Materiałami nazywane są w pojęciu technicznym ciała stałe o właściwościach, które umożliwiają ich wykorzystanie przez człowieka do produkcji towarów.

Natomiast materiałami inżynierskimi, nazywane są materiały konstrukcyjne, wykorzystywane do budowy urządzeń i maszyn.

Przeważnie wśród materiałów o technicznym znaczeniu wyróżnić możemy:

Materiały inżynierskie, które nie występują w naturze, ale wymagające zastosowania złożonych wytwórczych procesów do ich przystosowania dla potrzeb technicznych, już po wykorzystaniu surowców, które dostępne są w naturze; Materiały naturalne, które wymagają jedynie zmiany kształtu, do zastosowania technicznego.

Przykłady materiałów naturalnych to:

1. niektóre kamienie,

2. drewno,

3. minerały,

4. skały.

Do najważniejszych grup materiałów inżynierskich są zaliczane tradycyjnie:

materiały ceramiczne, polimery, metale i ich stopy.

Podstawą podanego podziału jest istota wiązań pomiędzy atomami tworzącymi określony materiał, które utrzymują je w przestrzennie skoordynowanych układach i determinują podstawowe właściwości materiałów.

Oprócz tego wymienić można MATERIAŁY KOMPOZYTOWE, które są tworzone przez połączenie w monolityczną całość dwóch dowolnych materiałów inżynierskich wymienionych wcześniej, co powoduje uzyskanie innych cech od właściwych każdemu ze składowych materiałów.

Metale są materiałami, charakteryzujące się w stanie stałym następującymi własnościami:

plastyczność, połysk, dobre przewodnictwo elektryczności i ciepła.

Własności te wynikają z metalicznego wiązania występującego między atomami tworzącymi metal oraz krystalicznej budowy. Możemy je podzielić na dwie grupy: żelazne oraz nieżelazne -kolorowe.

Polimery nazywamy również tworzywami wielkocząsteczkowymi. Dzielimy je na sztuczne i naturalne. Sztuczne powstają na skutek łączenia najczęściej kowalencyjnymi wiązaniami wielu identycznych małych ugrupowań atomów, które zwane są monomerami. Naturalne, które są nazywane biopolimerami otrzymuje się przez obróbkę oraz częściową modyfikację naturalnych surowców.

METALE ORAZ ICH STOPY

Biorąc pod uwagę właściwości chemiczne jak i fizyczne chemicznych pierwiastków, w sensie substancji prostych podzielić możemy metale na następujące grupy:

metale, niemetale

Podstawowe stopy stosowanej w inżynierii to stopy żelaza i węgla. Możemy je podzielić na: żeliwa i stale oraz surówki.

Surówka

Surówka, która stanowi wyjściowy produkt w procesie otrzymywania żeliwa i stali, to stop żelaza i węgla, o zawartości ok. 2 % węgla oraz innych składników (krzemu, manganu, fosforu i siarki). Fosfor i siarka są szkodliwymi domieszkami, gdyż fosfor powoduje kruchość na zimno, a siarka powoduje kruchość danego stopu na gorąco oraz pogarsza udarność stopu i własności plastyczne.

Surówka jest otrzymywana na skutek redukcji w wielkim piecu rudy żelaza. Jako że rudy żelaza zawierają od 15 do 70% żelaza i dużą ilość zanieczyszczeń mineralnych (nazywanych płonną skałą), wskazane jest przygotowanie ich w odpowiedni sposób, które ułatwi proces wytopu.

Główne rudy żelaza to: hematyt, magnetyt, syderyt oraz limonit. Uboższe rudy, które zawierają poniżej 45% samego żelaza, ulegają sztucznemu wzbogaceniu. Wyróżniamy różne metody wzbogacania rud oraz ich oczyszczania ze skalnych domieszek. Jedną z tych metod jest algomeracja rudy - spiekanie miałkiej rudy w duże ziarna.

Wyróżniamy surówkę białą używaną do późniejszej przeróbki na stal, a także surówkę szarą wykorzystywaną do późniejszego przerobienia w żeliwo.

Żeliwo

Żeliwo, które zawiera do 2 do 3 % węgla otrzymujemy poprzez przetopienie surówki zawierającej złom żeliwny stalowy w piecach, które są zwane żeliwiakami. Żeliwo posiada dobre własności odlewnicze i używane jest do odlewania wielu elementów maszyn.

Węgiel, który zawarty jest w żeliwie występować może w postaci cementytu lub grafitu. Zawartość krzemu oraz powolne stygnięcie odlewu powodują wytrącanie się węgla w formie grafitu, a ilość manganu oraz szybkie stygnięcie powoduje wytrącanie się węgla w formie cementytu. Żeliwem szarym nazywamy żeliwo, w jakim węgiel wytrącił się w formie grafitu, natomiast żeliwo, w jakim węgiel wytrącił się w formie cementytu, nazywamy żeliwem białym.

Żeliwo to jedno z najważniejszych materiałów konstrukcyjnych używanych często przy budowie maszyn. Wysokiej jakości żeliwa charakteryzują się wysoką wytrzymałością, dobrą obrabialnością, możliwością tłumienia drgań oraz odpornością na ścieranie. Poza żeliwem szarym i białym rozróżniamy jeszcze żeliwo sferoidalne, modyfikowane, stopowe i ciągliwe.

Żeliwo szare oznaczamy symbolem Zl razem ze znakiem trzycyfrowym, określającym minimalną odporność na rozciąganie. Posiada ono dobre własności odlewnicze, małą udarność oraz wysoką wytrzymałość na ściskanie.

