Nemfémes szerkezeti anyagok

Átírás

1 Nemfémes szerkezeti anyagok

2 Történelmi áttekintés: Az eszközkészítés e nemfémes anyagok felhasználásával kezdődött. A fémek megismerése minőségi változást hozott. A mai korban a nemfémes anyagok ismét jelentősen hozzájárul a fejlődéshez.

3 Műanyagok A neve is mutatja, hogy nem a természetben is megtalálható, hanem mesterségesen előállított anyagról van szó. Műanyag: - óriásmolekulákból áll, - természetes vagy mesterséges alapanyagból, - mesterségesen, vegyi úton előállított, - szerves anyag

4 A műanyagot óriásmolekulák alkotják. Egy molekula akár százezer atomból is állhat. Óriásmolekulák a természetben is vannak (cellulóz, selyemszál szaru) A mesterséges óriásmolekulákat sok, kis molekula összekapcsolásával állítják elő. A kis molekulákat monomereknek nevezik. Ha sok monomert mesterségesen, vegyi úton összekapcsolnak, polimer jön létre. Az alapanyag lehet természetes anyag és lehet mesterséges anyag.

5 A műanyagok előállítása történhet: - polimerizációval (A polimerizáció láncreakció, melyben a monomerek polimerré kapcsolódnak össze, ez bizonyos esetekben csupán indikátorokkal és katalizátorokkal indítható meg, más esetekben akár szobahőmérsékleten bekövetkezik) - polikondenzációval (A polikondenzáció a lépcsős polimerizáció egyik fajtája, melynek során a két (vagy több) funkciós csoportot tartalmazó monomerek másik (jellemzően kisméretű) molekula kilépése közben kapcsolódnak össze polimerré) - poliaddíciós eljárással (A poliaddíció olyan vegyi folyamat, amelyben különböző monomerek úgy kapcsolódnak egymáshoz, hogy közben melléktermék nem keletkezik)

6 A műanyagok szerves anyagok, amelyeket vegyületek kis atomszámú molekuláiból, ún. monomerekből álló óriásmolekulák alkotnak. Ezeket termelhetik élő szervezetek, (pl.: fa-, gyapot,- selyem,- szőr,- szaru) de lehetnek mesterségesen előállított anyagok is. Ez utóbbiakat nevezzük műanyagoknak. A műanyagok nem pótanyagok, hanem teljes értékű szerkezeti anyagok. Szerkezetüket tekintve lehetnek: - állhatnak láncmolekulákból, - lehetnek térhálós szerkeztűek

7 Ha a monomerek összekapcsolódása sorban, láncszerűen történik, ún. láncmolekulák jönnek létre. Ilyenkor a kis molekulákat erős vegyi kötés kapcsolja össze, viszont a láncokat csak gyenge vonzóerő, ún. van der Walls erők tartják össze. Az ilyen szerkezetű műanyagot hőre lágyuló műanyagnak nevezik.

8 Műanyagok csoportosítása a hővel szembeni viselkedés, a műanyag szerkezete, az alapanyag eredete, az óriásmolekulák előállítási módja szerint. Műanyagok csoportosítása hővel szembeni viselkedés alapján A hővel szembeni viselkedés szerint a műanyagokat a hőre lágyuló és a hőre nem lágyuló anyagok csoportjába soroljuk

9 hőre lágyuló (termoplasz) műanyagok láncmolekulákból épülnek fel, hőre nem lágyuló (duroplaszt) műanyagok térhálós szerkezetűek A térhálósítás vissza nem fordítható (irreverzibilis) folyamat Aműanyagok szerkezete A polimerek szerkezetének alapvető hatása van a műanyagok tulajdonságaira, így azok viselkedésére, felhasználhatóságára. A makromolekula alakja, nagysága, elhelyezkedése befolyással van többek között: hővel szembeni viselkedésre, a sűrűségre -a mechanikus tulajdonságokra, szilárdságra, vegyi és elektromos tulajdonságokra, duzzadási és oldódási tulajdonságokra

