Instytut InŜynierii Transportu
Zakład Techniki Transportu
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów
Materiałoznawstwo
i
Nauka o materiałach
Identyfikacja i badanie
materiałów polimerowych
Opracowali: mgr inŜ. Joanna Tuleja
Dr inŜ. Jarosław Chmiel
Zatwierdził: dr inŜ. Jarosław Chmiel
Szczecin 2008
Tematem ćwiczenia jest grupa materiałów, których głównym składnikiem jest
związek wielkocząsteczkowy – polimer. Oprócz niego materiały te zawierają składniki dodatkowe, nadające im wymagane właściwości uŜytkowe i technologiczne.
Podstawowe grupy zatsosowań materiałów polimerowych w technice wynikają
z ich specyficznych własciwości uŜytkowych. W szczególności istotne jest zastosowanie tej grupy materiałów jako :
-
materiałów konstrukcyjnych o specyficzncych właściwościach;
-
materiałów elektroizolacyjnych;
-
materiałów termoizolacyjnych;
-
materiałów uszczelniających;
-
materiałów wibroizolacyjnych;
-
specjalnych materiałów łoŜyskowych;
-
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 moŜna poprzez modyfikację naturalnych substancji wielkocząsteczkowych,
jednak obecnie wytwarza się je przede wszystkim syntetycznie. Cząsteczki związków
chemicznych, stanowiących substancje wyjściowe do otrzymywania związków wielkocząsteczkowych 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 monomeru 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 róŜnej wielkości i masie cząsteczkowej – dlatego teŜ stosuje się pojęcia średniej masy cząsteczkowej lub stopnia polimeryzacji.
2
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 uŜytkowych
– w zakres technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych. Tworzywa sztuczne do-starczane do przetwórstwa mają postać Ŝywic, tłoczyw, preimpregnatów lub półfa-brykatów.
śywice występują jako tzw. Ŝywice 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 Ŝywicą. Na wyroby gotowe lub półwyroby przetwarzane są najczęściej metodami wtryskiwania, wytłaczania lub prasowania.
Preimpregnaty to arkusze lub zwoje materiału wzmacniającego o odpowiedniej
strukturze, nasycone Ŝywicą 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 naleŜy 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;
– moŜliwość długotrwałego uŜytkowania wyrobów bez potrzeby dodatkowej ich
konserwacji;
– moŜliwość wielokrotnego przetwarzania tworzyw (recycyling).
Do czynników ograniczających zastosowanie handlowo dostępnych tworzyw
sztucznych naleŜy 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 powodującą ograniczenia w stosowaniu niektórych grup tworzyw sztucznych w okrętownic-
3
twie jest ich palność, a zwłaszcza moŜliwość wydzielania podczas palenia silnie tru-jących produktów gazowych (np. podczas spalania poliuretanów moŜe wydzielać się
cyjanowodór, zaś podczas spalania PVC – fosgen). Twardość tworzyw sztucznych jest znacznie niŜsza niŜ 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 zaleŜności od pochodzenia rozróŜnia 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 zaleŜności od rodzaju reakcji, w wyniku której powstaje polimer (tzw. polireakcji) rozróŜnia
się
tworzywa
syntetyczne
polimeryzacyjne,
polikondensacyjne
i poliaddycyjne (tablica 1).
Tablica 1. Podział tworzyw syntetycznych
Tworzywa
otrzymywane Tworzywa
otrzymywane Tworzywa
otrzymywane
przez polimeryzację
przez polikondensację
przez poliaddycję
Polietylen,
polipropylen, Fenoplasty
Poliuretany
kopolimery olefinowe
Aminoplasty
Tworzywa epoksydowe
Poli(chlorek winylu), kopo- Poliamidy
otrzymywane Poliamidy
otrzymywane
limery winylowe
z kwasów
dikarboksylo- z laktamów
Polistyren
i
kopolimery wych i diamin
styrenu
Poliwęglany
Poli(metakrylan metylu)
Poliestry
Poliformaldehyd,
kopoli- Poli(siarczek fenylenu)
mer acetalowy
Poliimidy
Poli(tlenek fenylenu)
Polieterosulfony
Politetrafluoroetylen i inne
polimery fluorowe
4
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 róŜni się od monomeru tylko wielkością cząsteczki. Szczególnym przypadkiem polimeryzacji jest kopo-
limeryzacja – reakcja mieszaniny co najmniej dwóch monomerów, z wytworzeniem makrocząsteczek zawierających mery odpowiadające wszystkim składnikom mieszaniny. W zaleŜności od technicznej realizacji procesu wyróŜnia się polimeryzację w masie (np. polimetakrylan metylu, polietylen małej gęstości), polimeryzację w zawiesinie (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 monomerów.
