pyt 5- ceramika i polimery, Inż + seminarium


1. Ceramikę można więc zdefiniować jako materiały nieorganiczne niemetaliczne. Są one zazwyczaj krystaliczne i stanowią połączenie chemiczne metalu i niemetalu, np. aluminium i tlenu daje tlenek glinu (α-Al2O3-korund), wapnia i tlenu (tlenek wapnia-CaO), krzemu i azotu (azotek krzemu-Si3N4). Tak więc pojęcie ceramika obejmuje ogromną grupę materiałów tlenkowych i nietlenkowych, które w odróżnieniu od metali są kruche i często porowate, ale w zamian za to wytrzymałe, odporne na korozję i lekkie. W odróżnieniu od tworzyw sztucznych są ogniotrwałe, często nawet bardziej niż metale

1.1 RODZAJE MATERIAŁÓWCERAMICZNYCH

1.2 STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI

Własności materiałów ceramicznych, podobnie jak wszystkich innych materiałów, zależą od rodzaju atomów obecnych w materiale, rodzaju wiązań chemicznych między atomami oraz od sposobu ułożenia atomów. Jest to określane jako struktura materiału w skali atomowej. Większość ceramiki jest zbudowana z dwóch lub więcej pierwiastków, które tworzą związki chemiczne. Np. tlenek glinu Al2O3 jest zbudowany z atomów glinu i tlenu.

W ceramice występują dwa główne typy wiązań chemicznych: kowalencyjne i jonowe, podczas gdy w metalach występuje wiązanie metaliczne. Wiązania kowalencyjne i jonowe są znacznie silniejsze niż wiązanie metaliczne. Jest to przyczyną dlaczego materiały metaliczne są plastyczne, a ceramiczne kruche.

Końcowe własności materiału zależą również od tego, co nazywamy mikrostrukturą, czyli budową materiału, która możemy dostrzec pod mikroskopem. W ceramice możemy mieć do czynienia ze struktura szklistą (tylko w przypadku szkieł), całkowicie krystaliczną lub mieszaną szklistą i krystaliczną. W tym ostatnim przypadku faza szklista otacza ziarna krystaliczne spajając je w jedną całość.

Struktura atomowa ceramiki określa ich własności chemiczne, fizyczne, elektryczne, magnetyczne i optyczne. Natomiast mikrostruktura wpływa na własności mechaniczne, cieplne i na szybkość reakcji chemicznych. Dzięki bardzo szerokiej gamie własności, materiały ceramiczne mogą być używane w różnorodnych zastosowaniach. Generalnie, materiały ceramiczne są:

Oczywiście wśród wspomnianych cech istnieje wiele wyjątków. Na przykład niektóre szkła borokrzemianowe oraz niektóre rodzaje szkło-ceramiki są bardzo odporne na wstrząsy termiczne i są używane jako naczynia kuchenne, blaty piecyków elektrycznych, części aparatury chemicznej. Podobnie niektóre rodzaje ceramiki są świetnymi przewodnikami elektrycznymi (na przykład SiC, czyli węglik krzemu, z którego wykonuje się elementy grzewcze elektrycznych pieców oporowych).

1.3 CHARAKTERYSTYKA RODZAJÓW CERAMIKI

Ceramika oparta na glinie

Cechą charakterystyczną tej ceramiki jest sposób produkcji, który polega na przerobie gliny i uformowaniu z niej wyrobów a następnie wypaleniu w temperaturze 900-1100° C. Do produkcji tych wyrobów używa się glin wypalających się na czerwono, tzn. zawierających związki żelaza. Do tej ceramiki zalicza się cegłę budowlaną, dachówkę, rury melioracyjne, a także wyroby garncarskie i kaflarskie. Niektóre z tych wyrobów (wyroby garncarskie, kafle) mogą być szkliwione, to znaczy wstępnie wypalony wyrów polewa się niskotopliwym szkliwem (np. cynowym) i ponownie wypala w 850-900° C.

Wyroby z tego rodzaju ceramiki są porowate i maja niską wytrzymałość mechaniczną oraz niskie przewodnictwo cieplne. Wytrzymałość mechaniczna i porowatość tej ceramiki zależą od mikrostruktury, którą można modelować przez zmianę rodzaju gliny (obecność lub nie, zanieczyszczeń takich jak piasek, margle, wapno) jak i przez stopień przerobu gliny w procesie produkcyjnym (stopień homogenizacji gliny, efektywność rozbicia struktury pierwotnej). Z gliny nisko przerobionej otrzymuje się porowate, kruche wyroby garncarskie, z gliny dobrze przerobionej otrzymuje się dachówki o wysokim stopniu spieczenia i dużej wytrzymałości mechanicznej.

Ceramika szlachetna

Należą do niej wyroby produkowane z zestawu trzech głównych składników: kaolinu, kwarcu i skalenia. Kaolin to rodzaj bardzo czystej gliny a skaleń jest skałą glinokrzemianową, zawierającą do 18% alkalii i z tego względu w masach ceramicznych pełni rolę topników, czyli źródła fazy ciekłej. Zmieniając proporcje między składnikami, czystość surowców i temperaturę i sposób wypalania można otrzymywać ceramikę o zróżnicowanych właściwościach. Głównymi przedstawicielami ceramiki szlachetnej są: fajans, porcelana i kamionka.

FAJANS

Fajansem nazywa się wyroby ceramiczne o porowatym czerepie barwy białej lub kremowej, pokryte szkliwem. Są to wyroby o dość znacznej porowatości i dlatego muszą być szkliwione. Wytrzymałość mechaniczna fajansu nie jest duża, ze względu na słabo spieczony, kruchy czerep ceramiczny.

