Polimer kémia Összeállította: 2013.
Bevezetés Az ismétlődő egységekből felépülő nagyméretű molekulákat, melyekben az egységeket kémiai kötések kapcsolják össze Polimer- nek nevezzük. Az ismétlődő egység neve monomer. A polimerek a közhiedelemmel ellentétben nem azonosak a műanyagokkal. (A műanyagok olyan mesterségesen előállított anyagok, melyek gyakran több anyag keverékéből állnak, legalább egy komponensük polimer. A többi kitöltő-, vázanyag, öregedésgátló, feldolgozást segítő adalékanyag, színezék...). Felépítése: Monomer: a görög mono "egy" és meros "rész" szavakból, azon egyszerű molekulákat, melyek megfelelő körülmények között képesek nagy számban összekapcsolódni. Dimer: Két összekapcsolódott monomerből álló molekula. Trimer: Három összekapcsolódott monomerből álló molekula. Makromolekula: Kb. száznál több atomot tartalmazó molekulákat makromolekuláknak nevezzük. Ezek alapvázát jellemzően szénatomok alkotják, és a szerves kémia foglalkozik velük részletesen. (Makromolekulák)
Nagymolekulájú (makromolekulás) anyagok A makromolekulákat alkotó vegyületek kovalens kötéssel kapcsolódnak sokszor igen nagy, 40 000-300 000-es relatív molekulatömegű képződményekké. Lehetnek: Természetes makromolekulás anyagok Kaucsuk Cellulóz alapúak Mesterséges makromolekulás anyagok: polimerek n x monomer polimer n=többezer n x monomer oligomer n=néhány többféle monomer kopolimer Tulajd.ált.-ban
P O L I M E R E K Előnyei: Hátrányai: kis sűrűség (0,9 2,0 103 kg/m 3 ) kis rugalmassági modulus (0,7 4000 MPa, hőre keményedőnél 2500 10000 MPa) kis szakítószilárdság (5 80 MPa) általában nagy nyúlás (100 800 %) kis súrlódási együttható (jó siklási tulajdonság) kis hővezető képesség jó elektromos szigetelő jó ellenállás savakkal, lúgokkal környezeti hőmérsékleten jó hangszigetelés, rezgés- és zajcsillapítás könnyű megmunkálhatóság viszonylag kis gyártási ár nagy hőtágulási együttható kisebb szilárdság és merevség elektrosztatikus feltöltődés kúszási hajlam már 20 o C-on is nagyobb öregedési hajlam normál környezeti hatásokra kis kifáradási határ nagyobb gyúlékonyság (csoportosítás)
A polimerek csoportosítása Eredet szerint természetes mesterséges Előállításuk szerint Polimerizációval (PE, PP, PVC, PS) Polikondenzációval (PA, PET) Poliaddicióval (PUR, EP) Primer szerkezetük szerint Homo-polimer, azonos monomerekből áll a főlánc (PE, PP, PVC, PS) Kopolimer, keverék (ABS, Poliblend) Feldolgozás szerint Hőre lágyuló (termoplaszt) Hőre keményedő (duroplaszt) anyagok Szerkezet alapján lineárisak, elágazóak, valamint térhálósak. Forma alapján részben kristályos és amorf forma. Az őket felépítő kémiai atomok szerint szerves, szervetlen és elemorganikus polimerek. Csop.fiz.tulajd.
Csoportosítás fizikai tulajdonságaik alapján Fluidoplasztok: 20 C-on folyékony műanyagok Elasztomerek: gumi rugalmasságú makromolekuláris anyagok Plasztomerek: Termoplasztok: hőre lágyuló műanyagok Duropalsztok: hőre keményedő műanyagok Term.polim.
