Transcript Polimeryzacja i zastosowanie polimerów

Polimeryzacja
Zastosowanie polimerów
Dariusz Bober kl. II u
koniec
Polimeryzacja - reakcja, w wyniku której związek chemiczny o małej masie
cząsteczkowej zwany monomerem lub mieszanina kilku takich związków
reagują same z sobą, aż do wyczerpania wolnych grup funkcyjnych, w
wyniku czego powstają cząsteczki o wielokrotnie większej masie
cząsteczkowej od substratów, tworząc polimer.
Polimery – związki o bardzo dużej masie cząsteczkowej i jednocześnie regularnej,
powtarzalnej budowie. Polimery są zbudowane z długich łańcuchów utworzonych
ze stale powtarzających się jednostek zwanych merami. Polimery naturalne są
jednym z podstawowych budulców organizmów żywych. Polimery syntetyczne są
podstawowym budulcem tworzyw sztucznych, a także wielu innych powszechnie
wykorzystywanych produktów chemicznych takich jak: farby, lakiery, oleje
przemysłowe, środki smarujące, kleje itp. Polimery syntetyczne otrzymuje się w
wyniku łańcuchowych lub sekwencyjnych reakcji polimeryzacji ze związków
posiadających minimum dwie grupy funkcyjne zwanych monomerami.
Grupa funkcyjna (podstawnik) to szczególnie aktywna część cząsteczki, która
jest odpowiedzialna za jej sposób reagowania w danej reakcji.
Mer to najprostszy, jaki da się wyróżnić, stale powtarzający się fragment cząsteczek
polimerów.
Monomery to proste cząsteczki tego samego związku chemicznego, z których w
wyniku polimeryzacji powstaje polimer.
Monomery stosowane do syntezy polimerów syntetycznych można podzielić na:
 monomery winylowe - są to związki posiadające wiązania wielokrotne węgielwęgiel, (jak np. etylen CH2=CH2), które pękając w trakcie reakcji polimeryzacji
prowadzą do powstawania poliolefin
 monomery cykliczne - są to związki posiadające naprężone układy cykliczne (np.
cyklobutan), które mogą pękać w trakcie polimeryzacji - otrzymuje się w ten sposób
wiele polimerów np. poliamidy.
 monomery funkcyjne - są to związki, które posiadają minimum dwie reaktywne
grupy funkcyjne, które reagując z sobą w wyniku reakcji polikondensacji lub
poliaddycji prowadzą do otrzymania polimerów posiadających charakterystyczne
układy wiązań np. poliueratanów
Reakcje polimeryzacji można podzielić na:
 stopniowe - w których reakcja następuje "krok po kroku", tj. najpierw reagują z sobą
dwa monomery tworząc dimer, a następnie dimery reagują z sobą tworząc tetramery itd. W
stopniowej polimeryzacji masa cząsteczkowa produktu bardzo silnie zależy od stopnia
przereagowania monomerów. (Patrz: Równanie Carothersa) Aby więc uzyskać polimer o
dużej masie cząsteczkowej należy uzyskać wysoki stopień przereagowania monomerów.
 łańcuchowe - w których reakcja następuje "lawinowo", zaczyna się ona od reakcji
inicjowania aktywnej formy monomeru, która jest w stanie przyłączać do siebie kolejne
monomery w reakcji propagacji pozostając aktywna aż do momentu "śmierci" w wyniku
reakcji terminacji. Reakcje terminacji i inicjacji przebiegają stosunkowo wolno, natomiast
reakcja propagacji przebiega błyskawicznie, dzięki czemu można w tym procesie uzyskać
polimery o dużych masach cząsteczkowych. W polimeryzacji łańcuchowej nie potrzeba
osiągać wysokiego stopnia przereagowania monomerów. Masa cząsteczkowa
uzyskiwanego polimeru zależy głównie od stosunku szybkości reakcji inicjacji i terminacji
do szybkości reakcji propagacji. Szczególnym przypadkiem polimeryzacji łańcuchowej
jest polimeryzacja żyjąca.
Ze względu na techniczny sposób przeprowadzania polimeryzacji rozróżnia się:
 Polimeryzację w roztworze - w której środowiskiem polimeryzacji jest odpowiedni
rozpuszczalnik, w którym rozpuszcza się zarówno monomery jak i inicjator.
 Polimeryzację emulsyjną - w której monomery tworzą cząstki emulsyjne (micele), zaś
inicjator znajduje się w roztworze właściwym. Dla utrzymania odpowiedniej struktury
miceli, do środowiska reakcji dodaje się związków pomocniczych, które regulują pH
środowiska reakcji oraz napięcie powierzchniowe. Produktem polimeryzacji emulsyjnej
jest lateks, który może stanowić gotowy produkt końcowy albo z którego wydorębnia się
polimer poprzez proces koagulacji emulsji.
