Tworzywa syntetyczne

Do tworzyw syntetycznych zaliczymy polietylen i polichlorek winylu, tzw. PCW (PVC).Rozpowszechnione są także włókna syntetyczne. Elana, torlen i bistor to tzw. włókna poliestrowe, otrzymane w wyniku polimeryzacji estrów. Do włókien syntetycznych poliamidowych zaliczamy, na przykład, nylon, stylon -tworzywa niezbędne przy produkcji pończoch, dzianin bieliźnianych, płaszczy przeciwdeszczowych. W zależności od zachowania się polimerów w podwyższonej temperaturze dzielimy je na:
-termoutwardzalne i chemoutwardzalne (np. żywice poliuretanowe, epoksydowe), czyli takie, które pod wpływem wysokiej temperatury lub związków chemicznych (utwardzaczy) nieodwracalnie twardnieją i po utwardzeniu nie miękną w podwyższonej temperaturze;
-termoplastyczne [np. poli(chlorek winylu), polistyren, polietylen], czyli takie, które po ogrzaniu miękną, a po oziębieniu twardnieją.

Raz uformowany przedmiot z tworzywa termo- i chemoutwardzalnego nie może być przerobiony na inny. Natomiast nieużyteczny przedmiot z tworzywa termoplastycznego można stopić i przerobić na inny. Na wyrobach codziennego użytku często spotykamy znaki wskazujące, że materiał, z którego są one wykonane, można wykorzystać jako surowiec wtórny.

Powszechne stosowanie tworzyw sztucznych i syntetycznych, szczególnie opakowań jednorazowego użytku, stworzyło poważny problem ekologiczny zanieczyszczenia środowiska odpadami. Enzymy wytworzone przez bakterie nie rozkładają tworzyw syntetycznych, które przez wiele lat zanieczyszczają otoczenie. Jedynym wyjściem jest produkcja tworzyw ulegających biodegradacji -łatwo się rozpadających w środowisku naturalnym bez wytworzenia substancji trujących. W przypadku użycia glicyny (jednego z amninokwasów) do produkcji poliamidu uzyskuje się tworzywo rozkładalne przez bakterie w ciągu niespełna dwóch tygodni.

Optyczna identyfikacja tworzywa jest niemożliwa ze względu na podobieństwo ich właściwości fizycznych oraz na to, że przedmioty nie są wykonywane z czystych polimerów, ale zawierają również wypełniacze, barwniki itp. W celu ustalenia, z jakim tworzywem mamy do czynienia, jego próbkę poddajemy spalaniu. Na podstawie wyglądu płomienia oraz właściwości otrzymanych produktów określamy rodzaj tworzywa.




NAZWA TWORZYWA ZAPŁON CARAKTERYSTYKA PŁOMIENIA WŁAŚCIWOŚCI PRODUKTU
Celuloza łatwy żółty zapach palonego papieru
Celuloid łatwy żółty spalanie całkowite
Jedwab naturalny, wełna nie pali się, lecz topi - brunatna substancja o zapachu palonego białka
Polietylen łatwy dolna częśc płomienia żółta, wierzchołek - niebieski, a sam polietylen topi się przy płomieniu - spływa kroplami zapach parafiny
Polistyren łatwy bladożółty, kopcący słodkawy, kwiatowy zapach
Poli(chlorek winylu) trudny, gaśnie po wyjęciu z płomienia żółty, na brzegach zielonkawy czarna postać po spaleniu, białe dymy, zapach chlorowodoru
Poliamidy trudny, płonie po wyjęciu z płomienia lekko niebieski zapach palonego białka
Poliestry trudny, gaśnie po wyjęciu z płomienia jasnożółty, iskrzący i mocno kopcący słodkawy, kwiatowy zapach


