Tworzywa termoplastyczne

Materiały inżynierskie :

-metale i ich stopy

-materiały ceramiczne i szkła

-polimery (tw. sztuczne) i kompozyty

Zalety :

-dobra odporność na korozję

-estetyczny wygląd

-małą gęstość

-dobra ciągliwość, termalność, łatwość nadawania skomplikowanych kształtów

-mały współczynnik tarcia

-odporność na obciążenia dynamiczne

Wady :

-mała sztywność (50x mniejsza niż metal)

-niska temp. Topnienia

-duże odkształcenia sprężyste

-pełzanie w temp. Otoczenia

-słaba odporność na starzenie

-właściwości zmieniają się z temp.

Polimer - są to związki wielocząsteczkowe zawierające w swojej budowie powtarzające się elementy składowe zwane merami, które tworzą długie łańcuchy. To zw. o ciężarze od 10000.

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

Mer - najmniejszy powtarzający się fragment polimeru.

Oligomery - to związki o ciężarze cząsteczkowym do 10000

Polidyspersja-(niejednorodność ciężaru cząsteczkowego) struktura makrocząsteczki polimeru.

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

Polimery stereorepularne - w zależności od przestrzennego rozmieszczenia podstawnika pł. łańcucha mogą mieć budowę izotaktyczną, syndiotaktyczną, ataktyczne

P.izotaktyczny - wszystkie podstawniki z jednej strony pł. łańcucha

P. syndiotaktyczny - podstawniki na przemian z jednej i drugiej strony płaszczyzny łańcucha.

Może zaistnieć sytuacja że powstanie polimer nasycony (zawiera podwójne wiązanie C = C)

Podstawnik - grupa R

Istnienie wiązań podwójnych w łańcuchach umożliwia powstanie łańcuchów rozgałęzionych. W dodatku staje się możliwe łączenie się ze sobą łańcuchów. Polimer powstaje z monomeru. Monomer musi mieć funkcyjność >2. Funkcyjność - grupy aktywne biorące udział w reakcji. Polimer zbudowany z 1 rodzaju merów nazywamy - monopolimerem Polimer zbudowany z 2 różnych merów nazywamy - kopolimerem Kopolimer w którego skład wchodzą 3 różne mery - treropolimerem Jeżeli ciężar cząsteczkowy jest duży to produkt jest twardy, odporny.

Reakcje otrzymywania polimerów:

-polimeryzacja

-polikondensacja

-poliaddycja

-modyfikacje polimerów naturalnych, syntetycznych.

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

Cel dodawania środków pomocniczych (dodatki):

-poprawiają odporność cieplną, termiczna i mechaniczną

-ułatwiają przetwórstwo,

-nadają estetyczny wygląd

-zmieniają palność

-poprawiają odporność starzeniową (temperaturową, na światło)

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

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

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

Napełniacze:

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

-aktywne - zmieniają własności mechaniczne

Wady stosowania napełniaczy:

-chłonność wody (proszkowe)

- zniszczenia elementów

-niejednorodność materiału

-wzrost lepkości

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

Podział:

-I-rzędowe- całkowita mieszalność z polimerem

-II-rzędowe- mieszają się z polimerem, tylko w ściśle określonym stosunku

-rozcieńczalniki - brak mieszalności z polimerem.

Często stosuje się kombinację tych trzech. Można je również podzielić na małocząsteczkowe (estry kwasu ftalowego, estry kw. adypihowego i stearynowego, poksydowe, epoksydowe) oraz wielocząsteczkowe (poliestry kw. adypikowego oraz sebacynowego.

Zmiękczacze powinny być bezbarwne, bezsmakowe, bezzapachowe, charakteryzować się powinny własnościami pokrewnymi z matrycą polimerową.

Wypacanie- źle dobrany zmiękczacz.

Do domieszek gumowych dodaje się polichlorki winylu.

Stabilizatory-W celu zapobieżenia destrukcji i degradacji polimerów.

Podział:

1).termiczne( organiczne sole boru, kadmu, wapnia, cynku, zw. ołowiu, zw. cynoorganiczne)

2).świetlne - antyutleniacze i absorbery promieni ultrafioletowych.

