Tworzywa sztuczne - budowa, otrzymywanie, charakterystyka wybranych tworzyw sztucznych

Otaczające nas materiały są bardzo zróżnicowane zarówno pod względem budowy, jak również własności fizycznych, mechanicznych i chemicznych. Bardzo różne są także ich podziały klasyfikacyjne, zależne od przyjętego kryterium klasyfikacyjnego. Najprostszy podział wyjściowy wyodrębnia na ogół dwie grupy materiałów podstawowych: metale i niemetale. W grupie niemetali znajdują się m.in. tworzywa sztuczne, które od wielu lat charakteryzuje dynamiczny rozwój, zarówno pod względem ilościowym, jak i jakościowym. Pod pojęciem tworzywo sztuczne rozumie się ogólnie materiały, których podstawowym składnikiem są syntetyczne, naturalne lub modyfikowane polimery. Tworzywa sztuczne mogą być otrzymywane z czystych polimerów (np. polimetakrylan metylu, polistyren, polietylen itp.) lub z polimerów modyfikowanych poprzez dodanie różnych substancji pomocniczych, np. plastyfikatory, napełniacze, stabilizatory itp.). nazwę tworzywa sztuczne w potocznym języku technicznym obejmuje się również półwyroby dostarczane do przetwórcy oraz wyroby gotowe, o ile wykonano je z materiałów, które zgodnie z podaną definicją zaliczyć można do grupy tworzyw sztucznych.

Polimeryzacja jest to proces łączenia się ze sobą cząsteczek reaktywnego związku chemicznego, zwanego monomerem, z utworzeniem cząsteczki polimeru, bez wydzielenia się produktów ubocznych. Najczęściej stosowanymi monomerami są związki organiczne, zawierające w swojej cząsteczce wiązanie podwójne.

Budowa tworzyw sztucznych

Tworzywa wielocząsteczkowe, których zastosowanie w skali światowej wzrasta nieustannie, otrzymujemy w procesie polireakcji z wielofunkcyjnych związków o małej masie cząsteczkowej, zwanych monomerami (substratami). Zdolnymi do dalszego reagowania będą więc związki co najmniej dwufunkcyjne, a więc takie związki o pojedynczym wiązaniu, jak np. glikol etylenowy
OH – (CH2)2 – OH, lub takie związki o podwójnym wiązaniu, jak np. etylen: H2C=CH2. Podczas polireakcji monomery (substraty), łącząc się w makrocząsteczki, budują tworzywo o nazwie monomeru z przedrostkiem poli (np. polietylen).

Polireakcja pomiędzy monomerami dwufunkcyjnymi prowadzi do powstania tworzywa o strukturze liniowej(łańcuchowej), a pomiędzy monomerami o funkcyjności wyższej niż dwa – do powstania tworzywa o strukturze rozgałęzionej lub usieciowanej.

„Szkielet” cząsteczki polimerowej.
a) polimeru liniowego,
b) polimeru rozgałęzionego,
c) polimeru usieciowanego.

Masa cząsteczkowa wywiera istotny wpływ na szereg własności tworzywa. Wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej podwyższa się bowiem wytrzymałość tworzywa, udarność, temperatura mięknięcia oraz przewodnictwo i odporność cieplna. Wzrost masy cząsteczkowej tworzywa podnosi jego lepkość, co znacznie pogarsza jego warunki przetwórcze. Na własności tworzywa, obok rozmiaru cząsteczki, rzutują również w dużym stopniu pewne elementy składowe budowy samej cząsteczki. Zaliczamy do nich: kształt makrocząsteczki, sposób łączenia się poszczególnych merów oraz izomerię przestrzenną łańcucha. Biorąc pod uwagę ułożenie podstawowych elementów w łańcuchach, czyli kształt makrocząsteczki, rozróżnia się trzy podstawowe typy budowy: liniową, rozgałęzioną oraz usieciowaną.
Polimery liniowe zbudowane są z monomerów połączonych jeden z drugim w sposób liniowy, tak że tworzą łańcuch prosty. Natomiast w polimerach o budowie usieciowanej, cząsteczki powstają z jednostek monomerycznych mających więcej niż dwa wiązania aktywne, co prowadzi do powstania cząstek dwu- i trójwymiarowych. Polimery o budowie rozgałęzionej zajmują pod względem struktury i własności pośrednie w stosunku do poprzednio opisywanych typów skrajnych.

