Akademia Morska w Szczecinie

Instytut Inżynierii Transportu

Zakład Techniki Transportu

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów

Materiałoznawstwo

i

Nauka o materiałach

Identyfikacja i badanie

materiałów polimerowych

Opracowali: mgr inż. Joanna Tuleja

Dr inż. Jarosław Chmiel

Zatwierdził: dr inż. Jarosław Chmiel

Szczecin 2008

2

Wprowadzenie

Tematem ćwiczenia jest grupa materiałów, których głównym składnikiem jest

związek wielkocząsteczkowy – polimer. Oprócz niego materiały te zawierają skład-
niki dodatkowe, nadające im wymagane właściwości użytkowe i technologiczne.

Podstawowe grupy zatsosowań materiałów polimerowych w technice wynikają

z ich specyficznych własciwości użytkowych. W szczególności istotne jest zastoso-
wanie tej grupy materiałów jako :

-

materiałów konstrukcyjnych o specyficzncych właściwościach;

-

materiałów elektroizolacyjnych;

-

materiałów termoizolacyjnych;

-

materiałów uszczelniających;

-

materiałów wibroizolacyjnych;

-

specjalnych materiałów łożyskowych;

-

materiałów malarskich;

-

materiałów regeneracyjnych i naprawczych.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi rodzajami materiałów polime-
rowych, sposobami ich identyfikacji oraz zbadanie wybranych ich właściwości.

1.

Charakterystyka ogólna

1.1. Pojęcia podstawowe

Cechą charakterystyczną polimerów jest występowanie w ich cząsteczce okre-

sowo powtarzalnych ugrupowań atomów, które nazywamy merami. Polimery otrzy-
mywać można poprzez modyfikację naturalnych substancji wielkocząsteczkowych,
jednak obecnie wytwarza się je przede wszystkim syntetycznie. Cząsteczki związków
chemicznych, stanowiących substancje wyjściowe do otrzymywania związków wiel-
kocząsteczkowych składają się ze stosunkowo niewielkiej liczby atomów i noszą na-
zwę monomerów. Są one zdolne do reakcji z identycznymi lub innymi cząsteczkami
dzięki obecności w nich ośrodków reaktywnych, takich jak nienasycone wiązania,
nietrwałe pierścienie lub grupy reaktywne. W wyniku łączenia się cząsteczek mo-
nomeru pomiędzy sobą powstaje związek wielkocząsteczkowy – polimer. Właściwości
fizyczne monomerów i polimerów są oczywiście całkowicie odmienne. Polimery, w
przeciwieństwie do klasycznych związków chemicznych, stanowią mieszaniny czą-
steczek o różnej wielkości i masie cząsteczkowej – dlatego też stosuje się pojęcia
średniej masy cząsteczkowej lub stopnia polimeryzacji.

3

1.2. Podstawy procesów wytwarzania

Podstawowe surowce do otrzymywania monomerów pochodzą z ropy nafto-

wej, gazu ziemnego i węgla kamiennego. Otrzymywanie monomerów wchodzi
w zakres technologii organicznej, otrzymywanie polimerów – w zakres chemii
i technologii tworzyw sztucznych zaś wytwarzanie z polimerów wyrobów użytkowych
– w zakres technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych. Tworzywa sztuczne do-
starczane do przetwórstwa mają postać żywic, tłoczyw, preimpregnatów lub półfa-
brykatów.

śywice występują jako tzw. żywice techniczne do bezpośredniego zastosowania (od-
lewania, nasycania, laminowania), względnie stanowią surowiec do dalszego przero-
bu na tłoczywa, preimpregnaty, kleje, kity, materiały regeneracyjne i malarskie itp.

Tłoczywa przeznaczone są do plastycznego formowania wyrobów z tworzyw. Mają
postać proszków, granulatów, tabletek, ciastowatych mas lub tekstylnych skrawków
nasyconych żywicą. Na wyroby gotowe lub półwyroby przetwarzane są najczęściej
metodami wtryskiwania, wytłaczania lub prasowania.

Preimpregnaty to arkusze lub zwoje materiału wzmacniającego o odpowiedniej
strukturze, nasycone żywicą i przeznaczone do formowania wyrobów wielkogabary-
towych technikami prasowania.

Półwyroby z tworzyw sztucznych mają postać folii, płyt, prętów, rur i innych profili.
Kształt gotowego wyrobu uzyskiwany jest poprzez obróbkę skrawaniem i łączenie
metodami klejenia, zgrzewania lub spawania.

