Tworzywa sztuczne - właściwości i zastosowania.

RODZAJE POLIMERÓW:
Syntetyczne tworzywa sztuczne można podzielić na trzy grupy:


a) Polimery termoplastyczne - miękną pod wpływem podwyższonej temperatury. Dzieje się tak, dlatego, że łańcuchy polimerowe mogą poruszać się względem siebie, a efekt ten staje się coraz wyraźniejszy wraz ze wzrostem temperatury. Przykładem może być polistyren lub polichlorek winylu (PVC).

b) Polimery termoutwardzalne – występują tu wiązania porzeczne pomiędzy poszczególnymi łańcuchami polimerowymi, uniemożliwiając ich przesuwanie się względem siebie. Dlatego takie materiały nie stają się plastyczne w wyższych temperaturach. Do tego typu polimerów zaliczyć można bakelit i żywice epoksydowe.

c) chemoutwardzalne, które pod wpływem określonych czynników chemicznych usieciowują się przestrzennie, przy czym stają się nietopliwe i nierozpuszczalne.
Tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne noszą nazwę duroplastów.

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.
Własności mechaniczne tworzyw sztucznych zmieniają się w szerokich granicach, w zależności od rodzaju podstawowego polimeru oraz rodzaju i ilości środków pomocniczych. Za podstawową cechę tworzyw sztucznych uważa się wartość modułu sprężystości podłużnej lub poprzecznej, wg której dzieli się je na: miękkie (wartość - modułu sprężystości wzdłużnej przy zginaniu Eg lub przy rozciąganiu Er poniżej 700 MPa), półsztywne (Eg lub Er w granicach 700 - 7000 MPa), sztywne (Eg lub Er powyżej 7000 MPa). Do podstawowych tworzyw sztucznych zaliczamy: PCV, CPVC, PMMA, PP, PE, PE, PC, PWAL, PA, PTFE, PVAC, PVAC, PUR, ABS, SP, UP, SAN, SI, PIB, PET, PF, PVB.


Charakterystyka wybranych tworzyw sztucznych powstałych w procesie polimeryzacji
Polietylen, -[-CH2-CH2-]n-, biała substancja porowata lub biały proszek, gęstość 0,92-0,97 g/cm3, temperatura topnienia 110-137C, termoplast. W zależności od metody polimeryzacji rozróżnia się polietylen wysoko-, średnio- i niskociśnieniowy.
Polietylen ma bardzo dobre własności dielektryczne, jest odporny mechanicznie, wykazuje także odporność na działanie czynników chemicznych i niskich temperatur (do -50C), jest niepolarny. Włókna na bazie polietylenu należą do najbardziej odpornych mechanicznie włókien chemicznych.
Z polietylenu wytwarza się: folie, rury, węże, pojemniki, materiały elektroizolacyjne, kije hokejowe, narty, żagle, liny, kamizelki kuloodporne, zabawki, opakowania.
Polipropylen, -[-CH2-CH(CH3)-]n-, produkt polimeryzacji propylenu, termoplast o barwie biało żółtej. Gęstość 0,90-0,91 g/cm3.
Rozróżnia się: polipropylen izotaktyczny, który zawiera do 95% fazy krystalicznej, jest lżejszy od wody, wykazuje doskonałą odporność na działanie kwasów, zasad, soli nieorganicznych, polipropylen syndiotaktyczny o własnościach pośrednich, polipropylen ataktyczny - zawierający wyłącznie fazę bezpostaciową, o konsystencji plasteliny.
Z polipropylenu wykonuje się folie, rury, koła zębate, obudowy maszyn, łożyska niskoobrotowe, elementy armatury, wykładziny, pojemniki. Z ciągłych włókien polipropylenu produkowane są sznury i sieci rybackie. Włókna cięte są dodawane do mieszanek z wełną i bawełną w przemyśle tekstylnym. Polipropylenowe mikroporowate włókna kapilarne służą do ultrafiltracji i rozdziału gazów.

