Identyfikacja i badanie materiałów polimerowych

Identyfikacja i badanie materiałów polimerowych

Akademia Morska w Szczecinie
Instytut InŜynierii Transportu
Zakład Techniki Transportu
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów
Materiałoznawstwo
i
Nauka o materiałach
Identyfikacja i badanie
materiałów polimerowych
Opracowali: mgr inŜ. Joanna Tuleja
Dr inŜ. Jarosław Chmiel
Zatwierdził: dr inŜ. Jarosław Chmiel
Szczecin 2008
Wprowadzenie
Tematem ćwiczenia jest grupa materiałów, których głównym składnikiem jest
związek wielkocząsteczkowy – polimer. Oprócz niego materiały te zawierają składniki dodatkowe, nadające im wymagane właściwości uŜytkowe i technologiczne.
Podstawowe grupy zatsosowań materiałów polimerowych w technice wynikają
z ich specyficznych własciwości uŜytkowych. W szczególności istotne jest zastosowanie tej grupy materiałów jako :
-
materiałów konstrukcyjnych o specyficzncych właściwościach;
materiałów elektroizolacyjnych;
materiałów termoizolacyjnych;
materiałów uszczelniających;
materiałów wibroizolacyjnych;
specjalnych materiałów łoŜyskowych;
materiałów malarskich;
materiałów regeneracyjnych i naprawczych.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi rodzajami materiałów polimerowych, sposobami ich identyfikacji oraz zbadanie wybranych ich właściwości.
1.
Charakterystyka ogólna
1.1.
Pojęcia podstawowe
Cechą charakterystyczną polimerów jest występowanie w ich cząsteczce okresowo powtarzalnych ugrupowań atomów, które nazywamy merami. Polimery otrzymywać moŜna poprzez modyfikację naturalnych substancji wielkocząsteczkowych,
jednak obecnie wytwarza się je przede wszystkim syntetycznie. Cząsteczki związków
chemicznych, stanowiących substancje wyjściowe do otrzymywania związków wielkocząsteczkowych składają się ze stosunkowo niewielkiej liczby atomów i noszą nazwę monomerów. Są one zdolne do reakcji z identycznymi lub innymi cząsteczkami
dzięki obecności w nich ośrodków reaktywnych, takich jak nienasycone wiązania,
nietrwałe pierścienie lub grupy reaktywne. W wyniku łączenia się cząsteczek monomeru pomiędzy sobą powstaje związek wielkocząsteczkowy – polimer. Właściwości
fizyczne monomerów i polimerów są oczywiście całkowicie odmienne. Polimery, w
przeciwieństwie do klasycznych związków chemicznych, stanowią mieszaniny cząsteczek o róŜnej wielkości i masie cząsteczkowej – dlatego teŜ stosuje się pojęcia
średniej masy cząsteczkowej lub stopnia polimeryzacji.
2
1.2. Podstawy procesów wytwarzania
Podstawowe surowce do otrzymywania monomerów pochodzą z ropy naftowej, gazu ziemnego i węgla kamiennego. Otrzymywanie monomerów wchodzi
w zakres technologii organicznej, otrzymywanie polimerów – w zakres chemii
i technologii tworzyw sztucznych zaś wytwarzanie z polimerów wyrobów uŜytkowych
– w zakres technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych. Tworzywa sztuczne dostarczane do przetwórstwa mają postać Ŝywic, tłoczyw, preimpregnatów lub półfabrykatów.
śywice występują jako tzw. Ŝywice techniczne do bezpośredniego zastosowania (odlewania, nasycania, laminowania), względnie stanowią surowiec do dalszego przerobu na tłoczywa, preimpregnaty, kleje, kity, materiały regeneracyjne i malarskie itp.
Tłoczywa przeznaczone są do plastycznego formowania wyrobów z tworzyw. Mają
postać proszków, granulatów, tabletek, ciastowatych mas lub tekstylnych skrawków
nasyconych Ŝywicą. Na wyroby gotowe lub półwyroby przetwarzane są najczęściej
metodami wtryskiwania, wytłaczania lub prasowania.
Preimpregnaty to arkusze lub zwoje materiału wzmacniającego o odpowiedniej
strukturze, nasycone Ŝywicą i przeznaczone do formowania wyrobów wielkogabarytowych technikami prasowania.
Półwyroby z tworzyw sztucznych mają postać folii, płyt, prętów, rur i innych profili.
Kształt gotowego wyrobu uzyskiwany jest poprzez obróbkę skrawaniem i łączenie
metodami klejenia, zgrzewania lub spawania.
