Polymery

POLYMERNÍ MATERIÁLY
Kontakt: Tomáš Křenek
email: [email protected]
UL204
STRUKTURA PŘEDNÁŠKY:
1. Co je to polymer?
2. Přírodní polymery
3. Syntetické polymery
3.1 Syntéza polymerů
3.2 Struktura, fázové stavy
3.3 Termoplasty
3.4 Reaktoplasty
3.5 Kaučuky
4. Nakládání s polymerními odpady
1. Co je to polymer?
Monomer – látka, jejíž molekuly mají schopnost se za vhodných podmínek spojovat
v makromolekuly (např. ethen, propen, benzen atd.)
Polymer - látka sestávající z molekul jednoho nebo více druhů atomů (většinou
atomy uhlíku, vodíku a kyslíku, často dusíku, chloru, křemíku) nebo skupin
spojených navzájem ve velkém počtu. To, co odlišuje polymery od jiných materiálů je
řětězcová struktura jejich molekul, t.j. dlouhá lineární řada vzájemně spojených
atomů nebo skupin atomů představuje převažující strukturní motiv, který může
(ale nemusí) být občas přerušen místy větvení (např. u větvených nebo roubovaných
polymerů, případně u polymerních sítí).
Přeměna styrenu (monomeru) na polysteren (polymer)
Výjimečnost v chování těchto látek oproti látkám nízkomolekulárním (např. voda, líh) můžeme vysvětlit na
základě značného nepoměru mezi délkou a šířkou makromolekuly a kvalitativně rozdílným typem vazeb
v hlavním řetězci (vazby chemické, neboli kovalentní) a mezi řetězci (vazby fyzikální).
Délka makromolekul umožňuje jejich vzájemné zaplétání, což je příčinou zcela charakterických polymerních
vlastností (elastičnost, vysoká viskozita polymerních roztoků a tavenin, pomalá rozpustnost atd.)
Jevy ovlivňující odlišné chování polymerů
■ Zapletení řetězců.
■ Sumární působení mezimolekulárních sil
■ Časově závislý pohyb
Struktura polymerních materiálů
Makromolekulární látky: synonymum pro polymer, tj. látka o relativní
molekulové hmotnosti 104 až 106 (nízkomolekulární látka – sloučenina o
relativní molekulové hmotnosti desítek až stovek)
KLASIFIKACE PODLE TYPU MAKROMOLEKULÁRNÍHO ŘETĚZCE
■ Mer – opakující se jednotka v makromolekule polymeru, jejíž chemické
složení odpovídá složení molekuly příslušného polymeru
■ Homopolymer – polymer, jehož molekuly se skládají z merů jednoho druhu
■ Kopolymer – polymer, jehož molekuly se skládají z dvou nebo více druhů
■ Lineární polymer – polymer, jehož molekuly jsou tvořeny prostými řetězci.
■ Rozvětvený polymer – polymer, jehož makromolekuly jsou tvořeny hlavními
řetězci, ke kterým jsou chemickou vazbou připojeny řetězce postranní (obvykle
mnohem kratší) → rozvětvení
2. ZÁKLADNÍ PŘÍRODNÍ POLYMERY
Přírodní kaučuk - Z chemického hlediska jde o cis-1,4-polyisopren.
Z tropického stromu kaučukovníku brazilského (Hevea brasiliensis) se nařezáváním jeho kůry
získává surový kaučuk (latex). Ten se upravuje srážením např. kyselinou mravenčí, pere
vodou a suší na materiál zvaný krepa. Jeho dalšími úpravami (přídavkem plniv, dalších aditiv a
vulkanizací) se vyrábí "přírodní kaučuk" čili přírodní pryž.
Sběr latexu tzv. čepováním
Makromolekula celulózy
Celulosa (buničina) - polysacharid sestávající z beta-glukosy. Jednotlivé glukosové
jednotky jsou spojené vazbou β 1,4 a tvoří dlouhé, nerozvětvené řetězce, které jsou zcela
nerozpustné ve vodě. Celulosa je hlavní stavební látkou rostlinných primárních buněčných
stěn a podílí se na stavbě sekundárních buněčných stěn; je nejrozšířenějším biopolymerem
na zemském povrchu, ročně jí vzniká až 1,5×109 tun. Mimo to se však vyskytuje i u některých
živočichů, konkrétně u pláštěnců. Vychozí látka k výrobě hedvábí, celofánu.
