Przeczytaj

bg‑cyan

Polimery

Podstawowym składnikiem tworzyw sztucznych są polimery. Należą do związków organicznych, których cząsteczki (makrocząsteczki) są zbudowane z wielu mniejszych, powtarzających się, uporządkowanych w sposób regularny fragmentów, zwanych meramimermerami. Substratem w reakcji polimeryzacji jest monomer. Cząsteczki monomerów łączą się za pomocą kowalencyjnych wiązań chemicznych, tworząc długie łańcuchy. Proces ten nazywamy polimeryzacją. Masa cząsteczkowa polimeru stanowi zawsze wielokrotność masy cząsteczkowej monomeru. Polimeryzacja to reakcja chemiczna bez wydzielania się produktów ubocznych, w której jedynym produktem jest dany polimer.

RIkF3fLuhGZtC1

Ilustracja przedstawia schemat ideowy reakcji polimeryzacji. Po lewej strony umieszczono monomery jako niebieskie kulki, zapisano reakcję: n nawias kwadratowy H indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego C wiązanie podwójne C H indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego koniec nawiasu kwadratowego strzałka w prawo n nawias kwadratowy H indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego C z gwiazdką wiązanie pojedyncze C z gwiazdką H indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego koniec nawiasu kwadratowego strzałka w prawo dalej nawias kwadratowy, który przecina wiązanie pojedyncze wychodzące na zewnątrz, dalej C dwa wiązania pojedyncze w górę i w dół do atomów H wiązanie pojedyncze drugi atom C z dwoma atomami H, wiązanie pojedyncze przecięte przez zamykający nawias kwadratowy. Poza nawiasem w indeksie dolnym zapisano literę n. Po prawej stronie przedstawiono polimer jako łańcuch połączonych szeregowo niebieskich kulek. — Ideowy schemat reakcji polimeryzacji
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑cyan

Porównanie oraz przykłady polimerów addycyjnych i kondensacyjnych

Ciekawostka

Nazewnictwo polimerów na ogół opiera się na nazwie monomeru, który wchodzi w skład polimeru. Polimery, które zawierają tylko jeden rodzaj monomeru (A), są nazywane homopolimerami. Mogą one zostać przedstawione w sposób następujący: $− [A−A−A−A−A−A] −$ .

Ich nazwa zostaje utworzona przez umieszczenie przedrostka „poli−” przed nazwą monomeru, z którego zbudowany jest polimer. Na przykład, polistyren to nazwa polimeru wytworzonego z monomeru styrenu (etenylobenzenu). Natomiast polimery zawierające dwa lub więcej typów monomerów (A i B) to tzw. kopolimery. Możemy je zapisać w następujący sposób: $− [A−B−A−B−A−B] −$ .

Ich nazwy tworzy się z kolei przez podanie nazw monomerów połączonych prefiksem „−co−” z przedrostkiem „poli−”, np. kopolimer styrenu i akrylonitrylu nosi nazwę poli(styren‑co‑akrylonitryl).

Ciekawostka

Polimery można uzyskiwać także metodą polikondensacji (w przemyśle może występować pod nazwą polimeryzacji stopniowej). Polikondensacja polega na wielokrotnym przebiegu elementarnych reakcji kondensacji między monomerami, przy czym towarzyszy im wówczas wydzielanie się małocząsteczkowego produktu ubocznego (wody lub innej cząsteczki, np. amoniaku, chlorowodoru, dwutlenku węgla itp.). Reakcja kondensacji wymaga dostarczenia energii z zewnątrz, nie zachodzi w sposób samorzutny. Porównanie polimeryzacji addycyjnej i polikondensacyjnej przedstawiono poniżej.

