Tworzywa sztuczne i syntetyczne - referat

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.
Do szczególnych cech i zalet tworzyw sztucznych, którym zawdzięczają one tak szerokie rozpowszechnienie, należy zaliczyć przede wszystkim:
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.


1. 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) 2C=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 (ZnCrO4⋅Zn(OH)2).
Pigmenty czerwone: czerwień kadmowa (CdS+CdSe), cynober, glejta ołowiana, minia ołowiana, czerwień żelazowa (Fe2O3).
Pigmenty zielone: zieleń chromowa (Cr2O3),
zieleń szwajnfurcka (3Cu(AsO2)⋅ Cu(CH3COO)2).
Pigmenty brunatne: ochra, umbra. Pigmentów błękitnych: ultramaryna, lazur miedziowy (2CuCO3⋅Cu(OH)2).
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.

Większość związków wielkocząsteczkowych jest zbudowana z wielkiej liczby powtarzających się i połączonych między sobą identycznych elementów podstawowych zwanych merami. Dlatego też związki wielkocząsteczkowe noszą również nazwę polimerów (poli – wiele). Ze względu na pochodzenie można je najogólniej podzielić na trzy podstawowe grupy:
naturalne związki wielkocząsteczkowe występujące w przyrodzie (celuloza, białko, kauczuk)
związki wielkocząsteczkowe otrzymywane z polimerów pochodzenia naturalnego w wyniku modyfikacji polegającej na chemicznej zmianie właściwości polimerów naturalnych;
syntetyczne związki wielkocząsteczkowe wytwarzane na podstawie reakcji chemicznej ze związków małocząsteczkowych.
Związki małocząsteczkowe, które stanowią substancje wyjściowe do otrzymywania syntetycznych związków wielkocząsteczkowych składają się z niewielkiej liczby atomów (nie przekraczającej zwykle kilkunastu) i noszą nazwę monomerów (mono – jeden). Otrzymywanie syntetycznych związków wielkocząsteczkowych polega na łączeniu się między sobą cząsteczek monomerów z wytworzeniem wielkich cząsteczek czyli tzw. makrocząsteczek. Jako substancje małocząsteczkowe stosowane w charakterze monomerów można wymienić np. etylen, styren, chlorek winylu, fenol, formaldehyd. Z monomerów tych otrzymuje się odpowiednie polimery: polietylen, polistyren, poli(chlorek winylu), fenoplasty.


2. Postacie handlowe tworzyw sztucznych
Do przetwórstwa na wyroby gotowe dostarcza się zwykle tworzywa sztuczne w postaci żywic, tłoczyw lub półwyrobów (półfabrykatów). Żywice sztuczne mogą występować jako tzw. żywice techniczne do bezpośredniego przetwórstwa lub stanowić surowiec wyjściowy do wytwarzania tłoczyw, laminatów, farb i lakierów, klejów i kitów, past lub kompozycji proszkowych do otrzymywania powłok itp.

a) Żywice techniczne są dostarczane użytkownikom w postaci cieczy o różnej konsystencji, najczęściej gęstopłynnej. W skład ich mogą wchodzić niekiedy różne środki pomocnicze, jak napełniacze, zmiękczacze, pigmenty lub barwniki itp. W zależności od przeznaczenia rozróżnia się następujące rodzaje żywic technicznych:
żywice lane (odlewnicze) do wytwarzania odlewów,
żywice do produkcji gotowych wyrobów z tworzyw wzmocnionych włóknem szklanym (laminatów) metodą formowania niskociśnieniowego,
żywice do bezpośredniego wytwarzania powłok ochronnych na metalach,
żywice do klejenia różnych materiałów,
żywice do wykonawstwa rdzeni w przemyśle odlewniczym,
żywice do impregnacji różnych materiałów

b) Tłoczywa są to półprodukty do formowania wyrobów z tworzyw sztucznych pod ciśnieniem i w podwyższonej temperaturze. Otrzymuje się je z żywic sztucznych z dodatkiem napełniaczy i innych środków pomocniczych. Mogą one mieć postać proszku, granulek, krajanki lub skrawków tekstylnych nasyconych żywicą. Tłoczywa z tworzyw termoplastycznych (np. z polietylenu) są nazywane zwyczajowo granulatem i przetwarza się je przede wszystkim metodą wtrysku lub wytłaczania. Przetwórstwo tłoczyw z tworzyw termoutwardzalnych (np. tłoczyw fenolowych) prowadzi się metodą prasowania lub wtrysku.
Wyroby otrzymywane z tłoczyw noszą nazwę wyprasek.

