Tworzywa sztuczne

Zalety procesu wtryskiwania:

• wytwarzanie nawet najbardziej skomplikowanych wyrobów w jednym procesie technologicznym;

• mały bądź żaden udział obróbek wykańczających;

• wysoka jakość i powtarzalność właściwości i wymiarów otrzymywanych wyrobów;

• możliwość pełnego zautomatyzowania, komputerowego sterowania i kontroli procesu;

• w porównaniu z obróbką metali, znaczne zmniejszenie liczby operacji technologicznych, mniejsze zużycie energii bezpośredniej i wody, niewielka pracochłonność, niska emisja związków szkodliwych dla otoczenia.

Wady procesu wtryskiwania:

• wysoki koszt maszyn (wtryskarek) i niejednokrotnie dorównujący mu koszt oprzyrządowania (form), powodujący wydłużenie czasu amortyzacji i wysokie koszty uruchamiania produkcji;

• ze względu na powyższe, technologia wtrysku opłacalna tylko przy produkcji wielkoseryjnej i masowej;

• konieczność wysokich kwalifikacji pracowników nadzoru technicznego, którzy muszą znać specyfikę przetwórstwa tworzyw sztucznych;

• konieczność zachowania wąskich tolerancji parametrów przetwórstwa;

• długi czas przygotowania produkcji ze względu na pracochłonność wykonania form wtryskowych.

Ze względu na specyficzne własności tworzyw sztucznych, wtryskiwanie jest bardzo złożonym procesem technologicznym; w odróżnieniu od pozornie pokrewnego procesu odlewania ciśnieniowego metali nie jest procesem mechanicznym, lecz mechaniczno - fizycznym. W procesie wtryskiwania uzyskuje się wypraskę charakteryzującą się nie tylko określonym kształtem, lecz także specyficzną strukturą, wynikającą ze sposobu płynięcia uplastycznionego tworzywa w formie oraz przebiegu jego krzepnięcia. Ponieważ procesy te zachodzą w formie wtryskowej, konstruktor tego narzędzia musi uwzględniać, prócz zagadnień typowo mechanicznych, również zagadnienia związane z fizycznym charakterem przemian tworzywa (skurcz). Skonstruowanie racjonalnie pracującej formy wymaga równocześnie od konstruktora gruntownej znajomości możliwości technicznych wtryskarki, ponieważ jest to maszyna o wyjątkowo bogatych możliwościach, zapewnionych przez jej wyposażenie i liczne programy pracy.

Fazy procesu wtryskiwania:

1. zamykanie formy,

2. dosuwanie układu uplastyczniającego do formy tak, by dysza wtryskowa zetknęła się z tuleją wtryskową formy,

3. wtryśnięcie uplastycznionego tworzywa przez dyszę do gniazda formy i jego wypełnienie (faza wtrysku),

4. uzupełnienie tworzywa w gnieździe poprzez nieduże dociśnięcie ślimaka w celu wyrównania zmniejszenia objętości wywołanej skurczem zestalającego się tworzywa (faza docisku),

5. chłodzenie wypraski w formie; równocześnie p.6

6. wprawienie ślimaka w ruch posuwisto - obrotowy, co powoduje pobranie tworzywa z leja zasypowego i jego uplastycznienie, następnie odsunięcie układu uplastyczniającego od formy,
   7. otwarcie formy i usunięcie wypraski z gniazda formy,

7. 8. przygotowanie formy do następnego cyklu.

W prowadzeniu procesu wtryskiwania dużą rolę odgrywa doświadczenie zarówno technologa ustalającego proces, jak i pracownika obsługującego wtryskarkę, przestrzegającego ustaleń założonych w warunkach produkcyjnych. Do najważniejszych parametrów procesu wtryskiwania zalicza się: temperaturę, ciśnienie i czas wtrysku. Dobór tych parametrów zależy od:

• kształtu i wielkości wypraski
• rodzaju i własności użytego tworzywa
• sprawności pracy wtryskarki
• konstrukcji formy.

Dodatkowo temperatura wtrysku zależy jeszcze od: temperatury formy, ciśnienia tłoka wtryskowego i szybkości wtrysku. Natomiast czas wtrysku zależy jeszcze od: wydajności uplastyczniania, ciśnienia i temperatury wtrysku, oraz szybkości wtrysku. Parametry te decydują o wydajności procesu, jakości wyprasek, własności mechanicznych wyrobu i jego zastosowania.
 