Celuloid
Celuloid jest mieszaniną azotanu celulozy (zwanego potocznie, choć niepoprawnie nitrocelulozą) i kamfory. Jest to ciało stałe, elastyczne, przezroczyste (lub sztucznie barwione). Żółknie pod wpływem światła. Nie jest odporny na ścieranie,. łatwo daje się zadrapać i zarysować. Przy obróbce mechanicznej należy pracować w miękkich rękawiczkach. Cienkie arkusze kroić nożycami, grubsze piłą do metali po uprzednim ogrzaniu w gorącej wodzie. Do innych (poza cięciem) metod obróbki stosuje się narzędzia do drewna. Celuloid można polerować woskiem ale również dobre efekty uzyskuje się przez krótkotrwałe zanurzenie w acetonie. Celuloid ma właściwości termoplastyczne. Pod obciążeniem mechanicznym odkształca się już w temp. 40C. Temperatura kształtowania w formach wynosi 70-110C. Jest bardzo łatwo palny. Próbka wprowadzona do płomienia palnika spala się gwałtownie jasnym płomieniem wydzielając dużo sadzy i brunatne dymy tlenków azotu. Przy spalaniu można wyczuć zapach tlenków azotu i kamfory. Ogrzewany w probówce rozkłada się gwałtownie (niebezpiecznie przy większych próbkach). Celuloid jest odporny na działanie rozcieńczonych kwasów i zasad (stężone roztwory rozkładają go), węglowodorów, smarów, olejów i tłuszczów. Rozpuszcza się w ketonach i estrach. W alkoholach pęcznieje. Klejenie przedmiotów z celuloidu można przeprowadzić roztworem otrzymanym przez rozpuszczenie 5 g celuloidu W 45 g acetonu i dodanie 2 g octanu etylu. Sklejane powierzchnie smaruje się cienko i dociska. Klejenie samym acetonem daje spoinę nieprzezroczystą (mleczną). Typowe zastosowania: zabawki, galanteria, skala przyrządów pomiarowych, przybory kreślarskie, szkło bezodpryskowe (dawniej błony filmowe). Ze względu na łatwopalność wypierany jest przez octan celulozy.


Poli(chlorek winylu)

Polichlorek winylu otrzymuję się przez polimeryzację chlorku winylu (CH2=CH-Cl). Tworzywo to jest białym proszkiem, który dzięki właściwościom termoplastycznym może być przemieniony w przedmiot o pożądanym kształcie. Przed wprowadzeniem do formy dodaje się zmiękczacza (ftalan lub adypinian dioktylu) i po starannym wymieszaniu ogrzewa w formie w 150-160C przez godzinę. W zależności od ilości dodanego zmiękczacza otrzymuje się PCV twardy, zwany winidurem (ok. 5% zmiękczacza) lub PCV miękki, zwany igelitem lub skajem (do 50% zmiękczacza). Bez zmiękczacza otrzymuje się przedmiot kruchy, a ponadto nie da się go wyjąć z formy, ponieważ przykleja się do każdego metalu. Twardy PCV może być obrabiany mechanicznie za pomocą narzędzi do drewna lub metali. Przy obróbce wydzielają się nieznaczne ilości chlorowodoru, które w obecności wilgoci powodują korozję narzędzi. PCV można polerować, ale należy unikać przegrzania powierzchni, gdyż wtedy pojawia się zmatowienie. Podczas ogrzewania PCV mięknie przy 60-70C, topi się w 140-170C i wytrzymuje krótkotrwałe ogrzewanie do temp. 200C bez rozkładu. Wprowadzony do płomienia zapala się po kilku sekundach dając żółty, na brzegach zielonkawy płomień. Jednocześnie wydziela się chlorowodór. Po wyjęciu z płomienia próbka gaśnie od razu, ale chlorowodór wydziela się jeszcze przez pewien czas. Miękki PCV może się palić dalej i iskrzyć (przebieg spalania zależy od rodzaju plastyfikatora). PCV jest odporny na działanie kwasu solnego i siarkowego, rozcieńczonego azotowego, 20% NaOH i KOH, amoniaku, roztworu sody, olejów mineralnych, alkoholi, benzyny. Rozpuszcza się w ketonach (aceton, cykloheksanon itp.), estrach, tetrahydroOuorenie, dioksanie, pirydynie, toluenie, ksylenie, chlorku etylenu, dwusiarczku węgla i dimetyloformamidzie (nieplastyfikowany, tylko w cykloheksanonie i tetrahydrofuranie). W celu sklejenia twardego PCV rozpuszcza się 5 g żywicy PCV (typ F) w mieszaninie 25 g acetonu i 20 g toluenu (lekko ogrzewając w ciepłej wodzie). Przed użyciem klej należy ogrzać. Można również rozpuścić 7 g drobno sproszkowanego winiduru w 40 cm3 trichloroetylenu (tri) na 500 łażni wodnej stale mieszając. Po ochłodzeniu należy dodać 50 cm3 acetonu i starannie wymieszać. Niezależnie od rodzaju kleju powierzchnie przeznaczone do klejenia należy oczyścić papierem ściernym i odtłuścić benzyną lub acetonem. Bezpośrednio po nałożeniu warstwy kleju, powierzchnie należy złączyć i pozostawić pod naciskiem 1-3 min. Dopiero po 24 godz. spoina nabiera pełnej wytrzymałości. Klej do klejenia miękkiego PCV uzyskuje się przez rozpuszczenie 15 g skrawków folii igelitowej lub 10 g żywicy PCV (typ F) w 90 g cykloheksanonu (na zimno, mieszając od czasu do czasu). Oczyszczone jak wyżej powierzchnie smaruje się cienką warstwą kleju, łączy i pozostawia na 20-30 min. pod naciskiem. W sprzedaży znajdują się gotowe kleje do PCV. Z twardego PCV produkuje się rury dla przemysłu chemicznego, przewody wodociągowe i kanalizacyjne, rynny, przybory kreślarskie, płyty, opakowania (pudełka), profile budowlane i meblowe, instalacje wentylacyjne, pompy, zbiorniki itp. Z miękkiego PCV produkuje się: węże (ogrodnicze, dla przemysłu chemicznego, do izolacji elektrycznej), okładziny poręcz, uszczelki, płyty dachowe i podłogowe, aparaty do przetaczania krwi, folie ubraniowe i galanteryjne, sztuczna skórę.