Masa fajansowa składa się w 50% z gliny wypalającej się na biało, tzn. nie zawierającej tlenków barwiących takich jak tlenki żelaza, tytanu czy chromu. Oprócz gliny masa fajansowa zawiera w zależności od gatunku 30-45 % kwarcu (SiO2) i niewielką ilość (5-15%) skalenia.

Wyroby fajansowe wypala się na biskwit (półprodukt nieszkliwiony) w temperaturze 1000-1200° C a następnie szkliwi się i ponownie wypala w 1000-1150° C. W zależności od składu masy fajansowej można kształtować końcowe własności wyrobów fajansowych. I tak np. dodatek do masy kaolinu kosztem kwarcu i skalenia wpływa na większą białość czerepu, ale obniża własności mechaniczne. Jest to tzw. fajans ilasty, z którego produkuje się niektóre naczynia gospodarcze. Z kolei duży udział kwarcu podnosi własności mechaniczne i jest to tzw. fajans twardy, z którego produkuje się ceramikę sanitarną (umywalki, zlewy). Z mas fajansowych produkuje się naczynia stołowe, płytki ścienne (ze względu na znaczną porowatość są lekkie), wyroby sanitarne.

Kamionka

Kamionką nazywa się wyroby ceramiczne o niskiej porowatości i szarym lub brunatnym czerepie. Wytrzymałość mechaniczna wyrobów kamionkowych jest znaczna ze względu na silnie spieczony czerep zawierający znaczną ilość fazy szklistej. Ponadto wyroby kamionkowe charakteryzują się bardzo dobrą odpornością chemiczną, w szczególności na działanie kwasów.

Wyroby kamionkowe produkuje się z surowców ilastych (gliny bogate w illit) o niskiej temperaturze spiekania. Illit to składnik gliny, który zawiera dużą ilość kationów alkalicznych, magnezu, wapnia, żelaza i tytanu, a więc składników obniżających temperaturę topnienia. Jako dodatki do masy kamionkowej stosuje się surowce schładzające (piasek kwarcowy, szamot mielony, czyli palona glina oraz złom kamionkowy) a także topniki (skalenie). Wyroby kamionkowe wypala się na biskwit w bardzo niskiej temperaturze (700-800° C) i ponownie po szkliwieniu w 1250-1300° C. Cechą charakterystyczną kamionki jest duża ilość fazy ciekłej (nawet do 60%), która podczas studzenia wyrobów zastyga w postaci fazy szklistej i nadaje wyrobom wysokie własności mechaniczne.

Z mas kamionkowych wykonuje się kamionkowe rury kanalizacyjne, części aparatury chemicznej, wyroby kwasoodporne, płytki podłogowe o dużej odporności na ścieranie i mrozoodporne, naczynia użytku domowego, zlewy itp.

Porcelana

Porcelaną nazywa się tworzywo ceramiczne, często szkliwione, o silnie spieczonym białym, przeświecającym czerepie, o dużej wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej. Wypala się ją dwu a nawet trzykrotnie: na biskwit w 900-1000° C, na ostro w 1380-1460° C i z dekoracją w około 800° C.

Klasyczny skład masy porcelanowej to 50% kaolinu szlamowanego, czyli oczyszczanego i po 25% skalenia i kwarcu. Przez zmianę składu masy można zmieniać własności porcelany. Na przykład obniżenie zawartości kaolinu w masie na korzyść zwiększenia ilości skalenia, obniża jej temperaturę spiekania, własności mechaniczne są niższe, ale można uzyskać wyższy stopień białości. Taka masa nadaje się na porcelanę stołową i artystyczną.

Z mas porcelanowych wykonuje się porcelanę stołową i artystyczną, sanitarną oraz techniczną (porcelana laboratoryjna, izolatory wysokiego napięcia). Nowsze gatunki porcelany technicznej to porcelana radiotechniczna wytwarzana z dodatkiem węglanu baru. Z kolei dodatek do masy talku i magnezytu pozwala wytwarzać porcelanę o znakomitych własnościach dielektrycznych, z której wykonuje się osłony świec samochodowych. Do wyrobów porcelanowych zalicza się także piezoceramikę, w której składzie dominują roztwory stałe tytanianów i cyrkonianów. Specyficzną odmianę stanowią tworzywa porcelano-podobne takie jak ferryty, które stosowane są do wytwarzania elektromagnesów, magnesów stałych, rdzeni transformatorów.

Materiały ogniotrwałe

Materiałami ogniotrwałymi nazywa się materiały ceramiczne, których ogniotrwałość zwykła jest wyższa niż 150 sP (1500° C). Charakteryzują się one ponadto:

Materiałom tym stawiane są też specjalne wymagania wynikające z konstrukcji pieców i urządzeń cieplnych oraz toku procesów produkcyjnych przeprowadzanych w tych urządzeniach. Produkuje się je w formie wyrobów formowanych w prostki lub kształtki i wypalanych lub chemicznie wiązanych (wypalanie następuje w czasie pracy wyrobu) lub w postaci wyrobów nieformowanych a więc mas i betonów ogniotrwałych.

Wyroby ogniotrwałe można podzielić na następujące grupy:

Szkło

Szkło jest substancją nieorganiczną, która w wyniku przechłodzenia poprzez zwiększenie lepkości przeszła ze stanu ciekłego do stanu nadającego jej mechaniczne własności ciała stałego. Szkło nie jest ciałem stałym, ponieważ nie ma budowy krystalicznej. Szkło jest najczęściej szkłem krzemianowym, tzn. jego podstawowym budulcem jest krzemionka SiO2. Własności szkła są pośrednie między własnościami cieczy i ciała krystalicznego. Do cieczy są podobne, ponieważ tak jak i one szkło ma budowę nieuporządkowaną (amorficzną), ponadto szkło, tak jak i ciecze, jest izotropowe. Przezroczystość szkła jest wynikiem braku granic ziarnowych. W temperaturze otoczenia szkło jest twarde i kruche, czym przypomina własności ciał krystalicznych. Dużo większa kruchość szkła niż krystalicznych materiałów ceramicznych jest wynikiem braku granic ziarnowych, które mogą stanowić bariery na drodze rozprzestrzeniających się pęknięć.