Przebieg procesu wtrysku określają następujące parametry:

- Ciśnienie wtrysku P_w - największe ciśnienie tworzywa panujące w cylindrze wtryskowym na czole ślimaka lub tłoka podczas wypełniania formy
- Ciśnienie docisku P_d - ciśnienie tworzywa na czole ślimaka lub tłoka wtryskowego podczas uzupełniania ubytków skurczowych tworzywa w formie
- Ciśnienie spiętrzenia (przeciwciśnienie) P_s - ciśnienie tworzywa w przedniej części cylindra podczas pobierania surowca przez obracający się ślimak
- Temperatury poszczególnych stref grzejnych na cylindrze wtryskarki T_b1 , T_b2 , T_b3
- Temperatura wtrysku T_w - temperatura cylindra niezbędna do właściwego uplastyczniania tworzywa, podawana dla ostatniej (przedniej) strefy cylindra
- Temperatura stref formy T_f1, T_f2
- Temperatura formy T_f - średnia temperatura na powierzchni gniazda formy.
- Czas cyklu t_c , na który wliczają się :
- Czas wtrysku t_w - czas wypełniania formy tworzywem, wynikający z prędkości wtrysku.
- Czas docisku t_d - czas trwania ciśnienia docisku.
- Czas chłodzenia t_ch - czas zamknięcia formy do momentu zakończenia wtrysku.
- Czas przerwy t_p - czas obejmujący otwieranie formy, usuwanie wypraski i inne manipulacje, zamykanie formy
- Poszczególne czasy otwierania i zamykania formy, oraz dosuwania i odsuwania cylindra t_m
- Objętość wtryskiwania V_w
- Objętość docisku V_d
- Objętość dekompresji V_dk
- Prędkość wtryskiwania v_w
- Prędkość zamykania formy v_z
- Prędkość otwierania formy v_o
- Prędkość wypychania wypraski v_u
- Prędkość dosuwania i odsuwania cylindra v_cyl
- Siła zamykania formy F_z
- Siła otwierania formy F_o
- Siła wypychania wypraski F_u
- Siła docisku dyszy F_cyl

Na ogół należy ustalić takie warunki procesu wtryskiwania, aby uzyskać wypraski o odpowiedniej jakości przy jak największej wydajności. Dla sprawniejszego wypychania wyprasek z gniazd formy wtryskowej stosuje się powłoki środków przeciwprzyczepnych, którymi powleka się powierzchnie gniazd w formie.

Obraz

Schemat wtryskarki wraz z najważniejszymi parametrami procesu wtrysku

Zespół napędu

Konwencjonalny zespół napędu składa się z tylu podzespołów, ile jest siłowników i silników hydraulicznych. Każdy podzespół składa się z rozdzielacza, regulatora ciśnienia, regulatora przepływu, zaworów zwrotnych i zaworów bezpieczeństwa. Wszystkie podzespoły zasilane są najczęściej przez układ dwóch pomp: jednej o dużym wydatku i niskim ciśnieniu oraz drugiej o małym wydatku i wysokim ciśnieniu oleju (na ogół ok. 160 bar). Wszystkie nowoczesne wtryskarki charakteryzuje zastosowanie pomp i zaworów proporcjonalnych. Dzięki temu możliwe jest niezależne sterowanie ciśnieniem i wydatkiem oleju napędowego. Napęd pneumatyczny ze sprężonym powietrzem (0,6-1,2 MPa) jest stosowany tylko w bardzo małych wtryskarkach. W ostatnich latach coraz częściej stosowany jest napęd bezpośrednio elektryczny. W tym przypadku wykluczony jest olej jako bezpośredni nośnik energii. Jest to bardzo oszczędny sposób napędu, oszczędności energii mogą dochodzić do 25%. Jednak silniki do takich wtryskarek są drogie.