Poli(chlorek winylu), -[-CH2-CHCl-]n-, PCV, 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 (rozpuszcza się lub pęcznieje w cykloheksanonie, tetrahydrofuranie, pirydynie, dwusiarczku węgla). Rozkłada się pod wpływem temperatury i światła. Jako stabilizatory polichlorku winylu stosowane są: estry kwasu aminokrotonowego, związki cynoorganiczne, pochodne mocznika, stearyniany niektórych metali.
Wskutek kopolimeryzacji (polimeryzacja mieszaniny conajmniej dwóch monomerów) chlorku winylu z octanem winylu, nienasyconymi kwasami wielokarboksylowymi, estrami akrylowymi, akrylonitrylem, olefinami lub chlorkiem winylidenu otrzymuje się tworzywa o zmodyfikowanych własnościach polichlorku winylu, np. lepiej rozpuszczalne w estrach i ketonach, wykazujące większą przyczepność do metali, wyższą wytrzymałość mechaniczną.
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.
Miękki polichlorek winylu jest stosowany jako wykładzina zbiorników. Rurowe membrany z polichlorku winylu służą do ultrafiltracyjnego oczyszczania wody i ścieków (igelit).

Poli(octan winylu), [-CH2-CH(OCOCH3)-]n-, produkt polimeryzacji octanu winylu, termoplast, własności (np. twardość, temperatura mięknienia) uzależnione są od masy cząsteczkowej.
Polioctan winylu jest bezbarwny, nietoksyczny, palny, dobrze rozpuszczalny w metanolu, ketonach, estrach, węglowodorach aromatycznych. Jest składnikiem mas wiążących, klejów, tworzyw powłokowych, apretur.
Jest też półproduktem do otrzymywania poli(alkoholu winylowego). Nazwa handlowa: winacet.
Poli(metakrylan metylu), (szkło organiczne, -[-CH2-C(CH3)( COOCH3)-]n-), produkt polimeryzacji metakrylanu metylu, termoplast. Gęstość 1,18 g/cm3.
Polimetakrylan metylu jest odporny na działanie czynników atmosferycznych, kwasów, zasad, ozonu, węglowodorów alifatycznych oraz niskich temperatur. Ulega natomiast działaniu węglowodorów aromatycznych, ketonów, estrów. Jest palny, nie jest odporny na wysokie temperatury.
Polimetakrylan metylu przepuszcza promieniowanie widzialne w ponad 90%. Z polimetakrylanu metylu (produkowanego w postaci arkuszy, prętów, bloków i rur) wykonywane są klosze świateł sygnalizacyjnych, soczewki, szyby okienne, lotnicze i samochodowe, urządzenia sanitarne, naczynia stołowe i in. wyroby codziennego użytku.
Odpowiednio barwiony znajduje zastosowanie w protetyce dentystycznej. Nazwy handlowe: metapleks, pleksiglas.

Polistyren, -[-CH(C6H5)-CH2-]n-, polimer termoplastyczny. Gęstość 1,05 g/cm3. Jest otrzymywany przez polimeryzację styrenu.
Czysty polistyren jest kruchy, przezroczysty, ma doskonałe właściwości dielektryczne, prawie niezależne od wilgotności otoczenia, odznacza się dużą rozszerzalnością cieplną, wykazuje wrażliwość na działanie promieniowania nadfioletowego. Na powierzchni polistyrenu łatwo gromadzi się elektryczność statyczna.
Polistyren rozpuszcza się w dwusiarczku węgla, pirydynie, estrach, ketonach, węglowodorach aromatycznych i chlorowanych, jest natomiast odporny na działanie większości kwasów, zasad, roztworów soli.
Tworzywa polistyrenowe służą do produkcji: rur kwasoodpornych, manipulatorów, części samochodów, zabawek, opakowań, galanterii, wyrobów codziennego użytku, piankowych materiałów termoizolacyjnych stosowanych w budownictwie i chłodnictwie (np. styropianu).

Politetrafluoroetylen, (policzterofluoroetylen, -[-CF2-CF2-]n-), produkt polimeryzacji tetrafluoroetylenu, termoplast. Ma budowę liniową, jest białym woskowym proszkiem. Gęstość 2,1-2,3 g/cm3, temperatura topnienia 327C.
Politetrafluoroetylen wykazuje odporność na wysokie i niskie temperatury oraz działanie większości odczynników chemicznych (m.in. wody królewskiej), jest niepalny, posiada dużą wytrzymałość mechaniczną i sprężystość.
Jest stosowany w lotnictwie (samoloty odrzutowe) oraz w przemysłach: chemicznym, radiotechnicznym, maszynowym, papierniczym, włókienniczym, farmaceutycznym, spożywczym. Politetrafluoroetylen znany jest pod nazwami handlowymi tarflen (w Polsce) i teflon (w USA).

