Badanie procesów sieciowania rodnikowego kompozytów na bazie poliolefin

Podobne dokumenty
polimerowej: synteza i właściwości

synteza i właściwości

Nanokompozyty polimerowe. Grzegorz Nieradka Specjalista ds. procesu technologicznego Krosno,

Nowoczesne materiały konstrukcyjne : wybrane zagadnienia / Wojciech Kucharczyk, Andrzej Mazurkiewicz, Wojciech śurowski. wyd. 3. Radom, cop.

WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH WYKONANYCH NA BAZIE KLEJÓW EPOKSYDOWYCH MODYFIKOWANYCH MONTMORYLONITEM

POLIMERYZACJA KOORDYNACYJNA

1. Jaką funkcję w procesach polimeryzacji wolnorodnikowej pełnią niŝej wymienione związki?: (5 pkt.)

PL B1. INSTYTUT CHEMII PRZEMYSŁOWEJ IM. PROF. IGNACEGO MOŚCICKIEGO, Warszawa, PL BUP 10/10

TWORZYWA SZTUCZNE (POLIMERY) Dr inż. Stanisław Rymkiewicz Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 202 tel kom

1. Jaką funkcję w procesach polimeryzacji wolnorodnikowej pełnią niŝej wymienione związki?: (5 pkt.) O 2

Zalety przewodników polimerowych

RóŜnica temperatur wynosi 20 st.c. Ile wynosi ta róŝnica wyraŝona w K (st. Kelwina)? A. 273 B. -20 C. 293 D. 20

P L O ITECH C N H I N KA K A WR

Elektrolity polimerowe. 1. Modele transportu jonów 2. Rodzaje elektrolitów polimerowych 3. Zastosowania elektrolitów polimerowych

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA w elektronice

POLIMERY W OCZYSZCZANIU WODY, POWIETRZA ORAZ OCHRONIE GLEBY. Helena Janik, Katedra Technologii POLIMERÓW WCH, PG

MATERIAŁOZNAWSTWO. Prof. dr hab. inż. Andrzej Zieliński Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 204

Koncentraty z NAPEŁNIACZAMI opartymi na CaSO4

LABORATORIUM z PRZEDMIOTU TECHNOLOGIE MATERIAŁOWE. Instrukcja laboratoryjna do ćwiczenia nr 3 Technologia kształtowania wyrobów z tworzyw sztucznych

PL B1. INSTYTUT CHEMII PRZEMYSŁOWEJ IM. PROF. IGNACEGO MOŚCICKIEGO, Warszawa, PL BUP 07/12

Kompozyty Ceramiczne. Materiały Kompozytowe. kompozyty. ziarniste. strukturalne. z włóknami

ZESTAW ZAGADNIEŃ NA EGZAMIN MAGISTERSKI DLA KIERUNKU INŻYNIERIA BIOTWORZYW. Reologia biotworzyw

Sonochemia. Schemat 1. Strefy reakcji. Rodzaje efektów sonochemicznych. Oscylujący pęcherzyk gazu. Woda w stanie nadkrytycznym?

PL B1. INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH I BARWNIKÓW, Toruń, PL BUP 25/10

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: MEI EI-s Punkty ECTS: 3. Kierunek: Edukacja Techniczno Informatyczna Specjalność: Edukacja informatyczna

dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

Zestaw pytań egzaminu inŝynierskiego przeprowadzanego w Katedrze Fizykochemii i Technologii Polimerów dla kierunku CHEMIA

Technologie wytwarzania metali. Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

Technologie wytwarzania metali. Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

5. W jaki sposób moŝna regulować cięŝar cząsteczkowy polimerów kondensacyjnych? (3 pkt.)

Węglowodory poziom podstawowy

WYBRANE METODY MODYFIKACJI ASFALTÓW. Prof. dr hab. inż. Irena Gaweł emerytowany prof. Politechniki Wrocławskiej

Węgiel i jego związki z wodorem

INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

RECYKLING SUROWCOWY POLIOLEFIN I POLISTYRENU

Wykład 2. Wprowadzenie do metod membranowych (część 2)

Formularz opisu przedmiotu (formularz sylabusa) dotyczy studiów I i II stopnia. Chemia i technologia polimerów

PL B1. Sposób wytwarzania płyty kompozytowej na bazie tetra paków oraz płyta kompozytowa na bazie tetra paków

(13) B1 PL B1 (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (51) IntCl6: C08L 21/00 C08L 23/06 C08L 23/12 C08J 9/06 C08K 5/20

MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Materiałoznawstwo III. Właściwości mechaniczne tworzyw polimerowych

PL B1. INSTYTUT CHEMII PRZEMYSŁOWEJ IM. PROF. IGNACEGO MOŚCICKIEGO, Warszawa, PL BUP 22/13

Struktura materiałów. Zakres tematyczny. Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD / dr inż. Maciej Motyka.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

Szkło. T g szkła używanego w oknach katedr wynosi ok. 600 C, a czas relaksacji sięga lat. FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

Odwracalność przemiany chemicznej

Spis treści. Wstęp 11

PL B1. Instytut Chemii Przemysłowej im. Prof. I. Mościckiego,Warszawa,PL BUP 07/03

Kopolimery statystyczne. Kopolimery blokowe. kopolimerów w blokowych. Sonochemiczna synteza -A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B- Typowe metody syntezy:

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA TECHNOLOGII POLIMERÓW

Formularz opisu przedmiotu (formularz sylabusa) dotyczy studiów I i II stopnia. Kinetyka i Mechanizmy polireakcji

prof. dr hab. Małgorzata Jóźwiak

Materiały budowlane - systematyka i uwarunkowania właściwości użytkowych

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechanika i Budowa Maszyn Studia pierwszego stopnia. Obieralny Kod przedmiotu: MBM 1 S _0 Rok:

MATERIAŁOZNAWSTWO. dr hab. inż. Joanna Hucińska Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 128 (budynek Żelbetu )

dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

Opis modułu kształcenia Otrzymywanie związków wielkocząsteczkowych

PL B1. POLITECHNIKA ŚLĄSKA, Gliwice, PL

Polimerowe kompozyty konstrukcyjne / Wacław Królikowski. wyd. 1-1 dodr. Warszawa, Spis treści

Plan prezentacji. Podsumowanie. - wnioski i obserwacje z przeprowadzonych badań

(73) Uprawniony z patentu:

Opis modułu kształcenia Chemia, technologia otrzymywania oraz materiałoznawstwo polimerów i tworzyw sztucznych

STABILNOŚĆ TERMICZNA TWORZYW SZTUCZNYCH

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

Przewody elektryczne nowej generacji sieciowane radiacyjnie

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW)

Polimery syntetyczne

PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL BUP 16/16

Magazynowanie cieczy

RURA GRZEWCZA Z BARIERĄ ANTYDYFUZYJNĄ II GENERACJI

PL B1. INSTYTUT CHEMII PRZEMYSŁOWEJ IM. PROF. IGNACEGO MOŚCICKIEGO, Warszawa, PL BUP 25/10

Sławomir Wysocki* wiertnictwo nafta gaz TOM 27 ZESZYT

Czy równowaga jest procesem korzystnym? dr hab. prof. nadzw. Małgorzata Jóźwiak

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

57 Zjazd PTChem i SITPChem Częstochowa, Promotowany miedzią niklowy katalizator do uwodornienia benzenu

Chemia klasa VII Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny Semestr II

PL B1. INSTYTUT CIĘŻKIEJ SYNTEZY ORGANICZNEJ BLACHOWNIA, Kędzierzyn-Koźle, PL BUP 12/10

OFERTA TEMATÓW PROJEKTÓW DYPLOMOWYCH (MAGISTERSKICH) do zrealizowania w Katedrze INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ

TWORZYWA SZTUCZNE. forma studiów: studia stacjonarne Liczba godzin/tydzień: 2W (sem. II) 2W e, 15L (sem.iii) PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Materiały poliuretanowe / redakcja naukowa Aleksander Prociak, Gabriel Rokicki, Joanna Ryszkowska. wyd. 1, 1 dodr. Warszawa, 2016.

RHEOTEST Medingen Reometr rotacyjny RHEOTEST RN oraz lepkościomierz kapilarny RHEOTEST LK Zastosowanie w chemii polimerowej

Wykład 3. Makrocząsteczki w roztworze i w stanie skondensowanym.

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 01/17. TOMASZ GARBACZ, Lublin, PL ANETA TOR-ŚWIĄTEK, Lublin, PL

Technologie wytwarzania. Opracował Dr inż. Stanisław Rymkiewicz KIM WM PG

Badania właściwości struktury polimerów metodą róŝnicowej kalorymetrii skaningowej DSC

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 01/17. TOMASZ GARBACZ, Lublin, PL ANETA TOR-ŚWIĄTEK, Lublin, PL

WYZNACZANIE ROZMIARÓW

PL B1. POLITECHNIKA ŚLĄSKA, Gliwice, PL EUROCERAS SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Kędzierzyn-Koźle, PL

Krystalizacja Polimerów Istotny Aspekt Procesu Przetwórstwa

Katedra Chemii i Technologii Polimerów prowadzi działalność dydaktyczną w ramach studiów I i II stopnia oraz kształci doktorantów. Prowadzone badania

ASEO TWORZYWA SZTUCZNE RECYKLING SYSTEM.

