Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Wydział Nauk o Żywności i Rybactwa

Zakład Opakowalnictwa i Biopolimerów

I N S T R U K C J A

Ć W I C Z E N I E 17

Polimery

1

TWORZYWA SZTUCZNE

Tworzywa sztuczne stanowią grupę materiałów, których najistotniejszym składnikiem jest polimer
(związek wielkocząsteczkowy), zbudowany z powtarzających się elementów (merów) w postaci
ugrupowanych atomów.

…A —A—A—A—A—A—A—A…

Monomery to cząstki o niewielkiej liczbie masowej zdolne do reakcji z cząstkami identycznymi lub
innymi dzięki obecności reaktywnych grup (wiązania nienasycone, grupy karboksylowe, grupy
aminowe). Podstawowym źródłem surowców do otrzymywania monomerów są: ropa naftowa, gaz
ziemny, węgiel kamienny. Surowce poddawane są szeregowi procesów ogólnie przedstawionych
schematem:

Podział polimerów ze względu na pochodzenie



polimery syntetyczne

- pochodzą w 100% z syntezy chemicznej zaczynającej się od prostych

monomerów



polimery naturalne

- wytwarzane w 100% przez organizmy żywe; są to m.in.

celuloza

,

białka

,

kwasy nukleinowe

.



polimery modyfikowane

- polimery naturalne, które zostały sztucznie zmodyfikowane

chemicznie, zwykle w celu zmiany ich własności użytkowych np.:

octan celulozy

,

białko

modyfikowane

,

skrobia modyfikowana

.

Mechanizm otrzymywania polimerów
Ze względu na mechanizm polimeryzacji można wyróżnić: polimeryzację addycyjną (zwaną krótko
polimeryzacją) oraz polikondensację

Polimeryzacja addycyjna ma miejsce w przypadku reakcji addycji nienasyconych monomerów, która
dochodzi do skutku najczęściej poprzez pękanie wiązań wielokrotnych. Nie powstają wówczas żadne
produkty uboczne:

W ten sposób powstają polimery typu polietylenu polichlorku winylu, polistyrenu i innych, w których
wzrost łańcucha odbywa się kosztem pękania wiązań podwójnych.

Proces polimeryzacji przebiega w trzech etapach:
1) etap inicjowania (nazywany niekiedy aktywacją)
2) etap wzrostu łańcucha
3) etap zakończenia wzrostu łańcucha

Polikondesacja polega na wielokrotnym przebiegu elementarnych reakcji kondensacji między mono-
merami, przy czym reakcjom tym towarzyszy wydzielanie się produktu ubocznego. Tym ubocznym
produktem reakcji może być woda lub inna mała cząsteczka zwykle nieorganiczna taka, jak amoniak,
chlorowodór, dwutlenek węgla itp. Reakcja kondensacji nie jest reakcją samorzutną i wymaga dostar-
czenia energii z zewnątrz.

mieszanie polimerów z dodatkami

Monomery

Surowce

Tworzywo Sztuczne

polireakcja

Polimery

Wyroby z Tworzyw Sztucznych

przetwórstwo

2

mer

polimer

Polimeryzacja addycyjna

Polimeryzacja kondensacyjna

1.

Monomer zawiera grupy funkcyjne
(np. wiązania podwójne) wymagające ak-
tywacji

Monomer zawiera grupy funkcyjne zdolne do bez-
pośredniej reakcji

2.

Konieczne jest inicjowanie polimeryzacji

Nie jest konieczne zainicjowanie polimeryzacji

3.

Polimeryzacja ma charakter łańcuchowy

Polimeryzacja stopniowa

4.

Brak produktów ubocznych reakcji polime-
ryzacji

Występują produkty uboczne reakcji polimeryzacji
(np. woda)

5.

Skład chemiczny polimeru i monomeru jest
taki sam

Skład chemiczny polimeru i monomeru jest różny

6.

Stopień polimeryzacji jest równy ilorazowi
masy molowej polimeru i monomeru

Stopień polimeryzacji charakteryzowany jest śred-
nią masą molową polimeru

7.

Proces polimeryzacji zwykle jest nieodwra-
calny

Proces polimeryzacji zwykle jest odwracalny

8.

