Co to są tworzywa sztuczne

CO TO SĄ TWORZYWA

SZTUCZNE

wykład 2013 przygotował:

dr inż. Leszek Nakonieczny

Tworzywo sztuczne ?

wyroby

Tworzywo sztuczne ?

półprodukty

Tworzywo sztuczne ?

materiały konstrukcyjne

zajrzyjmy do wewnątrz !

Tworzywo sztuczne ?

Materiały krystaliczne

przykłady: woda, stal, miedź, inne metale…

cechy struktury: z pojedynczych atomów, uporządkowanie w przestrzeni

własności: duża sztywność i wytrzymałość we wszystkich kierunkach

Tworzywo sztuczne ?

Materiały amorficzne

przykłady: szkło, polimery, bursztyn, obsydian (skała wulkaniczna)

cechy struktury: nieuporządkowanie w przestrzeni

własności: duża różnorodność

Tworzywo sztuczne ?

Materiały polimerowe

przykłady: polietylen, polipropylen, poliamid, guma, epidian, silikon…………

cechy struktury: mieszanina, gł. skł. związek wielkocząsteczkowy,

nieuporządkowanie w przestrzeni

własności: silna zależność od temperatury i prędkości odkształcenia

Tworzywo sztuczne ?

Polimer (z greckiego )

poly = wiele, meros = część

Polimery są to z reguły związki organiczne, których

głównym składnikiem jest węgiel.

polimery

makrocząsteczki o ciężarze cząsteczkowym

>10 000

Tworzywo sztuczne ?

Tworzywo sztuczne ?

Zale

żność w

łasności cząstk

i

ch

em

iczn

ej o

d je

j w

ielk

ości

w w

aru

nkach n

orm

aln

ych

HERMANN STAUDINGER

demonstruje swoje odkrycie,

makrocząsteczkę

1922 wprowadzenie

pojęcia

makrocząsteczka

1953 nagroda NOBLA

za wkład w

zrozumienie budowy

polimerów

Tworzywo sztuczne ?

mer – jednostka strukturalna

polimer

n

zapis

skrócony

polimeru

n liczba merów w

łańcuchu =

stopień polimeryzacji

Wszystkie organiczne związki wielkocząsteczkowe (w tym polimery) bazują na skłonności węgla do wchodzenia w połączenia kowalencyjne atomów. Polega ono na uzupełnieniu „luki” w warstwie zewnętrznej przez „pożyczenie” elektronu od innego atomów.

Proste połączenie między atomami węgla (BASF AG)

C C

Tworzywo sztuczne ?

etylen

polietylen POLIMERYZACJA

rodnik

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Polimer Monomer

Poli(etylen)

PE

Etylen

PE-LD, PE-HD

Tworzywo sztuczne ?

Polimer Monomer

Poli(propylen)

PP

Propylen

PP izotaktyczny, PP syndiotaktyczny, PP ataktyczny

Tworzywo sztuczne ?

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Polimer Monomer

Poli(chlorek winylu)

PVC

Chlorek winylu

Tworzywo sztuczne ?

Polimer Monomer

Poli(styren)

PS

Styren

Tworzywo sztuczne ?

silikony to też tworzywa

Struktura pierwotna polimerów

• powtarzalność podstawników

• izometria głowa-ogon

• stereoizometria

• izometria obrotowa

• rozgałęzienia

• tworzenie bloków

• upakowanie

• ciężar cząsteczkowy

• usieciowanie

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Tworzywo sztuczne ?

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

- C – C -

H

H H

R1

- C – C -

H

H H

R1

izometria głowa-ogon

Tworzywo sztuczne ?

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

- C – C -

H

H H

R1

- C – C -

R1

H H

H

izometria ogon-ogon

Tworzywo sztuczne ?

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Tworzywo sztuczne ?

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Struktura łańcuchów polimerowych - usieciowanie

usieciowanie rzadkie, elastomery,

temperatura zeszklenia -200C

usieciowanie gęste, duroplasty,

temperatura zeszklenia +1800C

Tworzywo sztuczne ?

dr

inż.

Leszek N

akonie

cznyv

połączenie C-C

obcy

atom lub

cząstka

łańcuch

Różne s

posoby łączenia

ła

ńcuchów

polim

ero

wych z

e

sobą

Stopień usieciowania, np. stosunek atomów węgla w węzłach

i poza węzłami

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Homopolimer

Copolimer

Regularny

Statystyczny

Blokowy

Uporządkowanie merów w copolimerze

Rodzaj uporządkowania w łańcuchu

polimerowym, dotyczy sposobu

rozmieszczenia merów i podstawników.

Wpływa na własności tworzyw np. trwałość

kształtu, wytrzymałość termiczną,

przewodnictwo cieplne właściwe.

Występuje w części tworzyw otrzymanych

drogą polimeryzacji (np. w polipropylenie).

Także w wyniku sterowania procesem

polimeryzacji (np. stereokataliza )

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Stereoizometria

łańcuch

izotaktyczny

łańcuch

syndiotaktyczny

łańcuch

ataktyczny

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

PS

Tworzywo sztuczne ?