10 A molekulalánc lehet: nyújtott láncmolekula (pl. cellulóz), gombolyagmolekula (pl. polisztirol), hajtogatott láncmolekula (pl. kaucsuk), spirálmolekula (pl. izotaktikus polipropilén). A kristályos-műanyagszerkezet nem azonos a kristályos-fémszerkezettel. A kristályosműanyagszerkezeten azt értjük, hogy a láncokat alkotó monomerek egymáshoz képest is szabályos ismétlődéssel helyezkednek el Műanyagok eredet szerinti csoportosítása Eredet szerint megkülönböztetünk természetes alapú és mesterséges alapú műanyagokat.

11 Természetes alapú műanyagok azok, amelyeket a természetben található makromolekulákból (pl. cellulózból, fehérjéből, a tej kazein tartalmából, kau- csukból, növényi olajból) állítanak elő. szintetikus alapú műanyagok azok, amelyeknél a makromolekulákat is szintetikus úton állítják elő (pl. kőolajból). Műanyagok csoportosítása a makromolekulák előállításának módja szerint A műanyaggyártás lényege, hogy kis molekulákat polimerré kapcsolnak össze. A molekulák összekapcsolásának három módja van: polimerizáció, polikondenzáció, poliaddíció

12 Polimerizáció: Ha a kettöskötést felnyitják, akkor egy szabad vegyértékkel rendelkezik, amellyel egy ilyen másik monomerhez kapcsolódhat és így tovább. Egy láncmolekula jön létre, amelyet egy bizonyos atomszám után le kell zárni. így lesz az etilénből polietilén. A folyamatot polimerizációnak nevezik. Polikondenzációs folyamat során a kapcsolódó, különböző monomerekről atomok válnak le (pl. oxigén- és hidrogénatom), és ezeken a helyeken kapcsolódnak a monomerek. Mind a két kapcsolódási mód esetén a szénatomok képeznek láncot. Poliaddíciós folyamat során, az egyes atomok, a több fajta monomer között, átmennek egyikről a másikra. Ez az atom legtöbbször a hidrogén.

13 A felhasználás szempontjából legjellemzőbb tulajdonságok: Kissűrűség jellemzi a műanyagokat A kis súly különösen járműszerkezeteknél, szállítóberendezéseknél, egyéni védőeszközöknél, csomagolástechnikai anyagok felhasználása területén nagy jelentőséggel bír. Szakítószilárdságuk a fémekéhez képest, általában jóval kisebb. A kúszási hajlam jellemző tulajdonsága a műanyagoknak, ami azt jelenti, hogy tartós terhelés hatására deformációjuk az idő függvényében, már szobahőmérsékleten is, jelentősen és folyamatosan növekszik. A feszültségrelaxáció, más szóval elernyedés jellemzi a műanyagokat. Ez azt jelenti, hogy a terhelés hatására létrejött feszültség az anyagban, idővel csökken, anélkül, hogy a megnyúlás változna. (Csavar)

14 Az ún. viszko-elasztikus tulajdonság, más néven késleltetett nyúlás fontos mechanikai sajátossága a műanyagoknak. Rugalmassági tényezője a műanyagoknak, csupán tizede, sőt százada az acélok rugalmassági tényezőjének. A rezgéscsillapító hatás a műanyagok kedvező sajátossága, amelyet számos műszaki területen felhasználnak (alátétek, ütközők, gumirugók, gumiabroncsok ) Elektromos szigetelő képesség nagyon jellemző tulajdonsága a műanyagoknak. Statikus feltöltődésre való hajlam, jellemző a szigetelőképességükkel összefüggő tulajdonság, mivel a felületükön felhalmozódó töltések nem tudnak elvezetődni.

15 Az elektrostatikus feltöltődés csökkentésének, illetve elkerülésének (antistatikussá tételének) több módja is van: a levegő nedvességtartalmának növelése, a levegő ionizálása, a műanyag vezetőképességének növelése (pl. adalékolással). Hőszigetelő képessége a műanyagoknak igen jó. Habosítással ez a tulajdonság tovább fokozható. Hangszigetelő képességük hasonlóan kiváló. Hőtágulási tényezőjük nagyságrenddel nagyobb, mint a fémeké. A hővel szembeni érzékenység, illetve a csekély hőállóság nagy hátránya a műanyagoknak.