Zespół regulacji i sterowania

Obecnie produkuje się wyłącznie wtryskarki o elektronicznym sterowaniu bezkontaktowym, co umożliwia:

- zastosowanie numerycznych nastaw wszystkich parametrów procesu;
- zapis parametrów w pamięci komputera wtryskarki lub w terminalu wydziałowym;
- sterowanie wszystkimi funkcjami maszyny, kontrolę tych funkcji oraz uzyskiwanie informacji o przyczynie awarii;
- podłączenie sterowania wyposażenia preferencyjnego (termoregulatorów, urządzeń zasilania, transportu, segregacji i kontroli);
- łączenie gniazd w ogólny Elastyczny System Produkcyjny (ESP) wydziału;
- dokonywanie obróbki elastycznej w systemie SPC (Statistical Process Control);
- śledzenie na ekranie wykresów zmian ciśnień i szybkości w funkcjach czasu i drogi;
- rejestracje i wydruk wszystkich danych rzeczywistych pracy maszyny;
- stałe poszerzanie pakietu programów dodatkowych;
- stosowanie optymalizacji procesu przez samoczynne dostosowanie się maszyn do zmiennych warunków zewnętrznych przy ustalonych kryteriach sterowania jakością wyprasek;

Panel sterowania mikroprocesorowego z graficznym wyświetlaczem

Zależnie od potrzeb, wzajemne położenie i liczba dwóch pierwszych zespołów determinuje wielkość i kształt korpusu. Wyróżnia się wtryskarki o liniowym poziomym i pionowym ułożeniu zespołów zamykania i agregatu wtryskowego. Wtryskiwanie jest wówczas realizowane przez stół nieruchomy wtryskarki. Natomiast przy ułożeniu kątowym, również poziomym lub pionowym, wtryskiwanie jest dokonywane bezpośrednio w płaszczyznę podziału formy.

Do wtryskiwania wielokomponentowego lub wielokolorowego stosowane są wtryskarki z wieloma agregatami wtryskowymi. Do już wykonanego fragmentu wypraski dotryskiwany jest następny jej fragment, potrzebne jest w tym przypadku przemieszczenie wypraski do kolejnej formy przez obrót stołu ruchomego. Do produkcji bardzo grubych wyrobów stosuje się jeden agregat wtryskowy, ale wiele obrotowych lub przesuwnych zespołów zamykania.

Forma wtryskowa składa się przeważnie z dwóch podzespołów: podzespołu mocowanego do ruchomego stołu wtryskarki, zwanego podzespołem ruchomym, i podzespołu mocowanego do nieruchomego stołu wtryskarki, zwanego podzespołem nieruchomym. Podzespoły formy tworzą następujące części: gniazdo lub gniazda formujące, układ przepływowy (wlewowy), układ chłodzenia lub grzania, układ wypychania wypraski (lub wyprasek), a także wlewka, obudowa i elementy ustalające oraz prowadzące, jak również układy uzupełniające.

Formy dzielimy na:
- Jednogniazdowe - jednokrotne
- Wielogniazdowe - wielokrotne

Kanały wtryskowe układu przepływowego formy wtryskowej składają się z:
- kanału przepływowego centralnego, stożkowego, współosiowego z dyszą wtryskarki
- kanału doprowadzającego łączącego kanał przepływowy z gniazdem formy,
- przewężki, stanowiącej ujście kanału doprowadzającego do gniazda formy.

Budowa typowej formy wtryskowej:

1- tuleja wlewowa, 2- kanał wlewowy, 3- zaczep wlewka, 4- przewężka, 5, 6,7- wstawki formujące matrycy, 8, 9- wstawki formujące stempla, 10- tuleja prowadząca, 11- kołek prowadzący, 12- pierścień centrujący formę, 13- płyta podpierająca, 14- płyta mocująca, 15- tuleje podpierające, 16- zderzak, 17- sprężyna powrotna zderzaka, 18- wypychacze, 19- płyta wypychaczy, 20- płyta podpierająca wypychacze, 21- wypychacz wlewka, 22 - 26- kanały chłodzące

Badanie tworzyw sztucznych jest dziedziną bardzo rozległą, gdyż materiały te występują w różnych postaciach fizycznych - jako ciecze (żywice polimerowe) jako tworzywa o różnym stopniu plastyczności oraz jako tworzywa stałe (tworzywa konstrukcyjne), nieraz o bardzo dużej twardości. Każda z tych postaci wymaga odpowiednich metod badania. Najczęściej rozpatruje się takie właściwości jak: przetwórcze, mechaniczne, cieplne, elektryczne. Specjalne metody stosuje się do badania gotowych wyrobów Ze względu na to liczba metod badania może być tak duża, jak wiele jest kierunków zastosowań tworzyw sztucznych. Są pewne zastosowania priorytetowe np. w budownictwie gdzie takie wyroby jak materiały podłogowe,listwy wykończeniowe, rury kanalizacyjne i wodne doczekały się opracowania metod badawczych od wielu lat znormalizowanych.

