I Polimery

TWORZYWA SZTUCZNE - to materiały, które oprócz polimeru, jako składnika głównego, zawierają dodatki tj.: napełniacze, zmiękczacze, stabilizatory.

POLIMERY- materiały organiczne tj. : kowalencyjne związki węgla. Oprócz węgla mogą zaiwrać także: chlor, tlen, fluor, fosfor, siarkę.

Podział polimerów:

• Termoplastyczne

• Termoutwardzalne – są mocjniejsze i bardziej kruche niż termoplastyczne . Po utworzeniu wiązań w procesie formowania ich ponowne formowanie NIE JEST możliwe.

• Elastomery

WŁASNOŚCI POLIMERÓW zależą od ilości i siły wiązań kowalencyjnych pomiędzy łańcuchami podczas formowania.

POLIMERYZACJA – proces łączenia zw. Małocząsteczkowych w makrocząsteczki .

Reakcja chemiczna monomerów w wyniku, której powstają polimery. Podczas polimeryzacji następuje rozerwanie wiązań podwójnych, potrójnych albo otwarcie pierścienia (często heterocyklicznego). Szybkość polimeryzacji uzależniona jest od temperatury, ciśnienia, ilości i rodzaju inicjatora lub katalizatora. W reakcji polimeryzacji można wyróżnić trzy etapy: inicjacje reakcji, propagacje i terminacje (zakończenie).

RODZAJE POLIMERYZACJI:

• POLIKONDENSACJIA - indywidualna reakcja chemiczna pomiędzy poszczególnymi parami monomerów. Jest procesem wolnym, podczas tej reakcji wydzielany jest produkt uboczny, reakcja ta jest reakcją odwracalną przy odpowiednim stanie równowagi. W tym procesie wytwarza się poliamidy, poliestry i żywice.

• POLIADDYCJA – szybka reakcja łańcuchowa monomerów, nie występuje w niej produkt uboczny, jest reakcją nieodwracalną.

• RODNIKOWA – obejmuje reakcję addycji wolnych rodników od podwójnego wiązania w cząsteczce monomeru. Przebiega zgodnie z etapami:

1. Inicjacja

2. Propagacja

3. Terminacja ( zakończenie łańcucha) Wzrost łańcucha zostaje zakończony gdy aktywny koniec łańcucha połączy się z wolnym rodnikiem

• JONOWA - inicjowana jest przez jony wprowadzone do roztworu w postaci katalizatora. W polimeryzacji kationowej katalizatorem są najczęściej jony wodorowe pochodzące od kwasów a w polimeryzacji anionowej zasada, którą są amidki lub wodorki metali I grupy.

Właściwościami monomeru umożliwiającymi jego łączenie z innymi cząsteczkami podczas polimeryzacji jest obecność wiązań zdolnych do reakcji chemicznej. Przy poliiaddycji są to wiązania podwójne.

PROCES POLIADDYCJI

Inicjatorami są często nadtlenki cechujące się tym, że w warunkach procesu rozpadają się na aktywne wolne rodniki rozpoczynające polimeryzację. Wolnym rodnikiem jest aktywny atom lub grupa atomów zawierająca niesparowany elektron.Zbliżenie wolnego rodnika do monomeru prowadzi do zastąpienia wiązania podwójnego w monomerze wiązaniem pojedynczym, utworzenia wiązania kowalencyjnego między wolnym rodnikiem i monomerem oraz do powstania niesparowanego elektoronu. Niesparowany elektron reaguje z najbliższym monomerem prowadząc do powiększenia łańcucha cząsteczki o jedną jednostkę.

CZĄSTECZKA WIELOFUNKCYJNA –cząsteczka o liczbie możliwych połączeń większej niż 2

KOPOLIMERYZACJIA – reakcja polimeryzacji, w której uczestniczy więcej niż jeden rodzaj monomerów.

TYPY KOPOLIMERYZACJI: (podział zw na położenie merów poszczególnych składników wzdłuż łańcucha):

• Przemienne

• Blokowe

• Statyczne

• Szczepione

II Struktura polimerów

PODZIAŁ POLIMERÓW (zw na strukturę):

• Termoplastyczne – mają liniową strukturę cząsteczek . Wraz ze wzrostem temperatury miękną, a nie topią się. Wraz ze wzrostem długości cząsteczek rośnie temp. Topnienia i następuje polepszenie własności mechanicznych. Np. polietylen

• Termoutwardzalne – polimery usieciowione. Są amorficzne i kruche, więc nie mogą być odkształcane plastycznie, a co za tym idzie ich właściwości nie można zmienić przez odkształcenie plastyczne

STOPIEŃ POLIMERYZACJI - liczba merów w cząsteczne, jest stosowana jako długości cząsteczek polimerów. W typowych polimerach stopień polimeryzacji wynosi od 1000 – 100000

PROCES ROZGAŁĘZIENIA – przyłączenie do polimeru innego łańcucha. Wzrost liczby rozgałęzień powoduje zmniejszenie gęstości polimeru i jego skłonność do krystalizacji.

Im dłuższy łańcuch rozgałęzień tym mniejsza struktura krytaliczna.

Rozgałęzienie zwiększa wytrzymałość polimerów amorficznych

Wraz ze wzrostem udziału fazy krystalicznej wzrasta gęstość, wytrzymałośc, twardość, odpornośc na ścieranie, stabilność wymiarów

Wraz ze wzrostem udziału fazy krystaliczne maleje: udarność, zdolność do odkształceń oraz zmienia się zależność modułu sprężystości od temperatury.

WIĄZANIA POPRZECZNE – dzięki nim uzyskuję się pełne przejście ze struktury liniowej do struktury usieciowionej.

