Identyfikacja tworzyw sztucznych

Polimery - organiczne związki wielkocząsteczkowe, o dużej masie cząsteczkowej (10

4

,..,10

7

), zbudowane z wielu

powtarzających się elementów budowy, nazywanych merami.
Polimer można przedstawić schematycznie jako łańcuch powtarzających się jednostek konstytutywnych (merów)
(Rys.1):

a) -A-A-A-A-A-A-A- -> -[A]n-
gdzie A oznacza jednostki strukturalne czyli mery, n - liczbę merów w łańcuchu polimerowym.

b) _-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-_ -> -[CH2-CH2]n-

Rys.1 Schematyczny zapis łańcucha polimeru a) zapis ogólny, b) półstrukturalny wzór łańcucha polietylenu (PE)

W zależności od fizycznej budowy łańcucha polimery dzieli się na:
- liniowe,
- rozgałęzione,
- usieciowane.

Przykładem polimerów, których łańcuchy mają budowę liniową jest polistyren i poli(chlorek winylu), ich łańcuchy
nie mają rozgałęzień natomiast mogą występować grupy boczne.
Polimerami rozgałęzionymi są homopolimery, na przykład polietylen o małej gęstości, jak również kopolimery
szczepione, z kolei przykład polimerów usieciowanych stanowią polimery termoutwardzalne, których łańcuchy
połączone są wiązaniami poprzecznymi tworząc sieć przestrzenną. Rodzaj budowy łańcuchów polimerowych
ilustruje Rys. 2.

Rys. 2. Łańcuch polimerowy o budowie a) liniowej, b) rozgałęzionej, c) usieciowanej

Liniowe bądź rozgałęzione łańcuchy polimerowe przedstawione schematycznie na Rys. 2 rzadko występują w
postaci wyprostowanej i najczęściej przybierają ukształtowanie globularne, lamelarne lub rektalne. Postacie
konformacyjne łańcucha polimerowego ilustruje Rys. 3.

Rys. 3. Ukształtowanie głównego łańcucha polimerowego a) postać globularna (kłębek), b) postać lamelarna (sfałdowana), c) postać

rektalna (zygzakowata płaska).

Tworzywa sztuczne są to materiały użytkowe otrzymane na bazie polimerów, powstałe w wyniku połączenia
ich z różnymi dodatkami. Zadaniem dodatków polimerowych jest modyfikacja własności polimeru i wykreowanie
nowego materiału użytkowego. Jako dodatki polimerowe stosuje się:

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

Tworzywa sztuczne klasyfikuje się na wiele sposobów, w zależności od przyjętego kryterium podziału.
Jednym ze stosowanych systemów podziału tworzyw sztucznych jest klasyfikacja w zależności od pochodzenia
bazowego polimeru. Według tego kryterium, tworzywa dzielimy na

- naturalne modyfikowane np.
pochodne celulozy - celuloid, wiskoza
pochodne kazeiny - galalit (sztuczny róg)

- syntetyczne, czyli otrzymywane na drodze polireakcji np.
polietylen (PE),
polistyren (PS),
żywice epoksydowe (EP),
poliamidy (PA).

Klasyfikacja materiałów polimerowych
Często stosowaną klasyfikacją tworzyw sztucznych jest podział technologiczny, ze względu na własności
reologiczne, które wiążą się z własnościami użytkowymi (Rys. 4.). Głównym kryterium podziału w tej klasyfikacji
jest zachowanie się polimeru w temperaturze pokojowej określone na podstawie zależności naprężenie-
odkształcenie.

Rys. 4. Technologiczna klasyfikacja polimerów

Zgodnie z powyższym podziałem polimery dzieli się na dwie podstawowe grupy: elastomery i plastomery.

Elastomery - są to związki wielkocząsteczkowe, które w temperaturze pokojowej przy małych naprężeniach
wykazują duże odkształcenia elastyczne, odwracalne. Odwracalność odkształceń jest związana z budową
elastomerów, ich długie łańcuchy są usieciowane i tworzą nieregularną strukturę. O własnościach sprężystych
elastomerów decyduje długość łańcuchów, stopień ich zwinięcia oraz ilość wiązań poprzecznych między
łańcuchami polimerowymi, przy czym zwiększenie ilości mostków, czyli wiązań poprzecznych zwiększa twardość
oraz wytrzymałość natomiast zmniejsza elastyczność elastomeru. Temperatura zeszklenia elastomerów jest niższa
od temperatury pokojowej. W zależności od podatności na proces wulkanizacji elastomery dzieli się na
wulkanizujące i niewulkanizujące.

Plastomery - pod wpływem naprężenia wykazują małe odkształcenia nie przekraczające zwykle 1% a
poddawane wzrastającemu obciążeniu odkształcają się plastycznie, aż do mechanicznego zniszczenia.
Temperatura zeszklenia plastomerów jest wyższa od temperatury pokojowej. Do plastomerów zaliczane są
termoplasty i duroplasty.

