(ćw. 14 - makrocz¹steczki, tworzywa sztuczne_2007)

Ćwiczenie 14.
Tworzywa sztuczne
Tworzywa sztuczne jest to umowna nazwa materiału, w którym oprócz podstawowego
składnika — polimeru (związku wielkocząsteczkowego otrzymanego metodami
chemicznymi) znajdują się inne substancje chemiczne, tzw. składniki, środki pomocnicze lub
dodatki. Do składników tworzyw sztucznych zalicza się:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Napełniacze,
Nośniki,
Stabilizatory,
Zmiękczacze (plastyfikatory),
Antyutleniacze,
Barwniki,
Pigmenty,
Antystatyki itp.
Zadaniem tych składników jest modyfikacja właściwości fizycznych polimeru, a zatem
otrzymanie nowego materiału. Tworzywa sztuczne określa się również jako układy
heterogeniczne, dwu- lub wieloskładnikowe, składające się z matrycy polimeru, w której, są
rozproszone (zdyspergowane) określone substancje, zwane dodatkami lub środkami
pomocniczymi. Nazywane są często również żywicami organicznymi lub masami
plastycznymi.
Przykłady monomerów ważniejszych polimerów:
H
H
C
C
H
H
Cl
C
C
Cl
H
Cl
F
F
H
H
C
C
F
F
H
CH3
C
C
H
COOCH3
chlorek winylu (PCW),
czterofluoroetylen (teflon)
C
C
chlorek winylidenu (saran),
styren (polistyren),
H
metakrylan metylu (szkło organiczne, pleksiglas).
34
Spośród zalet większości tworzyw sztucznych należy wymienić ich niewielki ciężar
właściwy, brak smaku i zapachu, dobrą odporność na korozję oraz działanie kwasów i zasad,
łatwość kształtowania, dobrą zdolność barwienia, dobre właściwości izolacyjne prądu
elektrycznego i ciepła. Poza zaletami tworzywa te mają wady takie jak: zmniejszona
wytrzymałość mechaniczna, większa niż u metali rozszerzalność cieplna oraz palność.
Istotną cechą tworzyw sztucznych jako związków chemicznych jest występowanie w nich
dużych cząsteczek, w których atomy pierwiastków tworzące podstawowy szkielet połączone
są silnymi wiązaniami kowalencyjnymi.
Proces, w czasie, którego małe cząsteczki wiążą się w makrocząsteczkę nosi nazwę
polimeryzacji. Cząsteczki małe, z których może być utworzona makrocząsteczka (polimer)
nazywa się monomerem. Ze względu na mechanizm reakcji rozróżnia się polimeryzację
addytywną i kondensacyjną.
Do polimeryzacji addytywnej (przyłączeniowej) zdolne są związki nienasycone, które w
cząsteczce mają wielokrotne (podwójne lub potrójne) wiązanie kowalencyjne pomiędzy
atomami węgla. Stykanie się cząsteczek monomerów ze sobą nie powoduje automatycznie
polimeryzacji addytywnej. Reakcja addycji musi być zapoczątkowana przez dostarczenie
energii (energia aktywacji) w takiej ilości, aby cząsteczka przeszła w stan aktywny, dzięki
czemu będzie mogła reagować z inną wzbudzoną cząsteczką. Energia aktywacji potrzebna do
zajścia reakcji może być obniżona przez zastosowanie katalizatora, a przez to szybkość
reakcji wzrośnie.
Drugi rodzaj polimeryzacji, czyli polimeryzacja kondensacyjna związana jest z
cząsteczkami zawierającymi odpowiednie grupy funkcyjne takie jak: -NH2, -COOH, -OH.
Cząsteczki takie reagują ze sobą z odłączeniem produktu ubocznego, którym jest zwykle
woda lub inne proste cząsteczki: HCl, NH3, CH3OH.
Procesem odwrotnym do polimeryzacji jest depolimeryzacja, w którym następuje rozpad
cząsteczek polimeru na cząstki mniejsze, w efekcie dochodząc do cząsteczki monomeru.
Depolimeryzacja zachodzi w tworzywach sztucznych w wysokiej temperaturze z powodu
dużych drgań cieplnych cząsteczek, co prowadzi do zrywania wiązań międzycząsteczkowych.