1.3. Zalety tworzyw sztucznych i ograniczenia w ich stosowaniu

Za zalety tworzyw sztucznych należy uznać:

– łatwość formowania przedmiotów o skomplikowanych kształtach;
– korzystny stosunek wytrzymałości do masy właściwej (wytrzymałość właściwa),

zwłaszcza po wzmocnieniu napełniaczami włóknistymi;

– dobre właściwości mechaniczne i doskonałe właściwości elektroizolacyjne;
– stosunkowo dobra, a niekiedy doskonała odporność chemiczna;
– możliwość długotrwałego użytkowania wyrobów bez potrzeby dodatkowej ich

konserwacji;

– możliwość wielokrotnego przetwarzania tworzyw (recycyling).

Do czynników ograniczających zastosowanie handlowo dostępnych tworzyw
sztucznych należy niezadowalająca w większości przypadków odporność cieplna.
Dla większości tworzyw maksymalna temperatura pracy ciągłej wynosi 60÷150°C a
wyjątkowo sięga 300÷400°C (tworzywa fluorowe, poliimidy). Istotną cechą powodu-
jącą ograniczenia w stosowaniu niektórych grup tworzyw sztucznych w okrętownic-

4

twie jest ich palność, a zwłaszcza możliwość wydzielania podczas palenia silnie tru-
jących produktów gazowych (np. podczas spalania poliuretanów może wydzielać się
cyjanowodór, zaś podczas spalania PVC – fosgen). Twardość tworzyw sztucznych
jest znacznie niższa niż twardość metali. Niekorzystną cechą tworzyw sztucznych
jest ich mała odporność na pełzanie.

2.

Klasyfikacja materiałów polimerowych

2.1. Klasyfikacja chemiczna – metody otrzymywania polimerów

Podstawą tej klasyfikacji jest metoda otrzymywania związku wielkocząsteczkowego.
W zależności od pochodzenia rozróżnia się:

– modyfikowane tworzywa naturalne, otrzymywane z naturalnych związków

wielkocząsteczkowych np. celulozy (octan celulozy, octanomaślan celulozy),
kazeiny (galalit) lub kauczuków naturalnych;

– tworzywa syntetyczne, otrzymywane w wyniku reakcji chemicznych.

W chwili obecnej tworzywa syntetyczne stanowią ok. 98% produkowanych tworzyw
sztucznych.

W zależności od rodzaju reakcji, w wyniku której powstaje polimer (tzw. polireakcji)
rozróżnia

się

tworzywa

syntetyczne

polimeryzacyjne,

polikondensacyjne

i poliaddycyjne (tablica 1).

Tablica 1. Podział tworzyw syntetycznych

Tworzywa

otrzymywane

przez polimeryzację

Tworzywa

otrzymywane

przez polikondensację

Tworzywa

otrzymywane

przez poliaddycję

Polietylen,

polipropylen,

kopolimery olefinowe

Poli(chlorek winylu), kopo-

limery winylowe

Polistyren

i

kopolimery

styrenu

Poli(metakrylan metylu)

Poliformaldehyd,

kopoli-

mer acetalowy

Poli(tlenek fenylenu)

Politetrafluoroetylen i inne

polimery fluorowe

Fenoplasty

Aminoplasty

Poliamidy

otrzymywane

z kwasów

dikarboksylo-

wych i diamin

Poliwęglany

Poliestry

Poli(siarczek fenylenu)

Poliimidy

Polieterosulfony

Poliuretany

Tworzywa epoksydowe

Poliamidy

otrzymywane

z laktamów

5

Polimeryzacja jest procesem łączenia się wielu cząstek monomeru, któremu nie
towarzyszy wydzielanie się małocząsteczkowych produktów ubocznych. Proces
przebiega bez zmian składu chemicznego a powstający polimer różni się od mono-
meru tylko wielkością cząsteczki. Szczególnym przypadkiem polimeryzacji jest kopo-
limeryzacja – reakcja mieszaniny co najmniej dwóch monomerów, z wytworzeniem
makrocząsteczek zawierających mery odpowiadające wszystkim składnikom mie-
szaniny. W zależności od technicznej realizacji procesu wyróżnia się polimeryzację w
masie (np. polimetakrylan metylu, polietylen małej gęstości), polimeryzację w zawie-
sinie (np. polistyren, poli(chlorek winylu)), polimeryzację emulsyjną i polimeryzację
w roztworze.
Polikondensacja (polimeryzacja kondensacyjna) polega na łączeniu się wielu czą-
stek monomerów z jednoczesnym wydzieleniem prostego związku małocząsteczko-
wego jako produktu ubocznego np. wody lub chlorowodoru. Skład chemiczny poli-
meru nie jest identyczny ze składem monomeru lub wyjściowej mieszaniny mono-
merów.
Poliaddycja (polimeryzacja addycyjna) jest procesem łączenia się cząsteczek mono-
meru lub monomerów wskutek przemieszczania się ruchliwego atomu wodoru. Po-
woduje to powstanie reaktywnych ośrodków w monomerze i umożliwia łączenie się
cząsteczek. W procesie tym nie powstają małocząsteczkowe produkty uboczne a po-
wstały polimer ma taki sam skład chemiczny jak wyjściowa mieszanina monome-
rów.