2. ZÁKLADNÍ PŘÍRODNÍ POLYMERY
Škrob – zásobní látka hromadící se v některých rostlinách
(brambory, obilí, kukuřice, rýže) ve formě škrobových zrn.
Škrobová zrna se ve studené vodě nerozpouštějí a v teplé
bobtnají.
Použití: v potravinářství, k výrobě lepidel a pojiv,
v papírnickém průmyslu, farmacii
Bílkoviny – bez nich není možná existence žádného živého organismu. Jsou součástí
všech živých buněk.
Jantar – nejstarší polymer - fosilizovaná pryskyřici některých stromů stará 25 až 40 milionů
let
3. SYNTETICKÉ POLYMERY
Historie plastů:
1835 – laboratorní příprava polyvinilchloridu (jeho průmyslová výroba však byla zavedena
až v r.1925 v Německu)
1862 - Alexandr Parkes (1813-1890) vyrobil tvarovatelný materiál z nitrátu celulosy.
Rozpustil vlákna celulosy v kyselině dusičné, přidal kafr a roztok odpařil. Tento plast se
nazýval „parkesin“ využíval se pak při výrobě předmětů do domácnosti a okrasných
předmětů, jako i např.: spona do vlasů.
1909 - prvním používaným plně syntetickým plastem byl BAKELIT, reaktoplast
vznikající polykondenzací fenolu a formaldehydu.
3. SYNTETICKÉ POLYMERY
Příprava polymerů
Primární
zdroje
Basic
Petrochemical
Polymerní
Materiály
Konečné produkty
Plasty
Plasty
ROPA
ROPA
Ethylen
Ethylen
Propylen
Propylen
Styren
Styren
Vinyl
VinylChlorid
Chlorid
Butadien
Butadien
Cyclohexan
Cyclohexan
Acetylen
Acetylen
Zemní
Zemníplyn
plyn
HDPE
HDPE
LDPE
LDPE
LLDPE
LLDPE
PP
PP
PVC
PVC
ABS
ABS
PA
PA
Acetal
Acetal
PC
PC
PUR
PUR
PBT
PBT
atd.
atd.
Elastomery
Elastomery
Vlákna
Vlákna
Adheziva
Adheziva++
povlaky
povlaky
ROPA – ČERNÉ ZLATO – primární surovina pro přípravu plastů
ROPA – hnědá až nazelenalá hořlavá kapalina tvořená směsí uhlovodíků, především
alkanů. Pravděpodobně vznikla rozkladem zbytků pravěkých rostlin a živočichů. Nachází se
ve svrchních vrstvách zemské kůry – nejčastěji v oblasti kontinentálních šelfů. Je základní
surovinou petrochemického průmyslu. Naleziště ropy jsou pod nepropustnými vrstvami, v
hloubkách až 8 km pod zemským povrchem. Ropa při těžbě buď vyvěrá pod tlakem, nebo je
čerpána. Vyskytuje se společně se zemním plynem.
Ázerbájdžán:
Příběh demokracie utopené v ropě
Prokázané světové zásoby ropy podle zprávy
British Petrol r.2005 (v mld. barelu)
3.1 SYNTÉZA POLYMERŮ - ZÁKLADNÍ REAKCE
POLYMERACE – POLYKONDEZACE - POLYADICE
POLYMERACE
Řetězová reakce volného počtu monomerů, při níž vznikají dlouhé makromolekuly
monomeru. Chemické složení polymeru je stejné, jako chemické složení
monomeru.
Polymery mohou vzniknout z molekul obsahujících alespoň jednu dvojnou vazbu
postupným připojováním (tzv. adicí, zde se jedná o polyadici) molekul na dvojnou
vazbu molekuly předcházející vzniká např. polyethylen (PE, PP).
Polymerace ethylenu na polyethylen
Podle druhu aktivních částic rozlišujeme polymeraci radikálovou, iontovou a
koordinační
3.1 SYNTÉZA POLYMERŮ - ZÁKLADNÍ REAKCE
POLYKONDEZACE
Chemická reakce, kterou z nízkomolekulárních látek vzniká makro-molekulární
látka a jako vedlejší produkt vzniká jiná nízkomolekulární látka (většinou voda).
Podmínkou je, aby monomery měly alespoň dvě raktivní skupiny.
