Upload
others
View
13
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Plasty, polymery Milan Haminger BiGy Brno 2017
Od roku 1979 se na světě vyrábí více plastů než oceli.
Souhrnná výroba činí 180 000 000 tun za rok.
Plasty kolem nás • Zdravotnické pomůcky, optika
• Hygienické pomůcky
• Textilní vlákna
• Pomůcky v domácnosti
• Obaly potravin, průmyslových výrobků
• Obuvnické materiály
• Gumárenství, dopravní prostředky
• Elektronika
• Elektroinstalace, voda, tepelná izolace, okna(rámy)
• Zdravotnické materiály
• Ložiska
• Těsnění, potrubí
• Dopravní prostředky
Pod pojmem plasty se skrývají rozličné
materiály s různými vlastnostmi.
Ačkoli jsou často používány jako
náhražky za jiné drahé materiály, jsou
mezi nimi materiály které vysoce
překonávají vlastnosti přírodních
materiálů.
Škoda superb
Mery, monomery a polymery
Vlastnosti, výhody, nevýhody
Rozdělení podle chování vůči vyšší
teplotě
• Termoplasty
• Reaktoplasty
• Termosety
• Elastomery
Přírodní makromolekulární látky
Výroba plastů
• Polymerace (+ kopolymerace)
• Polykondenzace
• Polyadice
Polymerace
Polymerace
Polyethylen (PE)
Polypropylen (PP)
Polyvinylchlorid (PVC)
Polystyren (PS)
Polymethylmethakrylát (PMMA)
Polyvinylacetát (PVAC)
Polytetrafluorethylen (PTFE)
Polyakrylonitril (PAN)
Syntetické kaučuky
• Butadien-styrenový kaučuk
CH2 CH CH CH2
CH CH2
• Polybuta-1,3-dien
• Poly-2-methylbuta-1,3-dien (= polyisopren)
• Poly-2-chlorbuta-1,3-dien (= polychloropren)
C C C C
H
H
H
H
H
H
* *
n
C C C C
H
H
CH3
H
H
H
* *
n
C C C C
H
H
H
H
H
H
*
n
C C
H
H
H
*
C C C C
H
H
H
H
H
H
*
n
C C
H
H
H
CN
*
C C C C
H
H
Cl
H
H
H
* *
n
butadienový isoprenový
butadien-polystyrenový
butadien-akrylonitrilový
chloroprenový
Vulkanizace kaučuku
S
S
SS
S
SS
S
S
S
Vlastní kaučuk je měkký,
špatně drží svůj tvar. Po
deformaci se jen mírně vrací
do původního tvaru.
Pro získání pryže(gumy) je
nutné kaučuk vulkanizovat
sírou, která spojí jednotlivé
dlouhé řetězce a vznikne pevná
a pružná hmota.
Rozdílná vulkanizace v praxi
Zimní a letní
pneumatiky se neliší
jen vzorkem. (zimní
mají množství klikatých
zářezů)
Rozdílná je i pryž, letní
jsou tvrdší a provozem
se málo zahřívají.
Polyterpeny
• Přírodní kaučuk
• Gutaperča
Termosety - bakelit
levná náhražka s dobrými vlastnostmi 1907
Rozmach elektřiny na počátku století potřeboval nové
materiály. Levné nehořlavé a izolační. Leo Hendrik
Baekeland přišel s bakelitem, který lze vyrobit z levných
surovin (fenol a formaldehyd). Elektrické zásuvky, obaly
na rádia, zubní kartáčky… prostě hmota na 1000 použití.
Ve třicátých letech je bakelit jednou z nejvíce
využívaných hmot (po oceli).
Až v r.1920 Hermann Staudinger objasnil proč je bakelit
pevný. Zjistil že jsou v něm vytvořeny zesíťované řetězce
s prostorovou strukturou.
Výrobky z bakelitu
Fenolformaldehydové pryskyřice – bakelit,
novolak
• Bakelit a novolak mají
zesíťovanou formu - pevné a
tvrdé.
OHH
C
H
O
CH2
**
OH
n
+ nn
Polymerační výzkum začíná
Objev Hermanna Staudingera (objev struktury) byl příčinou
dalšího výzkumu.. Tím je Staudingerova práce počátkem oboru
chemie polymerů.
Ve světě začíná nové hledání materiálů. V 1930 se objevuje
plexisklo. Průhledný materiál, nerozbitný po zahřátí tvarovatelný.
H
H
CH3
COOCH3
H
H
CH3
COOCH3
*
n
methylmetakrylát
n
Výsledky hledání nových látek
Další materiály PVC polyvinylchlorid a
PTFE teflon přicházejí v roce 1938.
