1. Informacje ogólne o tworzywach sztucznych
Tworzywa sztuczne, to związki wielocząsteczkowe, otrzymywane poprzez polimeryzację z monomerów (mono - pojedynczy ; poli - mnogi).
Przy ich produkcji prócz monomerów, używane są substancje pomocnicze nadające masom plastycznym odpowiednie właściwości:
-napełniacze,
-nośniki,
-zmiękczacze,
-stabilizatory,
-barwniki
-pigmenty,
-katalizatory,
-środki zmniejszające palność
-rozpuszczalniki.
2. Rodzaje tworzyw sztucznych
Z uwagi na własności tworzyw dzielimy je na:
-termoplastyczne,
-termoutwardzalne,
-chemoutwardzalne.
Tworzywa termoplastyczne - miękną podczas ogrzewania i w tym stanie mogą być kształtowane.Ochłodzenie powoduje ich stwardnienie i zachowanie nadanego kształtu, przy czym proces ten można przeprowadzać wielokrotnie.
Tworzywa termoutwardzalne - podczas ogrzewania początkowo miękną, lecz poddane działaniu podwyższonej temperatury przez jakiś czas utwardzają się w sposób nieodwracalny, co oznacza, że ponowne ogrzewanie nie spowoduje już zmiękczenia tworzywa, a proces kształtowania może być przeprowadzony jednokrotnie.
Tworzywa chemoutwardzalne - charakteryzująsię podobnymi właściwościami jak tworzywa termoutwardzalne, z tą jednak różnicą, że proces twardnienia przebiega nie pod wpływem podwyższonej temperatury, lecz substancji chemicznych zwanych utwardzaczami. I w tym przypadku jest to proces nieodwracalny, a raz utwardzone tworzywo nie może już przejść z powrotem w stan plastyczny.
3. Toksycznośc tworzyw sztucznych
Niektóre z monomerów i substancji pomocniczych charakteryzują się silnymi właściwościami toksykodynamicznymi. W sprzyjających warunkach (starzenie tworzywa, depolimeryzacja) mogą uwalniać się z tworzywa i wywoływać objawy toksyczne. Do zatruć ostrych i przewlekłych dochodzi również przy produkcji tworzyw sztucznych, wskutek wchłaniania przez pracowników toksycznych monomerów, półproduktów i substancji pomocniczych drogą wziewną i skórną.
Gotowe, prawidłowo spolimeryzowane tworzywa sztuczne nie stanowią zazwyczaj istotnego zagrożenia dla zdrowia z wyjątkiem przypadków,
w których dochodzi do kontaktu z tkankami, płynami biologicznymi lub żywnością.
Szczególne zagrożenie dla zdrowia i życia wiąże się ze spalaniem i rozpadem termicznym tworzyw sztucznych, kiedy to tworzy się duża ilość silnie toksycznych par i gazów.
4. Cechy i zalety tworzyw sztucznych
Do szczególnych cech i zalet tworzyw sztucznych, którym zawdzięczają one tak szerokie rozpowszechnienie, należy zaliczyć przede wszystkim:
§ łatwość formowania wyrobów o skomplikowanych kształtach w ostatecznej postaci,
§ stosunkowo dużą, a w wielu przypadkach bardzo dużą odporność chemiczną,
§ dobre właściwości mechaniczne i często doskonałe właściwości elektryczne (elektroizolacyjne),
§ małą gęstość i związany z tym najczęściej bardzo korzystny stosunek wytrzymałości mechanicznej do gęstości,
§ możliwość łatwego otrzymywania wyrobów o estetycznym wyglądzie (barwa i połysk),
§ możliwość barwienia i uzyskiwania wyrobów przezroczystych.
5.Charakterystyka wybranych tworzyw sztucznych
Poilietyren,
Jest to tworzywo o doskonałych właściwościach dielektrycznych, dużej odporności na działanie kwasów, zasad, soli i większości związków organicznych.
W węglowodorach alifatycznych, aromatycznych i chlorowcopochodnych, polietylen pęcznieje. Polietylen ułożony w ziemi może ulegać zniszczeniu wywołanemu przez pewne gatunki bakterii. Gęstość polietylenu wynosi 0,91 - 0,96 g/cm3. Właściwości mechaniczne i fizyczne polietylenu w temperaturze +20: wytrzymałość na rozciąganie 8 - 33 MPa, brak zapachu, smaku, w dotyku woskowaty o mlecznej barwie .