Termoplasty - w podwyższonej temperaturze przechodzą w stan plastyczny, czyli miękną i dają się kształtować.
Po ochłodzeniu twardnieją zachowując nadane im kształty i odzyskują pierwotne własności. Cykl uplastycznienia
można powtarzać kilkakrotnie. Ze względu na postać łańcucha polimerowego termoplasty dzielą się na dwie
podgrupy: krystaliczne i amorficzne. Łańcuch polimerów krystalicznych przybiera postać lamelarną lub rektalną
natomiast termoplasty amorficzne mają łańcuch ukształtowany w postaci kłębka (Rys.3).

Duroplasty - w podwyższonej temperaturze i/lub pod wpływem utwardzaczy przekształcają się w produkt
usieciowany (nietopliwy i nierozpuszczalny). Ponowne ogrzewanie może spowodować rozkład chemiczny
polimeru. W zależności od sposobu utwardzania duroplasty dzielą się na termoutwardzalne i chemoutwardzalne.

Zalety materiałów polimerowych

- Mała gęstość (i w związku z tym niski ciężar)
- Wysoka wytrzymałość właściwa (stosunek wytrzymałości do ciężaru właściwego)
- Dobre właściwości elektroizolacyjne
- Dobra lub bardzo dobra odporność na działanie czynników chemicznych
- Łatwość formowania detali o skomplikowanych kształtach
- Dobry wygląd otrzymanych detali (barwa, połysk, faktura powierzchni)

Wadami materiałów polimerowych są:

- Wytrzymałość mechaniczna gorsza niż metali
- Niska odporność na pełzanie
- Mała stabilność kształtu (spowodowana małą sztywnością)
- Duża rozszerzalność cieplna
- Mała odporność cieplna
- Mała twardość
- Niska wytrzymałość na działanie promieni UV

Cel identyfikacji - określenie polimeru, który stanowi zwykle główny składnik analizowanego tworzywa.

Tok postępowania zmierzający do identyfikacji tworzyw sztucznych:
A) Ocena wyglądu zewnętrznego:
- Barwa
- Przezroczystość
- Rodzaj powierzchni (gładka/chropowata)
B) Ocena podstawowych własności mechanicznych
- Odkształcalność
- Odporność na zarysowania
C) Oznaczanie gęstości
D) Ocena odporności na czynniki chemiczne
E) Próba palności/próba płomieniowa

Nazwa

tworzywa

Gęstość

[g/cm

3

]

Zachowanie w

płomieniu

Wygląd płomienia

Zapach po

zgaszeniu

próbki

Zachowanie w

rozpuszczalnikach

Polietylen (PE)

0.92 - 0.96

Po zapaleniu pali się

sam

Świecący, z niebieskim

środkiem

Palonej parafiny

W temperaturze pokojowej nie

rozpuszczalny we wrzącym toluenie,

wytrąca się po ochłodzeniu

Polipropylen (PP)

0.89 - 0.91

Po zapaleniu pali się

sam

Święcący, z niebieskim

środkiem

W temperaturze pokojowej nie

rozpuszczalny we wrzącym toluenie,

wytrąca się po ochłodzeniu

Poli(chlorek winylu)

(PVC)

1.38

Pali się w płomieniu,

gaśnie poza

Żółty, zielony na brzegach,

białe dymy, ewentualnie

zielone iskry

Chlorowodoru

Rozpuszczalny w cykloheksanonie, i

tetrahydrofuranie

Polistyren (PS)

1.08

Po zapaleniu pali się

sam

Świecący, silnie kopcący

Charakterystyczny,

słodko - kwiatowy

Łatwo rozpuszczalny w acetonie,

CCl

4

Poli(metakrylan metylu)

(PMMA)

1.19

Po zapaleniu pali się

sam

Świecący, trzeszczący

Przypominający

czosnek

Rozpuszczalny w wielu

rozpuszczalnikach

Poliwęglan (PC)

1.20

Pali się w płomieniu,

gaśnie poza

Świecący, kopcący, próbka

zwęgla się, tworzą się

pęcherze

Rozpuszczalny w chlorku metylenu,

cykloheksanonie, krezolu

Poliamid (PA)

1.02 - 1.14

Nie podtrzymuje

palenia

Świecący, niebieskawy, z

żółtym brzegiem, kapie,

powstają banieczki i

ciągnące się nitki

Palonego rogu

Rozpuszczalny w stężonym kwasie

mrówkowym, fenolu, kwasie solnym

Politetrafluoroetylen

(PTFE)

2.1 - 2.25

Nie pali się

Nie rozpuszczalny

Silikony

1.30

Żarzy się

Biały jasny płomień,

wydziela się biały osad

(krzemionka)

Poliuretany (PU)

1.21

Po zapaleniu pali się

sam

Świecący

Ostry,

charakterystyczny

Rozpuszczalny w DMF

Polioksymetylen (POM)

Pali się

Słabo widoczny,

niebieskawy

Zapach formaliny

Żywica fenolowa

1.34 - 1.40

Nie pali się, niektóre
palą się w płomieniu

Gdy się palą - płomień

jasny, kopcący

Fenolu, formaldehydu

Rozpuszczalny w stężonym ługu,

etanolu, acetonie tylko w przypadku

żywic

Tworzywa aminowe -

melaminowe

Nie pali się, zwęgla

się

Często białe brzegi