Tworzywa polimerowe

1. Wyjaśnij pojęcia: tworzywo polimerowe, polimer, monomer

Tworzywo polimerowe – materiał, którego głównym składnikiem determinującym jego strukturę i właściwości jest polimer oraz składnik lub składniki dodatkowe.

Polimer – substancja złożona z makrocząsteczek – cząsteczek chemicznych o dużym ciężarze cząsteczkowym, której struktura obejmuje wielokrotność jednostek konstytucyjnych – atomów lub grup atomów – merów (masa cząsteczkowa 10⁴÷10⁸)

Monomer – substancja złożona z cząsteczek, które mogą ulegać polimeryzacji (masa cząsteczkowa 10÷10²)

2. Masa cząsteczkowa, masa molowa

Masa cząsteczkowa, często mylona z masą molową – masa:

• jednej cząsteczki związku chemicznego (np. O₂, H₂O),

• formalnej jednostki danego związku (np. NaCl o budowie jonowej, a nie cząsteczkowej),

• jednego innego indywiduum chemicznego (np. jonu CH₃COO⁻).

Jednostką masy cząsteczkowej w układzie SI jest kg. Jednakże znacznie powszechniej masa cząsteczkowa wyrażana jest w atomowych jednostkach masy „u”
Masa molowa – masa jednego mola substancji chemicznej. Często mylona z masą cząsteczkową, lecz liczbowo jest równa tej wartości. Jednostką masy molowej w układzie SI jest kg/mol, chociaż częściej wyrażana jest w jednostce pochodnej g/mol.

3. Polidyspersja

Polidyspersja - rozrzut statystyczny masy cząsteczkowej polimerów.

W odróżnieniu od związków niskocząsteczkowych, które mają jedną, ściśle określoną masę cząsteczkową, polimery statystyczne są zazwyczaj populacjami cząsteczek o różnej masie cząsteczkowej. Ich różne masy cząsteczkowe wynikają z faktu statystycznego charakteru reakcji polimeryzacji. Reakcje te przebiegają jednak różnie, zależnie od ich warunków i mechanizmu co powoduje, że populacje polimerów posiadają różny rozrzut statystyczny mas cząsteczkowych. Polidyspersja ma generalnie negatywny wpływ na własności użytkowe polimerów i dlatego dąży się zazwyczaj do jej ograniczania.

4. Rodzaje polimeryzacji

w stanie gazowym – monomer znajduje się w stanie gazowym (rząd 100 MPa), a reakcja jest inicjowana np. tlenem, parami nadtlenków, promieniowaniem
w masie – reakcja zachodzi w środowisku monomeru z dodatkiem inicjatora lub pod wpływem energii w postaci ciepła lub promieniowania
emulsyjna – monomer oraz inicjatory emulgowane w czynniku rozpraszającym (np. wodzie)
suspensyjna – monomer jest zdyspergowany najczęściej w wodzie a reakcja zachodzi w poszczególnych kroplach
w roztworze – monomer jest rozpuszczony w rozpuszczalniku

5. Siły spójności

Siły spójności - między atomami makrocząsteczki - wiązania kowalencyjne (pierwszorzędowe) (energia dysocjacji 10⁵÷10⁶ J/mol)

między merami i segmentami makrocząsteczki oraz głównie między makrocząsteczkami występują siły Van der Wasala (drugorzędowe) (energia dysocjacji 10²÷10³ J/mol)

wiązania wodorowe (drugorzędowe) (energia dysocjacji 10²÷10⁴ J/mol)

6.Taktyczność polimerów

Struktury taktyczne - mery i podstawniki w makrocząsteczce są przestrzennie regularnie rozmieszczone :
iotaktyczne jednakowe podstawniki po tej samej stronie łańcucha głównego,
syndiotaktyczne regularnie raz po jednej raz po drugiej
ataktyczne - brak regularności
a, b – izotaktyczne, c – syndiotaktyczne, d - ataktyczne

7. Temperatury znamionowe

Temperatury znamionowe – temperatury, w których zachodzą przemiany stanu skupienia polimerów

8. Zasady klasyfikacji tworzyw

a) Ze względu na pochodzenie:
Naturalne (kauczuk, celuloza, chityna, DNA)
Syntetyczne

b) Ze względu na właściwości mechaniczne:
Elastomery – współczynnik sprężystości wzdłużnej (moduł Younga) 1÷4 MPa, wydłużenie przy rozciąganiu rzędu kilkuset procent
Plastomery – współczynnik sprężystości wzdłużnej (moduł Younga) 1000÷1500 MPa (lub więcej), wydłużenie przy rozciąganiu od 1% (plastomer kruchy) do 100÷200% (plastomer sprężysty)

