Masa cząsteczkowa polimerów

W polimeerach masa makrocząsteczki zalezy od stopnia polimeryzacji n.

Wzrost ciężaru cząsteczkowego powoduje :

• wzrost własności wytrzymałościowych

• wzrost rozszerzalności cieplnej (-)

• wzrost odporności cieplnej

• wzrost lepkości (-)

POLIDYSPERSYJNOŚĆ - rozrzut masy cząsteczkowej polimeru Szeroki rozrzut ciężaru cząsteczkowego polimeru ułatwia przetwórstwo przy dużych szybkościach ścinania.

współczynnik polidyspersji: I = Mw/M n, gdzie: Mw - średnia wagowo masa cząsteczkowa, Mn - średnia liczbowo masa cząst.

Polidyspersyjność D ma największy wpływ na:

• lepkość stopu ( D rośnie -> n maleje)

• przeźroczystość (D rośnie, T maleje)

• wytrzymałość (D rośnie, Rm maleje)

• udarność (D rośnie, U maleje)

OTRZYMYWANIE POLIMERÓW - Reakcje chemiczne otrzymywania polimerów, tj. wytwarzania syntetycznych związków wielkocząsteczkowych, nazywane są zwyczajowo polireakcjami. Rozróżnia się trzy rodzaje polireakcji, którymi są: polimeryzacja, polikondensacja, poliaddycja.

Polimeryzacja jest procesem łączenia się wielu cząsteczek monomeru, któremu nie towarzyszy wydzielenie małocząsteczkowych produktów ubocznych. Proces ten można schematycznie przedstawić następująco:

nA ----> [A]n

gdzie:

n - liczba cząsteczek monomeru (stopień polimeryzacji),

A - cząsteczka monomeru,

Polimeryzacja przebiega bez zmian składu substancji reagujących. Powstający polimer różni się od monomeru tylko wielkością cząsteczki. W przedstawionym uprzednio procesie reaguje tylko jeden rodzaj monomeru. Taki proces jest nazywany homopolimeryzacją, a otrzymany produkt -homopolimerem. Jeżeli polimeryzacji ulega natomiast więcej niż jeden rodzaj monomeru, proces taki nazywa się kopolimeryzacją a powstający produkt - kopolimerem.

Polikondensacja jest procesem łączenia się wielu cząsteczek substancji wyjściowych w związek wielkocząsteczkowy z jednoczesnym wydzieleniem prostego związku małocząsteczkowego - jako produktu ubocznego reakcji. Skład chemiczny polimeru powstającego w wyniku polikondensacji nie jest identyczny ze składem substancji wyjściowych. Spowodowane jest to wydzieleniem się produktów ubocznych podczas procesu.

Poliaddycja ma charakter pośredni między polimeryzacją a polikondensacją. Podobnie jak polikondensacja jest to reakcja przebiegająca w sposób stopniowy, lecz nie jest procesem odwracalnym. Polimery otrzymywane w wyniku poliaddycji mają ten sam skład chemiczny co monomery, lecz różnią się od nich budową. Mechanizm omawianej reakcji reakcji polega najogólniej na przemieszczaniu atomu wodoru w cząsteczce monomeru, umożliwiając tym samym wzrost łańcucha polimeru.

DODATKI DO POLIMERÓW

• napełniacze - polepszają właściwości mechaniczne, sztywność, odporność cieplną, właściwości elektroizolacyjne lub prądoprzewodzące; obniżają cenę gotowego wyrobu.

Napełniacze są to stałe dodatki organiczne lub nieorganiczne w postaci proszku, włókien, arkuszy lub kulek stosowane w ilościach od kilku do kilkudziesięciu procent

Napełniacze dzielimy na dwie podstawowe grupy:

a) inertne (wypełniacze) - zwiększają masę i objętość otrzymanego tworzywa i obniżają jego cenę, obniżając przy tym nieznacznie właściwosci

b) aktywne (wzmacniacze) - powodują poprawę okręslonych właściwosci mechanicznych i/lub fizycznych

• zmiękczacze (plastyfikatory) - ułatwiają przetwórstwo oraz modyfikują mechaniczne i cieplne własności tworzyw ;

Działanie: zmniejszają stosunek udziału fazy krystalicznej do amorficznej w masie stopu polimeru, zmniejszają oddziaływania międzycząsteczkowe, powodują wzrost ruchliwości łańcuchów polimerowych -> powoduje to obniżenie temp. zeszklenia, wzrost elastyczności i udarności, obniżenie twardości i wytrzymałości

Podział (ze względu na mieszlaność z polimerem) :

- I-rzędowe( b.dobra mieszalność)

- II-rzędowe (ograniczona mieszalność)

- ekstendery (niemieszalne z polimerem, tzw. rozcieńczalniki)

Jako plastykikatory stosuje się: ftalany (najczęściej dioktylu), fosforany, adypiniany, sebacyniany, kauczuki nitrylowe

• barwniki, pigmenty nadają wyrobowi barwę

barwniki (związki rozpuszczalne w polimerze lub tak rozdrobnione, ze nie rozpraszają promieni świetlnych harakteryzuje je przeźroczystość- )

pigmenty - związki nierozpuszczalne w polimerach, o dużych rozmiarach cząstek (przekraczających długości fali światła widzialnego) charakteryzuje je nieprzeźroczystość. Dzielimy je na nieorganiczne (duż aodporność cieplna) i organiczne( szeroki zakres barw oraz jaskrawość kolorów. Wadą jest niewielka odpornosc termiczna i siła krycia.

Środki barwiące nie powinny przekraczać 1%

• antystatyki - eliminują elektryzowanie się tworzywa przez modyfikację jego właściwości powierzchniowych. wytwarzają na nieprzewodzacym sie polimerze powierzchniową warstwe przeowdzącą, która umożliwia odprowadzanie ładunku.

Najczęściej stosowane do polistyrenu, poli(chlorku winyle) oraz poliolefin (polietylenu i polipropylenu)

Podział: zewnętrzne (nanoszone powierzchniowo, głównie na wyroby z tkanin syntetycznych) i wewnętrzne (wprowadza sie je bezpośrednio do masy tworzywa, głównie do tworzyw konstrukcyjnych, np. glicerydy (do PVC), politlenki, glikole (do PP, PVC, ABS), sole aminowe, amidy i aminy)

• antypireny - opóźniacze palenia, wywołują efekt samogasnięcia tworzywa. Zmniejszają: palność i nadają wł.samogasnące, ilości wydzielającego się dymu podczas palenia tworzyw, szybkość generowania ciepła, wydzielanie toksycznych/gazowych produktów spalania,

Jako antypireny stosuje sie związki: chlorowców, fosforowe i fosforowo azotowe, boru, cynowo-cynkowe,powłokotwórcze, nanonapełniacze, wydzielające wodę.

• środki smarujące - zmniejszają tarcie wewnętrzne materiału, poprawiają stabilność termiczną polimerów

• stabilizatory - przeciwdziałają termicznemu rozkładowi polimeru w czasie przetwórstwa oraz rozkładowi pod wpływem tlenu i promieni UV

KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH

1. Klasyfikacja chemiczna:

1. pochodzenie , monomer polimer

-naturalny (celuloza, DNA, RNA, skrobia, kauczuk naturany)

- syntetyczny (polietylen)

B) rodzaj przetwórstwa (klasyfikacja technologiczna)(właściwości mechaniczne)

C)polimery: (kryterium podziału: zachowanie w temperaturze pokojowej w układzie naprężenie- odkształcenie)

-Elastomery: (wulkanizujące, niewulkanizujące)

- Plastomery: (podzial- właściwości cieplno przetwórcze)

- termoplasty:

amorficzne (polistyren PS, polichlorek winylu PVC, poliwęglan PC, polimetakrylan metylu PMMA, politlenek fenylu PPO),

krystaliczne(polietylen PE, polipropylen PP, poliamidy PA, politereftalan etylenu PET, politereftalan butylenu PBT )

- duroplasty:

chemoutwardzalne (żywice poliestrowe, żywice epoksydowe EP, poliuretany),

termoutwardzalne (żywice fenolowoformaldehydowe PF, fenoplasty, aminoplasty)

Elastomery- polimery, które przy małych naprężeniach wykazują duże odkształcenia (do 1000% przy rozciąganiu) odwracalne. Tg<temp. pokojowej.

Plastomery - pod niewielkim naprężeniem wykazują małe odkształcenia (-1%), a poddawane wzrastającemu obciążeniu odkształcają się plastycznie aż do mechanicznego zniszczenia próbki i wykazują wówczas odkształcenia nieodwracalne od 1-200%, Tg>temp. pokojowej.

Duroplasty - w podwyższonej temperaturze (lub pod wpływem odpowiedniej substancji chemicznej) przekształcają się w produkt usieciowany (nietopliwy i nierozpuszczalny). Ponowne ogrzewanie może spowodować rozkład chemiczny polimeru (fenoplasty, aminoplasty). Mogą być przetwarzane jednokrotnie ze względu na tworzenie się struktury przestrzennie usieciowanej podczas przetwórstwa.

Termoplasty - w podwyższonej temperaturze przechodzą w stan plastyczny, czyli miękną i dają się kształtować. Są zdolne do wielokrotnego, odwracalnego przechodzenia pod wpływem ciepła ze stanu stałego w stan plastyczny lub ciekły bez istotnych zmian budowy chemicznej.

