Materiały konstrukcyjne: tworzywa sztuczne

Transkrypt

1 EMIA A SPŁEZEŃSTW Materiały konstrukcyjne: tworzywa sztuczne Marek Kwiatkowski Zakład Dydaktyki hemii Wydział hemii UG ul. Sobieskiego 18, Gdańsk tel. (058) kwiatm@chem.univ.gda.pl

2 Siły międzycząsteczkowe siły dyspersyjne siły dipol-dipol wiązanie wodorowe wiązanie kowalencyjne wiązanie jonowe

3 Polimery poly: wiele meros: człon, część Właściwości: odporne chemicznie lekkie ale wytrzymałe łatwe do kształtowania tanie odporne na korozję homopolimery A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-Aheteropolimery (kopolimery) A-B-B-A-B-A-A-B-A-B-B-B- A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B- liniowe (termoplastyczne) usieciowane (termoutwardzalne, chemoutwardzalne)

4 Polimery addycyjne F F F F * * * * * * polietylen l l polichlorek winylu F F politetrafluoroetylen F F 3 3 * * * * 3 polipropylen polimetakrylan metylu * * polistyren 3 3 * kauczuk (poliizopren) *

5 Polietylen LDPE * * Polimeryzacja wolnorodnikowa (500 o, 1000 atm): LDPE d = g cm -3 t t = 115 o

6 Polietylen LDPE Miękki i elastyczny, mgliście przeźroczysty, doskonały materiał do produkcji folii i torebek foliowych

7 Polietylen DPE Polimeryzacja przy użyciu katalizatora Ziegler-Natty (60 o, 20 atm): DPE katalizator: Til 3, Al( 2 3 ) d = 0.98 g cm -3 t t = 135 o Sztywny, mocny, wytrzymały, mleczny. Tworzywo na butelki, naczynia i pojemniki.

8 Naczynia z DPE kształtowane są techniką wtrysku z roztłaczaniem Polietylen DPE

9 Polietylen UMWPE Ultra igh Molecular Weight PE UMWPE igh Modulus PE MPE igh Performance PE PPE Dyneema, Spectra DPE: monomerów UMWPE: monomerów Produkcja: łączenie łańcuchów DPE w obecności katalizatorów typu metalocenów rozmiękczanie na żel w odpowiednich rozpuszczalnikach wyciskanie żelu przez sito i wyciąganie otrzymanych nici.

10 Polietylen UMWPE 95% łańcuchów układa się równolegle użyteczny w zakresie od -100 do +100 o nie poddaje się zwilżaniu: odporny na wilgoć, chemikalia, UV, mikroorganizmy śliski, odporny na ścieranie (10 stal) wysoka odporność mechaniczna (7 stal) pełzanie pod długotrwałym obciążeniem Zastosowanie: implanty, zwłaszcza w stawach elementy trące włókno Dyneema/Spectra: kamizelki kuloodporne, cięciwy łuków, żyłki wędkarskie

11 * * 3 3 Polipropylen Struktura o dużym stopniu regularności, grupa metylowa na co drugim atomie węgla.

12 Polipropylen Bardziej miękki niż polietylen Łatwy do barwienia na różne kolory

13 * * Polistyren t t = 250 o twardy kruchy przejrzysty łatwy do barwienia

14 Formowanie: technika wtrysku Polistyren

15 Polistyren Tworzywo na twarde, sztywne, często błyszczące przedmioty

16 Styropian Ultralekki, sprężysty, miękki materiał, doskonały izolator cieplny. trzymywanie: Działanie gorącym powietrzem na granulat polistyrenowy zawierający ok. 7% lotnej cieczy, np. pentanu.

17 Polichlorek winylu PV * * l l Półprzeźroczysty, twardy, polimer

18 Polichlorek winylu PV Tworzywo 'heavy duty', stosowane tam gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość mechaniczna i odporność na zużycie: płytki podłogowe linoleum rury wodociągowe i kanalizacyjne węże elastyczne płyty gramofonowe...

19 Polichlorek winylu PV Z PV wyrabia się również miękką ale bardzo mocną folię: sztuczna skóra materiał na płaszcze przeciwdeszczowe foliowe zasłony prysznicowe worki na śmieci przeźroczysta folia spożywcza (do zawijania żywności)...

20 Polichlorek winylu PV Przyczyna wysokiej odporności mechanicznej: oddziaływanie dipol-dipol.

21 Polichlorek winylu PV Plastyfikatory: estry o długich, liniowych cząsteczkach, np. adypinian heksylu:

22 3 3 * * Polimetakrylan metylu (PMM) 3 3 Nazwy handlowe: Plexiglass (Pleksi), Perspex Przeźroczyste, mocne tworzywo, substytut szkła (szkło organiczne)

23 F F F F * * F F F F Politetrafluoroetylen (PTFE) Nazwa handlowa: Teflon

24 Politetrafluoroetylen (PTFE) Tworzywo o niezwykłych właściwościach: nie przywiera do innych substancji wysoka odporność termiczna, t t = 335 o, nie zmienia właściwości do 260 o wysoka odporność chemiczna świetne właściwości mechaniczne niski współczynnik tarcia niepalny

25 Polimery izoprenu Kauczuk: izomer cis Miękki, elastyczny. Zawarty w lateksie niektórych drzew tropikalnych: evea brasiliensis, Ficus carica... Zastosowanie: produkcja gumy.

