. В отличие от пигментов красители сохраняют прозрачность полимеров. Типичными органическими красителями являются фталоцианин и хинокридоны.

Весьма перспективной для окрашивания полимерных материалов зарекомендовала себя технология концентратов и суперконцентратов. Суть ее состоит в производстве гранулятов и реже – порошков с повышенным содержанием пигментов и/или красителей. Принято называть составы, содержащие от 10 до 15 % пигментов, концентратами, а составы с 20-85 % красящих веществ – суперконцентратами (СК). Применение СК существенно упрощает операцию дозирования при окрашивании, улучшает санитарные условия процесса. Нередко в состав СК кроме красящих компонентов вводят стабилизаторы и различные целевые добавки.

Основной технологической операцией процесса приготовления СК красителей является смешивание (диспергирование) красителя и других возможных добавок (например, воска, выполняющего роль смазки) с термопластичным полимером, расплав которого является дисперсионной средой. Цель смешения заключается в достижении максимальной однородности композиционной среды.

Основным технологически оборудованием в данном процессе являются три различных типа экструдеров:

- одношнековые;

- двухшнековые со встречным вращением шнеков;

- двухшнековые с параллельным вращением шнеков.

Стабилизаторы и ингибиторы

Свойства полимерных материалов изменяются под влиянием внешних энерге­тических воздействий. При переработке из расплава на полимер воздействует внешнее тепловое поле и сдвиговые напряжения, при эксплуатации изделий - механические статические и переменные напряжения, световая радиация, возмож­но воздействие химически активной среды, в том числе кислорода воздуха. Все эти факторы приводят к ухудшению свойств полимеров, и, в ряде случаев, к утрате изделиями из пластмасс своих потребительских качеств. Процесс ухудшения фи­зических свойств полимерных материалов принято называть старением.

Причина этого явления заключается в деструкции макромолекул с последую­щим изменением физической структуры полимера. Таким образом, в полимере одновременно протекают два процесса - деструкция макроцепей с образованием свободных радикалов и структурирование в результате взаимодействия радика­лов с концами и фрагментами макромолекул. Роль стабилизаторов заключается в предотвращении развивающихся процессов деструкции.

Ингибиторы реагируют с образующимися свободными радикалами и предот­вращают дальнейшее структурирование полимера.

И стабилизаторы, и ингибиторы являются, если можно так выразиться, антистарителями полимеров.

Вводимые стабилизаторы называются антиоксидантами, тепловыми стабилизаторам и, биостабилизаторами, фотоантиоксидантами, абсорбентами УФ-излучения.

Как отмечалось выше, количество вводимых стабилизаторов составляет доли или единицы процентов. В связи с этим, важной технологической задачей процесса является достижение равномерного распределения стабилизатора по объему полимера. Используются различные методы введения стабилизаторов и среди них нижеследующие.

В процессе полимеризации- метод обеспечивает высокую равномерность распределения, что позволяет понизить эффективное содержание стабилизатора. Недостаток - возможность термодеструкции стабилизатора в тепловых условиях синтеза.

В расплаве полимера метод широко применяется в процессах производства полимерных материалов, поскольку позволяет точнее учесть условия эксплуатации по­лучаемых материалов. Стабилизатор вводят непосредственно в расплав, создавае­мый в пластицирующем оборудовании.

Использование полимерных концентратов стабилизаторов упрощает технологию их введения в композиты, однако требует согласования вида полимерных матриц концентрата и стабилизируемого продукта. Достоинство метода состоит также в том, что концентрат можно производить в виде порошков и гранул, являющихся самостоятельным продуктом.

Жидкие и порошкообразные стабилизаторы вводят в порошкообразный полимер. Процесс реализуется в скоростных смесителях, позволяющих улучшить равномерность распределения стабилизатора.

Антиоксиданты. Для термопластов наиболее часто используют алкилированные дифенолы, фосфиты, замещенные фенолы и ароматические амины. Номенклатура отечественных и зарубежных промышленных антиоксидантов насчитывает сотни торговых марок. Например: агидолы и алкофены; ирганоксы; неозоны .

Тепловые стабилизаторы - используются в полимерах с недостаточной термостабильностью в расплавленном состоянии. Обычно это бариевые, кальциевые или цинковые мыла жирных кислот.

Светостабилизаторы - защищают полимеры от фотохимического окисления. Чаще других применяются производные бензофенола, бензотриазола, акрилонитрила, а также органические производные никеля. Большинство современных коммерческих светостабилизаторов содержат 2,2,6,6-тетраметилпиридин.

Биостабилизаторы защищают полимерные материалы от воздействия грибков, водорослей, насекомых, грызунов и пр. Используют хлорированный феноксифенол, оксид трибутилолова, феноксаразины, хинолины меди. Главные требования к этой группе веществ - экологическая безопасность, отсутствие влияния на здоро­вье человека.

Антирады служат для повышения сопротивления полимерного материала ионизирующему, а также космическому излучению. В качестве антирадов используют ароматические углеводороды, фенолы, амины и другие вещества, способные рассеивать эти виды излучений, трансформируя их в тепло или в энергию флюоресценции.