1.3. Zalety tworzyw sztucznych i ograniczenia w ich stosowaniu
Za zalety tworzyw sztucznych naleŜy uznać:
– łatwość formowania przedmiotów o skomplikowanych kształtach;
– korzystny stosunek wytrzymałości do masy właściwej (wytrzymałość właściwa),
zwłaszcza po wzmocnieniu napełniaczami włóknistymi;
– dobre właściwości mechaniczne i doskonałe właściwości elektroizolacyjne;
– stosunkowo dobra, a niekiedy doskonała odporność chemiczna;
– moŜliwość długotrwałego uŜytkowania wyrobów bez potrzeby dodatkowej ich
konserwacji;
– moŜliwość wielokrotnego przetwarzania tworzyw (recycyling).
Do czynników ograniczających zastosowanie handlowo dostępnych tworzyw
sztucznych naleŜy niezadowalająca w większości przypadków odporność cieplna.
Dla większości tworzyw maksymalna temperatura pracy ciągłej wynosi 60÷150°C a
wyjątkowo sięga 300÷400°C (tworzywa fluorowe, poliimidy). Istotną cechą powodującą ograniczenia w stosowaniu niektórych grup tworzyw sztucznych w okrętownic3
twie jest ich palność, a zwłaszcza moŜliwość wydzielania podczas palenia silnie trujących produktów gazowych (np. podczas spalania poliuretanów moŜe wydzielać się
cyjanowodór, zaś podczas spalania PVC – fosgen). Twardość tworzyw sztucznych
jest znacznie niŜsza niŜ twardość metali. Niekorzystną cechą tworzyw sztucznych
jest ich mała odporność na pełzanie.
2.
Klasyfikacja materiałów polimerowych
2.1.
Klasyfikacja chemiczna – metody otrzymywania polimerów
Podstawą tej klasyfikacji jest metoda otrzymywania związku wielkocząsteczkowego.
W zaleŜności od pochodzenia rozróŜnia się:
– modyfikowane tworzywa naturalne, otrzymywane z naturalnych związków
wielkocząsteczkowych np. celulozy (octan celulozy, octanomaślan celulozy),
kazeiny (galalit) lub kauczuków naturalnych;
– tworzywa syntetyczne, otrzymywane w wyniku reakcji chemicznych.
W chwili obecnej tworzywa syntetyczne stanowią ok. 98% produkowanych tworzyw
sztucznych.
W zaleŜności od rodzaju reakcji, w wyniku której powstaje polimer (tzw. polireakcji)
rozróŜnia
się
tworzywa
syntetyczne
polimeryzacyjne,
polikondensacyjne
i poliaddycyjne (tablica 1).
Tablica 1. Podział tworzyw syntetycznych
Tworzywa
otrzymywane Tworzywa
otrzymywane Tworzywa
otrzymywane
przez polimeryzację
przez polikondensację
przez poliaddycję
Polietylen,
polipropylen, Fenoplasty
kopolimery olefinowe
Aminoplasty
Poli(chlorek winylu), kopo- Poliamidy
otrzymywane
limery winylowe
z kwasów
dikarboksyloPolistyren
styrenu
i
Poliuretany
Tworzywa epoksydowe
Poliamidy
otrzymywane
z laktamów
kopolimery wych i diamin
Poliwęglany
Poli(metakrylan metylu)
Poliformaldehyd,
mer acetalowy
Poliestry
kopoli- Poli(siarczek fenylenu)
Poli(tlenek fenylenu)
Poliimidy
Polieterosulfony
Politetrafluoroetylen i inne
polimery fluorowe
4
Polimeryzacja jest procesem łączenia się wielu cząstek monomeru, któremu nie
towarzyszy wydzielanie się małocząsteczkowych produktów ubocznych. Proces
przebiega bez zmian składu chemicznego a powstający polimer róŜni się od monomeru tylko wielkością cząsteczki. Szczególnym przypadkiem polimeryzacji jest kopolimeryzacja – reakcja mieszaniny co najmniej dwóch monomerów, z wytworzeniem
makrocząsteczek zawierających mery odpowiadające wszystkim składnikom mieszaniny. W zaleŜności od technicznej realizacji procesu wyróŜnia się polimeryzację w
masie (np. polimetakrylan metylu, polietylen małej gęstości), polimeryzację w zawiesinie (np. polistyren, poli(chlorek winylu)), polimeryzację emulsyjną i polimeryzację
w roztworze.
