Wykład - POLIMERY I TWORZYWA SZTUCZNE

Tworzywami sztucznymi (inaczej masy plastyczne), to materiały oparte na wielkocząsteczkowych związkach organicznych zwanych polimerami, otrzymywanych drogą syntezy chemicznej, w wyniku procesów zwanych ogólnie polireakcjami.

Podstawowe pojęcia:

§                Mery (monomery) – cząsteczki podstawowe, powtarzalne wielokrotnie w budowie polimerów.

§                Polimer jest związkiem wielkocząsteczkowym, zbudowanym z dużej liczby powtarzających się i połączonych za sobą identycznych elementów podstawowych, zwanych merami lub jednostkami strukturalnymi.

§                Polireakcje – reakcje chemiczne powstania polimerów, mogą się one odbywać trzema sposobami: polimeryzacja, polikondensacja, poliaddycja.

A. Polimeryzacja - proces łączenia ze sobą wielu cząsteczek monomeru. Masa cząsteczkowa stanowi zawsze wielokrotność masy cząsteczkowej monomeru. Reakcja chemiczna bez wydzielania się produktów ubocznych.

Do grupy tej należą:

·         Polichlorek winylu (PCV)

·         Polistyren (PS)

·         Polioctan winylu (POW)

·         Polietylen (PE)

·         Polimetakrylan metylu (PMM)

·         Polipropylen (PP)

·         Poliizobutylen (PIB)

·         Policzterofluoroetylen (teflon)

B. Polikondensacja – reakcja, w wyniku której z dwóch lub więcej monomerów powstaje nowy związek o większej masie cząsteczkowej z jednoczesnym wydzielaniem się produktów ubocznych, jak np.: woda, amoniak, chlorowodór. W wyniku polikondensacji otrzymuje się związki o budowie bezpostaciowej.

Do grupy tej należą:

·         Poliestry (PES)

·         Poliamidy (PA)

·         Poliwęglany (PC)

·         Silikony

·         Fenoplasty (np. fenolowo-formaldechydowe)

·         Aminoplasty (np. melaminowe, mocznikowe, itp.)

C. Poliaddycja – polireakcja stopniowa, w której biorą udział dwa różne monomery. Powstawaniu makrocząsteczki towarzyszy przegrupowanie atomów monomeru bez wydzielania się produktów ubocznych. Produkty poliaddycji mają ten sam skład chemiczny co monomery, różnią się jednak od nich budową.

Do grupy tej należą:

·         żywice epoksydowe

·         żywice poliuretanowe

Żywice te znajdują zastosowanie w budownictwie jako: kleje, kity chemoodporne, masy posadzkowe chemoodporne, lakiery i emalie.

PODZIAŁ TWORZYW SZTUCZNYCH ZE WZGLĘDU NA SPOSÓB POWSTAWANIA

Ze względu na sposób powstawania związków wielkocząsteczkowych i charakter procesów chemicznych, wszystkie tworzywa oparte na tych związkach dzieli się na:

·         Naturalne związki wielkocząsteczkowe występujące w przyrodzie (roślinne lub zwierzęce), np.: celuloza, skrobia, lignina, białko, mleczko kauczukowe (lateks) i inne

·         Związki wielkocząsteczkowe otrzymywane z polimerów naturalnych w wyniku modyfikacji prowadzącej do chemicznej zmiany właściwości polimerów naturalnych, np.: nitroceluloza (celuloid), białka utwardzalne (galalit), guma, ebonit i inne.

·         Syntetyczne, otrzymywane w wyniku reakcji chemicznych z  małocząsteczkowych związków, zwanych monomerami – polimeryzacyjne, polikondensacyjne, poliaddycyjne.

Polimer składający się tylko z jednego rodzaju merów nazywamy homopolimerem, a taki, który składa się z więcej rodzajów merów - hopolimerem.

