Pytania na kolokwium ćwiczeń nr 4 „Identyfikacja tworzyw sztucznych”

1. Jakie znasz rodzaje hybrydyzacji atomu węgla.

Hybrydyzacja atomu węgla w związkach organicznych zależy od tego, czy tworzy on wyłącznie wiązanie pojedyncze, czy też wiązania wielokrotne z innym atomem węgla lub innymi atomami, tzw. heteroatomami.

Rodzaje hybrydyzacji: pojednyczne sp³, podwójne sp², potrójne sp¹.

2. W jaki sposób powstają wiązania podwójne pomiędzy dwoma atomami węgla.

powstanie takich wiązań wiąże się z hybrydyzacją sp², gdzie kąty wiązań między podwójnymi i pojedynczymi wiązaniami wynoszą 120° i znajdują się wszystkie w jednej płaszczyźnie, a zatem cały układ wokół atomu węgla sp² jest trójkątny i płaski.

3. Napisz ogólny wzór alkanów.

C_nH_2n+2

4. Co to są alkany? Podaj przykład (nazwa i wzór chemiczny).

Alkany - węglowodory nasycone, organiczne związki chemiczne zbudowane wyłącznie z atomów węgla i wodoru. Przykład: etan C₂H_6,

5. Podaj przyczynę aktywności chemicznej węglowodorów.

Przyczyną reaktywności węglowodorów są wielokrotne wiązania a w pochodnych węglowodorów grupy funkcyjne.

6. Co to są tworzywa sztuczne?

materiały uzyskiwane z substancji wielkocząsteczkowych,

7. Wymień zalety i wady tworzyw sztucznych stosowanych w technice.

Szczególnie ważną ce­chą konstrukcyjną tworzyw jest mała gęstość i związany z nią bardzo korzystny stosunek wytrzymałości mechanicznej do gęstości. Tworzywa sztuczne umożli­wiają uzyskiwanie wyrobów w postaci folii, włókien, pian (gąbek) i innych. Słu­żą jako: spoiwa, kity, kleje i apretury. Wadą tworzyw w porównaniu np. z meta­lami jest ich na ogół mniejsza twardość i wytrzymałość mechaniczna oraz zjawi­sko płynięcia pod obciążeniem. Barierą zastosowań bywa również mała odpor­ność cieplna.

8. Co to są monomery i czym różnią się od merów?

Monomery - pojedyncze cząsteczki o zdefiniowanych właściwościach poprzez połaczenie tworzą polimery, różniące się na ogół masą cząsteczkową i właściwościami natomiast mery są to najmniejsze powtarzają­ce się w polimerze zespoły atomów.

9. Scharakteryzuj proces polimeryzacji

Polimeryzacja bez użycia katalizatora prowadzi do powstania polimerów liniowych często rozgałęzieniami. Pewne uporządkowanie struktury można otrzymać przy wytwarzaniu tą metodą tworzyw usieciowanych przestrzennie.

Polimeryzacja przy użyciu katalizatora pozwala na uzyskanie bardzo regularnego ułożenia przestrzennego monomerów w cząsteczce polimeru bez rozgałęzień łańcucha. Regularność ta powoduje otrzymanie tworzywa o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej i zwiększonej odporności termicznej.

10. Czym różnią się polimery od tworzyw sztucznych?

Polimery składają się z pojedynczych cząsteczek monomeru, natomiast tworzywa sztuczne składają się z cząsteczek polimeru.

11. Podział polimerów pod względem właściwości użytkowych

elastomery - podczas próby na rozciąganie (w temperaturze pokojowej) wyka­zują wydłużenie powyżej 100%, np. kauczuki.

plastomery - podczas próby na rozciąganie - wydłużenie jest mniejsze niż 100% i pod wpływem obciążenia tworzywo trwale odkształca się plastycznie..

12. Scharakteryzuj plastomery.

• tworzywa termoplastyczne (termoplasty), które miękną pod wpływem pod­wyższonej temperatury i ponownie twardnieją po ochłodzeniu.

• tworzywa termoutwardzalne (duroplasty), które pod wpływem ogrzewania miękną a następnie utwardzają się nieodwracalnie.

tworzywa chemoutwardzalne, które utwardzają się nieodwracalnie po do­daniu specjalnych substancji zwanych utwardzaczami. Po utwardzeniu two­rzywa te pod wpływem ogrzewania początkowo trochę miękną a potem ule­gają destrukcji.

13. Sposoby prowadzenia procesów polimeryzacji na skalę techniczną.

Polimeryzacja w masie (blokowa). Monomer w wyniku inicjacji reakcji za­mienia się w blok polimeru przyjmując kształt naczynia.

Polimeryzacja perełkowa (w zawiesinie). W kropelkach polimeru rozproszo­nych w rozpuszczalniku (najczęściej w wodzie) zachodzi polimeryzacja blo­kowa. Otrzymuje się w ten sposób drobne perełki polimeru o średnicy 0.5 - 3 mm.

Polimeryzacja emulsyjna. Monomer rozprasza się w rozpuszczalniku aż do uzyskania emulsji. Polimer ma postać malutkich kulek o średnicy ok. 0.1 mm i wygląda jak proszek.