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 umoŜliwia 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 uŜytkowe tworzyw, moŜna 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 odkształcenia spręŜyste przy niewielkich napręŜeniach, zaś przy wzroście napręŜeń odkształcają się plastycznie, aŜ do zniszczenia.
W zaleŜności od właściwości technologicznych rozróŜnia się termoplasty i duroplasty. 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 naleŜą prawie wszystkie tworzywa polimeryzacyjne a ponadto poliamidy, poliwęglan, poli(siarczekfenylenu), niektóre poliestry, polieterosulfony i termoplastyczne pochodne celulozy. Duroplasty są to tworzywa, które pod wpływem podwyŜszonej temperatury lub innych czynników przekształcają się w produkt prze-strzennie usieciowany, nietopliwy i nierozpuszczalny.
W zaleŜności od sposobu utwardzania rozróŜnia się tworzywa termoutwardzalne (np. fenoplasty i aminoplasty) oraz chemoutwardzalne (np. poliuretany, nienasycone
Ŝywice poliestrowe i epoksydowe). Ogrzewanie produktu usieciowanego nie powodu-
je jego mięknienia, moŜe natomiast doprowadzić do chemicznego zniszczenia polimeru.
5
Budowa polimerów
3.1. Budowa makrocząsteczek
W zaleŜności 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 jonizującego. Elastomery charakteryzują się stosunkowo niewielkim stopniem usieciowania. Znaczny stopień usieciowania jest charakterystyczny dla duroplastów. Ze wzrostem stopnia rozgałęzienia i stopnia usieciowania polimeru wzrasta jego odporność cieplna.
Jeśli cząsteczka monomeru zawiera grupy boczne (podstawniki), to względem łań-
cucha polimeru mogą być one rozmieszczone w sposób nieuporządkowany – ataktyczny – lub w jeden ze sposobów uporządkowanych – izotaktyczny lub syndiotaktyczny. Polimery o uporządkowanym ułoŜeniu podstawników (tzw. polimery stereo-
regularne) wykazują większą skłonność do krystalizacji, wyŜszą temperaturę topnienia, większą gęstość i znacznie lepsze właściwości mechaniczne niŜ polimery ataktyczne.
3.2. Rozmieszczenie makrocząsteczek – struktura fazowa
Rozmieszczenie cząsteczek polimeru moŜe być przypadkowe lub w pewnym stopniu
uporządkowane. Polimery o całkowicie przypadkowym ułoŜeniu cząsteczek – amor-
ficzne – to duroplasty oraz większość tworzyw o dobrej przezroczystości. Uporządkowany układ cząsteczek, typowy dla polimerów krystalicznych rzadko występuje w
postaci „czystej”. Z reguły poszczególne obszary uporządkowanego ułoŜenia cząsteczek – 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 węŜszym zakresie temperatur.
6
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 Ŝółknie i staje się kruchy. Zakres tempe-
ratur uŜytkowania od -20 do +60°C. Stosowany jako tworzywo konstrukcyjne, do celów elektrotechnicznych oraz termoizolacyjnych. Kopolimery styrenowe o duŜej udarności i zakresie temperatur uŜytkowania od -40 do +80°C są stosowane do wyrobu korpusów urządzeń elektrotechnicznych i elektronicznych, elementów wyposa-
Ŝenia 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. JuŜ 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 podwyŜszonej udarno-
ści otrzymuje się w wyniku modyfikacji fizycznej (mieszanie w stopie) lub chemicznej (kopolimeryzacja z elastomerami). Twardy PVC stosowany jest do wyrobu rur i profili konstrukcyjnych, zaś zmiękczony - głównie do wyrobu izolacji kabli i rur.