Miękkie – E lub G poniżej 700 MPa
Sztywne - E lub G powyżej 7000 MPa
Półsztywne - E lub G 700÷7000 MPa

c) Ze względu na właściwości cieplno-przetwórcze:
Termoplastyczne – zdolne do wielokrotnego przechodzenia pod wpływem ciepła ze stanu stałego w plastyczny a następnie ciekły oraz odwrotnie, bez istotnych zmian właściwości (termoplast)
Utwardzalne – przekształcające się nieodwracalnie (utwardzające się) pod wpływem ciepła (termoutwardzalne) czynników chemicznych (chemoutwardzalne) lub innych czynników fizycznych w materiał usieciowany nietopliwy.

d) Ze względu na skład chemiczny makrocząsteczki:
np. poliolefiny – polietylen, polipropylen, poliizobutylen

8. Rodzaje napełniaczy

Napełniacz – materiał w stanie stałym, nierozpuszczalny i nie wchodzący w reakcję chemiczną z polimerem lub innymi składnikami

Proszkowy – ziarna różnych rozmiarów (węglan wapnia (kreda), talk, sadza, grafit, dwutlenek krzemu (krzemionka), proszki metali, mika, drewno, szkło – mikrosfery)
Włóknisty – włókna długie oraz krótkie (szklane, węglowe, grafitowe, borowe, metalowe, bawełniane)
Płatowy – tkaniny, maty, arkusze, folie (ścinkowy)
Nanonapełniacz – proszek o ziarnach poniżej 1 µm, nie ulegające aglomeracji podczas przetwórstwa (glinokrzemiany)

8. Środki pomocnicze – stabilizatory

Środek pomocniczy – ciała stała, ciecze lub gazy wprowadzane do całej objętości polimeru lub tylko do jego warstwy wierzchniej w ilości od dziesiątych kilkudziesięciu procent, podlegające przemianom fizycznym i chemicznym w polimerze
Stabilizator – substancja podnosząca odporność polimeru lub tworzywa na czynniki zewnętrzne oraz wewnętrzne wywołujące starzenie.

8. Charakterystyka i rodzaje polietylenu

Polietylen jest odporny na działanie rozcieńczonych kwasów, zasad, rozpuszczalników, alkoholi, gazoliny, wody, tłuszcze i oleje powodują niewielkie pęcznienie; nieodporny na silnie utleniające kwasy, ketony, węglowodory aromatyczne, chlorowane węglowodory, niektóre detergenty, na korozję naprężeniową, czynniki atmosferyczne (UV) powodują przyspieszone starzenie, jest podatny na palenie

Rodzaje polietylenu
PE-LD – polietylen małej gęstości (910÷925 kg/m³), homopolimer, duża ilość krótkich i długich odgałęzień bocznych, mała zawartość fazy krystalicznej (do 60%), zastosowanie: folie, płyty, powłoki, izolacje kabli, pojemniki, geomembrany
PE-LLD – liniowy polietylen małej gęstości (916÷940 kg/m³), odgałęzienia boczne o tej samej długości; zastosowanie: folie (termokurczliwe)
PE-ULD – liniowy polietylen o ultramałej gęstości (890÷915 kg/m³), duże wydłużenie (1000%), przezroczysty, duża udarność także w niskiej temperaturze; zastosowanie: folie opakowaniowe o dużej wytrzymałości do produktów spożywczych, płyty
PE-HD - polietylen dużej gęstości (>940 kg/m³), liniowy, mała ilość krótkich odgałęzień bocznych, najwyższy stopień krystaliczności, wyższa twardość i wytrzymałość mechaniczna; zastosowanie: pojemniki, rury, profile
PE-UHMW (PE-U) – polietylen o bardzo dużej masie cząsteczkowej, masa cząsteczkowa powyżej 5.000.000, duża lepkość; zastosowanie: zbiorniki, włókna, zsypy węgla i rudy, profile, zastosowania specjalne np. kamizelki kuloodporne
PE-X – polietylen sieciowany (wytworzone dodatkowe wiązania poprzeczne pomiędzy łańcuchami), zastosowanie: rury ciśnieniowe gorącej wody, izolacje przewodów i kabli o zwiększonej odporności na starzenie termooksydacyjne i promieniowanie, elektrotechnika i elektronika

8. Charakterystyka i rodzaje polipropylenu

Surowiec – propylen, uzyskiwany z produktów przeróbki ropy naftowej w procesie pirolizy (ilościowo trzecie miejsce w produkcji po PE i PVC), Otrzymywanie:

- Polimeryzacja w roztworze z katalizatorami konwencjonalnymi (metaloorganiczne Zieglera – Natty), 0,1÷1,5 MPa, 60÷100⁰C;
-w masie 2,7÷3,0 MPa, 55÷80⁰C;
-w fazie gazowej oparta na katalizatorach metalocenowych
Zastosowanie: elementy techniczne przemysł chemiczny), rury ciśnieniowe, wody pitnej, osłonowe, izolacje i izolacje z PP porowatego, folie, pojemniki, opakowania, włókna.

