Polymery - ATeam
Polymery - ATeam
Polymery - ATeam
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Kontakt: Tomáš Křenek<br />
email: tkrenek@kmm.zcu.cz<br />
UL204<br />
POLYMERNÍ MATERIÁLY
STRUKTURA PŘEDNÁŠKY:<br />
1. Co je to polymer<br />
2. Přírodní polymery<br />
3. Syntetické polymery<br />
3.1 Syntéza polymerů<br />
3.2 Struktura, fázové stavy<br />
3.3 Termoplasty<br />
3.4 Reaktoplasty<br />
3.5 Kaučuky<br />
4. Nakládání s polymerními odpady
1. Co je to polymer<br />
Monomer – látka, jejíž molekuly mají schopnost se za vhodných podmínek spojovat<br />
v makromolekuly (např. ethen, propen, benzen atd.)<br />
Polymer - látka sestávající z molekul jednoho nebo více druhů atomů (většinou<br />
atomy uhlíku, vodíku a kyslíku, často dusíku, chloru, křemíku) nebo skupin<br />
spojených navzájem ve velkém počtu. To, co odlišuje polymery od jiných materiálů je<br />
řětězcová struktura jejich molekul, t.j. dlouhá lineární řada vzájemně spojených<br />
atomů nebo skupin atomů představuje převažující strukturní motiv, který může<br />
(ale nemusí) být občas přerušen místy větvení (např. u větvených nebo roubovaných<br />
polymerů, případně u polymerních sítí).<br />
Přeměna styrenu (monomeru) na polysteren (polymer)<br />
Výjimečnost v chování těchto látek oproti látkám nízkomolekulárním (např. voda, líh) můžeme vysvětlit na<br />
základě značného nepoměru mezi délkou a šířkou makromolekuly a kvalitativně rozdílným typem vazeb<br />
vhlavním řetězci (vazby chemické, neboli kovalentní) a mezi řetězci (vazby fyzikální).<br />
Délka makromolekul umožňuje jejich vzájemné zaplétání, což je příčinou zcela charakterických polymerních<br />
vlastností (elastičnost, vysoká viskozita polymerních roztoků a tavenin, pomalá rozpustnost atd.)
Jevy ovlivňující odlišné chování polymerů<br />
■ Zapletení řetězců.<br />
■ Sumární působení mezimolekulárních sil<br />
■Časově závislý pohyb<br />
Struktura polymerních materiálů
Makromolekulární látky: synonymum pro polymer, tj. látka o relativní<br />
molekulové hmotnosti 10 4 až 10 6 (nízkomolekulární látka – sloučenina o<br />
relativní molekulové hmotnosti desítek až stovek)<br />
KLASIFIKACE PODLE TYPU MAKROMOLEKULÁRNÍHO ŘETĚZCE<br />
■ Mer – opakující se jednotka v makromolekule polymeru, jejíž chemické<br />
složení odpovídá složení molekuly příslušného polymeru<br />
■ Homopolymer – polymer, jehož molekuly se skládají z merů jednoho druhu<br />
■ Kopolymer – polymer, jehož molekuly se skládají z dvou nebo více druhů<br />
■ Lineární polymer – polymer, jehož molekuly jsou tvořeny prostými řetězci.<br />
■ Rozvětvený polymer – polymer, jehož makromolekuly jsou tvořeny hlavními<br />
řetězci, ke kterým jsou chemickou vazbou připojeny řetězce postranní (obvykle<br />
mnohem kratší) → rozvětvení
2. ZÁKLADNÍ PŘÍRODNÍ POLYMERY<br />
Přírodní kaučuk - Z chemického hlediska jde o cis-1,4-polyisopren.<br />
Z tropického stromu kaučukovníku brazilského (Hevea brasiliensis) se nařezáváním jeho kůry<br />
získává surový kaučuk (latex). Ten se upravuje srážením např. kyselinou mravenčí, pere<br />
vodou a suší na materiál zvaný krepa. Jeho dalšími úpravami (přídavkem plniv, dalších aditiv a<br />
vulkanizací) se vyrábí "přírodní kaučuk" čili přírodní pryž.<br />
Sběr latexu tzv. čepováním<br />
Makromolekula celulózy<br />
Celulosa (buničina) - polysacharid sestávající z beta-glukosy. Jednotlivé glukosové<br />
jednotky jsou spojené vazbou β 1,4 a tvoří dlouhé, nerozvětvené řetězce, které jsou zcela<br />
nerozpustné ve vodě. Celulosa je hlavní stavební látkou rostlinných primárních buněčných<br />
stěn a podílí se na stavbě sekundárních buněčných stěn; je nejrozšířenějším biopolymerem<br />
na zemském povrchu, ročně jí vzniká až 1,5×109 tun. Mimo to se však vyskytuje i u některých<br />
živočichů, konkrétně u pláštěnců. Vychozí látka k výrobě hedvábí, celofánu.