14. Dlaczego proces topnienia polimerów nie przebiega w stałej temperaturze?

15. W jaki sposób struktura wewnętrzna polimeru wpływa na własności mechaniczne?

16. Jakie znasz rodzaje kopolimeryzacji?

Przemienna, statystyczna, blokowa, szczepiona.

17. Dodatki stosowane do polimerów. Jakie i jakim celu?

Napełniacze - włókna, skrawki materiału, proszki (szkło, mika, kreda, mączka drzewna), substancje które dodaje się do polimeru w celu poprawienia wytrzymałości mechanicznej i zwiększenia odporności termicznej tworzywa oraz obniżenie ceny gotowego wyrobu.

Pigmenty - barwne substancje nieorganiczne np. tlenki i barwniki - barwne substancje organiczne, dodaje się też w celu poprawy estetyki wyrobów.

18. Jaki wpływ na właściwości tworzyw ma dodatek stabilizatorów i plastyfikatorów?

Stabilizatory opóźniają proces destrukcji tworzywa pod wpływem działania tlenu, światła, ciepła, natomiast plastyfikatory powodują zwięknieszeni elastyczności tworzywa w zakresie temperatury użytkowania.

19. Wymień podstawowe typy reakcji polimeryzacji.

Polimeryzacja addycyjna i polimeryzacja kondensacyjna.

20. Napisz przykładową reakcję polimeryzacji addycyjnej. Scharakteryzuj produkt

Produkt uboczny się nie wydziela.

21. Na czym polega polikondensacja? Podaj przykłady.

Zachodzi gdy jednakowe lub różne cząsteczki łączą się ze sobą tworząc polimer i wydziela się produkt uboczny w postaci małej cząsteczki (woda). Przykładem takie reakcji jest synteza żywic fenolowych z fenolu i aldehydu mrówkowego (formaldehydu).

22. Scharakteryzuj poszczególne grupy polimerów podając przykład:

1. elastomery

kauczuk butadienowo - styrenowy (SB) Otrzymywany przez kopolimeryzację butadienu ze styrenem. Polimer ten wulkanizuje się na gorąco z dodatkiem siarki, która w miejscu po­dwójnych wiązań tworzy mostki między łańcuchami. W tej postaci stosowany jest w połączeniu z kauczukiem naturalnym do wyrobu dętek i opon.

Kauczuk silikonowy (SI) Łańcuchy polimeru łączone pomiędzy sobą w procesie wulkanizacji zawie­rają na przemian atomy tlenu i krzemu. Przez zmianę podstawników przy atomie krzemu można modyfikować wła­ściwości otrzymanych polimerów nadając im np. elastyczność w niskich tempe­raturach. Polimer jest odporny na temperatury do 473K (200°C). Tworzywa tego typu mogą być również wytwarzane jako usieciowane przestrzennie i w tej po­staci używa się ich do wyrobu lakierów.

Kauczuk poliuretanowy (PU)

Są szczególnie odporne na ścieranie i działanie chemikaliów. Otrzymuje się je w procesie polimeryzacji addycyjnej z dioli (alkoholi z dwiema grupami -OH) i diizocyjanianów lub triizocyjanianów. Polimeryzując diole z triizocyjanianami otrzymujemy polimery usieciowane przestrzennie. Szczególne znaczenie mają poliuretany spienione (pianki sztywne lub elastyczne), które dzięki dużej odpor­ności na starzenie, małej gęstości i słabemu pochłanianiu wody stosuje się jako materiały termoizolacyjne.

2. plastomery termoplastyczne

Polietylen (PE)

Niskociśnieniowy (LDPE) i wysokociśnieniowy (HDPE).

Zależnie od sposobu polimeryzacji otrzymuje się tworzywo o zróżnicowa­nych właściwościach. Zakres stosowalności cieplnej od 200 do 340 K (-70° do 70°C).

Nie chłonie wilgoci. Folia z polietylenu nie przepuszcza wody ale ła­two przenikają przez nią składniki powietrza tlen i azot. Ze względu na niską ce­nę i łatwość przeróbki polietylen posiada wszechstronne zastosowanie również jako izolator elektryczny.

Polipropylen (PP)

Ma wyższy niż polietylen stopień krystaliczności i szerszy zakres stosowalności cieplnej od 270 do 370 K (0 do 100°C). Odporność chemiczna i dobre właściwości me­chaniczne sprawiły, że polipropylen obok innych zastosowań jest obecnie szero­ko stosowany do wyrobu części w przemyśle motoryzacyjnym (np. zderzaki sa­mochodów osobowych).

Wypiera on w tych zastosowaniach ABS, gdyż nadaje się dobrze do powtórnego przerobu (recyklingu). Bywa stosowany również w postaci włókna.