Charakterystyka polimeryzacji addycyjnej i polikondensacji

Polimeryzacja addycyjna	Polimeryzacja kondensacyjna
Monomer zawiera np. wiązania wielokrotne wymagające aktywacji.	Monomer zawiera grupy funkcyjne, zdolne do bezpośredniej reakcji.
Konieczne jest inicjowanie polimeryzacji.	Nie jest konieczne zainicjowanie polimeryzacji.
Polimeryzacja ma charakter łańcuchowy.	Polimeryzacja stopniowa.
Brak produktów ubocznych reakcji polimeryzacji.	Występują małocząsteczkowe produkty uboczne reakcji polimeryzacji (np. woda).
Skład chemiczny polimeru i monomeru jest taki sam.	Skład chemiczny polimeru i monomeru jest różny.
Stopień polimeryzacji jest równy ilorazowi masy molowej polimeru i monomeru.	Stopień polimeryzacji charakteryzowany jest średnią masą molową polimeru.
Proces polimeryzacji zwykle jest nieodwracalny.	Proces polimeryzacji zwykle jest odwracalny.
Wymagana jest wysoka czystość chemiczna monomeru.	Ważna jest ilość grup funkcyjnych w monomerze.

Indeks górny Źródło: Charakterystyka polimeryzacji addycyjnej i polikondensacji, online: https://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia/a_e_chemia/8_chemia_organiczna/08_02_00.htm: dostęp 27.04.2021. Indeks górny koniec

Przykładowe polimery addycyjne i kondensacyjne

Przykładowe polimery addycyjne

Polimer	Akronim	Wzór kreskowy polimeru	Monomer	Nazwa monomeru
polietylen niskocząsteczkowy	LDPE	RnWwmoV0O2HkQ Źródło: GroMar Sp. o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.	${CH}_{2} = {CH}_{2}$	eten
polietylen wysokocząsteczkowy	HDPE	RCEtJu6BaUQk7 Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.	${CH}_{2} = {CH}_{2}$	eten
polietylen ultrawysocecząsteczkowy	UHDPE	R1ZfTuoX7NnNA Źródło: GroMar Sp. o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.	${CH}_{2} = {CH}_{2}$	eten
polistyren	PS	RQpWozFYeQ3v0 Ilustracja przedstawiająca znajdujący się w nawiasie kwadratowym wzór półstrukturalny polistyrenu, to jest polimeru, który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony grupą $CH$ , od której odchodzi wiązanie pojedyncze poza lewy nawias. Ponadto grupa ta, to jest grupa $CH$ łączy się za pomocą wiązania pojedynczego z grupą metylenową ${CH}_{2}$ , od której również odchodzi wiązanie pojedyncze wychodzące poza prawy nawias kwadratowy. W indeksie dolnym względem nawiasu znajduje się litera n. Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.	${CH}_{2} = {CHC}_{6} H_{5}$	styren