2.2. Klasyfikacja technologiczna

Przyjmując za kryterium klasyfikacji właściwości użytkowe tworzyw, można wyod-
rębnić elastomery i plastomery. Cechą charakterystyczną elastomerów jest zdolność
do powrotu do kształtu pierwotnego, nawet po znacznym odkształceniu, jeśli zanik-
nie działanie siły powodującej deformację. Plastomery wykazują nieznaczne od-
kształcenia sprężyste przy niewielkich naprężeniach, zaś przy wzroście naprężeń
odkształcają się plastycznie, aż do zniszczenia.
W zależności od właściwości technologicznych rozróżnia się termoplasty i duropla-
sty. Termoplasty (tworzywa termoplastyczne) pod wpływem temperatury przechodzą
w stan plastyczny. Jeśli temperatura nie prowadzi do wyraźnych zmian właściwości
polimeru, to termoplasty mogą być przetwarzane i kształtowane wielokrotnie. Do
termoplastów należą prawie wszystkie tworzywa polimeryzacyjne a ponadto polia-
midy, poliwęglan, poli(siarczekfenylenu), niektóre poliestry, polieterosulfony i ter-
moplastyczne pochodne celulozy. Duroplasty są to tworzywa, które pod wpływem
podwyższonej temperatury lub innych czynników przekształcają się w produkt prze-
strzennie usieciowany, nietopliwy i nierozpuszczalny.
W zależności od sposobu utwardzania rozróżnia się tworzywa termoutwardzalne
(np. fenoplasty i aminoplasty) oraz chemoutwardzalne (np. poliuretany, nienasycone
żywice poliestrowe i epoksydowe). Ogrzewanie produktu usieciowanego nie powodu-
je jego mięknienia, może natomiast doprowadzić do chemicznego zniszczenia poli-
meru.

6

3.

Budowa polimerów

3.1. Budowa makrocząsteczek

W zależności od rodzaju reagujących monomerów oraz warunków, w jakich prowa-
dzona jest synteza polimeru, otrzymuje się polimery o liniowej budowie cząsteczki,
polimery o łańcuchu rozgałęzionym oraz polimery usieciowane. Struktura usiecio-
wana powstaje w wyniku oddziaływania temperatury (polimery termoutwardzalne),
utwardzaczy chemicznych (polimery chemoutwardzalne) bądź promieniowania joni-
zującego. Elastomery charakteryzują się stosunkowo niewielkim stopniem usiecio-
wania. Znaczny stopień usieciowania jest charakterystyczny dla duroplastów. Ze
wzrostem stopnia rozgałęzienia i stopnia usieciowania polimeru wzrasta jego odpor-
ność cieplna.
Jeśli cząsteczka monomeru zawiera grupy boczne (podstawniki), to względem łań-
cucha polimeru mogą być one rozmieszczone w sposób nieuporządkowany – atak-
tyczny – lub w jeden ze sposobów uporządkowanych – izotaktyczny lub syndiotak-
tyczny. Polimery o uporządkowanym ułożeniu podstawników (tzw. polimery stereo-
regularne) wykazują większą skłonność do krystalizacji, wyższą temperaturę top-
nienia, większą gęstość i znacznie lepsze właściwości mechaniczne niż polimery
ataktyczne.

3.2. Rozmieszczenie makrocząsteczek – struktura fazowa

Rozmieszczenie cząsteczek polimeru może być przypadkowe lub w pewnym stopniu
uporządkowane. Polimery o całkowicie przypadkowym ułożeniu cząsteczek – amor-
ficzne – to duroplasty oraz większość tworzyw o dobrej przezroczystości. Uporząd-
kowany układ cząsteczek, typowy dla polimerów krystalicznych rzadko występuje w
postaci „czystej”. Z reguły poszczególne obszary uporządkowanego ułożenia cząste-
czek – krystality – oddzielone są obszarami amorficznymi. Ze wzrostem stopnia kry-
staliczności polimerów wzrasta temperatura topnienia, poprawiają się właściwości
wytrzymałościowe, maleje przezroczystość a przejście ze stanu stałego w ciekły od-
bywa się w węższym zakresie temperatur.

