Identyfikacja i badanie materiałów polimerowych

Transkrypt

1 Akademia Morska w Szczecinie Instytut InŜynierii Transportu Zakład Techniki Transportu Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów Materiałoznawstwo i Nauka o materiałach Identyfikacja i badanie materiałów polimerowych Opracowali: mgr inŝ. Joanna Tuleja Dr inŝ. Jarosław Chmiel Zatwierdził: dr inŝ. Jarosław Chmiel Szczecin 2008

2 Wprowadzenie Tematem ćwiczenia jest grupa materiałów, których głównym składnikiem jest związek wielkocząsteczkowy polimer. Oprócz niego materiały te zawierają składniki dodatkowe, nadające im wymagane właściwości uŝytkowe i technologiczne. Podstawowe grupy zatsosowań materiałów polimerowych w technice wynikają z ich specyficznych własciwości uŝytkowych. W szczególności istotne jest zastosowanie tej grupy materiałów jako : - materiałów konstrukcyjnych o specyficzncych właściwościach; - materiałów elektroizolacyjnych; - materiałów termoizolacyjnych; - materiałów uszczelniających; - materiałów wibroizolacyjnych; - specjalnych materiałów łoŝyskowych; - materiałów malarskich; - materiałów regeneracyjnych i naprawczych. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi rodzajami materiałów polimerowych, sposobami ich identyfikacji oraz zbadanie wybranych ich właściwości. 1. Charakterystyka ogólna 1.1. Pojęcia podstawowe Cechą charakterystyczną polimerów jest występowanie w ich cząsteczce okresowo powtarzalnych ugrupowań atomów, które nazywamy merami. Polimery otrzymywać moŝna poprzez modyfikację naturalnych substancji wielkocząsteczkowych, jednak obecnie wytwarza się je przede wszystkim syntetycznie. Cząsteczki związków chemicznych, stanowiących substancje wyjściowe do otrzymywania związków wielkocząsteczkowych składają się ze stosunkowo niewielkiej liczby atomów i noszą nazwę monomerów. Są one zdolne do reakcji z identycznymi lub innymi cząsteczkami dzięki obecności w nich ośrodków reaktywnych, takich jak nienasycone wiązania, nietrwałe pierścienie lub grupy reaktywne. W wyniku łączenia się cząsteczek monomeru pomiędzy sobą powstaje związek wielkocząsteczkowy polimer. Właściwości fizyczne monomerów i polimerów są oczywiście całkowicie odmienne. Polimery, w przeciwieństwie do klasycznych związków chemicznych, stanowią mieszaniny cząsteczek o róŝnej wielkości i masie cząsteczkowej dlatego teŝ stosuje się pojęcia średniej masy cząsteczkowej lub stopnia polimeryzacji. 2