Ogólnie tworzywa sztuczne w zależności od charakteru ich zastosowań można podzielić na konstrukcyjne, powłokowe, kleje, włóknotwórcze i specjalne . Biorąc zaś pod uwagę warunki przetwórstwa, rozróżnia się tworzywa na bazie polimerów termoutwardzalnych, termoplastycznych i chemoutwardzalnych.

Pomimo tej różnorodności tworzyw sztucznych ich badanie za pomocą przyrządów i aparatury z zastosowaniem znormalizowanych metod może być podobne. Dzięki badaniom przeprowadzonym na tej samej aparaturze i taką samą metodą można porównać różne tworzywa i dobierać materiały o optymalnych cechach do danego rozwiązania technicznego.

Gęstością d nazywamy stosunek masy próbki tworzywa do jej objętości w danej temperaturze, czyli jest to masa (w gramach) 1cm³ danej substancji

d = m / V

gdzie m - masa, V - objętość

Ciężar właściwy D wyznaczamy ze zworu

D = P / V

gdzie P = m*g - ciężar, g = przyśpieszenie ziemskie

Oznaczenie ciężaru właściwego sprowadza się do określenia ciężaru i objętości próbki badanego tworzywa. Oba te pomiary wykonuje się oddzielnie, stosując odrębne metody przy użyciu tego samego przyrządu (za pomocą wagi hydrostatycznej) albo stosując jedno badanie, w którym uwzględnia się równocześnie obie mierzone wielkości (pomiary aerometryczne). Przeprowadza się je najczęściej w temperaturze 230^oC. Pomiar gęstości najbardziej przydatny jest w badaniach kontrolnych wyrobów z tworzyw sztucznych, zwłaszcza w przypadku wyrobów napełnianych, jak z wyprasek tłoczyw fenolowych, mocznikowych itp., kitów chemoutwardzalnych, wykładzin podłogowych i in.

Próbki do oznaczania gęstości przygotowuje się w następujący sposób :
- formowanie kształtek z tłoczyw termoutwardzalnych przez prasowanie,
- formowanie kształtek z tłoczyw termoplastycznych przez prasowanie,
- formowanie kształtek z tworzyw termoplastycznych metodą wtrysku.

Metody oznaczania gęstości:

-oznaczenie gęstości ciał stałych o kształtach regularnych,
-oznaczenie gęstości ciał stałych o kształtach nieregularnych za pomocą wagi hydrostatycznej,
-oznaczenie gęstości ciał sypkich,
-oznaczenie gęstości folii i podobnych materiałów,
-oznaczenie gęstości za pomocą kolumny gradientowej,
-oznaczenie gęstości cieczy,
-oznaczenie gęstości za pomocą areometru,
-oznaczenie gęstości za pomocą wagi hydrostatycznej Westphala-Mohra,
-oznaczenie gęstości za pomocą pikometru.

najczęściej spotykane metody oznaczeń gestości materiałów polimerowych:

1.  Pomiar objętości i masy - stosuje się do oznaczania gęstości tworzyw polimerowych uformowanych w postaci prętów, belek, rur (próbki o dowolnym, prawidłowym kształcie geometrycznym, o objętości nie mniejszej niż 1 cm³ i masie nie większej niż 180g).

2. Metoda hydrostatyczna - polega na porównaniu masy jednostkowych objętości próbki badanego tworzywa i cieczy o znanej gęstości (np. wody destylowanej) (próbki o kształcie dowolnym i masie 0.2 - 5 g). Do oznaczenia stosuje się wagę hydrostatyczną, ciecz immersyjną do zanurzania próbek, termometr, termostat.

3. Metoda piknometryczna - polega na obliczeniu stosunku masy próbki do jej objętości, czyli objętości cieczy immersyjnej o znanej gęstości wypartej przez próbkę. Metodę tę stosuje się do oznaczania gęstości tworzyw polimerowych w postaci proszków, granulek, płatków.

p_t = m p_i / (m₁ - m₂)

gdzie:

p_t - gęstość badanej próbki

m - masa próbki, g

m₁ - masa cieczy użytej do napełnienia piknometru, g

m₂ - masa cieczy do napełnia piknometru z próbką, g

p_i - gęstość cieczy immersyjnej, g/cm

4.  Metoda flotacyjna - polega na porównaniu gęstości próbki badanego tworzywa z gęstością cieczy immersyjnej w chwili przechodzenia próbki w stan zawieszenia. Istota metody jest sporządzenie kilku roztworów o różnych, znanych gęstościach a następnie zanurzenie badanej próbki w każdym z tych roztworów. Gęstość cieczy, z którą badane tworzywo jest w równowadze jest zarazem gęstością tworzywa.