Opis modułu kształcenia Technologia tworzyw sztucznych

RJC A-B A + B. Slides 1 to 27

Materiały w bateriach litowych.

Recykling tworzyw sztucznych na przykładzie butelek PET. Firma ELCEN Sp. z o.o.

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE PLASTYCZNOŚĆ. Zmiany makroskopowe. Zmiany makroskopowe

PL B BUP 14/ WUP 09/08. Anna Królikowska, Instytut Chemii Przemysłowej, im.prof.ignacego Mościckiego

Inżynieria procesów przetwórstwa węgla, zima 15/16

Transkrypt:

LABORATORIUM MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH Ćwiczenie Nr 2: Badanie procesów sieciowania rodnikowego kompozytów na bazie poliolefin I. NANOKOMPOZYTY POLIMEROWE [1]. 1. DEFINICJE I KLASYFIKACJA Zgodnie z rekomendacjami IUPAC mianem kompozytu określa się wieloskładnikowy materiał zawierający kilka typów niegazowych domen fazowych (faz), z których przynajmniej jedna stanowi fazę ciągłą. Jeżeli jednym ze składników jest związek wielkocząsteczkowy (polimer) wówczas mamy do czynienia z kompozytem polimerowym. Szczególną grupę kompozytów stanowią nanokompozyty, w których przynajmniej jeden składnik rozproszony charakteryzuje się co najmniej jednym wymiarem drobin w skali nanometrycznej (10 9 m). Przyjmuje się, że wymiar taki nie powinien przekraczać wartości 500 nm zwykle plasuje się poniżej 100 nm. Składnik o nanometrycznych cząstkach nazywany jest nanonapełniaczem (nanomodyfikatorem). Jako nanonapełniacze mogą być stosowane materiały różniące się zarówno pod względem charakteru chemicznego (nieorganiczne, organiczne i hybrydowe nieorganicznoorganiczne), budowy przestrzennej (krystaliczne, amorficzne), jak i kształtu cząstek. Ze względu na ten ostatni parametr nanomodyfikatory dzieli się na: (1) nanonapełniacze 3D (izometryczne sferoidalne) tworzone najczęściej przez metale, kredę oraz inne sole a także niektóre odmiany alotropowe węgla takie jak sadza i fulereny; (2) nanonapełniacze 2D (nanowłókna/nanopręty) do których zalicza się struktury tworzone m.in. przez węgiel (nanorurki i nanowłókna węglowe), a także celulozę i chitynę oraz drobiny niektórych minerałów; (3) nanonapełniacze 1D (nanopłytki) do których należą występujące w naturze warstwowe (glino)krzemiany (np. montmorillonit), jak i wiele materiałów syntetycznych (np. warstwowe podwójne wodorotlenki LDH). Spośród wymienionych grup nanonapełniaczy dominującą rolę zarówno w badaniach podstawowych, jak i zastosowaniach praktycznych, odgrywają obecnie warstwowe układy na bazie montmorylonitu i innych (glino)krzemianów (ponad 40% doniesień literaturowych dotyczących nanokompozytów polimerowych). Kompozyty polimerowe z ich udziałem dzieli się na: (a) mikrokompozyty, czyli układy w których makrocząsteczki polimeru nie penetrują przestrzeni międzywarstwowych napełniacza (Rys. 1a); (b) nanokompozyty interkalowane, w których nadal zachowana jest wielowarstwowa, uporządkowana morfologia napełniacza, ale jego nanometryczne monowarstwy są rozsunięte i ułożone przemiennie z warstwami polimeru (Rys. 1b); (c) nanokompozyty eksfoliowane (delaminowane) ze zniszczoną laminarną strukturą pierwotnych drobin napełniacza i pojedynczymi nanowarstwami modyfikatora jednorodnie zdyspergowanymi w polimerze (Rys. 1c) 1