Természetes alapú polimerek Cellulóz Képlete (C 6 H 10 O 5 ) n. Béta-glukózból származtatott poliszacharid. A cellulóz a földön előforduló leggyakoribb szerves anyag, mert a növények vázanyagának nagy része cellulóz. Pontosabban a fa 40%-a, a gyapot 50%- a, a len és a kender 80%-a. A vatta és a papír szinte 100%-ban cellulózmolekulákból áll.a tiszta cellulóz fehér színű, szobahőmérsékleten szilárd anyag. Vízben, híg savban, híg lúgban és szerves oldószerekben nem oldódik, ezért kiváló vázépítő. Fehérjék A fehérjék aminosavak lineáris polimereiből felépülő szerves makromolekulák. A fehérjék kialakításában a 20 féle "proteinogén" aminosav vesz részt, melyek szomszédos amino és karboxil csoportjaik között kialakuló peptidkötés révén kapcsolódnak egymáshoz, így kialakítva a fehérjék elsődleges szerkezetét, amit aminosav szekvenciának is nevezünk. Kaucsuk
Természetes kaucsuk (Hevea brasiliensis) Polireakciók
Polireakciók A polireakcióknak, azaz a makromolekulák képződési reakcióinak három fajtáját ismerjük: a polimerizációt, a poliaddíciót a polikondenzációt. (Polimerizáció)
Polimerizációval előállított makromolekulás polimerek Telítetlen monomerekből, a kettős kötés felhasadásával, melléktermék nélkül keletkeznek. A folyamat megindulása aktiválási energiát igényel, ami hővel vagy kémiai úton valósítható meg, lánclezárás inhibítorokkal. Általános képlet: na (A) n Példák: nch 2 =CH 2 -[CH 2 -CH 2 ] n - Etilén polietilén (PE) nch 2 =CH -[CH 2 -CH] n - Cl Cl vinil-klorid polivinil-klorid (PVC) Ide tartozik még:polipropilén, polisztirol (Polikond.)
Polikondenzációval előállított makromolekulás anyagok A monomer molekulák összekapcsolódását valamilyen kis molekulájú melléktermék kilépése kíséri; (leggyakrabban víz). Általános képlet: x-r-y + x-r -y x-r-r -y+xy dimer pl.: H 2 O Például: x-r-r -y + x-r-y x-r-r -R-y+xy trimer... Fenoplasztok (fenol+metanol bakelit) Poliamidok, poliészterek (Poliadd.)
Poliaddicióval előállított makromolekulájú anyagok A poliaddíció általánosan az na + nb (AB) n Példák: epoxi gyanta (pl. műanyag kötésű beton) poli-uretán (PU, pl. festék, lakk, hab) képlettel írható fel. (Termo.görbe)
Polimerek termomechanikai görbéje A polimerek hő hatására bekövetkező viselkedése a termomechanikai görbével jellemezhető. A görbén jól megkülönböztethető a polimerek három fizikai állapota: üvegszerű, nagyrugalmasságú (elasztikus) viszkózusan folyós Az állapotok közötti átmenetre a dermedési (T d ), illetve a lágyulási (T l ) tartomány jellemző. (Nem minden polimernek van meg mindhárom tartománya. A kis polimerizációs fokú polimer vagy csak üvegszerű, vagy csak viszkózusan folyós. Az elasztikus szakasz a polimerizáció fokával (a monomerek számával) nő. (Elasztomerek)
Elasztomerek A gumi előállítása: Latex- kaucsuk- kaucsukkeverék (vulkanizálószer, gyorsítók, lágyítók, plasztifikátorok, stb)- vulkanizálás (hőhatás) kénhidak kialakulása, térhálós szerkezet gumi Kaucsuk (térhálósítatlan gumi) és vulkanizált, térhálósított gumi szerkezete Vulkanizálási görbe (modellek)
Plasztomerek Viszkoelasztikus anyagok reológiai modelljei Rugalmas elem(hook-elem): feszültség arányos a deformációval Viszkózus elem (Newton-elem): feszültség arányos a deformáció sebességével
Csoportosítás fizikai tulajdonságaik alapján Fluidoplasztok: 20 C-on folyékony műanyagok Elasztomerek: gumi rugalmasságú makromolekuláris anyagok Plasztomerek: Termoplasztok: hőre lágyuló műanyagok Duropalsztok: hőre keményedő műanyagok (Hőre kem. Pl.feldolg.)
