Karoltworzywamodyf.doc

ROZDZIAŁ 1:

1. Co to są tworzywa sztuczne?

Są to materiały, których głównym składnikiem jest polimer, czyli związek chemiczny wielocząsteczkowy, składający się z powtarzających się jednostek chemicznych (grup atomów) zwanych merami. Są wytwarzane z produktów chemicznej przeróbki węgla lub gazu ziemnego, a także na bazie polimerów naturalnych, pochodnych celulozy, kauczuku lub białka. Innymi składniki to napełniacze, zmiękczacze (plastyfikatory), pigmenty i barwniki, stabilizatory, opóźniacze palenia, antyutleniacze, termo- i fotostabilizatory, antystatyki i ewentualnie środki porotwórcze.

2. Jak klasyfikujemy tworzywa sztuczne?

Najczęściej podział według struktury (własności reologicznych) na elastoplasty (elastomery) i plastomery, które z kolei dzielą się na termoplasty i duroplasty (duromery). Termoplasty miękną ze wzrostem temp., duroplasty nie miękną, elastoplasty znacznie się rozciągają pod wpływem sił zewnętrznych, a po ich zwolnieniu wracają do wyjściowych wymiarów. Duroplasty dzielimy na termo- i chemoutwardzalne. Według pochodzenia dzielimy na pochodzenia naturalnego (pochodne celulozy lub białka) i syntetyczne. Według składu chemicznego: na związki węgla, wodoru i tlenu; krzemu, tlenu i wodoru; węgla, chloru i wodoru; węgla, azotu, wodoru i tlenu; tworzywa zawierające siarkę, fluor i inne. Według sposobu powstawania na utworzone w wyniku polimeryzacji, polikondensacji lub poliaddycji. Według odporności na temp. można je podzielić na tworzywa o małej lub dużej odporności. Według budowy na piankowe lub lite. Czasem też podział według zastosowania (np. konstrukcyjne, adhezyjne, powłokowe, włóknotwórcze, impregnacyjne).

3. Co to jest mer i monomer ?

Mer jest podstawową cząsteczką konstytucyjną polimeru. Składa się z wielu atomów lub grup atomów, takich jak : H, C, O, Si, CI, F, N. Mery łączą się w łańcuchy dzięki temu, że maja pojedyncze wiązania atomowe między atomami węgla  tworząc polimery. Pomiędzy merami działają wiązania atomowe, a między łańcuchami słabe siły Van der Waalsa. W monomerze występują podwójne wiązania atomowe między atomami węgla, a w merach pojedyncze.

4. Jaką strukturę mają termoplasty i duroplasty ?

Tworzywa sztuczne składają się z makrocząsteczek o budowie łańcuchowej, w których skład wchodzą cząsteczki podstawowe (w ilości 200¸10000) zwane merami, np. etylenu (stad nazwa polimery). Długość makrocząsteczki wynosi 10-6¸10-4 mm, a jej grubość ok. 10-7 mm. Termoplasty: łańcuchy są splecione ze sobą, a między nimi działają siły Van der Waalsa. Duroplasty: między łańcuchami powstaje usieciowanie poprzecznie, w wyniku czego tworzy się pojedyncza cząsteczka - gigant. Gęstość tego sieciowania może być różna. Długość łańcuchów zależy od stopnia polimeryzacji, tzn. liczby cząsteczek podstawowych w makrocząsteczce. Można też określać wielkość makrocząsteczki jej masą molową (jest to iloczyn stopnia polimeryzacji i masy molowej cząsteczki podstawowej, tj. meru). Termoplasty mogą mieć strukturę liniową lub rozgałęzioną. W przypadku struktury liniowej niektóre polimery mogą różnić się taktycznością, przez co rozumie się stopień uporządkowania struktury przestrzennej. Polimery o strukturze uporządkowanej są nazywane izotaktycznymi, a nieuporządkowane ataktycznymi .