Poniżej, w tabeli przedstawiono gęstość najważniejszych polimerów i tworzyw sztucznych:

Analizując gęstość poszczególnych polimerów można stwierdzić, iż w zasadzie nie zmienia się ona wraz ze zmianą stopnia polimeryzacji lub usieciowania. Tak więc, z tego samego polimeru można otrzymać wyroby o różnej wytrzymałości, nie różniące się gęstością. Dlatego też gęstość nie jest traktowana jako wskaźnik przydatności użytkowej wyrobów. W nielicznych przypadkach, gdy polimer występuje w kilku odmianach o bardzo podobnych właściwościach chemicznych i fizycznych, pomiar gęstości może być wykorzystany do identyfikacji odmiany polimeru, np. dla polietylenów czy poliamidów.

Przez wilgotność rozumiemy zawartość wody w danym materiale. Wyraża się w procentach wagowych lub objętościowych.
Większość tworzyw charakteryzuje się małą wilgotnością, wyjątkiem są poliamidy i ABS. Zwiększona wilgotność powoduje "zanik technologiczny" materiału (zużycie surowca) podczas przetwórstwa i naraża producenta na straty.
Oznaczenie wilgotności jest przede wszystkim oznaczeniem kwalifikującym przy atestowaniu tłoczyw i wyrobów. Do oznaczenia wilgotności najczęściej stosuje się metodę wagową. Klasyczny pomiar polega na suszeniu zważonej próbki w określonej temperaturze do stałej masy i na obliczeniu wskaźnika wilgotności wg wzoru

W = (m₁ - m₂) / m₂ *100%

Gdzie: m₁-masa próbki wilgotnej; m₂- masa próbki wysuszonej

W poniższej tabeli przedstawiono wartości pochłaniania wilgoci przez różne tworzywa polimerowe:

Chłonność wilgoci jest ważnym czynnikiem szczególnie wtedy, gdy istotne są parametry:

Tworzywa o bardzo małej chłonności wilgoci wykazują zdecydowanie lepszą stabilność wymiarową podczas pracy.

Próba rozciągania polega na jednoosiowym odkształceniu odpowiednio przygotowanych próbek i pomiarze powstających sił. Badanie takie jest jednym z podstawowych źródeł informacji o mechanicznych właściwościach tworzyw sztucznych. Wielkościami mierzonymi przy tej próbie są odkształcenie (wydłużenie) oraz siła odkształcająca. Wydłużenie bezwzględne (delta l) jest to różnica między końcową a początkową długością odcinka pomiarowego próbki:

Obraz

Wydłużenie względne jest to stosunek odkształcenia bezwzględnego do początkowej długości odcinka pomiarowego l₀:

Obraz

Naprężenie definiuje się najczęściej jako stosunek siły odkształcającej do początkowej powierzchni przekroju poprzecznego rozciągania próbki, zmierzonej przed przyłożeniem obciążenia
 

Obraz

gdzie: F - siła odkształcająca ; A₀ - powierzchnia początkowego przekroju poprzecznego

Schematycznie proces rozciągania próbki przedstawiono na poniższym rysunku:

Obraz

Wybór aparatury zależy od celu badania i wymaganej dokładności.
Obecnie stosuje się nowoczesną aparaturę, za pomocą której można mierzyć naprężenia i odkształcenia przy dowolnej prędkości rozciągania(zginania, ściskania). Przebieg pomiaru obserwuje się na monitorze i zapisuje w pamięci komputera sprzężonego z przyrządem. Odpowiednie oprogramowanie ułatwia wybranie żądanego fragmentu, powiększenie go i następnie wydrukowanie.

Klasyczne stanowisko pomiarowe przedstawiono na poniższym rysunku:

Obraz

Wytrzymałość na rozciąganie oblicza się ze wzoru
 

Obraz

gdzie: F - maksymalna siła odkształcająca, A₀ - powierzchnia początkowego przekroju poprzecznego odcinka pomiarowego

Wytrzymałość na rozciąganie jest więc maksymalnym naprężeniem, jakie materiał przenosi podczas krótkotrwałego rozciągania statycznego.