Rys. 1 Różne typy kompozytów polimerowych zawierających warstwowe (glino)krzemiany: (a) mikrokompozyt z separacją faz, (b) interkalowany nanokompozyt, (c) eksfoliowany nanokompozyt. Szare linie łańcuchy polimeru, czarne paski nanopłytki napełniacza. 2. PODSTAWOWE METODY SYNTEZY NANOKOMPOZYTÓW POLIMEROWYCH Metody syntezy nanokompozytów polimerowych można podzielić na 3 grupy: (a) procesy fizycznego mieszania stałych cząstek nanonapełniaczy z polimerem w stanie stopionym lub jego roztworem/dyspersją w rozpuszczalniku. Zwykle, w celu otrzymania wysokiego stopnia homogeniczności finalnego kompozytu, koniecznym jest zastosowanie dużych sił ścinających zapewniających rozbicie aglomeratów napełniacza do poziomu nanocząstek. (b) procesy polimeryzacji in situ monomerów organicznych prowadzone w obecności drobin napełniacza zarówno w roztworze/dyspersji monomeru, jak i w bloku (bezrozpuszczalnikowo). W przypadku, gdy nanocząstka nie bierze aktywnego udziału w polireakcji zapewnienie homogeniczności i stabilności w czasie powstającego układu wymaga wcześniejszej modyfikacji powierzchni napełniacza związkami zwiększającymi jej hydrofobowość (np. silanizacja). (c) syntezy nanodrobin napełniacza z prekursora wstępnie zdyspergowanego lub rozpuszczonego w matrycy polimerowej. Tego typu procesy wykorzystywane są głównie w syntezie układów zawierających nanodrobiny metali (redukcja soli nieorganicznych), a także ich tlenków i soli; Wybór metody syntezy odpowiedniej dla danego układu podyktowany jest zarówno właściwościami nanonapełniacza (m.in. budową przestrzenną, rodzajem i reaktywnością grup funkcyjnych na powierzchni jego drobin, stabilnością termiczną, stopniem rozwinięcia powierzchni pojedynczej cząstki oraz zawartością i wielkością aglomeratów), a także parametrami fizykochemicznymi polimeru, zwłaszcza ilością i rodzajem grup funkcyjnych w strukturze jego makrocząsteczek. 3. WPŁYW OBECNOŚCI NAPEŁNIACZA NA MAKROSKOPOWE WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTÓW Podstawowym czynnikiem wpływającym na właściwości materiału kompozytowego jest siła oddziaływań pomiędzy jego składnikami. Większość klasycznych napełniaczy nieorganicznych stanowią proszki mineralne i tlenki metali, a więc substancje o właściwościach hydrofilowych, natomiast stosowane matryce polimerowe (np. polistyren, poliolefiny) mają zazwyczaj charakter hydrofobowy. Ze względu na te różnice siła oddziaływań pomiędzy zmieszanymi komponentami kompozytu jest niewielka, co z kolei 2

prowadzi do pojawienia się na granicy faz napełniacz polimer zaburzeń strukturalnych (mikropęknięć) efektywnie obniżających parametry mechaniczne całego układu. W celu polepszenia oddziaływań korzystnym jest rozwinięcie powierzchni kontaktu pomiędzy napełniaczem a matrycą organiczną, czemu sprzyja zmniejszanie rozmiarów drobin nieorganicznego modyfikatora do poziomu nano. W nanokompozytach polimerowych drobiny napełniacza mogą jednak silnie oddziaływać nie tylko z makrocząsteczkami polimeru ale również między sobą, co prowadzi do powstawania ich dużych skupisk (aglomeratów) i braku homogeniczności kompozytu. W rzeczywistych układach mamy na ogół do czynienia z mieszaniną nanocząstek i ich aglomeratów. W celu zminimalizowania udziału tych ostatnich stosuje się różne rozwiązania. Jednym z nich jest destrukcja aglomeratów w trakcie syntezy i przetwarzania kompozytu, pod wpływem dużych sił ścinających, jednak powstające układy są niestabilne termodynamicznie i mają tendencję do re-aglomeracji. O wiele skuteczniejszą metodą jest kompatybilizacja układu, poprawiająca adhezję na granicy faz poprzez wprowadzenie czynnika silnie oddziaływującego zarówno z matrycą polimerową, jak i powierzchnią nieorganicznego napełniacza lub przynajmniej przeciwdziałającego wzajemnemu przyciąganiu się drobin tego ostatniego (Rys. 2). Efekt taki można osiągnąć poprzez: (1) zastosowanie związku o właściwościach amfifilowych, oddziaływującego ze składnikami kompozytu siłami van der Waalsa, elektrostatycznymi, dipol dipol lub wiązaniem wodorowym; (2) chemiczną modyfikację grup funkcyjnych na powierzchni drobin nieorganicznego napełniacza poprzez kowalencyjne przyłączenie hydrofobowych fragmentów organicznych (np. proces silanizacji powierzchni) Rys. 2 Metody zwiększania siły oddziaływań na granicy faz polimer-napełniacz. Kolorem: czerwonym zaznaczono drobiny napełniacza, różowym matrycę polimerową a zielonym kompatybilizator. Zakres i stopień modyfikacji właściwości matrycy polimerowej w wyniku zdyspergowana w niej nanocząstek modyfikatora zależy przede wszystkim od: rodzaju i reaktywności grup funkcyjnych na powierzchni cząstek napełniacza; siły i rodzaju oddziaływań na granicy faz polimer nanocząstka (zwłaszcza połączenia makrocząsteczki z powierzchnią napełniacza wiązaniem kowalencyjnym lub wodorowym), relatywnej zawartości napełniacza w kompozycie (zwykle do kilku % wag, gdyż większa zawartość napełniacza prowadzi do aglomeracji nanocząstek), 3