Rozdíl mezi polymerací a polykondenzací – produkt polymerace (polymer) má
stejné chemické složení jako výchozí monomer, kdežto produkt polykondezace
(označuje se běžně jako polymer, ale správný termín je polykondenzát) má jiné
chemické složení, než výchozí nízkomolekulární látky.
Tímto typem reakce vznikl např. bakelit - polykondenzace fenolu a formaldehydu,
Polykondenzací vznikají také tesil, PET.
3.1 SYNTÉZA POLYMERŮ - ZÁKLADNÍ REAKCE
POLYADICE
Sloučeniny, jejichž molekuly obsahují násobné vazby, mohou být mimo
vzájemné spojování schopny adičních reakcí se sloučeninami, jejichž
molekuly obsahují vhodné funkční skupiny. Mají-li tyto sloučeniny ve svých
molekulách alespoň dvě funkční skupiny, může mnohonásobnou adicí
vzniknout polymer. Proto této reakci říkáme polyadice.
Složení konečného produktu (polyadukt) se neliší od výchozí směsi. Na
rozdíl od polymerace však poskytuje polyadice strukturu základního článku
produktu odlišnou od struktury výchozích látek.
Příkladem je vznik polyuertanů
ZÁKLADNÍ ZPŮSOBY VÝROBY POLYMERŮ
■ Polymerace
v monomerní fázi – polymerace samotných
monomerů (chemicky nejjednodušší způsob)
■ Roztoková polymerace – způsob výroby polymeru z
roztoku monomeru
■ Suzpenzní polymerace – způsob výroby polymeru
rozptýleného ve vodě
■ Emulzní polymerace - způsob výroby polymeru
rozptýleného ve vodě v přítomnosti tzv. emulgátoru
■ Disperzní polymerace – polymerace suspenzní a emulzní
ZÁKLADNÍ KLASIFIKACE POLYMERŮ Z HLEDISKA JEJICH
CHOVÁNÍ ZA BĚŽNÉ A ZVÝŠENÉ TEPLOTY
■ Elastomery – vysoce elastické polymery, které můžeme za běžných podmínek
malou silou značně deformovat bez porušení, přičemž deformace je převážně
vratná. Nejpočetnější skupinou elastomerů jsou kaučuky, z nichž se vyrábí pryž.
■ Plasty – za běžných podmínek většinou tvrdé polymery, často i křehké. Při
zvýšené teplotě se stávají plastickými (odtud název plasty) a tvarovatelnými.
Pokud je tato změna z plastického do tuhého stavu vratná nazýváme je
TERMOPLASTY (PE, PP, PET, PAD, atd.) Pokud jde o změnu nevratná
(neopakovatelnou, trvalou), protože je výsledkem chemické reakce – jedná se
o REAKTOPLASTY (např. fenolformaldehydová pryskyřice – původní obchodní
název bakelit).
3.2 FÁZOVÉ STAVY POLYMERNÍCH MATERIÁLŮ
Vysoká molekulová hmotnost polymerů způsobuje neobyčejně vysoký bod varu,
který se nachází ve všech případech nad teplotou jejich rozkladu.
PLYNNÝ STAV POLYMERŮ NEEXISTUJE
POLYMERY SE NACHÁZEJÍ POUZE V KAPALNÉM NEBO TUHÉM STAVU
Polde pravidelnosti geometrie rozlišujeme:
■ vysoce
uspořádaný stav molekulárních řetězců – KRYSTALICKÝ.
■ neuspořádaný
stav – AMORFNÍ (SKLOVITÝ).