Przykładowe polimery kondensacyjne

Polimer	Akronim	Wzór kreskowy polimeru	Monomer	Nazwa zwyczajowa monomeru
poliestry	PGA	RomnqZ3AopAel Na ilustracji przedstawiono wzór półstrukturalny poliestru PGA : wiązanie pojedyncze, grupa ${CH}_{2}$ , atom węgla C połączony wiązaniem podwójnym z jednym atomem tlenu i wiązaniem pojedynczym z drugim atomem tlenu. Ten atom tlenu tworzy wiązanie pojedyncze skierowane w prawo. Nawias kwadratowy obejmuje ten wzór przecina wiązania wychodzące na zewnątrz, a poza nawiasem w indeksie dolnym zapisano literę n. Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.	$HO - {CH}_{2} - COOH$	kwas glikolowy
poliestry	PET	REuwpgB7XHO7l Ilustracja przedstawia wzór półstrukturalny monomeru poli(tereftalanu etylenu) (PET): wiązanie pojedyncze przecięte lewym nawiasem kwadratowym, atom tlenu, atom węgla, połączony z drugim atomem tlenu wiązaniem podwójnym oraz z pierścieniem aromatycznym. Po drugiej stronie pierścienia aromatycznego w pozycji 4 przyłączony jest atom węgla połączony z jednym atomem tlenu wiązaniem podwójnym oraz z drugim atomem tlenu wiązaniem pojedynczym. Ten atom z kolei jest połączony z grupą ${CH}_{2} {-CH}_{2}$ . Ostatni atom węgla tworzy jeszcze jedno wiązanie pojedyncze przecięte prawym nawiasem kwadratowym. Nawias kwadratowy obejmuje ten wzór, a poza nawiasem w indeksie dolnym zapisano literę n. Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.	$HOOC - C_{6} H_{4} - COOH$ ${HOCH}_{2} {CH}_{2} OH$	kwas teraftalowy glikol etylenowy
poliamidy	PA	RMzZcB8MzAsI5 Ilustracja przedstawia wzór półstrukturalny monomeru poliamidu: wiązanie pojedyncze, grupa NH, grupa ${(CH}_{2})_{x}$ , wiązanie pojedyncze grupa NH wiązanie pojedyncze atom węgla połączony z atomem tlenu wiązaniem podwójnym oraz tworzący wiązanie pojedyncze z grupą ${(CH}_{2})_{y}$ , atom węgla połączony z atomem tlenu wiązaniem podwójnym oraz tworzący wiązanie pojedyncze. Nawias kwadratowy obejmuje ten wzór przecina wiązania wychodzące na zewnątrz, a poza nawiasem w indeksie dolnym zapisano literę n. Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.	$H_{2} N - {({CH}_{2})}_{x} - {NH}_{2}$ $HOOC - {({CH}_{2})}_{y} - COOH$	diamina kwas dikarboksylowy
poliuretany	PUR PU	R1DTZaZTvJHMc Ilustracja przedstawia wzór półstrukturalny monomeru poliuretanu: wiązanie pojedyncze, grupa R', wiązanie pojedyncze, atom tlenu, wiązanie pojedyncze, atom węgla połączony z atomem tlenu wiązaniem podwójnym oraz tworzący wiązanie z atomem azotu, połączony z atomem wodoru i grupą R, wiązanie pojedyncze, atom azotu połączony z atomem wodoru oraz tworzący wiązanie z atomem węgla połączonym z jednym atomem tlenu wiązaniem podwójnym i z drugim atomem tlenu. Ten z kolei tworzy wiązanie wiązanie pojedyncze w prawo poza nawias. Nawias kwadratowy obejmuje ten wzór przecina wiązania wychodzące na zewnątrz, a poza nawiasem w indeksie dolnym zapisano literę n. Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.	$HO - R' - OH$ $O = C = N - R - N = C = O$	poliol izocyjanian

bg‑cyan

Podział polimerów

Najczęściej stosowaną klasyfikacją tworzyw sztucznych jest podział technologiczny. Jego głównym kryterium jest zachowanie się polimeru w temperaturze pokojowej, co określa się na podstawie zależności naprężenie‑odkształcenie:

RiwDrV22dZs1x

Mapa pojęć pt. Technologiczna klasyfikacja polimerów

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Główne segmenty zastosowań tworzyw wg rodzajów polimerów (dane z $2019$ roku):

RLCLrG7tYT5NF

*dotyczy krajów Unii Europejskiej oraz Norwegii i Szwajcarii
PP (19,4%) – opakowania żywności, owijki na słodycze i przekąski, trwale przymocowane zamknięcia, pojemniki do mikrofali, rury, części samochodowe, banknoty itp.
PE‑LD/PE‑LLD (17,4%) – torby wielokrotnego użytku na zakupy, tacki, pojemniki, folia rolnicza, folia do pakowania żywności itp.
PE‑HD/PE‑MD (12,4%) – zabawki, butelki na mleko, butelki na szampony, rury, drobny sprzęt AGD itp.
PVC (10%) – ramy okien, profile, wykładziny podłogowe, tapety, izolacja kabli, węże ogrodowe, baseny ogrodowe itp.
PUR (7,9%) – izolacja budynków, materace i poduszki, pianka izolacyjna do lodówek itp.
PET (7,9%) – butelki na wodę, napoje gazowane, soki itp.
Inne tworzywa (7,5%) – kołpaki do felg (ABS); światłowody (PTB); soczewki okularowe, płyty na pokrycia dachowe (PC); ekrany dotykowe (PMMA); osłony kabli telekomunikacyjnych (PTFE); wiele innych tworzyw stosowanych w lotnictwie, implantach medycznych, narzędziach chirurgicznych, membranach, zaworach i uszczelkach, powłokach ochronnych itp.
PS+EPS (6,2%) – opakowania do żywności (nabiał, ryby), izolacja budynków, sprzęt elektryczny i elektroniczny, izolacja ścianek w lodówkach, oprawki okularów itp.
Inne termoplasty (11,3%)

