Tworzywa termoplastyczne

Materiały inżynierskie :

-metale i ich stopy

-materiały ceramiczne i szkła

-polimery (tw. sztuczne) i kompozyty

Zalety :

-dobra odporność na korozję

-estetyczny wygląd

-małą gęstość

-dobra ciągliwość, termalność, łatwość nadawania skomplikowanych kształtów

-mały współczynnik tarcia

-odporność na obciążenia dynamiczne

Wady :

-mała sztywność (50x mniejsza niż metal)

-niska temp. Topnienia

-duże odkształcenia sprężyste

-pełzanie w temp. Otoczenia

-słaba odporność na starzenie

-właściwości zmieniają się z temp.

Monomer - związek z którego w procesie polimeryzacji powstaje polimer złożony z dużej liczby merów, czyli przetwarzających się grupy atomów. Oprócz węgla C najczęściej występującymi pierwiastkami w polimerach są wodór H, tlen O, chlor Cl, azot N, siarka S, fluor F, krzem Si.

Mer - najmniejszy powtarzający się fragment polimeru.

Etylen - może polimeryzować tworząc długi łańcuch, na przykład chlorek winylu. Może on polimeryzować na dwa różne sposoby.

Reakcje otrzymywania polimerów:

-polimeryzacja

-polikondensacja

-poliaddycja

-modyfikacje polimerów naturalnych, syntetycznych.

Tworzywa sztuczne - (to układy wieloskładnikowe, czyli muszą występować co najmniej 2 składniki). Mieszanina polimeru i śr. Modyfikujących poprawia jego właściwości i układy heterogeniczne, dwu lub wieloskład., składające się z matrycy polimerowej + dodatki (śr. pomocnicze)

Cel dodawania środków pomocniczych (dodatki):

-poprawiają odporność cieplną, termiczna i mechaniczną

-ułatwiają przetwórstwo,

-nadają estetyczny wygląd

-zmieniają palność

-poprawiają odporność starzeniową (temperaturową, na światło)

Dodajemy je przed przetwórstwem (obróbka wstępna), lub do pół fabrykatów lub gotowych wyrobów w procesie formowania.

Napełniacze- poprawiają własności mechaniczne, cieplne, elektryczne, przetwórstwo. Do napełniania kauczuków naturalnych i syntetycznych, żywic termo- i chemoutwardzalnych, do tw. konstrukcyjnych termoplastycznych. Jako napełniacze można stosować: zw. organiczne (mączka drzewna, włókna celulozowe, skrawki tkanin, włókna tekstylne) lub zw. nieorganiczne (mączka i łupek kwarcowy, cięte włókno szklane, włókno azbestowe, opiłki metali, grafit, kreda).

Rodzaje włókien: aramidowe, węglowe, szklane. Napełniacze mogą być stosowane w postaci proszków, włókien, tekstyli.

Napełniacze:

-nieaktywne - nie wpływają na własności wytrzymałościowe, poprawiają przetwórstwo, niski koszt.

-aktywne - zmieniają własności mechaniczne

Wady stosowania napełniaczy:

-chłonność wody (proszkowe)

- zniszczenia elementów

-niejednorodność materiału

-wzrost lepkości

Zmiękczacze (plastyfikatory)- powodują elastyczność, wnikają pomiędzy łańcuchy polimerów powodując rozdzielenie, zwiększa się ruchliwość. Istotą jest wprowadzenie takich zmian do struktury polimerów, których własności elastyczne przypadają na zakres temperatury użytkowania, wytrzymałość mechaniczna ulega zmniejszeniu, zwiększa udarność, elastyczność.

Środki smarujące - w celu poprawienia właściwości przetwórczych, zmniejszenie tarcia, lepkości, poprawienia płynności. Tworzywa nie przyklejają się do urządzeń np.: parafiny i woski naturalne i syntetyczne, kwasy tłuszczowe i jej pochodne, alkohole tłuszczowe.

50 % środków smarujących stosowanych w przetwórstwie to : PS, PA, tw. termoutwardzalne.

Środki spieniające- stosowane są w celu otrzymania struktury piaskowej.

Środki barwiące-nadają barwę, przezroczystość, poprawiają estetyczność np.:

1). pigmenty organiczne, nieorganiczne, metaliczne i węglowe.