 Polimeryzację w zawiesinie - w której monomer tworzy dość spore krople zawieszone
w roztworze a inicjator znajduje się w tych kroplach. Zawiesinę uzyskuje się poprze
intensywne mieszanie monomeru w substancji, w której monomer i inicjator są
całkowicie nierozpuszczalne. W praktyce przemysłowej jest to zwykle woda.
Polimeryzacja odbywa się wewnątrz kropel monomeru. W jej wyniku powstaje gotowy
granulat polimeru.
 Polimeryzację w bloku - w którym do ciekłego monomeru dodaje się wprost incjator.
W wyniku polieryzacji powstaje lity blok polimeru, który może stanowić produkt
końcowy, lub który należy poddać granulacji.
 Polimeryzację w fazie gazowej - w której monomerami są gazy o niskiej temperaturze
krytycznej. Proces polimeryzacji prowadzony jest w adiabatycznych reaktorach
rurowych lub autoklawach pod zwiększonym ciśnieniem. W wyniku tego rodzaju
polimeryzacji powstaje zwykle pył polimeru, które odfiltrowywuje się, a następnie stapia
i granuluje.
 Polimeryzacja na granicy faz - w której monomer znajduje się w jednej fazie ciekłej,
zaś inicjator w drugiej. Polimeryzacja odbywa się w punkcie styku obu faz. Powstający
polimer jest natychmiast "wyciągany" z układu reakcji tak aby utrzymywać cały czas
dużą powierzchnię styku faz. W wyniku tej polimeryzacji otrzymuje się włókna lub
bardzo cienkie folie.
Masa cząsteczkowa polimerów
W przypadku masy cząsteczkowej zwykłych związków chemicznych
sprawa jest prosta - każdy związek ma jedną masę cząsteczkową, która
jest sumą mas atomowych wchodzących w jej skład atomów.
Polimery są jednak nietypowymi związkami chemicznymi - w ich skład
wchodzą cząsteczki jednego rodzaju, ale z powodu statystycznej
natury reakcji polimeryzacji cząsteczki te mają różną ilość
powtarzalnych jednostek zwanych merami. W typowym polimerze
mamy zwykle do czynienia z całą populacją cząsteczek o różnej masie
cząsteczkowej - od bardzo małych (powiedzmy 100 g/mol) do bardzo
dużych (milion i więcej g/mol).
Dlatego w przypadku polimerów należało stworzyć nowe pojęcie tzw.
średniej masy cząsteczkowej.
W praktyce stosowane są dwa rodzaje tej średniej:
 średnia liczbowo masa cząsteczkowa - którą obliczamy sumując masy
cząsteczkowe poszczególnych cząsteczek pomnożone przez liczbę cząsteczek
mających daną masę cząsteczkową i następnie dzieląc tę sumę przez ogólną
liczbę wszystkich cząsteczek.
gdzie Ni to liczba cząsteczek o masie Mi, zaś N to całkowita liczba wszystkich
cząsteczek w próbce.
 średnią wagowo masę cząsteczkowa - którą obliczamy sumując masy
cząsteczkowe poszególnych cząsteczek pomnożone przez łączną wagę cząsteczek
mających określoną masę cząsteczkową i następnie dzieląc tę sumę przez ogólną
wagę wszystkich cząsteczek.
gdzie: mi to łączna masa cząsteczek o masie cząsteczkowej Mi, zaś m to
masa całej próbki.
po przekształceniu odpowiada to:
Średnia liczbowo masa cząsteczkowa jest zawsze niższa od średniej
masowej. Dzieląc średnią masową przez średnią liczbową uzyskujemy
polidyspersja (zwany też indeksem polidyspersji) będący miarą tego, czy w
polimerze dominuje grupa cząsteczek o zbliżonej masie cząsteczkowej czy,
przeciwnie, rozkład mas cząsteczkowych jest bardziej "płaski".
Masę cząsteczkową liczbowo średnią można wyznaczać technikami, w
których na wynik ma wpływ liczba cząstek - np. w osmometrii, zaś
masę cząsteczkową wagowo średnią w technikach, w których na
wynik ma wpływ rozmiar cząsteczek, np. w technikach opartych na
rozpraszaniu światła.
Ze względu na to, że masa cząsteczkowa średnia liczbowo "preferuje"
cząsteczki o mniejszej masie, ale częściej występujące w mieszaninie,
zaś wagowo średnia "preferuje" cząsteczki o większej masie, ta
pierwsza jest zawsze mniejsza od drugiej.
Oligomer, dimer, trimer
Oligomer to związek chemiczny, który, podobnie jak polimer jest
utworzony z pewnej liczby powtarzalnych fragmentów zwanych merami, lecz
zawiera on ich niezbyt wielką liczbę.
