MATERIAŁY
NIEMETALICZNE

M. metaliczne

M. niemetaliczne

podstawowy element struktury

atom

Związek chemiczny o

zmiennej masie cząsteczkowej

struktura

krystaliczna

krystaliczna (0-

100%) + amorficzna (100- 0%)

temperatura

przejścia do fazy ciekłej

stała T

s

zmienna

-zależna od ilości fazy krystalicznej i amorficznej T

topienia

od masy cząsteczkowej molekuł - T

mięknięcia

POLIMER
Y

TWORZYWA SZTUCZNE=

POLIMER

+

DODATKI

Nazwy handlowe Tworzywom Sztucznym (

TS

) nadaje producent

(Politen , Vestolen -PE) ich właściwości użytkowe określa ilość i
rodzaj dodatków, stosowana technologia produkcji polimeru która
określa średnią wielkość molekuł ich rozkład wokół wartości
średniej.

Prof.. J.Pietrzyk
02.2006p

Budowa molekuł

-na przykładzie polietylenu (PE), składa się ona

z powtarzających się

elementów

zwanych

merami

-pomiędzy

którymi działają silne wiązania

kowalencyjme

.

Wielkość

molekuł określa stopień

polimeryzacji

n

który dochodzi do

10

5

. Od niej i rozkładu wokół masy

średniej-uzależnionych od
technologii produkcji zależą z
kolei własności mechaniczne
polimeru. Czym większy

n

tym

większa wytrzymałość, twardość,
lepkość, mniejsza plastyczność i
udarność.

Dla

polietylenu (PE)

n<200 gaz
200<n<500 ciecz

n>500 ciało stałe o

różnej -wzrastającej ze wzrostem

n

wytrzymałości.

T

Wzajemny

przestrzenny

układ merów przy niesymetrycznej ich

budowie np..PVC (C

2

H

3

Cl) może być różny (a-izostatyczny; b-

syndiotaktyczny; c-ataktyczny) -zależy od technologii, może zmieniać
własności.

Molekuły mogą być liniowe -częściej jednak
spotykamy się z molekułami posiadającymi
odgałęzienia boczne.

Kopolimery

Molekuła może być

zbudowana nie z jednego (homopolimer)
lecz dwu lub więcej różnych merów,
mogą się różnić wzajemnym
usytuowaniem. Pozwala to na
uzyskiwanie uśrednionych własności dwu
wchodzących w jej skład merów.

mer A
mer B

Struktura polimerów

składa się z liniowych molekuł

pomiędzy którymi działają

słabe wiązania

związane z

niesymetrycznym rozkładem ładunku.

Pod działaniem
tych sił formuje
się ich
struktura.
Obszary
amorficzne i
krystaliczne %
ich zależy od
technologii ich
otrzymywania.

W przypadku rozpuszczenia ich w rozpuszczalniku a następnie jego
odparowania otrzymujemy 100% struktury amorficznej. Podczas
wolnego chłodzenia połączonego z formowaniem wyrobu
otrzymujemy struktury z dużym stopniem krystalizacji. Zwiększenie
stopnia krystalizacji zwiększa gęstość (1n%), wytrzymałość,
temperaturę mięknięcia .

Między molekułami mogą lokalnie
powstawać

wiązania

silne

kowalencyjne

-proces

sieciowania

. Zwiększa on

wytrzymałość twardość zmniejsza
plastyczność. W rezultacie sieciowania
molekuł kauczuku (materiał o konsystencji
plasteliny) otrzymuje się gumy o twardości
zależnej od ilości tych wiązań -ilości siarki.

W składowej amorficznej struktury polimerów znajduje się dużo por
przez które łatwo przenikają gazy N

2

; O

2

; CO

2

; H

2

O; nie przenika

woda (np..folia Goretex) folie z tych materiałów mogą tworzyć
membrany półprzepuszczalne.W strukturę polimerów łatwo włączać
inne składniki -dodatki które polepszają właściwości użytkowe i
technologiczne polimerów dając TS.