Wymagana jest wysoka czystość chemicz-
na monomeru

Ważna jest ilość grup funkcyjnych w monomerze

POLIMERY SYNTETYCZNE

- otrzymywane w reakcji polimeryzacji

Polietylen

•

Bezbarwne lub mlecznobiałe ciało stałe, odporne na działanie stężonych kwasów
i zasad, większości rozpuszczalników organicznych z wyjątkiem węglowodorów, palny;

•

Stosowany do produkcji pojemników na wodę i chemikalia, skrzynek, zabawek;

Polipropylen

•

Posiada większą wytrzymałość termiczną i mechaniczną od polietylenu

Polichlorek
winylu PVC

•

Mlecznobiałe ciało stałe często barwione i z dodatkiem plastyfikatora

•

Dobrze odporny na kwasy, słabo na zasady, niepalny

•

Stosowany do produkcji opakowań spożywczych, izolacji przewodów, wykładzin
podłogowych, zabawek

Teflon

•

Odznacza się wyjątkowo wysoką odpornością mechaniczną, chemiczną oraz cieplną
(do 350

⁰C); niepalny

•

Stosowany jako powłoka reaktorów chemicznych, naczyń kuchennych

3

Polistyren

•

Bezbarwne ciało stałe o dużej wytrzymałości mechanicznej, kruche; palny, o niskiej
wytrzymałości termicznej, rozpuszczalny w większości rozpuszczalników organicznych

•

Stosowany do produkcji pojemników, słoików, butelek, zabawek, sprzętu gospodarstwa
domowego (odkurzacze, lodówki)

Szkło
organiczne

•

Bezbarwne przezroczyste ciało stałe o dobrej wytrzymałości mechanicznej, palne

•

Stosowane do wyrobu nietłukących szyb

Polioctan
winylu

•

Wykazuje dobrą przyczepność do powierzchni różnych materiałów

•

Ma niską wytrzymałość mechaniczną i cieplną; wrażliwy na działanie kwasów i zasad

•

Stosowany do wyrobów klejów stolarskich i farb emulsyjnych

Polialkohol
winylowy

•

Bezbarwne ciało stałe o dobrej wytrzymałości mechanicznej; rozpuszczalny w wodzie,
trudno rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych; trudno palny

•

Stosowany do wyrobu farb emulsyjnych i kleju

•

Otrzymuje się go przez przekształcenie innego polimeru (hydrolizę polioctanu winylu)

Poliformaldehyd

•

Dobra wytrzymałość termiczna i mechaniczna, trudno palny, odporny na większość
rozpuszczalników organicznych

•

Stosowany do wyrobu precyzyjnych urządzeń mechanicznych

4

POLIMERY SYNTETYCZNE

- otrzymywane w reakcji polikondensacji

Politereftalan glikolu etylenowego (poliester stosowany do wyrobu elany)

Poliamid – 6 (nylon-6; stilon)

Poliamid – 6.6

Żywice fenolowo – formaldehydowe

•

Żywice te utwardzone przez usieciowanie noszą nazwę fenoplastów, a tworzywo z nich otrzymane to bake-
lit (stosowany do wyrobu laminatów, wtyczek, włączników, gniazd wtykowych)

•

Aminoplasty powstają w wyniku kondensacji mocznika z formaldehydem

Żywica mocznikowa

•

Żywice otrzymywane w wyniku kondensacji mocznika z aldehydem mrówkowym

•

Żywice niedopolimeryzowane są bezbarwne, rozpuszczalne w wodzie i szeroko stosowane do klejenia ar-
kuszy papieru, tkanin lub drewna; żywice utwardzone są obojętne chemicznie, odporne na działanie roz-
puszczalników i mają twardą, trwałą powierzchnię

5

Jako dodatki polimerowe stosuje się:

•

napełniacze - polepszają własności mechaniczne, sztywność, odporność cieplną, właściwości
elektroizolacyjne lub prądoprzewodzące; obniżają cenę gotowego wyrobu

•

stabilizatory - poprawiają stabilność termiczną, przeciwdziałają rozpadowi polimeru pod
wpływem tlenu i promieniowania ultrafioletowego

•

zmiękczacze (plastyfikatory) - ułatwiają przetwórstwo oraz modyfikują mechaniczne i cieplne
własności tworzyw

•

barwniki, pigmenty - nadają wyrobowi barwę

•

antystatyki - eliminują elektryzowanie się tworzywa przez modyfikację jego właściwości
powierzchniowych

•

antypireny - opóźniacze palenia, wywołują efekt samogaśnięcia tworzywa

Klasyfikacja technologiczna tworzyw sztucznych

Przyjmując za podstawę klasyfikacji tworzyw sztucznych ich właściwości użytkowe można wyodrębnić
w tej grupie materiałów elastomery i plastomery.