Granica między oligomerami i "prawdziwymi" polimerami jest bardzo
płynna. W praktyce, przyjmuje się, że oligomerem jest związek, który nie
posiada jeszcze w pełni wykształconych cech fizycznych (np. : temperatury
topnienia, lepkości itp.) charakterystycznych dla "prawdziwego" polimeru
zbudowanego z tych samych merów. W większości przypadków masowo
stosowanych tworzyw syntetycznych (np. : polietylenu) graniczną liczbą
merów przy której związek zaczyna mieć już typowe cechy użytkowe
polimeru jest ok 100. Dalszy wzrost stopnia polimeryzacji nie ma już dużego
wpływu na własności fizyczne polimerów, aczkolwiek jest on wciąż
zauważalny.
Oligomery są zwykle produktami ubocznymi procesów polimeryzacji i
często usuwa się je z końcowego produktu, gdyż "psują" one jego własności fizyczne.
Niektóre oligomery produkuje się jednak celowo, czasami po to aby je dalej
przetworzyć (tzw. makromonomery), a czasami mają one same z siebie interesujące
własności użytkowe i są stosowane jako dodatki do farb, substancje zagęszczające,
oleje hydrauliczne a nawet dodatki do kosmetyków.
Oligomery o bardzo małej liczbie merów (do mniej więcej dziesięciu)
nazywa się dodając do słowa mer, greckie liczebniki (di-, tri-, tetra-): np. : dimer,
trimer, tetramer itd...
Oligomery mogą mieć budowę liniową, cykliczną lub oligocykliczną. Wiele
oligomerów cyklicznych powstaje w określonych warunkach spontanicznie. Np. :
formaldehyd pozostawiony na dłużej w temperaturze pokojowej ulega spontanicznej
trimeryzacji do trioksanu.
Wiele olgomerów cyklicznych jest zdolna do dalszej
polimeryzacji poprzez otwarcie pierścienia. Np: wcześniej
wspomniany trioksan łatwo polimeryzuje do odpowiedniego polieteru
- polioksymetylenu (POM), który jest tworzywem konstrukcyjnym o
bardzo dobrych własnościach mechanicznych. Innymi przykładem
oligomerów cyklicznych, z których otrzymuje się polimery są:
cyklosiloksany, substraty do syntezy silikonów
OBJAŚNEINIA
Stopień polimeryzacji to liczba określająca z ilu merów jest przeciętnie
zbudowany łańcuch danego polimeru.
Makromonomer to polimer lub oligomer zdolny do dalszej polimeryzacji.
Aldehyd mrówkowy lub formaldehyd (wg nomenklatury IUPAC metanal) to
najprostszy związek organiczny z grupy aldehydów o wzorze HCHO (inny
zapis - H2CO). Został odkryty przez rosyjskiego chemika Aleksandra
Butlerowa w 1859.
Silikon (ang. silicone) to popularna nazwa dla tworzyw sztucznych opartych
na polisiloksanach i żywicach silikonowych.
Systematyka polimerów
Podziały polimerów
 ze względu na ich pochodzenie
 ze względu na topologię cząsteczek, czyli
ich ogólny kształt przestrzenny
 ze względu na jednorodność budowy
 ze względu na budowę chemiczną
Podział za względu na pochodzenie
 polimery syntetyczne - są to polimery pochodzące w 100% z syntezy
chemicznej zaczynającej się od prostych monomerów
 polimery naturalne - są to polimery wytwarzane w 100% przez
organizmy żywe; są to m.in. celuloza, białko, kwas nukleinowy.
 polimery modyfikowane - są to polimery naturalne, które jednak
zostały sztucznie zmodyfikowane chemicznie, zwykle w celu zmiany
ich własności użytkowych np: octan celulozy, białko modyfikowane,
skrobia modyfikowana.
Podział ze względu na topologię
 polimer liniowy - są to polimery, w których łańcuchy główne są proste i nie mają żadnych








rozgałęzień np. : wysokociśnieniowy polietylen lub teflon.
polimer rozgałęziony - są to polimery, w których łańcuchy główne są w ten czy inny sposób
rozgałęzione - wyróżnia się tutaj:
polimer bocznołańcuchowy - w którym, krótkie boczne łańcuchy są regularnie bądź
nieregularnie rozmieszczone wzdłuż głównego łańcucha;
polimer rozgałeziony wielokrotnie po angielsku hyperbranched, w którym występuje wiele
wielkokrotnych rozgałęzień, tak że nie da się już wyróżnić głownego łańcucha;
polimer gwiazdowy - w którym z jednego centralnego punktu wybiega kilka do kilkunastu
"ramion" będących zwykłymi liniowymi łańcuchami;
dendrymer - są to polimery rozgałęzione wielokrotnie ale w bardzo regularny sposób,
tworzące struktury podobne do fraktali;
polimer drabinkowy - są to polimery, w których występują dwa równoległe łańcuchy
główne połączone od czasu do czasu, krótkimi, bocznymi łańcuchami
polimer usieciowany - są to polimery, które tworzą przestrzenną ciągłą sieć, tak że nie da się
już w nich wyróżnić pojedynczych cząsteczek.
polimer cykliczny - stosunkowo rzadko spotykany - w którym zamiast liniowych cząsteczek
występują ogromne cząsteczki cykliczne.