Tworzywa sztuczne są materiałami,w których najistotniejszy składnik stanowią związki wielkocząsteczkowe, syntetyczne lub pochodzenia naturalnego. Oprócz związku wielkocząsteczkowego tworzywo sztuczne zawiera zwykle składniki dodatkowe, które nadają mu korzystne właściwości użytkowe. Składnikami tymi mogą być napełniacze, nośniki, zmiękczacze, pigmenty i barwniki, stabilizatory i wiele innych. Większość związków wielkocząsteczkowych jest zbudowana z wielkiej liczby powtarzających się i połączonych między sobą identycznych elementów podstawowych, nazywanych merami. Dlatego też związki wielkocząsteczkowe nazywamy polimerami ( poli-wiele ). Ze względu na pochodzenie można je najogólniej podzielić na trzy podstawowe grupy:

1 - naturalne związki wielocząsteczkowe występujące w przyrodzie (celuloza, białko, kauczuk );
2 - związki wielkocząsteczkowe otrzymywane z polimerów pochodzenia naturalnego w wyniku modyfikacji polegającej na chemicznej zmianie właściwości polimerów naturalnych;
3 - syntetyczne związki wielkocząsteczkowe wytwarzane na podstawie reakcji chemicznej ze związków małocząsteczkowych.

Związki małocząsteczkowe, które stanowią substancje wyjściowe do otrzymywania syntetycznych związków wielkocząsteczkowych składają się z niewielkiej liczby atomów i noszą nazwę monomerów.

Otrzymywanie syntetycznych związków wielkocząsteczkowych polega na łączeniu się między sobą cząsteczek monomerów z wytworzeniem wielkich cząsteczek, tzw. makrocząsteczek.

Polimery odznaczają się dużą masą cząsteczkową. Masa cząsteczkowa jest liczba umowną wyrażającą stosunek masy cząsteczki danej substancji do 1/12 masy atomu węgla. Z masą cząsteczkową polimerów jest związane bezpośrednio pojęcie stopnia polimeryzacji. Jest to niemianowana liczba wskazująca, ile razy dany element podstawowy (mer) powtarza się w ugrupowaniu związku wielkocząsteczkowego. Stopień polimeryzacji określa ułamek:

n = masa cząsteczkowa polimeru / masa cząsteczkowa meru

Właściwości związków wielkocząsteczkowych zależą w dużym stopniu od ich masy cząsteczkowej. Ten sam polimer w zależności od masy cząsteczkowej może mieć na tyle różne właściwości, że wymaga stosowania odrębnych metod przetwórczych.

W handlu tworzywa sprzedawane są z reguły jako:

a) granulaty - termoplasty, jak LDPE, HDPE, PP, PS, PA6, POM, PC, PMMA i inne
b) żywice techniczne - są dostarczane użytkownikom w postaci cieczy o różnej konsystencji, najczęściej gęstopłynnej.
c) tłoczywa - są to półprodukty do formowania wyrobów z tworzyw sztucznych pod ciśnieniem i w podwyższonej temperaturze. Otrzymuje się je z żywic sztucznych z dodatkiem napełniaczy i innych środków pomocniczych.
d) półfabrykaty z tworzyw sztucznych uzyskują postać wyrobu gotowego po odpowiedniej obróbce wykończeniowej.
e) folie - są to elastyczne wyroby o ograniczonej grubości (ok. 0,5 mm dla tworzyw twardych, ok. 1-2 mm dla tworzyw miękkich).
f) laminaty - są utworzone z wielu warstw nośnika, złączonych w całość za pomocą żywicy - zazwyczaj pod zwiększonym ciśnieniem.

Chemiczna klasyfikacja tworzyw sztucznych - zależnie od pochodzenia związków wielkocząsteczkowych rozróżnia:

a) Tworzywa naturalne modyfikowane :
- pochodne celulozy,
- celuloza regenerowana,
- pochodne kauczuku,
- tworzywa białkowe.

b) W zależności od rodzaju polireakcji, w wyniku której powstają związki wielkocząsteczkowe, rozróżnia się następujące tworzywa sztuczne syntetyczne:
- tworzywa otrzymywane w wyniku polimeryzacji;
- tworzywa otrzymywane w wyniku polikondensacji;
- tworzywa otrzymywane w wyniku poliaddycji.

