MATERIÁLY A TECHNOLOGIE 1 PAVEL ČERNÝ

Transkript

1 MATERIÁLY A TECHNOLOGIE 1 PAVEL ČERNÝ

2 Co vás napadne, když se řekne plast?

3 Proč právě plasty? skupina syntetických materiálů slovo plast ze slova plastický, tvárný, formovatelný název plyne z chemické struktury a ze způsobů výroby lisování vstřikování vyfukování lití dále plasty vykazují plasticitu i z hlediska některých mech. vlastností tento název je obecně přijímám, intuitivně každý ví, co je to plast přesnost tohoto názvu je omezená název je velmi obecný a blíže neříká nic o struktuře a charakteru těchto látek

4 A co umělá hmota? starší nepřesný název pro plasty přívlastek umělý odkazuje na syntetickou výrobu plastů plasty nelze nalézt v přírodě, jedná se o produkt člověka přívlastek umělý je zavádějící může vyvolat mylný dojem, že z hlediska členění na živou a neživou přírodu jsou tyto látky od živé přírody složením a strukturou velmi vzdálené

5 Organické plasty látky se obecně dělí na anorganické a organické anorganické látky jsou typické pro neživou přírodu (horniny, kameny) organické látky tvoří živou přírodu, rostlinné a živočišné struktury tvoří je určitá skupina chemických prvků (hlavně uhlík, vodík,..) složení plastů z hlediska zastoupených chemických prvků velká podobnost s látkami živých organismů plasty jsou rovněž organické jsou složeny převážně z uhlíku a vodíku případně atomů dalších prvků plasty díky tomu mohou být biokompatibilní, biodegradabilní plasty patří do oboru Organické chemie

6 Struktura plastů atomy C, H a dalších prvků jsou uspořádány do určité struktury jedná se o skupinu tzv. makromolekulárních látek makro = velký makromolekuly jsou velmi velké molekuly obsahující obrovské množství atomů vázaných kovalentními vazbami

7 Kde se vzal pojem polymer? makromolekulární látky je obecnější pojem říká, že je látka složena z velkých molekul polymer je rovněž složen s velkých (dlouhých) molekul ty tvoří atomy jednoho nebo více prvků uspořádaných do určitých skupin (jednotek) takové jednotky s danou strukturou pak tvoří základní stavební kameny polymeru (polymerní látky) spojením těchto jednotek vznikají dlouhé (makromolekulární) řetězce molekul, tzv. polymery těmto základním stavebním jednotkám se říká mery, nebo monomery

8 Polymer, monomer, oligomer? polymer vysoká molekulová hmotnost, obrovské molekuly oligomer mezistádium, několik navázaných jednotek monomer výchozí látka, nízká molekulová hmotnost

9 Kde jste viděli podobné dlouhé molekuly? lze objevit nápadnou podobnost mezi dlouhými makromolekulami plastů a živými strukturami DNA, nejdelší známá molekula (až jednotek) UHMWPE, plast (až 10 6 jednotek)

10 A jsme zpět u plasticity krátké molekuly nejsou náchylné na ohyb, jsou spíše rigidní dlouhé molekuly podléhají procesům, které vedou k ohebnosti těchto molekul z toho patrně plyne i určitá plasticita těchto látek

11 Trocha historie.. Alexandr Parkes v roce 1855 vynalezl nitrát celulózy 1909 první pryskyřice fenolu a formaldehydu 30. léta Nylon (polyamid) největší rozmach plastů ve výrobě především v druhé polovině 20. století nové výrobní postupy a nové druhy plastů postupně rozšířily oblast využití dnes nezastupitelný materiál ve většině oblastí výroby plasty nahradily klasické materiály (dřevo, kov, sklo..)

12 Jak vyrobit plast? na počátku je monomerní látka či látky, například ethylen zajistí se podmínky k tomu, aby mohl nastat chemický proces, při němž dojde ke vzájemnému navázání jednotek monomeru surovina se zpracuje do podoby prášku, nebo např. granulí dále je možno plast v takové podobě zpracovávat (litím, vyfukováním, protlačováním) do potřebného tvaru

13 Jak vyrobit plast? granulovaný polotovar ethen, monomerní látka, hořlavý plyn za vhodných podmínek dojde ke spuštění tzv. polymerace (spojovaní monomeru do dlouhých molekul) tvářením získané předměty požadovaného tvaru

14 Jak vzniká polymer? postupy přípravy polymerů nazýváme polymerizacemi rozlišujeme několik typů: Stupňovité polymerizace Řetězovité polymerizace Polykondenzace Radikálová Polyadice Iontová (aniontová a kationtová) Koordinační