Szkło cechuje brak określonej temperatury topnienia. W pewnym przedziale temperatur przechodzi ono w stan ciekły i odwrotnie, co związane jest z silną zmianą lepkości.

Ważną cechą szkła jest napięcie powierzchniowe wzrastające ze spadkiem temperatury. Przeciwdziała ono pojawieniu się ostrych krawędzi, ułatwiając tym samym powstanie powierzchni gładkich. Tę właściwość wykorzystuje się zwłaszcza przy produkcji szkła płaskiego, np. okiennego.

Surowce przeznaczone do produkcji szkła muszą mieć ściśle określony skład chemiczny i cechy technologiczne a wahania są dopuszczalne tylko w niewielkich granicach. Sporządzenie szklarskiego zestawu surowcowego polega na odważeniu odpowiednich składników, wymieszaniu ich i zasypaniu do pieca szklarskiego. Topienie zestawu przeprowadza się w piecu donicowym o pracy okresowej lub w wannie szklarskiej, gdzie topienie zestawu szklarskiego ma charakter ciągły. Zestaw szklarski ogrzewa się do temperatury około 1400° C i wówczas następuje stopienie całego wsadu. Taka masa zawiera dużo pęcherzyków gazów i dopiero podniesienie temperatury i dodatek środków klarujących pozwala na wyklarowanie masy. Po zakończeniu tej operacji obniża się temperaturę i przystępuje do wyrabiania masy. Formowanie plastycznej masy odbywa się w automatach przez wydmuchiwanie i formowanie kształtu lub przez wyciąganie tafli szklanej (szkło płaskie) albo przez wylewanie na warstwę stopionego metalu (szkło float). Ochładzanie zaformowanych wyrobów powoduje powstanie w nich naprężeń. Eliminację ich przeprowadza się w zabiegu technologicznym zwanym odprężaniem tzn. ostudzone wyroby ogrzewa się do odpowiedniej temperatury, gdzie następuje zmniejszenie ich lepkości, wytrzymuje jakiś czas w tej temperaturze, aby usunąć naprężenia i wreszcie powoli chłodzi się wyrób.

.

Materiały ścierne

Materiał ścierny to minerał, skała lub produkt syntetyczny, np. elektrokorund, który po rozdrobnieniu ma własności ostrzy skrawających. Jest wykorzystywany do wytwarzania ściernic, narzędzi i past ściernych. Narzędzia ścierne wytwarza się ze ścierniw jako narzędzia ścierne spojone. Są to wyroby o kształcie osełek, ściernic i segmentów ściernic wytworzone ze ścierniwa połączonego spoiwem ceramicznym, żywicznym, klejowym itp. Materiały polerskie to materiały ścierne o różnej twardości charakteryzujące się drobnoziarnistością, używane w postaci past lub zawiesin do ostatecznej obróbki powierzchni metali, szkła, kamieni ozdobnych. Jako materiały ścierne i polerskie wykorzystuje się takie surowce mineralne jak diament, korund i szmergiel, pumeks, grafit, kaolin, kreda, talk oraz materiały syntetyczne: elektrokorund, węglik krzemu, azotek boru, tlenek berylu, tlenek chromu itp. Do ostatecznego wygładzania powierzchni (polerowania) stosuje się nie tylko mikroproszki ścierne, ale tarcze filcowe nasycone super drobnym materiałem polerskim. Materiały i wyroby ścierne znajdują zastosowanie w przemyśle odlewniczym, metalowym, drzewnym, skórzanym, szklarskim i innych.

2. Polimery, to substancje o cząsteczkach zbudowanych z powtarzających się elementów ("merów"), przy czym mogą to być elementy (monomery) identyczne, np. grupy etylenowe w polietylenie, lub różne (najczęściej dwa, trzy) jak w przypadku poliamidów powstających przez kondensację kwasów dikarboksylowych z diaminami.

W przypadku polimerów wytworzonych z niejednakowych monomerów mówimy o kopolimerach .

Kopolimery mogą mieć budowę uporządkowaną, o powtarzającej się sekwencji cząsteczek monomerów, lub statystyczną, gdzie brak regularności w występowaniu poszczególnych merów makrocząsteczki. Będzie to miało oczywiście swoje odbicie we właściwościach tych polimerów.

Najprostsze polimery określamy precyzyjnie, podając ilość merów wchodzących w ich skład - dimer, trimer, tetramer, itd., polimery o niskim stopniu polimeryzacji, ale nie określonym ściśle nazywamy oligomerami.

Polimery naturalne, występujące w przyrodzie, to przede wszystkim skrobia, celuloza i inne policukry, oraz polipeptydy i białka.  Gospodarczo ważnym polimerem pochodzenia naturalnego jest kauczuk.

Sztucznie otrzymywane polimery określamy najczęściej wspólną nazwą - tworzywa sztuczne. Właściwości otrzymanych tworzyw mogą znacznie różnić się między sobą, szczególnie właściwościami fizycznymi. Innymi właściwościami będzie charakteryzował się polimer otrzymany w postaci długich łańcuchów złożonych z poszczególnych merów, a innymi usieciowiona cząsteczka, zbudowana z tych samych i w takiej samej ilości użytych merów, lecz inaczej ze sobą połączonych. 