Dodatki do polimerów

1)Plastyfikatory -zmiękczacze cząsteczki wnikające

pomiędzy liniowe molekuły -osłabiają połączenia między nimi co
prowadzi do polepszenia udarności plastyczności -polepsza
właściwości technologiczne -np.. otrzymywania cienkich folii.

2)Środki poślizgowe i smarujące. Obniżają wsp. tarcia,

polepszają gładkość powierz. 3)Antystatyki -domieszki
zwiększające przewodność elektryczną. Zapobiega to gromadzeniu
się ładunków elektrostatycznych na powierzch.-osiadaniu kurzu
iskrzeniu. 4)Antypireny -substancje utrudniające palenie ich
rozkład podczas pożaru powoduje wydzielanie niepalnych gazów
odcinających dopływ tlenu.

5)Porofory -środki

wspieniające -po podgrzaniu w całej objętości wydzielają się gazy
powstaje struktura porowata -styropian, pianka poliuretanowa
/właściwości izolacyjne/ 6)Środki barwiące. Pigmenty -zabarwienie
nieprzezroczyste, barwniki zab. przezrocz. 7)Stabilizatory,
inhibitory -przeciwdziałają starzeniu TS
8)Napełniacze -substancje makroskopowe dające swoiste materiały
kompozytowe.

*proszkowe -kwarc, tlenki metali (Al

2

O

3

),

metale, grafit.

*włókna -szklane, węglowe,

azbestowe, bawełniane./ Rm, U, Tpracy/

*arkusze, maty

-papier, maty z wł. bawełnianych, szklanych, azbestowych i..

Ogólne właściwości TS

. Zależą od rodzaju polimeru, jego średniej

masy cząsteczkowej, stopnia krystalizacji, dodatków -wszystkie są
nieodporne na starzenie.

*gęstość [g/cm

3

] od 0.9 do 2.2 (Fe-

7.8). Zwiększają gęstość atomy O, N, Cl, F zależy od stopnia
krystalizacji (1n%).

*chłonność

wody -od 0.0n% (PE, PS) do 1n% (celuloza). Zwiększa się przy
spadku stopnia krystalizacji. Po wchłonięciu wody -pęcznienie,
spadek Rm, U, A.

*rozpuszczalność w rozpuszczalnikach.

Wnikanie cząsteczek w obszary amorficzne (pęcznienie) do pełnej
rozpuszczalności w nich. /kleje, farby emulsyjne/ *odporność
chemiczna dobra na substancje nieorganiczne /HCl, HF, H

2

SO

4

/

słaba na rozpuszczalniki organiczne (alkochol, aceton).

*ciepło właściwe -średnio~4* większe od metali,

przewodność cieplna -średnio o 10

3

* mniejsza od metali -izolatory.

Możliwość zwiększenia właściwości izolacyjnych przez ich
wspienianie -tworzenie struktury porowatej. Trudności
odprowadzenia ciepła od pary trącej łożysko -oś, jedno z nich musi
być z metalu. *rozszerzalność cieplna -~1n* większa od metali
-trudności przy współpracy elementów konstrukcji metal-TS.

*przewodność

elektryczna -izolatory -zwiększenie przewodności dodatkami
antystatyków, napełniaczy. Istnieją TS o właściwościach
przewodzących (o stosunku przewodności el. do ciężary lepszym od
metali) o właściwościach półprzewodnikowych.

Własności mechaniczne polimerów

są silnie uzależnione od

temperatury -silniej aniżeli stopy metali. Ich specyfiką jest to że
posiadają dwie temperatury „topnienia” -niższą dla fazy amorficznej
(~Tg temperatura zeszklenia), wyższą dla fazy krystalicznej (~T

f

,

Tp

temperatura płynięcia), obydwie zależne od średniego stopnia
polimeryzacji (~średniej masie cząsteczek).

W ogólnym przypadku temperatury przejścia pomiędzy
poszczególnymi stanami zależą od stopnia krystalizacji i średniej
masy cząsteczkowej M. Czynniki te powodują że zależność własności
mechanicznych od temperatury ma złożony charakter. Dla ich
omówienia posłużymy się modelem reologicznym ciała stałego.