Elastomery charakteryzują się dobrą pamięcią kształtu, tj. nawet po znacznym odkształceniu
powracają do pierwotnych kształtów i wymiarów, jeśli przyłożona siła powodująca deformację zostanie
usunięta.

Plastomery wykazują nieznaczne odkształcenie pod niewielkim obciążeniem, a poddawane
wzrastającemu obciążeniu zaczynają odkształcać się plastycznie aż do mechanicznego zniszczenia.
Zależnie od właściwości technologicznych można je podzielić na termoplasty (tworzywa
termoplastyczne) i duroplasty (tworzywa utwardzalne).



Termoplasty przechodzą każdorazowo w stan plastyczny pod wpływem ogrzania, natomiast
po ochłodzeniu twardnieją. Mogą one zatem, być wielokrotnie kształtowane, a ich
przetwórstwo w wysokiej temperaturze (poniżej temperatury rozkładu polimeru) nie prowadzi
w wyraźny sposób do chemicznych i fizycznych zmian polimeru ani też do zaniku
plastyczności.

Należą do nich prawie wszystkie tworzywa polimeryzacyjne, a ponadto poliamidy, poliwęglan,
poli(siarczek fenylu), polieterosulfony i termoplastyczne pochodne celulozy.



Duroplasty są tworzywami, które w podwyższonej temperaturze lub pod wpływem innych
czynników przekształcają się w produkt usieciowany (nietopliwy i nierozpuszczalny). W
zależności od sposobu utwardzania dzielą się na termoutwardzalne (fenoplasty, aminoplasty) i
chemoutwardzalne (poliuretany, żywice poliestrowe i epoksydowe).

Właściwości tworzyw sztucznych

- fizyczne (gęstość, temperatura topnienia lub mięknienia polimeru, chłonność wody),
- mechaniczne (wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, wydłużenie przy zerwaniu, wytrzymałość na
ściskanie, udarność, twardość, ścieralność, wytrzymałość zmęczeniowa),
- cieplne (temperatura ugięcia pod obciążeniem, temperatura mięknienia wg Vicata, wytrzymałość
cieplna wg Martensa, rozszerzalność cieplna, przewodność cieplna),
- elektryczne (oporność właściwa skrośna, oporność właściwa powierzchniowa, wytrzymałość
dielektryczna, współczynnik strat dielektrycznych),
- optyczne (przepuszczalność światła, współczynnik załamania światła),
- chemiczne (odporność na działanie różnych chemikaliów, odporność na starzenie, palność).

6

Identyfikacja tworzyw sztucznych
Najczęściej identyfikacji tworzyw sztucznych dokonuje się na podstawie ich wyglądu zewnętrznego,
postaci handlowej, metody formowania, gęstości, zachowania w otwartym płomieniu i
rozpuszczalnikach oraz temperatury topnienia (mięknienia) polimeru.

Rozpatrując wygląd zewnętrzny tworzywa szczególną uwagę należy zwrócić na powierzchnię, tzn. czy
jest ona błyszcząca, matowa, tłusta czy porowata. Istotną rolę odgrywa także sztywność tworzywa i
jego barwa (przezroczysta, prześwitująca, kryta, kolor jasny lub ciemny).

Bardzo ważnym badaniem jest określenie zachowania się tworzywa w otwartym płomieniu. Podczas
tej próby należy ustalić:
- palność tworzywa (czy tworzywo w ogóle się pali, czy też pali się tylko w płomieniu palnika, a gaśnie
po wyjęciu z płomienia; czy zapalona próbka pali się dalej sama, jaki jest charakter palenia - spokojny
czy gwałtowny);
- kolor płomienia i układ barwy (czy występuje barwna obwódka), rodzaj płomienia (świecący,
kopcący, iskrzący);
- czy tworzywo topi się, kapie kropelkami, zwęgla się, wytwarza pęcherze, pozwala na wyciągnięcie
nitek po zgaszeniu;
- zapach dymów wydzielających się po zgaszeniu próbki.

