Pobierz MATERIAŁY POLIMEROWE i więcej Notatki w PDF z Ceramika tylko na Docsity! MATERIAŁY POLIMEROWE Porównanie polimerów z innym materiałami stałymi Cecha Polimery Metale Ceramika i inne Historia 100 lat temu azotan celulozy na kule bilardowe 1909-1918 pierwsze patenty na PF, PVC, UF. Znano już w starożytności. Podobnie jak metale. Rodzaje atomów Przeważnie C, H, O, N; niektóre Si, B, F, Cl, Br, S; nieliczne zawierają inne atomy. Atomy bloku s układu okresowego. Prawie cały układ okresowy. Wiązania między atomowe Kowalencyjne (międzycząsteczkowe Van der Waalsa, wodorowe, nieliczne jonowe). Metaliczne. kowalencyjne, jonowe, Van der Waalsa, wodorowe. Materiał polimerowy (tworzywo sztuczne) napełniacze, stabilizatory, antyutleniacze i antyozonanty, antystatyki, antypireny, plastyfikatory, barwniki i wiele innych. Materiały polimerowe są polimerami albo układami, których głównymi składnikami są polimery. Są to materiały, które obok polimerów zwykle zawierają takie składniki jak: Podstawowe jednostki budowy makrocząsteczek polimerów. Są połączone ze sobą wiązaniami chemicznymi i występują w takiej liczbie, że dodanie lub odjęcie kilku z nich nie wywiera znaczącego wpływu na właściwości polimeru. [– CH2 – CH2 –] -mer polietylenu (PE) [– CH2 – CH(– C6H5) –] -mer polistyrenu (PS) Mery Cząsteczki, które składają się z licznych (103 ~104) jednostek podstawowych (merów) powiązanych chemicznie tak, jak atomy w merach. Zbiór połączonych makrocząsteczek, w danym polimerze, teoretycznie identycznych, powiązanych między sobą wiązaniami fizycznymi. Polimery Makrocząsteczki łańcuch główny H C H H C CH3 H C H H C CH3 H C H H C CH3 H C H H C CH3 podstawnik Budowa makrocząsteczek Podział polimerów ze względu na budowę łańcucha : H C H H C CH3 H C H H C CH3 H C H H C CH3 H C H H C CH3 O H C H O H C H O H C H O H C H O H C H POM PP Według kryterium dotyczącego rodzaju atomów, z których są zbudowane łańcuchy główne: - polimery o łańcuchu węglowym - polimery z heteroatomem w łańcuchu głównym H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C CN H C H H C CN H C H H C CN H C H H C CN Polimery o łańcuchu węglowym w zależności od rodzaju atomów związanych z atomami węgla w łańcuchu głównym rozróżnia się: węglowodorowe węglowodorowe z heteroatomami w grupach bocznych Giętkość makrocząsteczek Zdolność merów i segmentów do zmian konformacji zależna od wielkości bariery energetycznej obrotów wokół wiązań oraz od warunków zewnętrznych. Sposób wzajemnego przestrzennego usytuowania merów w makrocząsteczkach. Konfiguracja makrocząsteczek Konfiguracje makrocząsteczek [1] Wpływ taktyczności na właściwości mechaniczne Właściwości PMMA ataktyczny (amorficzny) PMMA izotaktyczny (krystaliczny) gęstość, kg/dm3 1,19 1,23 Rm, MPa 70-90 150 udarność, J/m2 (1,5 - 2,0) 104 (3,0 - 4,0) 104 rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych dobra rozpuszcza się w temperaturze 600C Na przykładzie polimetakrylanu metylu (PMMA) Postać amorficzna Postać krystaliczna Statystycznie bezładny sposób wzajemnego ułożenia makrocząsteczek; mała gęstość upakowania, siły oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych i międzycząsteczkowych bliskiego zasięgu, znaczne objętości swobodne. Uporządkowany, regularny sposób ułożenia znacznej części merów i segmentów makrocząsteczek; duża gęstość upakowania, stopień uporządkowania i siły oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych i międzycząsteczkowych dalekiego zasięgu, małe objętości swobodne. Cecha Krystaliczny Amorficzny Gęstość Wyższa Niższa Wł. optyczne Zamglony (mleczny) Przeświecalny Właściwości mechaniczne Małe wydłużenie do zerwania, duże Rm, HV Duże wydłużenie do zerwania, małe Rm, duża udarność Właściwości cieplne Wyższa odporność temperaturowa Niższa odporność temperaturowa Rozpuszczalność Utrudniona Dobra Skurcz przy chłodzeniu Duży Nieznaczny Bezpostaciowe (amorficzne) Krystaliczne (częściowo- krystaliczne) Polistyren (PS) Polietylen (PE) Poli(chlorek winylu) (PVC) Polipropylen (PP) Poli(metakrylan metylu) (PMMA) Poliamidy (PA) Poliwęglan (PC) Polioksymetylen (POM) Polisulfony (PSO) Politetrafluoroetylen (PTFE) Termoplasty Termoutwardzalne Chemoutwardzalne Żywice fenolowo- formaldehydowe (PF) Żywice epoksydowe (EP) Żywice mocznikowe (UF) Nienasycone żywice poliestrowe (UP) Żywice melaminowe (MF) Polisiloksany (silikony) (SI) Niektóre poliuretany (PUR) Duroplasty Elastomery (polimery wysokoelastyczne, gumopodobne) W szerokim zakresie temperatur zachowują się jak polimery wysokoelastyczne, tzn. przy niewielkich naprężeniach ulegają dużym i szybko odwracalnym odkształceniom. (odkształcenia rzędu kilkuset procent) sprężysty z wymuszoną elastycznością (lepkosprężysty) wysokoelastyczny plastyczny (lepkopłynny) kruchy Stany mechaniczne polimerów Stan mechaniczny dotyczący sposobu przenoszenia naprężeń zgodnie z prawem Hooke’a w polimerach znajdujących się pod obciążeniem mechanicznym w temperaturach od najniższej do Tkruch. Stan ten jest uwarunkowany brakiem w tych temperaturach możliwości przejawiania się giętkości makrocząsteczek. Wartość energii cieplnej układu jest znacznie mniejsza od wartości bariery energetycznej obrotu merów wokół wiązań. Wielkość odkształceń do zerwania jest rzędu 2~5%. Stan sprężysty kruchy Sposób przenoszenia naprężeń w polimerach w temperaturze Tkruch< T < Tg Wartość energii cieplnej jest na tyle duża, że może zostać przekroczona w wyniku zewnętrznego obciążenia bariera obrotów merów i segmentów makrocząsteczek, dzięki czemu oprócz odkształceń sprężystych mogą pojawić się jednocześnie odkształcenia wysokoelastyczne i plastyczne. Stan sprężysty z wymuszoną elastycznością Typowymi przejawami lepkosprężystości jest pełzanie i relaksacja naprężeń. Stan plastyczny (lepkopłynny) Stan ten występuje po przekroczeniu temperatury płynięcia Tp. Polimer swoim zachowaniem zaczyna przypominać ciecz lepką. W tym stanie siły oddziaływń międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych są zminimalizowane. Możliwe są nie tylko bardzo liczne obroty merów i segmentów wokół wiązań; całe makrocząsteczki przemieszczają się wobec siebie pod wpływem znikomo małych naprężeń. Dominują odkształcenia plastyczne. Elastomery mały moduł Younga (od 0,1 do 10 MPa) odwracalne wydłużenie przy