Białe żeliwo nie jest wykorzystywane na elementy konstrukcyjne, ponieważ ze względu na wysoką ilość cementytu jest kruche, nieobrabialne i twarde. Żeliwa białe są stosowane głównie jako wyjściowy produkt do otrzymania żeliwa ciągliwego.

Modyfikowane żeliwo otrzymujemy poprzez dodatek do żeliwa, w czasie spustu z żeliwiaka, małej ilości modyfikatorów. Modyfikatory to np.: stop żelazokrzemu z aluminium, stop krzemu i wapnia, żelazokrzem, stopy magnezu z niklem i miedzią oraz magnez. Modyfikatory powodują powstanie odpowiedniej struktury z rozłożonym równomiernie grafitem. Modyfikowane żeliwo ma większą wytrzymałość na korozje i ścieranie niż w przypadku żeliwa szarego.

Szare żeliwo sferoidalne powstaje poprzez dodanie ceru lub magnezu albo obydwu substancji do żeliwa ciekłego. W wyniku tego następuje wytrącanie grafitu w formie kulkowej. Tego rodzaju żeliwo cechuje się duża ciągliwość przy dość dużej odporności, a także dobrej obrabialności i lejności.

Żeliwo ciągliwe otrzymujemy poprzez długie wyżarzanie odlewów z białego żeliwa. Żeliwo to posiada również własności podobne do stali. Ciągliwe żeliwo stosowane jest do wyrobu elementów armatury wodociągowej, gazowej i kanalizacyjnej oraz niektórych elementów maszyn rolniczych.

Stopowe żeliwo zawiera nikiel, chrom, molibden, aluminium, miedź, tytan i mangan. Przez zastosowanie właściwych dodatków otrzymać można żeliwa cechujące się odpornością na korozję, ścieranie, wysoką temperaturę oraz działanie różnych chemikaliów. Stopowe żeliwo stosowane jest do budowy aparatury kotłowej i chemicznej o podwyższonych własnościach wytrzymałościowych, chemicznych lub termicznych. Wyróżniamy następujące typy żeliwa stopowego: żeliwo niklowe, żeliwo wysokomanganowe oraz żeliwo chromowe.

Staliwa

Staliwa to stopy żelaza i węgla odlewane do form odlewniczych oraz nie poddawane plastycznej obróbce. Zawartość węgla w stali wynosi ok. 2%. Zależnie od składu chemicznego rozróżniamy stale węglowe stopowe i konstrukcyjne.

Staliwa węglowe składają się tylko z pierwiastków pochodzących z wytopu, takich jak np.: węgiel (zależą od niego własności mechaniczne) krzem, mangan, siarka i fosfor.

Staliwa stopowe składają się oprócz tego z pierwiastków wprowadzonych celowo: niklu, chromu, wolframu, molibdenu, wanadu, polepszających ich własności.

Staliwo ma nieco gorsze własności od stali o takim samym składzie chemicznym, co tłumaczymy przeważnie niejednorodnością ziarna. Porównując je z żeliwami cechuje się ono dużo większą plastycznością i właśnie dlatego jest ono stosowane na odlewy, gdyż na nie żeliwa nie możemy zastosować. Za przyczyną większego skurczu odlewniczego, staliwne odlewy są trudniejsze w wykonaniu niż żeliwne odlewy.

CHARAKTERYSTYKA METALI.

Metalami nazywamy substancje, które odznaczają się w stanie skondensowanym występowaniem swobodnych, nie powiązanych z jakimiś atomami elektronów, które są zdolne do ruchu w całej pojemności metalu. Zaliczamy do metali większość pierwiastków chemicznych oraz ich stopy. Mają one obok wypełnionych całkowicie wewnętrznych powłok elektronowych także powlokę, która zawiera niewielką liczbę elektronów mających elektro-dodatni charakter.

W pokojowej temperaturze metale znajdują się w stałym stanie (oprócz rtęci, pozostającej w tych warunkach cieczą) i krystalizują najczęściej w trzech rodzajach sieci:

Heksagonalnej, Regularnej, przestrzennie centrowanej, Regularnej, płasko centrowanej.

Metale charakteryzują się:

Szczególną zdolnością odbijania świetlnego promieniowania, czyli metalicznym połyskiem; Są zimne w dotyku, ponieważ ich duże cieplne przewodnictwo powoduje ubytek energii ze skóry; Większość z nich posiada wysoką wytrzymałość mechaniczną; Dobrze przewodzą elektryczność; Są kowalne i ciągliwe; Większość z nich posiada dużą gęstość, ponieważ mają ścisłą krystalograficzną strukturę; Mają dodatni współczynnik temp. oporu; Są nieprzeźroczyste; Wodorotlenki mają zasadowy charakter.

Najważniejszym metalem z technologicznego punktu widzenia, jest żelazo -Fe, które jest najważniejszym składnikiem stali. Pozostałe technicznie ważne metale są nazywane metalami nieżelaznymi. Metale mające gęstość mniejszą od 4,5 g*cm3 zaliczamy do tzw. metali lekkich (magnez, glin, sód, potas i beryl), a o gęstości większej od 4,5 g*cm3 zaliczamy do tzw. metali ciężkich. W ich gronie ważną grupę tworzą metale kolorowe (miedź, cyna, ołów, cynk), wykorzystywane do produkcji różnych stopów. Najbardziej odpornymi chemicznie są tzw. metale szlachetne (złoto, srebro i platyna). Często jest też stosowana klasyfikacja metali na: metale żelazne (stal, żelazo, żeliwo, staliwo) oraz nieżelazne (pozostałe metale) lub metale, które uszlachetniają stal.

