Tworzywa sztuczne

Wstęp:

Tworzywami sztucznymi nazywa się materiały, których głównym składnikiem są polimery. W ich skład mogą wchodzić zarówno naturalne, jaki i syntetyczne polimery. We współczesnym świecie zastępują tradycyjne materiały, dotychczas używane m.in. drewno, metal, ceramikę. Nowoczesne materiały często nie mają swoich odpowiedników wśród materiałów naturalnych, przez co przyczyniają się do rozwoju innych dziedzin nauki i techniki. W życiu codziennym, tworzywa sztuczne bywają nazywane potocznie plastikiem.

Istnieje kilka metod otrzymywania tworzyw sztucznych. Poniżej przedstawiono sposób ich klasyfikacji, ze względu na rodzaj użytego substratu:

- z czystego polimeru, takiego jak np. polietylen, polistyren, polimetakrylan metylu

- z mieszanek różnych polimerów lub poprzez stosowanie kopolimerów

- można także do polimerów dodać inne składniki np.: barwniki, pigmenty, plastyfikatory, substancje stabilizujące lub wypełniające.

- modyfikowanie polimerów na drodze chemicznej (np. hydrolizy) lub na drodze przemian fizycznych (np. degradacja).

Klasyfikacja:

Tworzywa sztuczne można klasyfikować na wiele sposobów. Jednym z nich, bardzo często stosowanym, jest podział ze względu na właściwości termiczne tworzyw sztucznych. Zgodnie z nim wyróżniamy:

- tworzywa termoplastyczne, które pod wpływem wysokiej temperatury łatwo topią się.

- tworzywa chemoutwardzalne i termoutwardzalne, które wykazują pewną odporność na ogrzewanie.

Tworzywa można podzielić również według inne kryterium. Kolejny sposób klasyfikacji opiera się na składzie chemicznym, czyli rodzaju substancji dominującej w danym tworzywie sztucznym. Poniżej zostało podanych kilka, przykładowych grup tworzyw:

- polialkeny (inaczej: poliolefiny) – np. polipropylen, polietylen

- żywice winylowe – np. polioctan winylu i polichlorek winylu (PCV), polialkohol winylowy

- żywice akrylowe

- poliwęglany -

- polistyreny

- poliuretany

- polialdehydy

- związki będące pochodnymi celulozy (np. acetyloceluloza)

- aminoplasty

- fenoplasty

- poliamidy

- polimery fluorowe

Właściwości tworzyw sztucznych:

Tworzywa sztuczne są materiałami, którym można przypisać kilka charakterystycznych cech:

- Występują zarówno jako ciała przezroczyste, jaki nieprzezroczyste.

- Charakteryzują się dość niskimi wartościami gęstości. Zalicza się je do materiałów lekkich. Ich gęstość na ogół nie przekracza 1 g/cm³.

- Są słabymi przewodnikami ciepła.

- W większości wykazują właściwości dielektryczne, jednak łatwo można je modyfikować. Przy dodatku ok. 50 % węgla lub pyłu metalicznego, tworzywo sztuczne posiada zdolność do przewodzenia elektryczności.

- W większości są czułe na wysoką temperaturę. Ulegają topieniu nawet przy 100 ºC, przez co ich zastosowanie jest ograniczone.

- W większości wykazują odporność na działanie czynników chemicznych oraz wpływ wody. Mogą ulec zniszczeniu jedynie pod wpływem silnych utleniaczy.

- Dla tworzyw niemodyfikowanych charakterystyczna jest niska elastyczność oraz odporność na rozciąganie.

- Stosunkowo wysoką elastycznością wykazują się tworzywa, które są zbrojone włóknami szklanymi (np. kompozyty).

- Zaliczane są do materiałów łatwoformowalnych. Stosuje się różne ich techniki formowania np. wtrysk, wytłaczanie, prasowanie, odlewanie, spiekanie, czy laminowanie i zgrzewanie.

- Dzięki dodatkom barwników i pigmentów można łatwo zmieniać barwę tworzyw sztucznych.

Problemy z wrażliwością na wysokie temperatury:

Podstawową wadą tworzyw sztucznych jest niska odporność na podwyższone temperatury. W toku badań, przez lata opracowano kilka metod na podwyższenia temperatury topnienia tych materiałów. Już podczas drugiej wojny światowej udało się otrzymać politetrafluoroetylen oraz silikony, który nie ulegały zniszczeniu nawet w temperaturze 250 ºC. Na tamte czasy stanowiło to duże osiągnięcie. W latach 60. ubiegłego wieku uzyskano wiele innych materiałów, odpornych na podwyższone temperatury m.in.: w roku 1965 polisulfony, które wytrzymywały 200 ºC oraz w 1969 polisiarczki wytrzymałe do 170 ºC. W efekcie prowadzonych badań, naukowcom udało się uzyskać polimery, które były odporne na temperatury sięgające nawet 400 ºC. Polimery takie zbudowane są ze związków aromatycznych i metaloorganicznych. Istnieją również metody na podwyższenie wytrzymałości cieplnej tworzyw sztucznych, poprzez dodanie do nich tzw. antypirenów.