Wyróżniamy dwa rodzaje polimerów biorąc pod uwagę ich właściwości użytkowe i technologiczne:

·         Elastomery- tworzywa o wydłużeniu pow. 100%. Są to polimery prawie liniowe, o małej gęstości sieciowania. Wiązania sieciowe sprawiają, że materiał powraca do kształtu pierwotnego po zdjęciu obciążenia. Np.: kauczuk naturalny, syntetyczny oraz produkty ich przeróbki

·         Plastomery- polimery o wydłużeniu poniżej 100%. Po nałożeniu niewielkiego obciążenia, nieznacznie się odkształcają. Dwa typy plastomerów ze względu na zachowanie przy ogrzewaniu:

·         Termoplasty (amorficzne i krystaliczne)

·         Duroplasty ( termo- i chemoutwardzalne)

Termoplasty odznaczają się zwykle budową liniową, łatwo miękną podczas ogrzewania i twardnieją po ostygnięciu. Nawet używane wiele razy nie ulegają degradacji chemicznej ani zanikowi plastyczności i zdolności do formowania, co daje możliwość przetwarzania odpadów. Do termoplastów zaliczamy:

·         Poliamidy

·         Poliwęglany

·         Polisulfony

·         Odmiany celulozy

Duroplasty termoutwardzalne odznaczają się budową sieciową, miękną początkowo w procesie ogrzewania, ale podtrzymywane w podwyższonej temperaturze twardnieją. Przemiana jest nieodwracalna.

Duroplasty chemoutwardzalne utwardzają się już w temp. pokojowej w wyniku reakcji chemicznych z utwardzaczami.

Na tworzywa sztuczne, oprócz polimerów, składają się określone dodatki lub środki pomocnicze:

§         wypełniacze,

§         nośniki,

§         stabilizatory,

§         zmiękczacze,

§         barwniki,

§         pigmenty,

§         środki smarujące i inne.

ŚRODKI SMARUJĄCE - ułatwiają przetwórstwo tworzyw sztucznych, zmniejszają tarcie wewnętrzne materiału i powiększają jego płynność, zmniejszają przyczepność tworzywa do gorących części maszyn przetwórczych. Trzy grupy:

·         Węglowodory

·         Kwasy tłuszczowe ich pochodne

·         Alkohole tłuszczowe, estry

STABILIZATORY - zapobiegają rozpadowi termicznemu tworzyw sztucznych podczas ich przetwarzania oraz w okresie użytkowania degradacji pod wpływem działania tlenu i promieniowania ultrafioletowego. Dwa rodzaje:

·         Świetlne

·         Termiczne

PIGMENTY I BARWNIKI - trzy grupy:

·         Pigmenty organiczne

·         Pigmenty nieorganiczne

·         Rozpuszczalne barwniki organiczne

ZMIĘKCZACZE - obniżają niezbędną temperaturę kształtowania wyrobów i poprawiają trwale ich elastyczność, udarność i odporność na niskie temperatury, ale zmniejszają ich wytrzymałość mechaniczną i odporność cieplną.

WYPEŁNIACZE - decydują o właściwościach mechanicznych i cieplnych tworzywa.

Składniki, które wchodzą w skład tworzyw sztucznych a nie zaliczają się do polimerów mają na celu:

·           Nadanie specjalnych właściwości użytkowych ( np. niepalność, odporność na działanie   światła, itd.)

·           Poprawę walorów estetycznych  gotowych wyrobów

·           Polepszenie właściwości technologicznych tworzyw dla ułatwienia przetwórstwa

·           Poprawę właściwości mechanicznych, cieplnych, dialektrycznych i innych

Przykłady polimerów i tworzyw sztucznych

§      ELASTOMERY: poliizopren (produkcja opon samochodowych), polibutadien (produkcja opon samochodowych), polichloropren (produkcja kabli elektrycznych, uszczelek)

§      TERMOPLASTY: polietylen (PE o różnej gęstości: PE LD – niskiej gęstości, PE MD – średniej gęstości, PE HD – wysokiej gęstości; rury do przepływu np.: wody, gazu), polichlorek winylu (PVC; twardy do produkcji rur; miękki na osłony izolacyjne, wykładziny podłogowe), poliwęglany (PC; elektrotechnika, elektronika, samochody, art. gosp. dom., płyty o przekroju komorowym)

§      DUROPLASTY TERMOUTWARDZALNE: fenoplasty (PF; niemodyfikowane alkoholowe lakiery ochronne do drewna i metali), aminoplasty (art. gosp. dom., elektrotechnika)