Na właściwości tworzyw sztucznych mają wpływ takie czynniki jak:
1. Budowa przestrzenna cząsteczki monomeru oraz makrocząsteczki polimeru; wpływa na
właściwości wytrzymałościowe tworzywa sztucznego. Właściwości te związane są z
rodzajem występujących cząsteczek w związku. W przypadku występowania cząsteczek
jednakowych, tworzywo sztuczne jest bardziej podatne na odkształcenia, a więc posiada
mniejszą wytrzymałość mechaniczną. Dzieje się, tak dlatego, że cząsteczki jednakowej
wielkości w małym stopniu ograniczają ruch innych cząsteczek. W przypadku różnej
wielkości cząsteczek (np. w polichlorku winylu występują cząsteczki zawierające atomy
chloru) następuje większe ograniczenie ruchu cząsteczek względem siebie oraz wzrost sił
przyciągania van der Waalsa wskutek polaryzacji w cząsteczce. Tworzywo o takich
cząsteczkach charakteryzuje się większą odpornością na odkształcenia oraz posiada
wyższe wytrzymałości mechaniczne.
35
2. Długość łańcucha, wpływa na własności fizyczne; tworzywa sztuczne o krótkich
łańcuchach to ciecze, o dłuższych – to ciała półstałe, i o bardzo długich – ciała stałe. Im
dłuższy łańcuch posiada związek tym jest trudniej rozpuszczalny
3. Budowa chemiczna monomeru,
4. Chemiczne wiązanie poprzeczne pomiędzy łańcuchami; ograniczają znacznie ruch
sąsiednich łańcuchów w stosunku do siebie. Wiązanie to wpływa, zatem na własności
mechaniczne i rozpuszczalność tworzyw sztucznych w rozpuszczalnikach organicznych,
5. Rozgałęzienie łańcucha,
6. Uporządkowanie poszczególnych łańcuchów względem siebie.
Tworzywa sztuczne można podzielić ze względu na:
1. Pochodzenie związku:
•
Naturalne – celuloza, kauczuki,
•
Syntetyczne – polimery winylowe itp.
2. Metodę otrzymywania:
•
Polimeryzacyjne – polietylen, polichlorek winylu,
•
Polikondensacyjne – żywice poliestrowe,
•
Poliaddycyjne – poliuretany,
3. Zachowanie się podczas ogrzewania:
•
Tworzywa termoplastyczne – termoplasty,
•
Tworzywa termoutwardzalne – duroplasty,
Tworzywa sztuczne można również podzielić ze względu na kryteria stosowane w
technice – związane z właściwościami mechanicznymi:
•
Elastomery,
•
Tworzywa półsztywne nieorientowane i orientowane,
•
Tworzywa twarde
36
Ćwiczenie 1.
Otrzymywanie tworzywa z grupy aminoplastów.
Cel ćwiczenia: otrzymanie żywicy mocznikowo-formaldehydowej.
Aparatura:
2 probówki, palnik gazowy,
odczynniki:
mocznik, 40%-towy metanalu (formalina), 20%-towy roztwór HCl, szampon
płynny
Wykonanie doświadczenia:
1. W probówce rozpuścić 1 g (około 2 cm3) mocznika w jak najmniejszej ilości
formaliny,
2. W drugiej probówce umieścić 0,5 cm3 szamponu i dodać do niego 2 krople 20% HCl,
3. Oba roztwory zmieszać ze sobą i silnie wstrząsnąć, aż do całkowitego spienienia się,
4. Zawartość probówki ogrzewać do wrzenia na małym ogniu,
5. Odczekać około 10 minut i jeszcze raz lekko podgrzać,
6. Pozostawić do ochłodzenia.
Sprawozdanie:
1.
Opisać właściwości produktu (kolor, konsystencję, zapach itp.),
2.
Podać wzór strukturalny produktu
3.
Wymienić przykładowe zastosowanie takiego tworzywa sztucznego.
37
Ćwiczenie 2.
Otrzymywanie polimetakrylanu metylu (szkło organiczne).
Cel ćwiczenia: otrzymanie polimetakrylanu metylu (szkła organicznego).
Aparatura:
Probówka, zlewka 200 cm3, trójnóg, palnik, siatka azbestowa, łaźnia wodna
Odczynniki:
Monomer metakrylanu metylu, nadtlenek benzoilu
Wykonanie ćwiczenia.
1. Do probówki wlać 1 cm3 monomeru metakrylanu metylu i dodać odrobinę katalizatora
– nadtlenku benzoilu,
2. Zawartość próbówki podgrzać do wrzenia,
3. Po zagotowaniu, przerwać ogrzewanie w płomieniu palnika i włożyć probówkę do
łaźni wodnej z gotującą się wodą,
4. Utrzymywać próbkę w gotującej się wodzie do chwili zauważenia zmian w
konsystencji mieszaniny,
5. Przerwać ogrzewanie i probówkę pozostawić w gorącej wodzie, po pewnym czasie
otrzymuje się przeźroczysty polimetakrylan.