Plasztomerek feldolgozása A hőre keményedő műanyagok jellemző feldolgozási eljárásai: Sajtolás Műanyag porból vagy granulátumból préseléssel Fröccssajtolás Bonyolult, vékonyfalú, mély lyukakkal, fémbetétekkel, szigorú mérettűréssel rendelkező darabok gyártása esetén alkalmazzák. Fröccsöntés Csigadugattyús fröccsgépeken. Nemcsak olcsóbb eljárás, mint a nyomásos sajtolás vagy a fröccssajtolás, hanem a késztermék is jobb minőségű és méretpontosabb. (Lágyuló pol.i.)
Plasztomerek feldolgozása A hőre lágyuló műanyagok jellemző feldolgozási eljárásai : Fröccsöntés Az egyik legelterjedtebb. A megömlesztett műanyagot megfelelő nyomással a hűtött szerszámba lövellik, végül a megdermedt munkadarabot a szerszámból kidobják. Extrudálás Vég nélküli folyamatos termék, pl. a csövek, rudak, különböző idomok, lemezek, fóliák, stb. előállításához. (Lágyuló pol.ii.)
Plasztomerek feldolgozása Kalanderezés Lemezek, fóliák gyártása forgó hengerpár között. Vákuumformázás Vákuumformázással fólia és lemez alakítható. Elterjedtebb a negatív és szívó eljárás. Fúvásos alakítás Palackokat és egyéb üreges testek előállítására. (Fontosabbak (pe))
Fontosabb polimerek Polietilén (pe) Az etilén polimerje, általában átlátszó, opálos vagy tejfehér, hajlékony, zsíros tapintású anyag. 105-110 C-on folyékony, vízszerűen önthető. Vegyszereknek jól ellenáll, szobahőmérsékleten oldószere nincs. Nem mérgező, élettanilag ártalmatlan. Meggyújtva lassan, kék lánggal ég. Fajtái és ezáltal a felhasználása a gyártási technológia függvénye. A kis fajsúlyú polietilén főleg fóliák, palackok, zacskók, elektromos szigetelők, csövek gyártására alkalmas. A nagy fajsúlyú változata az előzőnél keményebb, így profilok, nagyobb terhelésnek kitett műszaki cikkek, széles körben használt gáz- és vízcsövek (KPE cső), padlófűtés csövek gyártásánál használatos. E műanyag egyik változata, a polietilén-tereftalát az alapanyaga a mindenki által ismert üdítős palackoknak (PET palackok). (pp)
Fontosabb polimerek Polipropilén (pp) A propilén polimerje. Hasonló a polietilénhez, azonban szilárdsági értékei nagyobbak, kissé merevebb és hőállóbb. 180 C körüli hőmérsékleten olvad, olvadéka sűrű, nem önthető vízszerűen. 100 C felett gyorsan oxidálódik, rideggé, törékennyé válik. Fény hatására fokozottan hajlamos az öregedésre. Nem mérgező, vegyszereknek jól ellenáll. Szobahőmérsékleten nem oldható és nem ragasztható. Kiválóan alkalmas szálak húzására, a legolcsóbb szintetikus szál. Felhasználják nyomócsövek (melegvíz cső), játékszerek, edények (legtöbb háztartási hajlékony tárolóedény), előre gyártott kerti medencék és nagyobb szilárdságú termékek gyártására. (pvc) (PVC)