c) Półfabrykaty (półwyroby) z tworzyw sztucznych uzyskują postać wyrobu gotowego po odpowiedniej obróbce wykończeniowej, która nadaje im ostateczny kształt użytkowy, np. w wyniku: formowania próżniowego, zgrzewania, obróbki wiórowej. Są one dostarczane w postaci folii, płyt, bloków, rur, prętów, węży itp. Do półwyrobów z tworzyw sztucznych zalicza się również laminaty wytwarzane w postaci płyt, rur i prętów.

d) Folie są to elastyczne (w temperaturze pokojowej) wyroby o ograniczonej grubości, około 0,5 mm dla tworzyw twardych i około 1 – 2 mm dla tworzyw miękkich. Dostarcza się je zwykle w postaci ciągłych taśm lub pociętych arkuszy. Folie otrzymuje się metodą wytłaczania, kalandrowania lub odlewania, natomiast przetwarza najczęściej przez formowanie próżniowe i łączy przez zgrzewanie.

e) Laminaty (wyroby warstwowe) są utworzone z wielu warstw nośnika, złączonych w całość za pomocą żywicy – zazwyczaj pod zwiększonym ciśnieniem. W charakterze nośników stosuje się najczęściej tkaniny z włókna szklanego, tkaniny bawełniane lub azbestowe i papier. Do nasycania tych nośników są używane przede wszystkim żywice poliestrowe, epoksydowe, fenolowe, aminowe. Półwyroby z laminatów są materiałami sztywnymi i można je obrabiać mechanicznie.


3. Klasyfikacja tworzyw sztucznych
Szybki rozwój wytwarzania i przetwórstwa tworzyw sztucznych, wprowadzenie do produkcji nowych gatunków tworzyw oraz rosnąca liczba oznaczeń handlowych zadecydowały o konieczności dokonania klasyfikacji tej grupy materiałów. Próby takiej klasyfikacji podejmowano od dawna, przyjmując różne kryteria podziału. Przy każdej klasyfikacji, jaką próbowano przeprowadzić, wysuwano różne zastrzeżenia. Tak więc należy stwierdzić, że brakuje dotychczas całkowicie zadowalającego i ogólnie przyjętego systemu podziału tworzyw sztucznych. Najbardziej są rozpowszechnione obecnie dwie klasyfikacje tworzyw: chemiczna i technologiczna.





a) Klasyfikacja chemiczna
Za podstawę tej klasyfikacji przyjmuje się metodę otrzymywania związków wielkocząsteczkowych, w wyniku której są wytwarzane tworzywa sztuczne.

Tworzywa naturalnie modyfikowane są otrzymywane ze związków wielkocząsteczkowych pochodzenia naturalnego przez zmianę ich właściwości. Do tej grupy tworzyw sztucznych zalicza się:
pochodne celulozy (octan celulozy, octanomaślan celulozy, azotan celulozy, etery celulozy);
celulozę regenerowaną (celofan);
pochodne kauczuku (chlorokauczuk, cyklokauczuk, chlorowodorokauczuk)
tworzywa białkowe (galalit).

Tworzywa syntetyczne. Za podstawę ich klasyfikacji przyjmuje się ostatni proces polireakcji otrzymując następujące grupy tworzyw sztucznych:
Tworzywa polimeryzacyjne. Tego typu tworzywa powstają w wyniku polimeryzacji tzn. syntezy monomerów, zachodzącej dzięki obecności wiązań nienasyconych lub na skutek rozerwania nietrwałego pierścienia monomeru. Jeżeli łączą się ze sobą monomery jednakowe to taką reakcję nazywa się homopolimeryzacją, jeżeli różne monomery to kopolimeryzacją. Reakcje te przebiegają bez wydzielania się produktów ubocznych oraz bez przegrupowywania się atomów. Przykładami tworzyw polimeryzacyjnych są polichlorek winylu, polistyren, polioctan winylu, polimetakrylan metylu, polietylen, polipropylen.
Tworzywa polikondensacyjne powstają na skutek stopniowej kondensacji dwóch różnych monomerów. Polikondensacja zachodzi z wydzielaniem się produktów ubocznych zwykle wody lub amoniaku z reguły w postaci kondensatu ( stąd nazwa polikondensacji ). Dlatego skład chemiczny produktu polikondensacji różni się od składu chemicznego monomerów. Przykładami tworzyw polikondensacyjnych są żywice fenolowe, aminowe, poliestrowe oraz większość poliamidów. Schemat polikondensacji przedstawiono na rysunku:



Tworzywa poliaddycyjne. Podczas poliaddycji dwie różne składowe tworzą makrocząsteczkę bez wydzielania produktów ubocznych oraz bez wzajemnego nasycania podwójnych wiązań węgla. Często tej reakcji towarzyszy przemieszczenie atomu wodoru w monomerze. Przykładami tworzyw w ten sposób otrzymywanych są żywice epoksydowe, poliuretany.

b) Klasyfikacja technologiczna
Podstawą klasyfikacji są właściwości użytkowe i technologiczne (sposób przetwórstwa) tworzyw sztucznych.

Elastomery. Są to polimery, które nawet po znacznych odkształceniach wracają do swej pierwotnej postaci lub bardzo do niej zbliżonej. Zdolność do odkształceń podczas rozciągania u elastomerów wynosi nawet do kilkuset procent. Inaczej mówiąc temperatura mięknienia- Tm elastomerów jest niższa od temperatury pokojowej czyli Tm<298 K. Przykłady elastomerów: kauczuki syntetyczne, niektóre odmiany polichlorku winylu. Elastomery z uwagi na możliwość utwardzania przez wulkanizację dzielimy na wulkanizujące i niewulkanizujące. Proces wulkanizacji przebiegający najczęściej w podwyższonej temperaturze, polega na kowalencyjnym wiązaniu sąsiednich makrocząsteczek, w miejscach nienasyconych wiązań, za pomocą siarki, tlenu, selenu lub telluru .
Do wulkanizacji można użyć również ZnO, powstają wtedy mostki tlenowe. Sieciowanie między nienasyconymi atomami węgla może nastąpić również w sposób niekontrolowany, pod wpływem tlenu z powietrza, co jest przyczyną twardnienia gumy i jej utraty zdolności do odkształceń elastycznych ( pękanie gumy ). W miarę wzrostu ilości wprowadzanego środka wulkanizującego przechodzimy od miękkiego i rozciągliwego tworzywa jakim jest guma do twardego i sztywnego ebonitu; na przykład na bieżnik opony stosujemy gumę o zawartości 2-3% siarki, a do budowy skrzynek akumulatorowych używa się ebonitu zawierającego 30-35% siarki. Elastomery niewulkanizujące są to natomiast tworzywa z makrocząsteczkami liniowymi lub rozgałęzionymi, nie podlegające procesowi wulkanizacji. Najbardziej znanymi są polichlorek winylu zmiękczony ( PCWzm ) zwany popularnie igelitem (wykładziny podłogowe, rury, kable, uszczelki, tkaniny ) oraz kopolimer etylenu i propylenu ( wstęgi transporterów, rury gazowe, wysokonapięciowe kable, uszczelki ).
Plastomery są to tworzywa o Tm> 298K, czyli takie których wydłużenie sprężyste w temperaturze pokojowej na ogół nie przekracza 100%. Plastomery dzielą się w zależności od zachowania się przy nagrzewaniu na termoplasty (tworzywa termoplastyczne ) i duroplasty. Wśród tych ostatnich wyróżnia się termo- i chemoutwardzalne.
Termoplasty. Tworzywa te ogrzane do wystarczająco wysokiej temperatury miękną aż do plastycznego płynięcia, a po ochłodzeniu ponownie stają się twardym ciałem stałym. Proces ten jest odwracalny pod warunkiem nie przekroczenia temperatury rozkładu tworzywa. Przetwórstwo termoplastów polega na ogrzaniu ich do stanu plastyczności, nadaniu odpowiedniego kształtu, a następnie ochłodzeniu. Tworzywa termoplastyczne mogą być ze sobą łączone przez zgrzewanie, spawanie lub klejenie. Podstawową wadą termoplastów jest bardzo mała odporność na temperaturę. Do najważniejszych termoplastów należą polistyren, poliamidy, polichlorek winylu, polimetakrylan metylu, polietylen, polipropylen, kopolimery ABS oraz polioctan winylu.
Duroplasty. Tworzywa te cechuje przestrzennie usieciowana budowa, tworząca się pod wpływem podwyższonej temperatury (tworzywa termoutwardzalne) lub czynników chemicznych (tworzywa chemoutwardzalne). W związku z tym tworzywa te są sztywne, nierozpuszczalne, nietopliwe oraz posiadają dobre właściwości elektroizolacyjne. Główną ich wadą jest kruchość i brak możliwości powtórnego kształtowania. Duroplastami są fenoloplasty, aminoplasty, żywice epoksydowe oraz żywice silikonowe.