2. ZÁKLADNÍ PŘÍRODNÍ POLYMERY<br />
Škrob – zásobní látka hromadící se v některých rostlinách<br />
(brambory, obilí, kukuřice, rýže) ve formě škrobových zrn.<br />
Škrobová zrna se ve studené vodě nerozpouštějí a v teplé<br />
bobtnají.<br />
Použití: v potravinářství, k výrobě lepidel a pojiv,<br />
v papírnickém průmyslu, farmacii<br />
Bílkoviny – bez nich není možná existence žádného živého organismu. Jsou součástí<br />
všech živých buněk.<br />
Jantar – nejstarší polymer - fosilizovaná pryskyřici některých stromů stará 25 až 40 milionů<br />
let
3. SYNTETICKÉ POLYMERY<br />
Historie plastů:<br />
1835 – laboratorní příprava polyvinilchloridu (jeho průmyslová výroba však byla zavedena<br />
až v r.1925 v Německu)<br />
1862 - Alexandr Parkes (1813-1890) vyrobil tvarovatelný materiál z nitrátu celulosy.<br />
Rozpustil vlákna celulosy v kyselině dusičné, přidal kafr a roztok odpařil. Tento plast se<br />
nazýval „parkesin“ využíval se pak při výrobě předmětů do domácnosti a okrasných<br />
předmětů, jako i např.: spona do vlasů.<br />
1909 - prvním používaným plně syntetickým plastem byl BAKELIT, reaktoplast<br />
vznikající polykondenzací fenolu a formaldehydu.
3. SYNTETICKÉ POLYMERY<br />
Příprava polymerů<br />
Primární<br />
zdroje<br />
Basic<br />
Petrochemical<br />
Polymerní<br />
Materiály<br />
Konečné produkty<br />
Plasty<br />
Plasty<br />
ROPA<br />
ROPA<br />
Zemní<br />
Zemní<br />
plyn<br />
plyn<br />
Ethylen<br />
Ethylen<br />
Propylen<br />
Propylen<br />
Styren<br />
Styren<br />
Vinyl<br />
Vinyl<br />
Chlorid<br />
Chlorid<br />
Butadien<br />
Butadien<br />
Cyclohexan<br />
Cyclohexan<br />
Acetylen<br />
Acetylen<br />
HDPE<br />
HDPE<br />
LDPE<br />
LDPE<br />
LLDPE<br />
LLDPE<br />
PP<br />
PP<br />
PVC<br />
PVC<br />
ABS<br />
ABS<br />
PA<br />
PA<br />
Acetal<br />
Acetal<br />
PC<br />
PC<br />
PUR<br />
PUR<br />
PBT<br />
PBT<br />
atd.<br />
atd.<br />
Elastomery<br />
Elastomery<br />
Vlákna<br />
Vlákna<br />
Adheziva<br />
Adheziva<br />
+<br />
+<br />
povlaky<br />
povlaky
ROPA – ČERNÉ ZLATO – primární surovina pro přípravu plastů<br />
ROPA – hnědá až nazelenalá hořlavá kapalina tvořená směsí uhlovodíků, především<br />
alkanů. Pravděpodobně vznikla rozkladem zbytků pravěkých rostlin a živočichů. Nachází se<br />
ve svrchních vrstvách zemské kůry – nejčastěji v oblasti kontinentálních šelfů. Je základní<br />
surovinou petrochemického průmyslu. Naleziště ropy jsou pod nepropustnými vrstvami, v<br />
hloubkách až 8 km pod zemským povrchem. Ropa při těžbě buď vyvěrá pod tlakem, nebo je<br />
čerpána. Vyskytuje se společně se zemním plynem.<br />
Prokázané světové zásoby ropy podle zprávy<br />
British Petrol r.2005 (v mld. barelu)<br />
Ázerbájdžán:<br />
Příběh demokracie utopené v ropě
3.1 SYNTÉZA POLYMERŮ - ZÁKLADNÍ REAKCE<br />
POLYMERACE – POLYKONDEZACE - POLYADICE<br />
POLYMERACE<br />
Řetězová reakce volného počtu monomerů, při níž vznikají dlouhé makromolekuly<br />
monomeru. Chemické složení polymeru je stejné, jako chemické složení<br />
monomeru.<br />
<strong>Polymery</strong> mohou vzniknout z molekul obsahujících alespoň jednu dvojnou vazbu<br />
postupným připojováním (tzv. adicí, zde se jedná o polyadici) molekul na dvojnou<br />
vazbu molekuly předcházející vzniká např. polyethylen (PE, PP).<br />
Polymerace ethylenu na polyethylen<br />
Podle druhu aktivních částic rozlišujeme polymeraci radikálovou, iontovou a<br />
koordinační
3.1 SYNTÉZA POLYMERŮ - ZÁKLADNÍ REAKCE<br />
POLYKONDEZACE<br />
Chemická reakce, kterou z nízkomolekulárních látek vzniká makro-molekulární<br />
látka a jako vedlejší produkt vzniká jiná nízkomolekulární látka (většinou voda).<br />
Podmínkou je, aby monomery měly alespoň dvě raktivní skupiny.<br />
Rozdíl mezi polymerací a polykondenzací – produkt polymerace (polymer) má<br />
stejné chemické složení jako výchozí monomer, kdežto produkt polykondezace<br />
(označuje se běžně jako polymer, ale správný termín je polykondenzát) má jiné<br />
chemické složení, než výchozí nízkomolekulární látky.<br />
Tímto typem reakce vznikl např. bakelit - polykondenzace fenolu a formaldehydu,<br />
Polykondenzací vznikají také tesil, PET.