Celuloza, błonnik

Jest to nierozgałęziony biopolimer o cząsteczkach złożonych z kilkuset do kilkunastu tysięcy jednostek glukozy połączonych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Celuloza wchodzi w skład ścian komórkowych większości roślin, niekiedy stanowiąc kilkadziesiąt procent ich suchej masy drzewa. Obok ligniny jest to jeden z najpowszechniej występujących biopolimerów. Mimo, że jest niezmodyfikowanym wielocukrem, jej znaczenie jako substancji pokarmowej dla organizmów wyższych jest ograniczone. Większość zwierząt nie ma enzymów które umożliwiały by rozkład celulozy. Niektórzy roślinożercy posługują się w tym celu symbiotycznymi bakteriami lub pierwotniakami (np. termity czy parzystokopytne) inni celulozę po prostu wydalają (np. koniowate). Celuloza stanowi cenny surowiec. Nieprzetworzona jako składnik drewna jest jednym z pierwszych materiałów stosowanych przez człowieka. Przetworzona mechanicznie jest głównym składnikiem papieru i tektury. Wreszcie przekształcona chemicznie wchodzi w skład różnych produktów chemii przemysłowej. Celuloza jest praktycznie nierozpuszczalna w większości rozpuszczalników organicznych, jednak można ją rozpuścić w stężonym roztworze kwasu octowego lub NaOH. W obu przypadkach proces rozpuszczania jest połączony z reakcjami chemicznymi wolnych grup hydroksylowych z kwasem lub NaOH. W wyniku reakcji z kwasem octowym powstaje rozpuszczalny w wodzie octan celulozy, który po wytrąceniu roztworem NaOH jest dobrym polimerem włóknotwórczym zwanym sztucznym jedwabiem. Z octanu celulozy produkowano także niegdyś płyty gramofonowe. Z kolei w wyniku przetłoczenia roztworu celulozy w NaOH przez sita zanurzone w mieszaninie kwasu siarkowego i dwusiarczku węgla uzyskuje się włókno wiskozowe powszechnie stosowane do produkcji bandaży, gazy wyjałowionej i innych materiałów opatrunkowych.


Poliamidy

Poliamidy (nylony). Polskie nazwy handlowe: polan, tarlon, tarnamid (wszystkie dotyczą poliamidu 6, czyli polikaprolaktamu). Poliamidy otrzymuje się przez:
• polikondensację dwukwasów z diaminami,
• polikondensację v-aminokwasów
• polimeryzację laktamów.