■ stav přechodový mezi stavem sklovitým a kapalným –
tzv. stav KAUČUKOVITÝ (projevuje se značnou VRATNOU
deformací)
■ stav PLASTICKÝ – umožňuje NEVRATNOU deformaci
PŘECHODOVÉ TEPLOTY
Důležité teploty pomocí jichž lze určit hranice mezi jednotlivými fázovými stavy
■ Tm – teplota tání (melting point) – přechod do kapalné fáze
Pro krystalické polymery –Tm ostrá hranice
Pro amorfní polymery – Tm – rozmezí teplot (není ostrá hranice)
■ Tg – teplota skelného přechodu – hranice mezi tuhým (skelným –
tvrdým, křehkým) stavem a stavem kaučukovitým (vysoce elastickým)
■ Tf – teplota toku – viskózní tok; hranice mezi vratnou a nevratnou
deformací; nad touto hranicí přechází polymer do plastického stavu
Termomechanická křivka
Závislost deformace vznikající působením určité síly po určitou dobu za dané
teploty. (Charakteristická pro každý polymer)
Termomechanická křivka amorfního (1) a dvou různých krystalických (2,3) polymerů
KRYSTALICKÝ STAV
Krystalizační schopnost polymeru ovlivňují především tyto faktory:
■ polarita skupin polymerního řetězce
■ jeho geometrická pravidelnost
■ objem substituentů, případný počet rozvětvení a délka postraních řetězců
■ ohebnost polymerního řetězce
Krystalizace probíhá ve dvou krocích
1. Dochází k vytvoření stabilního
krystalizačního zárodku, který se rozrůstá v
uspořádání řetězců, které následně vytvářejí
paralelní uspořádané sítě. Tyto sítě jsou k
sobě přitahovány meziatomovými silami, které
stabilizují jejich polohu. Následné působení
valenčních sil napomáhá k vytvoření
trojrozměrného uspořádání molekul.
2. Druhý krok spočívá v růstu krystalické
oblasti. Na uspořádanou síť se napojují a
stabilizují další řetězce. Tento proces
odehrávající se v blízkosti bodu tání soupeří s
tepelně aktivovanou pohyblivostí řetězců.
Podle krystalizační schopnosti polymerů je můžeme dělit na:
■ se sklonem k samovolné krystalizaci
■ samovolně nekrystalizující
■ nekrystalizující za žádných okolností
(SEMI)KRYSTALICKÝ STAV
Mezimolekulární síly způsobují vzájemné přibližování řetězců a jejich urovnání do poloh o
nejnižší energii. Teplený pohyb jednotlivých segmentů makromolekul má však opačný účinek.
Má-li dojít ke k uspořádání struktury do pravidelných krystalů, musí být kohezní
energie větší než energie tepelného pohybu.
To vymezuje teplotu krystalizace na rozsah mezi Tg a Tm
Teplota
■ Krystalická fáze nikdy netvoří celý objem polymeru. Krystalizuje tzv. krystality obklopené amorfní fází.
Semikrystalická struktura.
■ Čím větší podíl krystalické fáze ve struktuře – tím lepší mechanické vlastnosti
(houževnatost, tažnost)
AMORFNÍ STAV – zcela nahodilé polohy atomů
Zamezení pohybu řetězců
(příliš nízká teplota)
Obtížnější pohyb řetězců
(nižší teplota)
Snadný pohyb řetězců (vysoká
teplota – kapalná fáze)
Zvyšující se teplota zvětšuje prostor mezi makromolekulárními řetězci –
usnadňuje jejich pohyb
ZÁVISLOST MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ NA TEPLOTĚ
Pevnost
Skelný stav
Teplota skelného přechodu
TG
TM
Kaučukovitá oblast
Tok kapalné fáze
Teplota
Termomechanická křivka – závislost deformace vznikající působením určité síly po určitou
dobu za dané teploty. (Charakteristická pro každý polymer)
Pevnost
KRYSTALICKÁ VERSUS KRYSTALICKÁ STRUKTURA POLYMERU
Amorfní
Krystalická
Amorfní
TG
Krystalická
TG
Krystalická
TM
Teplota
VLIV PODÍLU KRYSTALINITY NA DEFORMACI V ZÁVISLOSTI
NA TEPLOTĚ
Pevnost
Vysoká krystalinita
Střední krystalinita
Nízká krystalinita
Amorfní stav
Teplota
KAUČUKOVITÝ STAV
Polymer lze v tomto stavu poměrně malou silou do
neobvyklé míry vratně deformovat, takže jej nelze
definovat jako tuhou látku, ale nelze jej definovat ani
jako kapalinu, protože při deformaci nedochází k
nevratnému toku, který charakterizuje stav plastický a
kapalný.
■ U látek jako jsou např. sklo nebo kovy překročí elastická
deformace málokdy 1 % - protože polohy atomu jsou
fixovány.
■ Kovalentní vazby a rotační pohyby v dlouhých
řetězcích však umožňují pohyb jednotlivých atomů v
mnohem větším rozsahu. Umožňují elastickou
deformaci až několik set %.
