Tworzywa polimerowe

Polimer - czysty związek chemiczny powstały w wyniku reakcji syntezy merów. Łatwo ulega destrukcji, dlatego dodaje się materiały konstrukcyjne (stabilizatory, antyutleniacze, plastyfikatory, napełniacze, itp.).

Budowa polimerów

Większość cząstek wielocząsteczkowych zbudowana jest z wielkiej liczby powtarzających się i połączonych między sobą identycznych elementów podstawowych, nazywanych merami. Dlatego związki wielocząsteczkowe nazywamy polimerami (poli- wiele).

Podstawowe struktury polimerów:- liniowa - rozgałęziona - usieciowana

Postacie handlowe tworzyw:

- żywice techniczne -granulaty - folie - laminaty - tłoczywa - półfabrykaty z tworzyw sztucznych

Podział tworzyw sztucznych ze względu na właściwości reologiczne

Tworzywa sztuczne dzielą się na: elastomery i plastomery. Elastomery dzielą się na wulkanizujące i nie-. Plastomery dzielą się na: termoplasty i duroplasty. Termoplasty dzielą się na: krystaliczne i amorficzne. Duroplasty dzielą się na: termoutwardzalne i chemoutwardzalne.

Tworzywa termoplastyczne - materiały liniowe lub liniowe rozgałęzione. Przetwarzane w formie stopionej, a formowane w niskich temperaturach (zimna forma) w formie stałej. Mogą być krystaliczne lub amorficzne.

T formy < T krystalizacji (3-90 C*)

Tworzywa termoutwardzalne - są usieciowane, a więc są nietopliwe i nierozpuszczalne. Formuje się je w gorącej formie. Pęcznieją pod działaniem rozpuszczalników. Np. klocki hamulcowe, tarcze sprzęgłowa.

STANY FAZOWE POLIMERÓW

1.Podstawowe stany - szklisty, wysokoelastyczny, lepko płynny

Każdy polimer może występować w każdym ze stanów

POLIMER

WODA

Polidyspersja - rozklad ciężarów cząsteczkowych. [wiele rozkładów (krzywa Gaussa)]

Stan szklisty - polimer sztywny i kruchy, pęka w sposób kruchy, nie jest odporny na odkształcenia, posiada wysoki moduł sprężystości E.

Przechłodzenie - różnica dla polimerów między temperaturą topnienia i krystalizacji

Przykładowe temperatury zeszklenia

Polimer	PE	PP	PET	PVC	PS	ABS	SAN	PMMA	PC
Tz [C]	-110	-10	75	80	95	100	106	105	130

Stan wysokoplastyczny; Polimer posiada:

- niższy moduł sprężystości w porównaniu ze stanem szklistym

- niższa twardość

- rośnie wydłużenie przy zerwaniu, granica plastyczności

- maleje kruchość - wzrost udarności

Przykładowe temperatury topnienia polimerów krystalicznych

Polimer	LDPE	HDPE	UHMWPE	PP alfa	PP beta	PET	PA6	PBT
T [C]	105-110	130-135	135-138	167	158	220-225	220	225

Stan lepko płynny

Przejście w stan cieczy o właściwościach lepkich i sprężystych

Reologia - nauka o płynięciu

Efekt Barrusa - efekt rozszerzenia strugi, czyli średnicy materiału wypływającego jest większa, niż średnica polimeru wypływającej z kapilary. Właściwości reologiczne są funkcją czasu. Im krótsza kapilara, tym większy efekt.

WTRYSKIWANIE

Wtryskiwanie

-cykliczny proces formowania wyrobów termoplastycznych i termoutwardzalnych

-70-80% ceny to koszty materiału

-materiał jest przetwarzany z postaci granulatu bądź proszku, podawany z podajnika do układu uplastyczniającego a następnie wtryskiwany do form. W gniazdach zachodzi formowanie, zestalenie tworzywa a następnie usuniecie z formy materiału w postaci wypraski (forma jest odp. chłodzona). Formowanie termoplastycznych i termoutwardzalnych(odp. Wysoka temp formy- by zachodził proces sieciowania)

Przykłady produktów otrzymywanych przez wtrysk: zderzaki samochodowe, deski rozdzielcze, roboty kuchenne, obudowy, odkurzacz, TV, akumulatory, wentylator, buty narciarskie, krzesła i stoły ogrodowe, przemysł medyczny, wtyczki kabli, gniazdka, przełączniki.