7

4.

Przegląd wybranych tworzyw sztucznych

POLISTYREN [PS] i KOPOLIMERY STYRENOWE
Otrzymywany jest metodami polimeryzacji styrenu w masie lub zawiesinie. Polisty-
ren niemodyfikowany jest tworzywem kruchym i przeźroczystym. Dzięki modyfikacji
polistyrenu dodatkami kauczuków lub elastomerów otzymuje się tworzywa o znacz-
nej udarności. Przetwarzany metodami wtryskowymi oraz metodami spieniania. Pod
wpływem promieniowania ultrafioletowego żółknie i staje się kruchy. Zakres tempe-
ratur użytkowania od -20 do +60°C. Stosowany jako tworzywo konstrukcyjne, do
celów elektrotechnicznych oraz termoizolacyjnych. Kopolimery styrenowe o dużej
udarności i zakresie temperatur użytkowania od -40 do +80°C są stosowane do wy-
robu korpusów urządzeń elektrotechnicznych i elektronicznych, elementów wyposa-
żenia pojazdów oraz rur. Specyficzną cechą kopolimeru ABS jest jego podatność do
metalizacji.

POLI(CHLOREK WINYLU) [PVC]
Jest to polimer amorficzny, zawierający do 10% fazy krystalicznej. Czysty PVC jest
polimerem twardym, o małej odporności cieplnej. Już w temperaturze 120°C rozpo-
czyna się jego rozkład z wydzieleniem HCl. Właściwości fizyczne PVC modyfikuje się
poprzez dodatki stabilizatorów termicznych i optycznych (np. węglany metali alka-
licznych, sadza, dwutlenek tytanu) oraz zmiękczaczy. PVC o podwyższonej udarno-
ści otrzymuje się w wyniku modyfikacji fizycznej (mieszanie w stopie) lub chemicznej
(kopolimeryzacja z elastomerami). Twardy PVC stosowany jest do wyrobu rur i profi-
li konstrukcyjnych, zaś zmiękczony - głównie do wyrobu izolacji kabli i rur.

POLIOLEFINY [PE, PP, PIB]
Jest to duża grupa polimerów termoplastycznych węglowodorowych, o bardzo zróż-
nicowanych właściwościach. Spośród tworzyw tej grupy najczęściej stosowane są
polietylen nałej i dużej gęstości (LDPE i HDPE), polipropylen (PP) oraz poliizobutylen
(PiB). Poliolefiny mają dobre właściwości dielektryczne, małą gęstość i doskonałą
odporność chemiczną. Wyroby z poliolefin o dużym stopniu polimeryzacji stosowane
są w temperaturach do 130°C. Właściwości poliolefin można modyfikować poprzez
dodatki napełniaczy takich jak talk, kreda, sadza oraz szkło w postaci krótkiego
włókna lub mikrosfer. Istnieje możliwość częściowego sieciownia poliolefin w wyniku
naświetlania promieniowaniem jonizującym. Typowymi zastosowaniami poliolefin są
rury instalacji wodnych, kanalizacyjnych, gazowych i grzewczych (HDPE i PP), obu-
dowy i opakowania, izolacje kabli, elementy elektrotechniczne oraz włókna i tkaniny
techniczne. LDPE w postaci spienionej lub tzw. folii kubeczkowych stosowany jest
do zabezpieczania przedmiotów podczas transportu. Specyficznym zastosowaniem
wysokokrystalicznego, izotaktycznego PP są liny cumownicze.

POLI(METAKRYLAN METYLU) [PMMA]
Jest polimerem amorficznym o dużej twardości i doskonałych właściwościach
optycznych. Przetwarzany jest głównie metodami odlewania i wytłaczania. Zastoso-
wania PMMA wynikają z jego właściwości optycznych: przeźroczyste osłony lamp,

8

otworów okiennych i wzierników, światłowody, przeźroczyste kompozycje do zalewa-
nia układów elektronicznych.

