TworzywaSztuczne, inzynieria chemiczna PK
[ Pobierz całość w formacie PDF ]TWORZYWA SZTUCZNE
1. Definicja
Tworzywa sztuczne
to materiały inŜynierskie, których głównym składni
kiem (tzw. bazowym) są związki wielocząsteczkowe
– polimery
, otrzymywane
w wyniku polireakcji związków małocząsteczkowych, nazywanych
monome
rami
(lub merami).
2. Skład
Podstawowym składnikiem tworzyw sztucznych są
syntetyczne wielkocząsteczkowe związki organiczne
lub
naturalne zmodyfikowane Ŝywice
, jak np. kauczuk, celuloza)
o budowie –
łańcuchowej
,
rozgałęzionej
,
pierścieniowej
(aromatyczne i cykloparafinowe),
i
mieszanej
(łańcuchowocykliczne).
RóŜnią się one –
stopniem polimeryzacji,
kolejnością usytuowania poszczególnych merów
i rodzajem wiązań.
Związki chemiczne, które bezpośrednio lub po odpowiedniej przeróbce stoso
wane są do produkcji tworzyw sztucznych występują głównie w ropie naftowej,
gazie ziemnym i węglu kamiennym. Są to:
otrzymywane
z ropy naftowej
: etylen, propylen, izobutylen, butadien,
otrzymywane
z węgla kamiennego
na drodze suchej destylacji: gaz
świetlny, smoła pogazowa i koks, z których przy dalszej obróbce moŜna
otrzymać inne związki chemiczne niezbędne w produkcji tworzyw
sztucznych.
1
W polimerach mogą występować dwie nawzajem przenikające się fazy bez wy
raźnych granic –
faza
krystaliczna
,
i faza
bezpostaciowa
(amorficzna).
Czasem te same makrocząsteczki tworzą w pewnej przestrzeni fazę krystaliczną,
a w niewielkiej odległości od niej fazę amorficzną. ZaleŜy to od czystości pro
duktu wynikającej z jakości procesu produkcyjnego, oddziaływań mechaniczny
towarzyszących przetwórstwu, czasu i szybkości ogrzewania i studzenia polime
ru, a przede wszystkim struktury polimeru. Struktury łańcuchowe uporządkowa
ne są bardziej podatne na tworzenie struktur krystalicznych niŜ rozgałęzione czy
usieciowane.
W skład tworzyw sztucznych oprócz składnika monomerowego wchodzą
równieŜ
dodatki modyfikujące
, tzw. środki pomocnicze. Zadaniem dodatków
modyfikujących jest
modyfikacja i poprawa właściwości uŜytkowych tworzywa
sztucznego oraz obniŜenie kosztów wytwarzania
(w tym celu stosuje się tanie
wypełniacze, jak mączka drzewna, kreda, kaolin, grafit, sadza). Dodatki te wy
stępują najczęściej w postaci zdyspergowanej w polimerze bazowym (matrycy).
WyróŜniamy następujące dodatki modyfikujące:
plastyfikatory, czyli zmiękczacze
,
stabilizatory (antyutleniacze)
,
rozpuszczalniki
,
antyelektrostatyki
,
środki smarujące i antyprzyczepne
,
środki barwiące
,
środki zmniejszające palność (antypirenty)
,
napełniacze i nośniki wzmacniające
,
środki spieniające
.
Szczególny rodzaj tworzyw sztucznych stanowią
materiały kompozyto
we
, w których w spręŜystej polimerowej matrycy, w sposób kontrolowany, jest
2
rozmieszczany napełniacz wzmacniający (proszkowy, włóknisty bądź polime
rowy, ale sztywniejszy niŜ matryca).
Pomimo duŜej liczby dodatków, o właściwościach tworzyw sztucznych w
głównej mierze decyduje składnik bazowy, tzn. polimer.
3. Klasyfikacja
3.1. Podział polimerów ze względu na
strukturę
:
krystaliczne
,
bezpostaciowe
.
Przy czym właściwie nie występują takie, które w całej masie posiadałyby struk
turę krystaliczną – zawsze obok dominujących obszarów krystalicznych wystę
pują obszary szkliste (np. polietylen).
3.2. Podział polimerów ze względu na
zastosowanie w technice
:
konstrukcyjne
,
włóknotwórcze
,
adhezyjne
,
powłokowe
,
termo i elektroizolacyjne
,
kauczukopodobne
.
Wadą większości polimerów, ograniczającą ich stosowanie jako materiałów
konstrukcyjnych jest ich mały współczynnik spręŜystości i mała odporność na
pełzanie oraz ograniczony zakres temperatury długotrwałego uŜytkowania.
Polimery o właściwościach materiałów konstrukcyjnych są zaliczane do gru
py tzw.
polimerów inŜynieryjnych lub specjalnych
. NaleŜą do nich:
polistyren,
polichlorek winylu,
Ŝywice epoksydowe,
nienasycone Ŝywice poliestrowe,
fenoplasty,
poliamidy,
poliwęglany,
poliuretany
i inne.