Polikondensacja (polimeryzacja kondensacyjna) polega na łączeniu się wielu cząstek monomerów z jednoczesnym wydzieleniem prostego związku małocząsteczkowego jako produktu ubocznego np. wody lub chlorowodoru. Skład chemiczny polimeru nie jest identyczny ze składem monomeru lub wyjściowej mieszaniny monomerów.
Poliaddycja (polimeryzacja addycyjna) jest procesem łączenia się cząsteczek monomeru lub monomerów wskutek przemieszczania się ruchliwego atomu wodoru. Powoduje to powstanie reaktywnych ośrodków w monomerze i umoŜliwia łączenie się
cząsteczek. W procesie tym nie powstają małocząsteczkowe produkty uboczne a powstały polimer ma taki sam skład chemiczny jak wyjściowa mieszanina monomerów.
2.2.
Klasyfikacja technologiczna
Przyjmując za kryterium klasyfikacji właściwości uŜytkowe tworzyw, moŜna wyodrębnić elastomery i plastomery. Cechą charakterystyczną elastomerów jest zdolność
do powrotu do kształtu pierwotnego, nawet po znacznym odkształceniu, jeśli zaniknie działanie siły powodującej deformację. Plastomery wykazują nieznaczne odkształcenia spręŜyste przy niewielkich napręŜeniach, zaś przy wzroście napręŜeń
odkształcają się plastycznie, aŜ do zniszczenia.
W zaleŜności od właściwości technologicznych rozróŜnia się termoplasty i duroplasty. Termoplasty (tworzywa termoplastyczne) pod wpływem temperatury przechodzą
w stan plastyczny. Jeśli temperatura nie prowadzi do wyraźnych zmian właściwości
polimeru, to termoplasty mogą być przetwarzane i kształtowane wielokrotnie. Do
termoplastów naleŜą prawie wszystkie tworzywa polimeryzacyjne a ponadto poliamidy, poliwęglan, poli(siarczekfenylenu), niektóre poliestry, polieterosulfony i termoplastyczne pochodne celulozy. Duroplasty są to tworzywa, które pod wpływem
podwyŜszonej temperatury lub innych czynników przekształcają się w produkt przestrzennie usieciowany, nietopliwy i nierozpuszczalny.
W zaleŜności od sposobu utwardzania rozróŜnia się tworzywa termoutwardzalne
(np. fenoplasty i aminoplasty) oraz chemoutwardzalne (np. poliuretany, nienasycone
Ŝywice poliestrowe i epoksydowe). Ogrzewanie produktu usieciowanego nie powoduje jego mięknienia, moŜe natomiast doprowadzić do chemicznego zniszczenia polimeru.
5
3.
Budowa polimerów
3.1.
Budowa makrocząsteczek
W zaleŜności od rodzaju reagujących monomerów oraz warunków, w jakich prowadzona jest synteza polimeru, otrzymuje się polimery o liniowej budowie cząsteczki,
polimery o łańcuchu rozgałęzionym oraz polimery usieciowane. Struktura usieciowana powstaje w wyniku oddziaływania temperatury (polimery termoutwardzalne),
utwardzaczy chemicznych (polimery chemoutwardzalne) bądź promieniowania jonizującego. Elastomery charakteryzują się stosunkowo niewielkim stopniem usieciowania. Znaczny stopień usieciowania jest charakterystyczny dla duroplastów. Ze
wzrostem stopnia rozgałęzienia i stopnia usieciowania polimeru wzrasta jego odporność cieplna.
Jeśli cząsteczka monomeru zawiera grupy boczne (podstawniki), to względem łańcucha polimeru mogą być one rozmieszczone w sposób nieuporządkowany – ataktyczny – lub w jeden ze sposobów uporządkowanych – izotaktyczny lub syndiotaktyczny. Polimery o uporządkowanym ułoŜeniu podstawników (tzw. polimery stereoregularne) wykazują większą skłonność do krystalizacji, wyŜszą temperaturę topnienia, większą gęstość i znacznie lepsze właściwości mechaniczne niŜ polimery
ataktyczne.
3.2.