Ponadto surowy polimer często poddawany jest dalszej obróbce, polegającej na dodaniu doń uszlachetniających dodatków, plastyfikatorów, barwników itp. w celu polepszenia jego pożądanych cech. Na przykład, w przypadku kauczuku takim uszlachetniającym zabiegiem jest proces wulkanizacji, prowadzący do poprzecznego łączenia polimerowych łańcuchów w sieć, w celu zwiększenia elastyczności (otrzymywanie gumy). 

2.1 Reakcje otrzymywania polimerów (polireakcje).

Polimeryzacja jest przykładem reakcji łańcuchowej, polegającej na bardzo szybkim kolejnym przyłączaniu się cząsteczek monomeru do pierwszej cząsteczki uaktywnionej pod wpływem czynników fizycznych lub chemicznych, przy czym stan aktywacji przenosi się na koniec rosnącej w ten sposób makrocząsteczki polimeru. Przerwanie reakcji, a zatem koniec wzrostu łańcucha, następuje na skutek zużycia substancji wyjściowej, albo na skutek wykorzystania uwolnionych elektronów walencyjnych na końcach łańcucha przez nasycenie innymi grupami lub też wędrówkę atomu wodoru. Niezbędnym czynnikiem w procesie polimeryzacji jest rozerwanie wiązania podwójnego w cząsteczce monomeru, co prowadzi do pojawienia się wolnych elektronów walencyjnych, czyli utworzenia rodnika.

Dzięki temu mechanizmowi w czasie polimeryzacji nie następuje wydzielanie żadnych ubocznych produktów, a skład elementarny makrocząsteczki jest wielokrotnością cząsteczki monomeru.

Polimeryzacja ma przebieg gwałtowny, niemal natychmiastowy i nie daje możliwości otrzymywania polimerów obejmujących tylko pewne etapy procesu, który mógł być kontynuowany w dogodnym dla nas, późniejszym okresie. W przypadku, gdy w makrocząsteczce powiązane są ze sobą różne monomery, rozłożone mniej lub bardziej równomiernie w łańcuchu, wówczas przeprowadzona reakcja nosi nazwę kopolimeryzacji, a uzyskany produkt - kopolimeru.

Proces polimeryzacji można przeprowadzić różnymi metodami. Do najbardziej rozpowszechnionych zaliczyć można trzy metody:

Polikondensacja - jest to łączenie się wielu monomerów w makrocząsteczkę, z jednoczesnym wytworzeniem niskocząsteczkowych produktów ubocznych. Jako produkt uboczny występuje najczęściej woda, rzadziej amoniak lub chlorowodór. Proces jest kontrolowany ilosią doprowadzonego ciepła, katalizatorami i odprowadzeniem produktów ubocznych. W procesie tym masa mikrocząsteczki nie jest sumą mas cząsteczek monomeru. W odróżnieniu od polimeryzacji, która jest reakcją łańcuchową przebiegają na ogół bardzo gwałtownie, polikondensacja jest reakcją stopniową. W każdym stadium reakcji tworzą się produkty przejściowe, dające się wyodrębnić. Szybkość wzrostu łańcucha mikrocząsteczki zależy od szybkości usuwania małocząsteczkowych produktów ubocznych.

Poliaddycja - stanowi typ polireakcji zajmujący miejsce pośrednie pomiędzy polimeryzacją a polikondensacją. Polimeryzacja addycyjna polega na stopniowym łączeniu cząsteczek, zwykle dwóch różnych monomerów, bez wydzielania produktów ubocznych reakcji, ale z wystąpieniem przegrupowania atomów monomerów. Produktem poliaddycji są polimery heterołańcuchowe, nadające się do formowania niskociśnieniowego lub bezciśnieniowego.

2.3 Technologie otrzymywania tworzyw sztucznych. Dodatki stosowane w polimerach.

Technologie otrzymywania tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne mogą być otrzymywane z czystego polimeru, z kopolimerów lub z mieszanek polimerów. Często otrzymywane są także z polimerów modyfikowanych metodami chemicznymi lub przez dodatki innych substancji pomocniczych. W każdy jednak z wymienionych przypadków dominującą rolę odgrywają polireakcje, w związku z tym polireakcje uważane są za główne technologie otrzymywanie tworzyw sztucznych.

Makrocząsteczki polimerów otrzymuje się w wyniku reakcji kolejnego łączenia cząsteczek jednego, dwóch lub znacznie rzadziej trzech wyjściowych związków małocząsteczkowych zwanych monomerami. Aby proces ten mógł być zrealizowany konieczne jest występowanie u monomerów wyjściowych przynajmniej dwóch grup funkcyjnych, które muszą być zasadniczo zdolne do reagowania ze sobą oraz zapewnienie określonych warunków niezbędnych do wywołania i przeprowadzenia reakcji. Procesy zachodzące przy powstawaniu makrocząsteczek polimerowych nazywane są często polireakcjami.

Wyróżnia się następujące metody otrzymywania polimerów:

  1. Metody bezpośrednie za pomocą polireakcji,

  2. Metody pośrednie, takie jak: przemiany chemiczne polimerów otrzymanych na drodze polireakcji, prowadzące do powstania nowych polimerów niedostępnych za pomocą polimeryzacji oraz modyfikacje chemiczne polimerów pochodzenia naturalnego.

Biorąc pod uwagę mechanizm tworzenia się makrocząsteczek polimerów, polireakcje podzielić można na następujące rodzaje technologii:

Jeśli w wyniku zachodzących reakcji łączą się jednakowe monomery, mówimy wówczas o izopolimeryzacji lub polimeryzacji, a otrzymany produkt nosi nazwę homopolimeru. W przypadku gdy w łańcuchy wiązane są różne monomery, wówczas reakcja nazywana jest kopolimeryzacją, a jej produkt kopolimerem.