wymiarów i kształtów (efektywnego współczynnika kształtu) drobin modyfikatora współdecydujących o ich powierzchni właściwej, a więc i sile oddziaływań z matrycą organiczną, sposobu organizacji oraz homogeniczności zdyspergowania nanocząstek w strukturze matrycy polimerowej. W masowo wytwarzanych produktach szczególnie istotny jest wpływ nanonapełniaczy na właściwości mechaniczne, stabilność termiczną, palność oraz dyfuzję płynów (gazów i cieczy). Zwykle nanokompozyty polimerowe cechują się znacznie poprawionymi parametrami mechanicznymi (m.in. większym modułem elastyczności i odpornością na kruche pękanie) w porównaniu z właściwościami czystego polimeru lub konwencjonalnych mikrokompozytów, i to już w przypadku stosunkowo niewielkiej zawartości nanocząstek (<5% wag ). Źródłem tego zjawiska jest większa możliwość efektywnego rozpraszania energii dostarczanej do układu w postaci naprężeń mechanicznych. W wielu układach obecność nanonapełniacza, zwłaszcza typu 1D (nanopłytek), wpływa bardzo korzystnie na obniżenie palności materiałów polimerowych. Drobiny te utrudniają przenikanie ciepła do wnętrza kompozytu (Rys. 3D) znacznie efektywniej niż klasyczne mikronapełniacze zwiększając temperaturę zapoczątkowania rozkładu polimeru. Płytki nanonapełniaczy zmniejszają również szybkość procesów termicznej degradacji fazy organicznej poprzez tworzenie bariery dla lotnych produktów reakcji termoutleniania dyfundujących w kierunku powierzchni kompozytu (Rys. 3B) oraz tlenu transportowanego w przeciwnym kierunku (Rys. 3A). Ponadto obecność napełniaczy umożliwia utworzenie warstewki ochronnej na powierzchni palącego się materiału i skutecznie zmniejsza szybkość wydzielania ciepła (Rys. 3C). Istotnym elementem antypirenowego działania nanonapełniaczy jest również pochłanianie części ciepła spalania na drodze endotermicznych przemian (rozkładu) ich drobin (Rys. 3D), często połączonego z wydzielaniem znacznych ilości niepalnych gazów zmniejszających stężenie tlenu w układzie (tzw. przygaszanie materiału). Rys. 3 Schemat procesu palenia materiału polimerowego wraz z zaznaczonymi miejscami (punkty A-D) antypirenowego działania nanonapełniaczy. Nanocząstki napełniaczy polepszają właściwości barierowe polimerów na skutek wzrostu tzw. labiryntowości drogi płynów przez strukturę nanokompozytu polimerowego: penetrujące cząstki muszą ominąć fizyczne przeszkody w postaci nieprzepuszczalnych drobin napełniacza, co znacznie wydłuża drogę ich transportu (Rys. 4). Zwiększenie zawartości napełniacza w kompozycie lub orientacja jego drobin prostopadle do kierunku transportu 4