5. Jak zależą właściwości od struktury polimerów ?

Termoplasty, ze względu na brak poprzecznego sieciowania, cechują się ciągliwością i elastycznością, ze wzrostem temp. miękną. Rozpuszczają się w organicznych rozpuszczalnikach. Można je łatwo utylizować przez przetopienie i ponowne uformowanie. Ze wzrostem stopnia polimeryzacji (długości łańcuchów) wytrzymałość polimerów i ich temp. mięknięcia wzrasta. Rozgałęzienie łańcuchów również wpływa na właściwości: rozgałęzione mają strukturę pośrednią między liniowymi i usieciowanymi. Rozgałęzianie zmniejsza tendencję do krystalizacji i zapobiega gęstemu upakowaniu łańcuchów, a więc powoduje obniżenie wytrzymałości polimerów. Z kolei zastąpienie atomów wodoru w łańcuchu grupami atomów (metyl, benzen) prowadzi do zwiększenia wytrzymałości polimeru, natomiast zastąpienie atomów wodoru atomami fluoru (Teflon) zwiększa temp. topnienia. Uporządkowanie struktury przestrzennej, którego miarą jest taktyczność niektórych tworzyw (np. polipropylenu lub PCW) silnie wpływa na ich właściwości. Polimery izotaktyczne, które mają podstawniki (w polipropylenie jest to grupa-CH3, a w PCW atomy Cl) zlokalizowane po jednej stronie łańcucha cechują się większą tendencją do krystalizacji, wyższą temp. topnienia i znacznie większym modułem sprężystości i twardością tworzywa. Struktura krystaliczna, o regularnym rozmieszczeniu makrocząsteczek prowadzi do większej gęstości, wyższej temperatury topnienia i wytrzymałości, ale także do mniejszej przezroczystości.  Duroplasty w wyniku poprzecznego sieciowania stają się twarde i kruche. Przy podgrzewaniu nie miękną i nie topią się. Nie rozpuszczają się w rozpuszczalnikach. Ich utylizacja, zwana także recyklingiem, jest więc ograniczona; można je zetrzeć na proszek i dodawać do tworzywa świeżego (przed polimeryzacją), ale to obniża wytrzymałość tworzywa..

6. Naszkicuj schemat struktury elastomerów ?

Elastomery mają podobną strukturę łańcuchów  jak plastomery, z tym że między łańcuchami powstaje usieciowanie za pomocą pojedynczych atomów (np. siarki), czyli tzw. wulkanizacja. Zabezpieczają one przed wzajemnym przesuwaniem się łańcuchów. Mogą być oparte na kauczuku naturalnym lub kauczukach syntetycznych. Zaliczamy: gumy (tworzywa dienowe), ale także niektóre tworzywa termoplastyczne (np. poliuretany liniowe) lub plastomery z dodatkiem zmiękczacza (np. PCW plastyfikowany), silikony i inne.

7. Jakie charakterystyczne właściwości mają elastomery ?

Cechuje je szczególnie duża elastyczność dochodząca do 1200%, przy małym module sprężystości 1¸4 Mpa i pamięć kształtu. Z tego względu są one głównym składnikiem gumy. Elastomery nie topią się, nie zgrzewają i nie rozpuszczają. Można je jednak spęczać i wulkanizować na gorąco.

8 Na czym polega polimeryzacja termoplastów ?

Polimeryzacją nazywamy sposób syntezy tworzyw sztucznych, polegający na łączeniu się pojedynczych cząsteczek tego samego rodzaju (merów) w łańcuchy bez wydzielania produktów ubocznych. Tak np. rodniki etylenowe łączą się tworząc łańcuch polietylenu. Jest to proces egzotermiczny.

9. Na czym polega polikondensacja ?

Polikondensacja, zwana także polimeryzacją kondensacyjną, polega na łączeniu się monomerów w makrocząsteczkę z jednoczesnym wytworzeniem produktu ubocznego (np. wody). Przykładem polikondensacji jest połączenie fenolu z formaldehydem w żywicę fenolową. Produktem ubocznym jest w tym przypadku H2O.

10. Na czym polega poliaddycja ?

Poliaddycja (polimeryzacja addycyjna) polega na wytworzeniu makrocząsteczki wskutek przemieszczania się ruchliwego atomu wodoru, bez wydzielania się produktu ubocznego. Powstały produkt nazywa się poliadduktem.