Dodatki stosowane w polimerach:

    1. Napełniacze - dodawane są do tworzyw termoutwardzalnych w celu poprawienia własności mecha­nicznych.

    2. Zmiękczacze - dodaje się w celu obniżenia temperatury zeszklenia, a tym samym podniesienia wła­sności plastycznych tworzywa

    3. Stabilizatory - zapewniają te same własności podczas procesu użytkowania, uodparniają przed utlenianiem lub rozkładem podczas przetwórstwa

    4. Pigmenty - dodawane dla zabarwienia na określony kolor, barwę

    5. Porofory - zapewniają porowata powierzchnię i strukturę, mogą to być substancje organiczne lub nieorganiczne

    6. Środki zmniejszające palność tworzyw sztucznych - stosowne do pracy w warunkach zagrożenia pożarowego

    7. Środki tiksotropujące - zwiększają lepkość statyczną i zachowują lepkość dynamiczną

2.4 Rodzaje wiązań występujące w polimerach.

Rodzaje wiązań w polimerach (pierwszego rzędu):

Rodzaje wiązań między łańcuchami (drugiego rzedu):

Są to siły wzajemnego oddziaływania, są tym większe, im bliżej siebie znajdują się poszczególne makrocząsteczki.

Maleją one również wówczas, gdy makrocząsteczki uzyskują większą ruchliwość przez wprowadzenie do polimeru obcych atomów w postaci rozpuszczalników lub wody.

Występują, gdy pomiędzy łączącymi się atomami powstaje, w wyniku ich różnego usytuowania w szeregu galwanicznym, nierównowaga w rozmieszczeniu elektronów. W zależności od stopnia nierównowagi rozróżniamy tworzywa: polarne, słabo polarne i niepolarne. Atom o większej elektroujemności, wchodzący w skład cząsteczki lub połączenia, przyciąga w swoim kierunku parę elektronów, co powoduje powstanie dipolu.

Wywołane działaniem sił bocznych zapewniających dobre właściwości wytrzymałościowe i podwyższenie temperatury topnienia i nięknienia. Najczęściej są spotykane w poliamidach, energia wiązania nawet do 20 kJ/mol

2.5 PODZIAŁ TWORZYW SZTUCZNYCH

Kryteria podziału tworzyw sztucznych mogą uwzględniać bardzo różne ich cechy i właściwości m. in. takie jak :

1. właściwości sprężystoplastyczne tworzywa,

2. zachowanie się materiału pod wpływem ogrzewania,

3. jego właściwości użytkowe i zastosowanie, określone cechami polimeru stanowiącego główny składnik tworzywa.

Stosując pierwsze z podanych kryteriów tworzywa sztuczne dzielimy na: elastomery i plastomery.

Elastomery są to polimery, które w temperaturze pokojowej wykazują dużą zdolność do odkształceń i wydłużeń (wydłużenia przekraczają na ogół 100 %) przy równoczesnym zachowaniu właściwości sprężystych, jednakże niskich modułach sprężystości (10⋅105 ÷ 40⋅105 Pa). Do tej grupy zalicza się kauczuki naturalne i syntetyczne, kopolimery butadienu i izoprenu ze związkami winylowymi, poliizobutylen i niektóre poliuretany.

Plastomery są to tworzywa, których wydłużenie sprężyste w temperaturze pokojowej nie przekracza 100 % (często wynosi ono tylko kilka lub kilkanaście procent). Do tej grupy zaliczamy przede wszystkim tworzywa termoplastyczne, ale obok nich również dużą grupę duroplastów.

Pojawiający się tu podział tworzyw na termoplasty i duroplasty wynika z zastosowania drugiego z wymienionych kryteriów podziału.

Nazwą termoplasty obejmuje się te tworzywa, które ogrzane do wystarczająco wysokiej temperatury miękną aż do plastycznego płynięcia, a po ochłodzeniu ponownie stają się twardym ciałem stałym, przy czym proces mięknięcia i utwardzania może być wielokrotnie powtarzany bez powodowania zmian podstawowych właściwości tworzywa. Proces mięknięcia i utwardzania jest powtarzalny pod warunkiem, że podczas nagrzewania nie nastąpi przekroczenie dopuszczalnej dla danego tworzywa temperatury, co mogłoby spowodować rozkład polimeru, lub innych składników wchodzących w skład przerabianej masy. Takie zachowanie się termoplastów tłumaczy się tym, że ich makrocząsteczki, mające kształt łańcuchów liniowych, lub rozgałęzionych, związanych wewnątrz silnymi wiązaniami atomowymi, połączone są między sobą znacznie słabszymi wiązaniami międzycząsteczkowymi, które osłabiają się jeszcze bardziej ze wzrostem temperatury. W polu podwyższonych temperatur osłabione siły międzycząsteczkowe umożliwiają zwiększenie ruchliwości łańcuchów i wzajemne poślizgi cząstek względem siebie. Obniżenie temperatury tworzywa zjawiska te ponownie ogranicza.