3.1 SYNTÉZA POLYMERŮ - ZÁKLADNÍ REAKCE<br />
POLYADICE<br />
Sloučeniny, jejichž molekuly obsahují násobné vazby, mohou být mimo<br />
vzájemné spojování schopny adičních reakcí se sloučeninami, jejichž<br />
molekuly obsahují vhodné funkční skupiny. Mají-li tyto sloučeniny ve svých<br />
molekulách alespoň dvě funkční skupiny, může mnohonásobnou adicí<br />
vzniknout polymer. Proto této reakci říkáme polyadice.<br />
Složení konečného produktu (polyadukt) se neliší od výchozí směsi. Na<br />
rozdíl od polymerace však poskytuje polyadice strukturu základního článku<br />
produktu odlišnou od struktury výchozích látek.<br />
Příkladem je vznik polyuertanů
ZÁKLADNÍ ZPŮSOBY VÝROBY POLYMERŮ<br />
■ Polymerace v monomerní fázi – polymerace samotných<br />
monomerů (chemicky nejjednodušší způsob)<br />
■ Roztoková polymerace – způsob výroby polymeru z<br />
roztoku monomeru<br />
■ Suzpenzní polymerace – způsob výroby polymeru<br />
rozptýleného ve vodě<br />
■ Emulzní polymerace - způsob výroby polymeru<br />
rozptýleného ve vodě v přítomnosti tzv. emulgátoru<br />
■ Disperzní polymerace – polymerace suspenzní a emulzní
ZÁKLADNÍ KLASIFIKACE POLYMERŮ Z HLEDISKA JEJICH<br />
CHOVÁNÍ ZA BĚŽNÉ A ZVÝŠENÉ TEPLOTY<br />
■ Elastomery – vysoce elastické polymery, které můžeme za běžných podmínek<br />
malou silou značně deformovat bez porušení, přičemž deformace je převážně<br />
vratná. Nejpočetnější skupinou elastomerů jsou kaučuky, z nichž se vyrábí pryž.<br />
■ Plasty – za běžných podmínek většinou tvrdé polymery, často i křehké. Při<br />
zvýšené teplotě se stávají plastickými (odtud název plasty) a tvarovatelnými.<br />
Pokudjetatozměna z plastického do tuhého stavu vratná nazýváme je<br />
TERMOPLASTY (PE, PP, PET, PAD, atd.) Pokud jde o změnu nevratná<br />
(neopakovatelnou, trvalou), protože je výsledkem chemické reakce – jedná se<br />
o REAKTOPLASTY (např. fenolformaldehydová pryskyřice – původní obchodní<br />
název bakelit).