2. kryterium- struktura makrocząsteczek:

-liniowa

- rozgałęziona

- usieciowana

Podstawowe jednostki monometryczne: dwufunkcyjne, trójfunkcyjne

Budowa polimerów : struktura łańcuchów polimerowych - usieciowanie

- usieciowanie rzadkie, elastomery temp. zeszklenia -20 stopni

- usieciowanie gęste, duroplasty, temp zeszklenia +180 stopni

Budowa stereochemiczna.

Stereoizometria - rodzaj uporządkowania w łańcuchu polimerowym, dotyczy sposobu rozmieszczenia merów i podstawników.;

- izotaktyczna (podstawniki tylko na górze lub na dole)

- sandiotaktyczna (podstawniki równomiernie na górze i na dole)

- ataktyczna (podstawniki nierównomiernie na górze i na dole)

Polimery taktyczne wykazują:

- większą tendencję do krystalizacji,

- wyższą temp. topnienia

- wieksza gęstość

- znacznie większy moduł sprężystości

- większą twardość

Struktura fazowa polimerów:

- rozmieszczenie makrocząsteczek w masie polimeru może mieć charakter przypadkowy lub uporządkowany

- nukleacja -proces powstawania i wzrostu kryształów, jej efekty: wzrost temp. krystalizacji (w konsekwencji skrócenie czasu cyklu wtryskiwania, wytłaczania, nawet o 20%), wzrost przezroczystości, wzrost właściwości mechanicznych.

C) kryterium - struktura nadcząsteczkowa (stopień krystaliczności):

- krystaliczne: (niezbędny warunek krystalizacji: duża regularność i symetria w budowie łańcucha) ciala dwufazowe, (PE, PP, PA, polioksymetylen)

- amorficzne, (dwufazowe)(PS, PC, PMMA, PVC)

Właściwości polimerów krystalicznych i amorficznych: (pogrubione dla amorficznych)

- ciężar właściwy (większy, mniejszy)

- wytrzymałość na rozciąganie (większy, mniejszy)

- moduł przy rozciąganiu (większy, mniejszy)

- plastyczność, wydłużenie (większy, mniejszy)

- odporność na pełzanie (większy, mniejszy)

- max. temp. użycia (większy, mniejszy)

- odporność chemiczna (większy, mniejszy)

- przeźroczystość (mniejszy, większy)

- skurcz, wypaczenia (większy, mniejszy)

Stany fizyczne polimerów:

-stan szklisty: stan kruchy, Tk , stan wymuszonej elastyczności

-stan elastyczny: stan lekko sprężysty Tg, stan wysokoplastyczny Tp

- stan plastyczny Tr temp rozkładu

- obszar rozkładu

Tk- temp kruchości - temp. przejścia ze stanu kruchego w stan wymuszonej elastyczności (nieznaczna zmiana sztywności materiału)

Tg- temp. zeszklenia - jest charakterystyczna dla każdego polimeru, definiuje się ją jako temp. przejścia ze stanu wysokoplastycznego w stan szklisty obserwowana podczas chłodzenia. Jest to kryterium stosowania polimerów i tworzyw sztucznych w warunkach normalnych.

Tp- temp. płynięcia - przejście ze stanu wysokoplastycznego w stan plastyczny, ciekły

Depolimeryzacja- reakcja odwrotna do polimeryzacji, termiczny rozkład zw. wielkocząsteczkowego do postaci czystego monomeru.

Degradacja - polega na częściowym rozpadzie polimerów na stosunkowo duże cząstki, większe od cząsteczek monomerów.

Destrukcja- głównym produktem rozpadu jest nie monomer lecz inne zw. małocząsteczkowe, gazowe lub ciekłe.

Termoplasty - cechy charakterystyczne:

- miękną podczas ogrzewania a po stygnięciu stają się sztywne

- ich przetwarzanie jest prawie całkowicie odwracalne

- nieodwracalna degradacja następuje wówczas, gdy roztopiony polimer termoplastyczny jest ogrzewany do temperatury, w której pękają wiązania w łańcuchu polimerowym.

Porównanie polimerów i metali :

Właściwości tworzyw polimerowych (w porównaniu do metali- metale odwrotnie):

-mały ciężar właściwy,

- mała wytrzymałość właściwa,

-względnie niskie temperatury zastosowań,

-duża zdolność do kształtowania przestrzennego,

- małe zużycie energii przy kształtowaniu przestrzennym,

- estetyka i łatwość barwienia,

- nietoksyczność i biokompatybilność (tak samo dla metali)

- większość tworzyw palna, metale- większość nie palna za wyjątkiem niektórych (magnez)

- trudności organizacyjne w recyklingu,

- mała podatność na działanie czynników atmosferycznych, metale-duża podatność na korozje)

Polimery prześcigają stal w produkcji.

Gęstość: większa dla metali

Wytrzymałość mechaniczna najbardziej wytrzymałe mechanicznie polimery: poliestry wzmocnione włóknem szklanym. Najmniej: PE , PP

Wytrzymałość właściwa:

Wytrzymałość właściwa [km] = Wytrzymałość na rozciąganie [MN/m^2] / Ciężar właściwy [Nm^3]

Ciężar właściwy [Nm^3] = Gęstość [kg*m^3]* Przyspieszenie [m*s^2]

Wytrzymałość na rozciąganie a temperatura - Im wyższa temperatura tym mniejsza wytrzymałość na rozciąganie.

Temperatura użytkowania- -względnie niskie temperatury zastosowań (najwyższe: teflon ok. 260 stopni, PTFE do ok. 245 stopni C, poliestry wzmocnione do ok. 200 stopni C)

Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej CLTE -duża rozszerzalność liniowa jest zjawiskiem niekorzystnym prowadzi do pęknięć, większy dla tworzyw niż dla metali, największy dla PP, PE, najmniejszy dla fenoplastów. CLTE powinien być brany pod uwagę szczególnie wtedy, gdy łączone są ze sobą elementy o różnej wartości CLTE.

Przewodnictwo cieplne - ważny parametr -tworzywa sztuczne często wykorzystywane są jako izolatory cieplne, dla większości termoplastów zmienia się w zakresie 0,1 - 0,7 [Wm^(-1)K^(-1)] i zwykle rośnie z temperaturą, przewodnictwo cieplne- mniejsze niż dla metali, największe dla PE, PP, PS, najmniejsze dla PCW, PS, PBT, PET.

Kształtowanie przestrzenne- można je dowolnie kształtować w jednym procesie, energooszczędność i mniejsze koszty.

Estetyka i łatwość barwienia- barwimy na etapie wytwarzania wyrobu (barwimy wyrób w całej masie, nie ma konieczności lakierowania w wyniku ścierania).

Palność i toksyczność w warunkach pożaru: typowe polimery palą się już po krótkim narażeniu na mały płomień.

Podział : (amorficzne, pogrubione semi-krystaliczne)

- tworzywa wysokotemperaturowe (PSU, PES, PEI, LCP, PPS),

-tworzywa konstrukcyjne (PC, PPE, ASA, PMMA, PA, PST, POM),

-tworzywa wielko-tonażowe (ABS, ASA, SAN, PS, HIPS, PVC, PP, LD-PE, HD-PE)

Wraz ze wzrostem temperatury rośnie stopień rozkładu.

Recykling tworzyw w porównaniu z metalami: (metale w nawiasach)

-duże koszty gromadzenia odpadów z tworzyw sztucznych (mała gęstość, a więc duża objętość odpadów),

-zanieczyszczenie odpadów z tworzyw odpadkami bioorganicznymi (mycie odpadów)

-niemieszalność polimerów (konieczność sortowania odpadów)

Recykling tworzyw sztucznych jest przedsięwzięciem ekonomicznie nie opłacalnym.

Odpowiednie projektowanie dóbr (recykling);

- możliwie najszersze wykorzystanie w nich materiałów zdatnych do recyklingu

- używanie jednorodnych materiałów, co upraszcza demontaż i segregację,

- łączenie różnych materiałów w taki sposób, aby ich późniejsze rozłączenie było jak najprostsze

- używanie części składowych, które nadają się do ponownego użycia bez przetwarzania lub przy minimalnym uzdatnieniu

Podatność na działanie związków chemicznych: najbardziej odporny jest PTFE , słabo: PS

TWORZYWA SZTUCZNE - WŁASNOŚCI I ZASTOSOWANIE

Budowa molekularna

• homopolimery: wszystkie mery tworzace łańcuch polimeru są takie same

• kopolimery

- statystyczne

- przemienne

- blokowe

- szczepione (rozgałęzione)

Polietylen (PE)

-[-CH2-CH2-]n-, PE, polimer, biała substancja porowata lub biały proszek, gęstość 0,92-0,97 g/cm3, temperatura topnienia 110-137°C, termoplast. Otrzymywany jest w wyniku polimeryzacji etenu (etylenu).