Charakterystyka tworzyw sztucznych na przykładach:

•   PVC – polichlorek winylu

Polichlorkiem winylu nazywa się popularne tworzywo sztuczne, którego głównym składnikiem jest właśnie polichlorek winylu. Ten polimer powstaje w wyniku polimeryzacji monomeru – chloroetenu, zwyczajowo nazywanego chlorkiem winylu. Reakcja obrazująca schematycznie powstawanie polichlorku winylu została zamieszczona poniżej:

n  H₂ C ═ CH  →  […— CH₂— CH —...]_n

│   │

Cl Cl

PVC zalicza się do polimerów termoplastycznych. Stanowi ciało stałe, występujące w postaci białego proszku. Jego gęstość wynosi ok. 1,4 g/cm³. Charakteryzuje się wysoką odpornością mechaniczną. Wykazuje właściwości dielektryczne. Nie ulega zniszczeniu pod wpływem większości rozpuszczalników. Jego wadą jest niska odporność na promieniowanie świetlne oraz działanie temperatury.

Polichlorek winylu znalazł liczne zastosowania w życiu codziennym człowieka. Z PVC wykonuje się obecnie rury, elementy elektroizolacyjne, płytki podłogowe, a także przedmioty, z których na co dzień korzystamy (np. miski, grzebienie, piłki i wiele innych). Wytwarzany jest z niego również sprzęt medyczny typu strzykawki, cewniki itp. Dawniej produkowano z PVC płyty gramofonowe. Obecnie znajduje zastosowanie jako materiał do wytwarzania membran ultrafiltracyjnych.

Niewątpliwie polichlorek winylu to tworzywo o wielorakim zastosowaniu, bez którego trudno wyobrazić sobie obecnie codzienne życie. Nie można jednak zapomnieć, że stwarza on poważne zagrożenie ekologiczne. Udowodniono, iż nad powierzchnią materiałów wykonanych z PVC znajduje się wiele trujących substancji. Ponadto stanowi ogromne niebezpieczeństwo w razie pożaru. W wyższych temperaturach ulega stopieniu, wraz z wydzieleniem szkodliwych substancji m.in. chlorowodoru i dioksyn, które zalicza się do jednych z najbardziej toksycznych substancji.

•   Polietylen:

Polietylen podobnie, jak polietylen zalicza się do polimerów termoplastycznych. Monomerem w tym tworzywie jest eten. Reakcje polimeryzacji, schematycznie przedstawia równanie:

n H₂ C ═ CH₂  →  […— CH₂— CH₂— CH₂— CH₂— CH₂ —…]_n

Polietylen jest substancja odporną na większość odczynników chemicznych, takich jak kwasy, zasady, sole, a także na związki organiczne. Charakteryzuje się odpornością na ścieranie i korozje. Ponadto wykazuje właściwości ślizgowe, co sprawia, że jest chętnie wykorzystywany przez przemysł budowlany i maszynowy. Wyroby wyprodukowane z tego materiału wykazują długi okres zdolności do użytku.

•   Polimetakrylan metylu:

Polimetakrylan metylu to polimer charakteryzujący się dość wysoka odpornością na działanie ultrafioletu. Dzięki temu produkt wykonany z tego materiału nie ulega żółknięciu. Niestety, nie wykazuje odporności na wysoką temperaturę, ulega zniszczeniu już w temperaturze powyżej 70 ºC. Jest ciałem stałym, przezroczystym, o transparentnym zabarwieniu: białym, niebieskim lub brązowym.

To materiał wyjątkowo łatwo poddający się kształtowaniu. Z tego względu znalazł szerokie zastosowanie. Wykorzystuje się go w przemyśle budowlanym i konstrukcyjnym jako tzw.  pleksy. Ponadto używa się go wyrobu osłon, pokryw, reflektorów oraz wyrobów znanych z życia codziennego: natyram, tablic, wyświetlaczy, jak również przeszklenia typu kabin prysznicowych, czy drzwi i okien.

Poliwęglan:

Poliwęglany to grupa tworzyw sztucznych, których głównym składnikiem są polimery, będące astrami kwasu węglowego. Zalicza się je do tworzyw termoplastycznych. Charakteryzują się wysokim stopniem przeźroczystości (do 85 %) oraz wytrzymałości mechanicznej. Z tego względu wykorzystuje się go do budowy konstrukcji. Spotyka się go w urządzeniach elektronicznych, sprzęcie AGD, a także w technice oświetleniowej i medycznej, do wykonania elementów precyzyjnych.