KaŜdy z tych materiałów, w zaleŜności od zastosowania jest poddawany kontro
lowanej modyfikacji, najczęściej z zastosowaniem róŜnych napełniaczy mecha
nicznych.
3
3.3. Podział polimerów ze względu na właściwości spręŜystoplastyczne two
rzywa:
elastomery
są to polimery, które w temperaturze pokojowej wykazują
duŜa zdolność do odkształceń i wydłuŜeń (na ogół przekraczających
100%) przy równoczesnym zachowaniu właściwości spręŜystych, jednak
Ŝe przy niskich modułach spręŜystości (10 10
5
÷ 10 10
5
Pa). Do tej gru
py zalicza się kauczuki naturalne i syntetyczne, kopolimery butadienu i
izoprenu ze związkami winylowymi, poliizobutylen i niektóre poliureta
ny.
plastomery
są to polimery, których wydłuŜenie spręŜyste w temperaturze
pokojowej nie przekracza 100% (często wynosi ono tylko kilka lub kilka
naście procent). Do grupy tej zalicza się przede wszystkim tworzywa ter
moplastyczne, ale teŜ duŜą grupę duroplastów.
3.4. Podział polimerów ze względu na
zachowanie w zmiennych warun
kach termicznych
:
termoplasty
obejmują tworzywa, które ogrzane do wystarczająco wyso
kiej temperatury miękną aŜ do plastycznego płynięcia, a po ochłodzeniu
ponownie staja się twardym ciałem stałym. Proces mięknięcia i utwardza
nia moŜe być wielokrotnie powtarzany bez powodowania zmian podsta
wowych właściwości tworzywa, jednak pod warunkiem nie przekroczenia
dopuszczalnej dla danego tworzywa temperatury (co mogłoby spowodo
wać rozkład polimeru lub innych składników przerabianej masy.
Takie zachowanie wynika z tego, Ŝe makrocząsteczki termoplastów, ma
jące kształt łańcuchów liniowych i rozgałęzionych, związanych wewnątrz
silnymi wiązaniami międzyatomowymi, połączone są między sobą znacz
nie słabszymi wiązaniami międzycząsteczkowymi, które osłabiają się
jeszcze bardziej wraz ze wzrostem temperatury. W podwyŜszonych tem
peraturach osłabione siły międzycząsteczkowe umoŜliwiają zwiększenie
ruchliwości łańcuchów i wzajemne poślizgi cząstek względem siebie. Ob
niŜenie temperatury tworzywa ponownie ogranicza te zjawiska.
duroplasty
to tworzywa polimerowe, które moŜna przeprowadzić ze sta
nu plastycznego w stan stały tylko jeden raz. Ponowne uplastycznienie
tworzywa nie jest moŜliwe. Wynika to stąd, Ŝe utwardzenie tworzywa
wiąŜe się z sieciowaniem struktury wyjściowej, co ma charakter reakcji
chemicznej, a zatem jest procesem nieodwracalnym.
Procesy sieciowania mogą zachodzić pod wpływem określonych substan
cji wprowadzonych do Ŝywicy – wówczas tworzywa takie nazywamy
chemoutwardzalnymi,
albo pod wpływem odpowiednio wysokiej tempe
ratury i wówczas tworzywa te nazywane są
termoutwardzalnymi
. Czę
sto łączy się ze sobą obydwa czynniki.
4
3.5. Podział polimerów ze względu na sposób otrzymywania –
mechanizm
reakcji chemicznych
, zachodzących na etapie łączenia merów i tworzenia ukła
dów wielkocząsteczkowych:
polimery addycyjne
(np. polietylen, polipropylen, polistyren, polichlorek
winylu, polioctan winylu, polimetakrylan i inne), w przypadku których
podczas polireakcji następuje połączenie identycznych monomerów bez
wydzielenia resztkowych produktów reakcji, czyli polimer jest zwielo
krotnieniem monomeru i nosi nazwę
homopolimeru
; Ŝywice powstałe z
róŜnych monomerów, ale według tego samego schematu, nazywa się
ko
polimerami
,
polikondensaty
(np. fenoplasty, aminoplasty, poliamidy, poliestry, poli
węglany i inne), w przypadku których najczęściej róŜne monomery wyj
ściowe reagują ze sobą, tworząc makromolekuły o duŜym cięŜarze czą
steczkowym, a reakcje zachodzą z wydzieleniem produktu ubocznego
(np. H
2
O, HCl); zdolność do tego typu reakcji maja proste związki orga
niczne o specyficznej strukturze i odpowiednim składzie chemicznym, jak
np. fenole, aldehydy, mocznik, melaminy, kwas ftalowy, glikol, gliceryna,
poliaddukty
(np. poliuretany, epoksydy), w przypadku których łączenie
prostych monomerów wyjściowych następuje na skutek przegrupowania
atomów.
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]