Podział ze względu na jednorodność budowy
chemicznej
Chodzi tutaj o to, czy polimer jest zbudowany z bloków
pochodzących z jednego monomeru, czy też jest zbudowany z bloków
pochodzących od dwóch lub więcej monomerów. Polimery
zbudowane z wielu bloków pochodzących od kilku monomerów
nazywa się kopolimerami.
 kopolimer statystyczny - są to polimery, w których występują krótkie losowo przemieszane
bloki pochodzące od poszczególnych merów.
 kopolimer gradientowy - są to polimery, w których wstępują krótkie losowo przemieszane
bloki, jednak na jednym z końców cząsteczki można znaleźć więcej bloków jednego rodzaju a na
drugim drugiego rodzaju.
 kopolimer naprzemienny - są to polimery, w których ściśle naprzemiennie występują krótkie
bloki pochodzące od poszczególnych merów.
 kopolimer blokowy - są to polimery, w których występują długie bloki pochodzące z
poszczególnych merów - zazwyczaj tylko 2 lub 3.
 polimer szczepiony - są polimery, w których do głównego łańcucha są przyłączone bloki
pochodzące od innego monomeru w formie bocznych odgałęzień.
Podział ze względu na budowę








poliolefina - są to polimery zawierające tylko węgiel i wodór, w których występują
długie łańcuchy węglowe -C-C-C-. Do najbardziej znanych przykładów zaliczają się
polietylen, polipropylen i polistyren
polimer winylowy - są to polimery otrzymywane w wyniku rozerwania wiązań C=C
występujących w monomerach, na skutek czego powstają długie łańuchy węglowe.
Formalnie rzecz biorąc większość poliolefin również należy do polimerów winylowych,
ale zazwyczaj rozumie się pod tą nazwą takie polimery jak poliakrylan,
polimetakrylan, polichlorek winylu itp., a więc zawierające oprócz węgla i wodoru
także inne atomy.
poliester - są to polimery, w których w głównych łańcuchach występują wiązania
estrowe
polieter - są to polimery, w których w głównych łańcuchach występują wiązania
eterowe, najbardziej znanym przedstawicielem jest poli(tlenek etylenu)
poliamid - są to polimery w których występuje wiązanie amidowe (-NH-C(O)-)
poliuretan - są to polimery, w których występują wiązania uretanowe ( -NH-C(O)-O)
polimer nieorganiczny - są to polimery, w których w głównych łańcuchach nie
występują atomy węgla, takie jak polisiloksan, polifosfazen, polisiarczek i wiele innych.
polipeptyd, poli(węglowodan), kwas nukleinowy - to wszystko są biopolimery.
OBJAŚNIENIA
Kopolimer – proszę zajrzeć do następnego rozdziału 
Poli(chlorek winylu) (PVC lub PCV, dawniej PCW) - tworzywo sztuczne
otrzymywane w wyniku polimeryzacji monomeru - chlorku winylu. Posiada
właściwości termoplastyczne, dużą wytrzymałość mechaniczną, odporność na
działanie wielu rozpuszczalników.
Polisiloksany to polimery, których główny łańcuch jest zbudowany z
naprzemiennie ułożonych atomów krzemu i tlenu (-O-Si-O-Si-O-Si-)
Biopolimery – w rozdziale biopolimery
Kopolimery
Kopolimer - rodzaj polimeru, w którego
łańcuchach występują dwa lub więcej rodzajów
merów. W odróżnieniu od kopolimerów, polimery
zawierające tylko jeden rodzaj merów nazywa się
często homopolimerami. Głównym powodem
otrzymywania kopolimerów są ich szczególne
własności fizyczne, których nie mogą posiadać
homopolimery zawierające te same mery.
Podział kopolimerów










Statystyczne - w których mery są losowo "porozrzucane" wzdłóż łańcucha, mniej więcej tak jak kolory
kart w dobrze potasowanej talii. (Przykładowy łańcuch: ABBABAABBAABABABBAABBAAAB).
Gradientowe - rozkład merów jest też dość losowy, ale patrząc wzdłóż łańcucha polimeru daje się
zauważyć, że na jednym z jego końców dominują mery A, a na drugim mery B. (Przykładowy łańcuch:
AAABAAABABABABBABBBABBBB)
Naprzemienne - mery A i B występują naprzemiennie - po merze A jest zawsze B, a po B jest zawsze A.