Otrzymywanie tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne mogą być otrzymywane z czystego polimeru, z kopolimerów lub
z mieszanek polimerów. Często otrzymywane są także z polimerów modyfikowanych metodami chemicznymi lub przez dodatki innych substancji pomocniczych. W każdym jednak z wymienionych przypadków składnikiem podstawowym tworzyw są polimery i dlatego też reakcje polimeryzacji uważane są za główne technologie otrzymywania tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne w zależności od swego przeznaczenia dzieli się na:
- konstrukcyjne do wytwarzania określonych wyrobów
- elastoplastyczne, czyli folie
- adhezyjne, czyli kleje
- powłokowe (farby lakiery)
- włóknotwórcze
- porowate (pianki i gąbki)
- specjalne (wymieniacze jonowe).

W zależności od rodzaju użytego polimeru tworzywa sztuczne dzieli się na:
- termoplastyczne, które można wielokrotnie przerobić w podwyższonej temperaturze,
- termoutwardzalne, które w podwyższonej temperaturze, po uformowaniu określonego kształtu, stają się nietopliwe i nierozpuszczalne,
- chemoutwardzalne, które pod wpływem określonych czynników chemicznych usieciowują się przestrzennie, przy czym stają się nietopliwe i nierozpuszczalne.

Tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne noszą nazwę duroplastów. Do grupy tworzyw termoplastycznych, nazywanych potocznie termoplastami, należą tworzywa, które w temperaturze pokojowej znajdują się w stanie zeszklenia lub w stanie wysokiej elastyczności i które po podgrzaniu mogą ponownie przechodzić w stan lekkopłynny. Umożliwia to struktura liniowa lub liniowo-rozgałęziona cząsteczek polimeru. Możliwość wielokrotnego przechodzenia polimeru ze stanu stałego w stan płynny wykorzystywana jest w procesach przetwórstwa tej grupy tworzyw.

Przetwarzanie tworzyw sztucznych

Przetwarzanie tworzyw sztucznych na określone wyroby użytkowe różni się w zależności od typu tworzywa i najczęściej wymaga specjalnej aparatury. Tworzywa termoplastyczne przerabia się najczęściej metodami wtrysku lub wytłaczania. Metody te polegają na stopieniu tworzywa i wytłaczaniu z maszyny pod bardzo wysokim ciśnieniem w postaci drutu, węża lub rękawa foliowego lub wprowadzeniu stopionego tworzywa do formy, w której zastyga na określony detal (formowanie wtryskowe). Tworzywa termoutwardzalne przerabia się najczęściej metodą prasowania w formach, w podwyższonej temperaturze, której wysokość zależna jest od rodzaju stosowanego tworzywa.

Charakterystyka wybranych tworzyw sztucznych

1. POLISTYREN otrzymuje się na drodze polimeryzacji styrenu w podwyższonej temperaturze (około 800 C). Wzór polistyrenu jest następujący:
W normalnej temperaturze pokojowej jest to tworzywo twarde i kruche, bez zapachu, bez smaku, fizjologicznie obojętne. Otrzymuje się go z etylenu i benzenu. Jest materiałem stosunkowo lekkim o dużej stałości wymiarów, co umożliwia stosowanie go w precyzyjnej aparaturze pomiarowej. Cechuje się małą nasiąkliwością wody, dobrymi własnościami dielektrycznymi, niezmiennymi w szerokim zakresie częstotliwości, a także dużą odpornością na działanie większości cieczy, nawet silnie korodujących. Nie odporny jest natomiast na działanie rozpuszczalników organicznych. Pod wpływem światła słonecznego polistyren żółknie i staje się bardziej kruchy. Jest jednym z najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych, ponieważ obok własności mechanicznych i fizycznych, cechuje go łatwość formowania i niska cena. Służy do wyrobu galanterii technicznej, obudowy różnych urządzeń mechanicznych i wykładzin, a jako tworzyw parowate (styropian) – do opakowań i płyt termoizolacyjnych. Stosowany jest również w przemyśle elektrotechnicznym i radiotechnicznym.