Tyto dvě látky dosáhly obrovského významu. Při
jejich využití se již zdaleka nejedná o pouhé
náhražky, ale o látky s vynikajícími vlastnostmi.
Jsou nehořlavé, při použití změkčovadel jsou
ohebné, stabilní, hygienicky nezávadné.
Elektrické izolanty vydrží vysoké teploty,
podlahové krytiny se snadno desinfikují
(nemocnice), trubky se nezanášejí vodním
kamenem, lze je snadno svářet…
Vzory podlahových PVC
PVC-polyvinylchlorid, igelit, novodur,
novoplast, neralit, vinidur
• Dnes stále jeden z nejvíce používaných
plastů. U nás jej vyrábí Spolana Neratovice.
• V poslední době se poukazuje na ekologická
rizika spojená s PVC
– K výrobě je potřeba chlór. Při výrobě
vznikají i jiné chlorderiváty např. dioxiny.
– Závadnost a uvolňování změkčovadel. Jedná
se o estery kyseliny tereftalové a jiné látky.
– Nevyřešená likvidace.
H
H Cl
H
H
H
Cl
H
**n
n
Nylon 66-polyamid
15. 5.1940 přichází na trh nylon, jako (objevený
r.1929) náhražka hedvábí na punčochy. První den
prodeje se prodá 15 000 000 párů punčoch. Za
války se z něho dělají padáky a jiná speciální
výstroj. Je pevný, lehký a je ho dostatek.
Dnes je to stále jeden z nejlepších materiálů pro
syntetické textilie. Kvalita vlákna závisí i na
metodě zpracování. Studené napínání, tepelná
úprava…
Nylon jako polyamid se dále využívá např. pro
tlakové odlitky …
Výroba nylonu
CH2
4HOOC COOH NH
2CH
2NH
26
CH2
4C C N CH
2N
4
O H H
*
O
*
n
OH2
+ nn
+ n
Při výrobě nylonu vzniká voda, jedná se o polykondenzaci.
Vazba je amidická, podobně jako v bílkovinách
Silon
NH
C135 O CH2
5C140
NH
141
On
n
Vlastnostni podobný nylonu je tento v Československu
vyvinutý polyamid silon. V 60. letech byl jedním z
nejúspěšnějších vývozních artiklů.
Při výrobě voda nevzniká a jedná se o polymeraci.
U nás se punčochám říká silonky
díky materiálu pro jejich výrobu.
Polyuretan - PUR
Polyuretan - molitan, stavební pěna, výplň panelů pro průmyslové stavby, součást lepidel. Obaly, nepromokavé prodyšné membrány. Zátěry švů na stanech, bundách a kalhotách pro extrémní podnínky.
• Elastan – vlákno které lze natáhnout i 3x a ono se vrátí zpět.
Příprava polyuretanu polyadicí
OH CH2
OH4
O C105
N CH2
N C109
O4
O CH2
O4
C115
NH
CH2
N C1194
O
*
O
*n
+
hexamethylendiisokyanát1,4 butandiol
polytetramethylenhexamethylenkarbamát
n n
PE-polyethylen, PP-polypropylen používaný od 5O. let
• Nejvíce používaný plast.
• Masový plast pro výrobu vytlačovaných, vstřikovaných a vyfukovaných výrobků, fólií a trubek
• potřeby pro domácnost, hračky
• kanystry, láhve, sudy
• kontejnery, přepravky, desky
• fólie pro balení potravin
• obaly průmyslového zboží
• trubky pro rozvod vody
• chráničky kabelů
• Netkané textilie
• Polyolefin-tkané textilie
Příprava PE radikálovou polymerací
iniciátor R-R, UV záření
Radikálovou polymerací se vyrábějí také PTFE a
polybutadien.
Přípava PP kationtovou polymerací
Kationtovou polymerací se vyrábějí i
polystyren, polyisobutylen a polyisopren.
C C
H
H CH3
H
C C
H
H
CH3
H
**n
CH3Cl AlCl
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
*
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
m
n
propen polypropylen
polypropylen
Polystyren
• Stabilní materiál tvrdý ale
pružný materiál vhodný k
výrobě tažením,tlačením,
vstřikováním. PPS
Potravinářské kelímky
• Snadno lze napěnit a posléze
lisovat do bloků, řezat…Pěnový
polystyren EPS
• Extrudováním lze získat
extrudovaný polystyren XPS,
vhodný pro zatěžované izolace
např. bazény, podlahy…
*
H H
H
*
n
Polyestery
• Textilní materiály velmi
příjemné na dotek, snadná
údržba barevná
stálost…Jsou moderní a
lze je vyrábět recyklací.
• PET lahve – lehké
průhledné, hygienicky
nezávadné, dnes i vratné
(pouze vyjímky).