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

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

Środki antystatyczne-ograniczają lub wyeliminowują efekt elektryzowania. Antystatyki mogą być stosowane zewnętrznie (powierzchniowo) i wewnętrznie (do masy). Należą do nich dobre przewodniki elektryczne (grafit, sadza, proszek metalowy, politlenki, glikole, aminy, amidy i organiczne fosforany).

Środki tiksotropujące- wprowadza się jej w celu otrzymywania nienasyconych poliestrów. Żywice w stanie spoczynku wykazują większą lepkość. Nie będzie spływała w stanie pionowym np. : krzemionka, talk, szkło mielone i bardzo drobno rozprosz kowane PE, PI, PCV.

Antypireny- ograniczają palność. Mogą być dodawane do masy tworzywa lub wbudowywane w łańcuch polimerowy (w drodze syntezy) np.: chlorowce i chlorowane fenole. Wydzielają gaz nie palny odcinający dopływ tlenu.

Środki spieniające- stosowane są w celu otrzymania struktury piaskowej.

Podział:

1). chemiczne- zw. organiczne i nieorganiczne wydzielające się pod wpływem podwyższonej temp. , rozkładają się, wydziela się gaz.

2). fizyczne- lotne ciecze organiczne, sprężony azot.

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

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

2). rozpuszczalne barwniki organiczne.

3). środki rozjaśniające.

Ciężar cząsteczkowy wpływa na: -rozpuszczalność; temp. topnienia; odporność termiczną, chemiczną; -na lepkość polimeru lub roztworu polimerów; -łatwość formowania błon, włókien.

Tworzywa o małej wartości lepkości są stosowane w procesach nanoszenia, a o dużej do wytłaczania.

Do wtrysku stosuje się polimery o małym stopniu rozrzutu (polidyspersji), zaś do wytłaczania o dużym rozrzucie.

n CH₂ = CH₂ → [ - CH₂ - CH₂ - ] _n

chlorek winylu - głowa do ogona

poli(chlorek winylu) PVC lub PCV - głowa do głowy.

Tworzywa sztuczne dzielimy na tworzywa :

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

-folie

-met. adhezyjne, czyli kleje

-powłokowe - farby i lakiery

-mat. Włóknotwórcze

-porowate

-specjalne

Otrzymywanie tworzyw sztucznych

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

-ropa naftowa

-węgiel kamienny

-gaz ziemny

Klasyfikacja tworzyw sztucznych

Klasyfikacja tworzyw sztucznych

1. w zależności od reakcji otrzymywania :

- modyfikacja polimerowych substancji naturalnych (pochodne celulozy czy kauczuku)

- syntetyczne połączenie zw. wielocząsteczkowych w reakcji:- polimeryzacji : rodnikowa (polimetakrylan metylu),anionowa(poliamidy), kationowa(PVC) - polikondensacji: (żywice fenolowe, fenoplasty, aminoplasty)

- poliaddycji : (epolisydy, poliuretany)

2. w zależności od budowy chemicznej łańcucha

- o ładunku węglowym (polietylen, teflon)

- o łańcuchu z heteroatomami (poliestry, poliamidy, polisiarczki)

3. według właściwości reologicznych (zależność naprężeń od odkształcenia)

- elastomery - podczas próby rozciągania wykazują wydłużenie >100% (kauczuk)

- plastomery - w czasie rozciągania wydłużenie nie przekracza kilku %, najpierw odkształcają się plastycznie potem ulegają zniszczeniu. Dzielą się na termoplasty i duroplasty

4. ze względu na budowę strukturalną:

- P.liniowe (poliamidy)

- P.rozgałęzione (polietylen)

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

Polikondensacja - łączenie się wielu cząstek substancji z jednoczesnym wydzieleniem prostego związku małocząsteczkowego jako ubocznego produktu, np. amoniaku. Skład chem. polimeru otrzymanego nie jest identyczny co skład substancji wejściowych.

Poliaddycja - podobnie co polikondensacja przebiega stopniowo ale nie jest procesem odwracalnym i nie następuje wydzielanie produktów ubocznych. Otrzymane polimery maja taki skład chemiczny co monomery ale mają inną budowę. Otrzymuje się tak PUR, EP, UP

Elastomery - wykazują w temp. pokojowej odkształcenia elastyczne, już przy małych naprężeniach wykazują wydłużenie powyżej 100% T₂ (temperatura zeszklenia) jest niższa od temp. pokojowej ( kauczuki naturalne, syntetyczne, elastomery, termoplasty )

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

Termoplasty - podczas ogrzewania każdorazowo przechodzą w stan plastyczny, po ostygnięciu twardnieją, mogą być wielokrotnie formowane, topliwe, rozpuszczalne.

