Tworzywa sztuczne powstające w reakcjach polimeryzacji

Polimeryzacja jest to proces łączenia się ze sobą cząsteczek reaktywnego związku chemicznego, zwanego monomerem, z utworzeniem cząsteczki polimeru, bez wydzielenia się produktów ubocznych. Najczęściej stosowanymi monomerami są związki organiczne, zawierające w swojej cząsteczce wiązanie podwójne. Reakcja polimeryzacji przebiega według schematu:
n R-CH = CH2 --> -[-CHR - CH2-]- n

Powstający polimer ma budowę łańcuchową. Jeżeli jednak w cząsteczce monomeru znajduje się więcej niż jedno wiązanie podwójne, to w określonych warunkach mogą powstawać produkty usieciowane przestrzennie, które charakteryzują się tym, że są nietopliwe i nierozpuszczalne. Monomery są związkami stosunkowo trwałymi. Reakcja polimeryzacji przebiega dopiero wówczas, gdy cząsteczki monomeru zostaną zaktywowane przez wprowadzenie do układu reakcyjnego wolnych rodników, powstałych przez układ odpowiednich inicjatorów (nadtlenki organiczne) lub naświetlanie promieniami ultrafioletowymi. Możliwe jest również zainicjowanie polimeryzacji monomeru określonymi katalizatorami.Polimeryzację monomeru można prowadzić w masie (metodą blokową), w zawiesinie wodnej (metodą suspensyjną), w emulsji lub w roztworze. 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, polimetakrylan metylu, polistyren, politetrafluoroetylen, poliformaldehyd, polipropylen, które noszą miano tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne, zwane także plastomerami, są to materiały wytworzone z polimerów przez połączenie ich z określonymi dodatkami, takimi jak napełniacze, pigmenty, barwniki, zmiękczacze, stabilizatory, antystatyki i środki zmniejszające palność.

Napełniacze są to związki chemiczne zarówno nieorganiczne (talk, kreda, ziemia okrzemkowa, proszki metali i inne), jak i organiczne (celuloza, mączka drzewna, tkaniny itp.), które zmieszane z określonym polimerem poprawiają jego niektóre właściwości użytkowe, a równocześnie często obniżają cenę gotowego tworzywa.

Pigmenty są to barwne substancje chemiczne, nierozpuszczalne w polimerze, które nadają barwę otrzymanemu tworzywu, a równocześnie czynią go nieprzeźroczystym.

Barwniki są to barwne substancje organiczne, rozpuszczalne w danym polimerze z przeznaczeniem do otrzymania barwnych, przezroczystych tworzyw.

Zmiękczacze, czyli plastyfikatory są to substancje, które rozpuszczają częściowo polimer z utworzeniem roztworu koloidalnego, który przechodzi w stały żel charakteryzujący się dobrymi właściwościami elastoplastycznymi.

Stabilizatory są to substancje, które wprowadzone do tworzywa zwiększają jego odporność na określone czynniki, takie jak temperatura, oddziaływanie promieni ultrafioletowych i inne. Tworzywa stabilizowane charakteryzują się zwiększoną odpornością na starzenie.

Antystatyki są to substancje, których dodatek zapobiega elektryzowaniu się powierzchni tworzywa.

Tworzywa sztuczne w zależności od swego przeznaczenia dzieli się na:
- konstrukcyjne do wytwarzania określonych wyrobów
- elastoplastyczne, czyli folie
- adhezyjne, czyli kleje
- powłokowe (farby lakiery)
- włóknotwórcze
- porowate (pianki i gąbki)
- specjalne (wymieniacze jonowe).

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.

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).

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 białożółtej. 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 białożółtej. 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.