15 Fáze reakce zmíněné reakce obsahují tři hlavní fáze: Iniciace Propagace Terminace zahájení průběh zakončení

16 Polykondenzace stupňovitá polymerizace a polyreakce vedle makromolekuly vzniká současně nízkomolekulární vedlejší produkt zjednodušené schéma by mohlo vypadat takto: aaa + bbb aabb+ aaa aabb+ bbb aabaa + bbb aabb+ ab aabaa+ ab bbabb+ ab aababb+ ab - reakce probíhají mezi všemi fčními skupinami (monomery nesou nejméně dvě) - nutno odstraňovat vedlejší produkt - tím je často voda H 2 O funkční skupiny nízkomolekulární produkt

17 Polykondenzace

18 Polyadice stupňovitá polymerizace a polyreakce opět dochází k reakci funkčních skupin monomerů dochází k postupnému navázání monomerů za současného přesunu vodíkového atomu nevzniká vedlejší produkt například příprava polyuretanů:

19 Řetězovité polymerizace monomery s dvojnými vazbami se otevíráním dvojných vazeb napojují na konec polymerního řetězce zahájení reakce způsobuje tzv. iniciátor Příklad: Z původně dvojné vazby styrenu vznikají dvě jednoduché vazby.

20 Radikálové polymerizace velmi důležitý proces přípravy polymerů v průmyslové praxi iniciátorem je radikál, vznik radikálu může být způsoben např. působením tepla, světlem nebo změnou PH Radikál vysoce chemicky reaktivní částice, která má minimálně jeden nepárový elektron. Může tudíž dojít snadno ke vzniku vazby mezi radikálem a jiným atomem, k rozdělení vazby atd. Růst řetězce probíhá výhradně na aktivním centru (na rozdíl od stupňovitých reakcí)

21 Radikálové polymerizace - iniciace Iniciátor společně s monomerem předtím, než se rozpadne.

22 Radikálové polymerizace - iniciace Iniciátor se rozpadá a vzniká tzv. aktivní fragment iniciátoru (schopný aktivovat monomerní jednotku).

23 Radikálové polymerizace - iniciace Aktivní fragment iniciátoru se dostává do styku s monomerní jednotkou, z monomerní jednotky se reakcí s ním stává tzv. aktivovaná monomerní jednotka (růstové centrum).

24 Radikálové polymerizace - propagace Aktivovaná monomerní jednotka na sebe váže další monomerní jednotky, řetězec se prodlužuje, vzniká polymerní řetězec. Navázání monomeru na stávající řetězec se děje výhradně na AMJ.

25 Radikálové polymerizace - terminace K terminaci dochází když rekombinují dvě aktivní centra na koncích řetězců, nebo z jiného důvodu zaniká radikál na konci řetězce, v okamžiku kdy dojde monomer.

26 Další druhy polymerizace Iontová (kationtová / aniontová) podle povahy substituentů dochází na C-C dvojné vazbě ke snížení nebo zvýšení hustoty elektrického náboje, dochází k zániku dvojné vazby jelikož se atomu uhlíku stává aniont / kationt - > může dojít k navázání monomeru Koordinovaná polymerace cílem chemiků bylo docílit takové polymerace, kterou by mohli efektivně řídit využívá se tzv. Ziegler-Nattových katalyzátorů je možné řídit takticitu polymerních řetezců (prostorové uspořádání molekuly) v současné době existuje ještě řada nových a moderních postupů přípravy polymerů

27 Kopolymerizace reaguje společně více různých monomerů za vzniku tzv. kopolymeru je možné realizovat u monomerů reagujících podobným způsobem kopolymerizace umožňuje vhodně kombinovat monomery různých vlastností za vzniku kopolymeru s kombinací těchto vlastností podle toho, které monomery v dané směsi spolu reagují a s jakou pravděpodobností vznikají různé druhy kopolymerů dělíme je podle uspořádání monomerů ve výsledném řětezci odlišujeme statistický, alternující nebo např. blokový kopolymer -A-B-B-A-B-A-B-B- -A-B-A-B-A-B-A-B- -A-A-A-A-B-B-B-B-

28 Kopolymerizace

29 Dělení plastů - za vyšší teploty plastický až tekutý (obvykle kolem C) - zahřátím slábnou interakce mezi atomy Termoplasty Polyolefiny Vinylové polymery Styrenové polymery / kopololymery Polyakryláty Fluoroplasty Reaktoplasty - vytvářejí 3D síť - působením tepla se tzv. vytvrzují - dalším zahříváním není možné látku roztavit nebo tvářet Fenolplasty Aminoplasty Polyesterové pryskyřice Epoxidové pryskyřice Silikony

30 Polyolefiny jsou to produkty polymerace nenasycených uhlovodíků slovník říká, že: olefin je nenasycený uhlovodík s jednou dvojnou vazbou mezi atomyuhlíku v otevřeném řetězci