Podstawowe odmiany :

• HDPE (PEHD) - niskociśnieniowy PE (nieorzgałęzione łańcuchy zapewniają wysoką gęstośc i duże siły oddziaływania międzycząsteczkowego) /gestosć - 0,94-0,97 g/cm³

• MDPE - o średniej gęstości (0,926-0,94 g/cm³⁾

• LDPE - wysokociśnieniowy PE (rozgałęzione łańcuchy polietylenu `nie pasują” do siebie, co powoduje mniejsza gęstość - 0,915-0,935 g/cm³)

• LLDPE - niskociśnieniowy liniowy PE o niskiej gęstości (krótkie, nierozgałęzione łańcuchy powstają w wyniku kopolimeryzacji etenu z alkenami o dłuższych łańcuchach) Gęstość - 0,915-0,35 g/cm³)

• PE-UHMW - polietylen o ultra dużym ciężarze cząsteczkowym

Właściwości:

• łatwe przetwórstwo - wytłaczanie, wtryskiwanie

• dobra odporność chemiczna

• duża udarność PE-HD

• przepuszcza tlen i azot, nie przepuszcza pary wodnej

• posiada właściwości elektrostatyczne (w specyficznych zastosowaniach wymagany dodatek środków antystatycznych)

Zastosowanie:

• opakowania - folie (spożywcze, ogrodnicze)

• pojemniki i zbiorniki

• rury wodne i gazowe

• części maszyn o niewielkim obciążeniu (panewki łożysk, drobne koła zebate, obudowy)

• pojemnii na mrożoną żywność (polietylen PE-HD nie pęka w niskich temperaturach)

• PE-UHMW w medycynie - el.endoprotezy stawów)

• b.wytrzymałe włókna SPECTRA (liny, żyłki wedkarskie, hełmy, osłony)

Polipropylen -[-CH2-CH(CH3)-]n-, PP, produkt polimeryzacji propylenu (na katalizatorze Zieglera-Natty), termoplast o barwie białożółtej. Mała gęstość 0,90-0,91 g/cm3.

Odmiany polipropylenu:

• polipropylen - homopolimer

• p. kopolimer: statyczny, blokowy (o zwiększonej udarności)

Rozróżnia się:

• polipropylen izotaktyczny, który zawiera do 95% fazy krystalicznej, jest lżejszy od wody, wykazuje doskonałą odporność na działanie kwasów, zasad, soli nieorganicznych, jest wrażliwy na działanie utleniaczy i rozpuszczalników niepolarnych,

• polipropylen syndiotaktyczny o własnościach pośrednich,

• polipropylen ataktyczny - zawierający wyłącznie fazę bezpostaciową, o konsystencji plasteliny, stosowany jako modyfikator.

Własciwości:

• łatwe przetwórstwo - wytłaczanie, wtryskiwanie, (270*C-degradacja)

• dobra odporność chemiczna (odporny na działanie kwasów, zasad, soli)

• przepuszcza tlen, azot, nie przepuszcza pary wodnej

• obojętny fizjologicznie

• palny, bezbarwny, bezwonny i niewrażliwy na działanie wody

• mało odporny na działanie tlenu i promieniowania UV

• odporny na uderzenia, duża udarność (bez karbu wg Charpy nie pęka)

• nie są odporne w niskich temp.

Zastosowanie:

• osłony, obudowy (zderzaki samochodowe)

• skrzynie, pojemniki

• pojemnika na chemikalia (obudowy akumulatorów)

• opakowania farmaceutyczne, sprzęt laboratoryjny i medyczny (np. strzykawki jednorazowe)

• sznury, worki do pakowania płodów rolnych

• rury, armatura wodna

• zabawki

• folie

• włókno PP stosowane jest do produkcji bielizny dla sportowców: alpinistów - łatwo odprowadza ciepło

Polistyren -[-CH(C6H5)-CH2-]n-, PS, polimer termoplastyczny. Gęstość 1,05 g/cm3. Jest otrzymywany przez polimeryzację styrenu.

Odmiany:

• polistyren wysokoudarowy PS-HI (kopolimer styrenu z butadienem)

• kopolimery styrenu:

- termopolimer ABS (akrylonitryl/butadien/styren)

- termopolimer MBS (metakrylan metylu/batadien/styren)

- kopolimer SAN (styren a akrylonitrylem)

Właściwości:

• budowa liniowa i duży ciężar cząsteczkowy

• kruchy i mało elastyczny

• przezroczysty p przepuszcza 90% światła widzialnego, ale dzięki licznym możliwościom barwienia gotowe wyroby z polistyrenu nie są najczęściej przezroczyste)

• doskonałe właściwości dielektryczne

• łatwe przetwórstwo - wytłaczanie, wtryskiwanie

• dobra odporność chemiczna

• niska chłonność wody

• bardzo mała przewodność cieplna

• rozszerzalność ośmiokrotnie większa niż stali

• mała udarność

~PS-E - polistyren spieniony ('styropian')

• mała gęstość

• dobre własności tłumiące

Zastosowanie:

• kubki, opakwania jendorazowe (PS)

• golarki jednorazowe (PS)

• cześci maszyn i urządzeń słabo obciążonych: kasety video, przybory kreślarskie 9PS-HI)

• palety, pojemniki, elementy ochronne (Ps-E (spieniony))

• obudowy sprzętu gospodarstwa domowego (ABS, SAN - elementy przezroczyste)

• zabawki (np. klocki Lego), obudowy sprzętu komputerowego, obudowy urządzen domowych (ABS, PS-HI

Polichlorek winylu (PVC) PCV, PCW, -[-CH2-CHCl-]n-, biały proszek, o gęstości 1,4 g/cm3, produkt polimeryzacji rodnikowej chlorku winylu, termoplastyczny. Wykazuje bardzo dobrą wytrzymałość mechaniczną i dobre własności dielektryczne.

Odmiany:

• PVC twardy - zawierający do 5% plastyfikatora

• PVC miękki- zawierający 40% do &0% plastyfikatora

Wlasciwości:

• wytwarzany w oparciu o węgiel kamienny i sól kamienną

• łatwe przetwórstwo - wytłaczanie, wtryskiwanie

• dobra odporność chemiczna (bardziej na stężone kwasy i zasady nież na ich wodne roztwory)

• mała wytrzymałość cieplna

Zastosowanie:

PVC twardy:

• rury kanalizacyjne, rynny dachowe

• elementy budowlane i meblowe (ramy okiennem drzwiowe, zsypy do odpadków, armatura sanitarna)

• elementy aparatury chemicznej i instalacji wentylacyjnej narażonej na sybstancje agresywane

• pyły i folie do opakowań produktów spożywczych

PVC miękki

• węże, izolacja przewodów elektrycznych

• uszczelki okien, profile w budownictwie

• piłki, zabawki, nadmuchiwane hale

• taśma opakowaniowa

• skóra ekologiczna

TWORZYWA INŻYNIERYJE

Poliwęglany (PC)

Polimery bezpostaciowe zawierające w łańcuchu głównym ugrupowanie: -R-O-CO-OR- (R - grupa arylowa lub alkilowa), przeźroczyste, żółte lub bezbarwne liniowe poliestry kwasu węglowego, termoplasty. Gęstość 1,2 g/m3, temperatura topnienia 220°C. Rozróżnia się poliwęglany: alifatyczne, alifatyczno-aromatyczne i aromatyczne.

Właściwości:

• polimery bezpostaciowe (jednak w odpowiednich warunkach krystalizują)

• -bardzo dobre właściwości:

- mechaniczne - bardzo duża udarność (zwłaszcza z karbem), „kowalność”

- termiczne (dobra wytrzymałość cieplna)

- elektrycznego

- optyczne - przepuszczają 90% światła widzialnego (zbliżona do szkła)

• mała chłonność wody i odporność na hydrolizę (sterylizacja)

• dobre własności dielektryczne

• dobra wytrzymałość cieplna

• łatwe zarysowanie powierzchniach

• trudności w przetwórstwie (ograniczenie zawartości wilgoci w granulacie PC do 0,015% )

Zastosowanie:

• Przede wszystkim tam gdzie wymagana jest przeźroczystość, odporność termiczna oraz dobre własności mechaniczne w szerokim zakresie temperatury

• elementy maszyn , obudowy, wirniki pomp, wentylatory, osłony lamp samochodowych

• części optyczne aparatów fotograficznych

• hełmy ochronne, szyby kuloodporne, osłony lamp ulicznych i sygnalizacji świetlnej

• części urządzeń gospodarstwa domowego, pojemniki, obudowy robotów, odkurzaczy

• talerze pojemniki, butelki dla niemowląt

• w elektronice na styki przełączników, wtyczki, skale radiowe

Poli(metakrylan metylu) PMMA

szkło organiczne, -[-CH2-C(CH3)( COOCH3)-]n-, produkt polimeryzacji metakrylanu metylu, termoplast. Gęstość 1,18 g/cm3.

Właściwosści:

• popularna nazwa to 'pleksi' lub 'pleksiglas'

• bardzo duża przepuszczalność światła widzialnego powyżej 92%

• PMMA przepuszcza ok 70% promieni UV, szkło zwykłe przepuszcza tylko 5% UV

• najwyższa odporność na zarysowania wśród polimerów przeźroczystych

• bardzo trudne przetwórstwo

• mała udarność (stała w temp. Od -20 do 60*C)

• powstanie mikropęknięć (przy obróbce mechanicznej)

• palny, nie jest odporny na wysokie temperatury.

Zastosowanie:

• do szklenia kabin i okien śmigłowców, szybowców, autobusów

• w technice oświtleniowej na osłony świateł samochodowych elementy optyczne (światłowody)

• talerze, pojemniki, butelki dla niemowląt

• cześci urzadzeń gosp. dom., pojemniki, obudowy robotów, odkurzaczy

• wyposażenie łazienek

Poliamid (PA)

-[-C(O)RC(O)NHRNH-]n-, polimery termoplastyczne o budowie łańcuchowej, bezbarwne lub kremowe, o gęstości 1,1 g/cm3. Są rozpuszczalne w kwasach i fenolach. Poliamidy otrzymuje się przez polikondensację m.in.: diamin z kwasami dikarboksylowymi lub polimeryzację laktamów.

