Ceramika i polimery

Ceramika - są to złożone związki i roztwory stałe pierwiastków metalicznych i niemetalicznych połączone ze sobą wiązaniem jonowym lub kowalencyjnym: tlenki, azotki, węgliki. Wyroby ceramiczne uzyskuje się poprzez zaformowanie z proszku określonego kształtu, a własności nadaje się przez obróbkę termiczną (przetwarzanie w ogniu).

Rodzaje materiałów ceramicznych:

- Ceramika oparta na glinie (cegły, dachówka, wyroby garncarskie),

- Ceramika szlachetna ( płytki ścienne i podłogowe, sanitarna),

- Materiały ogniotrwałe (piece w przemyśle stalowniczym i metali nieżelaznych, pieców ceramicznych i cementowych),

- Szkło (pojemniki szklane, naczynia stołowe, włókna szklane, szkło optyczne),

- Materiały ścierne (diament, korund),

- Cement i materiały wiążące (produkcja budynków, dróg, mostów),

- Ceramika zaawansowana:

* Inżynieryjna (części odporne na ścieranie, bioceramika, narzędzia skrawające),

* Ceramika dla elektroniki (kondensatory, izolatory,, ceramika piezoelektryczna),

* Powłoki (narzędzia skrawające, części narażone na ścieranie),

* Chemiczna (filtry, katalizatory).

Struktura i właściwości:

Własności materiałów ceramicznych zależą od rodzaju atomów obecnych w materiale, rodzaju wiązań chemicznych między atomami oraz od sposobu ułożenia atomów. Większość ceramiki jest zbudowana z dwóch lub więcej pierwiastków, które tworzą związki chemiczne.

W ceramice występują dwa główne typy wiązań chemicznych: kowalencyjne i jonowe.

Końcowe własności materiału zależą od mikrostruktury, czyli budowy materiału, którą możemy dostrzec pod mikroskopem. W ceramice możemy mieć do czynienia ze struktura szklistą (tylko w przypadku szkieł), całkowicie krystaliczną lub mieszaną szklistą i krystaliczną.

Struktura atomowa ceramiki określa ich własności chemiczne, fizyczne, elektryczne, magnetyczne i optyczne. Natomiast mikrostruktura wpływa na własności mechaniczne, cieplne i na szybkość reakcji chemicznych.

Właściwości materiałów ceramicznych:

- Twarde,

- Odporne na ścieranie,

- Kruche,

- Odporne na wysoką temperaturę,

- Izolatorami cieplnymi,

- Niemagnetyczne,

- Odporne na utlenianie,

- Słabo odporne na wstrząsy cieplne,

- Stabilne chemicznie.

Charakterystyka materiałów ceramicznych:

Ceramika oparta na glinie

Produkcja tej ceramiki polega na przerobie gliny i uformowaniu z niej wyrobów a następnie wypaleniu w temperaturze 900-1100° C. Do produkcji tych wyrobów używa się glin wypalających się na czerwono, tzn. zawierających związki żelaza.

Wyroby z tego rodzaju ceramiki są porowate i maja niską wytrzymałość mechaniczną oraz niskie przewodnictwo cieplne. Wytrzymałość mechaniczna i porowatość tej ceramiki zależą od mikrostruktury, którą można modelować przez zmianę rodzaju gliny jak i przez stopień przerobu gliny w procesie produkcyjnym. Z gliny nisko przerobionej otrzymuje się porowate, kruche wyroby garncarskie, z gliny dobrze przerobionej otrzymuje się dachówki o wysokim stopniu spieczenia i dużej wytrzymałości mechanicznej.

Ceramika szlachetna

Należą do niej wyroby produkowane z zestawu trzech głównych składników: kaolinu, kwarcu i skalenia. Kaolin to rodzaj bardzo czystej gliny a skaleń jest skałą glinokrzemianową, zawierającą do 18% alkalii i z tego względu w masach ceramicznych pełni rolę topników, czyli źródła fazy ciekłej. Głównymi przedstawicielami ceramiki szlachetnej są: fajans, porcelana i kamionka.

Fajans

Fajans - rodzaj ceramiki, kruchy i silnie chłonący wodę (z powodu jego porowatości). Materiał ten otrzymuje się poprzez wypalenie mieszaniny rozdrobnionych: kaolinu, gliny, skaleni, kredy lub marmuru. Z fajansu wytwarza się głównie naczynia kuchenne, urządzenia sanitarne, płytki okładzinowe oraz przedmioty artystyczne, aby po wyprodukowaniu uczynić je nieprzepuszczalnymi dla cieczy, pokrywa się je szkliwem ceramicznym

Kamionka

Kamionką nazywa się wyroby ceramiczne o niskiej porowatości i szarym lub brunatnym czerepie. Wyroby kamionkowe produkuje się z surowców ilastych o niskiej temperaturze spiekania. Jako dodatki do masy kamionkowej stosuje się surowce schładzające (piasek kwarcowy, szamot mielony, czyli palona glina oraz złom kamionkowy) a także topniki (skalenie). Wyroby kamionkowe wypala się na biskwit w bardzo niskiej temperaturze (700-800° C) i ponownie po szkliwieniu w 1250-1300° C.