Termoplasty

bezpostaciowe semikrystaliczne ( krystaliczne)

- polichlorek winylu PVC - polietylen PE

- polistyren PS - polipropylen PP

- polimetakrylan metylu PMMA - poliamidy PA

- poliwęglan PC - poli ( teraftalon etylenu) PET

- polisulfony - poliksymetylen POM

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

Duroplasty - mają reaktywne ugrupowania w makrocząsteczkach i w obecności czynników sieciujących (utwardzanych) lub temp. ulegają reakcji sieciowania, tworzy się struktura przestrzennie usieciowana. Stają się nietopliwe i nierozpuszczalne, mogą być kształtowane tylko raz.

Duroplasty

termoutwardzalne chemoutwardzalne

- żywice fenolowo - fermaldehydowe - żywice epoksydowe EP

PF - nienasycone żywice żywice mocznikowe VF poliestrowe UP

- silikony SI

- poliuretany PUR

Metody przetwórstwa tworzyw sztucznych :

Celem przetwórstwa jest nadanie polimerom odpowiedniej postaci użytkowej, czyli wytworzenie wyrobu, który będzie wykorzystywany w odpowiednich warunkach.

Formowanie tworzyw termoplastycznych polega na ogrzewaniu tworzywa do stanu plastycznego, nadania mu kształtu w tym stanie i ochłodzeniu w celu otrzymania żądanego kształtu.

Wyróżniamy metody przetwórstwa:

-walcowanie i kalandrowanie

-wytłaczanie

-formowanie wtryskowe

-prasowanie

-formowanie z roztworów i past

-powlekanie

-natryskiwanie

-maczanie

W przetwórstwie wyróżniamy 2 etapy przetwórstwa

-mieszanie ( polega na mieszaniu jednego polimeru z drugim albo polimeru z środkiem pomocniczym)

-nadanie formy odpowiedniego kształtu

- formowanie wyrobu

- mieszanie - ciecz -ciecz- proces homogenizacji (ujednorodnienie mieszaniny)

- mieszanie - ciecz - sub. stała - proces dysperowania (polega na równomiernym rozprowadzeniu na matrycy)

Techniki mieszania:

- m. Zewnętrzna (ekstensywne) - polega na mechanicznym wymieszaniu składników stosujemy: taśmowe, bębnowe

- m. Wewnętrzna - (intensywna) - polega na rozproszeniu (zmianę stanu składników w postaci roztworu w stanie stopionym wysoko elastycznym stosujemy: walcarki ślimaki i mieszadła

Najczęstszą formą przetwórstwa termoplastycznego jest wtrysk i wytłaczanie duroplastów: prasowanie, nawijanie równomierne, wtryskiwanie.

Formowanie wtryskowe (termoplasty i termoplasty wzmocnione)

Dokonuje się na wtryskarkach, jest to metoda cykliczna i polega na przeprowadzeniu polimeru w stan upłynniony. Odbywa się w układzie uplastyczniającym wtryskarki a następnie wtryśnięcie polimeru uplastycznionego do formy. Po zestaleniu polimeru uzyskuje się odpowiedni kształt.

Wtryskarka składa się z 3 układów:

1.Układ uplastyczniający: ogromny cylinder, ślimak i tłok

2.Układ narzędziowy tj. forma dwudzielna , posiadająca 1 lub wiele gniazd, układ napędzający

Parametry charakterystyczne przy formowaniu.

-temp. wtrysku charakterystyczna dla danego tworzywa

-ciśnienie wtrysku

-szybkość wtrysku (5-30s)

-temp. formy

Metoda wtrysku

M. wtrysku uzyskujemy różne kształty, elementy cienkościenne, wyroby wielokolorowe, elementy z różnego rodzaju zaprasek.

Metoda wytłaczana:

Ciągła metoda formowania różnych kształtów z polimeru termoplastycznego. Polega na przepychaniu płynnego tworzywa przez profilowane odpowiednio dysze. Na końcu jest chłodzony np. wodą. Najważniejszą cechą wytłaczania jest możliwość uzyskania dowolnej długości elementu.