Przy niskich temperaturach w zakresie

szklisto

kruchym

liniowe molekuły są „zamrożone” i polimery podczas

odkształcania zachowują się jak metale modelem jest idealna
sprężyna.

Odkształcenie przy =const, po czasie

=const

Tg

Tp

Stan
kruchy

lepko
-sprężys
ty

lepko
-płynn
y

płynny

Krzywa
termokinety
czna

Przy wyższych temperaturach (stan

lepko-sprężysty

) gdzie

cząsteczki uzyskują zdolność do przemieszczania się względem
siebie odkształcenie lokalizuje się głównie w obszarach amorficznych
i zależy od czasu. Modelem c. s. Jest połączenie sprężyny z komórką
Voigta. Pojawia się odwracalne odkształcenie lepko-sprężyste.

Odkształcenie



ls

można „zamrozić”
przez ochłodzenie i
wrócić do
poprzedniego
kształtu przez
podgrzanie. Efekt
„

pamięci kształtu

”

-termokurczliwość.

Stan

wysokoelastyczny

(lepkopłynny

) łatwe nieodwracalne

przemieszczanie cząsteczek prowadzi
do pojawiania się zależnych od czasu
odkształceń nieodwracalnych
-pełzania 

N

(t).

W obu

tych zakresach podczas

odkształcania plastycznego zachodzi
orientacja liniowych molekuł
-zwiększa się stopień krystalizacji.

Stan płynny

-

przetwórstwo.

Temperatura eksploatacji większości TS przypada na zakres
temperatur gdzie występują odkształcenia lepkosprężyse i związane
z nimi efekty relaksacji mechanicznych. Własności mechaniczne
cechuje tu silna zależność od szybkości wykonywania próby i
temperatury. Oprócz znanych nam charakterystyk
wytrzymałościowych Rm, Re, A, U, H, pełzania
R



R

z

zmęczenia 

z

/10

6

, TS ocenia się na

ODPORNOŚĆ CIEPLNĄ

.

Relaksacje
mechaniczne

1.Temperatura

ugięcia

pod

obciążeniem HDT, nagrzewanie
120K/h pomiar  /=0.25mm/.

2.Temperatura

mięknięci

a wg.

Vikata, nagrzewanie 50K/h pomiar
zagłębienia igły pod obciążeniem 5kG
/=1mm/
3.

Maksymalna dopuszczalna

temperatura temperatura
eksploatacji -ustala producent TS na
podstawie swoich badań.

Podział

(klasyfikację) TS dokonujemy ze względu na technologie

ich przetwarzania u producenta gotowych wyrobów.

A/

Tworzywa termoplastyczne

.

Podgrzane przechodzą w stan
lepkopłynny i dają się formować
-po ostygnięciu zachowują
nadany kształt.
Najpopularniejsza grupa TS
~75% produkcji wszystkich TS.
Ł.

recykling

.

B/

Tworzywa

termoutwardzalne

. W stanie

wyjściowym w postaci gęstych
cieczy -żywic. Po uformowaniu
wyrobu i podgrzaniu następuje
sieciowanie i przejście w stan
stały.

C/

Tworzywa

chemoutwardzalne

do

przejścia w stan stały
-sieciowania wymagają
dodatkowego składnika
-

utwardzacza

. Sieciowanie

może zachodzić przy
temperaturze pokojowej ale
niektóre z nich wymagają
podgrzania.



[g/cm

3

] Tz

0

C Tp

0

C Tm

0

C E [MPa] Rm

[MPa] A [%]

0.91-0.94 ~0

110

-50 - +70 1500 13.5

520

A/

Tworzywa termoplastyczne

najpopularniejszy z nich to

polietylen PE

(CH

2

)n PE-

LD

-małej gęstości

-odgałęzienia boczne.

PE-

HD

-dużej gęstości



[g/cm

3

] Tz

0

C Tp

0

C Tm

0

C E [MPa] Rm

[MPa] A [%]

0.95-0.98 ~-20

130

-50 - +80 1800 31

600

Duży stopień krystalizacji (do 96%). Zastosowania folie
(przepuszczają O

2

;

N

2

), butelki, opakowania, izolacje przewodów,

rury, powłoki ochronne.