POLIOLEFINY [PE, PP, PIB]
Jest to duŜa grupa polimerów termoplastycznych węglowodorowych, o bardzo zróŜ-
nicowanych właściwościach. Spośród tworzyw tej grupy najczęściej stosowane są polietylen nałej i duŜej gęstości (LDPE i HDPE), polipropylen (PP) oraz poliizobutylen (PiB). Poliolefiny mają dobre właściwości dielektryczne, małą gęstość i doskonałą odporność chemiczną. Wyroby z poliolefin o duŜym stopniu polimeryzacji stosowane
są w temperaturach do 130°C. Właściwości poliolefin moŜna modyfikować poprzez dodatki napełniaczy takich jak talk, kreda, sadza oraz szkło w postaci krótkiego włókna lub mikrosfer. Istnieje moŜliwość 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 duŜej twardości i doskonałych właściwościach
optycznych. Przetwarzany jest głównie metodami odlewania i wytłaczania. Zastoso-
wania PMMA wynikają z jego właściwości optycznych: przeźroczyste osłony lamp, 7
otworów okiennych i wzierników, światłowody, przeźroczyste kompozycje do zalewania 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 Ŝywicy. Wybór utwardzacza zaleŜy od temperatury utwardzania.
Od temperatury utwardzania (do 180°C) zaleŜy 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 Ŝywice do zalewania, laminaty, kompozytowe
elementy konstrukcyjne, kleje i proszkowe materiały malarskie oraz materiały do napraw i regeneracji (np. produkty firmy Belzona). Wzmacnianie Ŝywic epoksydowych zbrojeniami włóknistymi o duŜej 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, moŜna podjąć próbę określenia rodzaju tworzywa na postawie próby spalania
lub wraŜliwości na działanie wybranych odczynników.
Tworzywa sztuczne i zmodyfikowane tworzywa naturalne są identyfikowane na pod-
stawie:
– wyglądu i postaci wyrobu,
– przybliŜonej 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.
8
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.
9
Tabela 2. RozróŜnianie tworzyw sztucznych na podstawie wyglądu zewnętrznego i postaci wyrobu (wg K. Dobrosza i A. Matysiaka)
Wygląd zewnętrzny
Przypuszczalny rodzaj tworzywa lub grupy tworzyw
i postać tworzywa
Granulaty wtryskowe
tworzywa termoplastyczne, rzadziej duroplasty
Tłoczywa do prasowania
przede wszystkim aminoplasty, wyklucza się fenoplasty
o jasnych barwach
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 najczęściej laminaty poliestrowe lub epoksydowe
szklanym
Kity
przede wszystkim fenoplasty, epoksydy, poliestry lub poliure-
tany, PVC zmiękczony
śywice ciekłe lub stałe
Ŝywice fenolowe, poliestrowe lub epoksydowe
Laminaty z nośnikiem pa- przede wszystkim laminaty lub melaminowe
pierowym lub tekstylnym
Płyty i elementy wykrawane najczęściej poli(metakrylan metylu), PVC twardy, termoplasty-z płyt
czne estry celulozy, poliwęglan;
postać płyt mogą mieć takŜe laminaty, najczęściej fenolowe,
melaminowe i poliestrowe
Tworzywa porowate
najczęściej poliuretany, polistyren (kolor śnieŜnobiały) i PVC
Przezroczyste płyty o duŜej poli(metakrylan metylu), poliwęglan
grubości
Odlewy o masie do kilku kg
Ŝywice poliestrowe lub epoksydowe, rzadziej polimetakrylan
metylu
10