Metale występują w dużych ilościach w naturalnym środowisku. Występują pod postacią rud, czyli skał lub minerałów, z których przy pomocy metalurgicznych procesów jest wytapiane żelazo (surówkę) lub określony metal. Metale stosuje się szeroko zwłaszcza jako konstrukcyjne materiały.

Obecność rud metali na obszarze Polski

Polska to kraj mający duże zasoby rud metali, a zwłaszcza metali kolorowych. Pokłady rud żelaza ze względu na ich skromne zasoby obecnie nie są eksploatowane. Odkryto natomiast bogate złoża magnetytów, lecz nie są one wydobywane z paru powodów. Występują one na dość dużych głębokościach (około 1 000 m pod ziemią). Drugim powodem jest to, iż występują one w centrum tzw. "Zielonych Płuc Polski", na obszarze Suwalszczyzny. Ale głównym powodem jest to, iż wydobycie stali jest mało opłacalne i chętniej wydobywane są inne metale.

Główną rolę w eksporcie i gospodarce naszego kraju pełnią rudy miedzi (pod względem wydobycia Polska jest na piątym miejscu na świecie), a także rudy cynkowo-ołowiane (szóste miejsce Polski na świecie).

POLIMERY

Przynajmniej od 60 lat sztuczne tworzywa mają coraz większe zastosowania w różnych dziedzinach życia codziennego i techniki. Stosowane z początku jako namiastki tradycyjnych a zarazem deficytowych tworzyw produkowanych z naturalnych surowców, stały się potem materiałami pełnowartościowymi o nowych, dotychczas nie spotykanych właściwościach. Umożliwiało to zajęcie im równoprawnej, a nawet w niektórych dziedzinach wiodącej pozycji wśród innych materiałów. W obecnym czasie tworzywa sztuczne dorównują nie tylko szeregiem własności takim materiałom jak np.: drewno, metale, włókna naturalne, skóra, szkło, kauczuk naturalny, wyroby ceramiczne, ale także pod wieloma względami je przewyższają.

Charakterystyka tworzyw sztucznych:

Łatwość formowania wyrobów mających skomplikowane kształty w końcowej postaci, Dość duża, a nawet często bardzo duża chemiczna odporność, Dobre właściwości mechaniczne, a także często bardzo dobre właściwości elektryczne Mała gęstość oraz najczęściej z tym związany bardzo korzystny stosunek mechanicznej wytrzymałości do gęstości Możliwość łatwego otrzymywania produktów o estetycznym wyglądzie Możliwość barwienia oraz uzyskiwania przezroczystych wyrobów.

Kolejna zaleta tworzyw sztucznych to możliwość ich stosowania w różnej postaci. Mogą być one stosowane jako materiały powłokowe, tworzywa konstrukcyjne, kleje i kity, włókna syntetyczne, spoiwa. Jednak najważniejszym kierunkiem wykorzystywania tworzyw sztucznych jest ich używanie w charakterze konstrukcyjnych materiałów, do wytwarzania elementów urządzeń i maszyn oraz przedmiotów codziennego użytku. Tworzywa sztuczne posiadają oczywiście również wady, ograniczające ich wykorzystanie. Odznaczają się, w porównaniu z metalami, niższą wytrzymałością mechaniczną oraz mniejszą twardością, a także płyną pod dużo mniejszym obciążeniem (proces pełzania) oraz mają w większości niewielką odporność cieplną.

Składniki tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne to materiały, w których najważniejszym składnikiem są związki wielkocząsteczkowe, pochodzenia naturalnego lub syntetyczne. Poza związkiem wielkocząsteczkowym tworzywo sztuczne ma zazwyczaj dodatkowe składniki, które mu nadają korzystne własności użytkowe. Składnikami takimi mogą być:

  1. Barwniki - substancje syntetyczne lub naturalne, używane do zabarwiania różnych materiałów (papieru, tkanin, drewna, skór, kosmetyków, żywności, tworzyw sztucznych).

W drobinach barwników znajdują się grupy chromoforowe. Dzięki nim te związki selektywnie absorbują elektromagnetyczne promieniowanie w widzialnym zakresie oraz auksochromy, które nadają barwnikom powinowactwo do barwionych materiałów.

Uwzględniając metodę wykonania barwień, barwniki dzielimy na:

Kwasowe Bezpośrednie Lodowe Zasadowe Zaprawowe Kadziowe.

2. Pigmenty - barwne substancje, stosowane w stanie rozdrobnienia do wytwarzania farb, a także barwienia włókien syntetycznych, tworzyw sztucznych, gumy, wyrobów ceramicznych i papieru.

Nieorganiczne pigmenty, nazywane mineralnymi, dzielimy na: naturalne - farby ziemne i sztuczne - sole oraz tlenki metali sztucznie otrzymywane. Do nieorganicznych pigmentów zalicza się również pigmenty uzyskiwane z metali nieżelaznych takich jak: glin, miedź i ich stopy.

Pigmenty organiczne dzieli się również na naturalne oraz syntetyczne. Naturalne znajdują się one w żywych organizmach np.: hemina, chlorofil, indygo, sepia. Natomiast syntetyczne najczęściej są nierozpuszczalnymi barwnikami: antrachunowymi, lakami barwnymi, azowymi.