3.2 FÁZOVÉ STAVY POLYMERNÍCH MATERIÁLŮ<br />
Vysoká molekulová hmotnost polymerů způsobuje neobyčejně vysoký bod varu,<br />
který se nachází ve všech případech nad teplotou jejich rozkladu.<br />
PLYNNÝ STAV POLYMERŮ NEEXISTUJE<br />
POLYMERY SE NACHÁZEJÍ POUZE V KAPALNÉM NEBO TUHÉM STAVU<br />
Polde pravidelnosti geometrie rozlišujeme:<br />
■ vysoce uspořádaný stav molekulárních řetězců – KRYSTALICKÝ.<br />
■ neuspořádaný stav – AMORFNÍ (SKLOVITÝ).<br />
■ stav přechodový mezi stavem sklovitým a kapalným –<br />
tzv. stav KAUČUKOVITÝ (projevuje se značnou VRATNOU<br />
deformací)<br />
■ stav PLASTICKÝ – umožňuje NEVRATNOU deformaci
PŘECHODOVÉ TEPLOTY<br />
Důležité teploty pomocí jichž lze určit hranice mezi jednotlivými fázovými stavy<br />
■ T m – teplota tání (melting point) – přechod do kapalné fáze<br />
Pro krystalické polymery –T m ostrá hranice<br />
Pro amorfní polymery – T m – rozmezí teplot (není ostrá hranice)<br />
■ T g – teplota skelného přechodu – hranice mezi tuhým (skelným –<br />
tvrdým, křehkým) stavem a stavem kaučukovitým (vysoce elastickým)<br />
■ T f – teplota toku – viskózní tok; hranice mezi vratnou a nevratnou<br />
deformací; nad touto hranicí přechází polymer do plastického stavu
Termomechanická křivka<br />
Závislost deformace vznikající působením určité síly po určitou dobu za dané<br />
teploty. (Charakteristická pro každý polymer)<br />
Termomechanická křivka amorfního (1) a dvou různých krystalických (2,3) polymerů
KRYSTALICKÝ STAV<br />
Krystalizační schopnost polymeru ovlivňují především tyto faktory:<br />
■ polarita skupin polymerního řetězce<br />
■ jeho geometrická pravidelnost<br />
■ objem substituentů, případný počet rozvětvení a délka postraních řetězců<br />
■ ohebnost polymerního řetězce<br />
Krystalizace probíhá ve dvou krocích<br />
1. Dochází k vytvoření stabilního<br />
krystalizačního zárodku, který se rozrůstá v<br />
uspořádání řetězců, které následně vytvářejí<br />
paralelní uspořádané sítě. Tyto sítě jsou k<br />
sobě přitahovány meziatomovými silami, které<br />
stabilizují jejich polohu. Následné působení<br />
valenčních sil napomáhá k vytvoření<br />
trojrozměrného uspořádání molekul.<br />
2. Druhý krok spočívá v růstu krystalické<br />
oblasti. Na uspořádanou síť se napojují a<br />
stabilizují další řetězce. Tento proces<br />
odehrávající se v blízkosti bodu tání soupeří s<br />
tepelně aktivovanou pohyblivostí řetězců.<br />
Podle krystalizační schopnosti polymerů je můžeme dělit na:<br />
■ se sklonem k samovolné krystalizaci<br />
■ samovolně nekrystalizující<br />
■ nekrystalizující za žádných okolností
(SEMI)KRYSTALICKÝ STAV<br />
Mezimolekulární síly způsobují vzájemné přibližování řetězců a jejich urovnání do poloh o<br />
nejnižší energii. Teplený pohyb jednotlivých segmentů makromolekul má však opačný účinek.<br />
Má-li dojít ke k uspořádání struktury do pravidelných krystalů, musí být kohezní<br />
energie větší než energie tepelného pohybu.<br />
To vymezuje teplotu krystalizace na rozsah mezi T g a T m<br />
Teplota<br />
■ Krystalická fáze nikdy netvoří celý objem polymeru. Krystalizuje tzv. krystality obklopené amorfní fází.<br />
Semikrystalická struktura.<br />
■ Čím větší podíl krystalické fáze ve struktuře – tím lepší mechanické vlastnosti<br />
(houževnatost, tažnost)
Zamezení pohybu řetězců<br />
(příliš nízká teplota)<br />
AMORFNÍ STAV – zcela nahodilé polohy atomů<br />
Obtížnější pohyb řetězců<br />
(nižší teplota)<br />
Snadný pohyb řetězců (vysoká<br />
teplota – kapalná fáze)<br />
Zvyšující se teplota zvětšuje prostor mezi makromolekulárními řetězci –<br />
usnadňuje jejich pohyb
ZÁVISLOST MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ NA TEPLOTĚ<br />
Skelný stav<br />
Pevnost<br />
Teplota skelného přechodu<br />
Kaučukovitá oblast<br />
T G T M<br />
Tok kapalné fáze<br />
Teplota<br />
Termomechanická křivka – závislost deformace vznikající působením určité síly po určitou<br />