§      DUROPLASTY CHEMOUTWARDZALNE: żywice poliestrowe ( lakiery piecowe i schnące na powietrzu, włókna syntetyczne), żywice epoksydowe (EP; kleje, tłoczywa)

§      TWORZYWA SZTUCZNE SPECJALNE: silikony (różne postacie: oleje, pasty, smary, lakiery, żywice, kauczuki, pianki, kleje; materiały elektroizolacyjne, emalie ochronne, środki przeciwpieniące), poliamidy (nowoczesna technika rakietowa i lotnicza, urządzenia nuklearne, elektronika)

PODZIAŁ TWORZYW SZTUCZNYCH ZE WZGLĘDU NA CECHY UŻYTKOWE

Tworzywa konstrukcyjne – (nie w dosłownym znaczeniu budowlanym), które posiadają dostateczną twardość i wytrzymałość mechaniczną zachowując nadane im kształty, np.: polikrylany, PCV, poliestry.

Tworzywa zmiękczone – nie posiadają trwałości kształtów lecz zachowują trwałość wymiarów i dostateczną wytrzymałość na rozciąganie, np. folie, sztuczne skóry, itp.

Tworzywa porowate – dzielą się na miękkie (elastyczne) i twarde (sztywne), przeznaczone do izolacji cieplnych i akustycznych

Tworzywa adhezyjne – kleje i kity

Tworzywa powłokowe – wyroby lakierowe lub wyroby przeznaczone do powłok specjalnych

Tworzywa włóknotwórcze – przeznaczone do wyrobu włókien syntetycznych

WŁAŚCIWOŚCI TWORZYW SZTUCZNYCH

Gęstość objętościowa:

·         Tworzywa lite – 900 - 1900 kg/m3

·         Tworzywa porowate – 15 - 400 kg/m3

Nasiąkliwość

·         Tworzywa szczelne – bliska 0 %

·         Tworzywa porowate – 1-50 % (w zależności od stopnia porowatości)

Współczynnik przewodzenia ciepła

·         Tworzywa szczelne – l= 0,14 - 0,40 W/mK

·         Tworzywa porowate – l= 0,035 - 0,058 W/mK (w zależności od stopnia porowatości)

Odporność cieplna

·       Górna granica – 70 – 150 oC (wysoka temperatura powoduje zmniejszenie wytrzymałości, wzrost zdolności do odkształceń plastycznych)

·         Dolna granica – (-100) – (- 40) oC (w niskiej temp. tworzywa stają się bardziej sztywne i kruche)

Tworzywa mają najlepsze właściwości w tem. 20 oC

Palność – wszystkie tworzywa sztuczne ulegają rozkładowi już w temp. 300-400 oC.

Wytrzymałość mechaniczna

·         Wytrzymałość na zginanie – od 7 MPa – dla PE wysokociśnieniowych do kilkuset  - dla laminatów poliestrowo- lub epoksydowo szklanych

·         Wytrzymałość na rozciąganie – od 9 MPa - dla PE wysokociśnieniowych do 800 MPa – dla laminatów

·         Wytrzymałość na ściskanie – od kilku MPa do 490 MPa dla laminatów epoksydowo-szklanych.

Poważną wadą tworzyw sztucznych jest ich starzenie. Objawia się ono obniżeniem wytrzymałości mechanicznej i elastyczności po upływie określonego czasu użytkowania. W wyniku starzenia tworzywo zaczyna pękać, staje się kruche i zmniejsza się jego odporność na działanie czynników atmosferycznych.

Główną przyczyna starzenia tworzyw sztucznych jest: działanie promieniowania ultrafioletowego (UV), tlenu, wody i temperatury. Powodują one proces degradacji polimeru.

Ogólnie można powiedzieć, że na właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych mają wpływ:

·         Rodzaj obciążenia

·         Temperatura

·         Czas użytkowania

·         Czynniki atmosferyczne

·         Światło słoneczne

Własności chemiczne tworzyw sztucznych wiążą się z działaniem na nie wody, rozpuszczaniem się w pewnych określonych substancjach chemicznych oraz odpornością na szereg agresywnych związków chemicznych.

...