2). rozpuszczalne barwniki organiczne.

3). środki rozjaśniające.

Tworzywa sztuczne dzielimy na tworzywa :

-konstrukcyjne (na różnego rodzaju wyroby od małych kształtek do dużych)

-folie

-met. adhezyjne, czyli kleje

-powłokowe - farby i lakiery

-mat. Włóknotwórcze

-porowate

-specjalne

Otrzymywanie tworzyw sztucznych

Baza surowcowa - monomery - polimery - tworzywa sztuczne w postaci handlowej

-ropa naftowa

-węgiel kamienny

-gaz ziemny

Klasyfikacja tworzyw sztucznych

Klasyfikacja tworzyw sztucznych

1. w zależności od reakcji otrzymywania :

2. w zależności od budowy chemicznej łańcucha

3. według właściwości reologicznych (zależność naprężeń od odkształcenia)

4. ze względu na budowę strukturalną

Polimeryzacja - proces łączenia wielu cząsteczek monomeru któremu nie towarzyszy wydzielanie małocząsteczkowych produktów ubocznych. Przebiega bez zmiany składu substancji reagujących a powstały polimer różni się tylko wielkością cząstki. Najczęściej przebiega jako emulsyjna monomer rozpuszczony jest wodzie, perełkowa w gazie lub blokowa w masie. Polimeryzacja to najprostsza synteza tworzyw termoplastycznych, w ten sposób otrzymuje się PVC, PE, PP, PA, PMMA,PC

Plastomery - pod wpływem naprężeń wykazują bardzo małe odkształcenie (mniejsze niż 1%), nie wykazują odkształceń elastycznych, pod obciążeniem odkształcają się plastycznie, a następnie ulegają zniszczeniu , temp. zeszklenia jest wyższa od pokojowej. Dzielą się na termoplasty i duroplasty.

Termoplasty

bezpostaciowe semikrystaliczne ( krystaliczne)

- polichlorek winylu PVC - polietylen PE

- polistyren PS - polipropylen PP

- polimetakrylan metylu PMMA - poliamidy PA

- poliwęglan PC - poli ( teraftalon etylenu) PET

- polisulfony - poliksymetylen POM

- poli ( tlenek temylenu)PPO - poli (tetrafluoroetylen) PTFE

Duroplasty

termoutwardzalne chemoutwardzalne

-rozszerzalność cieplna

-chłonność wody

-wytrzymałość zmęczeniowa

-udarność

-zdolność do odkształcania

Polimery bezpostaciowe i krystaliczne.

Forma bezpostaciowa jest również zwana formą szklistą.

1Polimery bezpostaciowe (amorficzne).”Postać spaghetti”. Polimery bezpostaciowe odznaczają się całkowitym nieuporządkowaniem makrocząsteczek. Są one splątane, skłębione. Podczas ogrzewania miękną i przechodzą w ciecz. Są w stanie cieczy przechłodzonej i są w tej postaci mniej lub bardziej przezroczyste.

2 Polimery krystaliczne. Makrocząsteczki mają zdolność do uporządkowania. Nie są całkiem krystaliczne. Są to układy dwufazowe: forma krystaliczna i amorficzna.

Stopień krystaliczności wynosi 10 do 90%. Informuje on o udziale formy krystalicznej w polimerze. Jeżeli udział formy krystalicznej jest mały to polimer nazywamy senikrystalicznym. Ze wzrostem stopnia krystaliczności wzrasta temp. topnienia, wytrzymałość mechaniczna, zwiększa się gęstość, twardość, odporność na ścieranie, natomiast zmniejsza się chłonność wody, zdolność do odkształcenia.

Stany fizyczne polimerów

Stany polimerów amorficznych w zależności od temp. :

1). szklisty

2). elastyczny

3). plastyczny.

Polimery sieciowane- tworzenie wiązań poprzecznych między makrocząsteczkami polimerów.

Sieciowanie pow. wzrost ciężaru cząsteczkowego, zmniejsza ruchliwość makrocząsteczek.

Możemy wyróżnić:

1) homosieciowanie - grupy funkcyjne, aktywnie mogą reagować między sobą

2) heterosieciowanie - polimery utwardzalne, związki małocząsteczkowe - utwardzacze.

