Tworzywa sztuczne jako substancje wielkocząsteczkowe

Historia rozwoju światowego przemysłu tworzyw sztucznych przypada na lata 1850-1875, kiedy to po raz pierwszy na skalę przemysłową wyprodukowano w USA celuloid. Następnym tworzywem wyprodukowanym w Niemczech w 1897 roku, na skalę również przemysłową, był galalit (tworzywo kazeinowe). W dziesięć lat później rozpoczęto produkcję żywicy fenolowo – formaldehydowej będącej pierwszym tworzywem sztucznym, wyprodukowanym syntetycznie. Dużym osiągnięciem w historii rozwoju przemysłu tworzyw sztucznych było uruchomienie w Niemczech w 1915 roku, produkcji kauczuku syntetycznego. Następne lata przyniosły coraz bardziej zróżnicowany pod względem gatunków i rodzajów, a także ilości, rozwój produkcji tworzyw sztucznych zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak i w Europie. Początki przemysłu tworzyw sztucznych w Polsce sięgają lat trzydziestych, kiedy to powstało kilkanaście niewielkich zakładów zajmujących się przetwórstwem importowanych tworzyw fenolowo – formaldehydowych. W 1934 roku, w Krywałdzie, rozpoczęto produkcję żywic, a w Pionkach produkcję galalitu i celulozy. Dalszy rozwój przemysłu tworzyw sztucznych w Polsce, który miał nastąpić dzięki planowanej produkcji nowo budowanych zakładów w Pustkowie, przerwał wybuch II wojny światowej. Po wyzwoleniu Polski, przemysł tworzyw sztucznych musiał być organizowany całkowicie od podstaw. Pomimo bardzo trudnych warunków startu, ilość produkowanych tworzyw w Polsce stale rosła.
Od co najmniej 60 lat tworzywa sztuczne znajdują coraz większe zastosowanie w różnych dziedzinach techniki i życia codziennego. Stosowane początkowo jako namiastki tradycyjnych i zarazem deficytowych tworzyw wytwarzanych z surowców naturalnych, stały się następnie pełnowartościowymi materiałami o nowych nie spotykanych dotychczas właściwościach. Umożliwiło to zajęcie im równorzędnej, a w niektórych dziedzinach przodującej pozycji wobec innych materiałów. Obecnie tworzywa sztuczne nie tylko dorównują szeregiem właściwości takim tradycyjnym materiałom jak: metale, drewno, skóra, włókna naturalne, szkło i wyroby ceramiczne, kauczuk naturalny ale i przewyższają je pod wieloma względami.


Cechy tworzyw sztucznych:

- łatwość formowania wyrobów o skomplikowanych kształtach w ostatecznej postaci,
- stosunkowo dużą, a w wielu przypadkach bardzo dużą odporność chemiczną,
- dobre właściwości mechaniczne i często doskonałe właściwości elektryczne (elektroizolacyjne),
- małą gęstość i związany z tym najczęściej bardzo korzystny stosunek wytrzymałości mechanicznej do gęstości,
- możliwość łatwego otrzymywania wyrobów o estetycznym wyglądzie (barwa i połysk),
- możliwość barwienia i uzyskiwania wyrobów przezroczystych.
Kolejną zaletą tworzyw sztucznych jest możliwość stosowania ich w różnorodnej postaci. Mogą one być stosowane jako tworzywa konstrukcyjne, materiały powłokowe, spoiwa,
kleje i kity, włókna syntetyczne. Najważniejszym jednak kierunkiem stosowania tworzyw sztucznych jest używanie ich w charakterze materiałów konstrukcyjnych, do wytwarzania części maszyn i urządzeń oraz przedmiotów powszechnego użytku.
Tworzywa sztuczne mają oczywiści także i wady, które ograniczają ich stosowanie.
W porównaniu z metalami odznaczają się niższą wytrzymałością mechaniczną i mniejszą twardością, płyną pod znacznie mniejszym obciążeniem (zjawisko pełzania) i mają w większości niezbyt zadowalającą odporność cieplną.