dobu za dané teploty. (Charakteristická pro každý polymer)
KRYSTALICKÁ VERSUS KRYSTALICKÁ STRUKTURA POLYMERU<br />
Pevnost<br />
Krystalická<br />
T G<br />
Amorfní<br />
T G<br />
Amorfní<br />
Krystalická<br />
Krystalická<br />
T M<br />
Teplota
VLIV PODÍLU KRYSTALINITY NA DEFORMACI V ZÁVISLOSTI<br />
NA TEPLOTĚ<br />
Vysoká krystalinita<br />
Pevnost<br />
Střední krystalinita<br />
Nízká krystalinita<br />
Amorfní stav<br />
Teplota
KAUČUKOVITÝ STAV<br />
Polymer lze v tomto stavu poměrně malou silou do<br />
neobvyklé míry vratně deformovat, takže jej nelze<br />
definovat jako tuhou látku, ale nelze jej definovat ani<br />
jako kapalinu, protože při deformaci nedochází k<br />
nevratnému toku, který charakterizuje stav plastický a<br />
kapalný.<br />
■ U látek jako jsou např. sklo nebo kovy překročí elastická<br />
deformace málokdy 1 % - protože polohy atomu jsou<br />
fixovány.<br />
■ Kovalentní vazby a rotační pohyby v dlouhých<br />
řetězcích však umožňují pohyb jednotlivých atomů v<br />
mnohem větším rozsahu. Umožňují elastickou<br />
deformaci až několik set %.<br />
Charakteristické rysy elastomerů:<br />
1. Teplota polymeru musí být nad Tg<br />
2. Tyto polymery vykazují schopnost neobvyklé elastické<br />
deformace a rychlého smrštění po odlehčení<br />
3. Elastomery mají nízký (popř. zanedbatelný) obsah<br />
krystalické fáze
3.3 TERMOPLASTY<br />
Termoplasty jsou polymery,<br />
které lze zvýšením teploty<br />
uvést do stavu plastického<br />
ze stavu tuhého, a že tato<br />
změna je vratná.<br />
■ Polyolefiny a fluoroplasty<br />
■ Vinylové polymery<br />
■ Styrenové a akrylové polymery<br />
■ Polyestery<br />
■ Polyamidy<br />
■ Polyuretany
Polyethylen (PE)<br />
■ Termoplast vznikající polymerací ethenu<br />
Jeho vlastnosti silně závisí na molekulové hmotnosti, prostorovém uspořádání a stupni<br />
krystalinity, které ovlivňuje způsob výroby.<br />
■ Výroba: PE lze připravit tzv. beztlakou polymerací (za použití katalyzátorů) nebo<br />
středotlakou (7MPa) polymerací (katalýza pomocí oxidů kovů.<br />
Dva základní typy PE rozdělené podle hustoty (která je mírou linearity a krystalinity polymeru)<br />
■ LDPE – Low Density PolyEthylene – rozvětvený typ makromolekuly<br />
■ HDPE – High Density PolyEthylene – lineární typ makromolekuly<br />
■ Chemická odolnost vzrůstá se zvětšující se krystalinitou. Odolává vodě, neoxidujícím<br />
chemikáliím. Rozpouští se ve vroucím benzenu, toluenu.<br />
■ Výborná odolnost vůči nízkým teplotám. Křehne až při -120 0 C.<br />
■ Tvarová stálost do 90 0 C.
Polyethylen (PE)<br />
Použití:<br />
■ Technické výrobky - folie, trubky, pláště kabelů, kanystry<br />
■ Spotřební zboží – výrobky pro domácnost, hračky<br />
■ Je nejrozšířenějším obalovým materiálem<br />
■ UHMW (High molecular weight polyethylene) – kluzné vodící<br />
elementy, filtry, ložiska, šneky, vytlačovací stroje, součásti<br />
kloubních protéz, lisovací formy na keramiku.
Polypropylen (PP)<br />
■ Výroba: polymerací propylenu, Výsledkem jsou polymery s velmi pravidelnou strukturou<br />
danou uspořádáním substituentů CH 3 . V komerčních produktech se požaduje tzv. index<br />
izotakticity.<br />
■ Stupeň krystalinity: 60 až 75 %.<br />
■ Teplota tání čistého isotaktického PP je 176°C, obchodní typy 160 - 170°C.<br />
■ Výborné elektroizolační vlastnosti, chemická odolnost.<br />
■ Tepelná odolnost: krátkodobě 135°C, dlouhodobě 100°C<br />
■ Vyšší pevnost v tahu i tlaku, vyšší tvrdost a odolnost proti oděru než lepší odolnost vůči<br />
korozi za napětí a menší propustnost pro plyny PE<br />
■ Křehkost při teplotách pod 0°C a nižší odolnost vůči atmosférické oxidaci. Zvýšení<br />
houževnatosti za mrazu lze dosáhnout kopolymerací propylenu s ethylenem nebo mísením<br />
PP s kaučuky.<br />
Fyzikální vlastnosti PP
Polypropylen (PP)<br />
Použití PP:<br />
■ Součásti strojů, přístrojů např. v<br />