Charakteristické rysy elastomerů:
1. Teplota polymeru musí být nad Tg
2. Tyto polymery vykazují schopnost neobvyklé elastické
deformace a rychlého smrštění po odlehčení
3. Elastomery mají nízký (popř. zanedbatelný) obsah
krystalické fáze
3.3 TERMOPLASTY
Termoplasty jsou polymery,
které lze zvýšením teploty
uvést do stavu plastického
ze stavu tuhého, a že tato
změna je vratná.
■ Polyolefiny a fluoroplasty
■ Vinylové polymery
■ Styrenové a akrylové polymery
■ Polyestery
■ Polyamidy
■ Polyuretany
Polyethylen (PE)
■ Termoplast vznikající polymerací ethenu
Jeho vlastnosti silně závisí na molekulové hmotnosti, prostorovém uspořádání a stupni
krystalinity, které ovlivňuje způsob výroby.
■ Výroba: PE lze připravit tzv. beztlakou polymerací (za použití katalyzátorů) nebo
středotlakou (7MPa) polymerací (katalýza pomocí oxidů kovů.
Dva základní typy PE rozdělené podle hustoty (která je mírou linearity a krystalinity polymeru)
■ LDPE – Low Density PolyEthylene – rozvětvený typ makromolekuly
■ HDPE – High Density PolyEthylene – lineární typ makromolekuly
■ Chemická odolnost vzrůstá se zvětšující se krystalinitou. Odolává vodě, neoxidujícím
chemikáliím. Rozpouští se ve vroucím benzenu, toluenu.
■ Výborná odolnost vůči nízkým teplotám. Křehne až při -1200C.
■ Tvarová stálost do 900C.
Polyethylen (PE)
Použití:
■ Technické výrobky - folie, trubky, pláště kabelů, kanystry
■ Spotřební zboží – výrobky pro domácnost, hračky
■ Je nejrozšířenějším obalovým materiálem
■ UHMW (High molecular weight polyethylene) – kluzné vodící
elementy, filtry, ložiska, šneky, vytlačovací stroje, součásti
kloubních protéz, lisovací formy na keramiku.
Polypropylen (PP)
■ Výroba: polymerací propylenu, Výsledkem jsou polymery s velmi pravidelnou strukturou
danou uspořádáním substituentů CH3. V komerčních produktech se požaduje tzv. index
izotakticity.
■ Stupeň krystalinity: 60 až 75 %.
■ Teplota tání čistého isotaktického PP je 176°C, obchodní typy 160 - 170°C.
■ Výborné elektroizolační vlastnosti, chemická odolnost.
■ Tepelná odolnost: krátkodobě 135°C, dlouhodobě 100°C
■ Vyšší pevnost v tahu i tlaku, vyšší tvrdost a odolnost proti oděru než lepší odolnost vůči
korozi za napětí a menší propustnost pro plyny PE
■ Křehkost při teplotách pod 0°C a nižší odolnost vůči atmosférické oxidaci. Zvýšení
houževnatosti za mrazu lze dosáhnout kopolymerací propylenu s ethylenem nebo mísením
PP s kaučuky.
Fyzikální vlastnosti PP
Polypropylen (PP)
Použití PP:
■ Součásti strojů, přístrojů např. v
automobilovém průmyslu,
nárazníky, součásti vysavačů,
ventilátory, trubky, vodní
armatury, bazény
injekční stříkačky (odolává
sterilizačním teplotám)
■ Narozdíl od PE se hojně
používá k výrobě mechanicky a
chemický odolných vláken
Fluoroplasty – strukturní analogy polyolefínů (polyalkenů), v jejichž makromolekulách
jsou vodíkové atomy nahrazeny fluorovými a částečně chlorovými
Polytetrafluoroethylen PTFE- TEFLON
■ PTFE je vysoce krystalický, nerozpustný pod teplotou tání (327oC).
■ Chemickou odolností předčí dokonce i ušlechtilé kovy, sklo, emaily, smalty, nerezavějící
oceli !!!
■ Kombinace velké tepelné odolnosti a výborné mazací schopnosti
=> Použití – samomazná třecí ložiska, poteflonované pánve, nános teflonu
na holicích čepelkách, povrchy rypadel, buldozerů
Vinylové polymery – patří k nejdůležitějším plastům. Získávají se většinou
polymerací obecného vzorce CH2 = CH – R.
