Tworzywa sztyczne

TWORZYWA SZTUCZNE są to materiały, których podstawowym składnikiem są naturalne lub syntetyczne polimery. Tworzywa sztuczne mogą być otrzymywane z czystego polimeru (np. polimetakrylan metylu, polistyren, polietylen), z kopolimerów lub z mieszanek polimerów. Często otrzymuje się je z polimerów modyfikowanych metodami chemicznymi (np. przez hydrolizę), fizykochemicznymi (np. przez degradację) lub przez dodatek takich substancji, jak: plastyfikatory, wypełniacze , stabilizatory oraz barwniki i pigmenty. Tworzywa sztuczne są potocznie zwane plastikami (plastykami) lub masami plastycznymi.

Za podstawę klasyfikacji tworzyw sztucznych przyjmuje się zachowanie tworzywa pod wpływem ogrzewania. Rozróżnia się tworzywa termoplastyczne oraz tworzywa termo- i chemoutwardzalne, tzw. duroplasty. Można również zastosować podział wg głównego składnika. W podziale tym rozróżnia się np. tworzywa, w których podstawowym składnikiem są polialkeny (polietylen, polipropylen), polistyren , żywice winylowe (polioctan winylu, polialkohol winylowy, polichlorek winylu, polichlorek winylidenu), polimery fluorowe, żywice akrylowe, fenoplasty , aminoplasty, poliamidy, poliuretany, poliformaldehyd , poliwęglany, pochodne celulozy (np. acetyloceluloza).

Tworzywa sztuczne są na ogół bardzo lekkie (gęstość najczęściej ok. 1 g/cm3), mają małą przewodność cieplną, większość z nich jest dielektrykami, jednak po dodaniu znacznej ilości (ok. 50%) materiałów przewodzących, np. sadzy lub pyłu metalicznego, przewodzą prąd elektryczny, mogą być przezroczyste lub całkowicie nieprzezroczyste. Tworzywa niemodyfikowane, w porównaniu z metalami mają małą wytrzymałość na rozciąganie oraz mały moduł elastyczności. Bardzo dobrą wytrzymałość na rozciąganie, duży moduł elastyczności mają tworzywa zbrojone np. włóknem szklanym (kompozyt, laminaty). Tworzywa sztuczne są najczęściej odporne na czynniki chemiczne, wilgoć, lecz nieodporne na działanie czynników silnie utleniających. Wadą większości tworzyw sztucznych jest ich wrażliwość na podwyższoną temperaturę (powyżej 100C).

W czasie II wojny światowej uzyskano politetrafluoroetylen — odporny na temperaturę do 250C, i silikony, odporne najczęściej na temperaturę do 250C, a następnie inne tworzywa, np. w 1965 r. polisulfony, odporne na temp. do 200C, w 1969 - polisiarczek fenylu odporny na temp. do 170C. W wyniku dalszych prac otrzymano polimery aromatyczne i metaloorganiczne, odporne na temperatury powyżej 400C. Zmniejszenie palności tworzyw sztucznych uzyskuje się w wyniku wprowadzenia do ich zawartości tzw. antypirenów. Większość tworzyw sztucznych jest łatwa do formowania i barwienia. Najczęściej stosowanymi metodami formowania tworzyw sztucznych są: wtrysk (formowanie wtryskowe), wytłaczanie, prasowanie, odlewanie oraz kalandrowanie. Ponadto w przetwórstwie tworzyw sztucznych stosuje się np. spiekanie, obróbkę plastyczną, laminowanie, zgrzewanie.

Tworzywa sztuczne są używane m.in. do wyrobu części maszyn, przyrządów, osłon kabli elektrycznych, elementów aparatury chemicznej i artykułów gospodarstwa domowego, galanterii, opakowań. Stosowane są w przemysłach: samochodowym, lotniczym, elektrotechnicznym, elektronicznym, włókienniczym oraz w budownictwie. Wykorzystuje się je także do wyrobu aparatury, narzędzi i sprzętu medycznego (np. sprzęt do pobierania i przetaczania krwi, dreny i cewniki, nici chirurgiczne), protez (stomatologiczne, stawów, tętnic i żył, zastawki serca, gałki oczne), szkieł kontaktowych itp.

Pierwsze w skali przemysłowej próby chemicznego modyfikowania związków wielkocząsteczkowych rozpoczęto w latach 1850–75. W 1872 r. w USA otrzymano celuloid, w Niemczech — w 1897 r. uruchomiono produkcję galalitu, a w 1904 - acetylocelulozy. Pierwszymi syntetycznymi tworzywami sztucznymi były żywice fenolowo-formaldehydowe otrzymane w 1872 r. przez A. Baeyer’a, jednak produkcję ich podjęto dopiero w r. 1909 na podstawie patentu belgijskiego chemika H. Baekelanda. W latach 1928–31 rozpoczęto produkcję większości tworzyw poliwinylowych. Pierwsze tworzywa poliamidowe wyprodukowano w 1937 r. w USA, polietylen wysokociśnieniowy w 1939 w Wielkiej Brytanii, w USA rozpoczęto produkcję tworzyw poliestrowych w 1942, polichlorku winylidenu - 1942, silikonów - 1943. Dalszy rozwój tworzyw sztucznych był związany z wyprodukowaniem żywic epoksydowych w Szwajcarii, poliformaldehydu w 1946 w USA, w RFN polietylenu niskociśnieniowego (1956) i poliwęglanów (1957), polipropylenu (1957) we Włoszech.