Nazwa tworzywa Łatwość palenia Próbka gaśnie po wyjęciu z płomienia Wygląd płomienia Wygląd pozostałości po spaleniu Zapach
Polichlorek winylu mała tak żółty, zielony na brzegach, biały dym mięknie, czernieje ostry zapach HCl
Polistyren duża nie żółtopomarańczowy, gęsty czarny dym mięknie i nadtapia się charakterystyczny dla Styrenu
Polietylen duża nie wierzchołek niebieski, dół żółty topi się, spływa kroplami palonej parafiny
Polimetakrylanmetylu średnia nie wierzchołek żółtawy, cały niebieskawy, drobne iskierki mięknie,lekko ciemnieje woń kwiatowa hiacyntów
Tworzywa poliamidowe średnia tak biały z żółtym wierzchołkiem topi się, kapiące krople charakterystyczny
Bakelit a) żywica lanab) z trocinami małamała taktak żółty, iskryżółty głębokie zwęgleniazwęgla się, pęcznieje fenolu i formaldehydu.fenolu, formaldehydu i palonego drewna
Tworzywa aminowe a) mocznikoweb) melaminowe mała bardzo mała taktak jasnożółty, brzegi zielonkawoniebieskie jasnożółty pęcznieje, pęka, bieleje na brzegach pęcznieje, pęka, bieleje na brzegach mocznika, formaldehydu, amoniaku ryb
Żywice epoksydowe mała nie jasnożółty, czarny dym bardzo silnie pęcznieje słodki, charakterystyczny
Poliestrylaminat szklany włókno mała mała tak nie jasnożółty, gęsty czarny dym i kopeć żółty, silnie kopcący okopcony szkielet włókien szklanych brak charakterystyczny dla styrenu słodkawy, miły, odczyn alkaliczny
Guma duża nie ciemnożółty, czarny dym mięknie, tworząc lepką masę charakterystyczny dla palonej gumy
Ebonit średnia nie żółtopomarańczowy, czarny dym pęcznieje, nie mięknie zapach SO2
Galalit średnia tak popielaty, żółty dym pęcznieje, pęka, częściowo się zwęgla spalonych włosów
Poliuretany średnia nie żółtawy lekko zwęgla się ostry charakterystyczny
Celuloza a) regenerowanab) azotanc) octan duża bardzo, duża średnia nie nie nie jasnożółtyżółty, bardzo gorący, spalanie gwałtowne żółty, nieco czarnego dymu bardzo niewiele zwęglonej masy bez napełniaczy spala się całkowicie topi się i spływa palącymi kroplami charakterystyczny dla papieru i waty charakterystyczny, gdy zgaśnie charakterystyczny dla kwasu octowego
Akrylonitryl włókna średnia nie żółty, trzaski, iskierki•a \" czarna, zwęglona;••, ,„.., o ,Ł ?A . • . —- spalonego rogu, odczyn alkaliczny

Uproszczona identyfikacja niektórych tworzyw sztucznych


Skład tworzyw sztucznych


Tworzywa sztuczne są materiałami, w których najistotniejszy składnik stanowią związki wielkocząsteczkowe, syntetyczne lub pochodzenia naturalnego.
Oprócz związku wielkocząsteczkowego tworzywo sztuczne zawiera zwykle składniki dodatkowe, które nadają mu korzystne właściwości użytkowe. Składniami tymi mogą być:

a) Barwniki- substancje naturalne lub syntetyczne, używane do barwienia różnorodnych materiałów (tkanin, papieru, skór, drewna, tworzyw sztucznych, żywności, kosmetyków).
W cząsteczkach barwników znajdują się ugrupowania chromoforowe, dzięki którym związki te selektywnie absorbują promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym, oraz auksochromy, nadające barwnikom powinowactwo do materiałów barwionych.
Ze względu na metodę wykonania barwienia barwniki dzieli się na: bezpośrednie, kwasowe, zasadowe, lodowe, kadziowe, zaprawowe.