płynów oraz zwiększanie aniozotropii kształtu cząstek skutkuje spadkiem przepuszczalności materiału nawet o kilkadziesiąt procent. Rys. 4 Droga molekuł płynów przez: (a) konwencjonalny mikrokompozyt polimerowy, (b) nanokompozyt polimerowy zawierający nanocząstki typu 1D II. Poliolefiny [3, 4] Nazwa poliolefiny stosowana jest do określenia syntetycznych polimerów o ciężarze cząsteczkowym od kilku tysięcy do kilku milionów, otrzymywanych w wyniku polimeryzacji nienasyconych węglowodorów, przede wszystkim etylenu, propylenu i butylenów. Zarówno wybór monomeru, jak i sposobu prowadzenia oraz mechanizmu procesu polimeryzacji wywiera istotny wpływ na ciężar cząsteczkowy i budowę przestrzenną powstającego produktu, a poprzez to determinuje jego obszary aplikacyjne. Wśród polimerów poliolefiny i ich kopolimery zajmują obecnie pierwsze miejsce pod względem wielkości produkcji i znajdują zastosowanie np. jako tworzywa konstrukcyjne i opakowaniowe, kauczuki i modyfikatory właściwości reologicznych smarów i olejów silnikowych. 1. POLIETYLEN Polietylen (PE) o wzorze ogólnym (CH 2 CH 2 ) n jest przykładem semikrystalicznego polimeru termoplastycznego, charakteryzującego się dużą odpornością na działanie czynników chemicznych, termicznych i atmosferycznych oraz obojętnością fizjologiczną. Polimer ten może charakteryzować się zarówno liniową budową makrocząsteczek, jak i tworzyć struktury, w których w łańcuchach występują liniowe lub rozgałęzione alkilowe podstawniki boczne. W zależności od ciężaru cząsteczkowego i budowy makrocząsteczek PE wyróżnia się kilka podstawowych klas polietylenu różniących się właściwościami i zastosowaniami: a) polietylen małej gęstości (PE-LD lub LDPE, skrót od Low Density Polyethylene) charakteryzujący się znacznym rozgałęzieniem struktury utrudniającym gęste upakowanie makrocząsteczek i przekładającym się na niższą gęstość, krystaliczność oraz wytrzymałość na zerwanie (ze względu na osłabienie oddziaływań międzycząsteczkowych); b) polietylen dużej gęstości (PE-HD lub HDPE, skrót od High Density Polyethylene) charakteryzujący się prawie brakiem rozgałęzień w makrocząsteczkach, co sprzyja ich gęstszemu upakowaniu, wzrostowi stopnia krystaliczności oraz poprawie parametrów mechanicznych, w porównaniu do PE-LD. c) liniowy polietylen małej gęstości (PE-LLD lub LLDPE, skrót od Linear Low Density Polyethylene) będący właściwie kopolimerem etylenu z dodatkiem niewielkich ilości wyższej α-olefiny (1-butenu, 1-heksenu lub 1-oktenu). Makrocząsteczki tej odmiany PE mają budowę liniową jednak obecne są w nich krótkie rozgałęzienia o jednakowej długości. Ze względu na specyfikę budowy PE-LLD plasuje się ze swymi właściwościami pomiędzy PE-LD i PE-HD. d) polietylen o szczególnie wysokim ciężarze cząsteczkowym (PE-UHMW skrót od Ultra High Molecular Weight Polyethylene lub HMPE skrót od High Modulus Polyethylene). Ten typ PE charakteryzuje się ciężarami cząsteczkowymi z zakresu 2-6 5