2. POLIETYLEN Polimer ten o budowie:
Znany jest już od 1937 roku i dość rozpowszechniony w technice. Jest substancją białą, konsystencji proszku lub granulatu, przypominającą w dotyku parafinę. Powstaje w procesie polimeryzacji etylenu. Powierzchnia tworzywa daje się łatwo zarysować, lecz jest w odróżnieniu od parafiny zwarta. Jest tworzywem o doskonałych własnościach dielektrycznych i dużej odporności na działanie kwasów, zasad, soli i większości związków organicznych. W węglowodorach alifatycznych, aromatycznych i chlorowcopochodnych, polietylen pęcznieje, czemu towarzyszy pogorszenie jego własności fizycznych. Ponadto przewody (rury, kable) z polietylenu, ułożone w ziemi, mogą ulegać zniszczeniu, określanemu potocznie przez analogię do metali – korozję. Polietylen znajduje zastosowanie w produkcji folii i innych opakowań, do wyrobu rur nadających się zarówno do wody pitnej, jak i do ścieków, jako powłoki kablowe oraz do wyrobu elementów gospodarstwa domowego, za wyjątkiem pojemników lub opakowań do mleka i tłuszczów zwierzęcych.

3. POLIPROPYLEN Budowę polipropylenu scharakteryzować można wzorem:
-[-CH2-CH(CH3)-]n-

Jest to tworzywo częściowo krystaliczne o własnościach zbliżonych do polietylenu. Otrzymuje się go na skalę przemysłową przez niskociśnieniową polimeryzację propylenu wobec katalizatora. Polipropylen charakteryzuje się małą ścieralnością i dobrymi własnościami dielektrycznymi. Może być stosowany w temperaturach –35 do + 1300C. Jest gładki w dotyku, ma większą odporność powierzchni na zarysowania i uszkodzenia, nie ulega korozji naprężeniowej, ma mniejszą gęstość, większą wytrzymałość na rozciąganie i większą odporność termiczną. Jako wady polipropylenu należałoby wymienić stosunkowo dużą kruchość w temperaturach poniżej 00C i większą niż polietylen, wrażliwość na działanie tlenu. Polipropylen znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle do wyrobu różnych elementów maszyn poddawanych większym obciążeniom (wałki drukarskie, koła zębate), naczynia i elementy do sterylizacji wrzeniem oraz wyroby wymagające łączenia i współpracy z elementami metalowymi.

4. POLIAMID
poliamidami przyjęto nazywać związki wielocząsteczkowe, które zawierają w makrocząsteczce ugrupowania amidowe –CO – NH –. Do monomerów poliamidowych zalicza się zatem związki, które zawierają w cząsteczce, lub tworzą, grupy amidowe w wyniku reakcji z innymi związkami. Poliamidy zaliczane są do typowych polimerów krystalicznych. Cechuje je dobra wytrzymałość na rozciąganie, wysoki moduł sprężystości, twardość, odporność na ścieranie itp. Poliamidy wytwarza się z pochodnych węgla, gazu ziemnego lub ropy naftowej. Poliamidy w najróżniejszych postaciach znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Niełamliwe artykuły codziennego użytku, artykuły techniczne, którym stawiane są wysokie wymagania wytrzymałościowe, włókna, lekkie tkaniny stanowią najbardziej wyróżniający się zakres zastosowań tych polimerów.

5. POLICHLOREK WINYLU Polimeryzacja chlorku winylu prowadzi, w warunkach podwyższonego ciśnienia i temperatury, do uzyskania tworzywa wielocząsteczkowego o wzorze:
w temperaturze pokojowej są twarde, mało sprężyste, a przy obniżeniu temperatury stają się kruche. Twardy polichlorek winylu, z uwagi na jego dużą odporność chemiczną, znajduje zastosowanie przede wszystkim do produkcji rur i wykładzin, zbiorników na naczynia, na oleje i tłuszcze. Może być również wykorzystywany na płyty gramofonowe lub taśmy magnetofonowe. Daje się łatwo kleić i spawać, jest w zasadzie niepalny. Jest odporny na działanie kwasów, zasad, benzyny. Polichlorek winylu miękki stosuje się do wyrobu folii, giętkich węży do wody, powłok antykorozyjnych, wykładzin podłogowych oraz różnych przedmiotów codziennego użytku i pojemników.