Rozmieszczenie makrocząsteczek – struktura fazowa
Rozmieszczenie cząsteczek polimeru moŜe być przypadkowe lub w pewnym stopniu
uporządkowane. Polimery o całkowicie przypadkowym ułoŜeniu cząsteczek – amorficzne – to duroplasty oraz większość tworzyw o dobrej przezroczystości. Uporządkowany układ cząsteczek, typowy dla polimerów krystalicznych rzadko występuje w
postaci „czystej”. Z reguły poszczególne obszary uporządkowanego ułoŜenia cząsteczek – krystality – oddzielone są obszarami amorficznymi. Ze wzrostem stopnia krystaliczności polimerów wzrasta temperatura topnienia, poprawiają się właściwości
wytrzymałościowe, maleje przezroczystość a przejście ze stanu stałego w ciekły odbywa się w węŜszym zakresie temperatur.
6
4.
Przegląd wybranych tworzyw sztucznych
POLISTYREN [PS] i KOPOLIMERY STYRENOWE
Otrzymywany jest metodami polimeryzacji styrenu w masie lub zawiesinie. Polistyren niemodyfikowany jest tworzywem kruchym i przeźroczystym. Dzięki modyfikacji
polistyrenu dodatkami kauczuków lub elastomerów otzymuje się tworzywa o znacznej udarności. Przetwarzany metodami wtryskowymi oraz metodami spieniania. Pod
wpływem promieniowania ultrafioletowego Ŝółknie i staje się kruchy. Zakres temperatur uŜytkowania od -20 do +60°C. Stosowany jako tworzywo konstrukcyjne, do
celów elektrotechnicznych oraz termoizolacyjnych. Kopolimery styrenowe o duŜej
udarności i zakresie temperatur uŜytkowania od -40 do +80°C są stosowane do wyrobu korpusów urządzeń elektrotechnicznych i elektronicznych, elementów wyposaŜenia pojazdów oraz rur. Specyficzną cechą kopolimeru ABS jest jego podatność do
metalizacji.
POLI(CHLOREK WINYLU) [PVC]
Jest to polimer amorficzny, zawierający do 10% fazy krystalicznej. Czysty PVC jest
polimerem twardym, o małej odporności cieplnej. JuŜ w temperaturze 120°C rozpoczyna się jego rozkład z wydzieleniem HCl. Właściwości fizyczne PVC modyfikuje się
poprzez dodatki stabilizatorów termicznych i optycznych (np. węglany metali alkalicznych, sadza, dwutlenek tytanu) oraz zmiękczaczy. PVC o podwyŜszonej udarności otrzymuje się w wyniku modyfikacji fizycznej (mieszanie w stopie) lub chemicznej
(kopolimeryzacja z elastomerami). Twardy PVC stosowany jest do wyrobu rur i profili konstrukcyjnych, zaś zmiękczony - głównie do wyrobu izolacji kabli i rur.
POLIOLEFINY [PE, PP, PIB]
Jest to duŜa grupa polimerów termoplastycznych węglowodorowych, o bardzo zróŜnicowanych właściwościach. Spośród tworzyw tej grupy najczęściej stosowane są
polietylen nałej i duŜej gęstości (LDPE i HDPE), polipropylen (PP) oraz poliizobutylen
(PiB). Poliolefiny mają dobre właściwości dielektryczne, małą gęstość i doskonałą
odporność chemiczną. Wyroby z poliolefin o duŜym stopniu polimeryzacji stosowane
są w temperaturach do 130°C. Właściwości poliolefin moŜna modyfikować poprzez
dodatki napełniaczy takich jak talk, kreda, sadza oraz szkło w postaci krótkiego
włókna lub mikrosfer. Istnieje moŜliwość częściowego sieciownia poliolefin w wyniku
naświetlania promieniowaniem jonizującym. Typowymi zastosowaniami poliolefin są
rury instalacji wodnych, kanalizacyjnych, gazowych i grzewczych (HDPE i PP), obudowy i opakowania, izolacje kabli, elementy elektrotechniczne oraz włókna i tkaniny
techniczne. LDPE w postaci spienionej lub tzw. folii kubeczkowych stosowany jest
do zabezpieczania przedmiotów podczas transportu. Specyficznym zastosowaniem
wysokokrystalicznego, izotaktycznego PP są liny cumownicze.
POLI(METAKRYLAN METYLU) [PMMA]
Jest polimerem amorficznym o duŜej twardości i doskonałych właściwościach
optycznych. Przetwarzany jest głównie metodami odlewania i wytłaczania. Zastosowania PMMA wynikają z jego właściwości optycznych: przeźroczyste osłony lamp,
7
otworów okiennych i wzierników, światłowody, przeźroczyste kompozycje do zalewania układów elektronicznych.