6 mln i w porównaniu do swych standardowych odpowiedników wykazuje korzystniejsze parametry mechaniczne, m.in. lepszą odporność na ścieranie, pękanie i udar (nawet w bardzo niskich temperaturach), a także niższy współczynnik tarcia i przyczepność powierzchni. e) polietylen bimodalny, który składa się z przynajmniej 2 frakcji PE różniących się ciężarem cząsteczkowym a często również zawartością komonomeru. Frakcja o dużym ciężarze cząsteczkowym nadaje materiałowi dobre parametry mechaniczne i stabilność podczas przetwarzania, natomiast rolą populacji małocząsteczkowej jest ułatwienie przetwórstwa. Porównanie wybranych właściwości różnych typów PE znajduje się w tabeli poniżej (Tabela 1) [3]. Tabela 1 Zestrawienie wybranych parametrów różnych typów polietylenu Parametr Typ polietylenu Jednostka PE-LD PE-LLD PE-HD PE-UHMW gęstość g/cm 3 0,910-0,930 0,915-0,940 0,941-0,965 0,93-0,94 moduł sprężystości przy rozciąganiu MPa 200-400 300-700 600-1400 700-800 naprężenie na granicy plastyczności MPa 8-10 20-30 18-30 ~22 odkształcenie na granicy plastyczności % ~20 ~15 8-12 ~15 odkształcenie przy zerwaniu % 150-600 a 450-900 a 200-900 a >50 twardość wg Brinella a 13-25 20-35 44-57 T t C 105-118 126 126-135 130-135 stopień krystaliczności % 40-60 40-60 70-95 temperatura trwałości kształtu HDT/A 1,8 C - ~40 38-50 42-49 MPa a dane zaczerpnięte z [4] Obecnie, w celu polepszenia wybranych właściwości lub nadania nowych cech przeprowadza się proces modyfikacji PE w warunkach sieciowania chemicznego (nadtlenkami) lub radiacyjnego (napromieniowanie), a także stosując różnego typu dodatki (także napełniacze). Proces polimeryzacji etylenu może być prowadzony [3]: według mechanizmu rodnikowego pod wysokim ciśnieniem (180-350 MPa) i w temperaturze 180-350 C, co prowadzi do powstania PE-LD. Proces ten przebiega w środowisku ciekłego etylenu, a inicjatorem polimeryzacji jest tlen stosowany w ilości 0,05-0,1 %mol lub nadtlenki organiczne. Ze wzrostem ciśnienia zwiększeniu ulega średni ciężar cząsteczkowy PE natomiast maleje jego rozrzut oraz udział rozgałęzień w strukturze makrołańcuchów. Zwiększenie temperatury skutkuje wzrostem szybkości reakcji i stopnia rozgałęzienia makrołańcuchów lecz odpowiada również za zmniejszenie ciężaru cząsteczkowego polimeru. Technologicznie metoda ta stosowana jest w 2 wariantach: w ciśnieniowych reaktorach zbiornikowych z intensywnym mieszaniem (proces autoklawowy) lub w reaktorach rurowych typu rura w rurze (polimeryzacja przebiega w rurze wewnętrznej a pomiędzy rurami znajduje się chłodziwo (proces rurowy). według mechanizmu koordynacyjnego wobec katalizatorów zawierających aktywowany metal przejściowy, zakotwiczonych lub nie na powierzchni nośnika (np. katalizatory Zieglera-Natty, katalizator Phillipsa, katalizatory metalocenowe i postmetalocenowe itp.). Proces ten może być prowadzony w masie, fazie gazowej lub w rozpuszczalniku

zwykle w warunkach łagodniejszych w porównaniu do wysokociśnieniowego procesu rodnikowego. Meto0da ta znajduje zastosowanie w produkcji PE-HD a także PE-LLD. Polietylen bimodalny można otrzymać [3]: poprzez zwykłe fizyczne zmieszanie kilku monomodalnych PE różniących się maksimami krzywej rozkładu ciężaru cząsteczkowego; poprzez odpowiednie poprowadzenie procesu polimeryzacji etylenu, np. a) zastosowanie układu katalitycznego (lub mieszaniny kilku katalizatorów) zawierającego kilka rodzajów centrów aktywnych; b) zastosowanie kaskady reaktorów różniących się parametrami procesowymi, lub c) zmianę warunków procesowych (T, p) w trakcie pojedynczego procesu. Podstawowymi metodami przetwórstwa PE są: wtrysk, wytłaczanie, prasowanie i laminowanie. Metodą wtryskiwania wytwarzane są artykuły opakowaniowe (np. pojemniki na leki lub materiały sypkie), artykuły dla gospodarstw domowych (np. talerze i kubki, wiadra), a także butelki na ciecze spożywcze i inne płyny (z wyjątkiem węglowodorów) stosuje się wówczas wtrysk z rozdmuchem. Główną metodą przetwórstwa PE jest wytłaczanie,a znajduje ono szczególne zastosowanie przy wytwarzaniu folii z PE (wytłaczanie z rozdmuchem). Folia PE znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle opakowaniowym i spożywczym, ogrodnictwie (pokrycie tuneli) oraz do izolacji. Z PE metodą wytłaczania można również otrzymywać giętkie węże i przewody oraz rury do transportu zimnej wody. 2. POLIPROPYLEN Polipropylen (PP) jest polimerem winylowym o wzorze ogólnym [CH 2 CH(CH 3 )] n otrzymywanym w wyniku polimeryzacji propylenu. Ze względu na niesymetryczność struktury monomeru (zastąpienie jednego wodoru w etylenie przez podstawnik metylowy) możemy mieć do czynienia z kilkoma typami strukturalnie zróżnicowanego polimeru z jakim typem budowy mamy do czynienia zależy od następujących czynników: a) regiospecyficzności najczęściej w procesie syntezy kolejne cząsteczki propylenu dobudowują się do łańcucha polimeru na drodze addycji I rzędowej typu głowaogon, co sprawia, że przy co drugim atomie węgla w łańcuchu znajduje się podstawnik CH 3.: CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 =CH CH 2 =CH CH 2 -CH-CH 2 -CH Przyłączenie kolejnej cząsteczki propylenu może też nastąpić w wyniku addycji typu głowa-głowa lub ogon-ogon b) stereospecyficzności insercji cząsteczki monomeru do centrum aktywnego katalizatora możemy otrzymać polimer stereoregularny (insercja stereospecyficzna) lub sterycznie nieuporządkowany (insercja niesterospecyficzna). W pierwszym przypadku (PP stereoregularny) wyróżniamy: PP izotaktyczny (i-pp), w którym podstawniki CH 3 znajdują się po jednej stronie płaszczyzny zygzakowej łańcucha. Strukturę takich makrocząsteczek można opisać jednym rodzajem merów spośród 2 możliwych struktur enancjomerycznych. PP syndiotaktyczny (s-pp), w którym podstawniki CH 3 są ułożono naprzemiennie po obydwu stronach płaszczyzny zygzakowej łańcucha możemy wówczas mówić o kopolimerze naprzemiennym 2 różnych form enancjomerycznych merów PP. 7