Przykłady produktów otrzymywanych przez wtrysk precyzyjny: elementy zegarków, LEGO, zabawki, CD DVD

Wtrysk reaktywny (RIM) - wprowadzenie monomeru, formowanie wyrobu i polimeryzacja, wtrysk dużych powierzchni wyrobów o małej grubości- proces trudny do opanowania

Przykładowe oznaczenie wtryskarki 2200/1200

2200- siła zamykania i zwarcia formy

1200-objetość maksymalna wtrysku przy jednym skoku ślimaka wyrażona w gramach

Budowa wtryskarki

-zespół regulacji i sterowania

-agregat wtryskowy, pobieranie tworzywa, uplastycznienie i ujednorodnienie, wtryśnięcie do formy

-forma; płyta stała i płyta ruchoma

-zespół zamykania i otwierania formy (mocowanie formy, zamykanie i otwieranie, blokowanie formy w chwili wtrysku, usuwanie wypraski)

Wielkości charakteryzujące wtryskarkę

1. siła zamykania i otwierania formy wyrażona w kN- charakteryzuje układ zamykania.

F>S*p*nf F-siła, S-powierzchnia rzutu wypraski do kierunku wtrysku, ciśnienie wewnętrzne panujące w formie w trakcie wtrysku, nf- krotność ze względu na siłę zamykania

2. objętość wtrysku V [cm^3] charakteryzuje układ uplastyczniająco-wtryskowy ; krotność fomy mówi ile wyrobu można wtrysnąć na raz.

Vwtr > (Vwypr + Vkan) * nv Vwtr-objętość wtrysku, Vwypr- V wypraski, Vkan- kanałów doprowadzających, nv- krotność za względu na objętości

PARAMETRY WTRYSKIWANIA

Temperatura wtrysku (tworzywa wtryskiwanego do formy) jest to najwyższa temperatura nagrzania tworzywa podczas cyklu wtryskiwania. Dla poszczególnych rodzajów tworzyw podaje się pewien zakres temperatur wtrysku, ograniczony od dołu temperaturą płynięcia, a od góry temperaturą rozkładu tworzywa. Im zakres ten jest węższy tym trudniej tworzywo wtryskiwać.

Temperatura formy (temperatura ścianki formy) to temperatura panująca w formie w chwili wtryskiwania tworzywa, wpływa na jakość powierzchni, wielkość naprężeń wewnętrznych, skurcz tworzywa i zawartość fazy krystalicznej.

Ciśnienie zewnętrzne (wtrysk=>docisk=>uplastycznienie) to ciśnienie, jakie panuje na czole ślimaka w trakcie wtryskiwania. Dolna granica stosowanych ciśnień określa możliwość całkowitego wypełnienia formy,
a górna przywierania wypraski do formy.

Ciśnienie wewnętrzne - panuje w gnieździe formy w czasie wtrysku (stanowi 25 do 75% ciśnienia zewnętrznego)

Przebieg ciśnienia w fomie:

-wtrysk (0,5-1s)

-docisk(>1s)

-uplastycznienie

Czas cyklu jest sumą czasów trwania poszczególnych faz procesu wtryskiwania. Decyduje
o wydajności procesu, dlatego dąży się do skrócenia czasów chłodzenia i uplastyczniania.

Cykl wtrysku: zamknięcie formy, dosunięcie układu wtryskowego, wtrysk, docisk, uplastycznienie, wycofanie układu uplastyczniania, chłodzenie wypraski, otwarcie formy i usunięcie wypraski, czas przerwy.

Czas chłodzenia

h-max grubość wypraski

Tmat- temp materiału

Todf- temp odformowania

Tf-temp formy

a- przewodnictwo temp a=λ/Cp*p

Forma wtryskowa składa się z zasady z dwóch zespołów: zespołu mocowanego do ruchomego stołu wtryskarki oraz części nieruchomej, z którą współpracuje ślimak. W każdej formie wtryskowej wyodrębnić można: gniazdo formujące, układ wlewowy, układ regulacji temperatury, układ wypychania wyprasek i wlewka, obudowę oraz elementy ustalające i prowadzące.

Architektura formy:

1.krotność ze względu na siłę zamykania i objętość wtrysku

2.ułożenie wyprasek w formie - długość kanałów, przewężenia

3.powierzchnie podziału - problem odformowania

Polietylen (PE) -[CH2 - CH2]n-

- zdolność do krystalizacji; gęstość < 1; LDPE - małej gęstości, LLDPE, MDPE, HDPE, UHMWPE; krystalizujący: Tk = 97-120C; Tm = 107-135C; bardzo dobra odporność na działanie czynników chemicznych; Tg = -110C

Przetwórstwo: Wytłaczanie, wytłaczanie z rozdmuchiwaniem, wtryskiwanie, prasowanie, nakładanie powłok, formowanie rotacyjne.