śYWICE EPOKSYDOWE [EP]
Są to związki zawierające co najmniej dwie grupy epoksydowe:
C
C
O
Pierścień ten łatwo reaguje ze związkami zawierającymi aktywne atomy wodoru. W
wyniku polireakcji następuje usieciowanie Ŝywicy. Wybór utwardzacza zaleŜy od
temperatury utwardzania.
Od temperatury utwardzania (do 180°C) zaleŜy odporność cieplna utwardzonego
produktu. śywice epoksydowe stosowane są w przemyśle elektotechnicznym i elektronicznym, maszynowym, budowy środków transportu. Podstawowe formy zastosowania tworzyw epoksydowych to Ŝywice do zalewania, laminaty, kompozytowe
elementy konstrukcyjne, kleje i proszkowe materiały malarskie oraz materiały do
napraw i regeneracji (np. produkty firmy Belzona). Wzmacnianie Ŝywic epoksydowych zbrojeniami włóknistymi o duŜej wytrzymałości (grafit, szkło, włosowate monokryształy metali) pozwala uzyskać materiały konstrukcyjne nie ustępujące metalom pod względem właściwości wytrzymałościowych.
5.
Identyfikacja tworzyw sztucznych
Przepisy dotyczące ochrony środowiska wymagają znakowania wyrobów
z tworzyw sztucznych symbolami znormalizowanymi w skali międzynarodowej.
Symbole te pozwalają na zidentyfikowanie materiału. O ile wyrób nie jest oznakowany, moŜna podjąć próbę określenia rodzaju tworzywa na postawie próby spalania
lub wraŜliwości na działanie wybranych odczynników.
Tworzywa sztuczne i zmodyfikowane tworzywa naturalne są identyfikowane na podstawie:
– wyglądu i postaci wyrobu,
– przybliŜonej gęstości;
– zachowania się podczas ogrzewania i w płomieniu palnika;
–
odporności na działanie kwasów, zasad i rozpuszczalników.
W celu prawidłowej identyfikacji konieczne jest zapoznanie się z wyglądem wzorców
tworzyw.
8
5.1. Oznaczenia wybranych polimerów
ABR
kauczuk akrylanowo-butadienowy (Acrylat-Butadien-Rubber)
ABS
akrylonitryl-butadien-styren
BR
kauczuk butadienowy (1,4-polibutadien)
BS
butadien-styren
CA
octan celulozy (CZA = bioctan cel., C3A = trioctan cel., także CTA)
CAB
octanomaślan celulozy
CPVC chlorowany polichlorek winylu), (rzadkie oznaczenie), p. także PVC-C
EMA kopolimer etylen/metakrylan
EP
żywica epoksydowa
EPP
kopolimer etylen/propylen
FF
żywice furanowo-formaldehydowe
IR
kauczuk izoprenowy (Isopren-Rubber)
PA 6 poliamid z kaprolaktamu
PA 66 poliamid z heksametylenodiaminy/kwasu adypinowego
PA 11 poliamid z kwasu 11-aminoundekanowego
PA 12 poliamid z kwasu dodekanowego
PC
poliwęglan
PC+ABS mieszanka (blenda) poliwęglan + akrylonitryl-butadien-styren
PE
polietylen o niskiej gęstości
PET
poli(tereftalan etylenu)
PF
żywica fenolowo-formaldehydowa
PI
poliimid
PIB
poliizobutylen, także poliizobuten,
POM polioksymetylen albo poliformaldehyd albo poliacetal
PP
polipropylen
PPS
poli(siarczek fenylenu)
PS
polistyren
PSE
polistyren, spieniony (p. także EPS)
PSU
polisulfon
PUR
poliuretan
PUR-E poliuretan spieniony
PUR+ABS mieszanka (blenda) poliuretan + akrylonitryl-butadien-styren
PUR+PC mieszanka (blenda) poliuretan termoplastyczny + poliwęglan
PVAC polioctan winylu)
PVAL poli(alkohol winylowy)
PVC
polichlorek winylu) (E-PVC = emulsja-PVC, S-PVC = suspensja-PVC)
PVC-C chlorowany PVC, (czasem także CPVC)
PVF
poli(fluorek winylu)
PTFE policzterofluoroetylen
VF
fibra
Oznaczenia dodatkowe: HD – wysoka gęstość, LD niska gęstość, GF – dodatek włókna szklanego.
