Tworzywa sztuczne. Wiadomości ogólne

2000-12-03

Tworzywa sztuczne, zwane także plastomerami, są tworzywami na podstawie polimerów syntetycznych, otrzymywanych w wyniku polireakcji z produktów chemicznej przeróbki węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego lub polimerów naturalnych, uzyskiwanych przez chemiczną modyfikację produktów pochodzenia naturalnego (celuloza, kauczuk, białko).

Zwykle zawierają określone dodatki barwników lub pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy (plastyfikatorów), antyutleniaczy itd.
Własności mechaniczne tworzyw sztucznych zmieniają się w szerokich granicach, w zależności od rodzaju podstawowego polimeru oraz rodzaju i ilości środków pomocniczych. Za podstawową cechę tworzyw sztucznych uważa się wartość modułu sprężystości podłużnej lub poprzecznej, wg której dzieli się je na: miękkie (wartość - modułu sprężystości wzdłużnej przy zginaniu Eg lub przy rozciąganiu Er poniżej 700 MPa), półsztywne (Eg lub Er w granicach 700 - 7000 MPa), sztywne (Eg lub Er powyżej 7000 Mpa).
Polimery są substancjami złożonymi z makrocząsteczek, chrakteryzujących się regularnym lub nieregularnym powtarzaniem się w nich ugrupowań atomów, zwanych monomerami, jednego lub kilku rodzajów. Makrocząstcczki składają się z bardzo wielkiej liczby monomerów, tj. małocząsteczkowych związków chemicznych, zdolnych do reakcji z identycznymi lub innymi cząsteczkami, dzięki obecności w nich co najmniej dwóch ośrodków reaktwnych, takich jak wiązanie nienasycona, grupy chemiczne, pierścienie reaktywne. Liczba ośrodków reaktywnych określa funkcyjność monomeru i ma bezpośredni wpływ na budowę makrocząsteczki. Na przykład chlorek winylu jest monomerem dwufunkcyjnym. Istnieją także monomery trójfunkcyjne (np. fenol i rezorcyna) oraz monomery więcej funkcyjne.
Ze względu na budowę makrocząsteczki dzielą się na: liniowe, rozgałęzione, usieciowane (trójwymiarowe). Pierwsze powstają z cząsteczek dwufunkcyjnych, a ich długość jest 100 - 1000 razy większa od ich średnicy. Makrocząsteczki rozgałęzione powstają z cząsteczek dwufunkcyjnych oraz nieznacznej liczby monomerów, trójfunkcyjnych lub przypadkowych zanieczyszczeń, ewentualnie na skutek ubocznych reakcji w łańcuchu głównym. Efektem jest pewna liczba krótszych lub dłuższych łańcuchów odgałęziających się od łańcucha głównego. Makrocząsteczki usieciowane, o złożonym układzie trójwymiarowym, powstają z monomerów dwu i więcej funkcyjnych, w wyniku wytworzenia poprzecznych powiązań między łańcuchami. Budowa makrocząsteczek w istotny sposób wpływa na własności polimerów. Atomy w makrocząsteczkach mają wiązania pierwotne kowalentne lub jonowe, natomiast między cząsteczkami występują wiązania wtórne Van der Waalsa.
Polimery o makrocząsteczkach liniowych lub rozgałęzionych zachowują spójność dzięki działaniu sił przyciągania Van der Vaalsa, proporcjonalnych do masy cząsteczkowej lub długości łańcucha. W rezultacie polimery składające się z cząsteczek o odpowiednio długich łańcuchach są ciałami stałymi, o tym większej wytrzymałości i twardości, im dłuższe są łańcuchy, a polimery składające się z łańcuchów krótkich są substancjami ciekłymi. Wynika z tego, że nawet z tych samych monomerów można uzyskiwać polimery o różnych własnościach.
W przypadku makrocząsteczek usieciowanych o własnościach decyduje stopień usieciowania. Mała liczba usieciowań nadaje polimerowi dużą elastyczność, nierozpuszczalność, ale zdolność pęcznienia w rozpuszczalnikach. Duża liczba usieciowań powoduje zwiększenie sztywności, nietopliwość i brak pęcznienia.
Polimery ze względu na strukturę można podzielić na całkowicie bezpostacioewe oraz na częściowo bezpostaciowe, a częściowo krystaliczne. Polimery krystalizują dość trudno i zwykle obok uporządkowanych obszarów krystalicznych (zw. krystalitami) zawierają obszary bezpostaciowe. Zdolność polimeru do krystalizacji zależy od chemicznej i geometrycznej budowy makrocząsteczki oraz od wielkości sił międzycząsteczkowych. Im prostsza i bardziej regularna jest budowa cząsteczek i im większe są siły międzycząsteczkowe, tym polimer łatwiej krystalizuje.
Polimery o budowie krystalicznej mają większą gęstość, sztywność i wyższą temperaturę mięknięcia w stosunku do polimerów bezpostaciowych. Zależnie od warunków krystalizacji polimer może mieć różny stopień krystaliczności, a także krystality różnej wielkości i kształtu, co w oczywisty sposób wpływa na jego własności.

Źródło: City Net