16 Nedvességfelvétel képessége: a műanyagok sajátossága, a fémektől eltérő jellemzője a műanyagoknak. A polimerek nagyrésze higroszkópos tulajdonságú. A nedvességfelvételt elősegítik az ún. hidrofilcsoportok A vízmolekulák az amorf részek hézagaiba is képesek beépülni A vízfelvételt a hőmérséklet is befolyásolja, általában a hőmérséklet növekedésével a vízfelvétel csökken. Sok esetben figyelembe kell venni, hogy a nedvességfelvétel során az anyag duzzad Csapágyaknál előnyös, hogy a műanyag telítéssel önkenővé tehető, a duzzadás és a nagy hőtágulás viszont hátrányos

17 Vegyszerállóság és korrózióállóság: előnyös tulajdonsága a műanyagoknak. Nincs szükség felületvédelemre, sőt a műanyag képezhet fémek felületén korrózióálló bevonatot Öregedési hajlam: hátrányos tulajdonsága a műanyagoknak. Az öregedés a környezeti körülmények között végbemenő, olyan fizikai és kémiai változások összessége, amelyek következtében az anyag rideggé, törékennyé válik, tönkremegy Az öregedés vegyi folyamat, amelynek során a molekulák, tönkremennek, leépülnek (degradálódnak). Létrejöttében több tényezőnek van szerepe, pl. a Nap UV sugarainak, hőnek, oxigénnek, valamint biológiai tényezőknek. Ilyen lehet például a penészgombák, mikroorganizmusok termelte anyagok, termeszek, rágcsálok kártétele.

18 Műanyagok tulajdonságainak megváltoztatása: A műanyagok tulajdonságai viszonylag tág határok között változtathatók Például a PVC lehet kemény, a mai csövek, lemezek előállítására alkalmas. Lággyá tehető, és így pl. padozatok borítására lesz alkalmas, sőt lehet bőrszerű is, mint a műbőrök esetében. Jobb szigetelő képesség érdekében ezek habosíthatók is. A műanyagok lágyítása lehet külső vagy belső. belső lágyításról akkor beszélünk, ha a gyártás során a makromolekulába más monomert is beépítenek, vagyis ún. kopolimert hoznak létre. Például az üvegszerü polisztirol butadiénnel kopolimerizálva szívós anyaggá alakul. külső lágyítás során a kész műanyaghoz adagolt lágyítószerek a makromolekulák közé hatolnak, és azokat eltávolítják egymástól, így gyengítve a másodlagos kötéseket. A kemény PVC- hez adagolva a lágyítószert, kaucsukszerü anyagot nyernek

19 műanyagok társítása további lehetőséget biztosít a műanyagok tulajdonságainak megváltoztatására, kedvezőbb szilárdsági és egyéb tulajdonságok biztosítására Főleg hőre nemlágyuló műanyagokat társítanak olyan anyagokkal, amelyek növelik szilárdságukat, szívósságukat, hőállóságukat, csökkentik alakváltozásukat, kúszásukat, elektromos szigetelő képességüket Vannak olyan adalékok is, amelyek vezetővé tehetik a műanyagokat. A társító vázanyagok lehetnek szemcsések, szálasanyagok, szövetek, rétegek vagy bevonatok A társított anyagok, az ún. kompozitok, nem csak műanyagok lehetnek, más szerkezeti anyagoknál is alkalmazzák a társítás módszerét A vázanyagok nagyon sokfélék lehetnek, pl. ilyen a fa, papír, textilszövet, természetes és mesterséges szálasanyagok, üvegszál, szénszál