9
Tabela 2. RozróŜnianie tworzyw sztucznych na podstawie wyglądu zewnętrznego i
postaci wyrobu (wg K. Dobrosza i A. Matysiaka)
Wygląd zewnętrzny
i postać tworzywa
Przypuszczalny rodzaj tworzywa lub grupy tworzyw
Granulaty wtryskowe
tworzywa termoplastyczne, rzadziej duroplasty
Tłoczywa do prasowania
o jasnych barwach
przede wszystkim aminoplasty, wyklucza się fenoplasty
Folie
najczęściej polietylen, poli(chlorek winylu), polipropylen, poliamidy, poliwęglan, poli(tetraftalan etylenowy), octan i octanomaślan celulozy; postać folii eliminuje duroplasty
Włókna
poliamidy, poliestry termoplastyczne; polipropylen; postać
włókien eliminuje duroplasty
Profile miękkie
najczęściej PVC zmiękczony, polietylen, polipropylen poliamidy, octan i octanomaślan celulozy, politetrafluoroetylen; wyklucza się duroplasty
Profile sztywne
PVC twardy; wyklucza się tworzywa miękkie, np. PVC zmiękczony lub polietylen
Laminaty zbrojone włóknem najczęściej laminaty poliestrowe lub epoksydowe
szklanym
Kity
przede wszystkim fenoplasty, epoksydy, poliestry lub poliuretany, PVC zmiękczony
śywice ciekłe lub stałe
Ŝywice fenolowe, poliestrowe lub epoksydowe
Laminaty z nośnikiem pa- przede wszystkim laminaty lub melaminowe
pierowym lub tekstylnym
Płyty i elementy wykrawane najczęściej poli(metakrylan metylu), PVC twardy, termoplastyz płyt
czne estry celulozy, poliwęglan;
postać płyt mogą mieć takŜe laminaty, najczęściej fenolowe,
melaminowe i poliestrowe
Tworzywa porowate
najczęściej poliuretany, polistyren (kolor śnieŜnobiały) i PVC
Przezroczyste płyty o duŜej poli(metakrylan metylu), poliwęglan
grubości
Odlewy o masie do kilku kg
Ŝywice poliestrowe lub epoksydowe, rzadziej polimetakrylan
metylu
10
Tabela 3. RozróŜnianie wybranych tworzyw sztucznych na podstawie gęstości, temperatury topnienia (mięknienia) polimeru oraz zachowania się w płomieniu
i w rozpuszczalnikach
Gęstość
Tworzywa
[g/cm3]
1
Temperatura
topnienia
(mięknienia)
polimeru [°C]
Zachowanie się
tworzywa
w płomieniu
Wygląd płomienia
Zapach po zgaszeniu próbki
Zachowanie się tworzywa
w rozpuszczalnikach
3
4
5
6
7
2
Polipropylen
0,89 ÷ 0,91
160 ÷ 170
po zapaleniu pali
się dalej samo,
topi się i kapie
świecący
z niebieskim
środkiem
słaby, palonej parafiny
rozpuszcza się we wrzącym
toluenie, wytrąca się po ochłodzeniu
Polietylen
0,91 ÷ 1,00
0,92 ÷ 0,94
0,94 ÷ 0,96
100 ÷ 110
110 ÷ 120
130 ÷ 140
po zapaleniu pali
się dalej samo,
topi się i kapie
świecący
z niebieskim
środkiem
słaby, palonej parafiny
rozpuszcza się we wrzącym
toluenie
Poliamid
Poliamid
Poliamid
Poliamid
1,01
1,03
1,12
1,13
170
180
215
250
po zapaleniu pali
się dalej samo,
kapie, powstają
banieczki i ciągnące się nitki
świecący, nie- typowy, podobny
bieskawy
do palonego rogu
z Ŝółtym obrzeŜem
rozpuszczalne w stęŜonym
kwasie mrówkowym i fenolu
zapalony pali się
dalej, mięknie
świecący, silnie charakterystyczny
kopcący
słodko-kwiatowy
rozpuszczalne w acetonie,
chlorku metylu
podobnie jak polistyren; zaleŜnie od rodzaju kopolimeru rozpuszczalność moŜe być mniejsza
12
11
6
6.6
÷
÷
÷
÷
1,04
1,05
1,15
1,16
÷
÷
÷
÷
180
190
225
260
Polistyren
1,04 ÷ 1,08
90 ÷ 110
Kopolimery styrenu
1,02 ÷ 1,09
–
po zapaleniu pali
się dalej samo,
mięknie
świecący, silnie charakterystyczny
kopcący
słodko-kwiatowy
oraz palonej gumy