Fontosabb polimerek Poli-vinilklorid (pvc) Színtelen, gyantaszerű, rideg, törékenyanyag, felhasználása szinte kizárólag lágyítószerek hozzáadásával történik. Savakkal szemben ellenálló, szerves oldószerek oldják, hatásukra duzzadhat. A lágyítószer tartalomtól függően lehet szilárdabb (kemény pvc, vízvezeték csövek, szennyvíz csövek, dréncsövek, ruhacsipesz) vagy lágyabb (lágy pvc, fóliák, padlóburkolók, hő és hangszigetelő habok, vízszigetelő fóliák, játékszerek, játéklabdák, műbőr, esőkabát). Egészségre ártalmas anyagokat tartalmaz, csomagolóanyagként és játékszerek gyártására felhasználni nem ajánlatos! Nagy port vert fel az a korábbi kutatási eredmény, mely szerint a lágy PVC-ből készült bébi rágóka - mely a fogzást segíti elő - és más játékszerek szájbavételekor kioldódhat az egyik összetevő, a mérgező ftalát (lágyítószer). Állatkísérletekben a ftalát a májat, vesét és a heréket károsította. Az Európa Parlament 2001 április 3-ai ülésén jóváhagyták azt a javaslatot, mely a gyártókat a polivinilklorid helyettesítésére kötelezi termékeikben. (pvac)
Fontosabb polimerek Poli-vinilacetát (pvac) Szobahőmérsékleten üvegszerű, hőre lágyuló műanyag. Gyengén lúg- és saválló. Lakkok, festékek, ragasztók formájában használják. (Teflon)
Fontosabb polimerek Poli-tetrafluoretilén (teflon): Közismertebb néven: teflon Kémiailag nagyon ellenálló, vegyszerálló, kitűnő elektromos szigetelő. Csak 400-450 C körül lágyul! Oldószere nincs, ragasztani csak rosszul lehet. Bevonatok, tömítő szalagok készülnek teflonból. (pst)
Fontosabb polimerek Poli-sztirol (ps, pst) Víztiszta, átlátszó, kemény, rideg, törékeny anyag. 80 C-körül lágyul, feldolgozási hőmérséklete 120-140 C. Nem mérgező, savaknak, lúgoknak jól ellenáll. Legtöbb oldószer oldja. Felhasználják játékok, gombok, fogantyúk, orvosságos fiolák, edények (kávéautomata pohara, üvegszerűen átlátszó konyhai edények), dobozok gyártására. Habosított változata kitűnő hőszigetelő, az építőipar széles körben használja a polisztirol hőszigetelő lemezeket (Hungarocell, Nikecel), vagy hőszigetelő vakolatokban a polisztirol gyöngyöt. Rendkívül jő szigetelő, Elektrosztatikusan könnyen feltöltődik. (pmma)
Fontosabb polimerek poli-metil-metakrilát (pmma) Víztiszta de színezhető műanyag, 90 C-on lágyul, 140-150 C-on dolgozható fel. Nem mérgező, savaknak és lúgoknak mérsékelten áll ellent. A kloroform oldja, legjobb ragasztója is egyben. Kiválóan átbocsátja a fényt, az UV sugarakat is! Előállítási költségei a többi műanyaghoz képest magasak. Főleg félkész termék (lapok, plexi-üveg) formájában fordul elő. (polia)
Fontosabb polimerek poli-amid Nagyon szívós sárgás színű, áttetsző anyag. Olvadáspontja 140 C. Vegyszereknek mérsékelten áll ellent, nem mérgező. Jellemzően különböző textilipari szálak készülnek belőle, valamint a legtöbb élelmiszeripari műbél (virsli, kenőmájas, stb.). Jól forgácsolható, kisebb terhelésű fogaskerekek, csapágyak készítésére alkalmas. nylon (pu)
Fontosabb polimerek poli-uretán (pu) Fizikai és kémiai tulajdonságok A kiindulási anyagok megválasztásától függően nagyon különböző mechanikai tulajdonságaik lehetnek. Lineáris makromolekulájú anyagok, illetve térhálós szerkezetűek a kiindulási anyagoktól függően. Kis súlyú, rugalmas vagy merev habot képeznek. Vegyi anyagoknak, olajnak, benzinnek, tengervíznek ellenállnak. Égésükkor mérgező izocianátok szabadulnak fel, ami használatukat korlátozza (pl. lakberendezési tárgyak esetében). Felhasználás Széles körben használják az építőiparban, valamint bevonatok és ragasztóanyagok készítéséhez (pl. a cipőtalpak ragasztásához). (pc)