Wyroby: zabawki, folie, rury wodociągowe, rury gazowe, izolacje do kabli.

Polipropylen (PP) -[CH2 - CHCH3]n-

- gęstość < 1; iPP, sPP, aPP; Tk = 125-130C; Tm = 167C (PP alfa), 156C (PP beta); bardzo dobra odporność na działanie czynników chemicznych; dobre właściwości mechaniczne; łatwość modyfikacji strukturalnej (heterogeniczna nukleacja) oraz dodatkami; Tg = -10C

Przetwórstwo: Wtryskiwanie , wytłaczanie, formowanie rotacyjne, formowanie próżniowe, prasowanie.

Wyroby: taśmy, kaski, zderzaki, miski.

Poliamid 6 (PA6) -[-NH(CH2)5CO-]-n

-gęstość: 1,01 (PA12) do 1,12(PA6); Tm=180 C (PA12) do 255 C (PA66); PA6=-220 C;

Wada PA6: chłonność wody (zmiana właściwości)

Przetwórstwo: wtryskiwanie, wytłaczanie, nakładanie powłok

Wyroby: koła zębate, elementy konstrukcyjne, węże; elementy samochodowe, cierne, elektryczne; nylon, kołpaki, koła obrotowe, mechanizmy napędowe

Policzterofluoroetylen (PTFE) -[CF2-CF2]-

-gęstość 2.15 - 2.20; Tm=327 C; doskonała odporność chemiczna; b. dobre właściwości cierne (niski współczynnik tarcia)

Wada: drogi. Trudny w przetwórstwie z powodu długich łańcuchów; łatwo ulega pełzaniu

Przetwórstwo: wytłaczanie, prasowanie za spiekaniem, nakładanie powłok

Wyroby: taśmy izolacyjne, folie, powłoki na patelnie

Polioksymetylen (POM) -[CH2-O]-n

-gęstość 1.42; Tg=-73 C, temperatura stosowania do 140 C; b. wysoka stabilność wymiarowa; odporność na zmęczenie, ścieranie; dobre właściwości ślizgowe; doskonały materiał do obróbki skrawaniem

Przetwórstwo: wtryskiwanie

Wyroby: elementy mechaniczne, małe kółka

POLIMERY BEZPOSTACIOWE

Polistyren (PS)

-bezbarwny, przeźroczysty; gęstość 1,05 g/cm3; Tg=100 C

Zastosowanie: rury kwasoodporne, galanteria, styropian, opakowania, zabawki, manipulatory, części samochodowe

Przetwórstwo: wtryskiwanie, wytłaczanie, formowanie próżniowe

Wyroby :opakowanie, łyżki, łyżeczki, noże, styropian

polimetakrylan metylu (PMMA)

-gęstość 1,18; bezbarwny; przeźroczysty; Tg=105 C; wysoka przeźroczystość; łatwość w obróbce; max. Temp. Użytkowania 70 C; dobra odporność na działanie promieni UV; wysoka odporność na działanie substancji nieorganicznych; kwasoodpornych; soli

Zastosowanie: urządzenia sanitarne, soczewki

Przetwórstwo: wtryskiwanie

Wyroby: szkła kontaktowe, soczewki, okulary, urządzenia sanitarne

Poliwęglan (PC)

- gęstość 1.20 g/cm³; zakres stosowania od -150 °C do +135°C; temperatura topnienia ok Tm=220 - 230 C; temperatura zeszklenia ok. Tg=150 °C; współczynnik załamania światła = 1.585 ± 0.001; przenikalność światła ok. 90% ± 1%; b. dobre właściwości optyczne i mechaniczne; bezbarwny; przeźroczysty [Poliwęglany są termoplastycznymi (formowanymi przez wtrysk i wytłaczanie na gorąco) tworzywami sztucznymi o bardzo dobrych własnościach mechanicznych, szczególnie udarności i dużej przezroczystości. Własności poliwęglanów są podobne nieco do pleksiglasu, ale poliwęglan jest dużo bardziej wytrzymały mechanicznie i jednocześnie droższy. Jego twardość i odporność na ściskanie jest zbliżona do aluminium].