Tworzywa termoplastyczne

Do grupy tworzyw termoplastycznych, nazywanych również krótko termoplastami, należą tworzywa, które w temperaturze pokojowej znajdują się w stanie zeszklenia, lub w stanie wysokiej elastyczności i które po podgrzaniu mogą przechodzić w stan lepko płynny. W tym stanie termoplasty poddawane są procesom przetwórstwa. Ich bardzo dobre właściwości przetwórcze, mała gęstość, duża odporność na działanie środków silnie korodujących, a także bardzo dobre właściwości trybologiczne, tłumiące i izolacyjne, przyczyniły się do szybkiego rozwoju produkcji i szerokiego zastosowania wyrobów z tej grupy tworzyw w różnych gałęziach przemysłu. Obok wielu cennych zalet tworzywa te mają również pewne cechy ujemne, o których zarówno projektant, jak i wytwórca, nie mogą zapominać. Wymienić tu należy na pierwszym miejscu bardzo małą odporność cieplną. Ogranicza to znacznie zakres zastosowań wielu termoplastów i wymaga bardzo rygorystycznego przestrzegania ustalonej temperatury eksploatacji elementu wykonanego z tego materiału. Wraz ze zmianą temperatury zachodzą bowiem w termoplastach istotne zmiany zarówno w ich właściwościach mechanicznych jak i fizycznych. Do wad termoplastów, wykorzystywanych jako tworzywo konstrukcyjne, zalicza się również stosunkowo małą stabilność wymiarów, wywołaną z jednej strony dużym zróżnicowaniem i zmiennością współczynnika skurczu, jak również małą odpornością cieplną, lub niekiedy także higroskopijnością.

Duroplasty

Duroplasty to tworzywa, których budowa makrocząsteczkowa kształtuje się dopiero po procesie utwardzania, który dla duroplastów jest procesem nieodwracalnym tzn., że tworzywa te raz utwardzone pozostają takimi również przy wielokrotnym podgrzewaniu. Plastyczne są jedynie w fazie wyjściowej, tj. przed utwardzeniem. Utwardzenie jest wynikiem sieciowania chemicznego, pierwotnie liniowych, lub rozgałęzionych, cząstek żywicy, która ze stanu rezolu przez pośredni stan rezolitu przechodzi w całkowicie utwardzony rezit. Proces utwardzania realizuje się często w podwyższonej temperaturze podczas formowania przedmiotów, połączeń klejowych, zestalania powłok lakierniczych itp.

Duroplasty wykorzystywane są w postaci żywic technicznych, tłoczyw, klejów i lakierów, a także otrzymywanych na ich bazie tworzyw porowatych, laminatów i gotowych wyrobów. Do zalet utwardzonych duroplastów należą: duża sztywność, trwałość wymiarów, nierozpuszczalność, nietopliwość i doskonałe własności elektroizolacyjne. Wadami duroplastów są: kruchość (zapobiega się jej przez stosowanie napełniaczy, np. włókna szklanego) i niemożliwość ponownego przetwarzania

2.6 WYSTĘPUJĄCE POLIMERY

POLIETYLEN -[-CH2-CH2-]n-

Znany jest już od 1937 roku i dość rozpowszechniony w technice.

Jest substancją białą, konsystencji proszku lub granulatu, przypominającą w dotyku parafinę. Powstaje w procesie polimeryzacji etylenu. Powierzchnia tworzywa daje się łatwo zarysować, lecz jest w odróżnieniu od parafiny zwarta.

Jest tworzywem o doskonałych własnościach dielektrycznych i dużej odporności na działanie kwasów, zasad, soli i większości związków organicznych oraz niskich temperatur (do -50stopniC). Jest niepolarny.

W węglowodorach alifatycznych, aromatycznych i chlorowcopochodnych, polietylen pęcznieje, czemu towarzyszy pogorszenie jego własności fizycznych. Ponadto przewody (rury, kable) z polietylenu, ułożone w ziemi, mogą ulegać zniszczeniu, określanemu potocznie przez analogię do metali - korozję.

Polietylen znajduje zastosowanie w produkcji folii i innych opakowań, do wyrobu rur nadających się zarówno do wody pitnej, jak i do ścieków, jako powłoki kablowe oraz do wyrobu elementów gospodarstwa domowego, za wyjątkiem pojemników lub opakowań do mleka i tłuszczów zwierzęcych. Z polietylenu wytwarza się: folie opakowaniowe, artykuły gospodarstwa domowego, rury, węże, pojemniki i butelki na wodę oraz chemikalia, materiały elektroizolacyjne, kije hokejowe, narty, żagle, liny, kamizelki kuloodporne, zabawki, opakowania, elementy aparatury chemicznej, skrzynki i armatura elektryczna. Włókna na bazie polietylenu należą do najbardziej odpornych mechanicznie włókien chemicznych.

W Polsce jest produkowany tylko polietylen wysokociśnieniowy o nazwach handlowych politen i petrolen.

POLISTYREN

otrzymuje się na drodze polimeryzacji styrenu w podwyższonej temperaturze (około 800 C).

W normalnej temperaturze pokojowej jest to tworzywo twarde i kruche, bez zapachu, bez smaku, fizjologicznie obojętne.

Otrzymuje się go z etylenu i benzenu.

Jest materiałem stosunkowo lekkim o dużej stałości wymiarów, co umożliwia stosowanie go w precyzyjnej aparaturze pomiarowej. Cechuje się małą nasiąkliwością wody, dobrymi własnościami dielektrycznymi, niezmiennymi w szerokim zakresie częstotliwości, a także dużą odpornością na działanie większości cieczy, nawet silnie korodujących. Nie odporny jest natomiast na działanie rozpuszczalników organicznych. Pod wpływem światła słonecznego polistyren żółknie i staje się bardziej kruchy.

Jest jednym z najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych, ponieważ obok własności mechanicznych i fizycznych, cechuje go łatwość formowania i niska cena. Służy do wyrobu galanterii technicznej, obudowy różnych urządzeń mechanicznych i wykładzin, a jako tworzyw parowate (styropian) - do opakowań i płyt termoizolacyjnych. Stosowany jest również w przemyśle elektrotechnicznym i radiotechnicznym. Używa się go również do wyrobu rur kwasoodpornych, opakowań oraz przedmiotów gospodarstwa domowego- grzebieni, zabawek i innych.

