Reakcja polimeryzacji to reakcja cząstek zwanych monomerami. W wyniku tej reakcji chemicznej powstają związki zwane polimerami. Proces polimeryzacji uzależniony jest od panującego ciśnienia, temperatury, ilości oraz rodzaju stosowanego inicjatora i katalizatora. Dzięki polimeryzacji jesteśmy w stanie otrzymać wielocząsteczkowe substancje. Nie wydzielają się produkty uboczne. Reakcja polikondensacji to reakcja funkcyjnych grup monomerów. W trakcie tego procesu wydziela się pewna ilość substancji (chlorowodór, woda, amoniak) oraz tworzy makrocząsteczka.
Polimery mogą także ulec reakcji sieciowania. W czasie tej reakcji polimer ogrzewamy z odpowiednim utwardzaczem. Łańcuchy polimerowe łączą się i powstaje gigantyczna cząsteczka.
Dzięki polimeryzacji jesteśmy w stanie otrzymać wielocząsteczkowe substancje, takie jak: polietylen, teflon, polistyren, kauczuk syntetyczne
Polimer to związek składający się z mniejszych elementów, które powtarzają się co pewien czas (grupy atomów, mery).
Monomer jest substratem, substancją, z której wytwarzany jest polimer. Monomer jest związkiem trwałym. Proces polimeryzacji może zajść dopiero wtedy, gdy monomer jest zaktywowany przez wolnych rodniki, które są wprowadzane do środowiska reakcyjnego. Rodniki powstają w układzie inicjatorów, np. nadtlenki organiczne, ewentualnie powstają w wyniku naświetlania promieniami ultrafioletowymi. Możliwa jest także zainicjowanie polimeryzacji określonymi katalizatorami.
Przemysłowe sposoby otrzymywania polimerów:
- polimeryzacja w masie;
- polimeryzacja w suspensji;
- polimeryzacja w emulsji;
- polimeryzacja strąceniowa;
- polimeryzacja rozpuszczalnikowa.
Właściwości polimerów zależą od metod oraz warunków otrzymywania.
Najważniejszy polimerów powstałe wyniku polimeryzacji to: polietylen, polichlorek winylu, polipropylen, polioctan winylu, polistyren, polimetakrylan metylu, poliformaldehyd, politetrafluoroetylen, polipropylen. Są to tworzywa sztuczne.
W skład polimerów mogą wchodzić różnego rodzaju dodatki, takie jak: barwniki, pigmenty, katalizatory, napełniacze, zmiękczacze, antyutleniacze.
Napełniacze to związki chemiczne pochodzenia nieorganicznego (ziemia okrzemkowa, talk, kreda, proszki metali), ale także pochodzenia organicznego (mączka drzewna, celuloza, tkaniny). Gdy związki te zmieszamy z polimerem poprawie ulegają jego właściwości użytkowe.
Pigmenty to barwne substancje, które nie rozpuszczają się w polimerze. Nadają barwę powstałemu polimerowi oraz czynią go nietransparentnym.
Barwniki to barwne substancje pochodzenia organicznego, które są rozpuszczalne w polimerze. Są stosowane w celu otrzymania barwnych oraz przezroczystych tworzyw.
Zmiękczacze (plastyfikatory) to substancje, które rozpuszczają się w pewnym stopniu i polimer i tworzą roztwór koloidalny. Roztwór ten przechodzi następnie w stan żelu i charakteryzuje się właściwościami elastoplastycznymi.
Stabilizatory to substancje, które po wprowadzeniu do tworzywa powodują zwiększenie jego odporności na temperaturę, promienie ultrafioletowe. Tworzywa takie cechuje zwiększona odporność na starzenie.
Antystatyki to substancje, które dodawane do polimeru zapobiegają elektryzowaniu się.
Tworzywa sztuczne możemy podzielić ze względu na przeznaczenie na:
- konstrukcyjne elastoplastyczne, czyli folie
- adhezyjne
- powłokowe
- włóknotwórcze
- porowate
- specjalne
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.
Aby przetworzyć tworzywo sztuczne potrzebna jest specjalistyczna aparatura. Tworzywa termoplastyczne są przerabiane metodą wtryskową lub są wytłaczane. Tworzywa termoutwardzalne są przerabiane metodą prasowania w odpowiednich formach, w wysokiej temperaturze.