11. Na czym polega homopolimeryzacja ?

Homopolimeryzacją lub krótko polimeryzacją nazywamy proces łączenia się jednakowych monomerów w łańcuchy. Łańcuchy takie można przedstawiać w różny sposób. Na rys. podano trzy sposoby przedstawienia struktury łańcuchowej polietylenu: trójwymiarowy (a), trójwymiarowy-przestrzenny (b), dwu-wymiarowy, z zaznaczeniem łamanego charakteru łańcucha (c), a na rys. model zwykły dwuwymiarowy.

12. Na czym polega kopolimeryzacja ?

Nazywamy tak łączenie się w łańcuchy różnych merów rozłożonych mniej lub bardziej równomiernie. Z tego względu różne materiały muszą zostać przed polimeryzacją razem połączone w emulsji, zawiesinie lub rozpuszczalniku, aby mogła zajść reakcja kopolimeryzacji. Przykładem jest kopolimer chlorku i octanu winylu stosowany na płyty gramofonowe lub etylen - propylen. Kopolimery mają zwykle korzystniejsze właściwości niż homopolimery. Wprowadza się też termin terpolimeryzacja, jeśli udział w reakcji biorą nie dwa, a trzy monomery, np. terpolimer ABS (akrylonitryl - butadien - styren).

13. Wymień tworzywa zaliczane do termoplastów ?

Polistyren, poliamidy alifatyczne (np. Nylon), PCW, polimetakrylan metylu, polietylen, polipropylen, policzterofluoroetylen, polioctan winylu i azotan celulozy, a także kopolimery (np. etylenu i propylenu).

14. Jakie tworzywa zaliczamy do duroplastów ?

Zaliczamy tworzywa chemoutwardzalne i termoutwardzalne. Tworzywa chemoutwardzalne są to związki, w których usieciowanie następuje pod wpływem czynników chemicznych, tzw. utwardzaczy. Są to żywice epoksydowe (Epidian), poliestrowe, poliuretany, tworzywa silikonowe. Do termoutwardzalnych, które sieciują się pod wpływem podwyższonej temperatury, zalicza się fenoplasty (żywice fenolowo-formaldehydowe) i tworzywa melaminowe lub mocznikowo-formaldehydowe.

l5. Wymień tworzywa zaliczane do elastomerów:

Zalicza się kauczuki naturalny i syntetyczne. Kauczuk naturalny jest produktem roślinnym. Otrzymuje się go z lateksu, czyli soku drzew kauczukowych przez koagulację w wyniku działania kwasu mrówkowego lub octowego. Kauczuki syntetyczne są efektem polimeryzacji związków organicznych. Znane są np. kauczuki butadienowe, akrylowe, chloroprenowe, izoprenowe, butylowe, silikonowe, fluorowe i inne. Są też elastomery niewulkanizujące (termoplastyczne), np. poliuretany, plastyfikowany PCW i inne.

16. Jakie tworzywa sztuczne są wytwarzane z surowców naturalnych i z jakich ?

Wytwarza się pochodne celulozy, która jest produktem pochodzenia roślinnego (najczęściej jest wytwarzana z drewna) i tworzywa pochodzenia białkowego otrzymywane z kazeiny znajdującej się w mleku (np. galalit), a także pochodne kauczuku naturalnego (guma, ebonit).

17. Co to jest celuloza ?

Celuloza, czyli błonnik, jest wytwarzana z drewna drogą ługowania w autoklawach pod ciśnieniem przy temperaturze 130¸170°C przez ok. 20 h. Dodaje się albo wodorotlenek sodu, albo kwaśny siarczyn wapniowy. Uwolniona w tym procesie celuloza ma wzór chemiczny C6H10O5. Następnie przeprowadza się oczyszczanie (usuwanie ługu i płukanie), odwadnianie i suszenie.

18.Jakie tworzywa sztuczne wytwarza się na bazie celulozy ?