W nazwach zwyczajowych typu poliamid 6, poliamid 6,6, poliamid 6,10 itd. jedna cyfra sygnalizuje, że poliamid jest produktem polikondensacji (V-aminokwasu lub polimeryzacji laktamu i oznacza liczbę atomów węgla w łańcuchu aminokwasu (indeks k we wzorze II). Dwie cyfry arabskie sygnalizują, że poliamid jest produktem polikondensacji dwukwasu z dwuaminą. Pierwsza cyfra (indeks i we wzorze I) oznacza liczbę grup metylenowych w dwuaminie, druga -liczbę atomów węgla w dwukwasie (indeks j plus 2 we wzorze I).
Poliamidy są w znacznym stopniu krystaliczne, bezbarwne lub kremowe, dają się łatwo barwić. Są trudno ścieralne, wytrzymałe mechanicznie, niełamliwe. Wydłużają się o 50% zanim ulegną zerwaniu. Poliamidy dobrze obrabiają się mechanicznie narzędziami do metali (z wyjątkiem pilnika). Wszystkie poliamidy są termoplastami. Mają wysoką temperaturę topnienia (180-270C w zależności od typu) przy czym obszar mięknięcia - poprzedzający topnienie - wynosi zaledwie 5C. W czasie spalania poliamidy wydzielają charakterystyczny, duszący zapach przypominający zapach palonego rogu lub palonych włosów. Barwa płomienia jest niebieskawa z żółtym obrzeżem. Tworzywo topi się w czasie palenia i gaśnie po wyjęciu z płomienia. Poliamidy są odporne na działanie większości rozpuszczalników organicznych (węglowodory, chloroform, alkohole, ketony, etery, estry). Nie są odporne na działanie kwasów i stężonych zasad. Poliamid 6 rozpuszcza się w m-krezolu, chlorofenolu, kwasie octowym, mrówkowym, stężonym kwasie siarkowym i bezwodniku octowym.
Przedmioty wykonane z poliamidów można kleić roztworem otrzymanym przez rozpuszczenie 4 g poliamidu w 20 cm3 kwasu mrówkowego lub bezwodnika octowego (na gorąco). Przed klejeniem powierzchnie przeciera się gruboziarnistym papierem ściernym, następnie powleka się je klejem i ściska na dwie doby. Niewielkie powierzchnie wystarczy zwilżyć kwasem mrówkowym lub octowym, odczekać 10-15 min, zwilżyć ponownie i po upływie 5 min silnie docisnąć. Klej do poliamidów można też sporządzić przez rozpuszczenie 2 g drobno pokrojonego poliamidu w 20 cm3 15% kwasu solnego (na gorąco). Spoina schnie 12 godzin i wymaga starannego wypłukania wodą. Z poliamidów produkuje się: koła zębate, łożyska, części maszyn, rury ciśnieniowe do cieczy, folie opakowaniowe, żyłki wędkarskie, sztuczne kości i ścięgna, włókna itp.


Polietylen


POLIETYLEN polimer , otrzymywany przez polimeryzację etylenu (etenu). Polimeryzację etylenu można prowadzić w trojaki sposób: a) pod wysokim ciśnieniem 127-245 MPa (1300-2500 at), w temp. 150-250.C, w obecności tlenu lub nadtlenków organicznych jako inicjatorów polimeryzacji (p o małej gestości, tzw. PE-LD); b) b) pod ciśn. średnim 2,5-9,8 MPa (25-110 at), w temp. 75-300.C, w obecności katalizatorów molibdenowych lub chromowych (polietylen o dużej gęstości, tzw. PE-HD); c) pod ciśn Poniżej 1 MPa (10 at). w temp. poniżej 100.C, w obecności metaloorg. katalizatorów Zieglera .i Natty (również p. o dużej g~tości, tzw. PH--HD). Polietylen jest tworzywem o doskonałych właściwościach dielektrycznych, znacznej elastyczności i udarności, dobrych właściwościach mechanicznych, dużej odporności na działanie kwasów, zasad, soli i większości związków organicznych. Właściwości i zastosowanie polietylenu zależą w znacznym stopniu od jego odmiany: PE-LD o gęstości 0,910-0,935 g/cm jest bardziej elastyczny, lecz mniej odporny na wysoką temperaturę oraz działanie czynników chemicznych niż PE--HD o gęstości 0,936-0,960 g/cm. Polietylen stosuje się gł. do produkcji folii, powłok kablowych do prądów dużej częstotliwości, płyt, rur(do wody pitnej, ścieków i dla przemysłu chemicznego), elementów sprzętu gospodarstwa domowego, zabawek oraz używa się go do powlekania papieru.