Niekiedy pigmenty poza właściwościami barwienia substancji, przejawiają również cechy takie jak: świecenie -luminofory lub zmiana barwy razem ze zmianą temperatury - termo czułe pigmenty. Stosowane są do produkcji świecących i termometrycznych farb.

  1. Stabilizatory - chemiczne substancje opóźniające lub zapobiegające niekorzystne i samorzutne chemiczne przemiany substancji, takich jak np.: leki, artykuły spożywcze, polimery, a także emulsje i zawiesiny, do których są dodawane w małych ilościach. Stabilizatory powodują osłabianie działań czynników hydrolitycznych, termicznych, świetlnych i biologicznych.
  2. Wpełniacze, obciążniki, napełniacze - substancje wprowadzone do mieszanek gumowych, tworzyw sztucznych, farb oraz innych aby poprawić ich mechaniczne własności, elektroizolacyjne i przeciwpożarowe oraz obniżyć ich ceny. Stosowane najczęściej napełniacze to: ziemia okrzemkowa, mączka kamienna i drzewna, sadze, pył metalowy, ścinki, grafit, tkaniny szklane, włókna, miki azbest oraz pigmenty.
  3. Plastyfikatory, zmiękczacze - na ogół oleiste ciecze - o niewielkiej lotności lub też ciała stałe, homogenicznie mieszające się z polimerem, ale nie wchodzące w reakcję z nim. Dodanie zmiękczaczy do polimerów spowoduje obniżenie temperatury mięknienia i kruchości oraz podwyższenie sprężystości i odkształcalności. Ułatwione zostaje również przetwórstwo polimerów. Zmiękczacze muszą być chemicznie stabilne, nietoksyczne, a także nie powodować pogarszania właściwości.

Uwzględniając pochodzenie zmiękczacze dzielimy na: naturalne - olej słonecznikowy oraz syntetyczne - ketony estry, itp. Do najczęściej używanych zaliczamy: zmiękczacze fosforanowe, estry z kwasu ftalowego, epoksydowe oleje roślinne, a także zmiękczacz estrów kalafonii oraz jej pochodnych.

Uzyskiwanie polimerów

Wyjściowymi surowcami do produkcji monomerów przede wszystkim są: gaz ziemny i ropa naftowa (petrochemiczna baza), a także węgiel kamienny. Proces otrzymywania monomerów jest przedmiotem technologii organicznych związków, a zagadnienia, które dotyczą wytwarzania polimerów są przedmiotem chemicznej technologii tworzyw sztucznych. Procesem przekształcania polimerów w użytkowe wyroby, natomiast zajmuje się technologia przetwarzania tworzyw sztucznych. Reakcja chemiczna otrzymywania polimerów z innych monomerów, tzn. wytwarzania wielkocząsteczkowych związków syntetycznych, jest nazywana polireakcją.

TRZY NAJWAŻNIEJSZE RODZAJE POLIREAKCJI:

1. Polimeryzacja - to proces chemicznego wytwarzania związku wielkocząsteczkowego - polimeru ze związku małocząsteczkowego - monomeru, przy czym ze względu na skład chemiczny polimer jest wielokrotnością monomeru, ulegającemu przekształceniu najczęściej na skutek zerwania wiązania podwójnego. Przy tym nie wydzielają się żadne uboczne produkty.

Jeśli łączą się monomery jednakowe to reakcję taką nazywamy homopilomeryzacją, a jeśli różne monomery - kopolimeryzacją. Polimeryzacja posiada mechanizm łańcuchowy. Wyróżniamy polimeryzacje wolnorodnikową, która jest prowadzona w obecności inicjatorów oraz polimeryzację jonową, czyli kationową lub anionową, prowadzone w obecności katalizatorów takich typów jak: Craftsa i Friedela.

2. Polikondensacja - polimeryzacja kondensacyjna to proces chemicznego wytwarzania związku wielkocząsteczkowego - polikondensatu na skutek reakcji zachodzącej pomiędzy związkami małocząsteczkowymi, najczęściej z wydzieleniem się produktów ubocznych, głównie wody. Polikondensacja następuje stopniowo, a na każdym etapie jest ustalany stan równowagi. Łańcuch polikondensatów nie jest nigdy czysto węglowy, zawsze zawiera heteroatomy. Polikondensacja jest również określana jako proces wytwarzania związków wielko cząsteczkowych, które zawierają ugrupowania, które nie występują w małocząsteczkowych wyjściowych związkach. Procesy polikondensacji, które mają duże przemysłowe znaczenie to: wytwarzanie aminoplastów, fenoplastów, poliamidów, alkidali, termostabilnych tworzyw, żywic epoksy, politereftalanu glikolu oraz wiele innych.

3. Poliaddycja - polimeryzacja addycyjna ma pośredni charakter miedzy polikondensacją a polimeryzacją. Podobnie jak w przypadku polikondensacji jest to reakcja, która przebiega w stopniowy sposób, ale w odróżnieniu od polikondensacji, nie jest odwracalnym procesem. Przyłączanie następnych cząsteczek monomeru do polimeru rosnącego przebiega tu dosyć szybko, tak jak w przypadku procesu polimeryzacji. Nie zachodzi również wydzielanie się ubocznych małocząsteczkowych produktów, co dodatkowo wzoruje na poliaddycję na polimeryzacji. Polimery wytwarzane na skutek poliaddycji, mają taki sam skład chemiczny jak monomery, ale różnią się od monomerów budową. Proces reakcji najogólniej polega na przemieszczaniu, czyli przeskoku atomu wodoru w cząsteczkach monomeru, tym samym umożliwiając zwiększenie łańcucha polimeru. Charakterystycznym przykładem poliaddycji jest proces otrzymywania żywic epoksydowych lub poliuretanów.