Formowany przez wytłaczanie, rozdmuchiwanie, wtrysk oraz natrysk płomieniowy. Daje się łatwo barwić, źle przyjmuje druk oraz źle się klei. W wyniku polimeryzacji etylenu, prowadzonej pod wysokim ciśnieniem (ok. 200 MPa) w temperaturze 150 - 250 oC, w obecności odpowiednich inicjatorów, otrzymuje się polietylen o małej gęstości ( tak zwany wysokociśnieniowy).
Polietylen jest szeroko stosowany do wyrobu folii, opakowań, pojemników, butelek, rur na wodę pitną i dla kanalizacji, do wyrobu artykułów gospodarstwa domowego oraz powłok.
Polipropylen,
Jest to tworzywo o właściwościach zbliżonych do polietylenu, lecz większej wytrzymałości mechanicznej i cieplnej niż polietylen.
Temperatura topnienia 160 - 170oC, wytrzymałość na rozciąganie w temp. +20oC 28-37 MPa , gęstość 0,9 g/cm3. Może być stosowany w temperaturach od -35oC do + 130oC. Długotrwałe używanie w temperaturach powyżej 100oC prowadzi do jego degradacji, którą dodatkowo przyspiesza obecność takich metali jak: miedź, mangan, kobalt. Jest podatny na działanie silnych utleniaczy.
Z polipropylenu produkuje się folie, rury, naczynia do sterylizacji, włókna do produkcji sznurów, sieci rybackich itp. W przemyśle stosowany do wyrobu różnych elementów maszyn: kół zębatych, wałków, osłon itp.
Polichlorek winylu,
Czysty polichlorek winylu jest białym proszkiem, o temperaturze mięknienia 70oC. Odpornym na działanie kwasu solnego, siarkowego i azotowego, rozcieńczonych wodorotlenków sodu i potasu, olejów, wody, amoniaku, alkoholu, benzyny. Rozpuszcza się w cykloheksanonie, estrach, dwusiarczku węgla.
Formuje się w temperaturze około 170 oC przez wtrysk, prasowanie, wytłaczanie, odlewanie. Można go spawać lub kleić. W zależności od użytych dodatków otrzymuje się polichlorek winylu twardy lub miękki.
Zarówno polichlorek winylu miękki jak i twardy można poddać spienieniu, otrzymując materiały o dobrych właściwościach termoizolacyjnych, dźwiękochłonnych oraz tłumiących drgania.
Polichlorek winylu twardy jest tworzywem dobrych właściwościach mechanicznych: wytrzymałość na rozciąganie 50 MPa , na ściskanie 60 - 100 MPa. Wyroby można używać w temperaturze +20 - +70 oC
Wykonuje się z niego rury dla przemysłu chemicznego, instalacje wodne, kanalizacyjne, gazowe, wykładziny, materiały budowlane, pojemniki, taśmy magnetofonowe itp.
Polichlorek winylu miękki jest dosyć elastyczny, o dużej udarności.
Jest mniej odporny na działanie środków chemicznych. Materiał ten ma właściwości podobne do skóry.
Przykłady zastosowania: folie, ceraty, węże, izolacje termokurczliwe, kształtowniki o różnych przekrojach, podeszwy butów, zabawki, pojemniki, okładki zeszytów.
Polistyren,
Polistyren otrzymuje się technicznie na drodze polimeryzacji styrenu
w temperaturze około 80oC. Styren otrzymuje się z benzenu i etylenu.
W temperaturze pokojowej jest to tworzywo twarde, kruche, bez zapachu, fizjologicznie obojętne. Gęstość polistyrenu wynosi 1,04 - 1,06 g/cm3, wytrzymałość na rozciąganie 30 - 60 MPa Posiada bardzo dobre właściwości elektroizolacyjne . Jest odporny na działanie alkoholi, olejów, kwasów, zasad, wody. Rozpuszcza się w niektórych węglowodorach. Łatwo daje się barwić, formować plastycznie ( w temperaturze powyżej +70oC).
Przepuszczalność światła około 90%.
.
Wadami polistyrenu są: duża rozszerzalność termiczna, niewielka twardość, zżółknięcie pod wpływem światła słonecznego ( promienie nadfiołkowe )
oraz zdolność do gromadzenia na powierzchni ładunków elektrycznych.
Rozróżnia się dwa typy: zwykły- kruchy nie odporny na wysokie temperatury oraz udarowy modyfikowany kauczukiem o lepszych parametrach wytrzymałościowych.
Jest jednym z najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych. Służy do wykonywania obudów urządzeń mechanicznych i elektrycznych. Do wyrobu izolatorów, folii do kondensatorów, przedmiotów gospodarstwa domowego, zabawek, uchwytów narzędzi, części samochodowych, rowerowych, lodówek itp.