Źródło: PlasticsEurope Market Reasearch Group (PEMRG) / Conversio Market & Strategy GmbH , *UE27 + Norwegia, Szwajcaria.

R1WrNJq7yNHC3

Produkcja tworzyw sztucznych w Polsce

Źródło: Clker-Free-Vector-Images / 29580 images, dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Ciekawostka

Podział plastomerów i różnice w ich budowie

R1cHvbI4MxUnH

Ilustracja przedstawia niebieskie kulki połączone ze sobą liniowo, tworzące pojedyncze nici. — Termoplasty
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R183xwzyBi85K

Ilustracja przedstawia niebieskie kulki połączone ze sobą w taki sposób, że cztery nici tworzą wiązkę, a kulki są połączone z kulkami w sąsiednich łańcuchach, tworząc strukturę przestrzenną, mającą rurkowaty kształt. — Duroplasty
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Uwzględniając podatność na zmianę temperatury, polimery mogą znajdować się w pięciu stanach fizycznych:

R1XE28JwihAgX1

Mapa pojęć pt. Stany fizyczne polimerów

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Temperatura zeszklenia ( $T_{g}$ ) to temperatura, w której następuje przejście polimeru ze stanu wysokoelastycznego (np. ciekłego) do stanu szklistego. Przemianie tej towarzyszy wzrost lepkości materiału. $T_{g}$ jest głównym kryterium stosowania polimerów i tworzyw sztucznych w warunkach normalnych, ponieważ pozwala na ocenę twardości polimeru (dla $T_{g}$ $> 20 ° C$ polimer jest twardy, dla $T_{g}$ $< 20 ° C$ – miękki i elastyczny).

Najczęściej, dla uproszczenia, przyjmuje się dwie temperatury przemian fazowych – zeszklenia i płynięcia, co skutkuje występowaniem polimerów w trzech stanach fizycznych – szklistym, elastycznym i plastycznym.

R10ROObO4giwh1

Ilustracja przedstawia schemat przejść pomiędzy stanami fizycznymi polimerów. Schemat składa się z trzech ramek z napisami: Pierwszy. Stan szklisty, drugi. stan elastyczny, trzeci. stan plastyczny. Pomiędzy stanem szklistym a stanem elastycznym znajdują się dwie poziome strzałki: górna skierowana do stanu szklistego jest podpisana Tg, a druga, dolna skierowana do stanu elastycznego jest podpisana To. Pomiędzy stanem elastycznym a stanem plastycznym znajdują się dwie poziome strzałki: górna skierowana do stanu elastycznego jest podpisana Tf. — $T_{g}$ to temperatura zeszklenia, oznacza taką, w której następuje przejście ze stanu elastycznego do szklistego. Proces odwrotny (przejście ze stanu szklistego w stan elastyczny) z reguły przebiega w innej temperaturze ( $T_{o}$ ). Temperatura przejścia ze stanu elastycznego do plastycznego lub odwrotnie nosi nazwę temperatury płynięcia $T_{f}$ .
Źródło: GroMar Sp. o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑cyan

Właściwości i zastosowania wybranych polimerów

Polimer	Nazwa	Podstawowe właściwości	Zastosowanie
PUR/PU	Poliuretan	Właściwości fizykochemiczne poliuretanów zależą od ich składu i masy cząsteczkowej (możliwość sterowania przebiegiem reakcji). PU wykazują dobre właściwości w zakresie izolacji termicznej i akustycznej. Cechuje je także niska temperatura topnienia i łatwość spiekania. Wykonane z nich produkty cechuje dobra elastyczność – zachowana nawet przy dużej twardości materiału, odporność na ścieranie i rozdzieranie.	Pianki izolacyjne, włókna elastyczne (spandex). RXVoDmXm8E8gZ Poliuretan stosuje się w produkcji gąbek. Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.
PA	Poliamid	Bardzo dobre parametry mechaniczne, m.in. mały współczynnik tarcia, duża odporność na ścieranie, wytrzymałość. Wykazuje odporność na działanie wody, benzyny i tłuszczów.	Koła zębate, kaski ochronne, rajstopy, wirniki pomp, włókna, nylony. RJOSQSMblctaN Poliamid wykorzystywany jest w produkcji włókien przeznaczonych do szczoteczek do zębów. Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.
PE	Polietylen	Giętki, woskowaty, termoplastyczny polimer. W zależności od warunków prowadzenia reakcji, możliwa jest modyfikacja właściwości otrzymywanych tworzyw. Odporny na niską temperaturę i czynniki chemiczne, takie jak kwasy, zasady i roztwory soli. Traci elastyczność pod wpływem światła słonecznego i wilgoci.	Woreczki, opakowania (także do kontaktu z żywnością). RJybsmzxgNYke Polietylen wykorzystywany jest do produkcji opakowań przeznaczonych do żywności. Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.
PP	Polipropylen	Mała gęstość (niższa od gęstości wody), dobre właściwości mechaniczne i cieplne. Wysoka izolacja elektryczna. Bardzo dobra odporność na czynniki chemiczne; w temperaturze pokojowej jest odporny na działanie kwasów, zasad, roztworów soli oraz rozpuszczalników organicznych. Nie jest za to odporny na niepolarne ciecze oraz silne utleniacze.	Opakowania (także do kontaktu z żywnością), przemysł samochodowy. RdpBABlYIQqz1 Polipropylen wykorzystywany jest do produkcji tworzyw mających kontakt z żywnością. Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.
PBT	Poli(tereftalan butylenu)	Odporność na podwyższone temperatury, sztywność, dobre właściwości ślizgowo‑cierne i izolacyjne.	Do produkcji precyzyjnych kształtek, stosowanych np. w przełącznikach elektrycznych, w aparaturze medycznej i sprzęcie AGD.
PVC	Poli(chlorek winylu)	Możliwość regulacji elastyczności (plastyczny pod wpływem temperatury). Cechuje się dużą wytrzymałością mechaniczną i odpornością na działanie alkoholi, benzyny, olejów mineralnych, a także stężonych kwasów i zasad.	Rury kanalizacyjne, osłonki na kable, płytki podłogowe. RXHCBqyzMcEj8 Rury kanalizacyjne wykonywane są z poli(chlorku winylu). Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.