PRZYKŁADOWE TWORZYWA SZTUCZNE ORAZ ICH PRZEZNACZENIE

Polistyren

Jest on otrzymywany na skutek polimeryzacji styrenu w wysokiej temperaturze. W pokojowej temperaturze jest to tworzywo kruche i twarde, fizjologicznie obojętne, bez smaku i bez zapachu. Jest on otrzymywany z benzenu i etylenu. Jest on stosunkowo lekkim materiałem o dużej niezmienności wymiarów. Umożliwia to wykorzystanie go w precyzyjnej pomiarowej aparaturze. Charakteryzuje się niewielką nasiąkliwością wody, niezłymi właściwościami dielektrycznymi, które są niezmienne w przypadku szerokich zakresów częstotliwości oraz dużą odpornością na działanie prawie wszystkich cieczy, nawet tych silnie korodujących. Jest natomiast nieodporny na działanie organicznych rozpuszczalników. Na skutek działania światła słonecznego polistyren staje się dość kruchy i żółknie. Jest on jednym z najczęściej wykorzystywanych tworzyw sztucznych, gdyż obok właściwości fizycznych i mechanicznych, charakteryzuje go niska cena i łatwość formowania. Może służyć do wyrobu technicznej galanterii, obudowy różnych wykładzin i urządzeń mechanicznych, a jako porowate tworzywo - styropian, służy do wyrobu płyt termoizolacyjnych i opakowań. Wykorzystywany jest także w przemyśle radiotechnicznym i elektrotechnicznym.

Polietylen

Stosowany jest już od roku 1937 i jest dosyć rozpowszechniony w technologii. Jest białą substancją o konsystencji granulatu lub proszku, w dotyku przypominającą parafinę. Powstaje na skutek procesu polimeryzacji etylenu. Płaszczyzna tworzywa daje się dość łatwo zarysować, ale w przeciwieństwie do parafiny jest dość zwarta. Jest to tworzywo o doskonałych dielektrycznych własnościach oraz dużej odporności na kwasy, zasady, sole i większość organicznych związków. W węglowodorach aromatycznych, alifatycznych oraz chlorowcopochodnych, polietylen zwiększa się, a towarzyszy temu pogorszenie jego fizycznych właściwości. Oprócz tego przewody, takie jak: rury i kable z polietylenu, które są położone w ziemi, ulegać mogą zniszczeniu, który potocznie określany jest poprzez analogię do metali jako korozja. Polietylen jest wykorzystywany w produkcji folii oraz innych opakowań, w produkcji rur nadających się do pitnej wody oraz do ścieków, na powłoki kablowe, a także do wyrobu elementów w gospodarstwie domowym, za wyjątkiem opakowań lub pojemników do tłuszczów zwierzęcych i mleka.

Polipropylen

Jest on tworzywem częściowo krystaliczne o zbliżonych właściwościach do polietylenu. Jest on otrzymywany na przemysłową skalę poprzez polimeryzację niskociśnieniową propylenu w stosunku do katalizatora. Polipropylen cechuje się dobrymi własnościami dielektrycznymi i małą ścieralnością. Może być używany w temperaturach: 35 - 130C. Ma on gładką w dotyku powierzchnię, zwiększoną odporność powierzchni na uszkodzenia i zarysowania, nie ulega naprężeniowej korozji, ma niższą gęstość, większą odporność na rozciąganie oraz większą wytrzymałość termiczną. Wadami polipropylenu są: stosunkowo duża kruchość w temperaturach niższych od 0C oraz większa od polietylenu wrażliwość na oddziaływanie tlenu. Polipropylen znajduje szerokie użycie w przemyśle do wytwarzania różnych części maszyn poddawanych zwiększonym obciążeniom (koła zębate, wałki drukarskie), elementy i naczynia do sterylizacji wrzeniem, a także wyroby wymagające łączenia oraz współpracy z częściami metalowymi.

Poliamid

Poliamidy to wielocząsteczkowe związki, zawierające ugrupowania amidowe w makrocząsteczce(-CO-NH-). Wśród monomerów poliamidowych wymienić zatem można związki, zawierające w cząsteczce, lub tworzące grupy amidowe na skutek reakcji z pozostałymi związkami. Poliamidy są zaliczane do typowych krystalicznych polimerów. Charakteryzuje je dobra odporność na rozciąganie, zwiększony moduł sprężystości, wytrzymałość na ścieranie, twardość, itd. Poliamidy są wytwarzane z ropy naftowej, gazu ziemnego, pochodnych węgla. Poliamidy w różnych postaciach stosowane są w wielu różnych gałęziach przemysłu. Mało łamliwe artykuły powszechnego użytku, i artykuły techniczne, jakim są stawiane wysokie wytrzymałościowe wymagania, lekkie tkaniny, włókna są najbardziej wyróżniającym się zakresem zastosowań takich polimerów.