Polichlorek winylu (PVC)

Odporny na chemikalia i rozpuszczalniki organiczne. W celu zmniejszenia kruchości w niskich temperaturach dodaje się do niego substancje modyfikujące (plastyfikatory). Samogasnący, dobry izolator, stosowany szeroko w elektrotech­nice jako osłona przewodów. Służy do wyrobu: kształtek, rur, węży, folii i sztucznej skóry, (folia PVC i sztuczna skóra przepuszczają niewielkie ilości pa­ry wodnej)

Polistyren (PS)

Polistyren S (niskoudarowy) - przezroczysty, bardzo dobry izolator ale kruchy. Jest często kopolimeryzowany z innymi tworzywami (polistyren wysokoudarowy) podwyższającymi wytrzymałość mechaniczną. Po spienieniu stosowany jest powszechnie w budownictwie jako materiał termo­izolacyjny - styropian.

Polimetakrylan metylu (PMMA) tzw. plexi

Najpopularniejszy wśród polimerów pochodnych kwasu akrylowego. Dobry izo­lator, przezroczysty, odporny mechanicznie ale dość kruchy. Polimery akrylowe są bazą do produkcji nowoczesnych wodnych lakierów emulsyjnych (bez roz­puszczalników organicznych).

Politetrafluoroetylen (PTFE) - tzw. teflon

Płyty, kształtki i powłoki powstają przez prasowanie i wygrzewanie proszku z PTFE. Dobry izolator ciepła i dielektryk. Może pracować do temperatury 530K (260°C), jest samosmarujący ale płynie pod większymi obciążeniami mecha­nicznymi. Bardzo odporny chemicznie.

Poliformaldehyd (POM)

Otrzymywany jest przez katalityczną polimeryzację aldehydu mrówkowego. Pro­ces ten jest bardzo czuły na zanieczyszczenia np. wodę, która powoduje zakoń­czenie łańcucha.Cechuje go odporność mechaniczna i całkowita odporność na rozpuszczalniki organiczne. Maksymalna temperatura użytkowania 390K (120°C). Stosowany jest po­wszechnie do wytwarzania przekładni zębatych w sprzęcie gospodarstwa domo­wego i różnego rodzaju detali w przemyśle motoryzacyjnym.

Poliwęglan (PC)

Bardzo dobre właściwości mechaniczne (kowalny). Temperatura użytkowania 170 - 400K (od -100 do 130°C). Przezroczysty lub lekko żółty. Stosowany na obudowy w sprzęcie wojskowym, nietłukące szyby kuloodporne i różne osłony np. tarcze policyjne a także płyty CD. Trudny w przetwórstwie ze względu na wysoką temperaturę przetwarzania 570K (300°C), ale jest poszukiwany na rynku.

Poliamidy (PA)

Wykazują dużą twardość i odporność na ścieranie. Stosowany do wyrobu kół zę­batych i innych elementów trących. Dają się łatwo wyciągać w nić o dużej wy­trzymałości używaną jako włókno do produkcji tkanin (materiał na rajstopy i spadochrony).

Poliestry

Otrzymywane mogą być w reakcji polimeryzacji addycyjnej z dowolnego diolu i kwasu dikarboksylowego. Najbardziej znanym poliestrem liniowym jest politereftalan etylenu (PET) otrzymywany z kwasu tereftalowego i glikolu etylenowe­go w reakcji. Termoplastyczne liniowe poliestry stosowane są do wyrobu włókien (elana), folii (Mylar®) i opakowań.

3. plastomery chemo- i termoutwardzalne

Poliestry chemoutwardzalne

Wytwarza się je jako żywice poliestrowe (UP), które następnie poddaje się chemoutwardzaniu (sieciowaniu). Sieciowanie polega na utworzeniu wiązań po­przecznych pomiędzy łańcuchami polimerów liniowych a prowadzi sieje najczę­ściej przy użyciu dodatkowych substancji (utwardzaczy) albo już w trakcie poli­meryzacji. Poliestry takie znajdują szerokie zastosowanie do wyrobu lakierów i laminatów.

Żywice epoksydowe (EP)

Po połączeniu substratów proces przebiega dalej z odszczepieniem chlorowodoru i utworzeniem pierścienia epoksydowego, który może łączyć się z następną cząstką bisfenolu-A tworząc łańcuch polimeru. Żywice epoksydowe sieciowane są chemicznie przy pomocy utwardzaczy.

Wykazują wysoką odporność chemiczną, termiczną i mechaniczną. Stosowane są jako: lakiery, kleje, szpachle lub do wytwarzania laminatów.

Fenoplasty (CF) i aminoplasty (UF)

Przez polimeryzację kondensacyjną otrzymuje się

• fenoplasty z fenoli i aldehydu mrówkowego (formaldehydu),

• aminoplasty z mocznika lub melaminy z formaldehydem.

Wykazują dobre właściwości izolacyjne oraz odporność mechaniczną i ter­miczną. Utwardza się je termicznie w procesie, który jest nieodwracalny. Feno­plasty (w kolorze czarnym lub brązowym) stosowane są do wytwarzania klejów (do płyt wiórowych) i elementów izolacyjnych. Z aminoplastów (białych lub lek­ko żółtych) produkuje się galanterię elektrotechniczną. Dawniej szeroko stoso­wane, obecnie wypierane przez tworzywa termoplastyczne oraz akrylowe.

---