lub drapiący
śywice poliestrowe
śywice poliestrowe
z włóknem szklanym
Aminoplasty
z napełniaczem
mineralnym
1,10 ÷ 1,40
1,80 ÷ 2,30
–
–
po zapaleniu pali
się dalej samo,
zwęgla się
świecący, kop- słodko-kwiatowy
praktycznie nierozpuszczalne
cący
(podobnie jak przy (słabo rozpuszczalne w acetopolistyrenie)
nie)
Aminoplasty
Aminoplasty
Aminoplasty
z napełniaczem z napełniaczem z napełniaczem
mineralnym
mineralnym
mineralnym
Aminoplasty
Aminoplasty
z napełniaczem z napełniaczem
mineralnym
mineralnym
Aminoplasty z napełniaczem
mineralnym
11
Gęstość
Tworzywa
[g/cm3]
1
2
Temperatura
topnienia
(mięknienia)
polimeru [°C]
Zachowanie się
tworzywa
w płomieniu
Wygląd płomienia
Zapach po zgaszeniu próbki
Zachowanie się tworzywa
w rozpuszczalnikach
3
4
5
6
7
śywice epoksydowe
śywice epoksydowe
z włóknem szklanym
1,10 ÷ 1,40
–
po zapaleniu pali
się dalej samo
świecący, kop- najpierw mało
praktycznie nierozpuszczalne
cący
charakterystyczny, (pęcznieje nieco w acetonie
potem fenolu
i estrach)
1,80 ÷ 2,30
–
Octanomaślan celulozy
1,11 ÷ 1,22
125 ÷ 175
po zapaleniu pali
się dalej samo,
topi się i kapie
świecący, Ŝółty, kwasu octowego
rozpuszczalne w acetonie, diokiskrzący
i masłowego, palo- sanie i octanie etylu; przy
nego papieru
ogrzewaniu w 30% kwasie siarkowym występuje zapach octu
i kwasu masłowego
Poli(metakrylan
metylu)
1,16 ÷ 1,20
160 ÷ 190
po zapaleniu pali
się dalej samo,
mięknie
świecący, trza- typowy, owocowy
skający, Ŝółty z
niebieskim
środkiem
Poli(chlorek winylu)
zmiękczony
Poli(chlorek winylu)
twardy
1,19 ÷ 1,41
–
1,38 ÷ 1,41
140 ÷ 160
pali się w płomieniu, gaśnie poza
płomieniem,
mięknie, następnie
ulega rozkładowi
barwiąc się na
brązowo lub czarno
Ŝółty z zielonym obrzeŜem,
białe dymy,
ewentualnie
iskry
Poliwęglan
1,20 ÷ 1,22
220 ÷ 230
pali się w płomieniu, gaśnie poza
płomieniem, topi
się, ulega rozkładowi i zwęgleniu
świecący, kop- zbliŜony do fenolu
cący
Poliuretany
usieciowane
1,20 ÷ 1,26
–
po zapaleniu pali
się dalej samo,
topi się i kapie,
szybko się zwęgla
świecący
rozpuszczalne w acetonie, benzenie, dioksanie i octanie etylenu
chlorowodoru
rozpuszczalne w cykloheksano(charakterystyczny nie i tetrawodorofuranie
dla tworzyw winylowych)
rozpuszczalne w chlorku metylu, cykloheksanonie i krezolu
charakterystycznie rozpuszczalne w dimetylofornieprzyjemny,
mamidzie, poza tym prawie
ostry
nierozpuszczalne
12
Gęstość
Tworzywa
[g/cm3]
1
2
Temperatura
topnienia
(mięknienia)
polimeru [°C]
Zachowanie się
tworzywa
w płomieniu
Wygląd płomienia
Zapach po zgaszeniu próbki
Zachowanie się tworzywa
w rozpuszczalnikach
3
4
5
6
7
Ŝółtozielony,
iskrzący
kwasu octowego i palonego
papieru
kwasu octowego
i palonego papieru
rozpuszczalne w acetonie, dioksanie i octanie etylu; przy
ogrzewaniu w 30% kwasie siarkowym występuje zapach octu
pali się słabo w
płomieniu, gaśnie
poza płomieniem
jasny, kopcący
fenolu i formaldehydu
rozpuszczalne w stęŜonym ługu,
alkoholu i acetonie (tylko
w przypadku Ŝywic)
po zapaleniu pali
się dalej samo,
mięknie, topi się
i kapie
świecący, kopcący
słodkawy, aromatyczny
rozpuszczalne w fenolu oraz
w mocnych kwasach i zasadach; ulega hydrolizie we wrzącej wodzie
po zapaleniu pali
świecący, niesię dalej samo, topi bieskawy
się i rozkłada
ostry, formaldehydu
rozpuszczalne w trietanoloaminie