4. 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:
polimeryzacja
polikondensacja (polimeryzacja kondensacyjna)
poliaddycja (polimeryzacja addycyjna).

a) Polimeryzacja jest to proces łączenia się wielu cząsteczek monomeru, któremu nie towarzyszy wydzielanie małocząsteczkowych produktów ubocznych. Proces ten można schematycznie przedstawić następująco:

nA ------------------> (A)n

gdzie: n – liczba cząsteczek monomeru (stopień polimeryzacji);
A – cząsteczka monomeru;
(A)n – makrocząsteczka polimeru.

Polimeryzacja przebiega więc bez zmian składu substancji reagujących. Powstający polimer różni się od monomeru tylko wielkością cząsteczki.
W przedstawionym wyżej procesie reaguje tylko jeden rodzaj monomeru. Taki proces nazywany jest homopolimeryzacją, a otrzymany produkt – homopolimerem.
Jeżeli polimeryzacji ulega natomiast więcej niż jeden rodzaj monomeru, to proces taki nazywa się kopolimeryzacją, a powstały produkt – kopolimerem.
Stosując różne monomery i zmieniając ich wzajemny stosunek ilościowy, można otrzymać kopolimery o różnym składzie i właściwościach.

b) Polikondensacja jest procesem łączenia się wielu cząsteczek substancji wyjściowych (substratów) w związek wielkocząsteczkowy z jednoczesnym wydzieleniem prostego związku małocząsteczkowego – jako produktu ubocznego reakcji, np. wody, chlorowodoru, amoniaku. Skład chemiczny polimeru powstającego w wyniku polikondensacji nie jest identyczny ze składem substancji wyjściowych. Spowodowane jest to wydzielaniem się produktów ubocznych podczas procesu.

c) Poliaddycja 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.


Sposoby prowadzenia polimeryzacji:
polimeryzację blokową (polimeryzację w masie). 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.
polimeryzację w roztworze. Środowiskiem polimeryzacji jest odpowiedni rozpuszczalnik, w którym rozpuszcza się reagenty. 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.
polimeryzację emulsyjną. 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.
polimeryzację w zawiesinie (polimeryzację suspensyjną, perełkową). 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.
polimeryzację w fazie gazowej. Monomerami są gazy o niskiej temperaturze krytycznej, proces polimeryzacji prowadzony jest w adiabatycznych reaktorach rurowych lub autoklawach pod zwiększonym ciśnieniem (kopolimeryzacja).


5. Właściwości tworzyw sztucznych
Coraz szersze stosowanie tworzyw sztucznych, przy bardzo dużej ich różnorodności, zmusiły zarówno odbiorców, jak i producentów do opracowania ujednoliconej i zarazem ogólnie obowiązującej metodyki badań tych materiałów. Takie postępowanie umożliwiło porównanie właściwości poszczególnych tworzyw na podstawie prospektów firmowych i literatury technicznej bez konieczności wykonywania tych samych prób. Do charakterystycznych właściwości tworzyw sztucznych zalicza się:
- podstawowe właściwości fizyczne (gęstość, temperatura płynięcia polimeru, chłonność wody);
- właściwości mechaniczne (wytrzymałość na rozciąganie, moduł sprężystości przy rozciąganiu, wydłużenie przy zer waniu, wytrzymałość na zginanie, wytrzymałość na ściskanie, udarność, twardość, ścieralność);
- właściwości cieplne (temperatura według Vicata, temperatura ugięcia pod obciążeniem, wytrzymałość cieplna według Martensa);
- właściwości elektryczne (oporność właściwa skrośna, oporność właściwa powierzchniowa, wytrzymałość dielektryczna, staranność dielektryczna);
- właściwości optyczne (przepuszczalność światła, współczynnik załamania światła);
- właściwości chemiczne (odporność na działanie substancji chemicznych, odporność na starzenie).