PPO	Polioksyfenylen	Tworzywo to cechuje sztywność, stabilność wymiarów oraz dobre właściwości elektroizolacyjne. Posiada dobrą odporność na działanie roztworów kwasów i zasad, natomiast rozpuszcza się w węglowodorach aromatycznych i chlorowanych, pirydynie i nitrobenzenie.	Części w przemyśle motoryzacyjnym i urządzenia AGD, obwody drukowane, przekaźniki i przełączniki elektryczne, rury, zawory, pompy. R1C8uKYGH2r0K Zawory w przemyśle wykonywane są z polioksyfenylenu. Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.
PC	Poliwęglan	Bardzo dobre właściwości mechaniczne – są sztywne, przezroczyste, bardzo wytrzymałe (zwłaszcza w kontekście twardości i odporności na ściskanie). Cechuje je wysoka temperatura zeszklenia. PC posiadają właściwości dielektryczne.	Szyby w batyskafach, samoloty, szyby hełmów astronautów, kierowców Formuły $1$ , butelki dla niemowląt, nośniki informacji, takie jak płyta CD. R26ZpSIP65XTE Płyty CD wykonywane są z poliwęglanu. Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.
POM	Poliformaldehyd	Termoplastyczne tworzywo o dużym stopniu krystaliczności. Jeden z najtwardszych materiałów organicznych, cechuje go sztywność, stabilność kształtów i odporność na ścieranie. Trudno rozpuszczalny w większości rozpuszczalników. W temperaturze pokojowej jest dość odporny na czynniki chemiczne, ale nie jest odporny na działanie stężonych roztworów kwasów i zasad.	Rolki, wałki, koła zębate, cięgna, elementy armatury wodnej i gazowej, pierścienie ślizgowe i elementy łożyskowań, elementy zespołów uszczelniających do wysokich ciśnień, urządzenia AGD, elektroniczne urządzenia biurowe, urządzenia automatyki i sterowania oraz kostki gitarowe.
PMMA	Poli(metakrylan metylu)	Bardzo dobre właściwości optyczne (duża przepuszczalność światła) oraz dobre właściwości mechaniczne i dielektryczne. Odporny na działanie światła (w tym promieniowania UV) i wody. Jest plastyczny, wytrzymały na stłuczenie. Daje się łatwo polerować i obrabiać mechanicznie, lżejszy od szkła i bardziej podatny na zarysowania. Rozpuszczalny w acetonie, estrach i dioksanie.	Szyby w samochodach, śmigłowcach, szybowcach, aparatura optyczna, światłowody, przemysłowe okulary ochronne, protetyka dentystyczna, części protez dużych stawów, soczewki wewnątrzgałkowe oraz ubytki kości czaszki.
PF	Bakelit	Jest niepalny, nietopliwy, nierozpuszczalny i bardzo odporny chemicznie.	Materiał konstrukcyjny i izolacyjny. R1bIxEn5tQp7C Telefon wykonany z bakelitu Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
PEG	Poli(tlenek etylenu)	Higroskopijny, najczęściej bezbarwny polimer, który – w zależności od masy cząsteczkowej ( $n$ ) – może być cieczą lub ciałem stałym. Miesza się z wodą bez ograniczeń; rozpuszcza się w etanolu $95 %$ , glicerolu, chloroformie, acetonie i innych glikolach.	Stosowany jest jako rozpuszczalnik, emulgator i środek zwiększający lepkość ciekłych kosmetyków i leków, konserwant.
PVA	Poli(octan winylu)	Zależnie od stopnia polimeryzacji: PVA o niskim ciężarze cząsteczkowym są miękkie i żywicowate, ale kruche w niższych temperaturach; z kolei cząsteczki; PVA o dużym ciężarze cząsteczkowym jest twardy i cechuje go duża trwałość kształtu. PVA dobrze rozpuszcza się w metanolu, ketonach, estrach i węglowodorach aromatycznych.	Składnik klejów i farb emulsyjnych oraz mas szpachlowych.