• Recyklací PET lahví
získáváme surovinu pro
textilní průmysl
• V roce1995 se vyrovnala
cena vratných a PET
lahví, od roku1998 je
levnější použití PET lahví.
• PET lahve výrazně
zvětšují objem
komunálního odpadu.
Polyesterifikace PET O
O O
O
CH3 CH
3OH CH
2CH
2OH
CH2159
CH2161
O
O
O
O
* *n
+
dimethyltereftalát ethylenglykol
Polyethylentereftalát PET
Aramidová vlákna
• Přítomnost aromatických cyklů v řetězci ovlivňuje pevnost a stabilitu vláknitých materiálů. Ta lze využít u pracovních pomůcek (pevné a ohnivzdorné), neprůstřelné vesty, lana, těsnící šňůry v pecích a kamnech…
• Využití i v kompozitních materiálech podobně jako sklolaminát…
C
O
O* *
n
Akryláty
• Vodou ředitelné barvy
• Stavební chemie – tmely s
různou elasticitou
• Trvanlivé probarvené
štukové omítky
• Ekologické, vysoce užitné
materiály. Vlastnosti lze
ovlivnit zesíťováním či
aditivy.
**
H
H
H
CNn
Silikony
• Oleje a maziva (lineární molekula)
• Silikonové kaučuky - jsou stále tvárné (rozvětvená molekula)
• Silikonové pryskyřice (zesíťovaná molekula)
• Odpuzují vodu, jsou odolné k vyšším teplotám, Lze použít k tělním implantátům…
Si O Si O Si O Si O
CH3
C3H
7
CH3
C3H
7
C3H
7
Kopolymery
• Kopolymery jsou polymery složené z různých merů. Tím lze získat rozličné vlastnosti plastů. Některé skupiny zvyšují pevnost, jiné pružnost…
• Množství jednotlivých merů nemusí být 1:1.
• Tím lze vytvářet více či méně zesíťované polymery, které pak mají různou pevnost, tvárnost…
• Některé kopolymery lze použít jako mikrosítě zachycující molekuly určitých látek.
Příklady kopolymerů
CN CN CN CN CN
Kopolymer akrylonitrilu a ethylenu - polyakrylonitrilethylen
Příklad zesíťovaného kopolymeru
Kopolymerace - příprava
polystyrenbutadienového kaučuku
CHCH2CH
2CH CH CH
2
CHCH2
CH2
CHCHCH2* *
n
n n+Polystyrenbutadienový
kaučuk je dnes
nejpoužívanějším kaučukem
pro výrobu pryže, latexů…
Kopolymer se skládá z
různých částí zde styren a
1,3-butadien.
Další trendy v chemii polymerních
materiálů • Polymery tuhnoucí na světle – bílé plomby do zubů, umělý chrup.
• Vysokopevnostní materiály – PE vlákno s podélně vyrovnanými molekulami je pevnější než 30x silnější ocelové lanko.
• Světlovodivá vlákna (náhrada za skelná), jiné optické plasty.(čočky, brýle…)
• OLED displaye
• Polovodiče, tranzistory, procesory
• Biodegradabilní plasty
• Ralstonia eutrophiase – bakterie, která vytváří plasty. Ty se mohou v přírodě rozložit.
• Pryskyřice a lepidla na rozličné materiály-rychle tuhnoucí-sekundová nebo netuhnoucí-disperzní…
• Implantáty bez imunologické odezvy.
• Samorozložitelné implantáty
• Materiály s tvarovou pamětí
Zkratky
•ABS - akrylnitril-butadién-styrol-kopolymér
•ASA - akrylnitril-styrol-akrylester-kopolymér
•EVA - etylén-vinyl acetát kopolymer
•MBS - metylmetakrylát-butadién-styrol-kopolymér
•NR - přírodní kaučuk
•PA - polyamid
•PBTP - polybutaléntereftalát
•PC - polykarbonát
•PCCE - poly-cyklohexán-dimetyl-cyklohexán-dikarboxycyklát-elastomer
•PES - polyétersulfón
•PE, HDPE LDPE - polyetylén, vysokohustotní, nízkohustotní
•PTFE - polytetrafluoretylen
•PMMA - polymetylmetakrylát
•POM - polyoxymetylén
•PPO - polyfenylénoxid
•PP - polypropylén
•PSU - polysulfón
•PS - polystyren
•PUR - polyuretan, termoplastický
•PVC - polyvinylchlorid
•Silikón
•SAN - styrol-akrylnitril-kopolymér
•SB - styrol-butadien-kopolymér
•SBS - styrol.butadien-styrol-blok-kopolymér
•FEP - tetraflluorethylen-hexafluoropropylén-kopolymér