Polichlorek winylu

Polichlorek winylu w pokojowej temperaturze jest mało sprężysty i twardy, a po obniżeniu temperatury jest bardziej kruchy. Polichlorek winylu twardy, ze względu na jego dużą chemiczną odporność, jest przede wszystkim stosowany do produkcji wykładzin i rur, zbiorników na oleje i tłuszcze. Może być także stosowany na gramofonowe płyty. Pozwala się łatwo spawać i kleić, w zasadzie jest niepalny. Odporny jest na działanie benzyny, zasad, kwasów. Miękki polichlorek winylu jest stosowany do wyrobu sprężystych szlauchów do wody, folii, wykładzin podłogowych, powłok antykorozyjnych oraz innych przedmiotów powszechnego użytku.

Poliuretany

To termoplastyczne polimery, a ich właściwości są zbliżone do poliamidów. Jednak w odróżnieniu od poliamidów, nie absorbują wody, mają dość dobre właściwości dielektyczne. Mają odpowiednio różnorodne i szerokie zastosowanie. Można z nich przykładowo wytwarzać oploty przewodów, odzieżowe włókna, folie wykorzystywane do wytwarzania worków, lakiery przeznaczone do malowania podłóg i izolacji przewodów, kształtki, kleje do różnorodnych materiałów, m.in. do stali i metali lekkich, gatunek miękkiej gumy na opony, podeszwy do butów i membrany.

Polioctan winylu

Jest on otrzymywany z gazu ziemnego, ropy naftowej i acetylenu. W zależności od stadium polimeryzacji, takie polimery są otrzymywane jako substancje miękkie, oleiste, twarde lub kleiste żywice. Miesza się je do różnorodnych celów oraz stosuje się w formie mieszanek do powlekania, roztworów, a także w formie perełek w różnych dziedzinach przemysłu (przemysł lakierów, farb, papierniczy, klejów i tekstylny).

Poliwęglany

Są otrzymywane z trującego dianu i fosgenu. Są termoplastycznymi tworzywami o bardzo dużej temperaturze mięknięcia - ok. 170C. Ze względu na bardzo słabą zdolność do krystalizacji określonego polimeru, produkty czyste z poliwęglanu są przejrzyste i bezbarwne. Polimery mogą być przetwarzane z roztworu, a także ze względu na jego charakter termoplastyczny, na zwyczajnych maszynach stosowanych do przetwarzania tworzyw sztucznych. Można z nich produkować folie, włókna, wyrobu drążone, rury, a także inne wyroby. Uwzględniając wysoką wytrzymałość na ciepło, a także bardzo dobre właściwości dielektryczne i mechaniczne, poliwęglany stosuje się w medycynie, w przemyśle elektronicznym oraz do produkcji urządzeń i maszyn, którym są stawiane duże techniczne wymagania, a także na przedmioty powszechnego użycia.

Octan celulozy

Otrzymywany jest on z celulozy w wyniku modyfikacji mieszaniny bezwodnika octowego i kwasu octowego. Bardzo dobrze wchłania wodę. Materiał ten jest stosowany w fotografii, (do produkcji niepalnych błon filmowych) w przemyśle narzędziowym i maszynowym, lakierniczym i odzieżowym, na opakowania.

Azotan celulozy - celuloid

Otrzymuje się go w wyniku estryfikacji celulozy kwasem azotowym (przy obecności kwasu siarkowego). Materiał ten, który daje się wyjątkowo dobrze przerabiać i barwić, mimo jego palności, stosuje się często w wielu rodzajach przemysłu. Celuloid jest stosowany na różnego rodzaju wykładziny, np. przy produkcji instrumentów muzycznych, a także do produkcji przedmiotów codziennego użytku i zabawek oraz artykułów technicznych, a także innych. Materiał ten znajduje także zastosowanie w produkcji lakierów.

Poliizobutylen

W zależności od stopnia polimeryzacji różnorodnych postaci poliizobutylenu jego własności mogą być różne, a obejmują materiały począwszy od lepkiego oleju aż do produktów o właściwościach podobnych jakie posiada twarda guma. Materiał ten nie może być stosowany jako tworzywo konstrukcyjne, ponieważ nie jest nawet jeszcze twardym materiałem. Tego typu niskocząsteczkowe materiały stosowane są jako smary, folie, kleje, materiały uszlachetniające, płyty oraz węże z polizobutylenu wykorzystywane w budownictwie, w przemyśle spożywczym, chemicznym, w elektrotechnice, często również jako wykładziny i okładziny.

Zależnie od rodzaju zastosowanego polimeru sztuczne tworzywa dzielimy na:

Termoplastyczne - można je wielokrotnie przerabiać w wysokiej temperaturze; Termoutwardzalne - po uformowaniu danego kształtu, w wysokiej temperaturze, stają się nierozpuszczalne i nietopliwe; Chemoutwardzalne - pod wpływem określonych chemicznych czynników usieciowują się przestrzennie oraz stają się nierozpuszczalne i nietopliwe.

Tworzywa termoutwardzalne oraz chemoutwardzalne nazywamy duroplastami. Do tworzyw termoplastycznych, które noszą nazwę termoplastów, należą również tworzywa, znajdujące się w pokojowej temperaturze w stanie zeszklenia albo w stanie dużej elastyczności. Po podgrzaniu mogą one przechodzić ponownie w lekko płynny stan. Umożliwia im to liniowo-rozgałęziona lub liniowa struktura cząsteczek polimeru. Wielokrotne przechodzenie polimeru w stan płynny ze stanu stałego jest wykorzystywane w procesach przetwórczych wyżej wymienionej grupy tworzyw sztucznych.

