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.”