Klasyfikacja chemiczna oparta jest na rodzaju ugrupowania chromoforowego. Rozróżnia się (w nawiasie podano chromofor i przykład barwnika danej grupy):
- barwniki azowe (─N = N─, oranż metylowy),
- barwniki chinoidowe (O = C6H4 = O, alizaryna),
- barwniki dwufenylometanowe ((Ar)2 C = N, oranż akrydynowy NO),
- barwniki iminochinoidowe (N = C6H4 = O lub N = C6H4 = N, błękit indofenolowy),
- barwniki azynowe (błękit metylenowy),
- indygoidy (indygotyna),
- barwniki nitrowe (─ NO2, kwas pikrynowy),
- barwniki nitrozowe (─ NO, trwała zieleń O),
- barwniki polienowe ((─ C = C ─)n, żółcień chinolinowa),
- barwniki pironowe (pyronina G),
- barwniki trójfenylometanowe ((Ar)2C = Ar, zieleń malachitowa).

b) Pigmenty- substancje barwne, w stanie rozdrobnienia stosowane do wyrobu farb oraz barwienia tworzyw sztucznych, włókien syntetycznych, wyrobów ceramicznych, gumy, papieru.
Pigmenty nieorganiczne, zwane mineralnymi, dzieli się na naturalne (farby ziemne) i sztuczne (sole i tlenki metali otrzymywane sztucznie). Do pigmentów nieorganicznych zalicza się także pigmenty otrzymywane z metali nieżelaznych np. glinu, miedzi i ich stopów.
Pigmenty organiczne, również dzieli się na naturalne i syntetyczne. Naturalne występują w organizmach żywych, np. chlorofil, hemina, sepia, indygo. Natomiast syntetyczne (stanowiące najliczniejszą i najważniejszą grupę pigmentów ze względu na zastosowanie) są najczęściej nierozpuszczalnymi barwnikami: azowymi, antrachinowymi, lakami barwnymi.

Do najważniejszych pigmentów nieorganicznych należą:
- Pigmenty białe: biel cynkowa (ZnO), biel ołowiana, biel tytanowa.
- Pigmenty czarne: sadze.
- Pigmenty żółte: żółcień kadmowa (CdS+BaSO4), żółcień chromowa (PbCrO4), żółcień cynkowa
- Pigmenty czerwone: czerwień kadmowa (CdS + CdSe), cynober, glejta ołowiana, minia ołowiana, czerwień żelazowa (Fe2O3).
- Pigmenty zielone: zieleń chromowa (Cr2O3),
- zieleń szwajnfurcka
- Pigmenty brunatne: ochra, umbra. Pigmentów błękitnych: ultramaryna, lazur miedziowy

Niektóre pigmenty oprócz właściwości barwienia substancji wykazują także inne cechy: świecenie - pigmenty świecące (luminofory) lub zmianę barwy wraz ze zmianą temperatury - pigmenty termoczułe. Mają zastosowanie do produkcji farb świecących i termometrycznych.

c) Stabilizatory- substancje chemiczne zapobiegające lub opóźniające samorzutne i niekorzystne przemiany chemiczne innych substancji, np.: artykułów spożywczych, leków, polimerów, zawiesin i emulsji, do których dodawane są w niewielkich ilościach. Stabilizatory osłabiają działanie czynników termicznych, hydrolitycznych, biologicznych i świetlnych.

d) Napełniacze, wypełniacze, obciążniki- substancje wprowadzane do tworzyw sztucznych, mieszanek gumowych, farb i in. w celu poprawy ich własności mechanicznych, elektroizolacyjnych i przeciwpożarowych oraz obniżenia ich ceny. Najczęściej stosowane napełniacze to: mączka drzewna i kamienna, ziemia okrzemkowa, pył metalowy, sadze, grafit, ścinki, włókna, tkaniny szklane, azbest, miki, a także pigmenty.

