Tworzywa sztuczne

Tworzywa sztuczne odgrywają podstawowa role w życiu ludzkości. Pojawiają się w coraz to nowych dziedzinach naszego życia. Znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach życia, doskonale zastępują metal, drewno.

Tworzywa sztuczne, to materiały, których głównymi (a niekiedy jedynymi) składnikami są naturalne lub syntetyczne polimery. Większość polimerów jest dziełem człowieka, ale istnieją też polimery naturalne. Takim jest na przykład celuloza – związek powszechnie występujący w tkankach roślinnych, główny składnik drewna.
Polimery otrzymuje się na drodze reakcji polimeryzacji- czyli reakcji łączenia się cząsteczek monomeru w łańcuch, któremu nie towarzyszy powstawanie żadnych produktów ubocznych (np. reakcja polimeryzacji etylenu). Reakcja polimeryzacji przebiega według schematu:
n R-CH = CH2 --> -[-CHR - CH2-]- n
W zależności od warunków prowadzenia polimeryzacji można otrzymać polimery o różnej masie cząsteczkowej i różnych właściwościach, a tym samym o różnym przeznaczeniu praktycznym. Do najważniejszych przykładów polimerów powstałych przez polimeryzację monomerów należy polietylen, polipropylen, polichlorek winylu, polioctan winylu i polimetakrylan metylu, polistyren.
Polimery można również otrzymać w wyniku polikondensacji nazywanej często polimeryzacją kondensacyjną. Jest to reakcja łączenia się wielkiej ilości cząsteczek monomeru lub konomerów w makrocząsteczki polikondensatu, podczas którego wydzielają się: woda, wodór lub inne proste związki jako produkty uboczne. Reakcja polikondensacji w przeciwieństwie do reakcji polimeryzacji jest reakcją stopniową przebiegającą wolniej. Polimeryzacja kondensacyjna nie jest procesem samorzutnym i wymaga doprowadzenia energii z zewnątrz. Wzrost łańcucha makrocząsteczki przebiega powoli, a szybkość tego procesu zależy od temperatury, od szybkości usuwania małocząsteczkowych produktów ubocznych oraz od ilości i charakteru katalizatora(zazwyczaj od stężenia jonów wodorowych).Podczas polikondensacji ustala się, podobnie jak przy zwykłej kondensacji, stan równowagi. Klasycznym przykładem reakcji polikondensacji jest reakcja poliestryfikacji. W wyniku reakcji kwasów dikarboksylowych z alkoholami diwodorotlenowymi (glikolami) powstają odpowiednie poliestry oraz woda.
n HOOC-R-COOH + n HO-R'-OH --> (n-1)H-[OOC-R-COO-R']n-OH +(n-1) H2O

Tworzywa sztuczne mają różnorodne własności: jedne są twarde i kruche, inne-miękkie, odznaczające się dużą sprężystością. Na ogół są one lekkie, mają przewodnictwo cieplne, są odporne na korozje, na wilgoć, są łatwe do formowania i barwienia. Wadą wszystkich tworzyw sztucznych jest wrażliwość na temperaturę powyżej 100 stopni Celcjusza. Własności tworzyw sztucznych zależą w zasadzie od ich podstawowego składnika-substancje wielo cząsteczkowe, lecz odpowiedni dobór dodatków może je gruntownie zmienić.

Podział tworzyw sztucznych.
Tworzywa sztuczne ze względu na własności fizyczne i technologiczne dzielimy na trzy grupy- termoplastyczne, termoutwardzalne i elastomery.
Termoplastyczne- są zbudowane z makrocząsteczek w zasadzie liniowych, rzadziej rozgałęzionych, dzięki czemu są odwracalnie plastyczne w podwyższonych temperaturach, a twarde w temperaturze otoczenia, dzieje się tak dlatego, że łańcuchy polimerowe mogą poruszać się względem siebie. Przetwórstwo tworzyw termoplastycznych polega na ogrzaniu ich do stanu plastycznego, odpowiednim ukształtowaniu i następnym ochłodzeniu. Do najważniejszych tworzyw termoplastycznych zaliczamy:
•Polistyren- jest produktem polimeryzacji styrenu, bezbarwne, przezroczyste ciało stałe, kruche, odporne na działanie kwasów (z wyjątkiem kwasu azotowego HNO3), zasad, alkoholi, olejów, rozpuszcza się w węglowodorach aromatycznych, ma dobre właściwości dielektryczne, małą odporność cieplną, jest palny. Stosowany jest do wyrobu materiałów elektroizolacyjnych, części samochodów, rowerów, lodówek, naczyń, pojemników, zabawek, galanterii. Z polistyrenu można także otrzymać styropian – doskonały, lekki materiał izolacyjny.