Fontosabb polimerek poli-karbonát (PC) Általában víztiszta, jó optikai tulajdonságokkal, hő- és ütésállóképességgel rendelkező, hőre lágyuló szerves műanyag. Egyéb tulajdonságai: hidegen is hajlítható, rugalmas kicsi a keménysége, ezért karcolódik a sűrűsége 1,20 g/cm3 jó hangszigetelő kültéren a várható élettartama 15-20 év olvadáspontja ~ 300 C gyulladáspontja 450 C hőtágulása 0,065 mm/m K (fenoplaszt)
Fontosabb hőre keményedő polimerek Fenoplaszt (bakelit): A legismertebb hőre keményedő műanyag. Színe sötétbarna, fekete jellegzetesen bakelit szagú. 170 C-ig hőálló, ennél magasabb hőmérsékleten szilárdságát lassan elveszti, 400 C-on elszenesedik. Általában töltőanyagok vagy rostok, vázanyagok hozzáadásával használták. Jó elektromos szigetelő, ezért elektromos készülékekben és műszaki cikkekben elterjedten alkalmazták (kapcsolók, konnektorok, fogantyúk stb.). Élelmiszeripari célokra nem alkalmas. (pest)
Fontosabb hőre keményedő polimerek Poliészter gyanta: A gyanta különböző katalizátorok hatására köt meg szobahőmérsékleten vagy hő hatására. A kötési idő néhány órától egy-két percig változhat. A megkötött anyag átlátszó, tetszetős. Egyedi darabok, mintadarabok készítésére alkalmas, valamilyen formába történő öntéssel állíthatjuk elő a kívánt tárgyat. Kötőanyagként is jelentős, üvegszövet vagy egyéb vázanyag felhasználásával héjszerkezetek készítésére is alkalmas (csónaktest, csúszdalap, bukósisak). A poliészter gyanta megszilárdulva könnyen és jól munkálható meg, jó elektromos szigetelő, időjárásálló. Saját anyagával ragasztható.
Fontosabb hőre keményedő polimerek Epoxigyanta Felhasználása a poliésztergyantákéval megegyező. Alkalmasak öntvények készítésére és talán a poliészter gyantánál is jobban kötőanyaga az üvegszövetnek. Igen jelentősek az epoxigyanta alapú ragasztók (pl.: Epokitt). Aminoplasztok Melamin-formaldehid (Felismerés)
Műanyagok egyszerű felismerése A vizsgálat szemrevételezéssel valamint óvatos melegítéssel történik. A műanyagot lánggal melegítik, ha megolvad hőre lágyuló, ha nem hőre keményedő. A láng elvétele után tovább égnek kis kékes lánggal ég, elfújva gyertyaszagú zsíros tapintású: polietilén száraz tapintású: polipropilén erősen kormozó lánggal ég: polisztirol nem kormozó lánggal ég, gyümölcsös illatú: polimetilmetakrilát A láng elvétele után nem ég tovább a lángban tartva hólyagosodik: poliamid a láng szélét zöldre festi: polivinilklorid a lángban nehezen olvadó: teflon a láng elvétele után elaszik és bakelitszagú: fenoplaszt a lángban pattog, ammóniaszagú: aminoplaszt a lángban repedezik, gyümölcsös szagú: poliészter a lángban nem repedező, szaru szagú: epoxigyanta
Köszönöm a figyelmet!