Obraz

Technologiczna klasyfikacja polimerów

Przyjmując za podstawę klasyfikacji właściwości użytkowe i technologiczne tworzyw sztucznych można je podzielić na dwie grupy:

a) Elastomery są to takie tworzywa, które podczas próby rozciągania (w temperaturze pokojowej ) wykazują wydłużenie powyżej 100%.Do tej grupy zalicza się wszystkie odmiany kauczuku oraz poliizobutylen.

b) Plastomery są to takie tworzywa, których wydłużenie podczas rozciągania w temperaturze pokojowej nie przekracza 100%.Pod niewielkim obciążeniem ulegają one nieznacznym odkształceniom, zaś poddawane wzrastającemu obciążeniu zaczynają odkształcać się plastycznie, a następnie ulegają mechanicznemu zniszczeniu. W grupie plastomerów wyróżnia się trzy rodzaje tworzyw:

- tworzywa termoplastyczne (termoplasty),

- tworzywa duroplastyczne (duroplasty), które dzielą się na:

     - termoutwardzalne,

     - chemoutwardzalne.

Tworzywa termoplastyczne przechodzą każdorazowo podczas ogrzewania w stan plastyczny, natomiast po ostygnięciu twardnieją. Mogą być wielokrotnie kształtowane, a ich przetwórstwo w temperaturach podwyższonych nie prowadzi w sposób wyraźny do zmian chemicznych ani do zaniku plastyczności i zdolności do formowania. Do termoplastów zalicza się wszystkie tworzywa polimeryzacyjne, a ponadto poliamidy, poliwęglany, polisulfony i termoplastyczne pochodne celulozy.

Tworzywa termoutwardzalne podczas ogrzewania początkowo miękną, lecz przetrzymane w podwyższonej temperaturze utwardzają się nieodwracalnie. W wyniku utwardzenia stają się nietopliwe i nierozpuszczalne. Mogą więc być kształtowane tylko jednokrotnie. Najważniejszymi przedstawicielami tej grupy tworzyw są fenoplasty i aminoplasty.

Tworzywa chemoutwardzalne ulegają utwardzeniu już w temperaturze pokojowej pod wpływem działania specjalnych substancji zwanych utwardzaczami. Reakcja ta przebiega z większą prędkością w temperaturach podwyższonych. Najczęściej stosowanymi tworzywami chemoutwardzalnymi są żywice poliestrowe i epoksydowe.

Reakcje chemiczne otrzymywania polimerów, tj. wytwarzania syntetycznych związków wielkocząsteczkowych, nazywane są zwyczajowo polireakcjami. Rozróżnia się trzy rodzaje polireakcji, którymi są: polimeryzacja, polikondensacja, poliaddycja.

Polimeryzacja jest procesem łączenia się wielu cząsteczek monomeru, któremu nie towarzyszy wydzielenie małocząsteczkowych produktów ubocznych. Proces ten można schematycznie przedstawić następująco:

n A ----> [A]_n

gdzie:
n - liczba cząsteczek monomeru (stopień polimeryzacji),
A - cząsteczka monomeru.

Polimeryzacja przebiega bez zmian składu substancji reagujących. Powstający polimer różni się od monomeru tylko wielkością cząsteczki. W przedstawionym uprzednio procesie reaguje tylko jeden rodzaj monomeru. Taki proces jest nazywany homopolimeryzacją, a otrzymany produkt -homopolimerem. Jeżeli polimeryzacji ulega natomiast więcej niż jeden rodzaj monomeru, proces taki nazywa się kopolimeryzacją a powstający produkt - kopolimerem.

Polikondensacja jest procesem łączenia się wielu cząsteczek substancji wyjściowych w związek wielkocząsteczkowy z jednoczesnym wydzieleniem prostego związku małocząsteczkowego - jako produktu ubocznego reakcji. Skład chemiczny polimeru powstającego w wyniku polikondensacji nie jest identyczny ze składem substancji wyjściowych. Spowodowane jest to wydzieleniem się produktów ubocznych podczas procesu.