•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 temp. topnienia (180- 270C) przy czym obszar mięknięcia -poprzedzający topnienie -wynosi zaledwie 5C. W czasie spalania poliamidy wydzielają charakterystyczny, duszący zapach. 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.

Z poliamidów produkuje się: koła zębate, łożyska, części maszyn, rury ciśnieniowe do cieczy, folie opakowaniowe, żyłki wędkarskie, sztuczne kości i ścięgna, włókna itp.
•Polimetakrylan metylu- doskonale przeźroczystym tworzywem, Łatwo daje się kształtować, polerować i obrabiać mechanicznie. Wytwarzany jest w postaci jest w postaci płyt, bloków, prętów i rur. Stosowany jest na szyby lotnicze i samochodowe, soczewki, reflektory, artykuły gospodarstwa domowego, elementy maszyn biurowych i instrumentów muzycznych, elementy dekoracyjne itp.
•Polichlorek winylu- produkt polimeryzacji chlorku winylu (chloroetenu). Czysty PVC jest twardy, niepalny, odporny na działanie rozcieńczonych kwasów i zasad, alkoholi, benzyny, rozpuszcza się w wielu rozpuszczalnikach organicznych, ma dobre właściwości dielektryczne, małą odporność cieplną, ulega rozkładowi pod wpływem ciepła i światła. Znajduje zastosowanie w produkcji rur, armatury sanitarnej, elementów budowlanych, przyborów kreślarskich, opakowań, uszczelek, wykładzin podłogowych i tapicerskich, powłok ochronnych, folii ubraniowych i galanteryjnych, sztucznej skóry, cewników, drenów.
•Polietylen- otrzymywany przez polimeryzację etylenu (etenu). 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.

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.
Termoutwardzalne- zwane też żywicami utwardzanymi, cechuje przestrzennie usieciowana budowa, tworząca się pod wpływem podwyższonej temperatury (tworzywa termoutwardzalne lub czynników chemicznych (tworzywa chemoutwardzalne). W związku z tym cechuje je sztywność, stabilność wymiarowa, nie rozpuszczalność i nietopliwość oraz doskonale własności elektroizolacyjne. Główną wadą jest kruchość i niemożność powtórnego formowania. Najbardziej znane to:
•Fenoplasty- otrzymywane są w procesie polikondensacji fenoli z aldehydami (głównie z formaldehydem). charakteryzują się dobrymi własnościami mechanicznymi, dielektrycznymi i termicznymi. Fenoplasty w postaci żywic lanych wykorzystuje się do wyrobu galanterii, uchwytów narzędzi, form itp., w postaci tłoczyw do prasowania na wyroby powszechnego użytku, części elektrotechniczne, obudowy aparatów telefonicznych, radiowych i fotograficznych, z tłoczyw zawierających azbest i opiłki metalowe wykonuje się okładziny cierne hamulców i sprzęgieł. Fenoplasty w innych postaciach znajdują zastosowanie jako dodatki do lakierów, klejów, kitów, spoiwa itp. oraz laminatów.
•Aminoplasty- są tworzywami termoutwardzalnymi na podstawie żywic mocznikowych i melaminowych, otrzymywanych w wyniku polikondensacji związków aminowych z formaldehydem. Wyroby z nich cechuje twardość, sztywność, odporność na działanie wody i rozpuszczalników, odporność cieplna (100-120C), bezwonność i bezbarwność, możliwość dowolnego barwienia. Stosowane są w postaci tłoczyw, laminatów, tworzyw piankowych, klejów do drewna, wyrobów lakierniczych i żywic technicznych do uszlachetniania w papiernictwie, włókiennictwie i garbarstwie.
•Żywice silikonowe-wielkocząsteczkowe związki krzemu, pośrednie między substancjami organicznymi i nieorganicznymi, o bardzo zróżnicowanych własnościach (elastyczne, twarde i bardzo twarde), stosowane w postaci tłoczyw (na kształtki elektroizolacyjne), laminatów na nośniku z włókien szklanych lub azbestowych (elementy transformatorów i maszyn elektrycznych) oraz lakierów.
Elastomery- tworzywa o dobrych właściwościach sprężystych. W skład tej grupy wchodzą wszystkie związki gumopodobne, w tym guma oraz sztuczny i naturalny kauczuk. Podczas ich produkcji powstaje ściśle określona ilość wiązań poprzecznych pomiędzy łańcuchami molekuł. W rezultacie powstają materiały elastyczne, które można mocno rozciągać, używając stosunkowo niewielkich sił i które powracają do pierwotnego kształtu po ustąpieniu siły rozciągającej.
•Guma- jest produktem wulkanizacji kauczuku naturalnego lub sztucznego z siarką, przyspieszaczami i aktywatorami. Dobierając odpowiednie składniki można produkować gumę miękką i twardą, odporną na ścieranie, odporną na działanie paliw i smarów, kwasów i gazów. Własności gumy zależą przede wszystkim od ilości i charakteru dodatków, a zwłaszcza od zawartości siarki związanej z kauczukiem. Zastosowanie gumy jest olbrzymie, można ją spotkać na każdym kroku w postaci opon i dętek, węży gumowych, uszczelek, odzieży i obuwia wodoodpornego itp.
•Kauczuk syntetyczny – główny składnik gumy. Stosuje się go w przemyśle samochodowym, do produkcji węży, ubrania gumowego, obuwia.