Własności mechaniczne poszczególnych tworzyw sztucznych ulegają zmianie w szerokich zakresie. Wszystko jest uzależnione od rodzaju polimeru oraz ilości środków wspomagających. Ważną cecha tworzyw sztucznych jest wartość modułu sprężystości poprzecznej lub podłużnej. Tworzywa sztuczne możemy podzielić na:
- tworzywa sztuczne miękkie, których modułu sprężystości wzdłużnej ma wartość mniejszą niż 700 MPa;
- tworzywa sztuczne półsztywne, których modułu sprężystości wzdłużnej ma wartość 700 - 7000 MPa;
- tworzywa sztuczne sztywne, których modułu sprężystości wzdłużnej ma wartość większą niż 7000 MPa.
Charakterystyka kilku tworzyw sztucznych, które powstają w wyniku polimeryzacji
Polietylen to tworzywo będące doskonałym dielektrykiem, charakteryzujące się znaczną elastycznością, dobrymi właściwościami mechanicznymi, duża odpornością na działanie zasad, kwasów, soli.
To biała, termoplastyczna, porowata substancja o gęstości 0,92-0,97 g/cm3, temperaturze topnienia 110-137°C.
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.
Polietylen jest wykorzystywany do produkcji: folii, rur, węży, pojemników, materiałów elektroizolacyjnych, kijów hokejowych, nart, żagli, lin, kamizelek kuloodpornych, zabawek, opakowań.
Polipropylen ma gęstość równą 0,90-0,91 g/cm3. jest otrzymywany w wyniku polimeryzacji propanu. Jest substancją lżejszą od polietylenu. Wykazuje wyższą temperaturę topnienia oraz większą wytrzymałość.
Wyróżniamy:
- polipropylen izotaktyczny, wykazujący odporność na działanie soli nieorganicznych, zasad, kwasów;
- polipropylen syndiotaktyczny;
- polipropylen taktyczny.
Stosowany jest w procesach produkcyjnych folii, wykładzin, kół zębatych, pojemników oraz rur.
Właściwości polipropylenu zależą ciężaru cząsteczkowego, metod otrzymywania, stopnia polidyspersji oraz krystaliczności i faktyczności. Charakteryzuje się wyższą temperatura topnienia i wrzenia, mniejszą odpornością na niską temperaturę oraz odpornością na proces utleniania niż polietylen. Jest niepolarny. Wykazuje dosyć dobra odporność na kwasy (pomijając kwasy utleniające), zasady, alkohole oraz różnego rodzaju rozpuszczalniki. Nie wykazuje odporności w stosunku do węglowodorów aromatycznych, może rozpuścić się w ciepłym ksylenie.
Poli(chlorek winylu) to:
- 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 równej145-170 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 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.
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.
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 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.
Poli(octan winylu) powstaje w wyniku polimeryzacji octanu winylu. To tworzywo termoplastyczne. Własności polioctanu winylu są uzależnione od jego masy cząsteczkowej. Ten rodzaj tworzywa jest nietoksyczny bezbarwny, palny, dobrze się rozpuszcza w metanolu, estrach, ketonach, węglowodorach aromatycznych. Nazwa handlowa tego tworzywa to: winacet.
Polimetakrylan metylu, czyli szkło organiczne-pleksiglas, to przezroczysty materiał o gęstości 1,18 g/cm3.
Łatwo się formuje. Wykazuje odporność na działanie kwasów oraz zasad, benzyny i terpentyny. Nie jest odporny na działanie: węglowodorów aromatycznych, estrów. Ketonów. To tworzywo nie jest odporne na działanie wysokich temperatur.
Stosowany do wyrobu: szyb, soczewek, szkieł, reflektorów. Szkło organiczne stosowane jest także w konstrukcyjnej oraz w budownictwie (przeszklenia poziome oraz pionowe, pokrycia dachowe, balkony, okna, kabiny prysznicowe. Tworzywo to wykorzystywane także jest w procesach produkcyjnych materiałów reklamowych (stojaki, materiały dekoracyjne, włączniki, tablice, wyświetlacze. Może być wykorzystany w protetyce dentystycznej.