Kalandrowanie (układ wielowalcowy) - tą metodą otrzymuje się cienkie folie, które są jednocześnie orientowane.

Metoda odlewania odśrodkowego:

M wtrysku reaktywnego (RIM) w sposób ciągły dozujemy substraty do formy, gdzie dochodzi do reakcji, uzyskujemy gotowy wyrób. Wyrób stosujemy do przetwarzania poliamidów, polistyrenu, głównie polimetakrylanu.

Polimery pod wpływem różnych czynników fizycznych ( ciepła, światła ) i chemicznych (tlen, ozon) ulegają procesom

1.degradacji ( zmniejszenie ciężaru cząsteczkowego polimeru i rozerwanie wiązań kowalencyjnych )

- deg statystyczna - powstaje mieszanina fragmentów łańcucha o różnych ciężarach cząst.

- depolimeryzacja - powstaje monomer

2. destrukcji - zmienia się skład chemiczny

Struktura polimerów

1.bezpostaciowe - zwane również amorficznymi, odznaczają się całkiem nieuporządkowanym złożeniem makrocząsteczek, podczas ogrzewania miękną. Makrocząsteczki są splątane, są najczęściej przezroczyste.

2.krystaliczne - są całkowicie skrystalizowane, tworzą one układ dwufazowy, w którym obok obszarów krystalicznych charakteryzujących się uporządkowaniem makrocząsteczek występują również obszary bezpostaciowe. Strukturę tę można określić jako częściowo krystaliczne ( semikrystaliczne - o małym udziale fazy krystalicznej ). St. krystalizacji wynosi 10-90 %

Stany fizyczne polimerów

Polimery bezpostaciowe mogą występować w 3 podstawowych stanach fizycznych w zależności od temperatury:

Stan szklisty - poniżej temp. zeszklenia T_g wykazują właściwości charakterystyczne dla kruchych ciał lub szkła.

Stan szklisty z wymuszoną elastycznością- duża wytrzymałość i moduł, występują odkształcenia 20% na skutek przemieszczenia łańcuchów makrocząsteczkowych charakterystycznym dla polimerów liniowych termoplastycznych (wyższe temperatury).

Stan lep- sprężysty gwałtowna zmiana własności , zmniejszenie modułu elastyczności wraz z temp.- stan pośredni między szklistym, a wysokoelastycznym.

Wys. elastyczny - odkształcenie sprężyste zgodnie z pr. Hooke`a, niewielki moduł 10⁷ Pa. , duże odkształcenie. Dalsze ogrzewanie prowadzi do rozkładu makrocząsteczek.

Stan plastyczny - (płynięcie) - brak naprężeń przy odkształceniu, odkształcenie nie znika po działania siły. W czasie odkształcenia makrocząsteczki przesuwają się względem siebie.

T_k - temp. przejścia ze stanu szklistego w stan szklisty z wym. elastycznością

T_g - (temp. zeszklenia) temp. przejścia ze stanu szklistego w stan wysoko elastyczny, w której następuje zmiana twardości, temp. przemiany drugiego rzędu.

T_g>20^oC - polimer twardy i kruchyT_g<20^oC - polimer giętki i miękki.

Temperatura zeszklenia :

-nie zależy od ciężaru cząsteczkowego polimeru

-zwiększenie stopnia usieciowienia powoduje wzrost temp. Zeszklenia

-kopolimeryzacja

Ze zwiększeniem zawartości fazy krystalicznej

a) zwiększa się jego :

-gęstość

-twardość

-odp. na ścieranie

-wytrzymałość na rozciąganie

-stabilność wymiarów

b) zmniejsza się jego :

-rozszerzalność cieplna

-chłonność wody

-wytrzymałość zmęczeniowa

-udarność

-zdolność do odkształcania

Polimery bezpostaciowe i krystaliczne.

Forma bezpostaciowa jest również zwana formą szklistą.

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

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

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

Stany fizyczne polimerów

Stany polimerów amorficznych w zależności od temp. :

1). szklisty

2). elastyczny

3). plastyczny.