Czynniki mające wpływ na skłonność polimerów do krystalizacji:

1. Złożoność cząsteczek monomerów – najłatwiej krystalizują polimery tworzące się przez polimeryzację addycyjną

2. Szybkość chłodzenia – im wolniej tym dłuższy czas na konieczne do krystalizacji prostowanie łańcuchów poszczególnych cząsteczek.

3. Wygrzewanie

4. Stopień polimeryzacji – im dłuższy łańcuch tym trudniejsza krystalizacja.

5. Odkształcenie – powlone odszklenie pomiędzy temperaturą zeszklenia i topnienia tym łatwiej krystalizuje.

TEMPERATURA ZESZKLENIA – temperatura odpowiadająca zmniejszeniu szybkości zmiany objętości właściwej z obniżeniem temperatury.

Poniżej temperatury zeszklenia polimer liniowy jest szkłem, powyżej temperatury zeszklenia polimery charakteryzują się dużymi odkształceniami sprężystymi.

III POLIMERY TERMOPLASTYCZNE

• Polimery termoplastyczne charakteryzują się liniową budową cząsteczek.

• W podwyższonej temperaturze polimery te można łatwo i wielokrotnie formować.

• Są rozpuszczalne

PRYKŁADY:

• Polietylen PE – rury, węże, butelki

• Poli(chlorek winylu) PCV - ramy okienne, wykładziny podłogowe

• Polipropylen PP – dywany, sprzęt domowy, medyczny

• Polistyren PS – pojemniki, artykuły elektroizoalcyjne

• Policzterofluoroetylen PTFE - łożyska, uszczelki

• Poliamid 6.6 (nylon 6,6) PA 6,6 - sznury, liny, odzież

• Poli(metakrylan metylu) PMMa – szkła, soczewki

IV POLIMERY TERMOUTWARDZALNE (DUROPLASTY)

• Są wytwarzane w dwóch etapach: najpierw wytwarza się cząsteczka liniowa, potem po uformowaniu wyrobu doprowadza się do powstania pomiędzy cząsteczkami kowalencyjnych wiązań sieciujących

• Ich utwardzenie następuje w wyniku powstania wiązań sieciujących

• Utwardzone duroplasty są nierozupszczalne

• POLIMERY CHEMOUTWARDZALNE – polimery, których utwardzenie wynika z dodania środków sieciujących.

PRZYKŁADY:

• Żywica fenylowo – formaldehydowa (PF) – bakelit, gniazdka

• Żywica poliestrowa (PN) – laminaty, kompozyty z włóknami szklanymi

• Żywice epoksydowe (EP) – osnowa kompozy-=tów z włóknami szklanymi, kleje, laminaty

V. ELASTOMERY ( GUMY)

Elastomery są zbudowane z długich liniowych, pozwijanych i wzajemnie splątanych cząsteczek, pomiędzy którymi występują niezbyt gęsto wiązania poprzeczne, spełniają one rolę ‘pamięci kształtu’, po usunięciu obciążenia materiał wraca do pierwotnego kształtu.

WULKANIZACJA – proces prowadzący do powstawania wiązań poprzecznych. Do tego celu wykorzystuje się gł. siarkę

WŁASNOŚCI elastomeru zależą gł. od gęstości wiązań poprzecznych uzależnionej od ilości dodanej siarki.

Ze wzrostem ilości siarki elastomery stają się twardsze, sztywniejsze i bardziej kruche. Przy dużej gęstości wiazań poprzecznych elastomery są tak kruche i twarde jak duroplasty.

PRZYKŁADY:

• Poliizopren ( IR) – ogumienie pojazdów

• Polibutadien (BR) – guma sztuczna, opony samochodowe

• Polichloropren (CR) – guma odporna na działanie oleju, uszczelki

VI. DODATKI

NAPEŁNIACZE – są dodawane w celu zwiększenia wytrzymałości polimerów gł. przez ograniczenie zdolności do przemieszczeń cząsteczek liniowych. Zwiększają one stabilność wymiarową oraz ogranoczają koszt wytwarzania wyrobów.

ZMIĘKCZACZE (PLASTYFIKATORY) – są dodawane w celu obniżenia temperatury zeszklenia, a co za tym idzie zwiększenia plastyczności polimeru w określonym przedziale temperatur

STABILIZATORY – zapobiegają rozkładowi polimeru pod wpływem utleniania, promieniowania nadfioletowego lub podwyższonych temperatur.

ŚRODKI SMARUJĄCE – są dodawane w celu ułatwienia przetwórstwa polimerów. Zmniejszają lepkość polimeru podczas formowania oraz zmniejszają przyczepnośc polimeru do gorących powierzchni maszyn przetwórczych.

ŚRODKI BARWIĄCE – nadają polimerom żądane zabarwienie.

VII. Właściwości polimerów.

POLIMERY TERMOPLASTYCZNE – o amorficznej strukturze, w przypadku gdy temp. Otoczenia jest wyższa od temp. Zeszklenia charakteryzują się małą wytrzymałością mechaniczną i dużą ciągliwością.

W miarę obniżania temp. Poniżej temperatury zeszklenia rośnie ich sztywność i kruchość.

Ich wytrzymałość rośnie wraz ze wzrostem stopnia polimeryzacji oraz ułamka objętości fazy krystalicznej.

POLIMERY TERMOUTWARDZALNE – ze względu na usieciowienie przestrzenne wykazują dużą twardość, wytrzymałość i sztywność. Natomiast ich ciągliwość i odporność na pękanie jest mała. Ich własności mechaniczne rosną wraz ze wzrostem stopnia usieciowienia,a własności plastyczne ulegają pogorszeniu.