Polyvinylchlorid (PVC)
Polyvinylchlorid (PVC) je jednou z nejpoužívanějších umělých hmot na Zemi.
■ Vyrábí se polymerací vinylchoridu (těkavý, jemně nasládlý plyn, bod varu = 13,9°C) a od většiny běžných plastů se liší obsahem chloru.
■ Relativně levná syntéza (suspenzní a emulzní polymerací, polymerací v
monomerní fázi)– významné užitné vlastnosti – zpracovatelnost mnoha způsoby
(válcováním, vytlačováním, vstřikováním, atd.
■ značná chemická odolnost (PVC se zpracovává kolem 180oC)
■ dobrá tepelná odolnost
Přibližně polovina z celosvětově vyráběného množství se používá ve
stavebnictví. PVC tak dnes v masovém měřítku nahrazuje tradiční stavební
materiály jako dřevo, beton či hlínu a textilní materiály.
!!! Ačkoliv má prakticky ideální stavební vlastnosti, výrazné obavy vzbuzují
vlivy PVC na životní prostředí a lidské zdraví !!!
(Polyvinylchlorid se vyrábí polymerací karcinogenního vinylchloridu)
Polyvinylchlorid (PVC)
Polystyren (PS)
Lze jej snadno připravit všemi známými polymeračními technikami – používá se především tzv.
radikálová polymerace (v monomerní fázi a suspenzní polymerace)
Je tvrdý, křehký, světlopropustný, má vynikající izolační vlastnosti, fotooxidací křehne a žloutne
Zpracovává se především vstřikováním.
Odolává kyselinám a zásadám. Neodolává organickým rozpouštědlům, zejména benzenu,
aldehydům a ketonům
Při stárnutí křehne a vytvářejí se v něm trhliny.
Použití: převážně se používá pěnový PS ve - stavebnictví – tepelná, zvuková izolace,
v obalové technice (např.ochrana přístrojů při nárazu během dopravy)
Polystyren (PS) – TEPELNĚ IZOLAČNÍ VLASTNOSTI
Akrylové polymery
Př. Polymethylmethakrylát
Vznikají polymerací akrylových kyselin – kys. polyakrylovou, polymetakrylovou,
jejich estery, amidy a nitrily.
Mají velmi rozsáhlé použití – nátěrové hmoty, plasty, vlákna.
Podle hlavního monomeru je rozčleňujeme na polyakryláty, polymethakryláty,
polyakrylonitril (vláknařský polymer)
Nejpoužívanější je polymethylmethakrylát – organické sklo, PLEXISKLO
■ Čirá a bezbarvá látka i při větších tloušťkách – náhrada skla
■ Odolnost proti stárnutí, pohlcuje UV záření, propouští IČ záření
■ Pevnost v tahu = 65 MPa
POLYAMIDY
Lineární polymery charakterizované hlavním polymerním řetězcem, v němž se pravidelně
střídají skupiny –CO-NH- s větším počtem –CH2- skupin (methylenových)
Nejvýznamnější zástupci: polykaprolaktam, obecně označovaný jako polyamid 6 nebo Nylon 6
Polykondenzací hexamethylendiaminu a kyseliny adipové vzniká polyamid 66, resp. Nylon 66
POLYAMIDOVÁ VLÁKNA jsou velmi pružná – modul pružnosti v tahu
PA 6 = 1300 MPa, PA 66 = 1700 MPa
Nejrozšířenější je použití - výroba dámských punčoch, podlahovin a sportovního odívání.
POLURETANY (PUR)
Vyrábí se polyadicí diizokyanátů a dvoj- nebo vícesytných alkoholů za vzniku uretanové
vazby. Izokyanáty velmi snadno reagují se všemi sloučeninami, které obsahují aktivní uhlík
(což je např.voda, alkoholy, fenoly, thioly, aminy, karboxylové kyseliny aj.)
Nejvýznamnější použití polyuretanů –
výroba lehčených hmot (pěnových materiálů).
Připravují se přivedením všech složek do míchací
hlavy, kde se vysokoobrátkovým míchadlem
vytvoří viskózní kapalina, která po nalití do forem
velmi rychle vypění (po 10 až 20 minutách může
být pěna vyňata).