3 1.2. Podstawy procesów wytwarzania Podstawowe surowce do otrzymywania monomerów pochodzą z ropy naftowej, gazu ziemnego i węgla kamiennego. Otrzymywanie monomerów wchodzi w zakres technologii organicznej, otrzymywanie polimerów w zakres chemii i technologii tworzyw sztucznych zaś wytwarzanie z polimerów wyrobów uŝytkowych w zakres technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych. Tworzywa sztuczne dostarczane do przetwórstwa mają postać Ŝywic, tłoczyw, preimpregnatów lub półfabrykatów. śywice występują jako tzw. Ŝywice techniczne do bezpośredniego zastosowania (odlewania, nasycania, laminowania), względnie stanowią surowiec do dalszego przerobu na tłoczywa, preimpregnaty, kleje, kity, materiały regeneracyjne i malarskie itp. Tłoczywa przeznaczone są do plastycznego formowania wyrobów z tworzyw. Mają postać proszków, granulatów, tabletek, ciastowatych mas lub tekstylnych skrawków nasyconych Ŝywicą. Na wyroby gotowe lub półwyroby przetwarzane są najczęściej metodami wtryskiwania, wytłaczania lub prasowania. Preimpregnaty to arkusze lub zwoje materiału wzmacniającego o odpowiedniej strukturze, nasycone Ŝywicą i przeznaczone do formowania wyrobów wielkogabarytowych technikami prasowania. Półwyroby z tworzyw sztucznych mają postać folii, płyt, prętów, rur i innych profili. Kształt gotowego wyrobu uzyskiwany jest poprzez obróbkę skrawaniem i łączenie metodami klejenia, zgrzewania lub spawania Zalety tworzyw sztucznych i ograniczenia w ich stosowaniu Za zalety tworzyw sztucznych naleŝy uznać: łatwość formowania przedmiotów o skomplikowanych kształtach; korzystny stosunek wytrzymałości do masy właściwej (wytrzymałość właściwa), zwłaszcza po wzmocnieniu napełniaczami włóknistymi; dobre właściwości mechaniczne i doskonałe właściwości elektroizolacyjne; stosunkowo dobra, a niekiedy doskonała odporność chemiczna; moŝliwość długotrwałego uŝytkowania wyrobów bez potrzeby dodatkowej ich konserwacji; moŝliwość wielokrotnego przetwarzania tworzyw (recycyling). Do czynników ograniczających zastosowanie handlowo dostępnych tworzyw sztucznych naleŝy niezadowalająca w większości przypadków odporność cieplna. Dla większości tworzyw maksymalna temperatura pracy ciągłej wynosi C a wyjątkowo sięga C (tworzywa fluorowe, poliimidy). Istotną cechą powodującą ograniczenia w stosowaniu niektórych grup tworzyw sztucznych w okrętownic- 3

4 twie jest ich palność, a zwłaszcza moŝliwość wydzielania podczas palenia silnie trujących produktów gazowych (np. podczas spalania poliuretanów moŝe wydzielać się cyjanowodór, zaś podczas spalania PVC fosgen). Twardość tworzyw sztucznych jest znacznie niŝsza niŝ twardość metali. Niekorzystną cechą tworzyw sztucznych jest ich mała odporność na pełzanie. 2. Klasyfikacja materiałów polimerowych 2.1. Klasyfikacja chemiczna metody otrzymywania polimerów Podstawą tej klasyfikacji jest metoda otrzymywania związku wielkocząsteczkowego. W zaleŝności od pochodzenia rozróŝnia się: modyfikowane tworzywa naturalne, otrzymywane z naturalnych związków wielkocząsteczkowych np. celulozy (octan celulozy, octanomaślan celulozy), kazeiny (galalit) lub kauczuków naturalnych; tworzywa syntetyczne, otrzymywane w wyniku reakcji chemicznych. W chwili obecnej tworzywa syntetyczne stanowią ok. 98% produkowanych tworzyw sztucznych. W zaleŝności od rodzaju reakcji, w wyniku której powstaje polimer (tzw. polireakcji) rozróŝnia się tworzywa syntetyczne polimeryzacyjne, polikondensacyjne i poliaddycyjne (tablica 1). Tablica 1. Podział tworzyw syntetycznych Tworzywa otrzymywane przez polimeryzację Polietylen, polipropylen, kopolimery olefinowe Poli(chlorek winylu), kopolimery winylowe Polistyren i kopolimery styrenu Poli(metakrylan metylu) kopoli- Poliformaldehyd, mer acetalowy Poli(tlenek fenylenu) Politetrafluoroetylen i inne polimery fluorowe Tworzywa otrzymywane przez polikondensację Fenoplasty Aminoplasty Poliamidy otrzymywane z kwasów dikarboksylowych i diamin Poliwęglany Poliestry Poli(siarczek fenylenu) Poliimidy Polieterosulfony Tworzywa otrzymywane przez poliaddycję Poliuretany Tworzywa epoksydowe Poliamidy otrzymywane z laktamów 4