Zastosowanie tworzyw sztucznych.
Tworzywa sztuczne znalazły szereg zastosowań. Wielko wymiarowe wyroby z tworzyw sztucznych z pominięciem formowania wtórnego można wykorzystać na uszczelki, izolacje płaszczyzn, opakowania, odzież, rurociągi, listwy przypodłogowe, taśmy itp. Niektóre tworzywa stanowią bardzo cenny surowiec do bezwiórowej(plastycznej)lub wiórowej produkcji części maszyn i przyrządów.
Tradycyjne materiały opakowaniowe (drewno, szkło i metale) wypierane są przez tworzywa sztuczne, są to różne folie, np. worki samonośne, różne torby i torebki, folia do pakowania mleka. Pomocniczymi materiałami są taśmy samoprzylepne (folia, jak i klej są substancjami wielkocząsteczkowymi), kolorowe sznurki i tasiemki, zapinki, zatrzaski i spinacze, które rozszerzają zakres zastosowań torebek i pudełek.
Tworzywa sztuczne są stosowane również w gospodarstwie domowym. Dotyczy to nie tylko sprzętu kuchennego, ale i wyrobów toaletowych oraz materiałów będących jedynie wyposażeniem mieszkaniowym.
Dzięki fizjologicznej objętości prawie wszystkich polimerów i możliwości ich stosowania w styczności z organizmem żywym, i to nie tylko w krótkotrwałych kontaktach, ale i na stałe zastosowanie tworzyw sztucznych w medycynie jest szerokie. Specjalną pozycję zajmują włókna sztuczne z medycynie. Najszersze zastosowanie osiągnęły strzykawki jednorazowego użytku wytwarzane np. z polipropylenu, cewniki, dreny, a z najbardziej skomplikowanych wyrobów sztuczna nerka wyrabiane są z polietylenu (rurki, cewniki), polichlorku winylu (rurki, naczynia), celofanu (folie półprzepuszczalne do dializy pozaustrojowej). W stomatologii stosuje się polimetakrylan metylu, w okulistyce sztywne i elastyczne szkła kontaktowe, w chirurgii nici (włókna w medycynie).
Tworzywa sztuczne w rolnictwie spełniają różnorodne funkcje,np. folia z polietylenu (PE) wydatnie zwiększyła możliwości upraw cieplarnianych, zarówno przez budowę pneumatycznych obiektów, jak i pokrywanie konstrukcji nośnej. Dobra izolację termiczną spełnia również cienka folia (np. 0,03 mm) rozpięta nad tradycyjną szklarnią. Do wykładania silosów z kiszonkami, zabezpieczania przed wilgocią stoków i kopców z produktami rolnymi stosuje się folię z polichlorku winylu (PCW). Rury, zwłaszcza z PE, służą do doprowadzania wody, a cienkościenne do bezpośredniego nawadniania poprzez mikrozaworki.
Przykłady wyrobów z tworzyw sztucznych.
· oringi
· uszczelki do łożysk krytych
· tulejki do amortyzatorów
· uszczelki do zaworów i butli gazowych
· uszczelki zapalacza gazu
· wyroby gumowe ogólnego zastosowania
· simeringi

· Izolacja przewodów elektrycznych

· kosze do łożysk tocznych
· tłoczyska do pralek automatycznych
· zaciski
· tulejki
· czujniki temperatury

· wieszaki


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. Korzystanie z tworzyw sztucznych wiąże się z powstawaniem olbrzymiej ilości odpa-dów. Ostatnie badania wykazały, że są one mniej szkodliwe, niż początkowo sądzono, jednak sprawa ich utylizacji nie znalazła dotąd jednoznacznego rozwiązania. Ponad 85 procent od-padów tworzyw sztucznych zakopuje się lub spala. Alternatywą może być recykling, czyli powtórne ich użycie po odpowiednim przetworzeniu.