Целевые добавки

Антистатики. Выпускаемые промышленностью полимеры являются диэлектриками. При изготовлении и эксплуатации изделий из полимеров на их поверхности возникают и накапливаются электрические заряды. Для предотвращения этого явления используются два основных приема. Первый - в полимер вводятся различные антистатические поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное сопротивление. Такие вещества в своем химическом строении имеют кратные связи (четвертичные аммониевые основания, амины и др.). Содержание вводимых антистатиков, как правило, не превышает 2 %.

Второй прием заключается во введении в полимерную матрицу электропроводящих наполнителей. Ими могут служить как металлы, так и их соединения (серебро, никель, медь). Требования к таким наполнителям: оптимальная дисперсность и отсутствие оксидной пленки на поверхности частиц.

Антисептики (антимикробные добавки) предотвращают развитие в полимерных материалах различных микроорганизмов, что особенно важно для изделий медико-биологического, пищевого назначения, а также для изделий, эксплуатирующихся в условиях тропического климата (требование тропикостойкости).

В качестве антисептиков используют органические соединения олова, меркаптаны, кремнефтористый натрий, тетрациклин, низин, ионы металлов. Одно перечисление состава добавок показывает, что их применение должно иметь веские основания, и подтверждено соответствующими документами качества. Содержание таких соединений в полимере измеряется долями процента.

Антипирены (замедлители горения) препятствуют горению полимерных материалов и относятся к важнейшим компонентам пластмасс [9]. Для снижения горючести применяют высоко- и низкомолекулярные соединения, органические и неорганические, содержащие фосфор, азот, галогены. Например, трехокись сурьмы, хлорпарафины, хлор-эндиковая кислота, эфиры фосфорных кислот, борат цинка, соединения сурьмы, изоцианаты. Учитывая, что антипирены не должны ухудшать свойства пластмасс, должны быть нетоксичными и не взаимодействовать как с полимером, так и с другими компонентами пластмассы, выбор добавок, уменьшающих горючесть, представля­ется весьма непростым делом, требующим серьезного научного и эксплуатационного обоснования.

Применение замедлителей горения является наиболее распространенным и эффективным способом снижения горючести полимерных материалов. Наряду с реакционноспособными замедлителями горения широко используют инертные или, как их часто называют, замедлители горения аддитивного типа. Они механически совмещаются с полимерным субстратом. В общем объеме потребления ЗГ доля инертных довольно значительна (80-85%). Инертные ЗГ способны экстрагироваться водой или моющими средствами, склонны к миграции, выпотеванию из материала. В процессе старения горючесть таких материалов возрастает. Эти недостатки являются причиной наблюдающейся тенденции к некоторому сокращению объема потребления инертных ЗГ по сравнению с реакционноспособными.

Существует несколько теорий действия ЗГ:

1) образование защитного слоя, предохраняющего материал от доступа кислорода, удерживающего летучие смолы, выделяемые в процессе горения, и препятствующего распространению пламени;

2) образование инертных газов (СО₂, NH₃>SO₂, HC1, пары H₂O и т. д.), снижающих концентрацию горючих газов ниже концентрации воспламенения;

3) образование частиц или молекул, способных обрывать цепи при горении по свободно-радикальному механизму;

4) образование катализаторов дегидратации, в результате чего при горении материала образуется в основном углерод и вода, а количество газов и смол значительно уменьшается. В целом действие антипиренов заключается либо в воздействии на пиролиз, либо в изменении механизма сгорания продуктов пиролиза.

Наиболее распространенными ЗГ являются: неорганические соединения, органические фосфор-, галоген- и азотсодержащие соединения, интумесцирующие системы и полимерные ЗГ.

Примерно половина общего количества антипиренов-добавок приходится на долю тригидрата оксида алюминия. Этот антипирен широко используется для снижения горючести термопластичных и термореактивных полимеров, особенно полиэфирных смол. При введении до 40% (масс.) Al₂O₃*3H₂O наблюдается заметное уменьшение скорости термической деструкции полиэтилена, полипропилена, АБС-сополимеров и поливинилхлорида. Менее эффективна эта добавка для полимеров, разлагающихся при сравнительно низких температурах, например, для полистирола. Снижение скорости деструкции полимеров в присутствии тригидрата оксида алюминия объясняется эндотермической дегидратацией последнего, в результате чего снижается температура конденсированной фазы и происходит разбавление газообразных продуктов деструкции полимера парами воды и заметно снижается образование дыма из полимерного материала.

Среди других неорганических замедлителей горения можно отметить сульфаты и бораты аммония, применяемые для целлюлозных материалов и действующие в основном в конденсированной фазе, хотя выделяющейся при разложении солей аммиак разбавляет горячую смесь газов. Однако растворимость солей аммония в воде ограничивает их применение.

Неорганические гидроксиды достигают устойчивого огнезащитного эффекта лишь при очень больших дозировках (более 50 %) и вследствие этого преимущественно используются в компаундах.

В качестве ЗГ используют кремнийсодержащие композиции,соли, окислы, гидроокиси и органические производные металлов. Большинство из них обладают низкой упругостью паров, что исключает присутствие в газовой фазе в нормальных условиях горения. В связи с этим замедляющие их действие чаще всего связано с процессами, протекающими в конденсированной фазе. Ингибирующее действие металлсодержащих соединений связывают с участием последних в катализе гибели активных центров – атомов и радикалов, ответственных за цепное развитие горения полимера.