POLIPROPYLEN -[-CH2-CH(CH3)-]n-

Jest to tworzywo częściowo krystaliczne o własnościach zbliżonych do polietylenu. Otrzymuje się go na skalę przemysłową przez niskociśnieniową polimeryzację propylenu wobec katalizatora.

Rozróżnia się: polipropylen izotaktyczny, który zawiera do 95% fazy krystalicznej, jest lżejszy od wody, wykazuje doskonałą odporność na działanie kwasów, zasad, soli nieorganicznych, polipropylen syndiotaktyczny o własnościach pośrednich, polipropylen ataktyczny - zawierający wyłącznie fazę bezpostaciową, o konsystencji plasteliny;

Polipropylen charakteryzuje się małą ścieralnością i dobrymi własnościami dielektrycznymi. Może być stosowany w temperaturach -35 do + 1300C.

Jest gładki w dotyku, ma większą odporność powierzchni na zarysowania i uszkodzenia, nie ulega korozji naprężeniowej, ma mniejszą gęstość, większą wytrzymałość na rozciąganie i większą odporność termiczną.

Jako wady polipropylenu należałoby wymienić stosunkowo dużą kruchość w temperaturach poniżej 00C i większą niż polietylen, wrażliwość na działanie tlenu.

Polipropylen znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle do wyrobu różnych elementów maszyn poddawanych większym obciążeniom (wałki drukarskie, koła zębate), naczynia i elementy do sterylizacji wrzeniem oraz wyroby wymagające łączenia i współpracy z elementami metalowymi. Z polipropylenu wykonuje się folie, rury, koła zębate, obudowy maszyn, łożyska niskoobrotowe, elementy armatury, wykładziny, pojemniki. Z ciągłych włókien polipropylenu produkowane są sznury i sieci rybackie. Włókna cięte są dodawane do mieszanek z wełną i bawełną w przemyśle tekstylnym. Polipropylenowe mikroporowatewłókna kapilarne służą do ultrafiltracji i rozdziału gazów.

Nazwa handlowa polipropylenu to malen.

POLICHLOREK WINYLU -[-CH2-CHCl-]n-

Polimeryzacja chlorku winylu prowadzi, w warunkach podwyższonego ciśnienia i temperatury, do uzyskania tworzywa wielocząsteczkowego o wzorze w temperaturze pokojowej są twarde, mało sprężyste, a przy obniżeniu temperatury stają się kruche.

Wykazuje bardzo dobrą wytrzymałość mechaniczną i dobre własności dielektryczne. Jest odporny na działanie większości rozpuszczalników (rozpuszcza się lub pęcznieje w cykloheksanonie, tetrahydrofuranie, pirydynie, dwusiarczku węgla). Rozkłada się pod wpływem temperatury i światła.
Twardy polichlorek winylu znajduje zastosowanie jako materiał elektroizolacyjny, surowiec do wyrobu płytek podłogowych, płyt gramofonowych, rur, elementów armatury, elementów budowlanych np. framug drzwi i ram okiennych, przedmiotów codziennego użytku, przyborów kreślarskich oraz do impregnacji tkanin i papieru.
Miękki polichlorek winylu jest stosowany jako wykładzina zbiorników, wykładsziny podłogowe i tapicerskie, powłoki ochronne, sztuczne skóry Rurowe membrany z polichlorku winylu służą do ultrafiltracyjnego oczyszczania wody i ścieków (igelit).
Nazwy handlowe: winidur (PVC twardy), polwinit, igelit (PVC miękki)

POLIMETAKRYLAN METYLU (szkło organiczne, -[-CH2-C(CH3)( COOCH3)-]n-)

Jest odporny na działanie czynników atmosferycznych, kwasów, zasad, ozonu, węglowodorów alifatycznych oraz niskich temperatur. Ulega natomiast działaniu węglowodorów aromatycznych, ketonów, estrów. Jest palny, nie jest odporny na wysokie temperatury.

Główne zastosowania PMMA wynikają z jego przezroczystości i odporności na starzenie w warunkach
atmosferycznych. Te właściwości, w połączeniu z dużą wytrzymałości mechaniczną i sztywnością sprawiają, że jest chętnie stosowany jako materiał do wykonywania kloszy świateł sygnalizacyjnych, soczewek, szyb okiennych, lotniczych i samochodowych, urządzeń sanitarnych, naczyń stołowych, sztucznej biżuterii i in. wyrobów codziennego użytku. Odpowiednio barwiony znajduje zastosowanie w protetyce dentystycznej.

Nazwy handlowe: metapleks, pleksiglas.

POLIAMID

przyjęto nazywać związki wielocząsteczkowe, które zawierają w makrocząsteczce ugrupowania amidowe -CO - NH -.

Do monomerów poliamidowych zalicza się zatem związki, które zawierają w cząsteczce, lub tworzą, grupy amidowe w wyniku reakcji z innymi związkami.

Poliamidy zaliczane są do typowych polimerów krystalicznych. Cechuje je dobra wytrzymałość na rozciąganie, wysoki moduł sprężystości, twardość, odporność na ścieranie itp. Poliamidy wytwarza się z pochodnych węgla, gazu ziemnego lub ropy naftowej.

Poliamidy w najróżniejszych postaciach znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Niełamliwe artykuły codziennego użytku, artykuły techniczne, którym stawiane są wysokie wymagania wytrzymałościowe, włókna, lekkie tkaniny stanowią najbardziej wyróżniający się zakres zastosowań tych polimerów.

