Jedne z najbardziej popularnych tworzyw sztucznych to: polietylen oraz polichlorek winylu. Rozpowszechnione na szeroka skale również włókna syntetyczne, takie jak: elana, torlen, bistor. Włókna syntetyczne poliamidowe to: nylon, stylon. Są to tworzywa wykorzystywane w produkcji pończoch, bielizny, płaszczy przeciwdeszczowych.
Tworzywa sztuczne możemy podzielić ze względu na sposób zachowania w wyniku ogrzewania. Wyróżniamy:
- tworzywa sztuczne termoplastyczne, czyli poli(chlorek winylu), polietylen polistyren, po ogrzaniu miękną, zaś po oziębieniu ulegają stwardnieniu.
- tworzywa sztuczne chemoutwardzalne (duroplasty). Są twarde, trudnotopliwe o wysokiej odporności mechanicznej. Mogą służyć jako materiały konstrukcyjne (sztuczne metale).
Tworzywa termo- lub chemoutwardzalne nie jesteśmy w stanie przerobić na inne. Tworzywo termoplastyczne możemy przerobić na inne. Często tworzywa sztuczne mogą być wykorzystane jako dobry surowiec wtórny.
Coraz częstsze stosowanie tworzyw syntetycznych (opakowania jednorazowego użytku) stwarza problem ekologicznego zanieczyszczenia środowiska. Enzymy, które są wytwarzane przez bakterie nie są w stanie rozłożyć tworzyw syntetycznych. Substancje te przez długi okres zanieczyszczają otoczenie. Wyjściem jest produkowanie tworzyw, które ulegają biodegradacji. Łatwo się rozpadają w środowisku bez wytwarzania substancji trujących. Podczas stosowania glicyny w produkcji poliamidu otrzymujemy tworzywo rozkładalne przez różnego rodzaju bakterie w krótkim okresie.
Przykłady zastosowań tworzyw sztucznych: meblarstwo budownictwo, kosmetyka, medycyna, elektronika oraz elektrotechnika, opakowania, transport (opony oraz zderzaki), gospodarstwo domowe, części maszyn.
Tworzywa sztuczne charakteryzują się mała masą (gęstość ma wartość 1 g/cm3), małą przewodnością cieplną, małą wytrzymałością na rozciąganie, małym modułem elastyczności, są dielektrykami, tylko po dodaniu (ok. 50%) materiałów przewodzących (sadza, pył metaliczny) są w stanie, przewodzić prąd elektryczny. Są przezroczyste, ale także całkowicie nietransparentne. Tworzywa sztuczne wykazują odporność na substancje chemiczne, wilgoć.
Identyfikacja tworzyw sztucznych za pomocą wzroku nie jest możliwa, ponieważ tworzywa sztuczne charakteryzują się podobieństwem pod względem właściwości fizycznych. Aby ustalić rodzaj tworzywa próbka musi ulec spalaniu. Obserwując płomień określamy typ tworzywa.
W tabeli przedstawiono charakterystykę kilku tworzyw sztucznych
|
Tworzywo
|
Właściwości produktu
|
Rodzaj płomienia
|
Zapłon
|
|
Jedwab naturalny
|
brunatna substancja, zapachu palonego białka
|
-
|
nie pali się
|
|
Celuloza
|
zapach palonego papieru
|
żółty
|
łatwy
|
|
Polietylen
|
zapach parafiny
|
dolny płomień żółty, wierzchołek - niebieski
|
łatwy
|
|
Polistyren
|
kwiatowy, słodkawy zapach
|
bladożółty, kopcący
|
łatwy
|
|
Poli(chlorek winylu)
|
zapach chlorowodoru
|
gaśnie, gdy jest wyjęty z płomienia, żółty
|
trudny
|
|
Poliestry
|
kwiatowy, słodkawy zapach
|
gaśnie, gdy jest wyjęty z płomienia, jasnożółty
|
trudny
|
|
Poliamidy
|
zapach palonego białka
|
plonie, gdy jest wyjęty z płomienia, lekko niebieski
|
trudny
|
Celuloid to mieszanina azotanu celulozy oraz kamfory. To ciało stałe, bardzo elastyczne, przezroczyste. Ulega zżółknięciu w wyniku działania światła. Nie wykazuje odporności na ścieranie. To tworzywo łatwo palne, nieodporne na działanie temperatury i czynników chemicznych (rozpuszcza się w wielu rozpuszczalnikach. łatwo ulega zadrapaniu i zarysowaniu. Należy zachować ostrożność w czasie obróbki mechanicznej. Celuloid może być polerowany woskiem, ale także może być zanurzony w acetonie. Temperatura jego kształtowania w formy ma wartość 70-110°C.
