Ćwiczenie 14. Tworzywa sztuczne

Transkrypt

1 Ćwiczenie 14. Tworzywa sztuczne Tworzywa sztuczne jest to umowna nazwa materiału, w którym oprócz podstawowego składnika polimeru (związku wielkocząsteczkowego otrzymanego metodami chemicznymi) znajdują się inne substancje chemiczne, tzw. składniki, środki pomocnicze lub dodatki. Do składników tworzyw sztucznych zalicza się: 1. Napełniacze, 2. Nośniki, 3. Stabilizatory, 4. Zmiękczacze (plastyfikatory), 5. Antyutleniacze, 6. Barwniki, 7. Pigmenty, 8. Antystatyki itp. Zadaniem tych składników jest modyfikacja właściwości fizycznych polimeru, a zatem otrzymanie nowego materiału. Tworzywa sztuczne określa się również jako układy heterogeniczne, dwu- lub wieloskładnikowe, składające się z matrycy polimeru, w której, są rozproszone (zdyspergowane) określone substancje, zwane dodatkami lub środkami pomocniczymi. Nazywane są często również żywicami organicznymi lub masami plastycznymi. Przykłady monomerów ważniejszych polimerów: Cl C C chlorek winylu (PCW), C C chlorek winylidenu (saran), Cl Cl F F C C czterofluoroetylen (teflon) C C styren (polistyren), F F C 3 C C metakrylan metylu (szkło organiczne, pleksiglas). COOC 3 34

2 Spośród zalet większości tworzyw sztucznych należy wymienić ich niewielki ciężar właściwy, brak smaku i zapachu, dobrą odporność na korozję oraz działanie kwasów i zasad, łatwość kształtowania, dobrą zdolność barwienia, dobre właściwości izolacyjne prądu elektrycznego i ciepła. Poza zaletami tworzywa te mają wady takie jak: zmniejszona wytrzymałość mechaniczna, większa niż u metali rozszerzalność cieplna oraz palność. Istotną cechą tworzyw sztucznych jako związków chemicznych jest występowanie w nich dużych cząsteczek, w których atomy pierwiastków tworzące podstawowy szkielet połączone są silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Proces, w czasie, którego małe cząsteczki wiążą się w makrocząsteczkę nosi nazwę polimeryzacji. Cząsteczki małe, z których może być utworzona makrocząsteczka (polimer) nazywa się monomerem. Ze względu na mechanizm reakcji rozróżnia się polimeryzację addytywną i kondensacyjną. Do polimeryzacji addytywnej (przyłączeniowej) zdolne są związki nienasycone, które w cząsteczce mają wielokrotne (podwójne lub potrójne) wiązanie kowalencyjne pomiędzy atomami węgla. Stykanie się cząsteczek monomerów ze sobą nie powoduje automatycznie polimeryzacji addytywnej. Reakcja addycji musi być zapoczątkowana przez dostarczenie energii (energia aktywacji) w takiej ilości, aby cząsteczka przeszła w stan aktywny, dzięki czemu będzie mogła reagować z inną wzbudzoną cząsteczką. Energia aktywacji potrzebna do zajścia reakcji może być obniżona przez zastosowanie katalizatora, a przez to szybkość reakcji wzrośnie. Drugi rodzaj polimeryzacji, czyli polimeryzacja kondensacyjna związana jest z cząsteczkami zawierającymi odpowiednie grupy funkcyjne takie jak: -N 2, -COO, -O. Cząsteczki takie reagują ze sobą z odłączeniem produktu ubocznego, którym jest zwykle woda lub inne proste cząsteczki: Cl, N 3, C 3 O. Procesem odwrotnym do polimeryzacji jest depolimeryzacja, w którym następuje rozpad cząsteczek polimeru na cząstki mniejsze, w efekcie dochodząc do cząsteczki monomeru. Depolimeryzacja zachodzi w tworzywach sztucznych w wysokiej temperaturze z powodu dużych drgań cieplnych cząsteczek, co prowadzi do zrywania wiązań międzycząsteczkowych. Na właściwości tworzyw sztucznych mają wpływ takie czynniki jak: 1. Budowa przestrzenna cząsteczki monomeru oraz makrocząsteczki polimeru; wpływa na właściwości wytrzymałościowe tworzywa sztucznego. Właściwości te związane są z rodzajem występujących cząsteczek w związku. W przypadku występowania cząsteczek jednakowych, tworzywo sztuczne jest bardziej podatne na odkształcenia, a więc posiada mniejszą wytrzymałość mechaniczną. Dzieje się, tak dlatego, że cząsteczki jednakowej wielkości w małym stopniu ograniczają ruch innych cząsteczek. W przypadku różnej wielkości cząsteczek (np. w polichlorku winylu występują cząsteczki zawierające atomy chloru) następuje większe ograniczenie ruchu cząsteczek względem siebie oraz wzrost sił przyciągania van der Waalsa wskutek polaryzacji w cząsteczce. Tworzywo o takich cząsteczkach charakteryzuje się większą odpornością na odkształcenia oraz posiada wyższe wytrzymałości mechaniczne. 35