(Przykładowy łańcuch: ABABABABAB)
Blokowe - mery A i B występują w blokach - bloki te mogą mieć różny charakter, co jest kryterium
daleszego ich podziału:
diblokowe - w których istnieją tylko dwa duże bloki merów A i B (Przykładowy łańcuch:
AAAAAAAABBBBBB)
multiblokowe - w których istnieje więcej niż jeden blok, te z kolei można jeszcze podzielić na:
Multublokowe-regularne - w których występują 3-4 długie bloki (Przykładowy łańcuch:
AAAAAAAABBBBBBAAAAAAA)
Multiblokowo-naprzemienne - w których występują naprzemiennie krótsze lub dłuższe ale regularne
bloki merów: (Przykładowy łańcuch: AAABBBAAABBBAAABBB)
Multiblokowo-statystyczne - w których bloki mają różną, losową długość. (Przykładowy łańcuch:
AAAABBBBBBBABBBBBBAAABBBBBAAAA)
Szczepione - w których do głównego łańcucha polimeru są przyczepione boczne odgałęzienia, zbudowane
z innych merów niż główny łańcuch.
Właściwości fizyczne kopolimerów
Własności kopolimerów prawie nigdy nie są prostą wypadkową homopolimerów
zawierających te same mery.
Kopolimery statystyczne i naprzemienne posiadają zwykle mniejszy stopień krystaliczności i
niższe temperatury mięknięcia od obu wyjściowych homopolimerów. Przy odpowiednim doborze
kombinacji merów mają one jednak często dużo lepsze własności mechaniczne (zwłaszcza
podwyższoną udarność). Typowymi przykładami kopolimerów statystycznych są np: SAN (Styrenakrylonitryl) - który jest jednocześnie dość przezroczysty, ale nie tak kruchy jak sam
poliakrylonitryl. Innym dobrze znanym przykładem jest kopolimer ABS (akrylonitryl-butadienstyren), który jest łatwy w formowaniu, a jednocześnie posiada bardzo dobrą wytrzymałość na
rozciąganie, połączoną z dużą udarnością.
Kopolimery blokowe, które jest znacznie trudniej otrzymać niż statystyczne czy
naprzemienne, mają zdolność do mikroseparacji bloków. W stopie, bloki merów mają tendencje do
krystalizowania razem z sobą, co daje w efekcie materiały o budowie warstwowej - nieco podobnej
do tradycyjnych kompozytów, ale w których warstwy nie są z sobą sklejone lecz tworzą jeden lity
blok materiału. Tego typu materiały posiadają często wyjątkowo dobre własności mechaniczne, oraz
mają często własności anizotropowe (różne w różnych kierunkach).
Jeśli w kopolimerze występują długie bloki o własnościach hydrofobowych i
jednocześnie bloki o własnościach hydrofilowych, całość uzyskuje własności
amfifilowe, które mogą być wykorzystywane na różne sposoby - np: do
produkcji farb emulsyjnych, jako środki czyszczące, jako warstwy
zapobiegające zaparowywaniu się szyb itp.
Kopolimery szczepione otrzymuje się zwykle na bazie biopolimerów, po to aby
zmodyfikować ich własności. Np: często stosowanym zabiegiem w przemyśle
skórzanym, jest szczepienie skóry (a ściśle biorąc tworzących ją polipeptydów
za pomocą poliakrylanów co powoduje wygładzanie i trwałe nabłyszczenie
powierzchni, przy zachowaniu tradycyjnych walorów użytkowych skóry.
OBJAŚNIENIA
Anizotropia - wykazywanie odmiennych właściwości
Amfifilowość - zjawisko obserwowane w przypadku niektórych związków
chemicznych polegające na jednoczesnej, niepełnej rozpuszczalności
danego związku w dwóch różnych rozpuszczalnikach.
Biopolimery
Biopolimery to polimery występujące naturalnie w organizmach
żywych, które są przez nie produkowane. Znaczna część związków
chemicznych występujących w tych organizmach to właśnie
biopolimery.
Trzy najważniejsze grupy biopolimerów to:
 polisacharydy - takie jak celuloza, skrobia, pektyna, chityna itp.
 polinukleotydy - DNA i RNA
 polipeptydy - czyli białka (W tym białka enzymatyczne)
 inne - np. lignina
Krystaliczność polimerów
Krystaliczność polimerów to zdolność do równoległego układania się
makrocząsteczek na dużej długości.
Tworzywa o dużej regularności i symetrii łańcuchów w odpowiednich
warunkach wykazują zdolność do krystalizacji, co umożliwia powstawanie
sieci krystalicznej. Krystalizacja zachodzi podczas przechodzenia ze stanu
ciekłego w twardy (przy chłodzeniu stopu lub odparowaniu rozpuszczalnika).