5 Polimeryzacja jest procesem łączenia się wielu cząstek monomeru, któremu nie towarzyszy wydzielanie się małocząsteczkowych produktów ubocznych. Proces przebiega bez zmian składu chemicznego a powstający polimer róŝni się od monomeru tylko wielkością cząsteczki. Szczególnym przypadkiem polimeryzacji jest kopolimeryzacja reakcja mieszaniny co najmniej dwóch monomerów, z wytworzeniem makrocząsteczek zawierających mery odpowiadające wszystkim składnikom mieszaniny. W zaleŝności od technicznej realizacji procesu wyróŝnia się polimeryzację w masie (np. polimetakrylan metylu, polietylen małej gęstości), polimeryzację w zawiesinie (np. polistyren, poli(chlorek winylu)), polimeryzację emulsyjną i polimeryzację w roztworze. Polikondensacja (polimeryzacja kondensacyjna) polega na łączeniu się wielu cząstek monomerów z jednoczesnym wydzieleniem prostego związku małocząsteczkowego jako produktu ubocznego np. wody lub chlorowodoru. Skład chemiczny polimeru nie jest identyczny ze składem monomeru lub wyjściowej mieszaniny monomerów. Poliaddycja (polimeryzacja addycyjna) jest procesem łączenia się cząsteczek monomeru lub monomerów wskutek przemieszczania się ruchliwego atomu wodoru. Powoduje to powstanie reaktywnych ośrodków w monomerze i umoŝliwia łączenie się cząsteczek. W procesie tym nie powstają małocząsteczkowe produkty uboczne a powstały polimer ma taki sam skład chemiczny jak wyjściowa mieszanina monomerów Klasyfikacja technologiczna Przyjmując za kryterium klasyfikacji właściwości uŝytkowe tworzyw, moŝna wyodrębnić elastomery i plastomery. Cechą charakterystyczną elastomerów jest zdolność do powrotu do kształtu pierwotnego, nawet po znacznym odkształceniu, jeśli zaniknie działanie siły powodującej deformację. Plastomery wykazują nieznaczne odkształcenia spręŝyste przy niewielkich napręŝeniach, zaś przy wzroście napręŝeń odkształcają się plastycznie, aŝ do zniszczenia. W zaleŝności od właściwości technologicznych rozróŝnia się termoplasty i duroplasty. Termoplasty (tworzywa termoplastyczne) pod wpływem temperatury przechodzą w stan plastyczny. Jeśli temperatura nie prowadzi do wyraźnych zmian właściwości polimeru, to termoplasty mogą być przetwarzane i kształtowane wielokrotnie. Do termoplastów naleŝą prawie wszystkie tworzywa polimeryzacyjne a ponadto poliamidy, poliwęglan, poli(siarczekfenylenu), niektóre poliestry, polieterosulfony i termoplastyczne pochodne celulozy. Duroplasty są to tworzywa, które pod wpływem podwyŝszonej temperatury lub innych czynników przekształcają się w produkt przestrzennie usieciowany, nietopliwy i nierozpuszczalny. W zaleŝności od sposobu utwardzania rozróŝnia się tworzywa termoutwardzalne (np. fenoplasty i aminoplasty) oraz chemoutwardzalne (np. poliuretany, nienasycone Ŝywice poliestrowe i epoksydowe). Ogrzewanie produktu usieciowanego nie powoduje jego mięknienia, moŝe natomiast doprowadzić do chemicznego zniszczenia polimeru. 5

6 3. Budowa polimerów 3.1. Budowa makrocząsteczek W zaleŝności od rodzaju reagujących monomerów oraz warunków, w jakich prowadzona jest synteza polimeru, otrzymuje się polimery o liniowej budowie cząsteczki, polimery o łańcuchu rozgałęzionym oraz polimery usieciowane. Struktura usieciowana powstaje w wyniku oddziaływania temperatury (polimery termoutwardzalne), utwardzaczy chemicznych (polimery chemoutwardzalne) bądź promieniowania jonizującego. Elastomery charakteryzują się stosunkowo niewielkim stopniem usieciowania. Znaczny stopień usieciowania jest charakterystyczny dla duroplastów. Ze wzrostem stopnia rozgałęzienia i stopnia usieciowania polimeru wzrasta jego odporność cieplna. Jeśli cząsteczka monomeru zawiera grupy boczne (podstawniki), to względem łańcucha polimeru mogą być one rozmieszczone w sposób nieuporządkowany ataktyczny lub w jeden ze sposobów uporządkowanych izotaktyczny lub syndiotaktyczny. Polimery o uporządkowanym ułoŝeniu podstawników (tzw. polimery stereoregularne) wykazują większą skłonność do krystalizacji, wyŝszą temperaturę topnienia, większą gęstość i znacznie lepsze właściwości mechaniczne niŝ polimery ataktyczne Rozmieszczenie makrocząsteczek struktura fazowa Rozmieszczenie cząsteczek polimeru moŝe być przypadkowe lub w pewnym stopniu uporządkowane. Polimery o całkowicie przypadkowym ułoŝeniu cząsteczek amorficzne to duroplasty oraz większość tworzyw o dobrej przezroczystości. Uporządkowany układ cząsteczek, typowy dla polimerów krystalicznych rzadko występuje w postaci czystej. Z reguły poszczególne obszary uporządkowanego ułoŝenia cząsteczek krystality oddzielone są obszarami amorficznymi. Ze wzrostem stopnia krystaliczności polimerów wzrasta temperatura topnienia, poprawiają się właściwości wytrzymałościowe, maleje przezroczystość a przejście ze stanu stałego w ciekły odbywa się w węŝszym zakresie temperatur. 6