3 2. Długość łańcucha, wpływa na własności fizyczne; tworzywa sztuczne o krótkich łańcuchach to ciecze, o dłuższych to ciała półstałe, i o bardzo długich ciała stałe. Im dłuższy łańcuch posiada związek tym jest trudniej rozpuszczalny 3. Budowa chemiczna monomeru, 4. Chemiczne wiązanie poprzeczne pomiędzy łańcuchami; ograniczają znacznie ruch sąsiednich łańcuchów w stosunku do siebie. Wiązanie to wpływa, zatem na własności mechaniczne i rozpuszczalność tworzyw sztucznych w rozpuszczalnikach organicznych, 5. Rozgałęzienie łańcucha, 6. Uporządkowanie poszczególnych łańcuchów względem siebie. Tworzywa sztuczne można podzielić ze względu na: 1. Pochodzenie związku: Naturalne celuloza, kauczuki, Syntetyczne polimery winylowe itp. 2. Metodę otrzymywania: Polimeryzacyjne polietylen, polichlorek winylu, Polikondensacyjne żywice poliestrowe, Poliaddycyjne poliuretany, 3. Zachowanie się podczas ogrzewania: Tworzywa termoplastyczne termoplasty, Tworzywa termoutwardzalne duroplasty, Tworzywa sztuczne można również podzielić ze względu na kryteria stosowane w technice związane z właściwościami mechanicznymi: Elastomery, Tworzywa półsztywne nieorientowane i orientowane, Tworzywa twarde 36

4 Ćwiczenie 1. Otrzymywanie tworzywa z grupy aminoplastów. Cel ćwiczenia: otrzymanie żywicy mocznikowo-formaldehydowej. Aparatura: 2 probówki, palnik gazowy, odczynniki: mocznik, 40%-towy metanalu (formalina), 20%-towy roztwór Cl, szampon płynny Wykonanie doświadczenia: 1. W probówce rozpuścić 1 g (około 2 cm 3 ) mocznika w jak najmniejszej ilości formaliny, 2. W drugiej probówce umieścić 0,5 cm 3 szamponu i dodać do niego 2 krople 20% Cl, 3. Oba roztwory zmieszać ze sobą i silnie wstrząsnąć, aż do całkowitego spienienia się, 4. Zawartość probówki ogrzewać do wrzenia na małym ogniu, 5. Odczekać około 10 minut i jeszcze raz lekko podgrzać, 6. Pozostawić do ochłodzenia. Sprawozdanie: 1. Opisać właściwości produktu (kolor, konsystencję, zapach itp.), 2. Podać wzór strukturalny produktu 3. Wymienić przykładowe zastosowanie takiego tworzywa sztucznego. 37

5 Ćwiczenie 2. Otrzymywanie polimetakrylanu metylu (szkło organiczne). Cel ćwiczenia: otrzymanie polimetakrylanu metylu (szkła organicznego). Aparatura: Probówka, zlewka 200 cm 3, trójnóg, palnik, siatka azbestowa, łaźnia wodna Odczynniki: Monomer metakrylanu metylu, nadtlenek benzoilu Wykonanie ćwiczenia. 1. Do probówki wlać 1 cm 3 monomeru metakrylanu metylu i dodać odrobinę katalizatora nadtlenku benzoilu, 2. Zawartość próbówki podgrzać do wrzenia, 3. Po zagotowaniu, przerwać ogrzewanie w płomieniu palnika i włożyć probówkę do łaźni wodnej z gotującą się wodą, 4. Utrzymywać próbkę w gotującej się wodzie do chwili zauważenia zmian w konsystencji mieszaniny, 5. Przerwać ogrzewanie i probówkę pozostawić w gorącej wodzie, po pewnym czasie otrzymuje się przeźroczysty polimetakrylan. Sprawozdanie: 1. Opisać właściwości produktu (kolor, konsystencję, zapach itp.), 2. Podać wzór strukturalny produktu, 3. Wymienić przykładowe zastosowanie takiego tworzywa sztucznego. 38