MATERIAŁY CERAMICZNE

Materiały ceramiczne są nieorganicznymi związkami metali z azotem, tlenem, borem, węglem, a także innymi pierwiastkami. W cząsteczkach atomy połączone są wiązaniem kowalencyjnym i jonowym. Po uformowaniu materiały ceramiczne są wygrzewane w podwyższonych temperaturach.

Ceramika jest wytwarzana z masy ceramicznej, w której skład wchodzą:

materiały schładzające (np. piasek), które zmniejszają kurczliwość podczas wypalania i suszenia; materiały plastyczne (np. kaoliny, gliny), które ułatwiają formowanie; topniki, ułatwiające proces związania cząstek.

Surowce stosowane przy produkcji ceramiki podzielić można na:

podstawowe (substancje mające dużą zawartość czystego węgla, takie jak: węgiel drzewny, sadza, grafit naturalny); wiążące ( ich zadaniem jest związanie mieszaniny zmielonych drobno cząstek); dodatkowe ( są stosowane w celu nadania materiałom specjalnych właściwości).

Ceramikę podzielić możemy na:

ceramikę budowlaną - materiały te muszą być wytrzymałe na działania mrozu zginanie, ściskanie; ceramiczne wyroby ogniotrwałe - materiały te muszą być zdolne do przeciwstawiania się działaniu podwyższonych temperatur w jakich pracują.

WŁASNOŚCI WYROBÓW CERAMICZNYCH:

twardość, kruchość, duża odporność cieplna, ogniotrwałość, wysoka odporność na korozję, duża wytrzymałość mechaniczna, dobra przewodność cieplna i elektryczna.

PRZYKŁADOWE WYROBY CERAMICZNE I ICH OPIS:

I. Kształtka z szamotowej masy na ognioodporną okładzinę kadzi i wielkiego pieca - sprasowane drobinki ceramicznego materiału wypalone w piecu w wysokiej temperaturze, barwa piaskowa.

II. Płytka ceramiczna - z zewnątrz glazura gładka, może być zabarwiana w różnorodny sposób.

III. Osełka - jest wykorzystywana w celu ostrzenia noży i posiada gładką płaszczyznę.

IV. Klinkier - to materiał budowlany o powierzchni gładkiej oraz przekroju, który zawiera czarny pasek (grafit)

V. Karit - charakteryzuje się wysoką wytrzymałością a działanie alkoholów i kwasów, a także bardzo dobrym przewodzeniem ciepła. Ma chropowatą powierzchnię, która składa się z małych granulek i jest dość twardy.

VI. Biały elektrokorut - to chropowata powierzchnia, która składa się z niewielkich drobinek przypominających ziarnka soli o twardości 7 w skali Mosha, jest ostrzony diamentem, ma własności skrawania.

VII. Fajans - ma porowaty czerp całkowicie nieprzeświecalny i o barwie kremowej. Nie jest on tak twardy jak porcelana oraz jest lżejszy, a na przełomie jest szary. Wydaje on głuchy dźwięk, a po jakimś czasie powstaje na nim niewielka siateczka pękań. Posiada mała wytrzymałość mechaniczną i dużą nasiąkliwość. Stanowi on najsłabszy materiał ceramiczny.

VII. Kamionka - jest rodzajem wyrobów ceramicznych o zeszkliwionej skorupie, ale nie przeświecającej. Bywa ona szara, brązowa lub biała zależnie od wykorzystywanych surowców, wyrabiana najczęściej z ogniotrwałych glin z dodatkiem skalenia i kaolinu. Wypalana jest tylko raz, wraz ze szkliwem w temp. od 12000 do 13000 C. Kamionka jest gładka, twarda i odporna na kwasy. Jest stosowana przy przemyśle chemicznym. Wyrabia się z niej okładziny kwasoodporne i naczynia, przewody do gorących gazów i cieczy, zlewy.

IX. Porcelana - jest wyrabiana z topników i glinki porcelanowej. Jest ona biała i szklista. Ma mocno stopione i twarde szkliwo. Wydaje metaliczny, czysty dźwięk oraz posiada dużą wytrzymałość na wysoką temperaturę, a także dużą kwasoodporność i jest twardsza niż stal. Z porcelany wyrabiane są różnego rodzaju filiżanki, zastawy stołowe.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

Kompozyt to tworzywo, które powstaje przez połączenie dwóch i więcej materiałów. Jeden z nich jest wiążącym, natomiast inne spełniają wzmacniającą rolę i wprowadzane są w postaci włóknistej, ziarnistej albo warstwowej. Na skutek tego procesu uzyskiwana jest kombinacja własności (chodzi tu najczęściej o właściwości mechaniczne) niemożliwa do osiągnięcia w wyjściowych materiałach. Cenną własnością kompozytów jest możliwość planowania ich struktury w celu uzyskania założonych właściwości. W wyniku tego kompozyty są szeroko stosowane we współczesnej technice oraz przewiduje się ich dalszy dynamiczny rozwój.

W skład kompozytów wchodzi osnowa i rozmieszczony w niej drugi składnik o znacznie wyższych własnościach wytrzymałościowych lub zwiększonej twardości zwany zbrojeniem.

Kompozyty to połączenia dwóch lub więcej nie rozpuszczalnych w sobie, odrębnych faz, z których dowolna odpowiada innemu zasadniczemu inżynierskiemu materiałowi zapewniającymi lepszy zespół cech strukturalnych i własności, od właściwych każdemu materiałowi składowemu oddzielnie. Materiały te znajdują zastosowanie np.: w samolotach, sprzęcie kosmicznym, jachtach, łodziach, samochodach.