PP ataktyczny (a-pp), w którym podstawniki metylowe są ulokowane bezładnie po obydwu stronach płaszczyzny zygzakowej łańcucha. c) udziału rozgałęzień łańcucha niektóre cząsteczki monomeru mogą przyłączać się do węgli wewnątrz powstałego łańcucha PP. Do lat 50-tych ubiegłego wieku nie udało się przeprowadzić polimeryzacji propylenu do produktu wielkocząsteczkowego i stereoregularnego w wyniku kationowej polimeryzacji otrzymano jedynie oligomery o ciężarach cząsteczkowych poniżej 3000 i znacznej liczbie rozgałęzień. Dopiero w 1954 r zespołowi prof. G. Natty, poprzez zastosowanie katalizatorów koordynacyjnych zawierających Ti, udało się otrzymać wielkocząsteczkowy PP o budowie izotaktycznej, a później także syndiotaktycznej. Obecnie znane są 3 podstawowe technologie syntezy PP [4]: a) polimeryzacja propylenu w rozpuszczalniku (najczęściej węglowodorze), w którym zdyspergowany został katalizator. Jest to najbardziej rozpowszechniona metoda produkcji PP stosująca temperatury z zakresu 50-100 C i ciśnienia 0,5-3,0 MPa. b) polimeryzacja propylenu wobec katalizatora zdyspergowanego w ciekłym monomerze. Zwykle stosuje się temperatury z zakresu 50-85 C oraz ciśnienie 2-5 MPa. c) polimeryzacja propylenu w fazie gazowej wobec katalizatora znajdującego się w złożu fluidalnym. Proces prowadzi się najczęściej w 90 C i przy ciśnieniu 3-3,5 MPa. Polipropylen wykazuje wyższą wytrzymałość mechaniczną oraz wyższą temperaturę topnienia w porównaniu do PE-HD. Górna temperatura stosowania i-pp wynosi ok 100 C i jest wyższa niż dla PE-HD z tego względu znalazł on zastosowanie do produkcji sprzętu medycznego wymagającego sterylizacji termicznej, a także rur do transportu ciepłej wody (budownictwo mieszkaniowe). Wysoka stabilność właściwości i odporność na procesy starzeniowe umożliwiają zastosowanie PP do produkcji futryn okiennych, drzwi, wanien i brodzików itp. Znaczną wytrzymałość na rozciąganie PP można dodatkowo zwiększyć poprzez proces orientacji tego tworzywa, co jest wykorzystywane w trakcie produkcji włókien i cienkich folii. Włókna PP znajdują szerokie zastosowanie techniczne (np. produkcja lin okrętowych), a także dekoracyjne (produkcja tkanin i wykładzin oraz materiałów nietkanych). Warto zauważyć, że PP można stosować zamiennie z PE-HD. LITERATURA 1. Florjańczyk, Z.; Dębowski, M.; Chwojnowska, E.; Łokaj, K.; Ostrowska, J.; Polimery 2009, 54, 691. 2. IUPAC Compendium of Chemical Terminology the Gold Book; http://goldbook.iupac.org/index.html 3. Czaja, K.; Poliolefiny,wydanie I, WNT, Warszawa 2005. 4. Chemia polimerów, Tom II, wydanie I, praca zbiorowa pod redakcją Z. Florjańczyka i S. Penczka; Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997. 8