Polistyren to polimer polimer termoplastyczny o gęstości równej 1,05 g/cm3. 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. Polistyren charakteryzuje się kruchością i małym przewodnictwem cieplnym. Polistyren możemy polerować.
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. 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 płomieniem.
Polistyren jest wykorzystywany do produkcji materiałów elektroizolacyjnych, części lodówek, naczyń, pojemników, zabawek, galanterii.
Politetrafluoroetylen jest bardzo interesującym tworzywem sztucznym. Wykazuje odporność na bardzo ekstremalne temperatury (bardzo wysokie oraz bardzo niskie). Jest chemicznie obojętny, jest także dobrym izolatorem. Powstaje w wyniku polimeryzacji tetrafluoroetylenu. Politetrafluoroetylen jest tworzywem sztucznym bardzo odpornym na organiczne oraz nieorganiczne substancje chemiczne (kwasy oraz zasady). Podczas pracy w środowisku promieniowania UV możemy zastosować go w zamkniętych pomieszczeniach oraz na zewnątrz. Te właściwości zmniejszają ilość konserwacji.
Politetrafluoroetylen nie ulega rozpuszczeniu w wyniku wody królewskiej. Reaguje tylko z ciekłym wapieniem ciekłym sodem oraz gorącym fluorem.
Nie oddziałuje na substancje pochodzenia organicznego. Jest wykorzystywany w transplantacjach oraz chirurgii odtwórczej. Może być stosowany w rekonstrukcji kości twarzy.
Nie przewodzi prądu, dlatego też bardzo dobrym izolatorem kabli. Zachowuje plastyczność w temperaturach -270*C-260*C.
Jest stosowany w przewodach na statkach kosmicznych, gdyż jest odporny na ekstremalne temperatury. W promieniach słońca panuje bardzo wysoka temperatura, zaś w strefie ziemskiej bardzo niska.
Polipropylen ma gęstość równą 0,90-0,91 g/cm3. jest otrzymywany w wyniku polimeryzacji propanu. Jest substancją lżejszą od polietylenu. Wykazuje wyższą temperaturę topnienia oraz większą wytrzymałość.
Wyróżniamy:
- polipropylen izotaktyczny, wykazujący odporność na działanie soli nieorganicznych, zasad, kwasów;
- polipropylen syndiotaktyczny;
- polipropylen taktyczny.
Stosowany jest w procesach produkcyjnych folii, wykładzin, kół zębatych, pojemników oraz rur.
Właściwości polipropylenu zależą ciężaru cząsteczkowego, metod otrzymywania, stopnia polidyspersji oraz krystaliczności i faktyczności. Charakteryzuje się wyższą temperatura topnienia i wrzenia, mniejszą odpornością na niską temperaturę oraz odpornością na proces utleniania niż polietylen. Jest niepolarny. Wykazuje dosyć dobra odporność na kwasy (pomijając kwasy utleniające), zasady, alkohole oraz różnego rodzaju rozpuszczalniki. Nie wykazuje odporności w stosunku do węglowodorów aromatycznych, może rozpuścić się w ciepłym ksylenie.
Skrótowe oznaczenie tworzyw sztucznych:
PET - politereftalan etylenu
HDPE - (PE-HD) sztywny polietylen
PVC - polichlorek winylu
LDPE (PE-LD) miękki polietylen
PP - polipropylen
PS - polistyren
Tworzywa sztuczne produkowane są na duża skale.
Są stosowane m.in.:
- w produkowaniu części maszyn, osłon kabli, przyrządów, opakowań, elementów aparatury fizyko-chemicznej, galanterii, artykułów wykorzystywanych w gospodarstwie domowym;
- w przemyśle: samochodowym, elektrotechnicznym, lotniczym, elektronicznym, budowniczym, włókienniczym;
- w produkcji aparatury, sprzętu, narzędzi medycznych (sprzęt wykorzystywany w pobieraniu i oraz przetaczaniu krwi, cewniki, dreny oraz nici chirurgiczne), protez (stawów, stomatologiczne, tętnic oraz żył, gałki oczne, zastawki serca), szkieł kontaktowych oraz wiele innych.
Zalety tworzyw sztucznych:
- niewielki ciężar właściwy;
- brak smaku oraz zapachu;
- odporność na korozję oraz na kwasy oraz zasady;
- znakomite własności izolacyjne, elektryczne oraz cieplne.