automobilovém průmyslu,<br />
nárazníky, součásti vysavačů,<br />
ventilátory, trubky, vodní<br />
armatury, bazény<br />
injekční stříkačky (odolává<br />
sterilizačním teplotám)<br />
■ Narozdíl od PE se hojně<br />
používá k výrobě mechanicky a<br />
chemický odolných vláken
Fluoroplasty – strukturní analogy polyolefínů (polyalkenů), v jejichž makromolekulách<br />
jsou vodíkové atomy nahrazeny fluorovými a částečně chlorovými<br />
Polytetrafluoroethylen PTFE- TEFLON<br />
■ PTFE je vysoce krystalický, nerozpustný pod teplotou tání (327 o C).<br />
■ Chemickou odolností předčí dokonce i ušlechtilé kovy, sklo, emaily, smalty, nerezavějící<br />
oceli !!!<br />
■ Kombinace velké tepelné odolnosti a výborné mazací schopnosti<br />
=> Použití – samomazná třecí ložiska, poteflonované pánve, nános teflonu<br />
na holicích čepelkách, povrchy rypadel, buldozerů
Vinylové polymery – patří k nejdůležitějším plastům. Získávají se většinou<br />
polymerací obecného vzorce CH 2<br />
= CH – R.<br />
Polyvinylchlorid (PVC)<br />
Polyvinylchlorid (PVC) je jednou z nejpoužívanějších umělých hmot na Zemi.<br />
■ Vyrábí se polymerací vinylchoridu (těkavý, jemně nasládlý plyn, bod varu = -<br />
13,9°C) a od většiny běžných plastů se liší obsahem chloru.<br />
■ Relativně levná syntéza (suspenzní a emulzní polymerací, polymerací v<br />
monomerní fázi)– významné užitné vlastnosti – zpracovatelnost mnoha způsoby<br />
(válcováním, vytlačováním, vstřikováním, atd.<br />
■ značná chemická odolnost (PVC se zpracovává kolem 180 o C)<br />
■ dobrá tepelná odolnost<br />
Přibližně polovina z celosvětově vyráběného množství se používá ve<br />
stavebnictví. PVC tak dnes v masovém měřítku nahrazuje tradiční stavební<br />
materiály jako dřevo, beton či hlínu a textilní materiály.<br />
!!! Ačkoliv má prakticky ideální stavební vlastnosti, výrazné obavy vzbuzují<br />
vlivy PVC na životní prostředí a lidské zdraví !!!<br />
(Polyvinylchlorid se vyrábí polymerací karcinogenního vinylchloridu)
Polyvinylchlorid (PVC)
Polystyren (PS)<br />
Lze jej snadno připravit všemi známými polymeračními technikami – používá se především tzv.<br />
radikálová polymerace (v monomerní fázi a suspenzní polymerace)<br />
Je tvrdý, křehký, světlopropustný, má vynikající izolační vlastnosti, fotooxidací křehne a žloutne<br />
Zpracovává se především vstřikováním.<br />
Odolává kyselinám a zásadám. Neodolává organickým rozpouštědlům, zejména benzenu,<br />
aldehydům a ketonům<br />
Při stárnutí křehne a vytvářejí se v něm trhliny.<br />
Použití: převážně se používá pěnový PS ve - stavebnictví – tepelná, zvuková izolace,<br />
v obalové technice (např.ochrana přístrojů při nárazu během dopravy)
Polystyren (PS) – TEPELNĚ IZOLAČNÍ VLASTNOSTI
Akrylové polymery<br />
Př. Polymethylmethakrylát<br />
Vznikají polymerací akrylových kyselin – kys. polyakrylovou, polymetakrylovou,<br />
jejich estery, amidy a nitrily.<br />
Mají velmi rozsáhlé použití – nátěrové hmoty, plasty, vlákna.<br />
Podle hlavního monomeru je rozčleňujeme na polyakryláty, polymethakryláty,<br />
polyakrylonitril (vláknařský polymer)<br />
Nejpoužívanější je polymethylmethakrylát – organické sklo, PLEXISKLO<br />
■Čirá a bezbarvá látka i při větších tloušťkách – náhrada skla<br />
■ Odolnost proti stárnutí, pohlcuje UV záření, propouští IČ záření<br />
■ Pevnost v tahu = 65 MPa
POLYAMIDY<br />
Lineární polymery charakterizované hlavním polymerním řetězcem, v němž se pravidelně<br />
střídají skupiny –CO-NH- s větším počtem –CH 2 - skupin (methylenových)<br />
Nejvýznamnější zástupci: polykaprolaktam, obecně označovaný jako polyamid 6 nebo Nylon 6<br />
Polykondenzací hexamethylendiaminu a kyseliny adipové vzniká polyamid 66, resp. Nylon 66<br />
POLYAMIDOVÁ VLÁKNA jsou velmi pružná – modul pružnosti v tahu<br />
PA 6 = 1300 MPa, PA 66 = 1700 MPa<br />
Nejrozšířenější je použití - výroba dámských punčoch, podlahovin a sportovního odívání.