26 Polimery izoprenu Gutaperka: izomer trans: Twardszy, nieelastyczny. Zawarty w lateksie roślin tropikalnych rodzaju Palaquium. Zastosowanie: dawniej izolacja elektryczna, piłki golfowe, wypełnienie dentystyczne

27 Guma Wulkanizacja

28 zy guma arabska jest gumą? Złożona mieszanina oligosacharydów i glikoprotein, wytwarzana przez niektóre gatunki akacji, np; Acacia senegal

29 Polimery kondensacyjne Poliamidy: 2 N N 2 N N N N Poliestry: W wyniku kondensacji wydziela się produkt niskocząsteczkowy: woda, alkohol, chlorowodór...

30 Nylon 66 Produkt kondensacji kwasu adypinowego i 1,6-diaminoheksanu 2 N N 2 1,6-diaminoheksan kwas adypinowy N N nylon 66

31 Produkt polimeryzacji kaprolaktamu Nylon 6 N 2 N kaprolaktam kwas 6-aminoheksanowy N N nylon 6 Uniwersalny surowiec do produkcji nylonu 66 i nylonu 6: cykloheksanon

32 Nylon 66 i Nylon 6 Dają się wyciągać w postaci gładkich, cienkich włókien, idealnych do produkcji tkanin. Wyciąganie na zimno zwiększa znacznie odporność mechaniczną włókien

33 Nylon Tkaniny nylonowe są mocne i lekkie

34 Aramidy Kevlar (Twaron): produkt kondensacji kwasu tereftalowego i 1,4-diaminobenzenu. 2 N N 2 kwas tereftalowy 1,4-diaminobenzen Nomex: izomer meta N N kevlar Kevlar ma wytrzymałość stali, jest jednak od niej 5 razy lżejszy.

35 Poli(tereftalan etylenu) PET Nazwy handlowe: Terylen, Dakron, Melinex, Mylar, elana, 'poliester'. Produkt kondensacji kwasu tereftalowego i glikolu etylenowego (etan-1,2- diolu). kwas tereftalowy glikol etylenowy PET

36 Poli(tereftalan etylenu) PET Powszechnie używane tworzywo o wielu zastosowaniach: butelki PET do napojów wykładziny dywanowe (włókno) tkaniny polarowe (włókno) tkaniny poliestrowe, np. Elana (włókno) tkaniny na żagle, Dacron (włókno) baloniki dziecięce, Mylar (folia)...

37 Poliwęglany Produkty kondensacji dioli i kwasu węglowego. trzymywane w reakcji dioli z fosgenem l 2 + l l + 2 l diol fosgen poliwęglan chlorowodór Przeźroczyste, wytrzymałe tworzywa na szyby, szkła okularowe, soczewki optyczne, dyski D

38 Poliwęglany: Lexan Super wytrzymałe tworzywo na szyby kuloodporne, szyby w samolotach, owiewki motocyklowe.

39 Epoksydy Usieciowane chemoutwardzalne polimery. Dwa składniki: żywica epoksydowa i utwardzacz. Żywica epoksydowa: produkt kondensacji bisfenolu-a i epichlorohydryny: n + n l bisfenol-a epichlorohydryna n żywica epoksydowa

40 Epoksydy Utwardzacze: aminy pierwszorzędowe, diizocyjaniany. Powodują przestrzenne usieciowanie łańcuchów żywicy epoksydowej. R N R N N R N N R N

41 Poliuretany Produkty kondensacji polioli i diizocyjanianów Pianka poliuretanowa: dodatek wody powoduje rozkład części izocyjanianu z wydzieleniem dwutlenku węgla i spienienie twardnącej masy. Wysoka odporność na ścieranie Elastyczność Materiał na podeszwy do butów, lite opony do kółek Pianka elastyczna: materiał na materace, fotele samochodowe, meble tapicerowane Pianka sztywna: uszczelnienia budowlane (framug okiennych, drzwi, itp.)

42 Silikony Łańcuch polimeryczny składający się z atomów krzemu i tlenu ułożonych naprzemiennie. Najpospolitszy: polidimetylosilan, otrzymywany przez częściową hydrolizę Sil 2 ( 3 ) n l Si + 2 Si * + l n 2 l

43 Silikony Monomer Sil 3 3 : usieciowany, bardzo elastyczny i trwały polimer (każdy atom krzemu tworzy mostki tlenowe z trzema innymi atomami krzemu) Możliwość regulacji stopnia usieciowania, tworzywa o różnych własnościach, od miękkich, galaretowatych tworzyw (miękkie implanty, bouncing putty) po bardzo elastyczną i sprężystą gumę silikonową. Zastąpienie w monomerach -l za pomocą - 3 i częściowa polimeryzacja: miękki, plastyczny żel silikonowy Żel twardnieje pod wpływem wilgoci wskutek dalszego sieciowania i elimnacji kwasu octowego (twardniejący żel silikonowy wydziela zapach octu)

44 Gore-Tex, Windex Mikroporowata membrana teflonowa. udowne tkaniny Thinsulate Ultracienkie włókna poliestrowe. oolmax Rowkowane włókna poliestrowe.