Polipropylen PP



[g/cm

3

] Tz

0

C Tp

0

C Tm

0

C E [MPa] Rm

[MPa] A [%]

0.9 ~-14

--

-10 - +100 2000 35

610

H H
-C--
C-

H
CH

3

Właściwości przetwórcze i mechaniczne

lepsze

od PE

zastosowania osprzęt medyczny (strzykawki -sterylizacja),
sprzęty domowe, wykładziny zbiorników, obudowy.

Poli(chlorek winylu) PVC

-najtańszy z TS. Własności zależą od

ilości plastyfikatorów.

PVC twardy

winidur 5-10% plastyfikatora.

Zastosowania -ramy okienne, rury wody pitnej i kanalizacyjne,
opakowania produktów spożywczych, obudowy.

PVC

miękki

igielit 10-60% plastyfikatotów. Zastosowania -folie, węże

ogrodnicze, tapety, powlekanie tkanin (derma), powłoki ochronne na
metalach, uszczelki, wykładz.



[g/cm

3

] Tz

0

C Tp

0

C Tm

0

C E [MPa] Rm

[MPa] A [%]

1.38 -------

--------

-10 - +80 2600 82

20

T



[g/cm

3

] Tz

0

C

1.23 -30-+70
320

M

H H
--C-C-
H Cl

Powyżej 135

0

C niebezpieczeństwo rozkładu termicznego z

wydzieleniem

Cl

2

stwarza to zagrożenia dla ludzi podczas

pożaru.

Polistyren PS Twardy, przezroczysty, łatwo barwiący się, prosty w
przetwórstwie, podczas rozkładu termicznego nie wydziela sadzy
(osprzęt elektryczny), opakowania.



[g/cm

3

] Tm

0

C E [MPa] Rm

[MPa] A [%] 1.05 -40 -+75
2500 52 5

Po modyfikacji butanienem (

PS wysoko udarowy

)

zwiększa udarność i plastyczność. Najlepsze własności
posiada jego kopolimer

ABS

-Rm=48 A=13%;

U=272[J/m

2

] -deski rozdzielcze samochodów.

U[J/m

2

]

15

PS

Inne zastosowania to materiały

wspienianie

-po domieszkowaniu

go środkami wspieniającymi (heptan, pentan) i podgrzaniu do 100
-150

0

C /przejście PS w stan lepkopłynny/ gazy te wydzielają się dając

strukturę porowatą -

styropian

.

Policzterofluoroetylen PTFE

(nazwy handlowe teflon,

tarflen, i inn). Tworzywa ~10krotnie droższe od
pozostałych, bardzo odporne na działanie odczynników
chemicznych, stosowane do pracy zarówno w niskich jak i
wysokich (+200

0

C) temperaturach, niepalne, niski

współczynnik tarcia.



[g/cm

3

] Tz

0

C Tp

0

C Tm

0

C E [MPa] Rm

[MPa] A [%]

2.15 -2.2 ~-90

327

-200 - +250 408 25-

36 350-550



[g/cm

3

] Tz

0

C Tp

0

C Tm

0

C E [MPa] Rm

[MPa] A [%]

Własności silnie zależne od stopnia krystalizacji -dochodzi do 96%,
zależy od szybkości chłodzenia poniżej 327

0

C. Wady mała odporność

na pełzanie (pełzanie przy 20

0

C), temperatury przetwarzania

(formowania) 360-380

0

C bliskie temperaturze rozkładu termicznego,

duży ciężar.

Zastosowania

-aparatura chemiczna, uszczelki, pierścienie

ślizgowe, izolacje przewodów elektrycznych, powłoki na garnkach.
Zastosowania

specjalne

-membrany półprzepuszczalne np.. Folia

Goretex

10

7

por/cm

2

o średnicy 700 razy większej od molekuły H

2

O -

przepuszcza też N

2

i O

2

nie przepuszcza wody.