śYWICE EPOKSYDOWE [EP]
Są to związki zawierające co najmniej dwie grupy epoksydowe:

C

C

O

Pierścień ten łatwo reaguje ze związkami zawierającymi aktywne atomy wodoru. W
wyniku polireakcji następuje usieciowanie żywicy. Wybór utwardzacza zależy od
temperatury utwardzania.
Od temperatury utwardzania (do 180°C) zależy odporność cieplna utwardzonego
produktu. śywice epoksydowe stosowane są w przemyśle elektotechnicznym i elek-
tronicznym, maszynowym, budowy środków transportu. Podstawowe formy zasto-
sowania tworzyw epoksydowych to żywice do zalewania, laminaty, kompozytowe
elementy konstrukcyjne, kleje i proszkowe materiały malarskie oraz materiały do
napraw i regeneracji (np. produkty firmy Belzona). Wzmacnianie żywic epoksydo-
wych zbrojeniami włóknistymi o dużej wytrzymałości (grafit, szkło, włosowate mo-
nokryształy metali) pozwala uzyskać materiały konstrukcyjne nie ustępujące meta-
lom pod względem właściwości wytrzymałościowych.

5.

Identyfikacja tworzyw sztucznych

Przepisy dotyczące ochrony środowiska wymagają znakowania wyrobów

z tworzyw sztucznych symbolami znormalizowanymi w skali międzynarodowej.
Symbole te pozwalają na zidentyfikowanie materiału. O ile wyrób nie jest oznako-
wany, można podjąć próbę określenia rodzaju tworzywa na postawie próby spalania
lub wrażliwości na działanie wybranych odczynników.

Tworzywa sztuczne i zmodyfikowane tworzywa naturalne są identyfikowane na pod-
stawie:

–

wyglądu i postaci wyrobu,

–

przybliżonej gęstości;

–

zachowania się podczas ogrzewania i w płomieniu palnika;

–

odporności na działanie kwasów, zasad i rozpuszczalników.

W celu prawidłowej identyfikacji konieczne jest zapoznanie się z wyglądem wzorców
tworzyw.

9

5.1. Oznaczenia wybranych polimerów

ABR

kauczuk akrylanowo-butadienowy (Acrylat-Butadien-Rubber)

ABS

akrylonitryl-butadien-styren

BR

kauczuk butadienowy (1,4-polibutadien)

BS

butadien-styren

CA

octan celulozy (CZA = bioctan cel., C3A = trioctan cel., także CTA)

CAB

octanomaślan celulozy

CPVC chlorowany polichlorek winylu), (rzadkie oznaczenie), p. także PVC-C
EMA kopolimer etylen/metakrylan
EP

żywica epoksydowa

EPP

kopolimer etylen/propylen

FF

żywice furanowo-formaldehydowe

IR

kauczuk izoprenowy (Isopren-Rubber)

PA 6

poliamid z kaprolaktamu

PA 66 poliamid z heksametylenodiaminy/kwasu adypinowego
PA 11 poliamid z kwasu 11-aminoundekanowego
PA 12 poliamid z kwasu dodekanowego
PC

poliwęglan

PC+ABS mieszanka (blenda) poliwęglan + akrylonitryl-butadien-styren
PE

polietylen o niskiej gęstości

PET

poli(tereftalan etylenu)

PF

żywica fenolowo-formaldehydowa

PI

poliimid

PIB

poliizobutylen, także poliizobuten,

POM polioksymetylen albo poliformaldehyd albo poliacetal
PP

polipropylen

PPS

poli(siarczek fenylenu)

PS

polistyren

PSE

polistyren, spieniony (p. także EPS)

PSU

polisulfon

PUR

poliuretan

PUR-E poliuretan spieniony

PUR+ABS mieszanka (blenda) poliuretan + akrylonitryl-butadien-styren

PUR+PC mieszanka (blenda) poliuretan termoplastyczny + poliwęglan

PVAC polioctan winylu)

PVAL poli(alkohol winylowy)

PVC

polichlorek winylu) (E-PVC = emulsja-PVC, S-PVC = suspensja-PVC)

PVC-C chlorowany PVC, (czasem także CPVC)

PVF

poli(fluorek winylu)

PTFE

policzterofluoroetylen

VF

fibra

Oznaczenia dodatkowe: HD – wysoka gęstość, LD niska gęstość, GF – dodatek włókna szklanego.