7 4. Przegląd wybranych tworzyw sztucznych POLISTYREN [PS] i KOPOLIMERY STYRENOWE Otrzymywany jest metodami polimeryzacji styrenu w masie lub zawiesinie. Polistyren niemodyfikowany jest tworzywem kruchym i przeźroczystym. Dzięki modyfikacji polistyrenu dodatkami kauczuków lub elastomerów otzymuje się tworzywa o znacznej udarności. Przetwarzany metodami wtryskowymi oraz metodami spieniania. Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego Ŝółknie i staje się kruchy. Zakres temperatur uŝytkowania od -20 do +60 C. Stosowany jako tworzywo konstrukcyjne, do celów elektrotechnicznych oraz termoizolacyjnych. Kopolimery styrenowe o duŝej udarności i zakresie temperatur uŝytkowania od -40 do +80 C są stosowane do wyrobu korpusów urządzeń elektrotechnicznych i elektronicznych, elementów wyposa- Ŝenia pojazdów oraz rur. Specyficzną cechą kopolimeru ABS jest jego podatność do metalizacji. POLI(CHLOREK WINYLU) [PVC] Jest to polimer amorficzny, zawierający do 10% fazy krystalicznej. Czysty PVC jest polimerem twardym, o małej odporności cieplnej. JuŜ w temperaturze 120 C rozpoczyna się jego rozkład z wydzieleniem HCl. Właściwości fizyczne PVC modyfikuje się poprzez dodatki stabilizatorów termicznych i optycznych (np. węglany metali alkalicznych, sadza, dwutlenek tytanu) oraz zmiękczaczy. PVC o podwyŝszonej udarności otrzymuje się w wyniku modyfikacji fizycznej (mieszanie w stopie) lub chemicznej (kopolimeryzacja z elastomerami). Twardy PVC stosowany jest do wyrobu rur i profili konstrukcyjnych, zaś zmiękczony - głównie do wyrobu izolacji kabli i rur. POLIOLEFINY [PE, PP, PIB] Jest to duŝa grupa polimerów termoplastycznych węglowodorowych, o bardzo zróŝnicowanych właściwościach. Spośród tworzyw tej grupy najczęściej stosowane są polietylen nałej i duŝej gęstości (LDPE i HDPE), polipropylen (PP) oraz poliizobutylen (PiB). Poliolefiny mają dobre właściwości dielektryczne, małą gęstość i doskonałą odporność chemiczną. Wyroby z poliolefin o duŝym stopniu polimeryzacji stosowane są w temperaturach do 130 C. Właściwości poliolefin moŝna modyfikować poprzez dodatki napełniaczy takich jak talk, kreda, sadza oraz szkło w postaci krótkiego włókna lub mikrosfer. Istnieje moŝliwość częściowego sieciownia poliolefin w wyniku naświetlania promieniowaniem jonizującym. Typowymi zastosowaniami poliolefin są rury instalacji wodnych, kanalizacyjnych, gazowych i grzewczych (HDPE i PP), obudowy i opakowania, izolacje kabli, elementy elektrotechniczne oraz włókna i tkaniny techniczne. LDPE w postaci spienionej lub tzw. folii kubeczkowych stosowany jest do zabezpieczania przedmiotów podczas transportu. Specyficznym zastosowaniem wysokokrystalicznego, izotaktycznego PP są liny cumownicze. POLI(METAKRYLAN METYLU) [PMMA] Jest polimerem amorficznym o duŝej twardości i doskonałych właściwościach optycznych. Przetwarzany jest głównie metodami odlewania i wytłaczania. Zastosowania PMMA wynikają z jego właściwości optycznych: przeźroczyste osłony lamp, 7