W zależności od temperatury i wielkości sił

międzycząsteczkowych (SM), cząsteczki wykonują

chaotyczne ruchy – ruchy Browna.

Częściowy ruch segmentów cząsteczek –

mikroruchy Browna.

Zmiany położenia całych cząsteczek – makroruchy

Browna.

Konformacja łańcucha – powstaje w wyniku

ograniczonego ruch fragmentów makrocząsteczek

nie zmieniającego położenia cząstek

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Tworzywo sztuczne ?

Schemat a) ÷ c) tworzenia się w polimerach łańcuchów liniowych o różnych kształtach

(krawędzie stożków wskazują możliwe położenie następnych atomów węgla) (według

D.R.Askelanda), d) makrocząsteczki polimeru złożonego z jednego łańcucha liniowego o

złożonym kształcie ( według L.R.G. Treloara)

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Termoplasty w

wyniku podgrzania

przechodzą w stan

płynny

Duroplasty nie

przechodzą w stan

płynny,

nierozpuszczalne

Elastomery

odznaczają się dużą

odkształcalnością i

sprężystością

Tworzywo sztuczne ?

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Krystalizacja polimerów zaczyna się od tworzenia się zarodków fazy krystalicznej.

Różne czynniki uniemożliwiają pełną krystalizację polimeru.

sferoidyt

amorficzno-krystaliczna

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny Modele obszarów amorficznych między krystalitami

a) wszystkie łańcuchy z jednego krystalitu biegną do innych

krystalitów – wariant mało prawdopodobny

b) niektóre łańcuchy z jednego krystalitu biegną do innych

krystalitów – wariant bardziej prawdopodobny

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

kie

run

ek u

łożen

ia

roztwór lub stopiony

amorficzny

stan stały

częściowo-krystaliczny

stan stały

częściowo-krystaliczny

i zorientowany

Wzrastające uporządkowanie

Kie

run

ek u

łożen

ia w

łókie

n

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Obszary amorficzne Obszary krystaliczne

równolegle prostopadle

E = 0.5 GPa E = 250 GPa E = 5 GPa

Moduł sprężystości

mocno zależny od

czasu i temperatury

Moduł sprężystości w

małym stopniu zależny

od temperatury

Moduł sprężystości E dla poli(etylenu)

W polimerach ciężar makrocząsteczki zależy od stopnia jej polimeryzacji n.

Zróżnicowany stopień polimeryzacji powoduje, że posługujemy się tzw. średnim ciężarem cząsteczkowym Mn.

Tworzywo sztuczne ?

O zróżnicowaniu ciężaru cząsteczkowego mówi

stopień polidyspersyjności Dp lub

stopień niejednorodności ciężaru cząsteczkowego U = Dp-1

dla polimerów o wyrównanej wielkości cząstek DP dąży do 1

Tworzywo sztuczne ?

Wzrost ciężaru cząsteczkowego powoduje wzrost:

- własności wytrzymałościowych

- rozszerzalności cieplnej

- odporności cieplnej

- lepkości

Ciężar

cząsteczkowy

Od wartości ciężaru cząsteczkowego polimeru zależy

szereg jego cech fizycznych

Tworzywo sztuczne ?

Tworzywo sztuczne ?

Anizotropia:

wytrzymałości

sprężystości

pękania

Tworzywo sztuczne ?

Tworzywo sztuczne ?

Dodaje się do tworzyw pracujących w

warunkach zagrożenia pożarowego

Chlor, brom, antymon,

fosfor,bromowane

węglowodory

Środki zmniejszające

palność

Tworzą strukturę porowatą tworzywa Nieorganiczne-np.nietrwałe

sole

Organiczne - lotne ciecze

organiczne

Porofory

Uodporniają na długotrwałe działanie

światła i podwyższonych temperatur

Zwiększają zdolność do mieszania się

Nieorganiczne – tlenki żelaza,

ultramarynę, żółcięń, zieleń

chromową, siarczek

kadmowy...

Organiczne (dają żywe kolory)

Barwniki

(Pigmenty)

Uodparniają przed utlenianiem,

depolimeryzacją, degradacją

(rozkładem)

Związki ołowiowe, wapniowe,

cynowe, sadze

Stabilizatory

Obniżają temperatur zeszklenia

Ułatwiają orientację cząstek

Polepszają własności adhezyjne

Lotne, wysokowrzące,

zazwyczaj ciekłe, oleiste estry

kwasów dwu- i

trójkarboksylowych

Plastyfikatory

(Zmiękczacze)

Podwyższają własności

wytrzymałościowe, twardość

Podwyższają temperaturę

użytkowania

Mączka drzewna, włókna cięte,

włókna ciągłe, skrawki tkanin,

sadze, talk, proszki metaliczne

Napełniacze

Jak zmienia własności Co jest dodatkiem Nazwa dodatku

Zawartość dodatków w tworzywie od 1/xx % do xx %

dr

inż.

Leszek N

akonie

czny

Tworzywo sztuczne ?

Tworzywo sztuczne ?

Stany skupienia tworzyw amorficznych

Tworzywo sztuczne ?

Stany skupienia tworzyw semikrystalicznych

Tworzywo sztuczne ?

„Ten płyn to także w pewnym

sensie ciecz.”