Tworzywa sztuczne, w skład których wchodzą polimery zarówno syntetyczne, jak i naturalne, są otrzymywane z polimeru (za przykład możemy wziąć poli(metakrylan metylu), ale także polistyren, oraz polietylen), kopolimerów oraz mieszanek polimerów. Czasami polimery są modyfikowane chemicznie (hydroliza), fizykochemicznie (degradacja), ewentualnie w wyniku dodawania: plastyfikatorów, wypełniaczy, stabilizatorów, barwników oraz pigmentów. Tworzywa sztuczne to plastiki lub masy plastyczne.
Tworzywa sztuczne możemy podzielić ze względu na sposób zachowania w wyniku ogrzewania. Wyróżniamy:
- tworzywa sztuczne termoplastyczne;
- 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.
Tworzywa sztuczne możemy podzielić także ze względu na rodzaj głównego składnika. Wyróżniamy:
- tworzywa sztuczne, których głównym składnikiem są polialkeny, czyli polietylen, polipropylen;
- tworzywa sztuczne, których głównym składnikiem jest polistyren;
- tworzywa sztuczne, których głównym składnikiem są żywice winylowe, czyli poli(octan winylu), poli(chlorek winylu), poli(alkohol winylowy), poli(chlorek winylidenu);
- tworzywa sztuczne, których głównym składnikiem są polimery fluorowe;
- tworzywa sztuczne, których głównym składnikiem są fenoplasty;
- tworzywa sztuczne, których głównym składnikiem są aminoplasty;
- tworzywa sztuczne, których głównym składnikiem są poliamidy;
- tworzywa sztuczne, których głównym składnikiem są poliuretany;
- tworzywa sztuczne, których głównym składnikiem jest poliformaldehyd;
- tworzywa sztuczne, których głównym składnikiem są poliwęglany;
- tworzywa sztuczne, których głównym składnikiem są pochodne celulozy, czyli acetyloceluloza.
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.
Podczas II wojny światowej otrzymano politetrafluoroetylen. PTFE został odkryty przez amerykańskiego naukowca Roya Plunketta roku 1938. Tak jak w większości odkryć, był to czysty przypadek. Badacz ten prowadził badania nad substancjami, które mogą być wykorzystane w chłodzeniu lodówek. Pracował wówczas dla firmy DuPont. Firma ta nadała nowemu związkowi nazwę handlową Teflon. Choć patent na ten produkt już dawno wygasł, nazwa "teflon" nadal jest znakiem towarowym firmy DuPont i inni producenci tego związku nie mają żadnych praw, aby tą nazwą się posługiwać. Po II wojnie światowe teflon znalazł bardzo szerokie zastosowanie w branży przemysłowej. Pokrywano nim trzpienie, które utrzymują walce obrotowe. 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. Związek ten jest dosyć trudny w obróbce, ale początkowo był stosowany w produkcji specjalnej (przemysł zbrojeniowy). Zastosowanie w gospodarstwie domowym odkrył po raz pierwszy francuski badacz Mark Gregoire. Patelnie teflonowe, które otrzymał z tej substancji w latach pięćdziesiątych nazwano Tefal. Kilka lat później wiele innych firm zaczęło produkować kuchenne naczynia wykorzystywane w gotowaniu oraz pieczeniu. Wszystkie były pokryte warstwa politetrafluoroetylen.
Otrzymano także w roku 1965 polisulfony, które są odporne w temperaturze 200°C, w roku 1969 poli(siarczek fenylu), który jest odporny w temperaturze 170°C. Później otrzymano polimery aromatyczne oraz metaloorganiczne, wykazujące odporność w temperaturze 400°C.
Tworzywa sztuczne są łatwe do formowania oraz barwienia. Do najczęściej stosowanych metod formowania zaliczamy: wtrysk, wytłaczanie, odlewanie, kalandrowanie. Stosowane są także: spiekanie, obróbkę plastyczną, laminowanie oraz zgrzewanie.