8 otworów okiennych i wzierników, światłowody, przeźroczyste kompozycje do zalewania układów elektronicznych. śywice EPOKSYDOWE [EP] Są to związki zawierające co najmniej dwie grupy epoksydowe: C C O Pierścień ten łatwo reaguje ze związkami zawierającymi aktywne atomy wodoru. W wyniku polireakcji następuje usieciowanie Ŝywicy. Wybór utwardzacza zaleŝy od temperatury utwardzania. Od temperatury utwardzania (do 180 C) zaleŝy odporność cieplna utwardzonego produktu. śywice epoksydowe stosowane są w przemyśle elektotechnicznym i elektronicznym, maszynowym, budowy środków transportu. Podstawowe formy zastosowania tworzyw epoksydowych to Ŝywice do zalewania, laminaty, kompozytowe elementy konstrukcyjne, kleje i proszkowe materiały malarskie oraz materiały do napraw i regeneracji (np. produkty firmy Belzona). Wzmacnianie Ŝywic epoksydowych zbrojeniami włóknistymi o duŝej wytrzymałości (grafit, szkło, włosowate monokryształy metali) pozwala uzyskać materiały konstrukcyjne nie ustępujące metalom pod względem właściwości wytrzymałościowych. 5. Identyfikacja tworzyw sztucznych Przepisy dotyczące ochrony środowiska wymagają znakowania wyrobów z tworzyw sztucznych symbolami znormalizowanymi w skali międzynarodowej. Symbole te pozwalają na zidentyfikowanie materiału. O ile wyrób nie jest oznakowany, moŝna podjąć próbę określenia rodzaju tworzywa na postawie próby spalania lub wraŝliwości na działanie wybranych odczynników. Tworzywa sztuczne i zmodyfikowane tworzywa naturalne są identyfikowane na podstawie: wyglądu i postaci wyrobu, przybliŝonej gęstości; zachowania się podczas ogrzewania i w płomieniu palnika; odporności na działanie kwasów, zasad i rozpuszczalników. W celu prawidłowej identyfikacji konieczne jest zapoznanie się z wyglądem wzorców tworzyw. 8

9 5.1. Oznaczenia wybranych polimerów ABR kauczuk akrylanowo-butadienowy (Acrylat-Butadien-Rubber) ABS akrylonitryl-butadien-styren BR kauczuk butadienowy (1,4-polibutadien) BS butadien-styren CA octan celulozy (CZA = bioctan cel., C3A = trioctan cel., także CTA) CAB octanomaślan celulozy CPVC chlorowany polichlorek winylu), (rzadkie oznaczenie), p. także PVC-C EMA kopolimer etylen/metakrylan EP żywica epoksydowa EPP kopolimer etylen/propylen FF żywice furanowo-formaldehydowe IR kauczuk izoprenowy (Isopren-Rubber) PA 6 poliamid z kaprolaktamu PA 66 poliamid z heksametylenodiaminy/kwasu adypinowego PA 11 poliamid z kwasu 11-aminoundekanowego PA 12 poliamid z kwasu dodekanowego PC poliwęglan PC+ABS mieszanka (blenda) poliwęglan + akrylonitryl-butadien-styren PE polietylen o niskiej gęstości PET poli(tereftalan etylenu) PF żywica fenolowo-formaldehydowa PI poliimid PIB poliizobutylen, także poliizobuten, POM polioksymetylen albo poliformaldehyd albo poliacetal PP polipropylen PPS poli(siarczek fenylenu) PS polistyren PSE polistyren, spieniony (p. także EPS) PSU polisulfon PUR poliuretan PUR-E poliuretan spieniony PUR+ABS mieszanka (blenda) poliuretan + akrylonitryl-butadien-styren PUR+PC mieszanka (blenda) poliuretan termoplastyczny + poliwęglan PVAC polioctan winylu) PVAL poli(alkohol winylowy) PVC polichlorek winylu) (E-PVC = emulsja-pvc, S-PVC = suspensja-pvc) PVC-C chlorowany PVC, (czasem także CPVC) PVF poli(fluorek winylu) PTFE policzterofluoroetylen VF fibra Oznaczenia dodatkowe: HD wysoka gęstość, LD niska gęstość, GF dodatek włókna szklanego. 9