Opis do wykresu modułu E od temp. T.

Poniżej temp. zeszklenia Tg polimery występują w stanie szklistym wykazując właściwości kruche. Energia jest zbyt mała aby zachodziło przemieszczenie makrocząsteczek. Po przyłożeniu siły następuje odkształcenie sprężyste, większa siła powoduje zniszczenie tworzywa. Są to silnie usieciowane zw. wielkocząsteczkowe np. fenoplasty, żywice epoksydowe, silikony. Wyższa temp. powoduje termiczny rozkład.

Stan szklisty kruchy- niewielkie odkształcenia, moduł sprężystości 10⁹ N/m².

Stan wymuszonej elastyczności -niewielkie przemieszczenie makrocząsteczek, obniżenie modułu E, odkształcenia sprężyste do około 20%. Tak zachowuje się większość polimerów liniowo termoplastycznych.

Tk- temp. kruchości, przejście ze stanu kruchego szklistego do stanu wymuszonej elastyczności.

Stan lepko sprężysty charakteryzuje się gwałtowną zmianą właściwości, zmniejszenie modułu elastyczności, stan pośredni między szklistym a stanem elastycznym.

Tg- temp. zeszklenia, określa przejście ze stanu szklistego w stan elastyczny.

2) Odkształcenie się sprężyste, niewielki moduł E. Jest to stan, w którym występują kauczuki.

3) Polimery nieusieciowane pod wpływem temp. przechodzą w stan plastyczny.

Tf- temp. płynięcia (plastyczności).

Duża ruchliwość cząsteczek. Polimer przechodzi w stan płynięcia.

Tr- temp. rozkładu.

Tg >20'C - twardy i kruchy

Tg <20'C - miękki i kruchy

Tg zależy od stopnia usieciowania i jest wielkością adytywną.

Polimery sieciowane- tworzenie wiązań poprzecznych między makrocząsteczkami polimerów.

Sieciowanie pow. wzrost ciężaru cząsteczkowego, zmniejsza ruchliwość makrocząsteczek.

Możemy wyróżnić:

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

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

Wulkanizacja: sieciowanie siarką ( temp, katalizatory, przyspieszacze)

- odtlenianie selenem polega na kowalentnym wiązaniu sąsiadujących cząsteczek cząsteczek miejscach aktywnych grup za pomocą siarki ZnO lub MgO . W miarę wzrostu ilości wprowadzonego środka wulkanizującego przechodzimy od produktu miękkiego ciągliwego (guma) ok.6% Si do twardego i sztywnego ebonit przy 30% Si

Guma:

- produkt wulkanizacji kauczuku

- odznacza się dużą sprężystością

Zastosowanie

- dętki

- opony

- przewody wodne i gazowe

- izolacje uszczelki

Modyfikacja chemiczna na etapie syntezy

Modyfikacja fizyczna- umieszczenie polimerów (blendy) niejednorodne.

Jeżeli otrzymamy jednorodne to wtedy są to stopy polimerów.

Modyfikacje przeprowadza się w celu polepszenia właściwości, można też wyeliminować

wady (kruchość polistyrenu lub słabą elastyczność polichlorku winylu).

W celu obniżenia kosztów wyrobów.

Metoda na drodze poszukiwania nowych polimerów.

Materiały kompozytowe - są to materiały składające się co najmniej z dwóch składników,

najczęściej układy dwufazowe.

Tworzywa sztuczne wzmocnione - kompozyty.

Spoiwem jest matryca polimerowa w której występuje wzmocnienie, które przenoszą

znaczną większość obciążeń.

Mogą być to włókna o dużej wytrzymałości, dużym module sprężystości.

Materiały kompozytowe = osłona(osnowa) + wzmocnienie.

Osnowa - faza ciągła w której rozmieszczone jest wzmocnienie.

Kompozyty naturalne np. drewno.

Kompozyty syntetyczne np. żywice epoksydowe.

Umocnienie- włókno szklane.

Właściwości kompozytów zależą od: własności komponentów, ilości komponentów,

objętości umocnienia, od postaci.

Na własności ma wpływ adhezja pomiędzy komponentami.

Włókna o małej średnicy mogą przenosić duże obciążenia.

Długość włókien wpływa na właściwości.