Guma:

- produkt wulkanizacji kauczuku

- odznacza się dużą sprężystością

Zastosowanie

- dętki

- opony

- przewody wodne i gazowe

- izolacje uszczelki

Materiały kompozytowe = osłona(osnowa) + wzmocnienie.

Osnowa - faza ciągła w której rozmieszczone jest wzmocnienie.

Kompozyty naturalne np. drewno.

Kompozyty syntetyczne np. żywice epoksydowe.

Polietylen (PE)

Podstawowym surowcem jest etylen.

Metoda wytwarzania:

- niskociśnieniowe

- fluidyzacyjne

PE dzielimy na:

-Polietylen wysokociśnieniowy (o małej gęstości)

-Polietylen niskociśnieniowy ( o dużej gęstości)

Polietylen wysokociśnieniowy

- charakteryzuje się małą gęstością

- dużą liczbą rozgałęzień bocznych w łańcuchu

Polietylen niskociśnieniowy

-charakteryzuje się brakiem odgałęzień

Właściwości polietylenu:

-zakres stosowalności cieplnej -70C do +80C

-duża udarność

-nie chłoną wilgoci

-b. dobre właściwości dielektryczne

-wysoka odporność chemiczna

-nie jest atakowany przez wodne roztwory

Przetwórstwo

-najlepszą przetwarzalność ma PE - LD (niskociśnieniowych)

-dzięki niskiej temp. topnienia można przetwarzać

Zastosowanie

LD -opakowania (spożywcze, przemysłowe)

-folie na opakowania

-folie na pokrycia cieplarniane

AD -kanistry

-rury do chemikaliów

-wyroby domowe

-zabawki, części maszyn

Polipropylen (PP)

Polipropylen jest sztywniejszy od PE

PP izotaktyczny - uporządkowana struktura przestrzenna, nie najlepsze właściwości mechaniczne, najwyższa odporność cieplna

PP ataktyczny - nieuporządkowana struktura przestrzenna własności podobne do nie wulkanizowanej gumy.

PP steroblokowy - pośredni między powyższymi

Właściwości

-mała gęstość i mały ciężar

-wyższa temp. top. 160-165C

-mniejsza odp. na uderzenia w niskiej temp.

-mniejsza odp. na utlenianie

-takie znaczenie jak PP izotaktyczny

-wzrost kruchości w niskich temp.

Przetwórstwo

-wtrysk, natrysk płomieniowy, wytłaczanie, prasowanie

-wykorzystywane do wyrobu tworzyw których elementy będą pracowały

-Stosowany na włókna (na liny, nitki tkaniny) i jako dodatki do tkanin

Zastosowanie

-opakowania

-pojemniki

-rury do transportu wody pitnej, ściekowe osłony do kabli

-folie - duża przezroczystość, odp. na ścieranie, wytrz. Mechaniczna

-do sieci rybackich, taśm - duża elastyczność, lekkość

Polimery zawierające chlor ( polimery chlorowinylowe )

- poli ( chlorek winylu) PCW, PVC

- poli (chlorekwinylidenu)PVDC

- poli (chlorek winylu chlorowany) - PVC - C

- modyfikowany poli (chlorek winylu)

PVC należy do tzw. wielkiej czwórki po PE i PP produkowany ok. 24 mln. ton\rok zawdzięcza to łatwemu dostępowi do surowców węgla ropy i soli, chlorek winylu otrzymujemy CH₂=CHCl jako gazowy monomer silnie trujący i wybuchowy.

Produkcja w Polsce:

- ZA " Tarnów" pod nazwą „Torwinyl S"

- ZA "Włocławek" pod nazwą „Polwinyl S "

- ZA "Oświęcim" PVC-E

Zastosowanie:

- dodatkowo: do powlekania kabli, powłoki drutów, rury do wody pitnej, gazu ziemnego, aparaty chemiczne, rury w kanalizacji (gdzie ostre środowisko)

otrzymuje się włókna a z nich tkaniny ognioodporne, bieliznę antyreumatyczną stosowaną jako izolator.