31 PolyethylenPE nejrozšířenější plast rozděluje se podle hustoty (molekulové váhy) LDPE, HDPE, UHDPE atd. velmi jednoduchá chemická struktura odolný vůči kyselinám a zásadám, použitelný do 80 C od hustoty se odvíjí vlastnosti, odolný proti rozpouštědlům využití smrštěné fólie, mikrotenové sáčky, hračky, izolace, potravinářský průmysl (zdravotně nezávadný)

32 PolyethylenPE

33 Polypropylen PP patří mezi nejběžnější plasty odolný vůči olejům, rozpouštědlům, alkoholům vyšší mechanická odolnost než u PE vyšší bod tání, mechanická pevnost využití: podobné jako u PE, vláknotvorný (lana, ponožky, pleteniny), zahradní nábytek atd.

34 Polypropylen PP

35 Vinylové polymery jsou charakterizovány obecným vzorcem:

36 Polyvinylacetát PVAC adhezivum pro porézní materiály součást kopolymerů vyrábí se z něho lepidlo na dřevo a papír využití v knihařství

37 Polyvinylchlorid PVC třetí nejpoužívanější plast na světě tvrdý, málo elastický, odolný vůči kyselinám, rozpouštědlům nerozpustný ve vodě výborný elektroizolant vyrábí se i jako měkčený vyrábí se z něho trubky, lino, izolace, rukavice problematický ze zdravotního hlediska výrobu a likvidaci doprovází vznik karcinogenů, některé přísady jsou rovněž karcinogenní

38 Polyvinylchlorid PVC

39 PolyvinylalkoholPVA rozpustný ve vodě biodegradabilní, biokompatibilní výroba nanovláken-> použití pro biologické účely

40 Polystyren PS vzniká polymerací styrenu vyrábí se v různých formách (pevný, pěnový, houževnatý) velmi rozšířený poměrně tvrdý, křehký, odolný vůči kyselinám a zásadám křehne a objevují se trhliny při stárnutí, málo odolný vůči teplu (do 70 C) uvolňuje se z něj karcinogen, vysoce hořlavý, dobře barvitelný jednorázové nádobí, obaly, kelímky na kávu, příbory pěnový PS zateplování budov, ochrana proti poškození výrobků

41 Polystyren PS

42 Polyakryláty na bázi kyseliny akrylové CH 2 =CH-COOH

43 PolymetylmetakrylátPMMA známé pod označením plexisklo průhledný i v tlustých vrstvách odolává vodě, zředěným kyselinám neodolává koncentrovanějším kyselinám snadno se poškrábe nahrazuje sklo kokpity letadel, tlusté stěny mořských akvárií v porovnání se sklem je průhlednější, levnější, možnost ohýbání, snáze se poškrábe alternativou je tzv. polykarbonát

44 PolymetylmetakrylátPMMA

45 Další polymery obsahující esterovou skupinu obsahující dusík, fluor, chlor

46 Polykarbonát PC dobrá tepelná odolnost odolnost proti nárazu dobré optické vlastnosti laboratorní a domácí nádobí, displeje, kompaktní disky, ochranné brýle

47 Polykarbonát PC

48 Polyamidy PA obsahují dusík, v řetězci se opakují amidové skupiny známá jsou především polyamidová vlákna (Nylon 6,6) vysoká pevnost, odolnost oděru, pružnost) biologická odolnost stálost vůči chemickým činidlům dobrá barvitelnost vznik statické elektřiny při použití a výrobě použití: punčochy, oděvy, dopravní pásy, lana, sítě, chirurgické nitě

49 Polyuretany PU nejznámější je pěnový polyuretan, známý také jako molitan výroba lepidel, pružné pěny, vláken, různá kolečka (skateboard)

50 Polytetrafluoretylen PTFE vlastně takový polyethylen, jen místo vodíků má fluory komerční název Teflon teplota tání 327 C, v podstatě nehořlavý vede se diskuze nad zdravotní nezávadností, dlouhodobě považován za zcela bezpečný, výzkumy to převážně potvrzují vykazuje vysokou hydrofobitu -> odpuzuje vodu -> nepřilnavé povrchy velmi nízký koeficient tření -> kluzná ložiska využití v potravinářství (teflonové pánve) elektroizolant, tvrdost, pevnost v tlaku, odolnost proti oděru chemicky velmi odolný, odolává všemu, obtížně se zpracovává využití v potravinářství (teflonové pánve), teflonové pásky

51 A co dál? příště reaktoplasty vlastnosti plastů výroba (vyfukování, vstřikování atd.) František Mošna Materiály a technologie III (dostupné v knihovně)