Tworzywo na bazie celulozy (nitroceluloza-Celuloid) obok wulkanizacji kauczuku było pierwszym odkryciem z zakresu tworzyw sztucznych dokonanym jeszcze w połowie ubiegłego stulecia. Później wprowadzono do użytku octan i octomaślan celulozy, fibrę, celofan, folie i włókna wiskozowe.

19. Co to jest celuloid ? Jaka jest jego chemiczna nazwa i zastosowanie ?

Celuloid to azotan celulozy otrzymywany w wyniku działania mieszaniny nitrującej (HNO3 + H2SO4) na celulozę. Można go barwić i zadrukowywać, a po podgrzaniu odkształcać (wyciągać, wyciskać), rozpuszczać i kleić acetonem. Stosuje się na wyroby galanteryjne, zabawki, piłeczki, oprawy do okularów. Dawniej wytwarzano z niego błony filmowe. Wady: łatwopalność i mała odporność na światło (żółknie).

20. Co to jest octan celulozy ?

Tworzywo to (ściślej trójoctan celulozy - CA) otrzymuje się w wyniku działania kwasu octowego na celulozę, wskutek czego powstaje produkt o podobnych właściwościach do celuloidu, z tym że jest niepalny i nietermoplastyczny. Jest to odpory na działanie ozonu, alkoholu i olejów mineralnych, ale w niewielkim stopniu higroskopijny (do kilku procent). Stosowane do wyrobu folii izolacyjnych i błon filmowych (niepalnych). Oprócz tego jest wytwarzany dwu i pół octan celulozy. który jest termoplastyczny, także niepalny, ale droższy niż celuloid. Stosowany do wyrobu włókien, rur, płyt, folii, do formowania wtryskowego itp. Wykonuje się z niego uchwyty narzędzi, zabawki, elementy wyposażenia samochodów, samolotów, maszyn do pisania, oprawki okularów, folie do opakowania, osłonki do wędlin itp.

21. Co to jest fibra ?

Fibra jest pochodną celulozy. Otrzymuje się przez działanie gorącego roztworu chlorku cynkowego lub kwasu siarkowego na celulozę. Wytrzymałość na rozciąganie wynosi Rm =90+110 MPa, a na zginanie Rg =110+200 MPa, gęstość ok. 1,4 g/cm3. Wytwarza się dwa gatunki fibry: warstwową z papieru, stosowaną do wyrobu walizek i uszczelek, oraz niewarstwową, z której wykonuje się taśmy, rury, pręty, profile itp. Można ją barwić i odkształcać po podgrzaniu, a także skrawać. Odporna na tłuszcze, oleje, benzynę, ale jest higroskopijna (pęcznieje pod wpływem wilgoci) i to obniża jej właściwości dielektryczne.

22. Co to jest wiskoza ?

Wiskoza jest pochodną celulozy (zawiera jej 7¸8%). Po okresie dojrzewania, a następnie po oczyszczeniu, wiskozę wytłacza się do kwaśnej kąpieli, w której celuloza ulega regeneracji i przyjmuje postać włókien lub folii. Włókna mają właściwości zbliżone do bawełnianych. Nie rozpuszczają się w rozpuszczalnikach, ale wykazują małą odporność na działanie kwasów nieorganicznych i zasad.

23. Co to jest celofan ?

Celofan zwany również Tomofanem, jest folią wiskozową o grubości 0,22¸0,25 mm. Jest przezroczysty, może być barwiony. Zawiera ok. 80% celulozy, resztę stanowi gliceryna i woda. Wytwarza się przez wytłaczanie przez szczelinę do kwaśnej kąpieli. Stosuje się na opakowania i membrany półprzepuszczalne.

24.Jakie są tworzywa pochodzenia białkowego ?

Oparte są na kazeinie, otrzymywanej z mleka krowiego przez strącanie za pomocą kwasu. Po strąceniu jest ona oczyszcza-na, suszona i mielona. Kazeina jest nierozpuszczalna w wodzie i większości rozpuszczalników. Stosowana jako składnik papieru, klejów, farb ściennych i lakierów oraz kosmetyków, a także do wyrobu kazeinitu (galalitu).