Właściwości:

- łatwa produkcja

- duża odp. chemiczna (odp. Na działanie kwasów, zasad , odporne na wchłanianie wody)

- zastosowanie od -10C do +60C słaba odp. termiczna w wysokiej temp. ulega rozkładowi

- temp. Zeszklenia 80C bo jest amorficzny, temp. mięknienia 135-170C, rozkład >170

- jest trudnopalny - samo gasnący- ma postać białego proszku (p.ch. przemysłowy) jest obojętny fizjologicznie, szkodliwe są stabilizatory i zmiękczacze

- duża sztywność, w miarę dobre właściwości mechaniczne ale mała udarność

elementy uzyskuje się przez kalandrowanie, wytłaczanie(rury, węże, płyty), jako pasty którymi się odlewa, ewentualnie spiekane; nie stosuje się wtrysku ze względu na dużą lepkość, można również odkuwać, zamrażać

- doskonały do recyklingu, przetworzony ponownie ma takie same własności

- dodatkowo: do powlekania kabli, powłoki drutów, rury do wody pitnej, gazu ziemnego, aparaty chemiczne, rury w kanalizacji(gdzie jest ostre środowisko)

Poli (chlorek winylidenu) PVC-C

Słaba odporność termiczna, główne zastosowanie jako kopolimer, z chlorkiem winylu tworzy akrylonitryl

Zastosowanie do lakierów i włókien, emalii, klejów, tkanin filtracyjnych.

M. odkuwania - otrz. monoliny, materace, ceraty, zasłonki

M. zamrażania - rękawice, fartuchy ochronne

M. spiekania - powłoki ochronne, antykorozyjne

POLISTYREN

- należy do wielkiej czwórki ze względu na łatwość produkcji, produkowany masowo od 1930 w Niemczech

- jest amorficzny i bezbarwny ale w łatwy sposób daje się zabarwić i otrzymać estetyczny wygląd

- fizjologiczni obojętny ale nie jest dopuszczalny do przechowywania alkoholi i tłuszczy bo ulega rozpuszczeniu przez rozpuszczalniki organiczne

- dobra przepuszczalność światła i przezroczystość 80%

- dobre właściwości dielektryczne ale elektryzuje się i trzeba stosować antystatyki

• odporny na chłonięcie wody, porównując pochłania mniej pary wodnej i lepiej przepuszcza CO₂

- zbyt kruchy i bardzo sztywny dlatego trzeba go ulepszać

- starzeje się, żółknie i kruszeje

- otrzymywany przez polimeryzacje, łatwo jest go przetwarzać:

-wtrysk w 90% (kształtki, wyroby cienkościenne)

-wytłaczanie (profile, rury, pręty)

-prasowanie

- wyroby gotowe można polerować, naprowadzać nadruk i malować

- Zastosowanie w przemyśle radiowym, telewizyjnym, motoryzacyjnym, AGD, opakowania, soczewki

- W Polsce produkowany przez Z.Ch. Oświęcim

- PS(S)- standardowy, niemodyfikowany- ma niską udarność

- PS(H)- średnioudarowy, modyfikowany domieszkami kauczuku mieszanymi mechanicznie

-PS(G)- [PS-HI, HIPS] wysokoudarowy,

modyfikowany kauczukiem który jest nie tylko mieszany mechanicznie ale wchodzi też w reakcje łączenia ze styrenem, traci on przezroczystość i wyroby są barwione, stosowany przeważnie do części samochodowych np., bagażniki dachowe

Polistyren spieniony - styropian, tworzywo

komórkowe, ma mikroporowatą strukturę, dobre

właściwości dielektryczne, termoizolacyjne, nie

chłonie wody, odporny na promienie słoneczne

ale ma niska temperaturę mięknienia ~ 80 C i jest

łatwopalny. Otrzymywany jest poprzez dodanie

poroforów, które rozkładając się w wyższej

temperaturze wydzielają gazy. Stosowany na

ocieplenia, koła ratunkowe itd.

Poliamidy (PA) /częściowo krystaliczne/

- produkt kwasu dikarbokylowego i diamidy (CONH)

ODMIANY

Stilon

- twardy

- oznaczenie PA6 (6 ilość węgli miedzy amidami)

- im ta liczba większa tym mniej chłonie wody

- temp. topnienia 215-186C

- wys. wytrzymałość i twardość

- odporny na ścieranie

- doskonale obrabialny mech.

- wydłużenie przy zerwaniu 300%

Aramidy

- amorficzny poliamid

- odp. do prac w wys. temp.400-500C

- odporny na radiacje

- stosowany w kosmetyce

---