Sprawozdanie:
1. Opisać właściwości produktu (kolor, konsystencję, zapach itp.),
2. Podać wzór strukturalny produktu,
3. Wymienić przykładowe zastosowanie takiego tworzywa sztucznego.
38
Ćwiczenie 5.
Identyfikacja tworzywa sztucznego.
Cel ćwiczenia: zidentyfikowanie tworzywa sztucznego na podstawie próby topienia, spalania
i właściwości produktów rozkładu.
Aparatura:
Próbówka, trójnóg, palnik, siatka azbestowa, papierki lakmusowe, szpachelka
Odczynniki:
Różne próbki tworzyw sztucznych
Wykonanie ćwiczenia. Wszystkie próby wykonywać pod dygestorium!!!.
1. Wykonać próbę topienia:
•
Próbkę tworzywa umieścić na szpachelce i wprowadzić do strumienia gorącego
powietrza nad palnikiem,
•
Obserwować zachowanie się tworzywa (mięknie, rozpływa się itp.),
2. Wykonać próbę palenia:
•
Próbkę tworzywa wprowadzić na KRÓTKO w płomień palnika,
•
Obserwować zachowanie się tworzywa po wyjęciu z płomienia (czy się pali nadal,
barwa płomienia, czy występuje sadza lub inne wyziewy, jaki jest płomień, czy
materiał topi się i spływa kroplami),
3. Analizę produktów rozkładu:
•
W probówce ogrzewać próbkę tworzywa sztucznego,
•
Obserwować zabarwienie produktów ogrzewania, zbadać odczyn (zwilżony wodą
destylowaną papierek lakmusowy umieścić u wewnętrznego wylotu probówki),
zbadać zapach
4. Wszystkie próby wykonać na podstawie zamieszczonej tabeli.
Sprawozdanie:
1. Opisać właściwości produktu (kolor, konsystencję, zapach itp.) według tabeli,
2. Podać rodzaj produktu,
3. Wymienić przykładowe zastosowanie takiego tworzywa sztucznego
39
Próba palenia się
Tworzywo
sztuczne
Gęstość
Próba
Temperatura
Temperatura
topienia
mięknięcia
płynięcia
Zapalność
Barwa
płomienia
Produkty rozkładu
Uwagi
Zabarwienie
Odczyn
zasadowy
kwaśny
Zapach
PCW miękki
1,38
+
75-77
160-180
Trudna
Zielonkawa
Nie pali się sam
Białe pary
-
+
Chlorowodoru
PCW twardy
1,30
+
-
140-160
Trudna
Zielonkawa
Może palić się dalej
Białe pary
-
+
Chlorowodoru
Samozapalający
Święcąco
się
żółtawa
Polistyren
Poliamid
Polietylen
Polimetakrylan
Polioctan
Fenoplasty
1,051,09
1,13
0,920,96
1,18
1,161,18
1,26-1,7
+
+
80-100
203
160
(203)
Pali się
Białe pary,
Kopcący płomień, topi się
105-130
120-160
Pali się
Niebieskawa,
Topi się, ścieka
żółty rąbek
nitkowatymi kroplami
niebieskawa,
później żółta
+
+
-
130-150
70
-
175-190
-
-
Pali się
Pali się
Trudna
-
-
powietrza
Początkowo
+
cięższe od
Słodkawy
Topi się, ścieka palącymi
się kroplami
Spala się spokojnie,
Żółtawa
trochę kopci
Niebieskawa,
żółty rąbek
i benzenu)
Brunatnawe
+
-
Spalonego białka
Białe
-
+
Parafiny
Owocowy,
Bezbarwne
słodkawy
Chlorowodoru i
Topi się, ścieka kroplami
Białe
-
+
rozpryskując
Różne
+
-
białe
+
-
Białe osmolone
Aminoplasty
-
-
-
-
Trudna
żółtawa
krawędzie, zwęgla się
pękając z trzaskiem
40
kwasu
masłowego
Trzaska, zwęgla się
Żółta
(zapach kwiatów
Fenolu i
formaldehydu
Ryby, amoniaku
i formaldehydu
Literatura:
1. L. Czerski „Chemia dla techników”
2. L. Van Vlack „Fizykochemiczne podstawy nauki o materiałach”
3. D. Żuchowska „Polimery konstrukcyjne” Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
Warszawa 1995
4. A. Wdowin, Z. Wójciekiewicz „Laboratorium z tworzyw sztucznych” Politechnika
Świętokrzyska, Kielce, 1996
5. D. Braun „Simple methods for identification of plastics” Hanser/Gardner Publisher
Inc., Cincinnati 1996
41