25. Co to jest kazeinit (galalit) ?

Na bazie kazeiny wytwarza się tworzywo sztuczne zwane kazeinitem (galalitem), poprzez utwardzenie kazeiny formaldehydem. Jest chemoutwardzalny. Może być barwiony i polerowany. Służy do wyrobu bloków, arkuszy, prętów i rur, a także różnych wyrobów galanteryjnych. Wytrzymałość Rm=80+100 MPa. Wadą jest mała odporność na działanie wody (nasiąkanie i pęcznienie).

26. Co ta jest polistyren ?

Polistyren (PS) jest tworzywem termoplastycznym. Stanowi produkt polimeryzacji styrenu. Jest bezbarwny, ale można go łatwo barwić. Wykazuje odporność na działanie olejów, kwasów, alkaliów, alkoholu i wody. Wytrzymałość Rm = ok. 40 MPa. Rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych (np. trójchloroetylen - TRI). Wykazuje dużo rezystywność. Wadą jest mała odporność cieplna (75°C), duża kruchość i palność. W handlu występuje w postaci granulek lub proszku. Jest przerabiany najczęściej przez wtrysk, ale także przez wytłaczanie, prasowanie, odlewanie. Do wytwarzania płyt, prętów, bloków, folii i gotowych wyrobów o różnym kształcie, a także styropianu. Wykorzystywany także jako dodatek do lakierów, do impregnacji tkanin i drewna. Duże zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym, na przedmioty gospodarstwa domowego, wyroby galanteryjne i zabawki. W przemyśle do wyrobu nakrętek i śrub oraz uchwytów do narzędzi, skrzynek i obudów aparatów. W Polsce pod nazwą Owispol S.

27. Co to jest styropian ?

Styropian jest spienionym polistyrenem, o gęstości 0,015 + 0,30 g/cm3. Formowany w postaci kształtek, bloków lub płyt. Ma małą wytrzymałość (Rm =ok. 0,14 MPa). Do izolacji cieplnej, akustycznej i elektrycznej oraz do wyrobu elementów pływających i na opakowania. Wadą jest palność, jest jednak wytwarzany także styropian samogasnący (SG).

28. Co to jest polistyren wysokoudarowy? Jakie jest jego zastosowanie ?

Jest to kopolimer styrenu z butadienem (SB) lub modyfikowany kauczukiem syntetycznym (5¸20%). Wykazuje wyższą udarność, sprężystość i odporność cieplną od polistyrenu. Wytwarzany w rożnych gatunkach różniących się temp płynności. Polistyren średniopłynny ma Rm = ok. 35 MPa i Rg = ok. 60 MPa, a udarność ok. 5 J/cm2. Stosowany do wyrobu elementów wyposażenia samochodów i lodówek, szpul włókienniczych, hełmów, zaworów itp. W użyciu jest też mieszanina (stop) polistyrenu z politlenkiem fenylenu znany pod nazwą Noryl. Cechuje się wyższą odpornością cieplną, dobrymi właściwościami mechanicznymi w obniżonych i podwyższonych temp. i trudnopalnością. Zastosowanie analogiczne jak zwykłego polistyrenu.

29. Co to są kopolimery styrenu ?

Dla wyeliminowania wad polistyrenu zostały opracowane kopolimery styrenu z innymi związkami, np. akrylonitrylem (CH2=CH-CN) o nazwie SAN, o właściwościach zbliżonych do Pleksiglasu. Często stosowany na korpusy i obudowy różnych urządzeń, artykuły gospodarstwa domowego i elementy wyposażenia samochodów. W Polsce pod nazwą Owisan. Jest też stosowany terpolimer styrenu z akrylonitrylem w lateksie polibutadienowym o nazwie ABS (w kraju nie wytwarzany) ma większą niż polistyren sztywność i udarność, a także odporność cieplną i chemiczną oraz bardzo dobrą odporność na pełzanie. Można zmieniać jego właściwości w szerokim zakresie przez zmianę proporcji składników. Formowanie jest analogiczne jak w przypadku polistyrenu. Terpolimer ABS stosuje się w przemyśle maszynowym i motoryzacyjnym, w elektronice, meblarstwie i gospodarstwach domowych (obudowy i korpusy urządzeń, elementy pralek i lodówek), a także części nadwozi samochodów, kadłuby łodzi itp. Jest podatny do metalizowania galwanicznego.