Tabela 3. RozróŜnianie wybranych tworzyw sztucznych na podstawie gęstości, temperatury topnienia (mięknienia) polimeru oraz zachowania się w płomieniu i w rozpuszczalnikach
Gęstość
Temperatura
Zachowanie się
Wygląd pło-
Zapach po zgasze-
Zachowanie się tworzywa
Tworzywa
topnienia
tworzywa
mienia
niu próbki
w rozpuszczalnikach
[g/cm3]
(mięknienia)
w płomieniu
polimeru [°C]
1
2
3
4
5
6
7
Polipropylen
0,89 ÷ 0,91
160 ÷ 170
po zapaleniu pali
świecący
słaby, palonej pa-
rozpuszcza się we wrzącym
się dalej samo,
z niebieskim
rafiny
toluenie, wytrąca się po ochło-
topi się i kapie
środkiem
dzeniu
Polietylen
0,91 ÷ 1,00
100 ÷ 110
po zapaleniu pali
świecący
słaby, palonej pa-
rozpuszcza się we wrzącym
0,92 ÷ 0,94
110 ÷ 120
się dalej samo,
z niebieskim
rafiny
toluenie
0,94 ÷ 0,96
130 ÷ 140
topi się i kapie
środkiem
Poliamid 12
1,01 ÷ 1,04
170 ÷ 180
po zapaleniu pali
świecący, nie-
typowy, podobny
rozpuszczalne w stęŜonym
Poliamid 11
1,03 ÷ 1,05
180 ÷ 190
się dalej samo,
bieskawy
do palonego rogu
kwasie mrówkowym i fenolu
Poliamid 6
1,12 ÷ 1,15
215 ÷ 225
kapie, powstają
z Ŝółtym obrze-
banieczki i ciągną- Ŝem
Poliamid 6.6
1,13 ÷ 1,16
250 ÷ 260
ce się nitki
Polistyren
1,04 ÷ 1,08
90 ÷ 110
zapalony pali się
świecący, silnie charakterystyczny rozpuszczalne w acetonie,
dalej, mięknie
kopcący
słodko-kwiatowy
chlorku metylu
Kopolimery styrenu
1,02 ÷ 1,09
–
po zapaleniu pali
świecący, silnie charakterystyczny podobnie jak polistyren; zaleŜ-
się dalej samo,
kopcący
słodko-kwiatowy
nie od rodzaju kopolimeru roz-
mięknie
oraz palonej gumy puszczalność moŜe być mniej-
lub drapiący
sza
śywice poliestrowe
1,10 ÷ 1,40
–
po zapaleniu pali
świecący, kop-
słodko-kwiatowy
praktycznie nierozpuszczalne
śywice poliestrowe
1,80 ÷ 2,30
–
się dalej samo,
cący
(podobnie jak przy (słabo rozpuszczalne w aceto-
z włóknem szkla-
zwęgla się
polistyrenie)
nie)
nym
Aminoplasty
Aminoplasty
Aminoplasty
Aminoplasty
Aminoplasty
Aminoplasty
Aminoplasty z napełniaczem
z napełniaczem
z napełniaczem z napełniaczem z napełniaczem
z napełniaczem z napełniaczem
mineralnym
mineralnym
mineralnym
mineralnym
mineralnym
mineralnym
mineralnym
11
Gęstość
Temperatura
Zachowanie się
Wygląd pło-
Zapach po zgasze-
Zachowanie się tworzywa
Tworzywa
topnienia
tworzywa
mienia
niu próbki
w rozpuszczalnikach
[g/cm3]
(mięknienia)
w płomieniu
polimeru [°C]
1
2
3
4
5
6
7
śywice epoksydowe
1,10 ÷ 1,40
–
po zapaleniu pali
świecący, kop-
najpierw mało
praktycznie nierozpuszczalne
śywice epoksydowe
się dalej samo
cący
charakterystyczny, (pęcznieje nieco w acetonie
z włóknem szkla-
1,80 ÷ 2,30
–
potem fenolu
i estrach)
nym
Octanomaślan ce-
1,11 ÷ 1,22
125 ÷ 175
po zapaleniu pali
świecący, Ŝółty, kwasu octowego
rozpuszczalne w acetonie, diok-
lulozy
się dalej samo,
iskrzący
i masłowego, palo- sanie i octanie etylu; przy
topi się i kapie
nego papieru
ogrzewaniu w 30% kwasie siar-
kowym występuje zapach octu
i kwasu masłowego
Poli(metakrylan
1,16 ÷ 1,20
160 ÷ 190
po zapaleniu pali
świecący, trza- typowy, owocowy
rozpuszczalne w acetonie, ben-
metylu)
się dalej samo,
skający, Ŝółty z
zenie, dioksanie i octanie etyle-
mięknie
niebieskim
nu