e) Zmiękczacze, plastyfikatory- ciecze - na ogół oleiste - o małej lotności
(np. wysokowrzące estry) lub ciała stałe, które mieszają się homogenicznie z polimerem, nie wchodząc z nim w reakcję. Dodatek zmiękczaczy do polimerów powoduje obniżenie temperatury kruchości i mięknienia oraz podwyższenie odkształcalności i sprężystości. Ułatwione zostaje także przetwórstwo polimeru. Zmiękczacze powinny być stabilne chemicznie, nietoksyczne, nie pogarszać własności dielektrycznych polimeru.
Zmiękczacze dzieli się na: pierwszorzędowe, mieszające się z tworzywem w każdym stosunku ilościowym, oraz drugorzędowe, mieszające się w stopniu ograniczonym (w razie nadmiaru zmiękczacz “wypaca się\").

Ze względu na pochodzenie zmiękczacze dzieli się na: naturalne, np. olej słonecznikowy, oraz syntetyczne - estry, ketony itp. Do najczęściej stosowanych zalicza się: estry kwasu ftalowego (ftalan dibutylowy, ftalan di(2-etyloheksylowy)), zmiękczacze fosforanowe (fosforan tri (2-etyloheksylowy), fosforan trikretylowy), adypinianowe, sebacyniany, stearyniany (jako zmiękczacz kauczuku i lakierów), epoksydowe oleje roślinne oraz zmiękczacz z estrów kalafonii i jej pochodnych.




Reakcje polimeryzacji i polikondensacji prowadzące do otrzymania tworzyw sztucznych



Polimery- związki wielkocząsteczkowe otrzymywane z monomerów w procesie polimeryzacji. Polimery mogą być utworzone z łańcuchów prostych lub rozgałęzionych, albo mieć budowę usieciowaną. Zależnie od ułożenia łańcuchów w przestrzeni rozróżnia się polimery ataktyczne o strukturze nie uporządkowanej oraz polimery stereospecyficzne o budowie regularnej (polimery izotaktyczne, syndiotaktyczne itp.).



Otrzymywanie polimerów


Wyjściowymi surowcami do otrzymywania monomerów są przede wszystkim ropa naftowa i gaz ziemny (baza petrochemiczna) oraz węgiel kamienny. Procesy otrzymywania monomerów są przedmiotem technologii związków organicznych, a zagadnienia dotyczące wytwarzania polimerów wchodzą w zakres technologii chemicznej tworzyw sztucznych. Procesami przekształcania polimerów w wyroby użytkowe zajmuje się natomiast technologia przetwórstwa tworzyw sztucznych.
Reakcje chemiczne otrzymywania polimerów z monomerów, tj. wytwarzania syntetycznych związków wielkocząsteczkowych, są nazywane zwyczajowo polireakcjami.


Rozróżnia się trzy podstawowe typy polireakcji, którymi są:


1. Polimeryzacja- proces chemicznego tworzenia się związku wielkocząsteczkowego (polimeru) za związku małocząsteczkowego (monomeru), przy czym pod względem składu chemicznego polimer stanowi wielokrotność monomeru, który ulega przekształceniu najczęściej wskutek zerwania podwójnego wiązania; nie wydzielają się przy tym żadne produkty uboczne.


Polimer Monomer Niektóre nazwy handlowe Zastosowanie
— CH2— CH2— CH2— CH2— CH2 — ...polietylen H2 C ═ CH2etylen lupolen,hostalen.politen* naczynia, folia
— CH2— CH — CH2— CH — CH2 — ... │ │ Cl Cl polichlorek winylu— CH2— CH— CH2— CH— CH2 — ... polistyren H2 C ═ CH │Clchlorek winyluH2 C ═ CHstyren PCW.hostalit.igelitmipołamstyroflexstyropor.trolitulluran.styropian* rury, węże.materiał izolacyjny.tkaniny wodoszczelneartykuły użytkowe, tworzywa piankowe,materiał izolacyjny
— CH2— CH— CH2— CH— CH2— ... │ │C ≡ N C ≡ Npoliakrylonitryl H2 C ═ CH│C≡ Nakrylonitryl orlon.dralonPANanilana włókna syntetyczne
CH3 CH3│ │ — CH2 — C— CH2 — C—CH2 — ... │ │ C ═ O C ═ O │ │ O — CH3O ─ CH3polimetakrylan metylu CH3│CH2 ═ C│C ═ O│O ═ CH3metakrylanmetylu pleksiglasmetapleks* nietamliwe szkło