bg‑cyan

Badanie i identyfikacja tworzyw sztucznych

Większość elementów wykonanych z materiałów polimerowych posiada symbole literowe, które pozwalają na szybką identyfikację. Jednak wiele elementów wykonanych z tworzyw sztucznych ich nie posiada. Co wtedy? Możemy zbadać, jaki polimer jest głównym składnikiem nieznanego tworzywa.

RW3P6PyFWsqJP1

Ilustracja przestawia przykładowe oznaczenia polimerów od lewej pierwszy rząd. Pierwsze oznaczenie. trzy białe strzałki tworzą trójkąt na fioletowym tle, ich boki znajdują się w środku boku trójkąta. Wewnątrz umieszczono liczbę jeden, a poniżej trójkąta litery PET; podpis: politereftalan etylenu. Drugie oznaczenie. trzy białe strzałki tworzą trójkąt na szaro‑brązowym tle, ich boki znajdują się w środku boku trójkąta. Wewnątrz umieszczono liczbę zero dwa, a poniżej trójkąta litery PE‑HD; podpis: polietylen (wysoka gęstość). Trzecie oznaczenie. trzy białe strzałki tworzą trójkąt na czerwonym tle, ich boki znajdują się w środku boku trójkąta. Wewnątrz umieszczono liczbę zero trzy, a poniżej trójkąta litery PVC; podpis: poli(chlorek winylu). Czwarte oznaczenie. trzy białe strzałki tworzą trójkąt na żółtym tle, ich boki znajdują się w środku boku trójkąta. Wewnątrz umieszczono liczbę zero cztery, a poniżej trójkąta litery PE‑LD; podpis: polietylen (niska gęstość). Drugi rząd. Piąte oznaczenie. trzy białe strzałki tworzą trójkąt na jasnoniebieskim tle, ich boki znajdują się w środku boku trójkąta. Wewnątrz umieszczono liczbę zero pięć, a poniżej trójkąta litery PP; podpis: polipropylen. Szóste oznaczenie. trzy białe strzałki tworzą trójkąt na szarym tle, ich boki znajdują się w środku boku trójkąta. Wewnątrz umieszczono liczbę zero sześć, a poniżej trójkąta litery PS; podpis: polistyren. Siódme oznaczenie. trzy białe strzałki tworzą trójkąt na niebieskim tle, ich boki znajdują się w środku boku trójkąta. Wewnątrz umieszczono liczbę zero siedem, a poniżej trójkąta litery O; podpis: bisfenol A i inne. — Przykładowe oznaczenia polimerów
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑cyan

Tok postępowania zmierzający do identyfikacji tworzyw sztucznych

bg‑gray1

a) Wygląd zewnętrzny:

barwa;
przeźroczystość;
rodzaj powierzchni (gładka/chropowata).

b) Właściwości mechaniczne:

odkształcalność;
odporność na zarysowania.

bg‑gray1

Przykład 1

Wybrane cechy zewnętrzne polietylenu i polistyrenu:

Tworzywo		PE	PS
Postać	barwa	dowolna	dowolna
	przezroczystość	niewielka, barwa mleczna (czysty polimer).	duża
	powierzchnia	gładka	gładka
	dotyk	śliski	szklisty
Właściwości mechaniczne	twardość, rysowanie paznokciem	widoczna rysa	niewyczuwalna rysa
	odkształcalność	duża, powrotna	bardzo mała, powrotna
	dźwięk przy upadku	niski	wysoki

bg‑gray1

c) Oszacowanie gęstości tworzywa (próba pływalności)

Próbkę tworzywa należy wrzucić do zlewki z wodą destylowaną i określić jej gęstość względem wody. Zwrócić uwagę na dokładne zwilżenie próbki. Próba ta pozwala na rozdzielenie badanych próbek tworzyw na dwie grupy – lżejszych od wody (tworzywo pływa) i cięższych od wody (tworzywo osiada na dnie). Próba ta jest uproszczonym sposobem na oszacowanie ciężaru właściwegociężar właściwyciężaru właściwego badanej próbki.

bg‑cyan

Zachowanie się tworzyw sztucznych w płomieniu palnika

Tworzywa sztuczne stanowią bardzo zróżnicowaną grupę związków chemicznych, co znajduje odzwierciedlenie także w sposobie, w jaki zachowują się po wprowadzeniu do płomienia palnika. Ze względu na zauważalne różnice w spalaniu poszczególnych makrocząsteczek, możliwe jest stosowanie próby płomieniowej jako próby umożliwiającej identyfikację tworzyw.

Podczas przeprowadzania próby płomieniowej, należy umieścić badaną próbkę tworzywa w płomieniu palnika, a po tym, jak próbka zacznie się palić, należy wyjąć ją z płomienia. Obserwujemy:

czy próbka łatwo się zapala;
w jaki sposób wygląda płomień spalanej próbki (np. jaką przyjmuję barwę, czy jest świecący);
czy podczas spalania tworzywa powstaje dym;
czy po wyjęciu próbki z palnika tworzywo gaśnie czy nadal się pali;
w jaki sposób zmienia się wygląd spalanej próbki pod wpływem płomienia (np. czy się topi lub ulega zbryleniu itp.);
czy spalaniu towarzyszy powstawanie związków zapachowych;
w jaki sposób wyglądają pozostałości próbki po spaleniu.

W poniższej tabeli przedstawiono zachowanie w płomieniu palnika wybranych, często stosowanych polimerów.