Stopien krystaliczności x to stosunek masy cześci krystalicznej-mk
polimeru do masy całkowitej-mc.
x=mk/mc
Stopień amorficzności y to stosunek masy części amorficznej-ma
polimeru do masy całkowitej-mc.
y=ma/mc=1-x
Wraz ze wzrostem stopnia krystaliczności wzrasta:
 twardość
 gęstość
 odpornośc na ścieranie
 wytrzymałość
 sztywność materiału
Wraz ze zmniejszaniem stopnia krystaliczności zmniejsza się:
 rozszerzalność cieplna
 przeświecalność
 chłonność wody
 pęcznienie pod wpływem chemikaliów
 wytrzymałość zmęczeniowa
 udarność (odpornośc na uderzenia)
Zastosowanie polimerów
Tworzywa sztuczne – materiały oparte na polimerach
syntetycznych, zastępujące tradycyjne materiały takie jak drewno,
ceramika, metal, kauczuk naturalny, gutaperka oraz stanowiące grupę
zupełnie nowych materiałów, które nie mają swoich naturalnych
odpowiedników. W skład tworzyw sztucznych wchodzą oprócz
polimerów także plastyfikatory (zmiękczacze), wypełniacze
(zmieniające właściwości mechaniczne oraz potaniające produkt
końcowy) oraz substancje barwiące.
Tworzywa sztuczne od strony użytkowej można podzielić na:
 duromery – twarde, trudnotopliwe o wysokiej odporności mechanicznej służące jako
materiały konstrukcyjne – inaczej nazywane sztucznymi metalami. Niektóre duromery
zastępują też materiały ceramiczne.
 plastomery – mniej sztywne od duromerów ale łatwotopliwe i rozpuszczalne – dzięki
ich topliwości można je przetwarzać poprzez topienie i wtryskiwanie do form lub
wytłaczanie, dzięki czemu można z nich uzyskać bardzo skomplikowane kształty.
Stosowane są zamiast drewna i niekiedy zamiast metalu, np. jako obudowy do maszyn i
urządzeń, elementy wyposażenia domowego itd., itp.
 elastomery – tworzywa, które można rozciągać i ściskać. W wyniku rozciągania lub
ściskania elastomery zmieniają znacznie swój kształt ale po odjęciu siły wracają do
poprzednich wymiarów. Elastomery zastąpiły prawie całkowicie kauczuk naturalny, ale
znalazły też szereg nowych zastosowań niedostępnych dla zwykłego kauczuku.
Syntetyczne metale czyli tworzywa sztuczne
przewodzące prąd elektryczny
W ostatnich latach otrzymano tworzywa sztuczne przewodzące prąd elektryczny
zwane syntetycznymi metalami. Uważa się, że XXI wiek to era syntetycznych metali.
Dzięki nim będzie można:
 Zbudować całkowicie polimerowy komputer, którego rozmiary będą zdecydowanie
mniejsze od współczesnych; pojawią się laptopy, które można będzie zwinąć w rulon i
upchnąć kolanem w plecaku bez ryzyka ich uszkodzenia. Elektronika molekularna nie tylko
pomoże nam miniaturyzować urządzenia elektroniczne, ale także umożliwi projektowanie
zdalnie sterowanych "robotów molekularnych". Można sobie wyobrazić, że za 20-30 lat
starzejący się organizm człowieka będzie naprawiany i kontrolowany przez wprowadzone do
organizmu miniaturowe roboty które szybko i skutecznie usuną wszystkie skutki grzechów
naszej młodości.
 Zbudować telewizor, który będzie cieniutką, bardzo lekką folią możliwą do powieszenia
na ścianie
 Zamiast żarówek użyć tapety z folią luminescencyjną
Malować samochody farbą z polimerem przewodzącym
 Zbudować akumulator samochodowy z polimerem przewodzącym, który w nocy będzie
absorbować nadfiolet i nastąpi naładowanie akumulatora
Lakiery
Lakier jest roztworem lub zawiesiną środków powłokotwórczych.
Podstawową różnicą między lakierami i farbami jest niewielkie stężenie
pigmentów lub całkowity ich brak oraz często ich mniejsza lepkość w
porównaniu do farby.
Lakiery posiadają nikłą zdolność do tzw. krycia - czyli pokrywania
powierzchni nieprzezroczystym warstwą, lecz posiadają dobre własności
błonotwórcze.
Lakiery są generalnie stosowane w trzech celach:
 uzyskaniu połyskliwej i gładkiej powierzchni z jednoczesnym zachowaniem naturalnej faktury
materiału (np. : słojów drewna),
 zabezpieczeniu powierzchni przed warunkami zewnętrznymi z zachowaniem oryginalej barwy
powierzchni,
 jako ostatnia warstwa malarska, nadająca połysk i zabezpieczająca głębsze warstwy wykonane
z użyciem farb kryjących (w przemyśle samochodowym, w poligrafii do lakierowania druku itp.)
Farby
Farba - substancja powłokotwórcza służąca do ochronnego lub dekoracyjnego
pokrywania powierzchni dowolnych przedmiotów. Może zalegać na ich powierzchni, lub
nieznacznie wnikać w głąb. Składa się z substancji barwiących - najczęściej w postaci
pigmentów oraz substancji dodatkowych: spoiw, wypełniaczy, rozcieńczalników,
rozpuszczalników, a także substancji błonotwórczych, dyspergujących, konserwujących,
opóźniających wysychanie, reagujących z podłożem itp.