Tworzywa sztuczne mogą być wykorzystane w procesie produkcyjnym części maszyn, osłon kabli elektrycznych, przyrządów, aparatury chemicznej oraz artykułów wykorzystywanych w gospodarstwie domowym, galanterii. Są stosowane w stosowane w przemyśle: samochodowym, lotniczym, elektrotechnicznym, elektronicznym, włókienniczym, budowniczym. Wykorzystywane są wyrobie aparatury, narzędzi oraz sprzętu medycznego, szkieł kontaktowych.
Pierwsze próby chemicznej modyfikacji polimerów w skali przemysłowej rozpoczęto w roku 1850-75. W roku 1872 w Stanach Zjednoczonych uzyskano celuloid, w roku 1897 w Niemczech rozpoczęto produkcję galalitu, zaś w roku 1904 acetylocelulozy. Pierwsze syntetyczne tworzywo sztuczne to żywica fenolowo-formaldehydowa uzyskana w roku 1872 (A. Baeyer). Pierwsze poliamidy wyprodukowano w roku 1937 w Stanach Zjednoczonych, poliestry w roku 1942, poli(chlorku winylidenu) w roku1942, silikony w roku 1943. Po drugiej wojnie światowej nastąpił gwałtowny rozwój tworzyw sztucznych.
W naszym kraju w roku 1931 rozpoczęła się produkcję folii stosowana w opakowaniach. Rozpoczęto syntezę styrenu według receptury K. Smoleńskiego. Gwałtowny rozwój tworzyw sztucznych miał miejsce w Polsce po drugiej wojnie światowej. Wytwarzano wówczas: tłoczywa mocznikowe, tworzywa fenolowo-formaldehydowe, poli(chlorek winylu), poli(metakrylan metylu), polistyren, poliakrylonitryl, polikaprolaktam, poliuretany, żywice epoksydowe, poliestrowe, silikonowe, polipropylen, polietylen, politetrafluoroetylen.
Charakterystyka wybranych tworzyw sztucznych
Polietylen to tworzywo charakteryzujące się wysokim stopniem spolimeryzowania. Otrzymujemy polietylen w wyniku polimeryzację etylenu. Na proces wytwarzania polietylenu wpływa: temperatura, czas reakcji, ciśnienie, rodzaj stosowanego reaktora, typ oraz ilość użytego inicjatora. Podwyższonatemperatura powoduje wzrost szybkości reakcji polimeryzacji oraz zmniejszenie masy cząsteczkowej. 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. Polietylen cechuje duża odporność na ścieranie.
Polimetakrylan metylu, czyli szkło organiczne-pleksiglas, to przezroczysty materiał. Łatwo się formuje. Wykazuje odporność na działanie kwasów oraz zasad, benzyny i terpentyny. 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.
Poliwęglan to bezpostaciowe, termoplastyczne, techniczne tworzywo sztuczne, charakteryzujące się wysoką przezroczystością. Tworzywa sztuczne tego rodzaju wykorzystywane są w procesach produkcyjnych różnorodnych maszyn oraz pojazdów, elementów wykorzystywanych w gospodarstwie domowym, technice transporcie, mechanice, technice medycznej, budownictwie.
Polichlorek winylu, w skrócie PCW lub PVC jest tworzywem sztucznym, polimerem chlorku winylu. Jego monomerem jest chlorek winylu o wzorze -CH2-CHCl-. Jeden z najważniejszych oraz wytwarzanych w największych ilościach termoplastów.
Właściwości polichlorku winylu zależą od metod oraz warunków otrzymywania.
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.
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 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 może negatywnie wpływać na życie ludzkie. To bardzo szkodliwe tworzywo sztuczne. Podczas pożaru polichlorek winylu może wydzielać toksyczne gazy, takie jak: chlorowodór, dioksyny.
Polskie prawo zabrania stosowania podczas wykańczania budynków produktów silnie dymiących oraz trujących podczas pożaru.