Měkké pěny ρ=15 až 70 kg m-3
(matrace, laminování textilu, obaly)
Tvrdé pěny ρ=10 až 600 kg m-3
(izolační materiály ve stavebnictví a
strojírenství)
3.4 REAKTOPLASTY
Polymery, které nevratnou chemickou reakcí přecházejí z lineárního do
síťovaného stavu. Zahřátím nebo přidáním vytvrzovacího činidla tyto
polymery vytvrzujeme – přecházejí do nerozpustného a netavitelného stavu
(ztrácejí termoplastický charakter).
Používá se jich k výrobě lisovacích hmot, vrstvených materiálů, lehčených hmot,
lepidel, nátěrových hmot, prostředků pro úpravu dřeva, papíru, kůže.
FENOPLASTY – fenolitické pryskyřice
NOVOLAKY – produkty polykondenzace fenolu s nedostatkem formaldehydu, které lze
vytvrdit teprve po přidání formaldehydu nebo jiného vytvrzovacího činidla
REZOLY - produkty polykondenzace fenolu s přebytkem formaldehydu, které můžeme
působením tepla snadno převést v nerozpustnou a netavitelnou hmotu zvanou rezit.
Použití - laky, lisovací hmoty, vrstvené hmoty (lamináty), kyselinotvorné tmely,
lepidla, pojiva u slévárenských pískových forem
AMINOPLASTY – aminopryskyřice
Reakční produkty aminosloučenin, zejména močoviny, melaninu, anilinu a jejich derivátů
převážně s formaldehydem, které jsou schopny účinkem tepla nebo katalyzátoru dále
reagovat a přecházet na vytvrzené makromolekulární hmoty.
Použití: lepidla, pojiva, laky, úprava papíru, textilu, lisovací hmoty
EPOXIDOVÉ PRYSKYŘICE
Pryskyřičné látky, jejichž řetězce obsahují zpravidla více než jednu epoxidovou skupinu.
Vyrábí se polykondenzací vícesytných fenolů s epoxidovou skupinou Jejich značná
reaktivnost vede k sesíťovaným polymerním produktům.
■ Vynikající adheze k většině materiálů
■ Chemická odolnost
■ Minimální smrštění po vytvrzení
Použití: lepidla, pojiva, laky, úprava papíru, textilu, lisovací hmoty, pojiva skelných laminátů
Další typy pryskyřic:
SILIKONOVÉ PRYSKYŘICE
POLYESTEROVÉ PRYSKYŘICE
3.5 KAUČUKY
Kaučuk je polymerní materiál přírodního nebo syntetického původu,
vyznačující se velkou pružností, tedy schopností se účinkem vnější
síly výrazně deformovat a poté opět zaujmout původní tvar.
Kaučuky jsou tedy ELASTOMERY.
Rozdělení syntetických kaučuků:
■ Izoprenové
kaučuky
■ Butadienové kaučuky
■ Ethylenpropylenové kaučuky
■ Butylkaučuky kaučuky
■ Chloroprenové kaučuky
■ Butadienakrylonitrilové kaučuky
■ Akrylátové kaučuky
■ Polysulfidové kaučuky
■ Silikonové kaučuky
■ Fluorouhlíkové kaučuky
Vulkanizace
■ Vulkanizace kaučuku – proces, při kterém se z termoplastického kaučuku
stává netermoplastická pryž
■ síťování (vznik 3D struktury) ->zvýšení tvrdosti, pevnosti
Charles Goodyear – patent v USA, polovina 19. stol.
PŘÍDAVNÉ LÁTKY V POLYMERECH
1. Zpracovatelské přísady
2. Antidegradanty
3. Síťovací činidla
4. Přísady ovlivňující jiné fyzikální vlastnosti
5. Zpomalovače hoření
6. Jiné …
Plastový výrobek = polymer + cca 20 přídavných látek
Rozdělení polymerů podle jejich aplikace, nadmolekulární struktury a ceny
Vybrané vlastnosti polymerních materiálů
4. ODSTRAŇOVÁNÍ A ZHODNOCOVÁNÍ
POLYMERNÍCH ODPADŮ
Současná světová roční spotřeba polymerních
materiálů činí téměř 200 miliónů tun.
Z toho představuje polyethylen 32 %,
polypropylen 20 %, polyvinylchlorid 17%,
polystyren 12%, polyuretany 6%.