Przetwórstwo: wtryskiwanie, wytłaczanie

Wyroby: kaski, gogle, płyty, walizki, elektronika, szklanki

Polichlorek winylu (PVC) -[CH₂-CHCl]-n

- Temperatura mięknięcia Tm=80°C; Temperatura degradacji Tg=180°C; b. dobra odporność na działanie zmiennych warunków atmosferycznych; możliwość szerokiej modyfikacji na drodze plastyfikacji

Przetwórstwo: wtryskiwanie, wytłaczanie, kalandrowanie, f. próżniowe, nakładanie powłok, f. rotacyjne

Wyroby: izolacje, rury, elementy samochodowe

Zastosowanie:- w budownictwie: do produkcji wykładzin podłogowych, stolarki okiennej i drzwiowej, akcesoriów (w postaci różnych listew wykończeniowych), rur i kształtek do wykonywania instalacji w budynkach, jako elewacja (siding) itp.

- w medycynie: dreny, sondy, cewniki, strzykawki

- w energetyce: materiał elektroizolacyjny

- do wyrobu opakowań (głównie przezroczystych) do cieczy i proszków używanych w gospodarstwie domowym i kosmetyce

- jako igelit, stosowany do pokrywania nawierzchni skoczni narciarskich, stoków zjazdowych, peronów kolejek linowych i wyciągów narciarskich

- w sporcie: do pokrywania boisk piłki siatkowej, koszykowej, ręcznej, halowej piłki nożnej

Politereftalan etylenu (PET)

- poliester kwasu tereftalowego i glikolu etylenowego; bezbarwny i przezroczysty, polimer bezpostaciowy; krystalizujący; mleczne jako polimer krystalizujący; Tg = 105C; właściwości dielektryczne i wytrzymałościowe; odporność na starzenie i działanie światła, na rozcieńczone kwasy i zasady, oleje i tłuszcze; doskonały recykling; dopuszczalny do kontaktu z żywnością

Przetwórstwo: wytłaczanie, wtryskiwanie, f. próżniowe, wtryskiwanie z rozdmuchem

Wyroby: butelki, polary, elementy części maszyn, folie, dywaniki samochodowe

ZALETY POLIMERÓW W POROWNANIU DO METALI

1) niski ciężar właściwy (ok. 0,9-1,3) (3x mniejszy od aluminium; 5x mniejszy od stali)

-PE - PP nie toną w wodzie

2)Zaleta: np.

1. płyta CD 200 - 500 rpm - łatwość rozpędzania i hamowania

2. bardzo niski ciężar opakowań

3. dobry stosunek: wytrzymałość/ciężar właściwy

- niskie temperatury przetwórstwa (od 23 - 250 C [rzadko 400 C] ).

- oszczędności energetyczne przetwórstwa, nawet bardzo skomplikowanych wyrobów ( stal ok. 1400C)

- stosunkowo niskie koszty wytwarzania produktów (wtryskiwanie, wytłaczanie)

3)łatwość modyfikacji

1. łatwość barwienia w masie

2. modyfikacja na drodze wprowadzania dodatków (właściwości mechanicznych, elektrycznych, cieplnych, ciernych, optycznych)

3. modyfikacja gęstości - tworzenie pianek o gęstości rzędu 1/100

4)niskie wartości przewodnictwa cieplnego i elektrycznego

1. izolacje elektryczne - AGD, RTV, elektronika

2. izolacje cieplne - pianki, AGD, chłodnictwo, osprzęt samochodowy, lotniczy

5)odporność na oddziaływanie odczynników chemicznych

1. znaczna odporność na szereg odczynników chemicznych

2. odporność na korozję

3. rozpuszczalniki - o podobnej budowie chemicznej do polimeru

6)przepuszczalność gazów - dyfuzja:

Dyfuzja gazów szczególnie polimerów o małej gęstości (PE) - wada lub zaleta - membrany do odsalania wody morskiej, opakowania „oddychające”, folie oddychające - przepuszczające ciecze i gazy.

7)łatwiejszy recykling i możliwość odzysku

1. recykling materiałowy (tworzywa termoplastyczne) np. PET, PE, PS

2. recykling surowcowy ( monomery )

3. odzysk energetyczny - wady, zalety i ograniczenia ( energia cieplna i elektryczna)

8)specyficzne właściwości tworzyw polimerowych

1. dobra udarność przy dobrych właściwościach optycznych - oświetlenie samochodów

2. łatwość kształtowania

3. łatwość zdobienia

4. proste techniki łączenia elementów

5. możliwość obróbki mechanicznej

6. możliwość poprawy odporności cieplnej ( sieciowanie radiacyjne) np. rury

WADY POLIMERÓW W POROWNANIU DO METALI

- niska dopuszczalna temperatura użytkowania

- stosunkowo niska sztywność

- uleganie, w miarę upływu czasu, procesowi starzenia

---