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.
· Poliestry (PES)
· Poliamidy (PA)
· Poliwęglany (PC)
· Silikony
· Fenoplasty (np. fenolowo-formaldechydowe)
· Aminoplasty (np. melaminowe, mocznikowe, itp.)
· żywice epoksydowe
· żywice poliuretanowe
Żywice te znajdują zastosowanie w budownictwie jako: kleje, kity chemoodporne, masy posadzkowe chemoodporne, lakiery i emalie.
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
§ 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)
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
Gęstość objętościowa:
· Tworzywa lite – 900 - 1900 kg/m3
· Tworzywa porowate – 15 - 400 kg/m3
· Tworzywa szczelne – bliska 0 %
· Tworzywa porowate – 1-50 % (w zależności od stopnia porowatości)
· 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.
...
pilot1216