Tworzywo to po wprowadzeniu do płomienia spala się jasnym płomieniem wydzielając przy tym brunatny dym tlenków azotu. Celuloid wykazuje odporność na działanie kwasów oraz zasad, ale tylko rozcieńczonych, gdyż stężone roztwory powodują jego rozkład. Może rozpuszczać się w ketonach oraz estrach. W alkoholu pęcznieje. Celuloid może być wykorzystywany:
- w produkcji zabawek;
- w produkcji galanterii;
- jako przyrząd pomiarowy;
- jako przybory kreślarskie;
- jako szkło bezodpryskowe.
Wypierany jest octanem celulozy.
Polichlorek winylu, w skrócie PCW lub PVC jest tworzywem sztucznym. Jego monomerem jest chlorek winylu o wzorze -CH2-CHCl-. Jeden z najważniejszych oraz wytwarzanych w największych ilościach termoplastów. Produkcja światowa pod koniec XX wieku wyniosła 30 milionów ton na rok.
Wykorzystanie polichlorku winylu:
- branża budownicza (płytki oraz wykładziny, rury, kształtki);
- branża elektro oraz radiotechniczna;
- produkcja celulozy oraz papieru;
- produkcja elastomerów oraz włókien;
- produkcja odzieży oraz obuwia;
- produkcja opakowań;
- w energetyce, jako materiał elektroizolacyjny;
- w medycynie, jako dreny, sondy, cewniki, strzykawki;
- pokrywanie boisk piłki siatkowej, koszykowej, ręcznej.
Sposoby wytwarzanie polichlorku winylu:
1. Metoda chlorowodorowania acetylenu przy użyciu HCl
2. Metoda zbilansowania chlorowania etylenu oraz acetylenu;
3. Metoda zbilansowania chlorowania oraz oksychlorowania etylenu;
Metoda pierwsza jest najbardziej popularna.
Stopień polimeryzacji oraz ciężar cząsteczkowy polichlorku winylu zależy od:
- stężenia inicjatora;
- temperatury reakcji;
- metody polimeryzacji.
Ma miejsce zależność: Im wyższa jest temperatura tym mniejszy jest ciężar cząsteczkowy.
Przemysłowe metody otrzymywania polichlorku winylu:
- w masie;
- w suspensji;
- w emulsji;
- strąceniowa;
- rozpuszczalnikowa.
Podczas przeprowadzania procesu polimeryzacji niekorzystny wpływ na niego ma obecność tlenu, czystość chlorku winylu (monomeru) oraz odprowadzanie ciepła.
Właściwości polichlorku winylu zależą od metod oraz warunków otrzymywania.
Podstawowe właściwości polichlorku winylu:
- termoplastyczna biała substancja o konsystencji proszku i gęstości 1,35-1,46 g/m3;
- substancja o ciężarze cząsteczkowym wynoszącym 30 - 150 tyś g/mol;
- substancja o małym udziale fazy krystalicznej;
- substancja o temperaturze zeszklenia równej 80 C, zaś temperaturze mięknienia równej 145-170 C;
- substancja o wysokiej sztywności i dobrych właściwościach wytrzymałościowych;
- substancja nierozpuszczalna w wielu niepolarnych rozpuszczalnikach;
- substancja odporna na działanie wody oraz stężonych, ale i także rozcieńczonych kwasów i zasad, olejów mineralnych;
- substancja o niskiej temperaturze rozkładu wynoszącej 140 - 170 C;
- substancja o małej odporności na działanie promieni słonecznych;
- substancja o wysokiej sztywności.
Polichlorek winylu możemy podzielić na:
- polichlorek winylu twardy, czyli winidur (5% zmiękczacza);
- polichlorek winylu miękki, czyli igelit lub skaj (50% zmiękczacza).
Polichlorek winylu twardy jest obrabiany mechanicznie. W czasie obróbki wydzielają się pewne ilości chlorowodoru, które mogą powodować korozję narzędzi.