8. Polistyren i jego kopolimery

Otrzymywanie: polimeryzacja styrenu
- w masie z inicjatorami wolnorodnikowymi lub inicjowana podwyższeniem temperatury 100÷150(200) ⁰C
- suspensyjna z mieszaniną inicjatorów (nadtlenek benzolu, nadbenzoesan butylu), proces dwuetapowy 80⁰C, 120÷130⁰C
- emulsyjna w środowisku rozpuszczonych w wodzie inicjatorów rodnikowych (nadtlenek wodoru) 80÷95⁰C
- w roztworze, katalizatory metalocenowe – polimer syndiotaktyczny

8. Charakterystyka polichlorku winylu

Tworzywo termoplastyczne, gęstość 1350-1460 kg/m³, masa cząsteczkowa 30-150 tys., udział fazy krystalicznej 5-10%, początek rozkładu 130-170⁰C z wydzieleniem chlorowodoru i zmianą barwy.
Miękki (plastyfikowany) – PVC-P
Twardy (nie plastyfikowany) – PVC-U

8. Tworzywa fenolowe

Żywice fenolowe otrzymuje się w procesie polimeryzacji kondensacyjnej fenolu i jego homologów (krezol, ksylenol) z aldehydami (formaldehydem) lub ketonami.
Żywica fenolowo formaldehydowa jest otrzymywana w procesie polimeryzacji fenolu z formaldehydem. Jeśli jest prowadzona w nadmiarze formaldehydu i środowisku alkalicznym otrzymuje się żywicę typu rezol - rozpuszczalna, topliwa, pod wpływem ogrzewania utwardza się (polimeryzacja kondensacyjna) – tworzywo nierozpuszczalne i nietopliwe (rezit). Jeśli w środowisku kwaśnym przy niedoborze formaldehydu otrzymuje się żywicę typu nowolak – liniowa, niereaktywna, w podwyższonej temperaturze reaguje z formaldehydem tworząc rezol a następnie rezit.

8. Tworzywa dienowe

Dieny – grupa organicznych związków chemicznych, węglowodory nienasycone, w których występują dwa wiązania podwójne między atomami węgla. Ogólny wzór dienów otwarto-łańcuchowych to C_nH_2n-2, zaś dienów cyklicznych to C_nH_2n-4.

8. Tworzywa dienowe (gumy)

Otrzymuje się w procesie wulkanizacji mieszanek gumowych – kauczuków (naturalnego NR, izoprenowego IR, butadienowo-styrenowego SBR, butadienowego BR). Wulkanizacja polega na łączeniu w podwyższonej temperaturze i ciśnieniu, za pomocą środków wulkanizujących (sieciujących) - siarki i jej związków, nadtlenków; poszczególnych makrocząsteczek kauczuku w rzadką sieć przestrzenną.

8. Gęstość tworzyw

Gęstością d nazywamy stosunek masy próbki tworzywa do jej objętości w danej temperaturze, czyli jest to masa (w gramach) 1cm³ danej substancji. Metody oznaczania gęstości:
-oznaczenie gęstości ciał stałych o kształtach regularnych,
-oznaczenie gęstości ciał stałych o kształtach nieregularnych za pomocą wagi hydrostatycznej,
-oznaczenie gęstości ciał sypkich,
-oznaczenie gęstości folii i podobnych materiałów,

8. Biopolimery

Biopolimery- Biodegradowalne polimery wykorzystywane do produkcji nowoczesnych tworzyw polimerowych: celuloza (drewno, słoma, bawełna), skrobia, chitozan.
Czysta celuloza jest polimerem częściowo krystalicznym (60-70%) o M_w od 30000 do kilku milionów. Składnik większości organizmów roślinnych (40-70% drewno, 98% bawełna). Nierozpuszczalna w większości rozpuszczalników organicznych, w wodzie, eterze, alkoholu, jest bardzo odporna wobec rozcieńczonych kwasów, zasad oraz wobec słabych środków utleniających. Rozpuszczalna w odczynniku Schweitzera.

8. Udarność tworzyw

Udarność - Praca niezbędna do zniszczenia dynamicznego próbki i odniesiona do jej początkowego przekroju.

8. Palność tworzyw – badane wielkości

Podczas badań palności z reguły określa:

• temperaturę zapłonu oraz samozapłonu,

• podatność do zapoczątkowania reakcji spalania - zapalność,

• powierzchniową szybkość rozprzestrzeniania się płomienia – palność powierzchniową,

• odporność na penetrację ognia w strukturę tworzywa,

• efekty cieplne spalania,

• skład jakościowy i ilościowy fazy lotnej tworzącej się