POLURETANY (PUR)<br />
Vyrábí se polyadicí diizokyanátů a dvoj- nebo vícesytných alkoholů za vzniku uretanové<br />
vazby. Izokyanáty velmi snadno reagují se všemi sloučeninami, které obsahují aktivní uhlík<br />
(což je např.voda, alkoholy, fenoly, thioly, aminy, karboxylové kyseliny aj.)<br />
Nejvýznamnější použití polyuretanů –<br />
výroba lehčených hmot (pěnových materiálů).<br />
Připravují se přivedením všech složek do míchací<br />
hlavy, kde se vysokoobrátkovým míchadlem<br />
vytvoří viskózní kapalina, která po nalití do forem<br />
velmi rychle vypění (po 10 až 20 minutách může<br />
být pěna vyňata).<br />
Měkké pěny ρ=15 až 70 kg m -3<br />
(matrace, laminování textilu, obaly)<br />
Tvrdé pěny ρ=10 až 600 kg m -3<br />
(izolační materiály ve stavebnictví a<br />
strojírenství)
3.4 REAKTOPLASTY<br />
<strong>Polymery</strong>, které nevratnou chemickou reakcí přecházejí z lineárního do<br />
síťovaného stavu. Zahřátím nebo přidáním vytvrzovacího činidla tyto<br />
polymery vytvrzujeme – přecházejí do nerozpustného a netavitelného stavu<br />
(ztrácejí termoplastický charakter).<br />
Používá se jich k výrobě lisovacích hmot, vrstvených materiálů, lehčených hmot,<br />
lepidel, nátěrových hmot, prostředků pro úpravu dřeva, papíru, kůže.<br />
FENOPLASTY – fenolitické pryskyřice<br />
NOVOLAKY – produkty polykondenzace fenolu s nedostatkem formaldehydu, které lze<br />
vytvrdit teprve po přidání formaldehydu nebo jiného vytvrzovacího činidla<br />
REZOLY - produkty polykondenzace fenolu s přebytkem formaldehydu, které můžeme<br />
působením tepla snadno převést v nerozpustnou a netavitelnou hmotu zvanou rezit.<br />
Použití - laky, lisovací hmoty, vrstvené hmoty (lamináty), kyselinotvorné tmely,<br />
lepidla, pojiva u slévárenských pískových forem
AMINOPLASTY – aminopryskyřice<br />
Reakční produkty aminosloučenin, zejména močoviny, melaninu, anilinu a jejich derivátů<br />
převážně s formaldehydem, které jsou schopny účinkem tepla nebo katalyzátoru dále<br />
reagovat a přecházet na vytvrzené makromolekulární hmoty.<br />
Použití: lepidla, pojiva, laky, úprava papíru, textilu, lisovací hmoty<br />
EPOXIDOVÉ PRYSKYŘICE<br />
Pryskyřičné látky, jejichž řetězce obsahují zpravidla více než jednu epoxidovou skupinu.<br />
Vyrábí se polykondenzací vícesytných fenolů s epoxidovou skupinou Jejich značná<br />
reaktivnost vede k sesíťovaným polymerním produktům.<br />
■ Vynikající adheze k většině materiálů<br />
■ Chemická odolnost<br />
■ Minimální smrštění po vytvrzení<br />
Použití: lepidla, pojiva, laky, úprava papíru, textilu, lisovací hmoty, pojiva skelných laminátů<br />
Další typy pryskyřic:<br />
SILIKONOVÉ PRYSKYŘICE<br />
POLYESTEROVÉ PRYSKYŘICE
3.5 KAUČUKY<br />
Kaučuk je polymerní materiál přírodního nebo syntetického původu,<br />
vyznačující se velkou pružností, tedy schopností se účinkem vnější<br />
síly výrazně deformovat a poté opět zaujmout původní tvar.<br />
Kaučuky jsou tedy ELASTOMERY.<br />
Rozdělení syntetických kaučuků:<br />
■ Izoprenové kaučuky<br />
■ Butadienové kaučuky<br />
■ Ethylenpropylenové kaučuky<br />
■ Butylkaučuky kaučuky<br />
■ Chloroprenové kaučuky<br />
■ Butadienakrylonitrilové kaučuky<br />
■ Akrylátové kaučuky<br />
■ Polysulfidové kaučuky<br />
■ Silikonové kaučuky<br />
■ Fluorouhlíkové kaučuky
Vulkanizace<br />
■ Vulkanizace kaučuku – proces, při kterém se z termoplastického kaučuku<br />
stává netermoplastická pryž<br />
■ síťování (vznik 3D struktury) ->zvýšení tvrdosti, pevnosti<br />
Charles Goodyear – patent v USA, polovina 19. stol.
PŘÍDAVNÉ LÁTKY V POLYMERECH<br />
1. Zpracovatelské přísady<br />
2. Antidegradanty<br />
3. Síťovací činidla<br />
4. Přísady ovlivňující jiné fyzikální vlastnosti<br />
5. Zpomalovače hoření<br />
6. Jiné …<br />
Plastový výrobek = polymer + cca 20 přídavných látek
Rozdělení polymerů podle jejich aplikace, nadmolekulární struktury a ceny
Vybrané vlastnosti polymerních materiálů
4. ODSTRAŇOVÁNÍ A ZHODNOCOVÁNÍ<br />
POLYMERNÍCH ODPADŮ<br />
Současná světová roční spotřeba polymerních<br />
materiálů činí téměř 200 miliónů tun.<br />
Z toho představuje polyethylen 32 %,<br />
polypropylen 20 %, polyvinylchlorid 17%,<br />
polystyren 12%, polyuretany 6%.<br />
Značná životnost vůči běžnému vnějšímu<br />
prostředí, ceněná při aplikaci, se stává<br />
nevýhodnou, v okamžiku kdy výrobek doslouží a<br />
stává se odpadem.<br />
Např. úbytek obalové fólie z LDPE vlivem působení<br />
biologického prostředí představuje za 2,5 roku<br />
0,35% hmotnosti.<br />
Osud PET lahví deponovaných na skládkách<br />
můžeme jen odhadovat, protože doba, po kterou<br />
jsou na skládky deponovány, je zatím kratší než<br />
doba, po níž by došlo ke znatelným změnám v<br />
materiálu!!!