• ze względu na dużą ilość substancji wyjściowych (monomerów) stosowanych do otrzymywania PA, rozróżnia się wiele odmian tych tworzyw: PA 6, PA 4.6, PA 6.6, PA 11, PA 12, PA 6.10

• poliamidy są semikrystaliczne - stopień krystaliczności zawiera się najczęściej od 30 do 50% w zależności od parametrów przetwórstwa (szybkości chłodzenia)

Właściwości:

• duza sztywność, twardość, trwałość oraz wytrzymałość mechaniczna

• niska rozszerzalność cieplna

• dobre właściwości ślizgowe - odporność na ścieranie

• zdolność tłumienia drgań i odporność na uderzenia

• dobra odporność chemiczna na oleje, tłuszcze, benzynę i wiele rozpuszczalników

• brak odporności na działanie kwasów i zasad

• temp. Użytkowania od -40*C do 100*C

• łatwe przetwórstwo - wytłaczanie, wtryskiwanie, odlewnictwo

• duza chłonnośc wody : PA6 (9-11%), PA11 i PA12 (2,5%) - zmiana wymiarów

Zastosowanie:

• części maszyn jak koła zębate, tuleje łożysk, gnizada przegubów, śruby, nakretk itp.

• zbironiki o dużej pojemnościowym

• korpusy i obudowy

• akcesoria meblowe, klamki drzwiowe, elementy podzespolów samochodowych

• PA włóknotwórczy: tkaniny (Elana), torby, sprzet sportowy

Poliacetale (POM) (lub: polioksymetylen, poliformaldehyd)

HO-[CH2-O]n-H

Odmiany:

1. homopolimer formaldehydu

2. kopolimer formaldehydu

Właściwości:

• niski współczynnik tarcia

• wysoka wytrzymałość mechaniczna, sztywność i twardość

• odporność na ścieranie i zmęczenie materiałowe

• obojętność fizjologiczna (odpowiednia do kontaktu z żywnością)

• stabilność wymiarowa (niski współczynnik rozszerzalności cieplnej)

• dobra odporność na pełzanie

• bardzo dobra skrawalność

• dobre własności ślizgowe

• odporność na materiały pędne

• dobra stabilność wymiarowa i dokładne odwzorowanie kształtów

• mała chłonność wody (ok. 0,3%) - niewrażliwośc na wilgoć

Zastosowanie:

• precyzyjne kółka zębate o niskim module, silnie obciążone łożyska ślizgowe, gniazda przegubów,

• elementy urządzeń elektrotechnicznych i AGD,

• prowadnice, ślimaki, części maszyn o wysokiej dokładności wykonania, elementy konstrukcyjne o dużej stabilności wymiarowej,

• śruby, nakrętki, haki, elementy armatury wodnej i podzespołów samochodowych

Politereftalany (PET, PBT)

• zaliczane do grupy poliestrów termoplastycznych

• znaczenie techniczne jako tworzywa konstrukcyne]mają dwa rodzaje politereftalanów:

- politereflatan etylenu, PET

- politereflatan butylenu, PBT

• własności mechaniczne i cieplne PET są nieco lepsze niż PBT

• PET krystalizuje bardzo wolno

• duża twardość i sztywność

• duża odporność chemiczna (na oleje, smary, benzynę)

• stabilność wymiarów (mała chłonnośc wody 0,02%)

Polimery fluorowęglowe - ta grupa polimerów fluorowęglowych zwana jest również polimerami fluorowymi lub poliolefinami fluorowanymi.

Stanowi ona dość dużą grupę polimerów termoplastycznych zawierających fluor w łańcuchu głównym, do której należą między innymi:

• Polifluoroetylen PTFE,

• Polichlorotrifluoroetylen PCTFE,

• Poli(fluorek winylu) PVF,

• Poli(fluorek winylidenu) PVDF

Polisiarczek fenylu (PPS):

Zastosowanie:

• w przemyśle chemicznym na korpusy, wirniki pomp, elementy kompresorów,

• w przemyśle samochodowym na części gaźników, elementy układu ogrzewania, korpusy lamp halogenowych, elementy układu zapłonowego

• w przemyśle elektrotechnicznym do produkcji wtyczek, przełączników, przekaźników

Politetrafluoroetylen (PTFE)

Właściwości:

• stanowi 90 % produkcji tej grupy tworzyw i ma największe znaczenie techniczne

• dobra odporność cieplna (niepalny)

• dobre właściwości ślizgowe (u= 0,05 do 0,09 na sucho po stali) ale mała odpornośc na zużycie tribologiczne

• doskonała odporność chemiczna porównywalna z metalami szlachetnymi

• trudne przetwórstwo i utylizacja odpadów (gotowe elementy wytwarzane najczęściej metodą obróbki skrawaniem)

• nie jest odporny na pełzanie (płynie za zimno i pod niedużym obciążeniem (nie nadaje się na mocno obciążone elementy maszyn np. koła zębate, krzywki itp.

Zastosowanie:

• w przemyśle motoryzacyjnym i maszynowym: (kompozyty PTFE) na łożyska i uszczelnienia techniczne

• w przemyśle chemicznym na części narażone na działanie substancji agresywnych, filtry,

• w przemyśle elektrotechnicznym do izolacji kabli wysokiej częstotliwości, koszulki izolacyjne,

• powłoki antyadhezyjne (naczynia)

Poliimidy:

• Poliimidy (PI) stanowią dużą grupę polimerów termostabilnych o właściwościach zarówno polimerów termoplastycznych (amorficznych) jak i chemoutwardzalnych zawierających charakterystyczne ugrupowanie imidowe, do grup tych zalicza się:

1. poli(Amido-imidy) PAI

2. poli(estro-imidy)

3. poli(etero-imidy) PEI

4. poli(heterocykliczne imidy)

Właściwości:

• Dobre własności mechaniczne nawet do 300 stopni C (przez miesiąc) w temperaturze 400 stopni (kilka godzin), w temperaturze 500 stopni (kilka minut) oraz w temperaturach kriogenicznych

• Mały współczynnik rozszerzalności cieplnej

• Bardzo dobre własności dielektryczne i izolacyjne,

• Znakomita odporność chemiczna,

• Są trudnoprzetwarzalne i drogie

Zastosowanie:

• Na części maszyn (łożyska, koła zębate, pompy, zawory powietrza i paliw, elementy systemów chłodniczych, zbiorniki gorącej wody, systemy wymienników ciepła)

• W przemysłach: elektrotechnicznym, lotniczym, kosmicznym, motoryzacyjnym, chemicznym, spożywczym w automatyce, medycynie, hydraulice wysokotemperaturowej

• Sprzęt medyczny i dentystyczny ( mogą być sterylizowane)

• Naczynia do gorących potraw - odporne na wielokrotne mycie w zmywarkach,

• W przemyśle lotniczym stosowane są jako kleje (mają dobre właściwości adhezyjne)

• Folie, taśmy

Elastomery wulkanizujące (gumy)

• Są tworzywami elastycznymi powstałymi w wyniku wulkanizacji kauczuku naturalnego lub syntetycznego

• Cechują się dużą odkształcalnością dochodzącą do 1200 % oraz niewielkim modułem sprężystości 1 do 4 MPa,

• Charakteryzują się pamięcią kształtu, nie topią się, nie zgrzewają i nie rozpuszczają. Mogą być spęczane i wulkanizowane na gorąco.

Właściwości:

• Zmieniają się w szerokich granicach w zależności od rodzaju kauczuku, ilości i składu dodatków oraz warunków wulkanizacji:

1. wytrzymałość gumy na rozciąganie 2 do 40 MPa,

2. wydłużenie przy zerwaniu dla kauczuków: 100 do 1000 %

3. twardość gumy: 25 do 95 stopni wg Shore'a (dodatek sadzy zwiększa twardośc gumy)

4. temperatura długotrwałego stosowania: 100 do 210 stopni C

5. odporność na ścieranie (biezniki opon, gumowe uszczelnienia ruchowe) zalezy od rodzaju kauczuku i napełniacza (dodatek krzemionki i sadzy o drobnych cząstkach powoduje wzrost odporności na ścieranie)

6. odporność na odkształcenia trwałe (szczególnie ważne dla uszczelnień gumowych) posiadają kauczuk naturalny i niektóre kauczuki syntetyczne (zawierające sadzę o większych cząstkach).

Oznaczenia podstawowych elastomerów wulkanizujących (kauczuków) - maksymalna temperatura użytkowania:

NR - kauczuk naturalny (100 st.C)

BR - kauczuk butadienowy (100 st.C)

SBR - kauczuk butadienowo-styrenowy (110 st.C)

NBR - kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy (120 st.C.)

EPDM - kauczuk etylenowo-propylenowo-dienowy (140 st.C)

FKM - kauczuk fluorowy (210 st. C.)

CR - kauczuk chloroprenowy (120 st. C)

Zastosowanie:

• do produkcji różnego rodzaju uszczelek i uszczelnień

• do wyrobu różnego rodzaju zderzaków, sprężyn gumowych, amortyzatorów. Do produkcji elastycznych przewodów (węży)

• elementy transmisyjne w przekładniach pasowych,

• opony, dętki itp.