W Polsce początek przetwórstwa tworzyw sztucznych nastąpił w latach 20. XX w. W 1931 r. rozpoczęto produkcję folii na opakowania — tomofanu z regenerowanej celulozy, tworzyw fenolowo-formaldehydowych (1934), galalitu. Podjęto próby syntezy styrenu na podstawie opracowania K. Smoleńskiego. Szybki rozwój produkcji tworzyw sztucznych w Polsce nastąpił po II wojnie światowej. Są produkowane m.in. tworzywa fenolowo-formaldehydowe, tłoczywa mocznikowe i melaminowe, polimetakrylan metylu, polichlorek winylu, polistyren, polikaprolaktam, poliakrylonitryl, poliuretany, żywice poliestrowe, epoksydowe, silikonowe, polietylen, polipropylen, i na małą skalę - politetrafluoroetylen.


PRZEGLAD WYBRANYCH TWORZYW SZTUCZNYCH

Polietylen jest tworzywem o bardzo wysokim stopniu spolimeryzowania, dużej odporności na działanie kwasów, zasad, soli i większości związków organicznych i chemicznych. Posiada szereg ważnych technicznie własności do szerokiego stosowania w przemyśle i budowie maszyn. Polietylen wyróżnia się swoimi właściwościami ślizgowymi przy jednoczesnym zachowaniu bardzo wysokiej odporności na ścieranie. Odporność na korozję gwarantuje długi czas użytkowania elementów z niego wyprodukowanych, a przy tym nie wymaga jakiejkolwiek ich konserwacji.


( - CH2 – CH2 - )n


Polimetakrylan metylu (pleksiglas, szkło organiczne)

Właściwości:
• duża przezroczystość (92%),
• odporność na działanie promieniowania UV, dzięki czemu nie występuje proces żółknięcia materiału,
• łatwość obróbki,
• maksymalna temperatura użytkowania 70oC,
• wysoka odporność na działanie substancji nieorganicznych, ługów, kwasów, soli oraz ich pochodnych,
• występuje w kolorach transparentnych białym, brązowym i niebieskim.
Istnieją bardzo szerokie możliwości kształtowania pleksy, pozwalające realizować najbardziej nietypowe projekty. Dzięki temu znajduje ono bardzo szerokie zastosowanie m.in. w przemyśle konstrukcyjnym i budownictwie przy tworzeniu przeszkleń poziomych i pionowych, pokryć dachowych, szkleń balkonów, drzwi i okien, kabin prysznicowych, bram sekcyjnych. W technice precyzyjnej może być wykorzystywane do wytwarzania pokryw, osłon do maszyn i kabin sterowniczych, spojlerów i reflektorów. Świetnie nadaje się też do produkcji materiałów reklamowych, takich jak: stojaki, elementy dekoracyjne, antyramy, włączniki, wyświetlacze, tablice.

O = C – O – CH3
|
- CH2 – C –
|
CH3 n


Poliwęglan (PC) jest bezpostaciowym termoplastycznym technicznym tworzywem sztucznym o wysokiej przezroczystości (maksymalnie osiągalna wartość przezroczystości wynosi 85 % i jest zależna od grubości materiału). Produkowane są również poliwęglany kanalikowe z dodaną warstwą absorbera promieni ultrafioletowych (UV), stanowiącą długookresowe zabezpieczenie przed starzeniem się pod ich wpływem.

Poliwęglan może być wykorzystywany do budowy maszyn i pojazdów, produkcji elementów w sprzęcie gospodarstwa domowego, w technice transportowej, elektrotechnice, mechanice precyzyjnej, technice środków spożywczych, technice medycznej, technice oświetleniowej i budownictwie.

Polichlorek winylu (PVC) to polimer chlorku winylu - związku o wzorze strukturalnym:

H H
\\ /
C = C
/ \\
H Cl

Jest to pochodna etylenu, w którym zastąpiono jeden z atomów wodoru atomem chloru. Polichlorek winylu ma podobną do polietylenu budowę:

Polichlorek winylu (PVC) to biały proszek, o gęstości 1,4 g/cm3, produkt polimeryzacji chlorku winylu, termoplastyczny. Wykazuje bardzo dobrą wytrzymałość mechaniczną i dobre własności dielektryczne. Jest odporny na działanie większości rozpuszczalników. Rozkłada się pod wpływem temperatury i światła.

Polichlorek winylu znajduje zastosowanie jako materiał elektroizolacyjny, surowiec do wyrobu płytek podłogowych, płyt gramofonowych, rur, elementów armatury, przedmiotów codziennego użytku, drobnego sprzętu medycznego (cewników, drenów, sond) oraz do impregnacji tkanin i papieru. Znalazł on także zastosowanie w produkcji opakowań, rur, węży ogrodowych i płyt gramofonowych. Miękki polichlorek winylu jest stosowany jako wykładzina zbiorników. Rurowe membrany z polichlorku winylu służą do ultrafiltracyjnego oczyszczania wody i ścieków (igelit).

Pomimo licznego zastosowania i niekwestionowanej przydatności człowiekowi, polichlorek winylu jest substancją bardzo negatywnie wpływającą na nasze życie. Jest najbardziej niebezpiecznym tworzywem sztucznym. Od innych odróżnia je jedna cecha - zawartość chloru. PVC jest mieszaniną wielu toksycznych związków. W powietrzu nad wykładziną z PVC zidentyfikowano 60 substancji chemicznych, w większości szkodliwych. W czasie pożaru PVC wydziela wyjątkowo toksyczne gazy - chlorowodór i dioksyny, zabijające ludzi.

PVC stanowi jedno z najpoważniejszych zagrożeń dla człowieka. W trakcie pożaru nie pali się, ale już w temperaturze 120 \'C wydziela chlorowodór (HCl), a także dioksyny i furany. Spowodowały one śmierć wielu ludzi, nawet bez kontaktu z ogniem. Polskie przepisy budowlane zabraniają stosowania do wykańczania budynków wyrobów silnie dymiących i trujących w czasie pożaru.