W czasie ogrzewania polichlorek winylu mięknie w temperaturze 60-70°C, topi się zaś w temperaturze 140-170°C. Gdy jest wprowadzany do płomienia natychmiast się zapala na żółty, trochę zielonkawy płomień. Wydziela się także chlorowodór. Gdy wyjmiemy polichlorek winylu z płomienia to od razu gaśnie Chlorowodór jednak wydziela się przez pewien okres.
Polichlorek winylu wykazuje odporność na kwas solny, siarkowy, rozcieńczony azotowy, NaOH, KOH, amoniak, roztwór sody, alkohol, benzynę. Może rozpuszczać się w acetonie, cykloheksanonie, estrach, dioksanie, toluenie, pirydynie, ksylenie, dwusiarczku węgla, chlorku etylenu, dimetyloformamidzie.
W sklepach można kupić gotowe kleje PCV. Polichlorek winylu twardy może być wykorzystany w produkcji rur wykorzystywanych w przemyśle chemicznym, przewodach wodociągowych, kanalizacyjnych, przyborach kreślarskie, opakowaniach, instalacjach wentylacyjnych, pompach, zbiornikach.
Polichlorek winylu miękki może być wykorzystany w produkcji węży ogrodniczych, do przemysłu chemicznego oraz do izolacji elektrycznej, do różnego rodzaju okładzin, uszczelek, płyt dachowych, folii, sztucznej skóry.
Celuloza to polisacharyd(wielocukier), podstawowy materiał tkanki roślinnej, tworzący zrąb ściany komórkowej roślin. Błonnik nie jest trawiony przewodzie pokarmowym ssaków. Przeżuwacze wykorzystują go dzięki obecności w żwaczu flory bakteryjnej, produkującej enzym zwany celulazą. Celuloza jest surowcem wykorzystywanym w przemyśle włókienniczym i papierniczym. Jest też substancją wyjściową do otrzymywania wielu surowców chemicznych, np. nitrocelulozy służącej do wyrobu tworzyw sztucznych i materiałów wybuchowych oraz acetylocelulozy, z której wyrabia się tworzywa sztuczne i sztuczny jedwab.
Celuloza jest stosowana w postaci naturalnej (drewno, włókna przemysłowe), częściowo zmodyfikowanej (papier, pergamin, fibra) lub całkowicie zmienionej (celofan, włókno wiskozowe) wskutek pozbawienia jej pierwotnej struktury włóknistej (celuloza rodzima jest nietopliwą białą masą włóknistą, nierozpuszczalną w rozpuszczalnikach organicznych). Pochodne celulozy (etery i estry) są stosowane jako włókna, kleje, lakiery, zagęszczacze, tworzywa sztuczne, proch bezdymny itp. Celuloza jest bardzo reaktywna wskutek obecności w każdej reszcie glukozy trzech grup hydroksylowych, które ulegają estryfikacji, przy czym powstają estry celulozy. Celuloza rozpuszcza się w stężonych roztworach mocnych zasad (alkaliceluloza). Wskutek utleniania przechodzi w karboksycelulozę. Ponadto ulega degradacji lub całkowitej depolimeryzacji pod wpływem kwasowych czynników hydrolitycznych.
Celulozę jest trawiona przez zwierzęta przeżuwające, gdyż w przewodzie pokarmowym tych zwierząt występują bakterie oraz pierwotniaki, które rozkładają celulozę. Człowiek nie jest w stanie trawić tego związku.
Celuloza w wyniku działania kwasów może ulec hydrolizie. Ostatecznym produktem jest D-glikoza. Proces zachodzi stopniowo. W czasie krótkiego działania na celulozę kwasu siarkowego celuloza jest w stanie przekształcić się w amyloid.
Czysta celuloza to biała substancja, która nie rozpuszcza się w wodzie, w alkoholu, w eterze. Wykazuje duża odporność na działanie kwasów, ługów.
Jeżeli działamy na celulozę dłużej kwasem mineralnym (solny lub siarkowy) przechodzi w hydrocelulozę.
Chłodne roztwory wodorotlenków powodują pęcznienie celulozy, która wchłania ług oraz tworzy połączenia chemiczne, które nazywamy alkalicelulozami.
Cząsteczka celulozy zawiera grupy wodorotlenowe, ale na odpowiednie fragmenty glikozydowe przypadają zawsze 3 grupy wodorotlenowe. Najważniejsze estry celulozy to: octany, azotany i ksantogeniany.
Estry celulozy oraz kwasu octowego to octany celulozy, czyli acetylocelulozy. Roztwór acetylocelulozy w acetonie jest wykorzystywany w produkcji jedwabiu sztucznego i lakierów.
