Identyfikacja tworzyw sztucznych

Polimery - organiczne związki wielkocząsteczkowe, o dużej masie cząsteczkowej (10^4,..,10^7), zbudowane z wielu powtarzających się elementów budowy, nazywanych merami. Polimer można przedstawić schematycznie jako łańcuch powtarzających się jednostek konstytutywnych (merów) (Rys.1):  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-
Rys.1 Schematyczny zapis łańcucha polimeru a) zapis ogólny, b) półstrukturalny wzór łańcucha polietylenu (PE)
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 Rys. 2.
Rys. 2. Łańcuch polimerowy o budowie a) liniowej, b) rozgałęzionej, c) usieciowanej
Liniowe bądź rozgałęzione łańcuchy polimerowe przedstawione schematycznie na Rys. 2 rzadko występują w postaci wyprostowanej i najczęściej przybierają ukształtowanie globularne, lamelarne lub rektalne. Postacie konformacyjne łańcucha polimerowego ilustruje Rys. 3.
Rys. 3. Ukształtowanie głównego łańcucha polimerowego a) postać globularna (kłębek), b) postać lamelarna (sfałdowana), c) postać rektalna (zygzakowata płaska).
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 wykreowanie nowego materiału użytkowego. Jako dodatki polimerowe stosuje się:  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,  - Antypireny - opóźniacze palenia, wywołują efekt samogaśnięcia tworzywa Tworzywa sztuczne klasyfikuje się na wiele sposobów, w zależności od przyjętego kryterium podziału.  Jednym ze stosowanych systemów podziału tworzyw sztucznych jest klasyfikacja w zależności od pochodzenia bazowego polimeru. Według tego kryterium, tworzywa dzielimy na  - naturalne modyfikowane np.  pochodne celulozy - celuloid, wiskoza  pochodne kazeiny - galalit (sztuczny róg) - syntetyczne, czyli otrzymywane na drodze polireakcji np.  polietylen (PE),  polistyren (PS),  żywice epoksydowe (EP),  poliamidy (PA).
Klasyfikacja materiałów polimerowych Często stosowaną klasyfikacją tworzyw sztucznych jest podział technologiczny, ze względu na własności reologiczne, które wiążą się z własnościami użytkowymi (Rys. 4.). Głównym kryterium podziału w tej klasyfikacji jest zachowanie się polimeru w temperaturze pokojowej określone na podstawie zależności naprężenie-odkształcenie.
Rys. 4. 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 wyższa od temperatury pokojowej. Do plastomerów zaliczane są termoplasty i duroplasty.
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 kilkakrotnie. 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 (Rys.3).
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.  Zalety materiałów polimerowych - Mała gęstość (i w związku z tym niski ciężar) - 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) Wadami materiałów polimerowych są: - 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
Cel identyfikacji - 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
Nazwa tworzywa
Polietylen (PE)
Polipropylen (PP)
Poli(chlorek winylu) (PVC)
Polistyren (PS)
Poli(metakrylan metylu) (PMMA)
Poliwęglan (PC)
Poliamid (PA)
Politetrafluoroetylen (PTFE)
Silikony
Poliuretany (PU)
Polioksymetylen (POM)
Żywica fenolowa
Tworzywa aminowe - melaminowe