rozciąganiu nawet do 1000% i więcej temperatura zeszklenia poniżej temperatury pokojowej zakres użytkowania w obszarze stanu wysokoelastycznego Plastomery duży moduł Younga (od 1000 do 2000MPa i więcej) wydłużenie przy rozciąganiu od 1 do 200% temperatura zeszklenia jest wyższa od temperatury pokojowej zakres użytkowania w obszarze stanu sprężystego lub lepkosprężystego Sposób przenoszenia naprężeń w temperaturze pokojowej Odkształcenia Pod wpływem obciążenia w polimerach bardzo często występują jednocześnie trzy rodzaje odkształceń: sprężyste (espręż), wysokoelastyczne (ewe), plastyczne (eplas). ecałk = espręż + ewe + eplas Wykresy rozciągania polimerów w stanie sprężystym z wymuszoną elastycznością a) Amorficznego b) Krystalicznego A –granica sprężystości B –graniczne naprężenia wymuszonej elastyczności C –granica wytrzymałości [1] Wpływ giętkości makrocząsteczek w T pok na krzywe (e) 1, 2 –makrocząsteczki sztywne (sprężste kruche) 3 – o zmniejszonej sztywności (sprężyste z wymuszoną elastycznością) 4, 5 –elastomery [1] Wpływ temperatury na przebieg krzywych (e) Na przykładzie twardego, amorficznego PVC 1. -175 oC 2. -120 oC 3. -67 oC 4. -8 oC 5. 31 oC 6. 74 oC 7. 83 oC [1] Wpływ elementów budowy makrocząsteczek polimerów na temperatury charakterystyczne Na przykładzie temperatury zeszklenia (Tg) Schemat meru
Nazwa polimeru p
1,4-cis-polibutadien —CH —CH=CH—CH;— —100
polietylen —CH, —CH> — —80
polioksymetylen —0—CH; — —67
poliamid 6 —(CH,);-— EE? 53
O
poli(tereftalan etylenu) —o(cH.„oc—()-c— 68
| I
O O
[o JI
polisulfon C O 220
-OrOo"Oro-
CH; O
NH
polibenzimidazol 435
[1]
Wpływ objętości podstawników Zwiększenie objętości podstawników prowadzi do usztywnienia łańcuchów czego skutkiem jest wzrost Tg [1] Temperatury użytkowania Temperatura stabilności termicznej –(termal stability) – zwana także temperaturą rozkładu Tr –w której rozpoczynają się procesy naruszania budowy chemicznej makrocząsteczek. Reakcje zachodzące w polimerach w tej temperaturze są nieodwracalne. Temperatura odporności cieplnej –(heat resistance) – określa temperaturę faktycznej użyteczności poniżej której polimer nie zmienia w znaczący sposób twardości. Przyjęto że jest to temperatura do jakiej można ogrzewać polimer bez zagrożenia, że zacznie wyraźnie mięknąć. Temperatury odporności cieplnej i metody ich określania Temperatura umowna w której pod wpływem znormalizowanego obciążenia dochodzi do założonego z góry, niewielkiego odkształcenia. Brak powiązania z temperaturami charakterystycznymi Umowne temperatury odporności cieplnej to: Temperatura Martensa –Tmart Temperatura Vicata –Tvic Temperatury HDT (heat deflection temperatures) Temperatury te często zwane są temperaturami mięknienia 1, 2, 3 –polimery amorficzne; rozgałęziony, liniowy, usieciowany 4 – o dużej zawartości fazy krystalicznej [1]
Nazwa i cechy
Polimery
cieczy nieodporne odporne
polarne niepolarne polarne niepolarne
Benzyna nic ma PIB PU, PC, PVAC, PTFE, HDPE,
niepolarna PVAL PP, odporność
u=0 spowodowana
dużą zawartoś- |
cią fazy krys-
talicznej |
p-ksylen SAN, ABS, PC, PS, LDPE, at-PP | PA + włókno PTFE, HDPE,