45 Tworzywa kompozytowe Włókna wytrzymałych materiałów zatopionych w tworzywie sztucznym (poliester, epoksyd)

46 Tworzywa kompozytowe Włókno szklane otrzymywane przez wyciąganie cienkich nici ze szkła, plecione w maty, siatki, itp., zatopione w bezpostaciowej matrycy tworzyw poliestrowych (rzadziej akrylowych).

47 Tworzywa kompozytowe Włókno grafitowe otrzymywane przez wyżarzanie poliakrylonitrylu PAN w starannie kontrolowanych warunkach. Produkt: grafen N N N N N N PAN Włókno grafitowe przewodzi prąd!

48 Samonaprawiające się tworzywa kompozytowe Wada tworzyw kompozytowych: tendencja do powstawania mikropęknięć na granicy styku z włóknem. Skład tworzywa 'gojącego się': włókna polimer mikrokapsułki z mono- merem (10-20 na cm 3 ) katalizator dicyklopentadien (monomer)

49 Recykling tworzyw sztucznych Argumenty za: bardzo powoli ulegają degradacji, długo zalegają na wysypiskach są lekkie, zajmują dużą objętość na wysypiskach zaśmiecają środowisko spalanie tworzyw sztucznych powoduje powstawanie produktów szkodliwych dla środowiska

50 Recykling tworzyw sztucznych, cd. Metody recyklingu: powtórne przetworzenie rozdrobnienie stopienie uformowanie na nowo tylko do tworzyw termoplastycznych depolimeryzacja polistyren - styren 40% wydajności

51 Recykling tworzyw sztucznych, cd. Problemy: depolimeryzacja przebiega z niską wydajnością i wymaga znacznego nakładu energii (zrywanie wiązań kowalencyjnych) ekonomicznie opłacalne może być jedynie przetwarzanie niektórych tworzyw termoplastycznych właściwości polimerów z recyklingu są wyraźnie gorsze niż polimerów pierwotnych koszt wytworzenia nowego polimeru może być niższy niż polimeru z recyklingu.

52 Biodegradowalność polimerów polipropylen Polimery addycyjne: wyłącznie trwałe, niespolaryzowane wiązania - w łańcuchu. Brak mechanizmów degradacji, homolityczne rozerwanie wiązania wymaga znacznego nakładu energii, np. promieniowania UV. Praktycznie nie ulegają biodegradacji.

53 Biodegradowalność polimerów, cd. nylon 66 Polimery kondensacyjne: w łańcuchu polimerycznym występują atomy azotu lub tlenu, przez co niektóre wiązania stają się polarne i podatne na atak czynników nukleofilowych lub elektrofilowych (wiązanie amidowe, estrowe). Powoli ulegają działaniu enzymów mikroorganizmów żyjących w ziemi. Nieco łatwiej ulegają biodegradacji niż tworzywa poliaddycyjne.

54 Tworzywa sztuczne ze skrobi Plastarch (PSM) Skrobia roślinna (np. z kukurydzy), zawartość 80%, reszta plastyfikatory, wypełniacze (np. sorbitol, gliceryna) nadające skrobi właściwości plastyczne, pozwalające na jej kształtowanie w sposób podobny jak inne plastiki. Tani Bardzo szybka degradacja w środowisku (kilkanaście dni) Mała odporność na wodę i wilgoć graniczone zastosowanie

55 Polimery kwasów hydroksykarboksylowych 3 kwas mlekowy * 3 polilaktyd, PLA * PLA: bakteryjna fermentacja skrobi lub sacharozy do kwasu mlekowego polimeryzacja kwasu mlekowego 3 2 * 2 * kwas 3-hydroksymasłowy 3 poli-3-hydroksymaślan, PB * 2 2 * * 2 2 * 3 kopolimer PB i PV 3 kwas 3-hydroksywalerianowy poli-3-hydroksywalerian, PV

56 PB wytwarzany z oleju palmowego przez bakterie Ralstonia eutropha podobny do polipropylenu ale bardziej kruchy opakowania, folia, drobne utensylia polimer dla chirurgii niejasne skutki wprowadzania do środowiska wielokrotnie droższy niż inne tworzywa nie najlepsze właściwości mechaniczne konieczność dalszych badań biogenetycznych

57 Nylon 11 PA11 (poliamid 11), Rilsan Syntetyczny poliamid produkowany z olejów roślinnych. Zastosowanie i biodegradowalność porównywalna do innych poliamidów * N *