Poliamidy mogą zaabsorbować do kilku procent wody.
Ulegają działaniu kwasów, stężonych zasad, utleniaczy. Z poliamidów wytwarzane są koła zębate, armatura wodociągowa, galanteria, folie i włókna, a także powłoki fluidalne na metale. Poliamid 6,6 znany pod nazwą nylon i poliamid 6 są stosowane zwykle w postaci włókien tekstylnych. Do wytwarzania pojedynczych włókien ciągłych służących np. do wyrobu szczotek, sprzętu sportowego, nici hirurgicznych stosuje sie poliamidy 6, 10 i 11. Poliamid 4,6, który jest produktem polikondensacji tetrametylenodiaminy z kwasem adypinowym, służy do produkcji części silników elektrycznych narażonych na działanie wysokich temperatur, natomiast z poliamidu

PA 4 (produktu polimeryzacji 2-pirolidonu) produkowane są ręczniki, ubiory sportowe,konfekcja, dywany. Nazwy handlowe tworzywa poliamidowego probukowanego w Polsce
(poliamidu 6): tarnamit, tarlon, stilamit, itamit.

Natomiast nazwy włókien: polana (włókna cięte), stilon (włókna ciągłe).

Włókna poliamidowe są produkowane na świecie pod nazwami handlowymi: perlon, enant, dederon (Niemcy), kapron (Rosja), nylon (USA), rilsan (Francja), helion, lilion, ortalion (Włochy), nomex, kevlar (włókna z poliamidów aromatycznych produkowane w USA).

KAUCZUK SYNTETYCZNY

Metodą Lebiediewa otrzymuje się w wyniku polimeryzacji węglowodoru nienasyconego butadienu (dwuwinylu), którego cząsteczka zawiera dwa wiązania podwójne.

POLIWEGLANY

otrzymuje się z trującego fosgenu i dianu.

Są one tworzywami termoplastycznymi o bardzo wysokiej temperaturze mięknięcia (około 1700C). Z powodu bardzo słabej zdolności do krystalizacji polimeru czyste produkty z poliwęglanu są bezbarwne i przejrzyste. Polimer może być przetwarzany z roztworu jak również, biorąc pod uwagę jego termoplastyczny charakter, na zwykłych maszynach stosowanych do przerobu tworzyw sztucznych. Z poliwęglanów można produkować włókna, folie, rury, wyroby drążone i inne. Uwzględniając dużą odporność na ciepło, jak również bardzo dobre własności mechaniczne i dielektryczne, stosuje się poliwęglany w przemyśle elektronicznym, w medycynie i do produkcji części maszyn i urządzeń, którym stawiane są duże wymagania techniczne, jak również na przedmioty codziennego użytku

2.7 POLIMERY WYSTĘPUJĄCE W PRZYRODZIE

KAUCZUK NATURALNY Kauczuk naturalny, produkt koagulacji lateksu (mleczka kauczukowego) z uprawnego drzewa Hevea brasiliensis.

Głównym składnikiem jest węglowodór nienasycony o budowie łańcuchowej, cis-1,4-poliizopren, (C5H8)n, gdzie n>10 000. Brunatne, plastyczne ciało stałe. Poddawany wulkanizacji daje gumę lub ebonit.

Główne zastosowanie znajduje przy wyrobie klejów i gumy. Ebonit stosowany jest głownie na skrzynki akumulatorów samochodowych.

CELULOZA, błonnik, (C6H10O5)n,
nadaje sztywność i kształt roślinom, w niemal czystej postaci występuje w bawełnie, włóknach lnu, juty i konopi. W ilości ponad 50% stanowi masę drewna.
Ma kolor biały, jest odporna chemicznie i mechanicznie.
Stosowana jest do produkcji tkanin, papieru, włókien sztucznych (acetyloceluloza, jedwab octanowy, jedwab wiskozowy, nitroceluloza), lakierów, celuloidu, celofanu, fibry, materiałów wybuchowych (bawełna strzelnicza). Celulozę modyfikuje się na skalę przemysłową przez acetylwanie- otrzymuje się tworzywo do wyrobu błon rentgenowskich i filmowych. Tworzywo to rozpuszcza się w wodzie dając roztwory o dużej lepkości przy bardzo małych stężeniach. Z tego powodu stosuje się je powszechnie jako zagęszczacz farb lateksowych, klejów i kosmetyków oraz do powlekania tabletek farmaceutycznych.

SKROBIA, (C6H10O5)n (n>300), krochmal, polisacharyd zbudowany z reszt glukozy połączonych glukozydowo.
Skrobia jest białą, bezpostaciową substancją, pozbawioną smaku, nierozpuszczalną w zimnej
wodzie i alkoholu. Skrobia stanowi materiał zapasowy roślin, występuje głównie w nasionach.
Powstaje w plastydach. W zależności od gatunku ziarna skrobia mają różną postać, ich średnica może wynosić od 3 do 100 milimikronów.
Skrobia jako materiał zapasowy gromadzona jest w owocach (np. chlebowca), nasionach (np.
ziarniakach zbóż), oraz w organach spichrzowych, takich jak kłącza (taro), bulwy korzeniowe
(batat, maniok), bulwy pędowe (ziemniak). Skrobia występuje też w rdzeniu i promieniach
rdzeniowych łodyg i pni roślin drzewiastych, np. w postaci mączki zwanej sago uzyskiwanej z pni sagowców i niektórych palm.
Jako składnik pożywienia (mąka) jest źródłem glukozy, która zostaje uwolniona ze skrobi poprzez produkty pośrednie - dekstryny i maltozę.
Poza przemysłem spożywczym skrobia znajduje również zastosowanie w przemyśle
włókienniczym, kosmetycznym, farmaceutycznym, spirytusowym, również do produkcji klejów i papieru.

14


Wyszukiwarka