Porcelana

Porcelaną nazywa się tworzywo ceramiczne, często szkliwione, o silnie spieczonym białym, przeświecającym czerepie, o dużej wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej. Wypala się ją dwu a nawet trzykrotnie: na biskwit w 900-1000° C, na ostro w 1380-1460° C i z dekoracją w około 800° C. Z mas porcelanowych wykonuje się porcelanę stołową i artystyczną, sanitarną oraz techniczną (porcelana laboratoryjna, izolatory wysokiego napięcia).

Materiały ogniotrwałe

Materiałami ogniotrwałymi nazywa się materiały ceramiczne, których ogniotrwałość zwykła jest wyższa niż 1500° C. Charakteryzują się one:

*Odpornością na zmiany temperatury w dużym zakresie temperatur

*Odpornością chemiczną na działanie żużla, szkła i stopionych metali

*Możliwie niskim współczynnikiem przewodnictwa cieplnego

*Dostateczną wytrzymałością mechaniczną w dużym interwale temperatur

Wyroby ogniotrwałe można podzielić na następujące grupy:

*Glinokrzemianowe (szamotowe, wysokoglinowe, mulitowe, korundowe) o kwaśnym charakterze chemicznym, oparte na dwóch podstawowych tlenkach: SiO₂+Al₂O₃

*Zasadowe (magnezytowe, magnezytowo-chromitowe, chromitowe, dolomitowe, forsterytowe, wapienne) oparte na zasadowych tlenkach MgO i/lub CaO

*Specjalne (z węglika krzemu, cyrkonowe, spinelowe)

*Tlenkowo-węglowe (nawęglane lub smołowane wyroby korundowe lub magnezytowe o podwyższonej odporności korozyjnej)

Szkło

Szkło jest substancją nieorganiczną. Szkło nie jest ciałem stałym, ponieważ nie ma budowy krystalicznej. Podstawowym budulcem szkła jest krzemionka SiO₂. Szkło ma budowę nieuporządkowaną (amorficzną), jest izotropowe, twarde i kruche. Szkło cechuje brak określonej temperatury topnienia.

Materiały ścierne

Materiał ścierny to minerał, skała lub produkt syntetyczny, np. elektrokorund, który po rozdrobnieniu ma własności ostrzy skrawających. Jest wykorzystywany do wytwarzania ściernic, narzędzi i past ściernych. Materiały polerskie to materiały ścierne o różnej twardości charakteryzujące się drobnoziarnistością, używane w postaci past lub zawiesin do ostatecznej obróbki powierzchni metali, szkła, kamieni ozdobnych. Jako materiały ścierne i polerskie wykorzystuje się takie surowce mineralne jak diament, korund i szmergiel, pumeks, grafit, kaolin, kreda, talk oraz materiały syntetyczne: elektrokorund, węglik krzemu, azotek boru, tlenek berylu, tlenek chromu itp. Do ostatecznego wygładzania powierzchni (polerowania) stosuje się nie tylko mikroproszki ścierne, ale tarcze filcowe nasycone super drobnym materiałem polerskim.

Polimery - to substancje o cząsteczkach zbudowanych z powtarzających się elementów ("merów"), przy czym mogą to być elementy (monomery) identyczne. W przypadku polimerów wytworzonych z niejednakowych monomerów mówimy o kopolimerach.

Kopolimery mogą mieć budowę uporządkowaną, o powtarzającej się sekwencji cząsteczek monomerów, lub statystyczną, gdzie brak regularności w występowaniu poszczególnych merów makrocząsteczki.

Polimery naturalne, występujące w przyrodzie, to przede wszystkim skrobia, celuloza i inne policukry, oraz polipeptydy i białka.

Sztucznie otrzymywane polimery określamy najczęściej wspólną nazwą - tworzywa sztuczne. Właściwości otrzymanych tworzyw mogą znacznie różnić się między sobą, szczególnie właściwościami fizycznymi.

Reakcje otrzymywania polimerów (polireakcje):

Polimeryzacja reakcja łańcuchowa, polegająca na bardzo szybkim kolejnym przyłączeniu się cząsteczek monomeru do pierwszej cząsteczki uaktywnionej pod wpływem czynników fizycznych lub chemicznych.