6. Charakterystyka wybranych tworzyw sztucznych

Polietylen, -[-CH2-CH2-]n-,
Jest to tworzywo o doskonałych właściwościach dielektrycznych, dużej odporności na działanie kwasów, zasad, soli i większości związków organicznych. W węglowodorach alifatycznych, aromatycznych i chlorowcopochodnych, polietylen pęcznieje. Polietylen ułożony w ziemi może ulegać zniszczeniu wywołanemu przez pewne gatunki bakterii. Gęstość polietylenu wynosi 0,91 - 0,96 g/cm3. Właściwości mechaniczne i fizyczne polietylenu w temperaturze +20: wytrzymałość na rozciąganie 8 - 33 MPa, brak zapachu, smaku, w dotyku woskowaty o mlecznej barwie . Formowany przez wytłaczanie, rozdmuchiwanie, wtrysk oraz natrysk płomieniowy. Daje się łatwo barwić, źle przyjmuje druk oraz źle się klei. W wyniku polimeryzacji etylenu, prowadzonej pod wysokim ciśnieniem (ok. 200 MPa) w temperaturze 150 – 250 oC, w obecności odpowiednich inicjatorów, otrzymuje się polietylen o małej gęstości ( tak zwany wysokociśnieniowy, HDPE) ). Posiada on stopień polimeryzacji = 500 - 1500 oraz temperaturę topnienia 105 –110 oC [6,12,22].
Jeżeli polimeryzację przeprowadzi się w temperaturze 20 – 150 oC pod normalnym ciśnieniem, ale przy zastosowaniu katalizatorów, to otrzyma się polietylen o dużej gęstości (polietylen niskociśnieniowy, LDPE). Jego stopień polimeryzacji wynosi = 1500 - 90000, a temperatura topnienia wynosi 125 – 130 oC.
Polietylen jest szeroko stosowany do wyrobu folii, opakowań, pojemników, butelek, rur na wodę pitną i dla kanalizacji, do wyrobu artykułów gospodarstwa domowego oraz powłok.

Polipropylen, -[-CH2-CH(CH3)-]n-,
Jest to tworzywo o właściwościach zbliżonych do polietylenu, lecz większej wytrzymałości mechanicznej i cieplnej niż polietylen. Temperatura topnienia 160 - 170oC, wytrzymałość na rozciąganie w temp. +20oC 28-37 MPa , gęstość 0,9 g/cm3. Może być stosowany w temperaturach od –35oC do + 130oC. Długotrwałe używanie w temperaturach powyżej 100oC prowadzi do jego degradacji, którą dodatkowo przyspiesza obecność takich metali jak: miedź, mangan, kobalt. Jest podatny na działanie silnych utleniaczy.
Z polipropylenu produkuje się folie, rury, naczynia do sterylizacji, włókna do produkcji sznurów, sieci rybackich itp. W przemyśle stosowany do wyrobu różnych elementów maszyn: kół zębatych, wałków, osłon itp.
Poli(chlorek winylu), -[-CH2-CHCl-]n-,
Czysty polichlorek winylu jest białym proszkiem, o temperaturze mięknienia 70oC. Odpornym na działanie kwasu solnego, siarkowego i azotowego, rozcieńczonych wodorotlenków sodu i potasu, olejów, wody, amoniaku, alkoholu, benzyny. Rozpuszcza się w cykloheksanonie, estrach, dwusiarczku węgla. Formuje się w temperaturze około 170 oC przez wtrysk, prasowanie, wytłaczanie, odlewanie. Można go spawać lub kleić. W zależności od użytych dodatków otrzymuje się polichlorek winylu twardy lub miękki.
Zarówno polichlorek winylu miękki jak i twardy można poddać spienieniu, otrzymując materiały o dobrych właściwościach termoizolacyjnych, dźwiękochłonnych oraz tłumiących drgania.
Polichlorek winylu twardy jest tworzywem dobrych właściwościach mechanicznych: wytrzymałość na rozciąganie 50 MPa , na ściskanie 60 - 100 MPa. Wyroby można używać w temperaturze +20 – +70 oC
Wykonuje się z niego rury dla przemysłu chemicznego, instalacje wodne, kanalizacyjne, gazowe, wykładziny, materiały budowlane, pojemniki, taśmy magnetofonowe itp.
Polichlorek winylu miękki jest dosyć elastyczny, o dużej udarności. Jest mniej odporny na działanie środków chemicznych. Materiał ten ma właściwości podobne do skóry.
Przykłady zastosowania: folie, ceraty, węże, izolacje termokurczliwe, kształtowniki o różnych przekrojach, podeszwy butów, zabawki, pojemniki, okładki zeszytów.