10 Tabela 2. RozróŜnianie tworzyw sztucznych na podstawie wyglądu zewnętrznego i postaci wyrobu (wg K. Dobrosza i A. Matysiaka) Wygląd zewnętrzny i postać tworzywa Granulaty wtryskowe Tłoczywa do prasowania o jasnych barwach Folie Włókna Profile miękkie Profile sztywne Laminaty zbrojone włóknem szklanym Kity śywice ciekłe lub stałe Laminaty z nośnikiem papierowym lub tekstylnym Płyty i elementy wykrawane z płyt Tworzywa porowate Przezroczyste płyty o duŝej grubości Odlewy o masie do kilku kg Przypuszczalny rodzaj tworzywa lub grupy tworzyw tworzywa termoplastyczne, rzadziej duroplasty przede wszystkim aminoplasty, wyklucza się fenoplasty najczęściej polietylen, poli(chlorek winylu), polipropylen, poliamidy, poliwęglan, poli(tetraftalan etylenowy), octan i octanomaślan celulozy; postać folii eliminuje duroplasty poliamidy, poliestry termoplastyczne; polipropylen; postać włókien eliminuje duroplasty najczęściej PVC zmiękczony, polietylen, polipropylen poliamidy, octan i octanomaślan celulozy, politetrafluoroetylen; wyklucza się duroplasty PVC twardy; wyklucza się tworzywa miękkie, np. PVC zmiękczony lub polietylen najczęściej laminaty poliestrowe lub epoksydowe przede wszystkim fenoplasty, epoksydy, poliestry lub poliuretany, PVC zmiękczony Ŝywice fenolowe, poliestrowe lub epoksydowe przede wszystkim laminaty lub melaminowe najczęściej poli(metakrylan metylu), PVC twardy, termoplastyczne estry celulozy, poliwęglan; postać płyt mogą mieć takŝe laminaty, najczęściej fenolowe, melaminowe i poliestrowe najczęściej poliuretany, polistyren (kolor śnieŝnobiały) i PVC poli(metakrylan metylu), poliwęglan Ŝywice poliestrowe lub epoksydowe, rzadziej polimetakrylan metylu 10

11 Tabela 3. RozróŜnianie wybranych tworzyw sztucznych na podstawie gęstości, temperatury topnienia (mięknienia) polimeru oraz zachowania się w płomieniu i w rozpuszczalnikach Tworzywa Gęstość [g/cm 3 ] Temperatura topnienia (mięknienia) polimeru [ C] Zachowanie się tworzywa w płomieniu Wygląd płomienia Zapach po zgaszeniu próbki Zachowanie się tworzywa w rozpuszczalnikach Polipropylen 0,89 0, po zapaleniu pali topi się i kapie Polietylen 0,91 1,00 0,92 0,94 0,94 0,96 Poliamid 12 Poliamid 11 Poliamid 6 Poliamid 6.6 1,01 1,04 1,03 1,05 1,12 1,15 1,13 1, po zapaleniu pali topi się i kapie po zapaleniu pali kapie, powstają banieczki i ciągnące się nitki Polistyren 1,04 1, zapalony pali się dalej, mięknie Kopolimery styrenu 1,02 1,09 po zapaleniu pali mięknie śywice poliestrowe śywice poliestrowe z włóknem szklanym Aminoplasty z napełniaczem mineralnym 1,10 1,40 1,80 2,30 Aminoplasty z napełniaczem mineralnym Aminoplasty z napełniaczem mineralnym po zapaleniu pali zwęgla się Aminoplasty z napełniaczem mineralnym świecący z niebieskim środkiem świecący z niebieskim środkiem świecący, niebieskawy z Ŝółtym obrze- Ŝem świecący, silnie kopcący świecący, silnie kopcący świecący, kopcący Aminoplasty z napełniaczem mineralnym słaby, palonej parafiny słaby, palonej parafiny typowy, podobny do palonego rogu charakterystyczny słodko-kwiatowy charakterystyczny słodko-kwiatowy oraz palonej gumy lub drapiący słodko-kwiatowy (podobnie jak przy polistyrenie) Aminoplasty z napełniaczem mineralnym rozpuszcza się we wrzącym toluenie, wytrąca się po ochłodzeniu rozpuszcza się we wrzącym toluenie rozpuszczalne w stęŝonym kwasie mrówkowym i fenolu rozpuszczalne w acetonie, chlorku metylu podobnie jak polistyren; zaleŝnie od rodzaju kopolimeru rozpuszczalność moŝe być mniejsza praktycznie nierozpuszczalne (słabo rozpuszczalne w acetonie) Aminoplasty z napełniaczem mineralnym 11