Možnosti nakládání s odpady<br />
Dva základní přístupy k polymerním odpadům:<br />
ZHODNOCENÍ / ODSTRANĚNÍ<br />
Z ekologického hlediska je nejpřijatelnější formou nakládání s odpady jejich<br />
RECYKLACE.<br />
(tj. proces, při němž byly použité a následně vyřazené výrobky sbírány, tříděny, zpracovány a<br />
materiál z nich získaný znovu vracen do užívání)<br />
■ Primární recyklace – z polymerního odpadu se získává materiál stejných nebo<br />
podobných vlastností jako měl materiál původní<br />
■ Sekundární recyklace – z polymerního odpadu se získává materiál značně<br />
odlišných vlastností než měl materiál původní<br />
■ Fyzikální recyklace – z odpadního materiálu se získává nový materiál aniž by<br />
probíhaly chemické reakce<br />
■ Chemická recyklace – chemický rozklad na nízkomolekulární sloučeniny, často<br />
monomery, z nichž se chemickou cestou vyrobí nový materiál
ZNEŠKODNĚNÍ<br />
Skládky: plasty ani po uplynutí dlouhé doby nepodléhají významným<br />
oxidačním nebo biologickým přeměnám, čímž narušují proces přirozené<br />
homogenizace skládkového terénu => snaha o maximální omezení<br />
tohoto způsobu nakládání s plastovými odpady a využívání skládek<br />
jen k odstraňování je odpadu, který nelze žádným způsobem<br />
zhodnotit (cca 20% odpadů)<br />
Pyrolytická degradace: nejpokročilejší způsob chemické recyklace. Redukční analýza<br />
–působení CO, vody a tepla – transformuje odpadní polymery na ušlechtilá paliva<br />
Oxidační degradace: degradace při teplotě okolí, nebo (častěji) při zvýšené teplotě<br />
(900 o C). Teplo se využívá k výrobě páry nebo elektrické energie. Spaliny je potřeba čistit.<br />
RECYKLACE ODPADNÍCH PLASTŮ<br />
■ Téměř ve všech vyspělých státech se využívají odpady z polyolefinů – zpracovávají se<br />
hlavně na fólie, deskové materiály, přepravky atd.<br />
■ Z PVC lahví – kanalizační trubky, desky<br />
■ Zařízení Remarker – zpracovává všechny odpady termoplastů – lisování za zvýšené<br />
teploty –> desky, kontejnery, fólie atd.<br />
■ Např. na palety z odpadních materiálů lze použít směs 50% plastového odpadu a 50%<br />
směs papírového odpadu<br />
■ Netříděné plastové odpady –přepážky, latě na plot, meliorační trubky. Pomocí mohutného<br />
vytlačovacího stroje.
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÉ POLYMERY<br />
Rozmáhající se spotřeba obalových hmot a s ní spojená ekologická zátěž<br />
ústí v rozvíjení biologicky rozložitelných materiálů. Ve vhodném prostředí<br />
(kompost, odpadní vody, mořský voda, UV záření) se mohou tyto polymery<br />
vlivem působení mikroorganismů rozkládat na vodu, oxid uhličitý, popř.<br />
amoniak, metan.<br />
Základní rozpor<br />
Životnost, vlastnosti pro technické aplikace vs.<br />
ROZLOŽITELNOST<br />
Nedostatečné aplikační vlastnosti vedou k<br />
chemickým úpravám polymeru =><br />
Čím větší stupeň chemické modifikace, tím<br />
obtížnější rozklad v přirozeném prostředí.<br />
Např. chemická modifikace přírodní celulózy nepodléhá rozkladu ve spodních<br />
vrstvách skládek ani po 10 letech.
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÉ POLYMERY<br />
Potenciální materiál pro obaly – ŠKROB a jeho modifikace<br />
- jeden z nejlevnějších biodegradovatelných polymerů<br />
- škrob je obsažen v kukuřici, bramborech, pšenice, rýže<br />
Jílové nanoplnivo Montmorillonit MMT – vrstvená struktura schopná tzv.<br />
delaminace
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÉ POLYMERY<br />
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÝ NANOKOMPOZIT NA BÁZI<br />
JÍL(MONTMORILLONIT) - ŠKROB<br />
Částice montmorillonitu zvyšují tuhost kompozitu