POLIMERY - INFORMACJE OGÓLNE

 

Polimery - organiczne związki wielkocząsteczkowe, o dużej masie cząsteczkowej (10⁴ - 10⁷atomowych jednostek masy), zbudowane z wielu powtarzających się elementów budowy, nazywanych merami.
Polimer można przedstawić schematycznie jako łańcuch powtarzających się jednostek konstytutywnych (merów):

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 -

 

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 poniższy rysunek:

 

Łańcuch polimerowy o budowie: a) liniowej, b) rozgałęzionej, c) usieciowanej

 

Liniowe bądź rozgałęzione łańcuchy polimerowe przedstawione schematycznie na powyższym rysunku rzadko występują w postaci wyprostowanej i najczęściej przybierają ukształtowanie globularne, lamelarne lub rektalne. Postacie konformacyjne łańcucha polimerowego ilustruje poniższy rysunek:

 

Ukształtowanie głównego łańcucha polimerowego:
a) postać globularna (kłębek), b) postać lamelarna (sfałdowana), c) postać rektalna (zygzakowata płaska)

 

TWORZYWA SZTUCZNE

 

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 wytworzenie nowego materiału użytkowego.

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 (zwiększają przewodność powierzchniową i/lub skrośną materiału polimerowego);
- Antypireny - opóźniacze palenia, wywołują efekt samogaśnięcia tworzywa lub w inny sposób obniżają jego palność, dymotwórczość itd.

 

PODZIAŁ POLIMERÓW

 

Tworzywa sztuczne klasyfikuje się na wiele sposobów, w zależności od przyjętego kryterium podziału.
Najczęściej stosowaną klasyfikacją tworzyw sztucznych jest podział technologiczny - ze względu na własności reologiczne, które wiążą się z własnościami użytkowymi. Głównym kryterium podziału w tej klasyfikacji jest zachowanie się polimeru w temperaturze pokojowej określone na podstawie zależności naprężenie-odkształcenie:

 

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 zazwyczaj wyższa od temperatury pokojowej (za wyjątkiem poliolefin, m.in. PE i PP). Plastomery dzielą się na termoplasty i duroplasty.

 

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.

 

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 wielokrotnie. 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.

 

Porównanie podstawowych grup materiałów polimerowych: termoplastów, duroplastów i elastomerów przedstawiono na poniżdzym rysunku:

 

 

W podsumowaniu, najważniejsze polimery klasyfikujące się do grupy termoplastów krystalicznych i amorficznych oraz duroplastów termo- i chemoutwardzalnych przedstawiono w poniższej tabeli.

 

 

ZALETY MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH:

 

- Mała gęstość
- 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)

 

WADY MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH:

 

- 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

 

IDENTYFIKACJA TWORZYW SZTUCZNYCH

Większość elementów wykonanych z materiałów polimerowych posiada symbole literowe pozwalające na szybką identyfikację niemniej jednak wiele elementów wykonanych z tworzyw sztucznych takich symboli nie posiada.

Celem identyfikacji jest 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

  

Tworzywo	PE	PP	PS
Postać	Barwa	Dowolna	Dowolna
	Przezroczystość	niewielka, barwa mleczna (czysty polimer)	niewielka, barwa mleczna (czysty polimer)
	Powierzchnia	Gładka	Gładka
	Dotyk	Śliski	Śliski
właściwości mechaniczne	Twardość, rysowanie paznokciem	Widoczna rysa	Niewyczuwalna rysa
	Odkształcalność	Duża, powrotna	Mała, powrotna
	Dźwięk przy upadku	Niski	Niski

  

1.  Pomiar objętości i masy - stosuje się do oznaczania gęstości tworzyw polimerowych uformowanych w postaci prętów, belek, rur (próbki o dowolnym, prawidłowym kształcie geometrycznym, o objętości nie mniejszej niż 1 cm i masie nie większej niż 180g).

 d=m/V

2. Metoda hydrostatyczna - polega na porównaniu masy jednostkowych objętości próbki badanego tworzywa i cieczy o znanej gęstości (np. wody destylowanej) (próbki o kształcie dowolnym i masie 0.2 - 5 g). Do oznaczenia stosuje się wagę hydrostatyczną, ciecz immersyjną do zanurzania próbek, termometr, termostat.

3. Metoda piknometryczna - polega na obliczeniu stosunku masy próbki do jej objętości, czyli objętości cieczy immersyjnej o znanej gęstości wypartej przez próbkę. Metodę tę stosuje się do oznaczania gęstości tworzyw polimerowych w postaci proszków, granulek, płatków.

p_t = m p_i / (m₁ - m₂)

gdzie:

p_t - gęstość badanej próbki

m - masa próbki, g

m₁ - masa cieczy użytej do napełnienia piknometru, g

m₂ - masa cieczy do napełnia piknometru z próbką, g

p_i - gęstość cieczy immersyjnej, g/cm

4.  Metoda flotacyjna - polega na porównaniu gęstości próbki badanego tworzywa z gęstością cieczy immersyjnej w chwili przechodzenia próbki w stan zawieszenia. Istota metody jest sporządzenie kilku roztworów o różnych, znanych gęstościach a następnie zanurzenie badanej próbki w każdym z tych roztworów. Gęstość cieczy, z którą badane tworzywo jest w równowadze jest zarazem gęstością tworzywa.

Próba płomieniowa jest metodą niszczącą pozwalającą na dość jednoznaczną identyfikację polimeru, który jest głównym składnikiem tworzywa sztucznego.

 5. Ocena zachowania się próbki w płomieniu

Próbkę należy umieścić na łopatce i wprowadzić do części ostrej, tj. nieświecącej płomienia palnika gazowego tak, aby próbka zanurzona była w płomieniu. Można też zastosować pęsetą i wprowadzić próbkę wprost do płomienia. Należy obserwować zjawiska zachodzące w bezpośrednim kontakcie z płomieniem, jak i po wyjęciu próbki.

Jeżeli próbka się pali płomień należy zdmuchnąć. W czasie analizy notuje się:

• stopień łatwopalności

• stwierdzenie, czy próbka gaśnie po wyjęciu z płomienia czy też nie

• rodzaj płomienia (świecący, kopcący)

• barwę płomienia i układ barw (np. barwna obwódka)

• zmiany wyglądu tworzywa pod wpływem płomienia (topienie się tworzywa, zwęglanie, tworzenie się pęcherzy, itp.)

• zapach gazów wydzielających się podczas palenia