10

Tabela 2. Rozróżnianie tworzyw sztucznych na podstawie wyglądu zewnętrznego i
postaci wyrobu (wg K. Dobrosza i A. Matysiaka)

Wygląd zewnętrzny

i postać tworzywa

Przypuszczalny rodzaj tworzywa lub grupy tworzyw

Granulaty wtryskowe

tworzywa termoplastyczne, rzadziej duroplasty

Tłoczywa do prasowania

o jasnych barwach

przede wszystkim aminoplasty, wyklucza się fenoplasty

Folie

najczęściej polietylen, poli(chlorek winylu), polipropylen, po-
liamidy, poliwęglan, poli(tetraftalan etylenowy), octan i octa-
nomaślan celulozy; postać folii eliminuje duroplasty

Włókna

poliamidy, poliestry termoplastyczne; polipropylen; postać
włókien eliminuje duroplasty

Profile miękkie

najczęściej PVC zmiękczony, polietylen, polipropylen poliami-
dy, octan i octanomaślan celulozy, politetrafluoroetylen; wy-
klucza się duroplasty

Profile sztywne

PVC twardy; wyklucza się tworzywa miękkie, np. PVC zmięk-
czony lub polietylen

Laminaty zbrojone włóknem

szklanym

najczęściej laminaty poliestrowe lub epoksydowe

Kity

przede wszystkim fenoplasty, epoksydy, poliestry lub poliure-
tany, PVC zmiękczony

śywice ciekłe lub stałe

żywice fenolowe, poliestrowe lub epoksydowe

Laminaty z nośnikiem pa-

pierowym lub tekstylnym

przede wszystkim laminaty lub melaminowe

Płyty i elementy wykrawane

z płyt

najczęściej poli(metakrylan metylu), PVC twardy, termoplasty-
czne estry celulozy, poliwęglan;

postać płyt mogą mieć także laminaty, najczęściej fenolowe,
melaminowe i poliestrowe

Tworzywa porowate

najczęściej poliuretany, polistyren (kolor śnieżnobiały) i PVC

Przezroczyste płyty o dużej

grubości

poli(metakrylan metylu), poliwęglan

Odlewy o masie do kilku kg

żywice poliestrowe lub epoksydowe, rzadziej polimetakrylan
metylu

11

Tabela 3. Rozróżnianie wybranych tworzyw sztucznych na podstawie gęstości, temperatury topnienia (mięknienia) polimeru oraz zachowania się w płomieniu

i w rozpuszczalnikach

Tworzywa

Gęstość

[g/cm

3

]

Temperatura

topnienia

(mięknienia)

polimeru [°C]

Zachowanie się

tworzywa

w płomieniu

Wygląd pło-

mienia

Zapach po zgasze-

niu próbki

Zachowanie się tworzywa

w rozpuszczalnikach

1

2

3

4

5

6

7

Polipropylen

0,89 ÷ 0,91

160 ÷ 170

po zapaleniu pali
się dalej samo,
topi się i kapie

świecący
z niebieskim
środkiem

słaby, palonej pa-
rafiny

rozpuszcza się we wrzącym
toluenie, wytrąca się po ochło-
dzeniu

Polietylen

0,91 ÷ 1,00
0,92 ÷ 0,94
0,94 ÷ 0,96

100 ÷ 110
110 ÷ 120
130 ÷ 140

po zapaleniu pali
się dalej samo,
topi się i kapie

świecący
z niebieskim
środkiem

słaby, palonej pa-
rafiny

rozpuszcza się we wrzącym
toluenie

Poliamid 12
Poliamid 11
Poliamid 6
Poliamid 6.6

1,01 ÷ 1,04
1,03 ÷ 1,05
1,12 ÷ 1,15
1,13 ÷ 1,16

170 ÷ 180
180 ÷ 190
215 ÷ 225
250 ÷ 260

po zapaleniu pali
się dalej samo,
kapie, powstają
banieczki i ciągną-
ce się nitki

świecący, nie-
bieskawy
z żółtym obrze-
żem

typowy, podobny
do palonego rogu

rozpuszczalne w stężonym
kwasie mrówkowym i fenolu

Polistyren

1,04 ÷ 1,08

90 ÷ 110

zapalony pali się
dalej, mięknie

świecący, silnie
kopcący

charakterystyczny
słodko-kwiatowy

rozpuszczalne w acetonie,
chlorku metylu

Kopolimery styrenu

1,02 ÷ 1,09

–

po zapaleniu pali
się dalej samo,
mięknie

świecący, silnie
kopcący

charakterystyczny
słodko-kwiatowy
oraz palonej gumy
lub drapiący

podobnie jak polistyren; zależ-
nie od rodzaju kopolimeru roz-
puszczalność może być mniej-
sza

śywice poliestrowe
śywice poliestrowe

z włóknem szkla-
nym

1,10 ÷ 1,40
1,80 ÷ 2,30

–
–

po zapaleniu pali
się dalej samo,
zwęgla się

świecący, kop-
cący

słodko-kwiatowy
(podobnie jak przy
polistyrenie)

praktycznie nierozpuszczalne
(słabo rozpuszczalne w aceto-
nie)