Proces polimeryzacji można przeprowadzić różnymi metodami. Do najbardziej rozpowszechnionych zaliczyć można trzy metody:

*Polimeryzacja blokowa - polega na wprowadzeniu do monomeru w fazie ciekłej rozpuszczalnych w nim inicjatorów i poddaniu całej masy procesowi polimeryzacji. Proces ten prowadzi się na ogół w podwyższonej temperaturze. Reakcja polimeryzacji ma charakter egzotermiczny.

*Polimeryzacja emulsyjna - przebiega w układzie heterogenicznym w emulsji. Emulsję tworzy monomer rozproszony w wodzie z dodatkiem emulgatora, który zapewnia trwałe rozproszenie monomeru. Oprócz emulgatorów emulsje zawierają również dodatek inicjatorów polimeryzacji, które są rozpuszczalne w wodzie, natomiast nierozpuszczalne w monomerze.

*Polimeryzacja perełkowa - przebiega w układzie heterogenicznym. Monomer z rozpuszczonym w nim uprzednio inicjatorem zostaje w sposób mechaniczny rozproszony w wodzie w postaci drobniutkich kropelek. Reakcja polimeryzacji przebiega wewnątrz kropelek monomeru. Spolimeryzowane kropelki tworzą jakby perełki i stąd powstała nazwa.

Polikondensacja- łączenie się wielu monomerów w makrocząsteczkę z jednoczesnym wytworzeniem niskocząsteczkowych produktów ubocznych(woda, amoniak lub chlorowodór).

Poliaddycja - polega na stopniowym łączeniu cząsteczek, zwykle dwóch różnych monomerów, bez wydzielenia produktów ubocznych reakcji, ale z wystąpieniem przegrupowania atomów monomerów. Produktem są polimery heterołańcuchowe, nadające się do formowania niskociśnieniowego lub bezciśnieniowego.

Technologie otrzymywania tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne - materiały składające się z polimerów syntetycznych lub zmodyfikowanych polimerów naturalnych oraz dodatków modyfikujących takich jak np. napełniacze proszkowe lub włókniste, stabilizatory termiczne , środki antystatyczne, środki spieniające, barwniki.

Tworzywa sztuczne mogą być otrzymywane z czystego polimeru, z kopolimerów lub z mieszanek polimerów. Często otrzymywane są także z polimerów modyfikowanych metodami chemicznymi lub przez dodatki innych substancji pomocniczych. Za główne technologie otrzymywania tworzyw sztucznych są uważane polireakcje (polimeryzacja, poliaddycja, polikondensacja).

Wyróżnia się następujące metody otrzymywania polimerów:

1)Metody bezpośrednie za pomocą polireakcji,

2)Metody pośrednie, takie jak: przemiany chemiczne polimerów otrzymanych na drodze polireakcji, prowadzące do powstania nowych polimerów niedostępnych za pomocą polimeryzacji oraz modyfikacje chemiczne polimerów pochodzenia naturalnego.

Dodatki stosowane w polimerach:

*Napełniacze - dodawane są do tworzyw termoutwardzalnych w celu poprawienia własności mecha­nicznych,

*Zmiękczacze - dodaje się w celu obniżenia temperatury zeszklenia, a tym samym podniesienia wła­sności plastycznych tworzywa,

*Stabilizatory - zapewniają te same własności podczas procesu użytkowania, uodparniają przed utlenianiem,

*Pigmenty - dodawane dla zabarwienia na określony kolor, barwę,

*Porofory - zapewniają porowata powierzchnię i strukturę, mogą to być substancje organiczne lub nieorganiczne,

*Środki zmniejszające palność tworzyw sztucznych - stosowne do pracy w warunkach zagrożenia pożarowego,

*Środki tiksotropujące - dodawane w celu zróżnicowania właściwości lepkich w stanie spoczynku i podczas mieszania.

Rodzaje wiązań w polimerach (pierwszego rzędu):

* Jonowe - występują między jonami różnoimiennymi: dodatnimi i ujemnymi. Wymaga transferu elektronów i wymaga znaczącej różnicy elektroujemności.

* Kowalencyjne - wiązanie międzyatomowe na skutek wspólnych par elektronów w orbitalach o kształcie i rozmiarach wynikających z mechaniki kwantowej.

Rodzaje wiązań między łańcuchami (drugiego rzedu):

*Siły dyspersyjne - im bliżej są cząsteczki tym siły są większe,

*Siły dipolowe - występują gdy pomiędzy łączącymi się atomami powstaje nierównowaga w rozmieszczeniu elektronów,

*Mostki wodorowe - tworzywo zyskuje dobre własności wytrzymałościowe i udarnościowe, dzięki tym mostkom podwyższona jest temperatura mięknienia i topnienia.