Tworzywo (symbol)	Palność i objawy spalania	Zapach produktów rozkładu termicznego	Odczyn produktów rozkładu termicznego
PE, PP	pali się żółtym płomieniem, po wyjęciu z płomienia nadal pali się, topi się i ścieka płonącymi kroplami	parafiny	obojętny
PS	łatwopalny, spala się kopcącym, żółto‑pomarańczowym płomieniem	słodki; zapach hiacyntów (styrenu)	obojętny
PVC	materiał gaśnie po wyjęciu z płomienia, spala się kopcącym płomieniem, ulega rozkładowi	ostry, drażniący (chlorowodoru)	kwaśny
PET	pali się małym płomieniem (także po wyjęciu z płomienia palnika), lekko kopcący, topi się i ścieka kroplami	gryząco‑słodki	lekko kwaśny
PTFE	prawie niepalny; przy mocnym ogrzewaniu pojawiają się białe opary	—	kwaśny
PMMA	pali się żółtym płomieniem z niebieską podstawą (pali się także po wyjęciu z płomienia palnika)	słodki, owocowy (metakrylan metylu)	obojętny
PUR/PU	pali się niebieskawo‑żółtym płomieniem (także po wyjęciu z płomienia palnika), topi się i ścieka kroplami	nieprzyjemny, ostry	zasadowy

Na podstawie wyglądu płomienia można wyciągnąć ogólne wnioski odnośnie budowy badanego materiału. Przykładowo, obecność heteroatomów w polimerach (takich jak fluor, chlor, brom, krzem czy fosfor) zwiększa ich odporność na płomień, w stosunku do polimerów, zbudowanych wyłącznie z atomów węgla i wodoru. Z kolei tworzywa zawierające nienasycone wiązania i/lub pierścienie aromatyczne spalają się kopcącym płomieniem.

Spalanie jest określane jako proces gwałtownego utleniania tworzywa, połączony z wytworzeniem ciepła i utratą energii. Niektóre polimery podczas spalania ulegają depolimeryzacji, a uzyskane w ten sposób monomery mogą podtrzymywać spalanie. Należy podkreślić, że mechanizmy spalania polimerów są trudne do ustalenia, a w wyniku tego procesu może dochodzić do powstawania toksycznych związków, takich jak kwasy (np. chlorowodór z PVC) czy związki aromatyczne.

bg‑cyan

Zalety i wady materiałów polimerowych

R1UehvX8F4Qa41

Słownik

mer

najmniejszy powtarzający się w polimerze fragment łańcucha

sieciowanie polimerów

proces prowadzący do powstania trójwymiarowej sieci nadcząsteczkowej, na skutek powstawania mostków między cząsteczkami chemicznymi

ciężar właściwy

wektorowa wielkość fizyczna, charakteryzująca działanie siły ciężkości na ciało – definiuje się ją jako stosunek ciężaru ciała do jego objętości; podstawową jednostką ciężaru właściwego w układzie SI jest Niuton na metr sześcienny $(\frac{N}{m^{3}})$

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Broniewski T., Metody badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych, Warszawa 2000.

Żuchowska D., Polimery konstrukcyjne, Warszawa 2000.

Pielichowski J, Puszyński A, Technologia tworzyw sztucznych, Wydawnictwo Naukowo‑Techniczne, Warszawa 2003

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

Mucha M., Polimery a Ekologia, Łódź 2002. http://cybra.lodz.pl/Content/1256/Polimery%20a%20ekologia%20ocr2znak%20w.pdf

http://www.tworzywa.pwr.wroc.pl/pl/dydaktyka/identyfikacja-tworzyw

Wprowadzenie

Wirtualne laboratorium – S

Polimery

Porównanie oraz przykłady polimerów addycyjnych i kondensacyjnych

Podział polimerów

Właściwości i zastosowania wybranych polimerów

Badanie i identyfikacja tworzyw sztucznych

Tok postępowania zmierzający do identyfikacji tworzyw sztucznych

Zachowanie się tworzyw sztucznych w płomieniu palnika

Zalety i wady materiałów polimerowych

Słownik

Bibliografia