Poliamidy (nylony) otrzymujemy w wyniku:
- polikondensację dwukwasów oraz tiamin;
- polimeryzację laktamów.
- polikondensację v-aminokwasów
Poliamidy są to substancje krystaliczne, bezbarwne, ulęgają łatwo zabarwieniu. dają się łatwo barwić, trudno się ścierają, są wytrzymałe mechanicznie. Mogą ulec wydłużeniu nawet o 50% nim ulegną zerwaniu. Zaleta tych związków jest to, że dosyć łatwo mogą ulec obróbce mechanicznej. Wszystkie poliamidy to termoplasty. Charakteryzują się wysoką temperatura topnienia, tj.180-270°C. Obszar mięknięcia, który poprzedza topnienie wynosi tylko 5°C. Podczas spalania związki te wydzielają specyficzny zapach, który przypomina zapach spalonego rogu lub spalonych włosów. Podczas palenia płomień ma barwę niebieskawą.
Poliamidy topią się podczas palenia oraz gasną, gdy są wyjęte z płomienia. Poliamidy wykazują odporność na działanie rozpuszczalników organicznych, tj.: węglowodorów, chloroformu, alkoholi, ketonów, eterów, estrów. Poliamidy nie wykazują odporności na zasad oraz kwasów.
Poliamidów są wykorzystywane w produkcji: kół zębatych, łożysk, części maszyn, rur ciśnieniowych, folii, żyłek wędkarskich, sztucznych kości, włókien.
Polietylen jest substancją woskowatą, giętką w dotyku. Temperatura topnienia ma wartość 6000C. Ponadto polietylen jest biały, przezroczysty, łatwo zmienia barwę w wyniku dodania odpowiedniego pigmentu. Traci elastyczność w wyniku działania światła słonecznego oraz wilgoci.
Otrzymujemy polietylen w wyniku polimeryzację etylenu. Polimeryzacja etylenu może zachodzić w następujący sposób:
1.Pod wysokim ciśnieniem, tj. 127-245 MPa oraz w temperaturze. 150-250.C. Konieczna jest także obecność tlenu, ewentualnie nadtlenków organicznych (inicjatory polimeryzacji);
2. Pod umiarkowanym ciśnieniem, tj. 2,5-9,8 MPa oraz w temperaturze 75-300.C. Konieczna jest także obecność katalizatorów molibdenowych, ewentualnie chromowych;
3. Pod cieniem ciśnieniem o wartości 1 MPa oraz w temperaturze poniżej 100.C. Konieczna jest także obecność katalizatorów metaloorganicznych Zieglera oraz Natty.
Wyróżniamy następujące rodzaje polietylenów:
- PE (zwykły polietylen);
- LPDE (polietylen o niskiej gęstości jest uzależniony od mechanizmu uzyskiwania);
- HDPE (polietylen o wysokiej gęstości jest uzależniony od mechanizmu uzyskiwania).
Na proces wytwarzania polietylenu wpływa: temperatura, czas reakcji, ciśnienie, rodzaj stosowanego reaktora, typ oraz ilość użytego inicjatora. Podwyższona temperatura powoduje wzrost szybkości reakcji polimeryzacji oraz zmniejszenie masy cząsteczkowej. Wzrasta także liczba reakcji ubocznych tzn. ilość rozgałęzień powstałych w wyniku przenoszenia łańcucha kinetycznego na polimer.
Polietylen to tworzywo będące doskonałym dielektrykiem, charakteryzujące się znaczną elastycznością, dobrymi właściwościami mechanicznymi, duża odpornością na działanie zasad, kwasów, soli.
Na strukturę polietylenu mają: dodatki kodyfikacyjne, warunki prowadzonej syntezy, gęstość, stopień krystalizacji, ciężar cząsteczkowy oraz stopień polidyspersji, ilość bocznych rozgałęzień.
Polistyren to tworzywo dosyć twarde, bezbarwne oraz kruche, charakteryzujące się niską temperaturą topnienia. Otrzymujemy z niego styropian- bardzo lekkie tworzywo izolacyjne. Polistyren jest także wykorzystywany w produkcji pojemników, zabawek, opakowań, sztucznej biżuterii, szczoteczek do zębów, pudełek do płyt CD.