Aminoplasty
z napełniaczem
mineralnym

Aminoplasty
z napełniaczem
mineralnym

Aminoplasty
z napełniaczem
mineralnym

Aminoplasty
z napełniaczem
mineralnym

Aminoplasty
z napełniaczem
mineralnym

Aminoplasty
z napełniaczem
mineralnym

Aminoplasty z napełniaczem
mineralnym

12

Tworzywa

Gęstość

[g/cm

3

]

Temperatura

topnienia

(mięknienia)

polimeru [°C]

Zachowanie się

tworzywa

w płomieniu

Wygląd pło-

mienia

Zapach po zgasze-

niu próbki

Zachowanie się tworzywa

w rozpuszczalnikach

1

2

3

4

5

6

7

śywice epoksydowe
śywice epoksydowe

z włóknem szkla-
nym

1,10 ÷ 1,40

1,80 ÷ 2,30

–

–

po zapaleniu pali
się dalej samo

świecący, kop-
cący

najpierw mało
charakterystyczny,
potem fenolu

praktycznie nierozpuszczalne
(pęcznieje nieco w acetonie
i estrach)

Octanomaślan ce-

lulozy

1,11 ÷ 1,22

125 ÷ 175

po zapaleniu pali
się dalej samo,
topi się i kapie

świecący, żółty,
iskrzący

kwasu octowego
i masłowego, palo-
nego papieru

rozpuszczalne w acetonie, diok-
sanie i octanie etylu; przy
ogrzewaniu w 30% kwasie siar-
kowym występuje zapach octu
i kwasu masłowego

Poli(metakrylan

metylu)

1,16 ÷ 1,20

160 ÷ 190

po zapaleniu pali
się dalej samo,
mięknie

świecący, trza-
skający, żółty z
niebieskim
środkiem

typowy, owocowy

rozpuszczalne w acetonie, ben-
zenie, dioksanie i octanie etyle-
nu

Poli(chlorek winylu)

zmiękczony

Poli(chlorek winylu)

twardy

1,19 ÷ 1,41

1,38 ÷ 1,41

–

140 ÷ 160

pali się w płomie-
niu, gaśnie poza
płomieniem,
mięknie, następnie
ulega rozkładowi
barwiąc się na
brązowo lub czar-
no

żółty z zielo-
nym obrzeżem,
białe dymy,
ewentualnie
iskry

chlorowodoru
(charakterystyczny
dla tworzyw winy-
lowych)

rozpuszczalne w cykloheksano-
nie i tetrawodorofuranie

Poliwęglan

1,20 ÷ 1,22

220 ÷ 230

pali się w płomie-
niu, gaśnie poza
płomieniem, topi
się, ulega rozkła-
dowi i zwęgleniu

świecący, kop-
cący

zbliżony do fenolu rozpuszczalne w chlorku mety-

lu, cykloheksanonie i krezolu

Poliuretany

usieciowane

1,20 ÷ 1,26

–

po zapaleniu pali
się dalej samo,
topi się i kapie,
szybko się zwęgla

świecący

charakterystycznie
nieprzyjemny,
ostry

rozpuszczalne w dimetylofor-
mamidzie, poza tym prawie
nierozpuszczalne

13

Tworzywa

Gęstość

[g/cm

3

]

Temperatura

topnienia

(mięknienia)

polimeru [°C]

Zachowanie się

tworzywa

w płomieniu

Wygląd pło-

mienia

Zapach po zgasze-

niu próbki

Zachowanie się tworzywa

w rozpuszczalnikach

1

2

3

4

5

6

7

Octan celulozy

1,22 ÷ 1,32

125 ÷ 175

żółtozielony,
iskrzący

kwasu octowe-
go i palonego
papieru

kwasu octowego
i palonego papieru

rozpuszczalne w acetonie, diok-
sanie i octanie etylu; przy
ogrzewaniu w 30% kwasie siar-
kowym występuje zapach octu

śywice fenolowe

1,26 ÷ 1,28

–

pali się słabo w
płomieniu, gaśnie
poza płomieniem

jasny, kopcący fenolu i formalde-

hydu

rozpuszczalne w stężonym ługu,
alkoholu i acetonie (tylko
w przypadku żywic)

Tłoczywa fenolowe z

napełniaczem or-
ganicznym

1,30 ÷ 1,41

–

Tłoczywa fenolowe z

napełniaczem nie-
organicznym

1,50 ÷ 2,00

–

Poliestry termopla-

styczne

– poli(tereftalan

etylenowy)