Poliformaldehyd, -[-CH2-O-]n-, polimer liniowy, termoplastyczny, otrzymany z formaldehydu lub trioksymetylenu. Gęstość 1,4 g/cm3, temperatura topnienia 170-180C. Poliformaldehyd jest bezbarwnym ciałem krystalicznym, bardzo twardym, nierozpuszczalnym w wielu rozpuszczalnikach organicznych.
Ulega działaniu stężonych kwasów i zasad, jest trudno palny. Ulepszone własności poliformaldehydu posiadają kopolimery trioksymetylenu z 1,3-dioksalonem. Z poliformaldehydu wytwarza się: koła zębate, łożyska, membrany, rury, szpule dla przemysłu tekstylnego, części zegarów, protezy dentystyczne, przedmioty codziennego użytku.

Polipropylen, -[-CH2-CH(CH3)-]n-, produkt polimeryzacji propylenu, termoplast o barwie biało żółtej. Gęstość 0,90-0,91 g/cm3.
Rozróżnia się: polipropylen izotaktyczny, który zawiera do 95% fazy krystalicznej, jest lżejszy od wody, wykazuje doskonałą odporność na działanie kwasów, zasad, soli nieorganicznych, polipropylen syndiotaktyczny o własnościach pośrednich, polipropylen ataktyczny - zawierający wyłącznie fazę bezpostaciową, o konsystencji plasteliny.
Z polipropylenu wykonuje się folie, rury, koła zębate, obudowy maszyn, łożyska niskoobrotowe, elementy armatury, wykładziny, pojemniki. Z ciągłych włókien polipropylenu produkowane są sznury i sieci rybackie. Włókna cięte są dodawane do mieszanek z wełną i bawełną w przemyśle tekstylnym. Polipropylenowe mikroporowate włókna kapilarne służą do ultrafiltracji i rozdziału gazów.

Oznaczenia tworzyw sztucznych

1. PET - politereftalan etylenu: butelki na napoje i wodę o obj. 1,5 i 2 litry, a ostatnio także 0,33 l, czasem jednolitrowe na tłuszcze.
2. HDPE (PE-HD) - gęsty (sztywny) polietylen: butelki na domowe chemikalia, nakrętki na butelki, zazwyczaj cienkie woreczki i folia \"szeleszcząca\".
3. PVC (V) - polichlorek winylu, winyl (pcw): butelki na tłuszcze (czasem też na wodę), opakowania na żywność (np. sałatki), opakowania zabawek.
4. LDPE (PE-LD) - rzadki (miękki) polietylen: plastykowe torby, woreczki (\"nieszeleszczące), butelki do zgniatania (np. z ketchupem).
5. PP - polipropylen: podobnie do polietylenu.
6. PS - polistyren: tacki, foremki na jajka, kubki - najczęściej spotykany w formie styropianu (polistyren spieniony) i dzięki temu łatwy do rozpoznania.

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.


TEFLON

Teflon, którym pokrywa się w środku nowoczesne garnki, jest najbardziej śliskim tworzywem znanym technologii. Ma współczynnik tarcia prawie taki jak lód. Gdyby, zatem pokryć ulice i drogi teflonem, nie dałoby się po nich chodzić ani jeździć.
Dzięki warstwie teflonu, zwanego także PTFF, do patelni nie przywiera jajecznica ani domowe krówki. PTRE używa się do pokrywania różnych powierzchni, np. części maszyn, których ruch wymaga minimalnego tarcia.
PTFE to jeden z najciekawszych materiałów stworzonych przez człowieka. Jego śliskość nie jest jedyną niezwykłą cechą. Jest odporny na ekstremalne temperatury, bardzo wysokie i bardzo niskie, w zasadzie jest obojętny chemicznie, jest tez izolatorem.
PTFEE to skrót od politetrafluoroetylenu. Odkrył go właściwie przypadkowo amerykański inżynier dr Roy Plunkett, gdy w 1938 r prowadził badania dla firmy Du Pont nad substancjami do chłodzenia lodówek. Du Pont nadał nowo odkrytemu związkowi chemicznemu handlową nazwę Teflon.
Teflon jest trudny w obróbce i początkowo znalazł zastosowanie w tak zwanej produkcji specjalnej, czyli w przemyśle zbrojeniowym. Natomiast nie był powszechnie stosowany do czasu, aż francuski inżynier Mark Gregoire wykazał jego przydatność w gospodarstwie domowym. Pierwsze patelnie teflonowe, które wyprodukował w połowie lat pięćdziesiątych nazwano Tefal. W ślad za nimi inni zaczęli masowo produkować naczynia kuchenne do gotowania i pieczenia pokryte warstwa PTFE.
Jednakże już w latach czterdziestych teflon znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle. Ze względu na jego śliskość pokrywano nim trzpienie utrzymujące walce obrotowe. Trzpienie te są samosmarujące, gdyż śliskość zastępuje smar. Teflon wzmacniany jest innym tworzywem, np. włóknem szklanym lub grafitem. Związków takich używa się, gdy w obiegu mamy substancje chemiczne, które wchodzą w reakcję z metalami i wywołują korozje- np. pompy do przetłaczania kwasu.