6. POLIURETANY
Stopień usieciowania tworzywa może być bardzo zróżnicowany. W wyniku polimeryzacji addycyjnej pomiędzy diolem (alkohol z dwiema grupami OH) i dwuizocyjanianem (związek z dwiema grupami izocyjanianowymi – N = C = O ), wg przedstawionego schematu, otrzymuje się tworzywo o budowie łańcuchowej, nieusieciowanej. W przestawionym schemacie rozpisano tylko grupy izocyjanianowe i OH, pozostałe części oznaczono przez R1 i R2.
diol dwuizocyjanian poliuretan

Są to polimery termoplastyczne, a ich własności zbliżone są do poliamidów. W odróżnieniu jednak od poliamidów nie chłoną wody, mają bardzo dobre własności dielektryczne. Znajdują odpowiednio szerokie i różnorodne zastosowanie. Przykładowo można z nich wytwarzać włókna odzieżowe, oploty przewodów, folie do wyrobu worków, kształtki, lakiery do izolacji przewodów i malowania podłóg, kleje do różnych materiałów, m.in. do metali lekkich i stali, rodzaj miękkiej gumy na membrany, opony, podeszwy do butów.

7. POLIOCTAN WINYLU otrzymuje się z acetylenu, ropy naftowej i gazu ziemnego. Jego wzór to:
Zależnie od stopnia polimeryzacji polimery te otrzymuje się jako substancje oleiste, miękkie kleiste lub twarde żywice. Do różnych celów miesza się je i stosuje w postaci roztworów, mieszanek do powlekania, jak również w postaci perełek w różnych gałęziach przemysłu, jak przemysł farb, lakierów, tekstylny, papierniczy i klejów.

8. POLIWĘGLANY otrzymuje się z trującego fosgenu i dianu. Zapisujemy wzorem:
-[-R-O-C(O)-O-]n- (R - grupa arylowa lub alkilowa)

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

9. OCTAN CELULOZY wzór tego tworzywa to:
[(C6H7O2)(OOCCH3)3]n

Otrzymuje się go z celulozy przez modyfikację mieszaniną kwasu octowego i bezwodnika octowego. Bardzo dobrze chłonie wodę, jest polarny. Tworzywo to znajduje zastosowanie w przemyśle fotograficznym (niepalne błony filmowe), na opakowania, w przemyśle maszynowym i narzędziowym, odzieżowym i lakierniczym.

10. AZOTAN CELULOZY znana nazwa handlowa to celuloid. Budowę celuloidu przedstawić można wzorem:
C6H7(ONO2)3

Otrzymuje się przez estryfikację celulozy kwasem azotowym w obecności kwasu siarkowego. Tworzywo to, które daje się szczególnie łatwo barwić i przerabiać, pomimo jego palności, znajduje szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Azotan celulozy stosowany jest na różne wykładziny, np. w przemyśle instrumentów muzycznych, jak również do produkcji zabawek
i przedmiotów codziennego użytku, artykułów technicznych i innych. Tworzyw to znajduje również zastosowanie w przemyśle lakierniczym (lakiery nitro, lakier kolodionowy).

11.POLIIZOBUTYLEN wytwarza się z produktów pirolizy ropy naftowej lub węgla (syntez benzyny). Wzór tego tworzywa to:
[-CH2-C(CH3)2-]n

Zależnie od stopnia polimeryzacji różnych postaci poliizobutylenu własności jego mogą być różne i obejmują materiały od lepkiego oleju do produktów o własnościach podobnych do twardej gumy. Jako materiał konstrukcyjny tworzywo to nie może znaleźć zastosowania ze względu na to, że nawet nie jest jeszcze materiałem twardym. Niskocząsteczkowe materiały omawianego tego typu znajdują zastosowanie jako dodatki uszlachetniające, jako smary, kleje, folie, płyty i węże z poliizobutylenu stosowane są w przemyśle chemicznym, w budownictwie, w elektrotechnice, w przemyśle spożywczym, często też jako okładziny i wykładziny.

Tworzywa sztuczne produkuje się na większą skalę dopiero od 80 lat, mimo to przewyższają znane od dawna materiały pod wieloma względami. Jednak żadne tworzywo sztuczne nie jest materiałem idealnym, ich zastosowanie wymaga oceny zalet i wad. Ich zaletami są: mały ciężar właściwy, brak zapachu i smaku, duża odporność na korozję, odporność na działanie kwasów i zasad, łatwość barwienia i dobre własności izolacyjne, zarówno elektryczne, jak i cieplne. Jednakże ich rozszerzalność cieplna jest większa niż metali, a odporność na działanie wyższych temperatur - znacznie mniejsza.