– poli(tereftalan

butylenowy)

1,38 ÷ 1,41

–

250 ÷ 260

220 ÷ 230

po zapaleniu pali
się dalej samo,
mięknie, topi się
i kapie

świecący, kop-
cący

słodkawy, aroma-
tyczny

rozpuszczalne w fenolu oraz
w mocnych kwasach i zasa-
dach; ulega hydrolizie we wrzą-
cej wodzie

Tworzywa acetalowe

1,41 ÷ 1,43

165 ÷ 185

po zapaleniu pali
się dalej samo, topi
się i rozkłada

świecący, nie-
bieskawy

ostry, formaldehy-
du

rozpuszczalne w trietanoloami-
nie

Amonoplasty

z napełniaczem
organicznym

1,47 ÷ 1,52

–

pali się bardzo
słabo, gaśnie poza
płomieniem

jasny, często
z białymi brze-
gami

amoniaku i for-
maldehydu

nierozpuszczalne w rozpusz-
czalnikach organicznych

1,50 ÷ 2,00

–

Politetrafluoroetylen

2,10 ÷ 2,20

327

nie pali się

–

–

Nierozpuszczalne

14

Przybliżone gęstości w g/cm3 najpopularniejszych tworzyw sztucznych są następujące:

–

0,9 - 1,0 - polietylen, polibutylen, polipropylen (nie toną w wodzie; jeszcze
mniejszą gęstość posiadają tworzywa w postaci spienionej);

–

1,0 - 1,2 - polistyren, polimetakrylany, poliestry, epoksydy, poliamidy;

–

1,2 - 1,4 - fibra, bakelit, celuloid, celofan, polichlorek winylu;

–

1,4 - 1,5 - aminoplasty;

–

1,5 - 1,8 - tworzywa z wypełniaczami nieorganicznymi, laminaty;

–

powyżej 1,8 - silikony, teflon.

6. Cel i wykonanie ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie najważniejszych tworzyw sztucznych i przy-

kładów ich zastosowań oraz metod ich identyfikacji.

7. Przebieg ćwiczenia

1.

Zidentyfikować próbki tworzyw sztucznych kierując się następującymi kryteria-
mi:
–

określić barwę, przezroczystość, przybliżoną gęstość i elastycz-
ność próbek tworzyw sztucznych;

–

określić zachowanie się próbek tworzyw sztucznych w otwartym
płomieniu, trzymając próbkę szczypcami nad płomieniem tak, aby w po-
czątkowej fazie nie dopuścić do jej zwęglenia;

–

zbadać zachowanie się próbek tworzyw podczas ogrzewania w probówce;
ustalić odczyn wydzielających się podczas ogrzewania par,

–

określić odporność próbek tworzyw sztucznych na działanie kwasów, zasad i
rozpuszczalników organicznych, umieszczając próbki na porcelanowej płytce
i nanosząc na ich powierzchnię kolejno kropię kwasu, zasady i rozpuszczal-
nika organicznego, a następnie obserwować reakcje.

2.

Zapoznać się z przykładami zastosowań wybranych grup materiałów polimero-
wych na podstawie przedstawionych zestawów próbek.

8. Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno zawierać:

–

podstawowe wiadomości o tworzywach sztucznych;

–

dokładny opis przeprowadzonych prób i wyniki dla każdego

–

tworzywa;

–

oznaczenia zidentyfikowanych tworzyw sztucznych oraz podstawowe
informacje o ich właściwościach i zastosowaniach.

15

9. Wymagania

1.

Podstawowe pojęcia charakteryzujące tworzywa sztuczne.

2.

Sposoby klasyfikacji tworzyw sztucznych.

3.

Struktura chemiczna i morfologiczna tworzyw sztucznych.

4.

Podstawowe właściwości i zastosowania najpowszechniej stosowanych tworzyw
sztucznych.

5.

Oznaczenia tworzyw sztucznych.

10. Literatura uzupełniająca

1.

Blicharski M.: „Wstęp do inżynierii materiałowej"', WNT, Warszawa
2001 (str. 350 - 355 i 417 -421).

2.

Topoliński T.: „Materiałoznawstwo", WTJATR, Bydgoszcz 1999 (str. 110-131).

3.

Ashby M. A.: „Materiały inżynierskie" tom II, WNT, Warszawa 1996 (str. 265-
320),

4.

Domke W.: „Vademecum materiałoznawstwa'', WNT, Warszawa 1989 (str. 227-
268).

5.

Prowans S.: „Materiałoznawstwo"1, PWN, Warszawa 1986 (str. 417 -427).