Obojętność na kwasy:

Teflon jest obojętny na działanie substancji chemicznych włącznie z wrzącymi kwasami i zasadami. Nawet rozpuszczalnik złota i srebra- woda królewska nie działa na teflon. Wchodzi on w reakcje chemiczne jedynie z ciekłym sodem, ciekłym wapieniem, a także bardzo gorącym fluorem.
Obojętność chemiczna teflonu sprawia, że nie zanieczyszcza gotowanego na nim jedzenia. Właściwie nie ma żadnego wpływu na substancje organiczne, włączając tkanki ludzie. Dlatego znalazł zastosowanie w transplantacjach i chirurgii odtwórczej. Wykorzystywany jest także w formie splątanych włókien nasączanych węglem do rekonstruowania kości twarzy.
Ponieważ nie przewodzi prądu, jest wspaniałym izolatorem kabli. Dodatkową zaletą teflonu jest zachowanie plastyczności w temperaturach –270*C do 260*C.
Izolację z PTFE wykorzystuje się w przewodach statków kosmicznych, na które działają ekstremalne temperatury. Na orbicie okołoziemskiej raz jest on poddawany wysokiej temperaturze, gdy znajdzie się w promieniach słońca, potem znowu temperaturom znacznie poniżej zera, gdy wejdzie w strefę Ziemi .

Jak wytwarza się teflon:

Unikalne właściwości chemiczne teflonu wynikają z budowy chemicznej. Każda cząsteczka PTFE składa się z długiego „kośćca” –łańcucha atomów węgla, z których każdy związany jest z dwoma atomami fluoru. Wiązania chemiczne między atomami węgla i fluoru są wyjątkowo silne, dlatego tez teflon nie wchodzi w reakcje z innymi związkami.
Sąsiadujące ze sobą cząsteczki są również połączone wiązaniami węglowo-fluorowymi. Związek atomów w tym wiązaniu jest mocniejszy niż w jakichkolwiek innych związkach chemicznych. Właśnie, dlatego nic nie przywiera do teflonu. Mocne wiązania między cząsteczkami gwarantują, że PTFE nie topi się nawet w wysokich temperaturach.
PTFE wyrabiany jest z chlorodifluorometanu, popularnego czynnika chłodzącego do lodówek freonu 22. Amerykański inżynier odkrył, że podgrzewany freon 22 wydziela gaz- tetrafluoroetan.
Gdy tetrafluoroetan,pod ciśnieniem 40-59 atmosfer przy obecności nadtlenku jako katalizatora, zmienia strukturę chemiczną, by przeobrazić się w sypki proszek PTFE.
Ponieważ teflon nie topi się normalnie, dodaje się do niego specjalne spoiwo i wkłada do formy. Proszek, poddany wysokiemu ciśnieniu i wysokiej temperaturze,stapia się w jednolitą masę. Do produkcji naczyń teflonowych zawiesinę sproszkowanego PTFE w wodzie rozpyla się na powierzchni garnka , a następnie wypala .
Ze względu na wysokie koszty produkcji teflon był początkowo używany jedynie w przemyśle zbrojeniowym. Metalowe powierzchnie powlekane teflonem stawały się odporne na zadrapania i korozję. Zmniejszało się także ich tarcie. Teflon wykorzystano również podczas pracy nad bombą atomową, a w czasie wojny - do zabezpieczania urządzeń używanych podczas przetwarzania uranu na \"paliwo\" do bomby. Od 1969 roku amerykańska firma Gore zastosowała teflon przy produkcji tkanin. Powstała wówczas tkanina o nazwie goreteks. Obecnie teflon jest wykorzystywany m.in. jako izolator przewodów elektrycznych oraz w chirurgii plastycznej. Ze względu na odporność na wysokie temperatury stosuje się go również w drukarkach laserowych i kopiarkach.