Poli(metakrylan metylu) PMMA

(pleksi, metapleks, szkło

organiczne)



[g/cm

3

] Tz

0

C Tp

0

C Tm

0

C E [MPa] Rm

[MPa] A [%]

1.18 105 190 -40 -+85 3600
79 6



[g/cm

3

] Tz

0

C Tp

0

C Tm

0

C E [MPa] Rm

[MPa] A [%]

Tworzywo przezroczyste (90% światło widzialne, 70%
ultrafioletu). Zastosowanie w optyce (mały ciężar), okna
samolotów, aparatura medyczna, dekoratorstwie,
uszczelnianie aparatury elektronicznej. Odporny na
kwasy nieorganiczne nie odporny na odczynniki
organiczne -dobrze rozpuszcza się w acetonie.

Poliamidy PA

-duża różnorodna grupa TS (nylon, stilon, tarnamid,

stilamid, rislan )

--NH--CO--(CH

2

)

m

--NH--CO--(CH

2

)

n

--

polimer nie tworzy już łańcuch

-C-

. W zależności od

m

i

n

otrzymujemy różne PA /n=m=5 kapron; n=5, m=6

dacron/.



[g/cm

3

] Tz

0

C Tp

0

C Tm

0

C E [MPa] Rm

[MPa] A [%]



[g/cm

3

] Tz

0

C Tp

0

C Tm

0

C E [MPa] Rm

[MPa] A [%]
1.12 +50 255 -40-+90 2420 64
108 */

*/PA 6 Tarnamid Proste w

przetwórstwie

-otrzymywanie

wyrobów wszystkimi technologiami- polimeryzacja w formach,
wtryskarki, wyciskanie przez oczko, spiekanie proszków, odlewanie
odśrodkowe, natryskiwanie powłok.

Zastosowania

-50% to włókna,

nici, tkaniny, pozostałe to elementy konstrukcyjne-koła zębate,
tuleje, łożyska (mały wsp. Tarcia ~50% fazy amorficznej -dobre
wchłanianie smarów).

PA -zastosowania

. Około 50% fazy krystalicznej zapewnia dobry

stosunek plastyczności do udarności, chłonność wody /do~1%/.
Kompozyty z włóknami węglowymi, szklanymi.

Osobną grupę stanowią

poliamidy

aromatyczne

o dużej wytrzymałości mechanicznej i odporności

cieplnej (rozkład 500

0

C, zakres pracy -196 do +180

0

C) z których

wytwarza się włókna aramidowe pod nazwą handlową kewlar
stosowany w przemyśle lotniczym, sprzęt sportowy, kaski, kamizelki
kuloodporne.

Polimery

termoutwardzalne

W stanie

wyjściowym najczęściej w postaci gęstej

cieczy

, po

podgrzaniu

następuje

sieciowanie

i przejście w

stan stały

-który jest stanem

nieodwracalnym. Dostarczane są

A. W postaci

nieutwardzonej

żywic lub tłoczywa / tłoczywo=żywica + napełniacz (włókna szklane,
węglowe, mączka drzewna, kaolin)/. Zastosowania -kleje „na
gorąco”, do formowania gotowych wyrobów na wtryskarkach-
najczęściej drobne elementy elekt

B. W postaci utwardzonej

u

producenta półwyrobów -pręty, rury, płyty , laminaty.

Tworzywa

fenolowe

PF

-najczęściej spotykane. W postaci utwardzonej z

napełniaczami warstwowymi /laminaty/, własności ich i zastosowania
zależą od rodzaju napełniacza.

Napełniacz arkusze

papieru

PF CP-rezokard,

getynaks   

 g/cm

3

] Rm~100MPa, Tmax~120

0

C -zastosowania

obudowy rozdzielni elektrycznych.

Napełniacz tkanina

bawełniana

PF CC- tekstolit, rezoteks B Rm~100MPa

Tmax~100

0

C ,

lepsza

udarność i tłumienie drgań -zastosowania

elementy konstrukcyjne /koła zębate, wkładki panewek w silnie
obciążonych walcarkach/.

Napełniacz tkanina z

włókna szklanego

PF GC rezoteks S

  

 Rm~200MPa Tmax~120

0

C- największa wytrzymałość z PF

-elementy konstrukcji, płytki montażowe Wadą PF jest ich ciemno
brunatne zabarwienie -trudność w ich barwieniu, wady tej nie
posiadają droższe, o niższej wytrzymałości, lepszej odporności
chemicznej -

Tworzywa aminowe

które używane są często jako

zewnętrzna dekoracyjna warstwa na laminacie fenolowym. Tak
zbudowane są powszechnie stosowane wykładziny w środkach
transportu.