Podział tworzyw sztucznych ze względu na właściwości sprężystoplastyczne:

*Elastomery - tworzywa, które można rozciągać i ściskać; w wyniku rozciągania lub ściskania elastomery zmieniają znacznie swój kształt ale po odjęciu siły wracają do poprzednich kształtów. Elastomery zastąpiły prawie całkowicie kauczuk naturalny, ale znalazły też szereg nowych zastosowań niedostępnych dla zwykłego kauczuku.

*Plastomery - popularnie zwane termoplastami mniej sztywne od duromerów ale łatwotopliwe - dzięki ich topliwości można je przetwarzać poprzez topienie i wtryskiwanie do form lub wytłaczanie, dzięki czemu można z nich uzyskać bardzo skomplikowane kształty.

Podział tworzyw sztucznych ze względu na zastosowanie:

*Duroplasty tworzywa polimerowe, które można przeprowadzić ze stanu plastycznego w stan stały tylko 1 raz i nie można ich ponownie uplastyczniać bo ich struktura jest usieciowana.

*Termoplasty tworzywa, które ogrzane do wystarczająco wysokiej temperatury miękną aż do plastycznego płynięcia, a po ochłodzeniu ponownie stają się twarde. Proces ten jest powtarzalny. Mają strukturę liniową lub czasem rozgałęzioną.

Przykłady tworzyw sztucznych:

• POLIETYLEN (PE) - polimer, biała substancja porowata lub biały proszek, gęstość 0,92-0,97 g/cm³, temperatura topnienia 110-137°C, termoplast. Otrzymywany jest w wyniku polimeryzacji etenu (etylenu). Polietylen ma bardzo dobre własności dielektryczne, jest odporny mechanicznie, wykazuje także odporność na działanie czynników chemicznych i niskich temperatur (do -50°C), jest niepolarny,

• POLISTYREN (PS) - polimer termoplastyczny. Gęstość 1,05 g/cm³. Jest otrzymywany przez polimeryzację styrenu. Czysty polistyren jest kruchy, przezroczysty, ma doskonałe właściwości dielektryczne, odznacza się dużą rozszerzalnością cieplną, jest palny. Można obrabiać go metodą wytłaczania lub wtryskową. Tworzywa polistyrenowe służą do produkcji: rur kwasoodpornych, części samochodów, zabawek, opakowań, galanterii, wyrobów codziennego użytku,

• POLIPROPYLEN (PP) - produkt polimeryzacji propylenu, termoplast o barwie białożółtej. Gęstość 0,90-0,91 g/cm³. Z polipropylenu wykonuje się folie, rury, koła zębate, obudowy maszyn, łożyska niskoobrotowe, elementy armatury, wykładziny, pojemniki.

• POLICHLOREK WINYLU (PCW) - biały proszek, o gęstości 1,4 g/cm³, produkt polimeryzacji rodnikowej chlorku winylu, termoplastyczny. Wykazuje bardzo dobrą wytrzymałość mechaniczną i dobre własności dielektryczne. Polichlorek winylu znajduje zastosowanie jako materiał elektroizolacyjny, surowiec do wyrobu płytek podłogowych, rur, przedmiotów codziennego użytku, drobnego sprzętu medycznego,

• POLIAMID (PA) - polimery, które posiadają wiązania amidowe w swoich głównych łańcuchach. Poliamidy mają bardzo silną tendencję do krystalizacji dodatkowo wzmacnianą tworzeniem się wiązań wodorowych między atomem tlenu i azotu z dwóch różnych grup amidowych. Dzięki temu poliamidy są bardziej twarde i trudniej topliwe niż poliestry nie mówiąc już o polimerach winylowych. Z poliamidów produkuje się przede wszystkim włókna zwane często nylonami i aramidami oraz tworzywa sztuczne o podwyższonej odporności mechanicznej,

• KAUCZUK SYNTETYCZNY - otrzymywany na drodze sztucznej syntezy chemicznej. Stanowi podstawowy składnik sztucznej gumy. Spotyka się je także w elastycznych żelach, sztucznych piankach, wykorzystuje się je do produkcji elastycznych tkanin, lin i wielu innych zastosowań,

• POLIWEGLANY - są termoplastycznymi (formowanymi przez wtrysk i wytłaczanie na gorąco) tworzywami sztucznymi o bardzo dobrych własnościach mechanicznych, szczególnie udarności i dużej przezroczystości. Najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniem są warstwy uodporniające szklane szyby na stłuczenie.

6

---