Zazwyczaj substancji barwiącej towarzyszy wypełniacz, którego ziarna są o rząd
wielkości grubsze od pigmentu. Rolą wypełniacza jest obniżenie ceny farby, poprzez
powiększenie powierzchni zajmowanej w powłoce przez pigment, gdyż ziarna wypełniacza
są oblepiane przez pigment.
Stosuje się również farby bez wypełniaczy, a jedynie składające z pigmentów. Ma
to miejsce w szeregu przypadków: np. gdy chodzi o najwyższą jakość krycia i barwy, lub też
odwrotnie - gdy pigment jest na tyle tani, że wypełniacz nie jest potrzebny (zwykle farby
najniższej jakości), inną przyczyną braku wypełniacza może być farba, której głównym
celem są inne zastosowania niż dekoracyjne - wtedy gdy pigment odgrywa rolę substancji
czynnej - np. zabezpieczającej lub leczniczej.
Ze względu na ilość powłok farby, dzieli się je kolejno na: gruntujące, podkładowe,
powierzchniowe.
Rolą farby gruntującej jest zapewnienie przyczepności do podłoża farbom
następnym, oraz wyrównanie niewielkich nierówności. Jej warstwa jest na tyle gruba, że
odcina także całkowicie ciemną barwę podłożą, co jest istotne w przypadku jasnych powłok
powierzchniowych. Farba ta jest zwykle bardzo szorstka, a więc i matowa. Rolą farby
podkładowej jest wygładzenie powierzchni farby gruntującej, zlikwidowanie jej porowatości,
oraz zapewnienie przyczepności dla farby powierzchniowej, cechującej się bardzo cienką
powłoką a często także specyficznymi właściwościami mechanicznymi.
Ze względu na zastosowanie, farby dzieli się głównie na: artystyczne (tworzenie
dzieł sztuki) i malarskie (dekoracyjne pokrywanie powierzchni), oraz do zastosowań
specjalnych (np. świecące, ochronne, lecznicze, wskaźnikowe, drukowe).
Ze względu na rodzaj spoiwa farby dzieli się na: akrylowe, celulozowe, kazeinowe,
klejowe, krzemianowe (na bazie szkła wodnego), lateksowe, olejne, spirytusowe, wapienne,
oraz na bazie całego szeregu rozmaitych żywic syntetycznych. Istnieją również farby bez
spoiwa (jego funkcję spełnia wypełniacz lub pigment). Istnieje również szereg farb
posiadających obok pigmentów także barwniki. Powłoki farbiarskie mogą być dodatkowo
wykańczane powłokami lakierniczymi.
Kleje
Klej to substancja, dzięki której można bez obróbki termicznej i
mechanicznej trwale połączyć różne elementy.
Z praktycznego punktu widzenia klejenie jest prostą czynnością.
Bierzemy dwa elementy, które chcemy trwale połączyć, pokrywamy je warstwą
kleju, dociskamy i czekamy aż klej wyschnie tworząc trwałą spoinę.
Z naukowego punktu widzenia sprawa jest jednak bardziej złożona. W
wyniku procesu klejenia powstaje spoina, która wygląda mniej więcej tak:
Przy niektórych klejach może się zdarzyć, że nie ma warstwy samego
kleju, bo obie powierzchnie materiału stykają się bezpośrednio. W zasadzie nie
spotyka się klejów, które w jakiś sposób nie wnikają w klejony materiał, gdyż
takie spoiny byłyby bardzo słabe.
Na odporność mechaniczną klejonej spoiny mają wpływ cztery czynniki:
 rodzaj i siła chemicznego oddziaływania kleju z klejonymi powierzchniami - jeśli klej reaguje
chemicznie z podłożem tworząc z nim wiązania chemiczne to taka spoina jest zazwyczaj bardziej
wytrzymała niż w przypadku klejów, które tylko wnikają w klejoną powierzchnię -jednak
większość klejów uniwersalnych nie reaguje bezpośrednio z podłożem, gdyż nie ma związków
chemicznych które potrafią reagować ze wszystkim.
 głębokość penetracji klejonego materiału przez klej - oczywiście czym większa tym lepiej, ale
jeśli klej penetruje zbyt głeboko to może zniszczyć strukturę samego klejonego materiału.
Głębokość penetracji można też zwiększać zwiększająć chropowatość powierzchni klejonego
materiału. Materiały bardzo gładkie (np. szkło) jest zwykle bardzo trudno skleić.
wytrzymałość mechaniczna samej warstwy kleju - to ma oczywiście znaczenie tylko w przypadku
tych klejów, które taką warstwę tworzą, zależy ona oczywiście od struktury chemicznej kleju.
kształ i rozmiar całej spoiny - czym większa powierzchnia spoiny i bardziej nieregularny jej
kształ tym staje się ona mocniejsza.
