Przeczytaj
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 meramimerami. 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.
Porównanie oraz przykłady polimerów addycyjnych i kondensacyjnych
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: .
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: .
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).
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 koniecŹródło: 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.
Przykładowe polimery addycyjne i kondensacyjne
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:
Główne segmenty zastosowań tworzyw wg rodzajów polimerów (dane z roku):
Podział plastomerów i różnice w ich budowie
Uwzględniając podatność na zmianę temperatury, polimery mogą znajdować się w pięciu stanach fizycznych:
Temperatura zeszklenia () to temperatura, w której następuje przejście polimeru ze stanu wysokoelastycznego (np. ciekłego) do stanu szklistego. Przemianie tej towarzyszy wzrost lepkości materiału. jest głównym kryterium stosowania polimerów i tworzyw sztucznych w warunkach normalnych, ponieważ pozwala na ocenę twardości polimeru (dla polimer jest twardy, dla – 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.
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). |
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. |
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). |
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. |
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. |
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. |
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 , butelki dla niemowląt, nośniki informacji, takie jak płyta CD. |
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. |
PEG | Poli(tlenek etylenu) | Higroskopijny, najczęściej bezbarwny polimer, który – w zależności od masy cząsteczkowej () – może być cieczą lub ciałem stałym. Miesza się z wodą bez ograniczeń; rozpuszcza się w etanolu , 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. |
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.
Tok postępowania zmierzający do identyfikacji tworzyw sztucznych
a) Wygląd zewnętrzny:
barwa;
przeźroczystość;
rodzaj powierzchni (gładka/chropowata).
b) Właściwości mechaniczne:
odkształcalność;
odporność na zarysowania.
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 |
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 właściwegociężaru właściwego badanej próbki.
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.
Zalety i wady materiałów polimerowych
Słownik
najmniejszy powtarzający się w polimerze fragment łańcucha
proces prowadzący do powstania trójwymiarowej sieci nadcząsteczkowej, na skutek powstawania mostków między cząsteczkami chemicznymi
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
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