Elastomery termoplastyczne:

Poliuretany (PUR)

• cechą charakterystyczną poliuretanów jest specyficzna segmentowa, blokowa budowa łańcucha

• makrocząsteczki składają się naprzemiennie z segmentów sztywnych i elastycznych (giętkich). Struktura i właściwości PUR zależą od udziału segmentów sztywnych i segmentów giętkich:

1. gdy segmentów sztywnych jest więcej niż 40 % - tworzą one fazę ciągłą czemu towarzyszy zwiększenie twardości polimeru

2. gdy udział segmentów giętkich wynosi 60 - 80 %, wówczas polimer jest elastyczny

Właściwości:

• PUR sztywne wykazują duży moduł sprężystości, wytrzymałość na zginanie i rozciąganie oraz dobrą udarność w szerokim zakresie temperatur

• Odporne na hydrolizę oraz działanie materiałów pędnych

• Wyjątkowa odporność na ścieranie

• Dobre właściwości termoizolacyjne (pianki)

Zastosowanie:

• w przemyśle maszynowym:

- łożyska ślizgowe, koła zębate,

- rolki przenośników,

- pokrycia sit wibracyjnych do rozdziału minerałów (przeciw zużywaniu ściernemu)

• w przemyśle obuwniczym - obuwie sportowe, podeszwy

• w przemyśle meblowym - w formie tworzyw piankowych, elastycznych i sztywnych

DUROPLASTY - polimery chemo- i termoutwardzalne

• mają reaktywne ugrupowania w makrocząsteczce i w obecności czynników sieciujących (utwardzaczy) i/lub temperatury ulegają reakcji chemicznej sieciowania, w wyniku której tworzy się struktura przestrzennie usieciowana

• po takim usieciowaniu (utwardzeniu) duroplasty są nietopliwe i nierozpuszczalne. Ich ponowne przetwarzanie jest niemożliwe

• ogrzewanie duroplastów nie powoduje ich topnienia (tylko nieznacznie miękną), a przekroczenie temperatury dopuszczalnej prowadzi do destrukcji.

ŻYWICE CHEMOUTWARDZALNE

Żywice epoksydowe (EP)

Właściwości:

• doskonała przyczepność do większości materiałów

• duża wytrzymałość mechaniczna ( na ściskanie i rozciąganie)

• bardzo dobra odporność na starzenie (UV, woda, czynniki chemiczne)

• dobre właściwości dielektryczne

• najczęściej stosowane w postaci kompozytów z włóknem szklanym lub węglowym

Zastosowanie:

• kompozycje do gruntowania

• samopoziomujące wylewki posadzkowe

• kleje i powłoki ochronne w różnych gałęziach przemysłu

• w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym jako materiały konstrukcyjne (kompozyty)

• syciwa do laminatów w elektrotechnice i elektronice

• w przemyśle lotniczym - specjalne kompozyty i kleje konstrukcyjne

• kity chemoodporne

• spoiwa dylatacyjne szpachlówki, antykorozyjne chemoodporne lakiery epoksydowe

• kompozycje do wytwarzania posadzek

Nienasycone żywice poliestrowe (UP)

Właściwości:

• bardzo dobre własności mechaniczne i mała gęstość

• odporność na korozję i gnicie

• stosunkowo niska cena

• łatwość formowania dużych wyrobów o skomplikowanych kształtach za pomocą prostego oprzyrządowania

• duża możliwość regulowania właściwości (wg wymagań)

Zastosowanie:

• elementy konstrukcyjne (kadłuby korpusy, osłony)

- w przemyśle maszynowym i motoryzacyjnym

- w przemyśle lotniczym

- artykuły AGD

- wyposażenie łazienek

• w przemyśle okrętowym i szkutnictwie (kadłuby)

ŻYWICE TERMOUTWARDZALNE:

Żywice fenolowo - formaldehydowe PF (fenoplasty) - produkty polimeryzacji stopniowej (polikondensacji) fenolu z formaldehydem dwoma sposobami:

• przez zastosowanie nadmiaru formaldehydu w stosunku do fenolu otrzymując produkt nazywany rezolem

• przez zastosowanie nadmiaru fenolu w stosunku do formaldehydu otrzymując produkt nazywany nowolakiem

Właściwości:

• są stosowane jako spoiwo do:

- laminatów (tworzyw warstwowych)

- tłoczyw ( z napełniaczami proszkowymi)

• z tłoczyw odwzorowuje się dokładne kształty metodami wtrysku lub prasowania

• posiadają brunatno-brązowe zabarwienie

Etapy sieciowania żywic:

Nazwy handlowe:

• płyty warstwowe:

- Rezokart - papierowo-fenolowe

- Rezotekst - tkaninowo-fenolowe

• tłoczywa:

- Polofen - z mączką drzewną, miką

- Modofen - z włóknem szklanym

Zastosowanie:

• w przemyśle motoryzacyjnym do wyrobu okładzin hamulcowych i sprzęgłowych, łożysk ślizgowych

• w przemyśle maszynowym i motoryzacyjnym - korpusy, obudowy i inne elementy konstrukcyjne

• w elektrotechnice - jako izolatory (bezpieczniki, korpusy lamp)

• korpusy pomp wodnych, wirników, obudowy nagrzewnic

Aminoplasty- otrzymuje się je w wyniku polikondensacji formaldehydu z niektórymi związkami typu aminowego

- z melaminą: żywica melaminowa MF

- z mocznikiem: żywica mocznikowa UF

• z żywic aminowych wytwarza się m.in.:

- kleje

- tłoczywa

- laminaty

- spoiwa lakiernicze

-tworzywa porowate

- spoiwa do rdzeni odlewniczych

• do wytwarzania tłoczyw stosuje się takie napełniacze jak:

-włókna szklane

-tkaniny szklane

-bielona celuloza drzewna

• tłoczywa aminowe przetwarza się metodą prasowania tłocznego lub przetłoczonego, a także coraz częściej metodą formowania wtryskowego.

Właściwości:

• doskonałe właściwości elektroizolacyjne, zwłaszcza na działanie łuku elektrycznego i prądów pełzających (w warunkach dużej wilgotności)

• dobra odporność na chemikalia (porównywalna do fenoplastów)

• wytrzymałość mechaniczna tłoczyw szybko, maleje ze wzrostem temperatury (gorące kształtki można uszkodzić przy wyjmowaniu z formy)

• możliwość barwienia na trwałe pastelowe kolory (z zachowaniem przezroczystości lub z efektem krycia) - MF i UP napełnione celulozą

Zastosowanie:

• używane są do wytwarzania lakierów, tłoczyw, laminatów

• jako płyty ozdobne w wagonach kolejowych, w budownictwie, w środkach komunikacji miejskiej, w przemyśle okretowym, itp.

• szerokie zastosowanie tłoczyw w przemyśle elektrotechnicznym

• części urządzeń gospodarstwa domowego

Żywice silikonowe SI

• związki krzemoorganiczne - zawierają w łańcuchu głównym powtarzalne ugrupowanie siloksanowe; w zależności od budowy chemicznej monomerów krzemoorganicznych i warunków reakcji silikony mogą mieć właściwości olejów, polimerów termoutwardzalnych, termoplastycznych lub elastomerów (kauczuków)

Właściwości:

• odporność cieplna w zakresie do 300 st. C (w atmosferze beztlenowej nawet do 500 st.C)

• doskonałe właściwości elektroizolacyjne (do 200 st. C) przy dużej wilgotności oraz dobra odporność chemiczna

• właściwości antyadhezyjne (brak przyczepności lepkich substancji)

• hydrofobowość - właściwości ochronne przed zwilżaniem wodą

• WADA - słaba wytrzymałość mechaniczna, sieciowanie zachodzi podczas kilkugodzinnego ogrzewania w temp. 200 do 300 st.C.

Zastosowanie:

• używane do wytwarzania lakierów, tłoczyw, laminatów i do hydrofobizacji różnych materiałów

• w elektrotechnice - laminaty szkło-silikonowe jako doskonały materiał elektroizolacyjny klasy H. odporne na działanie płomienia (w górnictwie, okrętownictwie)

• tłoczywa silikonowe (głównie z włóknem szklanym ciętym) do produkcji różnych kształtek i detali (wadą jest tu długie wygrzewanie w podwyższonych temperaturach)

PRZETWÓRSTWO TWORZYW SZTUCZNYCH

Jaki jest cel przetwarzania tworzyw sztucznych:

*zapewnienie pożądanych właściwości użytkowych polimerom wyjściowym

*nadawanie polimerom wymaganego kształtu

*uszlachetnienie lub wykończenie wyrobu

Metody przetwórstwa tworzyw polimerowych:

*metody przygotowawcze

• Rozdrabnianie i granulowanie

• Suszenie

• Mieszanie (w stanie sypkim lepkim lub uplastycznionym)

*metody formowania bezpośredniego

• Wytłaczanie

• Kalandrowanie

• Prasowanie

• Wtryskiwanie

• Laminowanie

• Nanoszenie

• Porowanie

*metody formowania pośredniego

• Formowanie próżniowe

• Obróbka mechaniczna

• Łączenie

*metody wykończeniowe

• Wyrównywanie

• Aktywowanie

• Metalizowanie

• Drukowanie

Suszenie- pochłanianie wilgoci przez materiały (surowce) polimerowe.