30. Co to są poliamidy ?

Poliamidy (PA) dzielimy na alifatyczne i aromatyczne. Alifatyczne są tworzywami termoplastycznymi, częściowo krystalicznymi. Powstają w wyniku polikondensacji. Występuje w nich grupa amidowa NHCO. Są bezbarwne lub kremowe, ale dają się łatwo barwić. Mogą być formowane metodą wtryskową lub wytłaczane (w postaci folii, włókien). Mają dość dobrą wytrzymałość Rm =ok. 70 MPa i udarność ok. 14 J/cm2. Topią się w zakresie 185¸270°C. Odporne na działanie wielu rozpuszczalników organicznych, olejów i tłuszczów, nie są odporne na kwasy i zasady. Wytwarza się w różnych gatunkach i występują pod różnymi nazwami handlowymi, z których najbardziej popularna jest Nylon. Poliamid 6- polikaprolaktam (nazwy handlowe: Nylon, Stilon, Polan, Perlon, Kapron, Tarnamid otrzymywany przez polikondensację w atmosferze azotu. Stosowany do wyrobu części maszyn (koła zębate, łożyska), galanterii, elementów elektronicznych, folii, włókien i tkanin, lin, żyłek, sieci rybackich, szczeciny; a także proszku do natrysku płomieniowego metali. Poliamid 6.6 (nazwa handlowa Ultramid) - odporny na ścieranie i zmęczenie; do wyrobu włókien, tkanin i folii oraz mas wtryskowych. Poliamid 6.10 (nazwa handlowa Ultramid S) bardziej miękki niż Poliamid 6.6; do wyrobu grubych włókien (na pędzle, szczotki, struny do rakiet itp.).Poliamid 11 (nazwa handlowa Rilsan, Organico) wytwarzany z oleju rycynowego. Ma mniejszą wytrzymałość i większą plastyczność niż Poliamid 6. Odporny na działanie wody i ma dobre właściwości elektroizolacyjne. Stosowany na izolacje, włókna, powłoki ochronne, odlewy wtryskowe itp. Do poliamidów aromatycznych zaliczamy włókna aramidowe, np. Kevlar.

31. Do jakiej grupy tworzyw zaliczamy Nylon, Perlon, Stilon, Kapron, Tarnamid ?

Są to nazwy handlowe stosowane w różnych krajach na określenie poliamidu. Obecnie nazwę Nylon stosuje się do określania wszystkich rodzajów poliamidu. Polską nazwą poliamidu 6 jest Tarnamid, Stilon (obecnie zwany Stilamidem).

32. Co to jest polimetakrylan metylu ?

Polimetakrylan metylu (PMMA) zwany także szkłem organicznym lub Pleksiglasem jest tworzywem termoplastycznym, bezpostaciowym o doskonałej przezroczystości, o wytrzymałości Rm = ok. 70 MPa i udarności 2¸2,5 J/cm2, prawie stałej w szerokim zakresie temp, a poza tym cechuje się dużą rezystywnością. Odporny na działanie wody, zasad, rozcieńczonych kwasów, olejów mineralnych. W alkoholach pęcznieje. Rozpuszcza się w chloroformie i dwuchloroetylenie (może być tymi substancjami klejony). Formuje się go przy temp. 150°C. Mało odporny na ścieranie. Stosuje się do wyrobu płyt, bloków, rur, prętów. Stosowany w medycynie i dentystyce, w przemyśle lotniczym i samochodowym do wyrobu bezpiecznych szyb, szkiełek zegarkowych, okularów i przyrządów optycznych. Inne nazwy to Polakryl, MetaPleks, PersPex, Lucite.

33. Co to jest Pleksiglas ?

Pleksiglas (Plexi) to szkło organiczne o nazwie chemicznej polimetakrylan metylu (patrz pyt. 32).

...