Krytyczna długość włókna: Lk= Rm^W* d/ł_k.

Rm^W- wytrzymałość na rozciąganie włókna

d- średnica włókna

ł_k- wytrzymałość wiązania między włóknem a osnową.

Jeżeli: L=Lk - przenoszenie naprężeń w części środkowej jest maksymalne.

L>Lk - umocnienie bardziej widoczne, efektywnej przenosi naprężenia

L<Lk - umocnienie jest mało efektywne.

Ze wzrostem zawartości włókien rośnie wytrzymałość i sztywność kompozytu.

Udział objętościowy umocnień nie powinien być większy niż 80%, ponieważ większa

ilość powodowała by trudności zatrzymania włókien w osnowie.

Tw. Termoplastyczne.

Poliolefiny - ok. 60% globalnej produkcji. Należą do nich PE (polietylen 34%), PP (polipropylen 12%)

Otrzymuje się je z węglowodorów nienasyconych .W czasie spalania otrzymujemy dwutlenek węgla, wodę a więc ekologicznie czyste.

Zalety:

-Łatwość przetwarzania

-Niski koszt wytworzenia

-Dobra odporność chemiczna duże znaczenie mieszanin

-Akceptacja ze strony ochrony środowiska

Polietylen (PE)

Podstawowym surowcem jest etylen.

Metoda wytwarzania:

- niskociśnieniowe

- fluidyzacyjne

PE dzielimy na:

-Polietylen wysokociśnieniowy (o małej gęstości)

-Polietylen niskociśnieniowy ( o dużej gęstości)

Polietylen wysokociśnieniowy

- charakteryzuje się małą gęstością

- dużą liczbą rozgałęzień bocznych w łańcuchu

Polietylen niskociśnieniowy

-charakteryzuje się brakiem odgałęzień

Właściwości polietylenu:

-zakres stosowalności cieplnej -70C do +80C

-duża udarność

-nie chłoną wilgoci

-b. dobre właściwości dielektryczne

-wysoka odporność chemiczna

-nie jest atakowany przez wodne roztwory

Przetwórstwo

-najlepszą przetwarzalność ma PE - LD (niskociśnieniowych)

-dzięki niskiej temp. topnienia można przetwarzać

Zastosowanie

LD -opakowania (spożywcze, przemysłowe)

-folie na opakowania

-folie na pokrycia cieplarniane

AD -kanistry

-rury do chemikaliów

-wyroby domowe

-zabawki, części maszyn

Polipropylen (PP)

Polipropylen jest sztywniejszy od PE

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

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

PP steroblokowy - pośredni między powyższymi

Właściwości

-mała gęstość i mały ciężar

-wyższa temp. top. 160-165C

-mniejsza odp. na uderzenia w niskiej temp.

-mniejsza odp. na utlenianie

-takie znaczenie jak PP izotaktyczny

-wzrost kruchości w niskich temp.

Przetwórstwo

-wtrysk, natrysk płomieniowy, wytłaczanie, prasowanie

-wykorzystywane do wyrobu tworzyw których elementy będą pracowały

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

Zastosowanie

-opakowania

-pojemniki

-rury do transportu wody pitnej, ściekowe osłony do kabli

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

-do sieci rybackich, taśm - duża elastyczność, lekkość

Modyfikacje Polimerów

- m. fizyczne (stosowanie napełniaczy, wzmacniaczy)sieciować, spieniać

- m. chemiczna - sieciowanie; wymiana grup funkcyjnych

Poprzez sieciowanie PE otrzymujemy izolację kabli elektrycznych, odporność na promienie gamma.

Kolipolimer etylenu

-kolipolimer etylenu, propylen

-terpolimer etylen, propylen dien

Polimery zawierające chlor ( polimery chlorowinylowe )

- poli ( chlorek winylu) PCW, PVC

- poli (chlorekwinylidenu)PVDC

- poli (chlorek winylu chlorowany) - PVC - C

- modyfikowany poli (chlorek winylu)

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

Produkcja w Polsce:

- ZA " Tarnów" pod nazwą „Torwinyl S"

- ZA "Włocławek" pod nazwą „Polwinyl S "

- ZA "Oświęcim" PVC-E

Zastosowanie:

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

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

Właściwości:

- łatwa produkcja

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

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

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

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

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

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

- doskonały do recyklingu, przetworzony ponownie ma takie same własności

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

Poli (chlorek winylidenu) CH₂=CCl₂ PVC-C

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

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

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

M. zamrażania - rękawice, fartuchy ochronne

M. spiekania - powłoki ochronne, antykorozyjne

POLISTYREN

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

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

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

- dobra przepuszczalność światła i przezroczystość 80%

- lekki 1,04-1,06 g/cm³

- mięknie w 70 C 120-140 przechodzi w stan płynny, >300 depolimeryzuje się do styrenu, stosowany -40-70

- dobre właściwości dielektryczne ale elektryzuje się i trzeba stosować antystatyki

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

- zbyt kruchy i bardzo sztywny dlatego trzeba go ulepszać

- starzeje się, żółknie i kruszeje

- otrzymywany przez polimeryzacje, łatwo jest go przetwarzać:

-wtrysk w 90% (kształtki, wyroby cienkościenne)

-wytłaczanie (profile, rury, pręty)

-prasowanie

- wyroby gotowe można polerować, naprowadzać nadruk i malować

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

- W Polsce produkowany przez Z.Ch. Oświęcim

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

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

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

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

Polistyren spieniony - styropian, tworzywo

komórkowe, ma mikroporowatą strukturę, dobre

właściwości dielektryczne, termoizolacyjne, nie

chłonie wody, odporny na promienie słoneczne

ale ma niska temperaturę mięknienia ~ 80 C i jest

łatwopalny. Otrzymywany jest poprzez dodanie

poroforów, które rozkładając się w wyższej

temperaturze wydzielają gazy. Stosowany na

ocieplenia, koła ratunkowe itd.

Poliamidy (PA) /częściowo krystaliczne/

- produkt kwasu dikarbokylowego i diamidy (CONH)

ODMIANY

Stilon

- twardy

- oznaczenie PA6 (6 ilość węgli miedzy amidami)

- im ta liczba większa tym mniej chłonie wody

- temp. topnienia 215-186C

- wys. wytrzymałość i twardość

- odporny na ścieranie

- doskonale obrabialny mech.

- wydłużenie przy zerwaniu 300%

Aramidy

- amorficzny poliamid

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

- odporny na radiacje

- stosowany w kosmetyce

Kompozyty są to tworzywa zawierające oznaczoną ilość środków wzmacniających wzmacniających postaci włókien lub proszków. W kompozytach stosuje się preimpregnaty( płyty przełożone folią, zawierające tworzywo i środki wzmacniające- katalizatory). Po podgrzaniu i prasowaniu otrzymuje się z nich przedmioty.

Rodzaje przetwórstwa:

- nanoszenie

- formowanie bezciśnieniowe

- nawarstwione

- przędzenia włókien

- wyciskaniem ślimakiem (wytłaczanie)

- wyciskanie tłokiem

- prasowanie wytłoczone

- wtryskiwanie

- kalanolowanie

Tworzywa otrzymywane przez kopolimeryzację, gdzie styren reaguje z innymi polimerami poprawiając włas.

1.SAN - kopolimer styrenu z akrylonitrylem produkowany w Oświęcimiu jako „Owison”. Akrylonitryl powoduje zwiększenie wł. Fizycznych, chemicznych, jest przezroczysty i konkurencyjny do polmetakrylanu metylu, stosowany do urządzeń elektrycznych, motoryzacji, przedmiotów domowego użytku.

2. SMA - k. Styrenu i bezwodnika melaminowy stosowany do wyrobu tablic rozdzielczych samochodów i opakowań żywności na gorąco

3. ABS - k., akrylonitrylu, styrenu i butadienu - łączy on dużą sztywność z dużą udarnością, ma dużą odporność termiczną, mechaniczną, dużą udarność ale bardziej chłonie wodę, nie jest przezroczysty. Stosowany na wyroby cienkościenne, tworzywa konstrukcyjne w motoryzacji, lotnictwie, jako składnik kompozytów, na pbudowy sprzętu, może być metalizowany.

4. SBS - styren+butadien+styren stosowany do modyfikacji udarności w innych tworzywach, na cienkie folie, włączniki, daje się łatwo przetwarzać, ma dobrą odporność chemiczną i termiczną.

---