Monomerem polistyrenu jest styren, powstający przez odwodornienie etylobenzenu. Jest reaktywny, dosyć łatwo ulega polimeryzuji (jonowej, rodnikowej, na katalizatorze). Polimeryzacja rodnikowo-przemysłowa może mieć miejsce w: masie, roztworze, suspensji, emulsji. Ważne jest usuniecie monomeru, który nie przereagował. Ma to miejsce w: próżniowym odgazowywaczu strumieniowym, próżniowym odgazowywaczu rurowym, wytłaczarce z próżniowym odgazowaniem oraz wyparce próżniowej.
Polistyren charakteryzuje się kruchością i małym przewodnictwem cieplnym. Polistyren możemy polerować. Polistyren to tworzywo termoplastyczne, mięknie od 70°C, natomiast w temperaturze 100- 110°C jest formowany. Polistyren, gdy jest wprowadzony w płomień palnika, to zapala się szybko i może palić się jeszcze nawet po usunięciu źródła ciepła. Pali się żółtopomarańczowym kopcącym. Polistyren wykazuje odporność na działanie kwasów, zasad, alkoholi, węglowodorów nasyconych, olejów mineralnych oraz roślinnych. Może rozpuszczać się w styrenie, benzenie, toluenie, dwusiarczku węgla, dioksanie, cykloheksanie. Styropian to polistyren spieniony powstaje w wyniku zmieszania polistyrenu emulsyjnego z proforem w niskiej temperaturze. Następnie ma miejsce wstępne sprasowanie w temperaturze 100-125oC i pod ciśnieniem 10MPa, nadtopienie PS oraz rozkład proforu i proces rozprężania formy. W wyniku zmieszania polistyrenu z proforem nasyconym cieczą (twarde perełki) w pierwszym etapie surowiec jest rozgrzewany w specjalistycznych urządzeniach (spieniarki). Wraz ze wzrostem temperatury ma miejsce mięknienie perełek. W czasie spieniania objętość ulega zwiększeniu 40 - 50 razy. Możliwe jest spienianie perełek do określonej gęstości. Styropian jest bardzo wygodnym budowlanym materiałem izolacyjnym. 98% stanowi powietrze.
Właściwości styropianu: doskonałe właściwości izolacyjne w wilgotnym środowisku i niskiej temperaturze, mała gęstość, duża kruchość, nie jest odporny na uderzenia, nie jest szkodliwy dla zdrowia (może się kontaktować z produktami spożywczymi), mała nasiąkliwość wodna, wykazuje odporność na proces starzenia się, odporny bakterie, pleśnie oraz grzyby, ekologiczny, łatwy w obróbce.
Występuje dwa rodzaje styropianu: surowy, bez dodatków oraz z dodatkiem.
Jesteśmy w stanie poprawić właściwości polistyrenu metodami chemicznymi oraz fizycznymi. Polistyren modyfikujemy poprzez: kopolimeryzację, dodawanie plastyfikatorów oraz napełniaczy proszkowych lub włóknistych, możemy także dodać elastomery. Kopolimery styrenu to: styren i akrylonitryl (poprawieniu ulega odporność chemiczna i cieplna, stosowany jest w motoryzacji,elektrotechnice oraz jako opakowania), styren i bezwodnik maleinowy (powstaje w wyniku kopolimeryzacji w masie, charakteryzuje się duża odpornością cieplną, poprawną płynnością przetwórczą, stosowany wbranży motoryzacyjnej oraz przy produkcji farb oraz lakierów wodorozcieńczalnych.
Polistyren jest wykorzystywany do produkcji materiałów elektroizolacyjnych, części lodówek, naczyń, pojemników, zabawek, galanterii.
Poliuretany to produkty poliaddycji dioli oraz diizocyjanianów. Jesteśmy w stanie otrzymać tworzywa charakteryzujące się różnorodnymi właściwościami w wyniku określonego dobierania substratów (tworzywa piankowe oraz włókna sztuczne, kleje oraz lakierów). Część poliuretanów wykazuje właściwości termoplastyczne, część termoutwardzalne. Tworzywa te palą się dosyć powoli, płomieniem o barwie żółtej. Nie gasną, gdy są usunięte z płomienia Podczas spalania wydzielany jest charakterystyczny zapach izocyjanianu. Poliuretany są wykorzystywane w produkcji: włókien odzieżowych, zabawek, lakierów, gum do opon, podeszwy do trzewików, materiałów spienionych (izolacje cieplne oraz akustyczne), elementów nadwozi w samochodzie.