20 Műanyagok főbb fajtái, típusai: közönséges műanyagok: tömegcikkek előállítására alkalmasak, áruk viszonylag alacsony. Idetartoznak a mindennapi gyakorlatban, a háztartásokban, csomagolástechnikában alkalmazott műanyagok, amelyekkel leggyakrabban találkozhatunk a mindennapi életben általános műszaki műanyagok: A műszaki műanyag kifejezés a technikai, gépészeti felhasználhatóságra, tehát a jobb mechanikai-szilárdsági tulajdonságokra, jó kopás- állóságra, kúszásállóságra, ütésállóságra, nagyobb kifáradási szilárdságra utal nagy teljesítményű műszaki műanyagokat (HPM High Performance Materials) speciális sajátosságokkal, nagy hőállósággal, szilárdsággal, igényes műszaki megoldásokhoz szükséges tulajdonságokkal rendelkeznek.

21 A műszaki gyakorlatban leggyakrabban előforduló müanyagfajták a hővel szembeni viselkedés szerint: Hőre nem lágyuló műanyagok: fenoplaszt aminoplaszt telítetlen poliészterek epoxigyanták Szilikongyanták Hőre lágyuló műanyagok fajtái: poliamidok poliuretán poli (vinil-klorid), poliolefinek (izo-butilén): - polietilénnek, - polipropilén, - poli(izo-butilén)

22 Hőre lágyuló műanyagok fajtái: polikarbonátok fluoroplasztok normál polisztirol poli(metil-metakrilát)-ok -poliformaldehid cellulózészterek szilikonolajok és zsírok Hőre nem lágyuló műanyagok A fenoplasztot fenolok és aldehidek kopolimerizációjával állítják elő. Sötét színű, jellegzetes szagú műanyag. Ez befolyásolja felhasználhatóságának területét. Törékeny, rideg anyag, ezért leginkább társított műanyagként használják

23 fenoplaszt jó szilárdsági tulajdonságokkal rendelkezik, vegyi, hőállósági, elektromos tulajdonságai jók, öregedésálló és viszonylag olcsó. Felhasználják csapágyakhoz, perselyekhez, jármüvek karosszériaelemeihez, kapcsolókhoz, elektromos szigetelőkhöz, tengelykapcsoló- és fékbetétekhez, gyártanak belőle fogaskereket, szendvicslemezeket. aminoplasztot aminocsoportot tartalmazó vegyületekből és formaldehidből állítják elő polikondenzációval (karbamid- és melaningyanták). Tulajdonságai hasonlóak a fenoplasztokéhoz, de világos színű és nincs jellegzetes szaga. Felhasználják mint faipari ragasztót, vagy társított sajtolóanyagként dolgozzák fel. Gyártanak belőle közszükségleti cikkeket, borítanak vele bútorlapokat. Szigetelő hab is készül belőle, de nedvszívó tulajdonsága miatt polietilén fóliával szigetelni kell

24 telítetlen poliésztereket többértékü alkoholoknak, többértékü savakkal történő polikondenzációjával állítják elő. A reakcióterméket polimerizálható monomerben oldják, majd a formázás során katalizátor hozzáadásával térhálósítják (szobahőmérsékleten vagy magasabb hőmérsékleten). A formázás nyomás nélkül is végezhető. A poliészterek vegyszer- és korrózióállóságukkal, hőállóságukkal, valamint jó elektromos és mechanikai tulajdonságaikkal tűnnek ki. Önmagukban is felhasználásra kerülnek. Szilárdságuk sűrűségüket is figyelembe véve, rendkívül kedvező Üvegszövet vázanyaggal nagyméretű lemezalakító szerszámok, személykocsik karosszériája, csónakok, vitorlások, motoros hajótestek, szállítóberendezések tartozékai, nagyméretű szállító- és tárolótartályok, vasúti- és közúti tartályokocsik készülnek belőle.