6 Ćwiczenie 5. Identyfikacja tworzywa sztucznego. Cel ćwiczenia: zidentyfikowanie tworzywa sztucznego na podstawie próby topienia, spalania i właściwości produktów rozkładu. Aparatura: Próbówka, trójnóg, palnik, siatka azbestowa, papierki lakmusowe, szpachelka Odczynniki: Różne próbki tworzyw sztucznych Wykonanie ćwiczenia. Wszystkie próby wykonywać pod dygestorium!!!. 1. Wykonać próbę topienia: Próbkę tworzywa umieścić na szpachelce i wprowadzić do strumienia gorącego powietrza nad palnikiem, Obserwować zachowanie się tworzywa (mięknie, rozpływa się itp.), 2. Wykonać próbę palenia: Próbkę tworzywa wprowadzić na KRÓTKO w płomień palnika, Obserwować zachowanie się tworzywa po wyjęciu z płomienia (czy się pali nadal, barwa płomienia, czy występuje sadza lub inne wyziewy, jaki jest płomień, czy materiał topi się i spływa kroplami), 3. Analizę produktów rozkładu: W probówce ogrzewać próbkę tworzywa sztucznego, Obserwować zabarwienie produktów ogrzewania, zbadać odczyn (zwilżony wodą destylowaną papierek lakmusowy umieścić u wewnętrznego wylotu probówki), zbadać zapach 4. Wszystkie próby wykonać na podstawie zamieszczonej tabeli. Sprawozdanie: 1. Opisać właściwości produktu (kolor, konsystencję, zapach itp.) według tabeli, 2. Podać rodzaj produktu, 3. Wymienić przykładowe zastosowanie takiego tworzywa sztucznego 39

7 Tworzywo sztuczne Gęstość Próba topienia Temperatura mięknięcia Temperatura płynięcia Zapalność Próba palenia się Barwa płomienia Uwagi Zabarwienie Produkty rozkładu Odczyn zasadowy kwaśny Zapach PCW miękki 1, Trudna Zielonkawa Nie pali się sam Białe pary - + Chlorowodoru PCW twardy 1, Trudna Zielonkawa Może palić się dalej Białe pary - + Chlorowodoru Polistyren 1,05-1, Samozapalający się Święcąco żółtawa Kopcący płomień, topi się Białe pary, cięższe od powietrza - - Słodkawy (zapach kwiatów i benzenu) Poliamid 1, (203) Pali się Niebieskawa, żółty rąbek Topi się, ścieka nitkowatymi kroplami Brunatnawe + - Spalonego białka Polietylen 0,92-0, Pali się Początkowo niebieskawa, później żółta Topi się, ścieka palącymi się kroplami Białe - + Parafiny Polimetakrylan 1, Pali się Żółtawa Spala się spokojnie, trochę kopci Bezbarwne Owocowy, słodkawy Polioctan 1,16- Niebieskawa, Pali się 1,18 żółty rąbek Fenoplasty 1,26-1, Trudna Żółta Aminoplasty Trudna żółtawa Topi się, ścieka kroplami Białe - + Trzaska, zwęgla się rozpryskując Różne + - Białe osmolone krawędzie, zwęgla się białe + - pękając z trzaskiem Chlorowodoru i kwasu masłowego Fenolu i formaldehydu Ryby, amoniaku i formaldehydu 40

8 Literatura: 1. L. Czerski Chemia dla techników 2. L. Van Vlack Fizykochemiczne podstawy nauki o materiałach 3. D. Żuchowska Polimery konstrukcyjne Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa A. Wdowin, Z. Wójciekiewicz Laboratorium z tworzyw sztucznych Politechnika Świętokrzyska, Kielce, D. Braun Simple methods for identification of plastics anser/gardner Publisher Inc., Cincinnati