Suszenie gorących powietrzem

*polega na wykorzystaniu powietrza atmosferycznego, podgrzanego do odpowiedniej temp

*pozwala na usunięcie wilgoci z powierzchni granulatu

*niestety nie jest skuteczna dla usunięcia wilgoci z wnętrza ziaren granulatu

Zalety:

*niski koszt urządzeń

Wady:

*nie dla wszystkich tworzyw metoda ta jest odpowiednia

*znaczny pobór energii związany z koniecznością ogrzania dużych ilości powietrza

*powietrze po przejściu przez komorę suszenia jest wydalane do atmosfery

*ogrzewanie pomieszczenia, w którym ustawione jest suszarka oraz ulatnianie do atmosfery niewielkich ilości monomerów pochodzących z suszonego granulatu

Suszenie suchym powietrzem

*powietrze jest przepuszczane przez komorę zawierającą środek absorbujący wilgoć

*para wodna zamieniona zostanie na mgłę, która absorbowana jest przez środek suszący

Zalety:

*potrzeba znacznie mniejszej ilości powietrza dla wysuszenia 1kg tworzywa niż gorącym powietrzem

*system pracuje w układzie obiegu zamkniętego

*mniejsze zużycie energii

*efekt suszenia jest całkowicie niezależny od warunków klimatycznych

Mieszanie- polega na dokładnym rozprowadzeniu skladnikow w układzie wieloskładnikowym oraz jego ujednorodnieniu (homogenizacji).

Zjawiska zachodzące w procesie mieszania:

*fizyczne

*reakcje chemiczne: sieciowanie, kopolimeryzacja blokowa

Rodzaje mieszania:

• Zewnętrzne ekstensywne -mechaniczne wymieszanie składnikow w postaci proszków

• Wewnętrzne intensywne - rozproszenie dodatków na skutek czego uzyskuje się roztwór, nastepuje zmiana stanu fizycznego składników, co wynika z działania sił ścinających oraz temp.

Wytłaczanie - technologia ciągła wytwarzania wyrobów z tworzyw sztucznych polegająca na uplastycznieniu tworzywa w układzie uplastyczniającym wytłaczarki, a następnie jego ukształtowaniu poprzez wyciskanie przez ustnik znajdujący się w głowicy (kształtowanie z jednoczesnym chłodzeniem)

Wytlaczarki:

-jednoślimakowe

-wieloślimakowe

Wytłaczanie formujące- (proces formowania) stosowane są wytłaczarki jednoślimakowe, ponieważ występują nieduże siły ścinające w układzie uplastyczniającym oraz są tanie.

Wytłaczanie mieszające - stosowane są głownie wytłaczarki wieloślimakowe ponieważ występują duże siły ścinające w układzie uplastyczniającym. Wytłaczarki wieloślimakowe są wykorzystywane tylko w razie potrzeby ponieważ są o wiele droższe (złożoność budowy)

Budowa wytłaczarki:

•układ napędowy (silnik, przekładnie)

•układ uplastyczniający (zasobnik, cylinder, ślimak, grzejniki)

•układ formujący (głowica kształtująca)

•układ sterowania (temperatury, obrotow)

Układ cylinder-ślimak wytłaczarki powinien spełniać cztery podstawowe funkcje:

1. dostarczać do głowicy tworzywo ze stałą prędkością (TRANSPORT),

2. mieszać tworzywo w celu zapewnienia jednorodności jego składu i temperatury

(MESZANIE - HOMOGENIZACJA MATERIAŁOWA I TERMICZNA),

3. ogrzewać tworzywo do stopienia i do wymaganej przez proces temperatury,

4. sprężać tworzywo w celu usunięcia powietrza spomiędzy jego ziaren i wytworzenia

w nim ciśnienia wystarczającego dla pokonania oporów przepływu przez głowicę.

3 strefy geometryczne

długość strefy zasilania - 0.5 - 0.6 L

długość strefy sprężania - 0.2 - 0.25 L

długość strefy dozowania - 0.2 - 0.25 L

Zaleca się ślimaki wyposażone w część mieszającą (na końcu) o długości 2-3D.

R - stopień sprężania (Hz/Hd)

W strefie zasilania tworzywo jest pobierane z leja zasypowego, wstępnie ogrzane, zagęszczone i transportowane dalej w kierunku głowicy. Strefę zasilania stanowi odcinek cylindra wytłaczarki liczony od zasypu do miejsca, w którym zaczynają się pojawiać uplastycznione cząstki tworzywa. 

-długość strefy zasilania ślimaka powinna być tym większa, im wyższa jest temperatura mięknienia tworzywa,

Zdolność transportowania materiału, zależy od:
- objętości kanału między zwojami ślimaka w tej strefie, 
- liczby obrotów, 
- współczynnika zapełnienia kanału, 
- współczynnika tarcia tworzywa o cylinder i ślimak. 

Działanie transportujące zachodzi wskutek występowania sił tarcie tworzywa względem ścian cylindra i ślimaka.

Rowkowany cylinder w strefie zasilania stosowany ponieważ występuje:

• duże natężenie przepływu

• duże ciśnienie

• stała wydajność

Rowkowana strefa zasilania musi być chłodzona!

Wady stref rowkowanych:

*szybkie zużycie tribologiczne

*zastosowanie silniejszego napędu

*zwiększone zużycie energii

*problem z zapewnieniem odpowiedniego uplastycznienia oraz homogenizacji tworzywa ze względu na dużą wydajność procesu (duże natężenie przepływu)

Zagęszczanie jest wynikiem powstawania gradientu ciśnienia w transportowanym tworzywie, zależnego od: 
- współczynnika tarcia tworzywa o cylinder (współczynnik tarcia powinien być możliwie duży ), 
- współczynnika tarcia tworzywa o ślimak (współczynnik tarcia powinien być jak najmniejszy ). 

Dalsze zagęszczanie tworzywa zachodzi w strefie sprężania. Tworzywo przechodzi ze stanu stałego w uplastyczniony. Teoretycznie uplastycznienie tworzywa powinno być zakończone właśnie w tej strefie. Tworzywo opuszczające strefę sprężania powinno być już odgazowane. 

- długość strefy sprężania powinna być tym większa, im większy jest zakres temperatury mięknienia:

• tworzywa amorficzne, jak PS, PC czy PMMA wykazują dość duży zakres

• krystaliczne, jak POM czy PA topią się w zakresie zaledwie kilku stopni, zatem do ich wytłaczania stosuje się ślimaki z krotką (1-2D) strefą sprężania

• dla tworzyw o małej lepkości - ślimaki z krótką strefą sprężania, 

• dla tworzyw o większej lepkości - ślimaki z dłuższą strefą sprężania. 

W strefie dozowania zachodzi ujednorodnienie mechaniczne i termiczne przetwarzanego tworzywa oraz podwyższenie ciśnienia do poziomu potrzebnego do pokonania oporów przepływu przez głowicę. W celu uzyskania możliwie dużego ciśnienia głębokość kanału ślimaka w tej strefie jest na ogół mała.

Wytłaczarki dwuślimakowe można podzielić biorąc pod uwagę różne kryteria. Najważniejszym z nich jest kierunek obrotów ślimaków i pod tym kątem wyróżnia się wytłaczarki:

• współbieżne, w których ślimaki obracają się w tym samym kierunku,

• przeciwbieżne, w których ślimaki obracają się w kierunkach przeciwnych.

• Mniej lub bardziej zazębiające

• Cylindryczne i stożkowe (ze względu na kształt)

Ważną cechą układów współbieżnych jest samooczyszczanie się ślimaków na skutek przeciwnych kierunków ruchu powierzchni obu ślimaków w szczelinach międzyzwojowych. Wytłaczarki współbieżne lepiej mieszają materiał ponieważ występują tutaj większe siły.

Zalety wytłaczarek dwuślimakowych:

• intensywne mieszanie rozdrabniające,

• duże wydajności,

• samooczyszczanie się ślimaków,

• zachowawcze uplastycznianie trudno przetwarzalnych, termicznie wrażliwych tworzyw proszkowych.

Wytłaczarki dwuślimakowe współbieżne:

- pobieranie materiału

- uplastycznianie i homogenizację

- pracujące przy znacznie wyższych prędkościach obrotowych

­- większe generowaniem energii cieplnej wskutek rozpraszania energii mechanicznej

- wymagające dużych nakładów pieniężnych

- zastosowanie w bezpośrednim wytwarzaniu gotowych półwyrobów z tworzyw modyfikowanych i kompozytów polimerowych

- samooczyszczanie się ślimaków na skutek przeciwnych kierunków ruchu powierzchni obu ślimaków w szczelinach międzyzwojowych

Wytłaczarki jednoślimakowe:

- niewielka cene

-zastosowanie głównie w przetwórstwie tworzyw homogenicznych jednego rodzaju

Wytłaczarki dwuślimakowe przeciwbieżne

- na niewielkie prędkości obrotowe ślimaków

- niewielkie siły ścinające występujące w układzie uplastyczniającym

- zastosowanie w przetwórstwie tworzyw o małej stabilności cieplnej, jak kauczuki czy PVC

Wytłaczarki szybkobieżne (wytłaczarki adiabatyczne)

-pracują z dużymi szybkościami obwodowymi, do 1,2 m/s.