25 Epoxigyanták szobahőmérsékleten, lehetnek folyékonyak vagy szilárdak. A folyékonyak hidegen, a szilárdak melegen térhálósíthatók, megfelelő edzőanyag hozzáadásával. Térhálósodásuk során melléktermék nem képződik, csak igen csekély mértékű zsugorodás lép fel. Előnyös tulajdonságuk, hogy tapadóképességük fémekhez, fához, porcelánhoz, üveghez, kerámiához, vagyis a legtöbb szerkezeti anyaghoz igen jó Edzett acélból készült szerszámdarabok beágyazására, egymáshoz erősítésére az epoxigyanta kiválóan alkalmas. Üvegszövettel erősítve szendvicsszerkezetek, hajótestek, autókarosszériák, repülővázak és csövek gyártására alkalmas Szilikongyanták legértékesebb tulajdonsága a jó hőállóság. Ezek az anyagok 200 C-ot tartósan, 300 C-ot rövid ideig kibírnak anélkül, hogy szilárdsági jellemzőik meg ngedett mérték alá csökkennének. Elektromos tulajdonságaik is kedvezőek

26 Hőre lágyuló műanyagok A poliamidok A poliamidok elsősorban nagy kopásállóságukkal, hajlítószilárdságukkal és szívósságukkal tűnnek ki. Kopásállóságuk és ún. karcállóságuk valamennyi műanyag között a legkedvezőbb. Súrlódási tényezőjük igen kicsi. Ez a tulajdonság elsősorban a csapágygyártás területén jól hasznosítható Jellegzetességük, hogy nedvszívó képességük viszonylag nagy, levegőn 2-5% nedvességet vesznek fel, vízbe mártva nedvességtartalmuk elérheti a 10-15%-ot is. Ez a tulajdonság önkenő csapágyak készítéséhez teszi alkalmassá őket. Hőállóságuk C-ig terjed. Vegyszerállóságuk jó, olajoknak, alifás szénhidrogéneknek, valamint kisebb koncentrációjú lúgoknak jól ellenállnak

27 Poliuretán tulajdonságai közel állnak a poliamidok tulajdonságaihoz, csak nedvszívó képességük jóval kisebb. Kopásállóságuk igen jó. A poliuretán elasztomerek nagy előnye a kaucsukkal szemben, hogy a hőre lágyuló műanyagok valamennyi feldolgozási eljárásával formázhatók. Rugalmassági modulusok 500 N/rnnr és N/mnr között változtatható. Értékes tulajdonságuk, hogy rugalmassági modulusok C-ig gyakorlatilag nem változik, továbbá hogy maradó alakváltozásuk igen kicsi. Nagy mennyiségben használják fel habanyagként, kemény és lágy formában. A poliuretánhab kiváló hő- és hangszigetelő, valamint jó rezgéscsillapító

28 poli (vinil-klorid), röviden PVC: elektromos tulajdonságai kiválóak. Tisztán feldolgozva kemény, merev anyag, elsősorban csövek és lemezek készülnek belőle. Legnagyobb mennyiségben azonban kopolimerizálva vagy lágyítva dolgozzák fel Ezek a termékek rugalmasak, szívósak vagy lágyak. Vegyszerállóságuk kiváló, savaknak, lúgoknak jól ellenállnak. Önállóan és bevonatként egyaránt felhasználják poliolefinek (kőolajból előállított műanyagok) csoportjának képviselői a polietilén, a polipropilén és a poli (izo-butilén). A polietilénnek sűrűség szerint három változata van: kis sűrűségű (PE-LD), (p = 0,918-0,925 [10 kg/m 3 ]); középes sűrűségű (PE-HD), (p = 0,926-0,938 [10 3 kg/m 3 ]); nagy sűrűségű (PEUHMW), (p = 0,940-0,960 [10 3 kg/m 3 ]).