pali się bardzo
słabo, gaśnie poza
płomieniem
amoniaku i formaldehydu
nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych
Octan celulozy
1,22 ÷ 1,32
125 ÷ 175
śywice fenolowe
1,26 ÷ 1,28
–
Tłoczywa fenolowe z
napełniaczem organicznym
1,30 ÷ 1,41
–
Tłoczywa fenolowe z
napełniaczem nieorganicznym
1,50 ÷ 2,00
–
Poliestry termoplastyczne
– poli(tereftalan
etylenowy)
– poli(tereftalan
butylenowy)
1,38 ÷ 1,41
–
Tworzywa acetalowe
1,41 ÷ 1,43
165 ÷ 185
Amonoplasty
z napełniaczem
organicznym
1,47 ÷ 1,52
–
1,50 ÷ 2,00
–
2,10 ÷ 2,20
327
Politetrafluoroetylen
250 ÷ 260
220 ÷ 230
nie pali się
jasny, często
z białymi brzegami
–
–
Nierozpuszczalne
13
PrzybliŜone gęstości w g/cm3 najpopularniejszych tworzyw sztucznych są następujące:
– 0,9 - 1,0 - polietylen, polibutylen, polipropylen (nie toną w wodzie; jeszcze
mniejszą gęstość posiadają tworzywa w postaci spienionej);
– 1,0 - 1,2 - polistyren, polimetakrylany, poliestry, epoksydy, poliamidy;
– 1,2 - 1,4 - fibra, bakelit, celuloid, celofan, polichlorek winylu;
– 1,4 - 1,5 - aminoplasty;
– 1,5 - 1,8 - tworzywa z wypełniaczami nieorganicznymi, laminaty;
–
powyŜej 1,8 - silikony, teflon.
6. Cel i wykonanie ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie najwaŜniejszych tworzyw sztucznych i przykładów ich zastosowań oraz metod ich identyfikacji.
7. Przebieg ćwiczenia
1. Zidentyfikować próbki tworzyw sztucznych kierując się następującymi kryteriami:
– określić
barwę,
przezroczystość,
przybliŜoną
gęstość i elastyczność próbek tworzyw sztucznych;
– określić zachowanie
się próbek tworzyw sztucznych w otwartym
płomieniu, trzymając próbkę szczypcami nad płomieniem tak, aby w początkowej fazie nie dopuścić do jej zwęglenia;
– zbadać zachowanie się próbek tworzyw podczas ogrzewania w probówce;
ustalić odczyn wydzielających się podczas ogrzewania par,
– określić odporność próbek tworzyw sztucznych na działanie kwasów, zasad i
rozpuszczalników organicznych, umieszczając próbki na porcelanowej płytce
i nanosząc na ich powierzchnię kolejno kropię kwasu, zasady i rozpuszczalnika organicznego, a następnie obserwować reakcje.
2. Zapoznać się z przykładami zastosowań wybranych grup materiałów polimerowych na podstawie przedstawionych zestawów próbek.
8. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
–
–
–
–
podstawowe wiadomości o tworzywach sztucznych;
dokładny opis przeprowadzonych prób i wyniki dla kaŜdego
tworzywa;
oznaczenia zidentyfikowanych tworzyw sztucznych oraz podstawowe
informacje o ich właściwościach i zastosowaniach.
14
9. Wymagania
1.
2.
3.
4.
Podstawowe pojęcia charakteryzujące tworzywa sztuczne.
Sposoby klasyfikacji tworzyw sztucznych.
Struktura chemiczna i morfologiczna tworzyw sztucznych.
Podstawowe właściwości i zastosowania najpowszechniej stosowanych tworzyw
sztucznych.
5. Oznaczenia tworzyw sztucznych.
10. Literatura uzupełniająca
1. Blicharski M.: „Wstęp do inŜynierii materiałowej"', WNT, Warszawa
2001 (str. 350 - 355 i 417 -421).
2. Topoliński T.: „Materiałoznawstwo", WTJATR, Bydgoszcz 1999 (str. 110-131).
3. Ashby M. A.: „Materiały inŜynierskie" tom II, WNT, Warszawa 1996 (str. 265320),
4. Domke W.: „Vademecum materiałoznawstwa'', WNT, Warszawa 1989 (str. 227268).
5. Prowans S.: „Materiałoznawstwo"1, PWN, Warszawa 1986 (str. 417 -427).
15