-ślimaki są tak skonstruowane że topienie tworzywa następuje wyłącznie za pomocą tarcia (energii ścinania).

-są proste w budowie i nadają się do tworzyw niewrażliwych na działanie wysokiej temperatury, jak np. PE, PS lub PA.

Wytłaczarki planetarne

-dobra homogenizacja, do tworzyw wrażliwych na działanie temperatury, jak PVC.

-kilka ślimaków planetarnych, zazębiających się zarówno ze ślimakiem jak i z cylindrem

-pomiędzy tak skonstruowanymi ślimakami podawany granulat lub proszek rozwalcowuje się cienkowarstwowo.

Wytłaczanie z rozdmuchiwaniem swobodnym

Polega ono na wytłaczaniurury cienkościennej i natychmiastowym jej rozdmuchiwaniu strumieniem powietrza o niedużym ciśnieniu, a następnie wyciągnięciu za pomocą urządzenia odbierającego. W czasie rozdmuchiwania zachodzi przede wszystkim rozciąganie w kierunku obwodowym, natomiast podczas wyciągania - rozciąganie w kierunku osiowym.

Otrzymywana w ten sposób folia jest uważana za niezorientowaną.

Wytłaczanie z rozdmuchiwaniem w formie

1.podawanie węża tworzywa

2.zamknięcie formy i odcięcie węża

3.wprowadzenie trzpienia rozdmuchującego i proces rozmuchiwania

4.otwarcie formy i usunięcie pojemnika

Wytłaczanie monowłókien (przędzy jednowłóknowej)

Włokna pojedyncze (monowłokna) otrzymuje się na płytach wielootworowych.

Wytłacza się najczęściej pionowo w doł, schładza powietrzem, a następnie rozciąga w kilku etapach:

• wstępne rozciąganie pomiędzy wałkami obracającymi się z rożnymi prędkościami,

• rozciąganie wtórne

• kolejne rozciąganie w gorącym powietrzu, włókna zostają utrwalone

Efekt Weissenberga - obserwuje się podczas ruchu obrotowego płynu lepko sprężystego względem nieruchomego elementu mającego kontakt z tym płynem.

Efekt ten jest widoczny podczas ruchu obrotowego mieszadła zanurzonego pionowo w płynie lepko sprężystym.

Wówczas płyn przemieszcza się

• wbrew sile odśrodkowej do osi mieszadła oraz

• wbrew sile ciężkości do góry po mieszadle.

Efekt Barusa polega na tym, że na wylocie kanału następuje nagłe rozszerzenie wypływającego strumienia, czyli przekrój poprzeczny wytłoczyny jest większy od przekroju poprzecznego dyszy wytłaczarskiej (dokonuje się deformacja przekroju). Charakterystyczne dla cieczy lepkosprężystych.

Wtryskiwanie - technologia cykliczna wytwarzania wyrobów z tworzyw sztucznych polegająca na uplastycznieniu materiału wyjściowego (w postaci granulek lub krajanki), podanego z pojemnika do ogrzewanego cylindra tworzywa, a następnie wtryśnięciu tak uplastycznionego materiału przez dyszę i tuleję wtryskową do gniazd formujących, gdzie pod wpływem obniżonej (termoplasty) lub podwyższonej (duroplasty) temperatury tworzywo ulega zestaleniu. Następnie tworzywo usuwane jest z formy w postaci gotowej wypraski, po czym cykl procesu rozpoczyna się od nowa.

Wtryskiwanie - podstawowy proces wytwarzania tworzyw sztucznych gotowych wyrobów o masie od 0,01g do 70kg.

Wyróżniamy 3 układy:

- układ uplastycznienia i wtrysku,

- układ napędu i sterowania,

- układ zamykania (hydrauliczny)

Zespół uplastyczniania i wtryskiwania. Składa się z:

• Dyszy wtryskowych

• Grzania

• Cylindra uplastyczniania

• Ślimaka (lub tłoku)

• Zasobnika z granulatem

Etapy cyklu wtryskowego

1. Zamkniecie formy

2. Dosunięcie cylindra to tulei wtryskowej

3. Wtrysk uplastycznionego tworzywa

4. Doprowadzenie ciśnienia

5. Czas chłodzenia - równocześnie

a) Dozowanie

b) Rozprężenie

c) Wycofanie dyszy

6. Otwarcie formy

7. Ruch wyrzutnika

8. Ruch powrotny wyrzutnika

9. Koniec cyklu

Wtrysk termoplastów

Płynięcie stopionego polimeru ma charakter „fontannowy” . Na ściankach gniazda odkłada

się naskórek zestalonego materiału, a wypełnianie formy następuje poprzez płynny rdzeń o mniejszym przekroju efektywnym. Defekty powierzchni wypraski obserwowane np. przy punkcie wtrysku są skutkiem zastosowania niewłaściwych parametrów w początkowej fazie

wtrysku.

Stopione termoplasty to ciecze pseudoplastyczne - rozrzedzane ścinaniem (rozprostowywanie się łańcuchów polimeru w kierunku naprężeń ścinających)

Wysokie ścinanie powoduje wzrost temperatury stopionego tworzywa.w

Parametry procesu wtrysku

• Ciśnienie wtrysku (ciśnienie zewnętrzne) P_w - największe ciśnienie tworzywa panujące w cylindrze wtryskowym na czole ślimaka lub tłoka podczas wypełniania formy,

• Ciśnienie docisku P_d - ciśnienie tworzywa na czole ślimaka lub tłoka wtryskowego podczas uzupełniania ubytków skurczowych tworzywa w formie.

• Ciśnienie spiętrzania, plastyfikacji (przeciwciśnienie) P_s- ciśnienie tworzywa w przedniej części cylindra podczas pobierania surowca przez obracający się ślimak.

• Temperatura wtrysku T_w - temperatura cylindra niezbędna do właściwego uplastyczniania tworzywa, podawana dla ostatniej (przedniej) strefy cylindra.

• Temperatura formy T_f - średnia temperatura na powierzchni gniazda formy.

• Czas wtrysku t_w - czas wypełniania formy tworzywem, wynikający z prędkości wtrysku.

• Czas docisku t_d - czas trwania ciśnienia docisku.

• Czas chłodzenia t_ch - czas zamknięcia formy do momentu zakończenia wtrysku.

• Czas przerwy t_p - czas obejmujący otwieranie formy, usuwanie wypraski i inne manipulacje, zamykanie formy

• Szybkość wtrysku

Dobór tych parametrów zależy od:

- Kształtu i wielkości wypraski

- Rodzaju i własności użytego tworzywa

- Sprawności pracy wtryskarki

- Konstrukcji formy

Cykl wtryskowy:

t_w + t_d + t_ch + t_m = t_c = 100%,

gdzie:

t_w - czas wtrysku - wypełnianie gniazd formy uplastycznionym tworzywem 3-5%

t_d - czas docisku - uzupełnienie strat skurczowych 10-15%

t_ch - czas chłodzenia - obniżenie temp. wyprasek zapewniającej im dostateczną sztywność 50-70%

t_m - czas maszynowy - otwieranie, zamykanie formy, dosuw i odsuw układu plastyfikacji i wtrysku 12-15%

Etap chłodzenia determinuje długość całego cyklu wtryskowego

Czas chłodzenia jest zależny od:

• grubości wypraski,

• rodzaju tworzywa.

t_chł = k * d² gdzie,

k - współczynnik zależny od rodzaju tworzywa (k = 2 - 4)

d - grubość wypraski [mm]

Ciśnienie wtrysku

p = p_r * d_r² / d², gdzie

p - ciśnienie tworzywa w cylindrze [MPa] (tzw. zewnętrzne, zwykle 100-180 MPa)

pr - ciśnienie oleju w cylindrze hydraulicznym [MPa] (od 10-30 MPa)

dr - średnica tłoka w cylindrze hydrauliczym [mm]

d - średnica ślimaka lub tłoka wtryskowego

Temperatura wtrysku - dla danego tworzywa nie określa się ściśle jednej wartości temp. wtrysku, lecz przedział temperatur powyżej temp. płynięcia i poniżej temp. degradacji.

Temp. wtrysku zależna jest od :

1. Rodzaju przetwarzanego tworzywa

2. Wielkości i kształtu wypraski

3. Temperatury formy

4. Ciśnienia wtrysku

5. Szybkości wtrysku

Formy dzielimy na:
- Jednogniazdowe - jednokrotne
- Wielogniazdowe - wielokrotne

Kanały wtryskowe układu przepływowego formy wtryskowej składają się z:
- kanału przepływowego centralnego, stożkowego, współosiowego z dyszą wtryskarki
- kanału doprowadzającego łączącego kanał przepływowy z gniazdem formy,
- przewężki, stanowiącej ujście kanału doprowadzającego do gniazda formy.

Układy funkcjonalne formy:

- gniazdo/a formujące

- układ wlewowy

- układ chłodzenia

- układ wypychania (wypraski i wlewka)

- elementy prowadzące i ustalające połówki formy,

- napędy płyt i segmentów (jeśli istnieją)

- obudowa.