* oznaczono tworzywa polskie


Jeżeli łączą się ze sobą monomery jednakowe to taką reakcję nazywa się homopolimeryzacją, jeżeli różne monomery to kopolimeryzacją. Polimeryzacja ma mechanizm łańcuchowy, przy czym odróżnia się polimeryzację wolnorodnikową prowadzoną w obecności inicjatorów i polimeryzację jonową, tzn. anionową lub kationową, które prowadzi się w obecności katalizatorów najczęściej typu Friedela i Craftsa.


Sposoby prowadzenia polimeryzacji:

- w masie (tzw. polimeryzacja blokowa). Odbywa się ona poprzez ogrzewanie monomeru w fazie stałej, ciekłej lub gazowej z inicjatorem lub katalizatorem w reaktorach chemicznych. Produktem polimeryzacji blokowej jest stały polimer (blok, taśma lub pręt) o wysokiej czystości i dużej masie cząsteczkowej. Polimeryzacja prowadzona jest w sposób ciągły lub periodyczny.

- w rozpuszczalniku. Polimeryzacja prowadzona jest w podwyższonej temperaturze. Jako produkt otrzymuje się polimer o małej polidyspersyjności i mniejszej masie cząsteczkowej w porównaniu z produktami polimeryzacji blokowej. Polimeryzacja prowadzona jest sposobem periodycznym lub półciągłym.

- w emulsji (polimeryzacja emulsyjna). Monomer przed polimeryzacją poddaje się zdyspergowaniu w wodnym roztworze emulgatora. Inicjatorami polimeryzacji w emulsji są: nadtlenek wodoru, wodoronadtlenek kumenu, nadsiarczany i układy redoksowe. Do środowiska reakcji dodaje się związków pomocniczych, które regulują pH środowiska reakcji oraz napięcie powierzchniowe. Polimeryzacja prowadzona jest w sposób ciągły lub periodyczny. Produktem polimeryzacji jest wodna zawiesina polimeru, tzw. lateks.

- w zawiesinie (polimeryzacja suspesyjna, czyli perełkowa). Inicjator polimeryzacji jest rozpuszczony w kroplach monomeru zdyspergowanych w odpowiednim roztworze koloidów organicznych [np. poli (alkohol winylowy)] lub zawiesinie soli nieorganicznych (np. fosforan wapniowy), które działają stabilizująco. Polimeryzacja prowadzona jest w sposób periodyczny. Uzyskany polimer ma postać gładkich lub porowatych perełek.


2. Polikondensacja (polimeryzacja kondensacyjna)- proces chemicznego tworzenia się związku wielkocząsteczkowego (polikondensatu) wskutek reakcji zachodzącej między związkami małocząsteczkowymi, przeważnie z wydzieleniem produktów ubocznych- najczęściej wody. Polikondensacja zachodzi stopniowo, przy czym na każdym etapie ustala się stan równowagi. Łańcuchy polikondensatów nie są nigdy czysto węglowe, zawierają zawsze heteroatomy. Polikondensację określa się również jako proces powstawania związków wielkocząsteczkowych zawierających ugrupowania, których nie ma w małocząsteczkowych związkach wyjściowych. Do procesów polikondensacji mających duże znaczenie przemysłowe należą: otrzymywanie. fenoplastów, aminoplastów, alkidali, poliamidów, politereftalanu glikolu, żywic epoksy, tworzyw termostabilnych i in.