12 Tworzywa Gęstość [g/cm 3 ] Temperatura topnienia (mięknienia) polimeru [ C] Zachowanie się tworzywa w płomieniu Wygląd płomienia Zapach po zgaszeniu próbki Zachowanie się tworzywa w rozpuszczalnikach śywice epoksydowe śywice epoksydowe z włóknem szklanym Octanomaślan celulozy Poli(metakrylan metylu) Poli(chlorek winylu) zmiękczony Poli(chlorek winylu) twardy 1,10 1,40 1,80 2,30 po zapaleniu pali się dalej samo 1,11 1, po zapaleniu pali topi się i kapie 1,16 1, po zapaleniu pali mięknie 1,19 1,41 1,38 1, pali się w płomieniu, gaśnie poza płomieniem, mięknie, następnie ulega rozkładowi barwiąc się na brązowo lub czarno Poliwęglan 1,20 1, pali się w płomieniu, gaśnie poza płomieniem, topi się, ulega rozkładowi i zwęgleniu Poliuretany usieciowane 1,20 1,26 po zapaleniu pali topi się i kapie, szybko się zwęgla świecący, kopcący świecący, Ŝółty, iskrzący świecący, trzaskający, Ŝółty z niebieskim środkiem Ŝółty z zielonym obrzeŝem, białe dymy, ewentualnie iskry świecący, kopcący świecący najpierw mało charakterystyczny, potem fenolu kwasu octowego i masłowego, palonego papieru typowy, owocowy chlorowodoru (charakterystyczny dla tworzyw winylowych) praktycznie nierozpuszczalne (pęcznieje nieco w acetonie i estrach) rozpuszczalne w acetonie, dioksanie i octanie etylu; przy ogrzewaniu w 30% kwasie siarkowym występuje zapach octu i kwasu masłowego rozpuszczalne w acetonie, benzenie, dioksanie i octanie etylenu rozpuszczalne w cykloheksanonie i tetrawodorofuranie zbliŝony do fenolu rozpuszczalne w chlorku metylu, cykloheksanonie i krezolu charakterystycznie nieprzyjemny, ostry rozpuszczalne w dimetyloformamidzie, poza tym prawie nierozpuszczalne 12