Odmiany procesu wtryskiwania

• wtrysk z odgazowaniem

Ślimak wtryskowy z odgazowaniem:

- lej zasypowy,

- strefa zasilania,

- strefa sprężania,

- strefa dozowania,

- strefa dekompresji,

- otwór odgazowania,

- II strefa sprężania,

- II strefa dozowania,

- zawór zwrotny

Wtrysk z odgazowaniem

Porównanie zmian odporności cieplnej i zawartości monomeru w funkcji temperatury dla PMMA:

1 - układ standardowy

2 - układ z odgazowaniem

• Wtrysk hybrydowy tzw. obtrysk elementów metalowych, we wtryskiwaniu możliwe jest wzajemne łączenie profili i wykrojów blaszanych w całość, a tworzywo jest tutaj materiałem łączącym.

• Wtryskiwanie z rozdmuchiwaniem w formie - polega na tym, że zaraz po wtryśnięciu część stemplowa formy z niezastygniętym tworzywem zostaje przesunięta do innej formy o kształcie np. butelki, fiolki lub słoika. W wyniku rozdmuchania i ochłodzenia kształt zostaje utrwalony.

• Wtryskiwanie wielokomponentowe - może być prowadzone w różnych wariantach. Wypraska może składać się z różnych tworzyw lub z tych samych tworzyw o różnych kolorach (wtryskiwanie wielokolorowe).

• Wtryskiwanie wspomagane gazem obojętnym- polega na tym, że do niewielkiej porcji tworzywa doprowadzonego do formy zostaje wprowadzony sprężony azot, który ją rozdmuchuje. Ten rodzaj wtryskiwania jest stosowany przy produkcji wyrobów grubościennych lub o bardzo zróżnicowanych grubościach ścianek.

• Wtryskiwanie tworzyw termoutwardzalnych - w czasie nagrzewania których zachodzą dwa przeciwdziałające sobie zjawiska: uplastycznianie i następnie stapianie oraz polimeryzacja, której skutkiem jest utwardzanie tworzywa. Tworzywo w układzie uplastyczniającym ulega niecałkowitemu uplastycznieniu. Utwardzanie tworzywa zachodzi w gnieździe formy, która jest ogrzewana.

Termoformowanie - Technologia cykliczna produkcji trójwymiarowych elementów przez zmianę kształtu półwyrobu, wykonanego z tworzywa termoplastycznego, podgrzanego do stanu wysokiej elastyczności, najczęściej przez skomplikowane rozciąganie utwierdzonego półwyrobu, kosztem jego grubości.

Do termoformowania próżniowego stosuje się materiały termoplastyczne:

• poli(chlorek winylu),

• polistyren,

• polietylen,

• polipropylen,

• poli(metakrylan metylu),

• kopolimery (ABS),

• poliwęglan.

Termoformowanie:

- Tłoczenie stemplem z przeciwzornikiem,

- Formowanie próżniowe negatywowe,

- Formowanie próżniowe wspomagane stemplem,

- Termoformowanie przez naciąganie na wzornik pozytywowy,

- Termoformowanie z kombinowanym wstępnym rozciąganiem,

Zalety procesu termoformowania:

• Mały nakład inwestycyjny w przeliczeniu na jedną sztukę,

• Tanie formy próbne (małe ryzyko przy uruchamianiu nowej produkcji),

• Możliwość otrzymania wyrobów o dużej powierzchni i bardzo cienkich,

• Krótki cykl pracy, duża wydajność,

• Jednorazowe otrzymywanie dużej liczby sztuk (zast. form wielokrotnych),

Wady procesu termoformowania:

• Cena folii i płyt jest ok. 100% wyższa od ceny tworzyw wtryskowych,

• Wypraski wymagają najczęściej dalszej obróbki (wykrawania, obcinania,

wiercenia, polerowania, itp.),

• Duża ilość odpadów powstających przy przycinaniu płyt i oddzielaniu

wyprasek od arkusza,

• Otwory wykonuje się w osobnej operacji,

• Istnieje niebezpieczeństwo pocieniania przy formowaniu negatywowym,

• Niemożliwe jest otrzymanie detali precyzyjnych, o skomplikowanych

kształtach.

Prasowanie - technologia produkcji cyklicznej polegająca na umieszczeniu tworzywa w otwartej przestrzeni kształtującej (gniazdo formy), uplastycznieniu, ukształtowaniu, zestaleniu tworzywa i wyjęciu kształtki.

Metodą prasowania wytwarza się głównie wyroby z tworzyw termoutwardzalnych.

Cykl procesu prasowania:

- wprowadzenie tworzywa do gniazda formującego
- kohezyjne łączenie ziarn lub częściej jego uplastycznianie
- stapianie
- utwardzanie bądź zestalanie
- wyjęcie przedmiotu z gniazda (tzw. wypraskę)

Rozróżnia się trzy podstawowe warianty procesu prasowania:

• tłoczne,

• przetłoczne,

• płytowe.

Prasowanie przetłoczne - różni się od prasowania tłocznego sposobem doprowadzania tłoczywa do gniazda formującego. Prasowanie przetłoczne może być przeprowadzane przy użyciu prasy podwójnego działania:
- pionowej
- poziomej

Podstawową wadą procesu prasowania jest długi cykl procesu. Z tego względu wyroby z tworzyw termoutwardzalnych formowane są coraz częściej metodą wtryskiwania, która pozwala skrócić cykl procesu o ok. 60% w porównaniu z prasowaniem.

Kalandrowanie - formowanie tworzyw termoplastycznych między dwoma lub wieloma walcami w dowolnej długości taśmę.

*polega na uplastycznianiu tworzywa, we wcześniejszym procesie przetwórczym,

* kształtowaniu pod wpływem nacisków wywieranych przez zespoły walców kształtujących zwanych kalandrami.

*Tworzywo uplastycznione wstępnie w walcarce przepuszczane jest jednokrotnie przez kilka szczelin międzywalcowych, w wyniku, czego otrzymuje się odpowiednio szeroką wstęgę, którą odbiera się na bębny chłodzące i zwija na wale odbierającym.

*Produkuje się tak najczęściej folie.

NANOSZENIE POWŁOK Z TWORZYW SZTUCZNYCH

Fazy technologiczne przetwórstwa tworzyw sztucznych

Obróbka wstępna-przygotowanie tworzyw w postaci upłynnionej lub stałej

Obróbka formująca-nanoszenie, formowanie bezciśnieniowe, nawarstwianie,

wyciskanie, prasowanie, wtryskiwanie, walcowanie

Obróbka wykańczająca-obróbka plastyczna (cięcie, kształtowanie), obróbka wiórowa, łączenie (klejenie, zgrzewanie, spawanie), obróbka powierzchniowa, obróbka ulepszająca

Cel nanoszenia powłok z tworzyw sztucznych na metalowe powierzchnie jest uzyskanie;

• własności dielektrycznych

• własności przeciwciernych

• walorów dekoracyjnych

• odporności na czynniki fizyczne i chemiczne, w tym czynniki klimatyczne (np. zabezpieczenia przed korozją

Sposoby nanoszenia powłok z proszkowych tworzyw sztucznych

• Tprzedmiotu > Ttopnienia nanoszonego tworzywa szt.

- napylanie fluidyzacyjne

- napylanie odśrodkowe

- napylanie pneumatyczne

• Tprzedmiotu <= Ttopnienia nanoszonego tworzywa szt.

- napylanie gazowo-płomieniowe

• Tprzedmiotu < T topnienia nanoszonego tworzywa szt.

tworzywo proszkowe naładowane elektrycznie

- napylanie elektrostatyczne

Fluidyzacja - proces wytwarzania zawiesiny drobnych cząstek, np. tworzywa sztucznego, w strumieniu cieczy lub gazu (czynnika fluidyzacyjnego)

Nanoszenie fluidyzacyjne - zanurzanie i wynurzanie nagrzanego podłoża w rozpylonym tworzywie sztucznym, które stapiając się tworzy na podłożu ciągłą powłokę

Typy fluidyzatorów:

*magnetyczne

*gazowy

Parametry wpływające na prawidłowy przebieg fluidyzacji i grubość powłoki

1.Przedmiot powlekany

• rodzaj materiału konstrukcyjnego

• kształt przedmiotu

• stan powierzchni

• ciepło właściwe

• pojemność cieplna

• własności wpływające

na przyczepność właściwą

2.Porowate dno fluidyzatora

• średnica porów

• rozmieszczenie porów

• gładkość ścian kanalików

3.Tworzywo powłokowe

• rodzaj tworzywa

• wielkość i rodzaj ziaren

• ciężar właściwy tworzywa

• ciepło właściwe

• temperatura topnienia

• ciepło topnienia

• przewodność cieplna

• lepkość w stanie stopionym

4.Gaz fluidyzacyjny

• rodzaj gazu

• prędkość przepływu (ciśnienie)

• temperatura

• wilgotność

Zakłócenia fluidyzacji

a) oddzielenie się ziaren o znacznie zróżnicowanym ciężarze

b) powstanie pęcherzy w złożu

c) rozwarstwienie złoża

d) tzw. „kanałowanie” złoża

REALIZACJA PRZEMYSŁOWA

Zastosowania przemysłowe metody fluidyzacyjnej

- powlekanie:

• wyrobów z drutu i cienkiej bednarki

• osprzętu i urządzeń wodociągowych

• osprzętu elektrotechnicznego

• sprzętu medycznego

• sprzętu laboratoryjnego

• urządzeń przemysłowych, np. wirników wentylatorów

• wyposażenia zakładów galwanizerskich

• osprzętu samochodowego

• osprzętu obrabiarkowego

• innych produktów (zabawek, odznak, tabliczek firmowych, uchwytów narzędzi)

---