Osnowa jest zwykle polimerem, może być także metalem, np. miedź, glin, tytan lub ceramiką, np. tlenek glinu. Przytoczone materiały różnią się bardzo takimi właściwościami jak: sztywność, odporność na rozciąganie, temp. użytkowania, wytrzymałość na pękanie kruche, a w głównej mierze różnią się między sobą ciężarem właściwym. Zwykle osnowę stanowią polimery, ponieważ mają łatwość kształtowania i odpowiedni ciężar właściwy. Jednak niezależnie od tego, jaki jest to jest surowiec osnowa pełni w kompozycie wspomniane funkcje.

Osnowa pełni następujące zadania:

zlepia zbrojenie, umożliwia przemieszczanie się naprężeń na włókna, decyduje o własnościach cieplnych i chemicznych kompozytu, dobrze scala się ze zbrojeniem, nadaje pożądany kształt wyrobom.

Zbrojenie może być w postaci włókien lub proszku. Jest dodawane do kompozytu w sporej ilości. Zbrojenie zwykle tylko fizycznie oddziałuje na osnowę.

Zadaniem zbrojenia jest:

poprawa określonych właściwości mechanicznych i/lub użytkowych wyrobu, niekiedy zmniejszenie kosztu wsadu surowcowego (tyczy się to proszkowych napełniaczy).

Kompozyty sklasyfikować można według kształtu i rodzaju fazy umacniającej - zbrojenie kompozytu lub rodzaju osnowy.

Uwzględniając pochodzenie kompozytu wyróżnić możemy:

kompozyty naturalne (np. drewno), kompozyty sztuczne (wytworzone przez człowieka).

Uwzględniając rodzaj zbrojenia wyróżnić możemy kompozyty:

proszkowe, włókniste, porowate pianki lub ciała stałe.

Kompozyty umacniane przez włókna podzielić można na: umacniane włóknami ciągłymi oraz krótkimi - ciętymi, a zależnie od kierunku układu włókien możemy wyróżnić kompozyty umacniane równoległymi i nierównoległymi włóknami, plecionkami, tkaninami, matami.

Odrębnym rodzaj kompozytu to laminat, czyli warstwowy kompozyt, umacniany przez warstwy papieru, tkanin, drewna, przy czym osnową jest syntetyczna żywica. Są też wykorzystywane laminaty w rodzaju "plaster miodu" albo warstwowe kompozyty o metalowej osnowie. Kompozyty możemy podzielić wg typu materiału włókien (polimerowe, ceramiczne węglowe, metalowe) lub też osnowy (ceramika, metal, tworzywa sztuczne, węgiel).

Zależnie od tego, jaki jest rodzaj zbrojenia otrzymujemy kompozyty włókniste lub kompozyty proszkowe. Włókna są ciągłe lub ułożone w jednym kierunku, albo cięte jednokierunkowo lub rozmieszczone w chaotyczny sposób. Właściwości kompozytu będą zależały od kształtu zbrojenia, jego rodzaju oraz sposobu rozmieszczenia.

Kompozyty, które są zbrojone proszkami, albo statystycznie rozmieszczonymi ciętymi włóknami mają jednakowe właściwości w każdym kierunku - izotropia.

Kompozyty, które są zbrojone włóknem ciągłym albo zorientowanym ciętym włóknem mają wyższe wytrzymałościowe właściwości wzdłuż włókien, aniżeli w poprzek do włókien - anizotropia.

KOMPOZYTY CERAMICZNE.

Dobrą twardość i sztywność ceramiki czasami można połączyć z wytrzymałością na dynamiczne obciążenia metali czy polimerów, poprzez wytworzenie kompozytu. Przykład mogą stanowić tworzywa sztuczne wzmocnione szklanymi lub węglowymi włóknami. Włókna węglowe lub szklane usztywniają dosyć miękki polimer. Jeśli włókno pęknie, to pękniecie rozejdzie się w polimerze, ulegnie w nim spowolnieniu, nie uszkadzając pozostałej reszty przekroju. Przykładem może być także cermetal. Drobiny twardego węglika wolframu powiązane są metalicznym kobaltem, podobnie jak żwir scalony smołą daje wytrzymałą na ścieranie jezdną nawierzchnię. Kość stanowi naturalny kompozyt ceramiczny - cząstki hydroksyapatytu - ceramiki spojone są kolagenem (polimerem). Właściwości i składniki wybranych ceramicznych kompozytów zostały podane w tabeli.

Składniki kompozytu ceramicznego:

  1. GFRP (polimerowy kompozyt wzmocniony polimerowymi włóknami) szkło, polimer (konstrukcje, które wymagają materiałów o specyficznych właściwościach)
  2. CFPR (polimerowy kompozyt wzmocniony węglowymi włóknami) węgiel, polimer (konstrukcje, które wymagają materiałów o specyficznych właściwościach)
  3. CERMETAL WC - stosowany jest w urządzeniach skrawających, a także do plastycznej obróbki

Przeznaczenie kompozytów:

Budownictwo (łatwość montażu, mała masa, odporność na korozję, nie potrzebują konserwacji i są proste w utrzymaniu); Artykuły gospodarstwa domowego (izolacyjność, stabilność wymiarów, odporność temperaturowa); Lotnictwo (sztywność, wytrzymałość mechaniczna, mała masa).