13 Tworzywa Gęstość [g/cm 3 ] Temperatura topnienia (mięknienia) polimeru [ C] Zachowanie się tworzywa w płomieniu Wygląd płomienia Zapach po zgaszeniu próbki Zachowanie się tworzywa w rozpuszczalnikach Octan celulozy 1,22 1, Ŝółtozielony, iskrzący śywice fenolowe 1,26 1,28 pali się słabo w płomieniu, gaśnie poza płomieniem Tłoczywa fenolowe z napełniaczem organicznym Tłoczywa fenolowe z napełniaczem nieorganicznym Poliestry termoplastyczne poli(tereftalan etylenowy) poli(tereftalan butylenowy) 1,30 1,41 1,50 2,00 1,38 1, po zapaleniu pali mięknie, topi się i kapie Tworzywa acetalowe 1,41 1, po zapaleniu pali topi się i rozkłada Amonoplasty z napełniaczem organicznym 1,47 1,52 pali się bardzo słabo, gaśnie poza płomieniem 1,50 2,00 kwasu octowego i palonego papieru kwasu octowego i palonego papieru jasny, kopcący fenolu i formaldehydu świecący, kopcący świecący, niebieskawy jasny, często z białymi brzegami słodkawy, aromatyczny ostry, formaldehydu amoniaku i formaldehydu rozpuszczalne w acetonie, dioksanie i octanie etylu; przy ogrzewaniu w 30% kwasie siarkowym występuje zapach octu rozpuszczalne w stęŝonym ługu, alkoholu i acetonie (tylko w przypadku Ŝywic) rozpuszczalne w fenolu oraz w mocnych kwasach i zasadach; ulega hydrolizie we wrzącej wodzie rozpuszczalne w trietanoloaminie nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych Politetrafluoroetylen 2,10 2, nie pali się Nierozpuszczalne 13

14 PrzybliŜone gęstości w g/cm3 najpopularniejszych tworzyw sztucznych są następujące: 0,9-1,0 - polietylen, polibutylen, polipropylen (nie toną w wodzie; jeszcze mniejszą gęstość posiadają tworzywa w postaci spienionej); 1,0-1,2 - polistyren, polimetakrylany, poliestry, epoksydy, poliamidy; 1,2-1,4 - fibra, bakelit, celuloid, celofan, polichlorek winylu; 1,4-1,5 - aminoplasty; 1,5-1,8 - tworzywa z wypełniaczami nieorganicznymi, laminaty; powyŝej 1,8 - silikony, teflon. 6. Cel i wykonanie ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie najwaŝniejszych tworzyw sztucznych i przykładów ich zastosowań oraz metod ich identyfikacji. 7. Przebieg ćwiczenia 1. Zidentyfikować próbki tworzyw sztucznych kierując się następującymi kryteriami: określić barwę, przezroczystość, przybliŝoną gęstość i elastyczność próbek tworzyw sztucznych; określić zachowanie się próbek tworzyw sztucznych w otwartym płomieniu, trzymając próbkę szczypcami nad płomieniem tak, aby w początkowej fazie nie dopuścić do jej zwęglenia; zbadać zachowanie się próbek tworzyw podczas ogrzewania w probówce; ustalić odczyn wydzielających się podczas ogrzewania par, określić odporność próbek tworzyw sztucznych na działanie kwasów, zasad i rozpuszczalników organicznych, umieszczając próbki na porcelanowej płytce i nanosząc na ich powierzchnię kolejno kropię kwasu, zasady i rozpuszczalnika organicznego, a następnie obserwować reakcje. 2. Zapoznać się z przykładami zastosowań wybranych grup materiałów polimerowych na podstawie przedstawionych zestawów próbek. 8. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: podstawowe wiadomości o tworzywach sztucznych; dokładny opis przeprowadzonych prób i wyniki dla kaŝdego tworzywa; oznaczenia zidentyfikowanych tworzyw sztucznych oraz podstawowe informacje o ich właściwościach i zastosowaniach. 14

15 9. Wymagania 1. Podstawowe pojęcia charakteryzujące tworzywa sztuczne. 2. Sposoby klasyfikacji tworzyw sztucznych. 3. Struktura chemiczna i morfologiczna tworzyw sztucznych. 4. Podstawowe właściwości i zastosowania najpowszechniej stosowanych tworzyw sztucznych. 5. Oznaczenia tworzyw sztucznych. 10. Literatura uzupełniająca 1. Blicharski M.: Wstęp do inŝynierii materiałowej"', WNT, Warszawa 2001 (str i ). 2. Topoliński T.: Materiałoznawstwo", WTJATR, Bydgoszcz 1999 (str ). 3. Ashby M. A.: Materiały inŝynierskie" tom II, WNT, Warszawa 1996 (str ), 4. Domke W.: Vademecum materiałoznawstwa'', WNT, Warszawa 1989 (str ). 5. Prowans S.: Materiałoznawstwo"1, PWN, Warszawa 1986 (str ). 15