Polistyren, -[-CH(C6H5)-CH2-]n-,
Polistyren otrzymuje się technicznie na drodze polimeryzacji styrenu w temperaturze około 80oC. Styren otrzymuje się z benzenu i etylenu. W temperaturze pokojowej jest to tworzywo twarde, kruche, bez zapachu, fizjologicznie obojętne. Gęstość polistyrenu wynosi 1,04 - 1,06 g/cm3, wytrzymałość na rozciąganie 30 - 60 MPa Posiada bardzo dobre właściwości elektroizolacyjne . Jest odporny na działanie alkoholi, olejów, kwasów, zasad, wody. Rozpuszcza się w niektórych węglowodorach. Łatwo daje się barwić, formować plastycznie ( w temperaturze powyżej +70oC). Przepuszczalność światła około 90%. Granulat polistyrenu w podwyższonej temperaturze, w wodzie lub parze wodnej ulega spienieniu (styropian) osiągając gęstość w granicach 0,15 - 0,40 g/cm3 oraz bardzo dobrą izolacyjność termiczną.
Wadami polistyrenu są: duża rozszerzalność termiczna, niewielka twardość, zżółknięcie pod wpływem światła słonecznego ( promienie nadfiołkowe ) oraz zdolność do gromadzenia na powierzchni ładunków elektrycznych [6]. Rozróżnia się dwa typy: zwykły (S) - kruchy nie odporny na wysokie temperatury oraz udarowy (G) modyfikowany kauczukiem o lepszych parametrach wytrzymałościowych.
Jest jednym z najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych. Służy do wykonywania obudów urządzeń mechanicznych i elektrycznych. Do wyrobu izolatorów, folii do kondensatorów, przedmiotów gospodarstwa domowego, zabawek, uchwytów narzędzi, części samochodowych, rowerowych, lodówek itp.

Poli(metakrylan metylu), (szkło organiczne, -[-CH2-C(CH3)( COOCH3)-]n-), Tworzywo sztuczne bez zapachu, smaku, charakteryzujące się bardzo dobrą przepuszczalnością światła widzialnego 90 - 99% ( przepuszczalność promieni ultrafioletowych 70%). Posiada gęstość 1,19 g/cm3, wytrzymałość na rozciąganie 75 MPa, wytrzymałość na ściskanie 100 MPa. Łatwo daje się kształtować ( po nagrzaniu do temperatury 140 - 150oC), polerować oraz obrabiać mechanicznie ( toczenie, frezowanie, wiercenie, struganie ). Mało odporny na zarysowania. Jest odporne na działanie światła, wody, rozcieńczonych kwasów i zasad, alkoholu 40%, terpentyny, benzyny, olejów mineralnych. Rozpuszcza się w większości rozpuszczalników organicznych. Jest dobrym izolatorem elektrycznym. Potoczne nazwy: pleksi, pleksiglas, szkło organiczne itp.
Najczęściej wytwarzany w postaci płyt, bloków, prętów, rur. Produkuje się z niego: szyby lotnicze i samochodowe, soczewki, szkiełka zegarków i odblaskowe, szkiełka reflektorów, artykuły gospodarstwa domowego, elementy maszyn i instrumentów muzycznych, elementy dekoracyjne, osłony lamp itp.