Sprawdzanie odporności tworzywa na działanie rozpuszczalników jest w niektórych przypadkach dość
długotrwałe w porównaniu z przedstawionymi wyżej czynnościami. Dlatego tą metodę identyfikacji
tworzyw stosuje się wtedy, gdy poprzednio wykonane próby nie dają jednoznacznej odpowiedzi.
Badanie polega na potraktowaniu tworzywa określonym rozpuszczalnikiem i obserwacji zachowania
się materiału, aby stwierdzić czy ulega on pęcznieniu, żelowaniu lub rozpuszczeniu.

Symbole informacyjne
W celu informacyjnym jak również uproszczenia recyklingu i sortowania odpadów tworzyw sztucznych
został wprowadzony przez Society of the Plastics Industry Inc (USA)' w 1988 specjalny kod
oznaczania tych tworzyw.

7

8

Tabela 2. Zachowanie tworzyw w płomieniu palnika

Tabela 3. Identyfikacja tworzyw sztucznych

Rodzaj folii

Charakterystyka

palenia

Wygląd

płomienia

Zapach przy

spalaniu

Rozpuszczalność

Polietylenowa

spływa w postaci
palących się kropelek,
próbka podtrzymuje
palenie

świecący z

niebieskim

środkiem

topionej
parafiny

rozpuszczalna
w gorącym toluenie lub
ksylenie

Polipropylenowa

topi się i spływa kroplami,
próbka podtrzymuje
palenie

świecący z

niebieskim

środkiem

ostry, inny

niż parafiny

rozpuszczalna
w gorącym toluenie lub
ksylenie

Z polichlorku
winylu

pali się trudno, po
wyjęciu z płomienia
gaśnie pozostawiając
biały dym

zielony

ostry,

drażniący

pęcznieje i rozpada się
w acetonie,
rozpuszcza się
w tertrawodorofuranie

Polistyrenowa

zwija się w kulkę przed
zapaleniem, pali się i topi
wydzielając czarny
kopcący dym, próbka
podtrzymuje palenie

bladożółty,

świecący

słodki,

kwiatowy

powoli rozpuszcza się
w toluenie, rozpuszcza
się w acetonie i
benzenie

Poliestrowa

pali się powoli, wykazuje
tendencję do
samogaśnięcia

słodki

rozpuszcza się
w fenolu

Poliamidowa

pali się powoli, spływa w
postaci kropli, próbka
podtrzymuje palenie

niebieski

palonych

włosów

rozpuszcza się
w fenolu i w kwasie
mrówkowym

9

CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

Doświadczenie 1

Identyfikacja tworzyw na podstawie rozkładu termicznego

Test palności polimerów

Odczynniki:

Sprzęt:

- 5 rodzajów polimerów

- palnik
- metalowe szczypce

Celem doświadczenia jest określenie rodzaju polimeru lub kopolimeru stanowiącego
główny składnik badanego materiału.

Wykonanie doświadczenia

Próbkę polimeru, umieszczoną w metalowych szczypcach, należy utrzymać przy
płomieniu palnika aż do zapalenia się, nie dłużej jednak niż 10 sekund. Ogrzewanie
nie powinno być zbyć gwałtowne, gdyż rozkład polimeru następuje wówczas zbyt za
szybko aby śledzić zachodzące zjawiska. Podczas próby palenia należy obserwować
łatwość zapalenia materiału oraz czy po odsunięciu od płomienia próbka gaśnie czy
pali się nadal. Należy również zwrócić uwagę na cechy charakterystyczne płomienia,
takie jak: barwa, iskrzenie, kopcenie, świecenie. Jednocześnie notuje się zapach
wydzielonych w czasie rozkładu dymów i par oraz zachowanie się samej próbki (np.
czy się topi lub zwęgla). Uzyskane wyniki należy wpisać do poniższej tabeli i
porównać z danymi zamieszczonymi w tabeli nr 2 i 3 (str. 9), co pozwoli na
określenie typu/rodzaju badanej próbki.