Polikondensat Związki wyjściowe Nazwy handlowe Zastoso-wanie
─ C C ─ O ─ CH2 ─ CH2 ─ O ─ C C ─ O ─ CH2 ─ CH2 ─ O ─ ...║ ║ ║ ║O O O Opolitereftalan etylenu (poliester) HO ─ C C ─ OH║ ║O Okwas tereftalowyHO — CH2 — CH2— OHglikol terylentreviradiolen.vestanelana* włóknasyntetyczne
CH3 CH3─ C ─ O C O ─ C ─ O C 0 ─ ...║ │ ║ │O CH3 O CH3poliwęglan CH3HO C OH │CH3dian O║Cl — C — Clfosgen makrolon, bistan* folia, rury, przedmiotyużytkowe
─ C ─ NH ─ (CH2) 6 ─ NH ─ C ─ (CH2) 4 ─ C ─ NH ─ (CH2) 6 ─ NH ─ ...║ ║ ║O O Opoliamid HOOC— (CH2) 4— COOHkwas adypinowy H2 N— (CH2) 6 — NH2sześciometylenodwuamina nylon 66 włóknasyntetyczne
─ C ─ NH ─ (CH2) 5 ─ C ─ NH ─ (CH2) 5 ─ C ─ NH ─ (CH2) 5 ─...║ ║ ║O O Opoliamid CH2CH2 N C ═ O CH2 CH2CH2kaprolaktam perlon.stiion.* tarnamitkapron.**dederon*** włókna syntetyczne
* oznaczono tworzywa polskie
** oznaczono tworzywa radzieckie
***oznaczono tworzywa produkcji NRD


3. Poliaddycja (polimeryzacja addycyjna) ma charakter pośredni między polimeryzacją a polikondensacją. Podobnie jak polikondensacja jest to reakcja przebiegająca w sposób stopniowy, lecz w odróżnieniu od niej nie jest procesem odwracalnym. Przyłączanie kolejnych cząsteczek monomeru do rosnącego polimeru przebiega tu dość szybko, podobnie jak w procesie polimeryzacji. Nie następuje też wydzielanie się ubocznych produktów małocząsteczkowych, co dodatkowo upodabnia poliaddycję do polimeryzacji. Polimery otrzymywane w wyniku poliaddycji mają ten sam skład chemiczny co monomery, lecz różnią się od nich budową. Mechanizm reakcji polega najogólniej na przemieszczaniu (przeskoku) atomu wodoru w cząsteczce monomeru, umożliwiając tym samym wzrost łańcucha polimeru. Typowym przykładem poliaddycji jest reakcja otrzymywania poliuretanów lub żywic epoksydowych.




Produkt poliaddycji Związki wyjściowe Nazwy handlowe Zastosowanie
CH3 CH2 ─ CH ─ CH2 ─ O C O ─ CH2 ─ CH ─ CH2 ─ ...O CH3 OHżywica epoksydowa CH2HO C OH │CH2dianCH2 ─ CH ─ CH2 ClOepichlorohydryna araldit, epidian* kleje
─ C ─ NH ─ (CH2) 6 ─ NH ─ C ─ O ─ (CH2) 4 ─ O ─ ...║ ║O Opoliuretan 0 ═ C═ N — (CH2) 6—N ═ C═ 0sześciometylenodwuizocyjanian HO ─ (CH2) 4 ─ OHbutanodiol durethandorlan izocyny* (inne typy:desmodur,vulkollan,moltopren) włókna,tworzywa piankowe

* oznaczono tworzywa polskie


Polimery termoplastyczne i termoutwardzalne



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.



Sposoby 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. Bardzo dobre własności przetwórcze termoplastów i mała gęstość, duża odporność na działanie środków silnie korodujących, a także bardzo dobre własności tribologiczne, tłumiące, i inne, przyczyniły się do szybkiego rozwoju produkcji i szerokiego zastosowania wyrobów z tej grupy tworzyw w różnych gałęziach przemysłu.

Przykłady tworzyw sztucznych i ich zastosowanie


1. Polistyren
Otrzymuje się na drodze polimeryzacji styrenu w podwyższonej temperaturze.
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

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
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

W temperaturze pokojowej jest twardy, mało sprężysty, a przy obniżeniu temperatury staje się kruchy. 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

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.
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. Oliweglany
Orzymuje się z trującego fosgenu i dianu.
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

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.

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).

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.