Tworzywa chemoutwardzalne

Tworzywa termoutwardzalne dla swego przejścia w

stan stały (drogą sieciowania) wymagały podgrzania do 140 -180

0

C.

Tworzywa chemoutwardzalne (najczęściej dwuskładnikowe) do
swego przejścia w stan stały wymagają oddzielnego inicjatora
sieciowania. Po zmieszaniu dwu składników sieciowanie (w czasie od
1n minut do 1n godzin) może zachodzić przy temperaturze
pokojowej -chociaż podgrzanie przyspiesza te procesy. Stąd często te
dwie grupy łączy się w jedną.

Poliestry

UP

Polskie nazwy handlowe

Polimal

(od 100 do 162 -zależnie od

zastosowań) używane do wyrobu laminatów, odlewów, uszczelnień,
lakierów i klei. Nie wykazują dobrej odporności chemicznej (niektóre
rozpuszczają się w gorącej wodzie), niska wytrzymałość (Rm=20
-40MPa) mała plastyczność A=~0.3-1.2% sprawia że na elementy
konstrukcyjne używa się

tylko

ich kompozytów z matami szklanymi

UP GM /   

 Rm~100MPa /, są odporne na gnicie, tanie,

Tmax~+60

0

C. Zastosowania w lotnictwie i okrętownictwie (kadłuby,

osłony), budownictwie -płyty faliste, kabiny łazienkowe, wanny,
zbiorniki na wodę, elektrotechnice -anteny, maszty.

Żywice epoksydowe

EP, polskie nazwy handlowe to

Epidian

(1 -6),

należą do

najdroższych

TS. Posiadają lepszą odporność chemiczną

od poliestrów, dużą twardość i wytrzymałość przy zachowaniu
elastyczności, Tmax=80 -+180

0

C. Dobre właściwości klejące i

przyczepność do wielu materiałów -stąd zastosowanie jaki kleje,
szpachtlówki, powłoki ochronne, pasty regeneracyjne /żywica +
proszki metalu lub tlenku metalu/. Na elementy konstrukcyjne używa
się kompozytów z matą szklaną / Rm~220MPa /.

Gumy

(elastomery) -szczególna grupa TS.Charakteryzuje się dużą
zdolnością do odkształceń odwracalnych będących sumą odkształceń
sprężystych i lepkosprężystych.

Guma

jest produktem

sieciowania

(wulkanizacji)

kauczuków

, do sieciowania

używa się najczęściej siarki. Wulkanizację
przeprowadza się po uformowaniu wyrobu
przez matrycę najczęściej jest to wyciskanie
-profil okrągły, płaski, rura itp. w autoklawie
przy 110 -160

0

C przez 5 -10 minut. W

zależności od ilości siarki -punktów
spinających liniowe pozwijane w kłębki
molekuły kauczuku, otrzymujemy gumy o
różnej sztywności, lub ebonity.

*S<10% -gumy o różnej sztywności

*30%>S>10% -pół ebonity
*S>30% -ebonity

W skład gum wchodzą też plastyfikatory, pigmenty, antyutleniacze i
wypełniacze -sadza dla gum czarnych, biel cynkowa (ZnO) dla gum
białych.

Gumy charakteryzują się dużym współczynnikiem Poissona  =0.4

-0.5 (są nieściśliwe, metale  =0.25 -0.3), małą gęstością 1 -2[g/cm

3

],

mały (zależny od szybkości obciążania moduł sprężystości 1 -10MPa,
mała wytrzymałość na rozciąganie 5 -35MPa. Zakres temperatur
stosowania prostych gum to -30 -+130

0

C -po zastosowaniu

specjalnych dodatków -70-+250

0

C.

Zastosowania: opony, dętki, uszczelki, izolacja, elementy tłumiące
drgania.

Prof.. J.Pietrzyk
02.2006p