Fenyloplasty
Są to żywice syntetyczne powstałe w wyniku polikondensacji fenoli z aldehydami (zwłaszcza z form aldehydami). Właściwości żywic zmieniają się w szerokich granicach w zależności od użytych dodatków w czasie polikondensacji.
Ogólnie fenoloplasty można podzielić na:
-żywice do tłoczyw,
-żywice do odlewów,
-żywice impregnacyjne
-tworzywa piankowe.
Tłoczywa charakteryzują się łatwością przetwórstwa, dobrą wytrzymałością
oraz niskim kosztem produkcji. Wypraski są nieprzezroczyste, o ciemnej barwie, bardzo odporne na wodę i rozpuszczalniki. Odporne na działanie rozcieńczonych kwasów. Trudnopalne. Nie odporne na działanie ługów. Służą do wyrobu obudów aparatów fotograficznych, zegarków, telefonów, maszyn itp.
Żywice fenolowe lane stosowane do bezciśnieniowego odlewania w otwartych formach, są produkowane jako gęsty, przezroczysty, barwiony syrop. Właściwości odlewów: gęstość 1,28 g/cm3, wytrzymałość na ściskanie 100 MPa , wytrzymałość na zginanie 80 MPa .
Służą do wyrobu galanterii, uchwytów narzędzi, wzorników, form itp.
Po odpowiedniej modyfikacji produkuje się z nich lakiery, kity.
Żywice impregnacyjne służące do wyrobu laminatów, poprzez prasowanie na gorąco (temperatura 150 - 165oC) warstw papieru, tkaniny lub włókien szklanych nasączonych uprzednio żywicą. Produkowane są w postaci płyt (grubości 1 - 30 mm), kształtek, rur . Stosowane na części maszyn lub urządzeń elektrotechnicznych itp.
Piankowe tworzywa fenolowe o gęstości od 0,02 - 0,1 g/cm3. Posiadają dużą twardość i kruchość. Używane jako materiały termoizolacyjne lub do produkcji opakowań. Czasami do wyrobu elementów dekoracyjnych.
Aminoplasty
Są to tworzywa termoutwardzalne na podstawie żywic mocznikowych i melaminowych, otrzymywanych w wyniku polikondensacji związków aminowych z formaldehydem. Wyroby z nich cechuje:
-twardość,
-sztywność,
-odporność na działanie wody i rozpuszczalników,
-odporność cieplna (100 - 120 oC),
-bezwonność,
-bezbarwność,
-możliwość dowolnego barwienia.
Stosowane są w postaci:
-tłoczyw laminatów,
-tworzyw piankowych,
-klejów do drewna,
-wyrobów lakierniczych i żywic technicznych do uszlachetniania w papiernictwie, włókiennictwie i garbarstwie.
Żywice mocznikowe (karbamidowe). Mocznik jest ostatnim produktem rozkładu moczu ssaków. Można go też uważać za aminokwasu węglowego i jestotrzymywany technicznie w reakcji amoniaku i dwutlenku węgla pod ciśnieniem i w temperaturze +150oC.
Żywice mocznikowe mają podobne właściwości jak żywice fenolowe, z ta przewagą, że są bezbarwne i odporne na działanie światła, całkowicie pozbawione smaku i zapachu oraz są nieco odporniejsze na prądy pełzania. Są mniej odporne na temperaturę i wilgoć oraz posiadają wyższą cenę niż żywice fenolowe. Żywice mocznikowe mają podobne zastosowanie jak fenolowe, ale można je barwić na jasne kolory. Przykładem zastosowania mogą być białe aparaty telefoniczne, elementy instalacji, kolorowe sedesy. W papiernictwie budowlanym - przezroczyste warstwy powierzchniowe, drukowane; zmywalne płytki i tabliczki. Kleje utwardzalne na zimno i gorąco. Ponadto produkuje się również tworzywa piankowe o gęstości 0.006 - 0.012 g/cm3, charakteryzujące się małą przewodnością cieplną i niepalnością .
Do aminoplastów zaliczamy także żywicę melaminową. Melaminę otrzymuje się z wapna, węgla i azotu poprzez azotniak i cyjanoamid. Materiał ten jest nieco droższy od mocznika. Melamina ma lepszą odporność na działanie wody, temperatury i światła od fenoloplastów; lepszą od żywic mocznikowych odporność na prądy błądzące, nie ma zapachu, ma również lepszą od nich twardość powierzchni .
Dlatego żywica melaminowa ma zastosowanie szczególnie w produkcji laminatów, ale również artykułów gospodarstwa domowego, elementów instalacji, części izolacyjnych, klei.