29 polietilén A nagyobb sűrűség, nagyobb kristályosodottságot és egyben kedvezőbb mechanikai tulajdonságokat, jobb hőállóságot jelent A polietilén kiváló vegyszerállóságával és kedvező elektromos tulajdonságaival tűnik ki a műanyagok közül. Alkalmazásának korlátja a viszonylag alacsony lágyulás- és olvadáspontja. Csövek, csőcsatlakozások, csőelzáró szerkezetek, korrózióálló bevonatok, saválló szivattyúalkatrészek készülnek polietilénből Az elektromosipar egyik értékes szigetelőanyaga, főleg nagyfeszültségű kábelek szigetelésére, valamint huzalok, kondenzátorok, motortekercsek szigetelésére használják. Habosítva hő- és hangszigetelésre alkalmas

30 A polipropilén (PP) tulajdonságai hasonlóak a polietilén tulajdonságaihoz, de hőállósága és szilárdsága nagyobb. Felhasználási területe azonos a polietilénével de a polipropilén csővezetékek C-ig is igénybe vehetők. A poli(izo-butilén) (PB) előnyös tulajdonsága a jó vízállóság és vegyszer állóság. Vegyszerállósága a poliolefinek között a legkedvezőbb, oxidáló szereknek is ellenáll. Hátránya, hogy tartós igénybevétel esetén igen jelentős hidegfolyást mutat polikarbonátok (PC) mechanikai tulajdonságai, mérettartása, elektromos szigetelőképessége igen jó, hidegfolyásra nem hajlamosak. Értékes tulajdonságuk a jó hő- és hidegállóság, -100 C és +125 C hőmérséklettartományban mechanikai tulajdonságai számottevő romlást nem mutatnak. Fogaskerekek, csapágyak, különféle gépalkatrészek, finommechanikai precíziós alkatrészek, müszerdobozok és házak, háztartási gépek alkatrészei, szivaty- tyúalkatrészek stb. készülnek polikarbonátokból

31 fluoroplasztok (FP) nagy kémiai ellenállásukkal és különösen magas hőállóságukkal tűnnek ki. Elektromos szigetelőképességük is nagyon jó. A csoport legjelentősebb képviselője a poli(tetrafluor-etilén) vagy Teflon, amely C-ig is felhasználható. A poli(tetrafluor-etilén) különleges tulajdonságai miatt a hőre lágyuló műanyagok szokványos megmunkálási eljárásaival nem dolgozható fel, elsősorban a fém- és keramikus poroknál alkalmazott zsugorítási eljárással alakítják Porózus bronz-vázanyagú poli(tetrafluor-etilén)-ből kenés nélkül is üzemeltethető, vegyszereknek, hőhatásnak ellenálló siklócsapágyak készülnek normál polisztirol (PS) elégé rideg, törékeny anyag. Hőállósága viszonylag gyenge, 80 C-on már lágyul. Hőállóságának növelésére és ridegségének csökkentésére kopolimerizációt alkalmaznak. A polisztirol vegyszereknek ellenáll, elektromos szigetelöképességük kiváló. A hőálló és ütésálló polisztirol igen szívós.

32 Lemezek, csövek, bélésanyagok, kisméretű fogaskerekek, villamosipari formadarabok, szigetelőanyagok, háztartási- és villamoskészülékek dobozai, valamint tartozékai és műanyag tömegcikkek készülnek elsősorban polisztirolból. poli(metil-metakrilát)-ok (PMMA) üvegszerüen átlátszó, jó mechanikai és elektromos tulajdonságokkal rendelkező műanyagok. Különösen jó az ütésállóságuk. Védőablakok, különböző védőlemezek, átlátszó modellek, tartályok és laboratóriumi berendezések készülnek elsősorban belőlük. Jármüveken, repülőgépeken biztonsági üvegként használják, újabban, hullámosított kivitelben, az építőipar is felhasználja. poliformaldehid fizikai tulajdonságai némileg hasonlóak a sárgarézhez, olvadáspontja jóval alacsonyabb (165 C). Előnyös tulajdonsága a jó siklóképesség, amely megközelíti a poli(tetrafluor-etilén)-ét. Savakra érzékeny, alifás és aromás szénhidrogének nem támadják meg Elsősorban sárgaréz helyettesítésére szolgál. Fogaskerekek, siklócsapágyak (önkenő csapágyak), centrifugálszivattyú-házak, lapátkerekek, benzin- és olajszivattyú alkatrészek, csövek, elektromosipari jelzőberendezések, porlasztók, fékberendezések, golyóscsapágy-kosarak készülnek elsősorban a poliformaldehidből 242