niepolarny PA6 szklane, EP, it-PP, przyczy-
u=0 PSU, PMMA, ny odporności
POW jak wyżej
| Octan butylu at-PMMA, PS PA1I, PA12, PTFE, HDPE,
polarny PVAC, PVC, PVAL, POM, LDPE, at-PP,
u = 1,86 EC, BC, OC, PA + włókno it-PP
VB szklane
| Aceton PMMA, PVC, PS PALI, PA12, PTFE, HDPE,
| polarny PVAC, SAN, PA + włókno LDPE, it-PP,
iu = 2,74 ABS, OC szklane, ami- at-PP
noplasty
| Dimetyloform- PVC, PMMA, PS PSU, EP, PTFE, HDPE,
amid PU, PC, SAN, PA + włókno LDPE, it-PP,
silnie polarny ABS, PAN, szklane at-PP
u>3 PVAL
Woda PVAL, PEOX, nie ma PALI, PA12, PTFE, HDPE,
polarna, silnie MC, PVE PVC, PMMA, LDPE, it-PP,
zasocjowana PC, PU, ABS, at-PP, PS, PIB, |
u = 1.84 SAN, PVAC, guma silikono-
PVFM
wa
[1]
ZASTOSOWANIA WYBRANYCH GRUP POLIMERÓW Polietylen [4] [6] [5] Przetwórst wo: metodą wtryskową, metodą wytłaczania, metodą wysokociśnieniową wytrącanie PP z roztworów, prasowanie Właściwoś ci: gęstość 0,905-0,915 g/cm3 moduł sprężystości przy rozciąganiu, E 1300-1800 MPa wydłużenie przy zerwaniu >50 % naprężenie na granicy plastyczności 25-40 MPa Zastosow ania: powlekanie opakowań papierowych, grzbietów płytek wykładzinowych, jako samochodowe materiały głuszące, materiały antykorozyjne, masy do znakowania jezdni, kleje topliwe, masy uszczelniające, papy dachowe itd. inylu
hlorek wi
IC
Pol
Polistyren [12] [13] Przetwórst wo: wszystkie metody typowe dla termoplastów: wtrysk, wytłaczanie Właściwo ści: gęstość 1,20 g/cm3 moduł sprężystości przy rozciąganiu, E 2300-2400 MPa wydłużenie przy zerwaniu >50 % naprężenie na granicy plastyczność 55-65 MPa Zastosow ania: w światłach i znakach ulicznych, w obudowach i pokrywach, do szklenia stadionów i szklarni, w szkłach do okularów i soczewkach, w elementach elektrotechniki i elektroniki, do wyrobu płyt kompaktowych itd. ABS -akrylonitryl/butadien/styren
=
AKRYLONITRYL
*W
[16]
Przetwórst wo: metodą wtryskową, można również go wytłaczać na profile, płyty i folie. Właściwoś ci: gęstość 1,03-1,07 g/cm3 moduł sprężystości przy rozciąganiu, E 2200-3000 MPa wydłużenie przy zerwaniu 15-20 % naprężenie na granicy plastyczności 50-65 MPa Zastosowa nia: folie izolacyjne, płyty do dalszego przetwórstwa, rury, profile, obudowy telewizorów, telefonów, narzędzi, kołpaki kół samochodów osobowych itd. Przetwórst wo: wtrysk i wytłaczanie. Właściwoś ci: gęstość 1,17-1,19 g/cm3 moduł sprężystości przy rozciąganiu, E 3100-3300 MPa wydłużenie przy zerwaniu 2-6% wytrzymałość na rozciąganie 60-75 MPa Zastosow ania: Masy do formowania: elementy rurociągów, urządzenia sanitarne, soczewki, obudowy, pokrywy, światłowidy w technice oświetleniowej, szyby wielowarstwowe, impregnacja drewna.
PET
UJ
5
=
Przetwór stwo Podstawową metodą przetwórstwa PET jest wtrysk. Można także wytłaczać folie, płyty i większe kształtki profilowe. Właściwości gęstość (PET częściowo krystaliczny) 1,38-1,40 g/cm3 moduł sprężystości przy rozciąganiu, E 2800-3100 MPa nominalne wydłużenie przy zerwaniu >50% naprężenie na granicy plastyczności 60-80 MPa Zastosowan ia: wyroby odporne na ścieranie: łożyska, koła zębate, wały, prowadnice, sprzęgła, części zamków, folie izolacyjne, magnetyczne, butelki do napojów itd.