Poliaddycja ma charakter pośredni między polimeryzacją a polikondensacją. Podobnie jak polikondensacja jest to reakcja przebiegająca w sposób stopniowy, lecz nie jest procesem odwracalnym. Polimery otrzymywane w wyniku poliaddycji mają ten sam skład chemiczny co monomery, lecz różnią się od nich budową. Mechanizm omawianej reakcji reakcji polega najogólniej na przemieszczaniu atomu wodoru w cząsteczce monomeru, umożliwiając tym samym wzrost łańcucha polimeru.

Graficzne zobrazowanie typów reakcji otrzymywania polimerów oraz przykłady polimerów otrzymywanych poszczególnymi metodami przedstawiono poniżej.

Obraz

Obraz

Związki wielkocząsteczkowe odznaczają się posiadaniem zespołu charakterystycznych dla nich właściwości (wytrzymałość mechaniczna, elastyczność, plastyczność) wyraźnie różniących się od typowych związków małocząsteczkowych. Charakterystyczne właściwości związków wielkocząsteczkowych, jak również różnice występujące we właściwościach poszczególnych polimerów są wynikiem ich specyficznej budowy.

Zależnie od rodzaju i właściwości reagujących między sobą monomerów otrzymuje się polimery:

- O budowie liniowej, tzn. o łańcuchu prostym,
- O łańcuchu rozgałęzionym,
- Przestrzennie usieciowane.

Obraz

Od budowy polimerów zależy między innymi ich zachowanie się w podwyższonej temperaturze. Polimery o strukturze liniowej lub rozgałęzionej są polimerami termoplastycznymi. Ze względu na swoją strukturę nie utwardzają się one podczas ogrzewania, lecz stają się plastyczne, zachowując w podwyższonej temperaturze budowę liniową lub rozgałęzioną. Polimery termoplastyczne mogą więc być kształtowane wielokrotnie, a ich przerób w wysokich temperaturach nie prowadzi w sposób wyraźny do zaniku plastyczności, ani zdolności do formowania.

Polimery, w których pod wpływem działania podwyższonej temperatury następuje nieodwracalny proces tworzenia struktury przestrzennie usieciowanej, mogą być kształtowane tylko jednokrotnie. Noszą one nazwę polimerów termoutwardzalnych. W odróżnieniu od produktów o strukturze liniowej lub rozgałęzionej polimery takie są nie topliwe i nierozpuszczalne (po utwardzeniu). W przypadku niektórych polimerów nieodwracalne sieciowanie jest możliwe już w temperaturze pokojowej, dzięki użyciu odpowiednich związków chemicznych zwanych utwardzaczami. Polimery takie są nazywane polimerami chemoutwardzalnymi.

Obraz

Ze względu na stopień uporządkowania struktury wewnętrznej wszystkie substancje stałe można podzielić na krystaliczne i bezpostaciowe (amorficzne). Substancje krystaliczne charakteryzują się regularnym ułożeniem atomów, cząsteczek lub jonów. W związku z tym mają one ściśle określoną temperaturę topnienia, w której lepkość i gęstość zmieniają się gwałtownie. Bezpostaciowe substancje stałe miękną stopniowo podczas ogrzewania i przechodzą w ciecz w pewnym zakresie temperatury.

Polimery o strukturze bezpostaciowej odznaczają się całkowicie nieuporządkowanym ułożeniem makrocząsteczek, a ich przemiany pod wpływem ogrzewania przebiegają w sposób stopniowy. Makrocząsteczki polimerów o strukturze bezpostaciowej są bezładnie splątane między sobą.

Obraz

Stan krystaliczny polimerów występuje znacznie rzadziej niż amorficzny. Poza tym polimery, w przeciwieństwie do związków małocząsteczkowych, nie są na ogół całkowicie skrystalizowane. Tworzą one układ dwufazowy, w którym obok obszarów krystalicznych charakteryzujących się uporządkowanym przestrzennie ułożeniem makrocząsteczek, występują równocześnie obszary bezpostaciowe. Strukturę polimerów tworzących taki układ można więc określić jako częściowo krystaliczną. Procentowa zawartość postaci krystalicznej w tego typu polimerach nosi nazwę stopnia krystaliczności.

Podstawowym i zarazem niezbędnym warunkiem krystalizacji polimerów jest duża regularność i symetria w budowie łańcucha, co przedstawiono na poniższym rysunku. Warunki takie spełniają między innymi: polietylen, polipropylen, politetrafluoroetylen, poliamidy, polioksymetylen i niektóre poliuretany.

Obraz