środkiem
Poli(chlorek winylu)
1,19 ÷ 1,41
–
pali się w płomie-
Ŝółty z zielo-
chlorowodoru
rozpuszczalne w cykloheksano-
zmiękczony
niu, gaśnie poza
nym obrzeŜem, (charakterystyczny nie i tetrawodorofuranie
Poli(chlorek winylu)
płomieniem,
białe dymy,
dla tworzyw winy-
twardy
mięknie, następnie ewentualnie
lowych)
1,38 ÷ 1,41
140 ÷ 160
ulega rozkładowi
iskry
barwiąc się na
brązowo lub czar-
no
Poliwęglan
1,20 ÷ 1,22
220 ÷ 230
pali się w płomie-
świecący, kop-
zbliŜony do fenolu rozpuszczalne w chlorku mety-
niu, gaśnie poza
cący
lu, cykloheksanonie i krezolu
płomieniem, topi
się, ulega rozkła-
dowi i zwęgleniu
Poliuretany
1,20 ÷ 1,26
–
po zapaleniu pali
świecący
charakterystycznie rozpuszczalne w dimetylofor-
usieciowane
się dalej samo,
nieprzyjemny,
mamidzie, poza tym prawie
topi się i kapie,
ostry
nierozpuszczalne
szybko się zwęgla
12
Gęstość
Temperatura
Zachowanie się
Wygląd pło-
Zapach po zgasze-
Zachowanie się tworzywa
Tworzywa
topnienia
tworzywa
mienia
niu próbki
w rozpuszczalnikach
[g/cm3]
(mięknienia)
w płomieniu
polimeru [°C]
1
2
3
4
5
6
7
Octan celulozy
1,22 ÷ 1,32
125 ÷ 175
Ŝółtozielony,
kwasu octowe-
kwasu octowego
rozpuszczalne w acetonie, diok-
iskrzący
go i palonego
i palonego papieru sanie i octanie etylu; przy
papieru
ogrzewaniu w 30% kwasie siar-
kowym występuje zapach octu
śywice fenolowe
1,26 ÷ 1,28
–
pali się słabo w
jasny, kopcący fenolu i formalde-
rozpuszczalne w stęŜonym ługu,
płomieniu, gaśnie
hydu
alkoholu i acetonie (tylko
poza płomieniem
w przypadku Ŝywic)
Tłoczywa fenolowe z
1,30 ÷ 1,41
–
napełniaczem or-
ganicznym
Tłoczywa fenolowe z
1,50 ÷ 2,00
–
napełniaczem nie-
organicznym
Poliestry termopla-
1,38 ÷ 1,41
–
po zapaleniu pali
świecący, kop-
słodkawy, aroma-
rozpuszczalne w fenolu oraz
styczne
się dalej samo,
cący
tyczny
w mocnych kwasach i zasa-
– poli(tereftalan
250 ÷ 260
mięknie, topi się
dach; ulega hydrolizie we wrzą-
etylenowy)
i kapie
cej wodzie
– poli(tereftalan
220 ÷ 230
butylenowy)
Tworzywa acetalowe
1,41 ÷ 1,43
165 ÷ 185
po zapaleniu pali
świecący, nie-
ostry, formaldehy-
rozpuszczalne w trietanoloami-
się dalej samo, topi bieskawy
du
nie
się i rozkłada
Amonoplasty
1,47 ÷ 1,52
–
pali się bardzo
jasny, często
amoniaku i for-
nierozpuszczalne w rozpusz-
z napełniaczem
słabo, gaśnie poza z białymi brze-
maldehydu
czalnikach organicznych
organicznym
płomieniem
gami
1,50 ÷ 2,00
–
Politetrafluoroetylen
2,10 ÷ 2,20
327
nie pali się
–
–
Nierozpuszczalne
13
PrzybliŜone 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;
–
powyŜej 1,8 - silikony, teflon.
6. Cel i wykonanie ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie najwaŜniejszych 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, przybliŜoną 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 kaŜdego
– tworzywa;
– oznaczenia zidentyfikowanych tworzyw sztucznych oraz podstawowe
informacje o ich właściwościach i zastosowaniach.
14
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 inŜynierii 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 inŜynierskie" 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).
15