Ze względu na mechanizm klejenia, kleje można podzielić na:
 kleje rozpuszczalnikowe - kleje te wnikają głęboko w materiał powodując ich napęcznienie i
częsciowe rozpuszczenie. Po połączeniu klejonych elementów i dociśnięciu spoiny powierzchnie
klejonych materiałów nawzajem się przenikają po czym rozpuszczalnik paruje pozostawiając
trwałą spoinę bez warstwy samego kleju. Kleje rozpuszczalnikowe stosuje się do klejenia
tworzyw sztucznych.
 kleje oparte na polimerowych żywicach - kleje te nie wnikają zbyt głęboko w materiał, mają
one jednak silne powinowactwo chemiczne do klejonego materiału a warstwa samego
wyschniętego kleju jest bardzo odporna mechanicznie. Kleje te stosuje się do "trudnych" do
sklejenia materiałów - takich jak metale, szkło itp, które trudno jest skleić klejami
penetrującymi materiał. Przykłady takich klejów to np. kleje epoksydowe.
 kleje mieszane - składają się one z żywicy wymieszanej z rozpuszczalnikiem, który może
penetrować klejony materiał - żywica wraz z rozpuszczalnikiem wnika głęboko w klejony
materiał, więc nie musi mieć ona tak silnego powinowactwa chemicznego z klejonym materiałem.
Kleje mieszane są najbardziej rozpowszechnione i są one stosowane do klejenia "łatwych do
sklejenia" materiałów porowatych takich jak guma, papier, skóra itp. Przykładem takiego kleju
jest np. butapren lub guma arabska.
Szczególnym rodzajem klejów mieszanych są kleje
składające się z żywicy polimerowej rozpuszczonej w monomerze,
który w pierwszym etapie zachowuje się jak rozpuszczalnik, potem
jednak nie paruje lecz ulega kopolimeryzacji z żywicą tworząc jedną
usieciowaną strukturę. Takie kleje działają szybko i są dość
uniwersalne - przykładem takiego kleju jest np. cjanopan (sławny
"superglue").
Polimery ciekłokrystaliczne
Polimery ciekłokrystaliczne - jak sama nazwa wskazuje to
polimery zdolne do generowania faz ciekłokrystalicznych.
Większość polimerów ciekłokrystalicznych zawiera w swojej
strukturze znane z niskocząsteczkowych ciekłych kryształów ugrupowania o
kształcie zbliżonym do pręta lub dysku.
Ugrupowania te mogą być wbudowane w główne łańcuchy
polimerów, lub mogą być przyłączone jako ugrupowania boczne. Znane są
też polimery nie posiadające typowych ugrupowań znanych z
ciekłokrystalicznych związków organicznych a mimo to generujące fazy
ciekłokrystaliczne.
Najważniejszą zaletą polimerów ciekłokrystalicznych w
porównaniu do ciekłych kryształów opartych na związkach
niskocząsteczkowych jest ich podwyższona odporność mechaniczna.
Można z nich np. : formować folie, które nie zmieniają swojego
kształtu po przejściu do stanu ciekłokrystalicznego. Można by z nich
np. : wykonywać nietłukące się wyświetlacze, jednak jak dotąd
przeszkodą w otrzymywaniu wyświetlaczy na bazie polimerów
ciekłokrystalicznych są ich zbyt długie czasy reakcji na zmiany pola
elektrycznego.
Polimery ciekłokrystaliczne znalazły jednak wiele innych zastosowań. m.in. :
 stosuje się je jako elementy piezeoelektryczne
 wykorzystuje się je do budowy elementów do optyki nieliniowej
 stosuje się je jako membrany, których przepuszczalność można sterować
polem elektrycznym
 są stosowane jako indykatory temperatury
 podejmowane są próby stosowania ich w nanomaszynach i nanoelektronice
 Do najbardziej znanych klas polimerów ciekłokrystalicznych można zaliczyć:
 głównołańcuchowe poliestry i poliamidy - m.in. kevlar
 bocznołańcuchowe poliolefiny
 bocznołańcuchowe polisiloksany
Przykłady zastosowanie
polimerów
polietylen – np. butelki, pojemniki, zabawki, folie
polipropylen – bardziej wytrzymały niż polietylen (wyższa
temperatura topnienia) np. wykładziny, rury
polistylen – twardy, kruchy
polichlorek winylu – tworzywo otrzymywane ponad 100 lat temu,
wykazuje dużą odporność na działanie stężonych kwasów i zasad
nylon – mocny, rozciągliwy
kauczuk syntetyczny – główny składnik gumy
teflon – najbardziej odporny na ciepło i substancje żrące, nie reaguje z
rozpuszczalnikami
polimetakrylan metylu (szkło organiczne) – o wyjątkowo dużej
przezroczystości
Koniec
Zakończ