Lp.

Zachowanie się próbki w

płomieniu

Wygląd

płomienia

Zapach przy

spalaniu

Typ polimeru

1.
2.
3.
4.
5.

Uwaga: Należy zachować szczególną ostrożność podczas testów palenia
i przeprowadzać doświadczenie w ściśle określonym miejscu. Wszystkie zużyte
próbki należy umieścić w zlewce z zimną wodą.

10

Doświadczenie 2

Synteza żywicy mocznikowej

Odczynniki:

Sprzęt:

- mocznik
- formalina
- KMnO

4

, roztwór nasycony

- aceton, chloroform, cykloheksan,
ksylen

- płytki Petriego
- 2 bagietki
- płyta grzejna
- 4 małe probówki
- folia aluminiowa
- metalowe szczypce

Celem doświadczenia jest próba otrzymania żywic termoutwardzalnych

Wykonanie doświadczenia

Płytkę Petriego wyścielić przygotowaną folią aluminiową. Odważyć na niej 2g
mocznika, a następnie dodać 2 cm

3

formaliny. Wszystko razem wymieszać przy

użyciu bagietki w celu rozpuszczenia mocznika. Następnie dodać kilka kropel
nasyconego roztworu KMnO

4.

Przenieść płytkę z zawartością na płytę grzejną i nadal

mieszać przez okres ok. 5 min. Następnie przy pomocy szczypiec należy zdjąć płytkę
z płyty grzejnej i odstawić na 15-20 min. Po ostygnięciu masa plastyczna zestala się.
Po zestaleniu żywicy należy małe jej kawałki umieścić w przygotowanych
(opisanych) probówkach by sprawdzić rozpuszczalność żywicy w odczynnikach
organicznych: acetonie, chloroformie, cykloheksanie i ksylenie (do każdej probówki
wlać 2 cm

3

odpowiedniego rozpuszczalnika). Opisać właściwości otrzymanej żywicy

w poniższej tabeli.

Aceton

Chloroform

Cykloheksan

Ksylen

Rozpuszczalność
żywicy
mocznikowej
Charakterystyka
otrzymanej żywicy
(barwa, zapach,
konsystencja)
Wzór otrzymanej
żywicy

11

Doświadczenie 3

Kleje polimerowe

Odczynniki:

Sprzęt:

- wiórki pleksi
- kawałki pleksi
- kawałki płyty CD
- octan etylu, chloroform

- 3 szkiełka zegarkowe
- 3 bagietki
- nakrętka

Celem doświadczenia jest próba otrzymania klejów polimerowych

Wykonanie doświadczenia

Na potrzeby tego ćwiczenia zostały przygotowane 3 rodzaje klei polimerowych (ze
względu na zbyt długi czas tworzenia kleju zostały one przygotowane przez
prowadzącego). Niewielką ilość każdego rodzaju należy przelać na szkiełka
zegarkowe i pozostawić na okres 10-15 min w celu odparowania rozpuszczalnika.
Przygotowane kleje użyć do sklejenia kawałków pleksi. W tym celu posmarować
jeden ze sklejanych elementów kilkakrotnie w odstępach kilkusekundowych
otrzymanym

klejem i połączyć klejone kawałki. Pozostawić je w spokoju na 10 minut.

Po wykonaniu doświadczenia należy dosypać po jednej nakrętce wiórek pleksi do
dwóch zestawów kleju i zalać 4 cm

3

odpowiedniego rozpuszczalnika (do trzeciego

zestawu dodać kilka kawałków płyty CD) w celu uzupełnienia zużytej ilości kleju.
Określić trwałość

sklejenia, napisać reakcję otrzymywania octanu etylu oraz

polimetakrylanu metylu.

Reakcja otrzymywania octanu etylu:

Reakcja otrzymywania polimetakrylanu metylu:

Określenie trwałości sklejania pleksi:
1)
2)
3)

Literatura:

1) H. Saechtling, Tworzywa sztuczne – poradnik, WNT, Warszawa 2000
2) J. Pielichowski, A. Puszyński, Technologia tworzyw sztucznych, WNT, Warszawa 1998
3) wwwnt.if.pwr.wroc.pl

12