Značná životnost vůči běžnému vnějšímu
prostředí, ceněná při aplikaci, se stává
nevýhodnou, v okamžiku kdy výrobek doslouží a
stává se odpadem.
Např. úbytek obalové fólie z LDPE vlivem působení
biologického prostředí představuje za 2,5 roku
0,35% hmotnosti.
Osud PET lahví deponovaných na skládkách
můžeme jen odhadovat, protože doba, po kterou
jsou na skládky deponovány, je zatím kratší než
doba, po níž by došlo ke znatelným změnám v
materiálu!!!
Možnosti nakládání s odpady
Dva základní přístupy k polymerním odpadům:
ZHODNOCENÍ / ODSTRANĚNÍ
Z ekologického hlediska je nejpřijatelnější formou nakládání s odpady jejich
RECYKLACE.
(tj. proces, při němž byly použité a následně vyřazené výrobky sbírány, tříděny, zpracovány a
materiál z nich získaný znovu vracen do užívání)
■ Primární recyklace – z polymerního odpadu se získává materiál stejných nebo
podobných vlastností jako měl materiál původní
■ Sekundární recyklace – z polymerního odpadu se získává materiál značně
odlišných vlastností než měl materiál původní
■ Fyzikální recyklace – z odpadního materiálu se získává nový materiál aniž by
probíhaly chemické reakce
■ Chemická recyklace – chemický rozklad na nízkomolekulární sloučeniny, často
monomery, z nichž se chemickou cestou vyrobí nový materiál
ZNEŠKODNĚNÍ
Skládky: plasty ani po uplynutí dlouhé doby nepodléhají významným
oxidačním nebo biologickým přeměnám, čímž narušují proces přirozené
homogenizace skládkového terénu => snaha o maximální omezení
tohoto způsobu nakládání s plastovými odpady a využívání skládek
jen k odstraňování je odpadu, který nelze žádným způsobem
zhodnotit (cca 20% odpadů)
Pyrolytická degradace: nejpokročilejší způsob chemické recyklace. Redukční analýza
– působení CO, vody a tepla – transformuje odpadní polymery na ušlechtilá paliva
Oxidační degradace: degradace při teplotě okolí, nebo (častěji) při zvýšené teplotě
(900oC). Teplo se využívá k výrobě páry nebo elektrické energie. Spaliny je potřeba čistit.
RECYKLACE ODPADNÍCH PLASTŮ
■ Téměř ve všech vyspělých státech se využívají odpady z polyolefinů – zpracovávají se
hlavně na fólie, deskové materiály, přepravky atd.
■ Z PVC lahví – kanalizační trubky, desky
■ Zařízení Remarker – zpracovává všechny odpady termoplastů – lisování za zvýšené
teploty –> desky, kontejnery, fólie atd.
■ Např. na palety z odpadních materiálů lze použít směs 50% plastového odpadu a 50%
směs papírového odpadu
■ Netříděné plastové odpady – přepážky, latě na plot, meliorační trubky. Pomocí mohutného
vytlačovacího stroje.
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÉ POLYMERY
Rozmáhající se spotřeba obalových hmot a s ní spojená ekologická zátěž
ústí v rozvíjení biologicky rozložitelných materiálů. Ve vhodném prostředí
(kompost, odpadní vody, mořský voda, UV záření) se mohou tyto polymery
vlivem působení mikroorganismů rozkládat na vodu, oxid uhličitý, popř.
amoniak, metan.
Základní rozpor
Životnost, vlastnosti pro technické aplikace
ROZLOŽITELNOST
vs.
Nedostatečné aplikační vlastnosti vedou k
chemickým úpravám polymeru =>
Čím větší stupeň chemické modifikace, tím
obtížnější rozklad v přirozeném prostředí.
Např. chemická modifikace přírodní celulózy nepodléhá rozkladu ve spodních
vrstvách skládek ani po 10 letech.
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÉ POLYMERY
Potenciální materiál pro obaly – ŠKROB a jeho modifikace
- jeden z nejlevnějších biodegradovatelných polymerů
- škrob je obsažen v kukuřici, bramborech, pšenice, rýže
Jílové nanoplnivo Montmorillonit MMT – vrstvená struktura schopná tzv.
delaminace
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÉ POLYMERY
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÝ NANOKOMPOZIT NA BÁZI
JÍL(MONTMORILLONIT) - ŠKROB
Částice montmorillonitu zvyšují tuhost kompozitu