Polistyren

Polska nazwa handlowa: POLISTYREN (specjalne gatunki: STYRYPOL, STYROPIAN). Polistyren otrzymuje się przez polimeryzację styrenu. Jest to tworzywo przezroczyste, przepuszcza 90% światła widzialnego, ale dzięki licznym możliwościom barwienia, gotowe wyroby z polistyrenu nie są najczęściej przezroczyste. Ze względu na kruchość i bardzo małe przewodnictwo cieplne polistyrenu, należy unikać obróbki mechanicznej. Możliwe jest tylko krótkotrwałe użycie bardzo ostrych narzędzi (nawęglanych) i równoczesne chłodzenie wodą z mydłem. W przypadku rozgrzania i nadtopienia rejonu obróbki, powstają naprężenia powodujące po pewnym czasie pękanie przedmiotu. Polistyren można polerować, unikając lokalnych przegrzań. Polistyren jest termoplastem, mięknie począwszy od 70C. W temp. 100- 110C może być formowany pod warunkiem, że wytwarzany przedmiot będzie miał niewielkie rozmiary (detale galanteryjne). W większych przedmiotach powstają naprężenia wewnętrzne, które można usunąć przez tzw. sezonowanie wyrobu, tj. ogrzewanie go w temp. 70- 80 w ciągu kilku godzin, potem powolne ochłodzenie do temp. 60C i bardzo szybkie do 20"C.Polistyren wprowadzony do płomienia palnika zapala się gwałtownie i pali się również po usunięciu źródła ciepła, żółtopomarańczowym, silnie kopcącym płomieniem (odróżnienie od polimetakrylanu metylu). Dymy mają zapach hiacyntów. Polistyren jest odporny na działanie kwasów (z wyjątkiem azotowego), zasad, węglowodorów nasyconych, alkoholi, olejów mineralnych i roślinnych. Rozpuszcza się w benzenie, toluenie, styrenie, tetrawodorofuranie, dioksanie, cykloheksanie, dwusiarczku węgla i trichloroetylenie. Do klejenia polistyrenu stosuje się 15% roztwór polistyrenu w trichloroetylenie (tri); czas rozpuszczania 4-6 godzin przy częstym mieszaniu. W celu uzyskania elastycznej spoiny należy dodać do kleju 2- 3%rozpuszczalnika nitro. Sklejone powierzchnie smaruje się dwukrotnie, za każdym razem odczekując 30 min dla odparowania nadmiaru rozpuszczalnika. Następnie dociska się obie powierzchnie i utrzymuje pod naciskiem 2 godz. Pełną wytrzymałość osiąga się po 24 godz. Zamiast tri można użyć benzenu lub toluenu. W wielu przypadkach wystarczy zwilżyć rozpuszczalnikiem krawędzie i w chwilę potem docisnąć je. W sprzedaży znajdują się gotowe kleje. Z polistyrenu produkuje się materiały elektroizolacyjne, części lodówek, naczynia, pojemniki, zabawki, galanterię itp.

Poliuretan

Polska nazwa handlowa: POLES lub IZOCYN(z odpowiednim symbolem cyfrowym lub literowym).Poliuretany są produktami poliaddycji dioli z diizocyjanianami (patrz s. 401). Dobierając odpowiednio substraty można otrzymywać tworzywa o bardzo różnorodnych właściwościach od typowych dla mas wtryskowych, poprzez tworzywa piankowe i włókna sztuczne aż do klejów i lakierów. Niektóre poliuretany są termoplastyczne, inne -termoutwardzalne. Poliuretany palą się powoli, żółtym płomieniem nie gasnącym po usunięciu palnika. Spalaniu towarzyszy charakterystyczny zapach izocyjanianu. Typowe zastosowania: włókna odzieżowe, oplot przewodów, detale galanteryjne i elektrotechniczne, zabawki, lakiery do malowania podłóg (utwardzane), guma do opon, podeszwy butów, materiały spienione (izolacje cieplne i akustyczne), elementy nadwozi samochodowych.