Fenyloplasty
Są to żywice syntetyczne powstałe w wyniku polikondensacji fenoli z aldehydami (zwłaszcza z form aldehydami). Właściwości żywic zmieniają się w szerokich granicach w zależności od użytych dodatków w czasie polikondensacji. Ogólnie fenoloplasty można podzielić na żywice do tłoczyw, żywice do odlewów, żywice impregnacyjne oraz tworzywa piankowe.
Tłoczywa charakteryzują się łatwością przetwórstwa, dobrą wytrzymałością oraz niskim kosztem produkcji. Wypraski są nieprzezroczyste, o ciemnej barwie, bardzo odporne na wodę i rozpuszczalniki. Odporne na działanie rozcieńczonych kwasów. Trudnopalne. Nie odporne na działanie ługów. Służą do wyrobu obudów aparatów fotograficznych, zegarków, telefonów, maszyn itp.
Żywice fenolowe lane stosowane do bezciśnieniowego odlewania w otwartych formach, są produkowane jako gęsty, przezroczysty, barwiony syrop. Właściwości odlewów: gęstość 1,28 g/cm3, wytrzymałość na ściskanie 100 MPa , wytrzymałość na zginanie 80 MPa . Służą do wyrobu galanterii, uchwytów narzędzi, wzorników, form itp. Po odpowiedniej modyfikacji produkuje się z nich lakiery, kity.
Żywice impregnacyjne służące do wyrobu laminatów, poprzez prasowanie na gorąco (temperatura 150 - 165oC) warstw papieru, tkaniny lub włókien szklanych nasączonych uprzednio żywicą. Produkowane są w postaci płyt (grubości 1 - 30 mm), kształtek, rur . Stosowane na części maszyn lub urządzeń elektrotechnicznych itp.
Piankowe tworzywa fenolowe o gęstości od 0,02 - 0,1 g/cm3. Posiadają dużą twardość i kruchość. Używane jako materiały termoizolacyjne lub do produkcji opakowań. Czasami do wyrobu elementów dekoracyjnych.

Aminoplasty
Są to tworzywa termoutwardzalne 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 - 120 oC), bezwonność, 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 mocznikowe (karbamidowe). Mocznik jest ostatnim produktem rozkładu moczu ssaków. Można go też uważać za amin kwasu węglowego i jest otrzymywany technicznie w reakcji amoniaku i dwutlenku węgla pod ciśnieniem i w temperaturze +150oC.
Żywice mocznikowe mają podobne właściwości jak żywice fenolowe, z ta przewagą, że są bezbarwne i odporne na działanie światła, całkowicie pozbawione smaku i zapachu oraz są nieco odporniejsze na prądy pełzania. Są mniej odporne na temperaturę i wilgoć oraz posiadają wyższą cenę niż żywice fenolowe. Żywice mocznikowe mają podobne zastosowanie jak fenolowe, ale można je barwić na jasne kolory. Przykładem zastosowania mogą być białe aparaty telefoniczne, elementy instalacji, kolorowe sedesy. W papiernictwie budowlanym - przezroczyste warstwy powierzchniowe, drukowane; zmywalne płytki i tabliczki. Kleje utwardzalne na zimno i gorąco. Ponadto produkuje się również tworzywa piankowe o gęstości 0.006 - 0.012 g/cm3, charakteryzujące się małą przewodnością cieplną i niepalnością .
Do aminoplastów zaliczamy także żywicę melaminową. Melaminę otrzymuje się z wapna, węgla i azotu poprzez azotniak i cyjanoamid. Materiał ten jest nieco droższy od mocznika. Melamina ma lepszą odporność na działanie wody, temperatury i światła od fenoloplastów; lepszą od żywic mocznikowych odporność na prądy błądzące, nie ma zapachu, ma również lepszą od nich twardość powierzchni . Dlatego żywica melaminowa ma zastosowanie szczególnie w produkcji laminatów, ale również artykułów gospodarstwa domowego, elementów instalacji, części izolacyjnych, klei.