Tworzywa sztuczne – chemia, właściwości i zastosowanie

Tworzywa sztuczne to materiały oparte na polimerach, czyli długołańcuchowych cząsteczkach, których właściwości można zmieniać za pomocą dodatków chemicznych. O zachowaniu konkretnego tworzywa decydują przede wszystkim budowa łańcuchów, stopień ich usieciowania oraz obecność plastyfikatorów, stabilizatorów, pigmentów i wypełniaczy.

Czym są tworzywa sztuczne?

Polimer jest związkiem wielkocząsteczkowym zbudowanym z powtarzających się fragmentów. Takie fragmenty powstają z mniejszych cząsteczek, nazywanych monomerami. Łańcuch polimerowy może mieć budowę liniową, rozgałęzioną albo przestrzennie usieciowaną.

Tworzywo sztuczne nie zawsze oznacza sam polimer. W praktyce jest to materiał przygotowany na bazie polimeru, często połączonego z innymi składnikami. Dodatki zmieniają jego sztywność, elastyczność, barwę, odporność na promieniowanie UV lub zachowanie podczas przetwórstwa. Z tego powodu dwa materiały oparte na tym samym polimerze mogą mieć różne właściwości użytkowe.

W języku potocznym szeroką grupę takich materiałów określa się mianem plastiku. Tworzywa sztuczne zastąpiły w wielu zastosowaniach drewno, metale, szkło i ceramikę, a niektóre ich odmiany pozwoliły uzyskać materiały niemające bezpośrednich odpowiedników w przyrodzie.

Jak powstają polimery i po co stosuje się dodatki?

Podstawowym procesem otrzymywania wielu polimerów jest polimeryzacja. W jej trakcie monomery łączą się w długie łańcuchy lub sieci. Schematycznie można to zapisać jako: n monomerów → polimer o powtarzającej się strukturze. Przykładowo eten podczas polimeryzacji tworzy polietylen, a chloroeten – polichlorek winylu.

Sam polimer często nie ma jeszcze właściwości wymaganych w konkretnym zastosowaniu. Receptura tworzywa może więc zawierać składniki pełniące różne funkcje:

• Plastyfikatory – zwiększają elastyczność i ułatwiają odkształcanie materiału, szczególnie w tworzywach takich jak zmiękczony PVC.
• Stabilizatory – ograniczają degradację pod wpływem temperatury, tlenu lub promieniowania ultrafioletowego.
• Pigmenty i barwniki – nadają materiałowi określoną barwę i krycie.
• Wypełniacze – mogą obniżać koszt materiału albo zmieniać jego sztywność, ciężar, skurcz i odporność mechaniczną.
• Antypireny – ograniczają palność lub spowalniają rozprzestrzenianie się płomienia.

Po przygotowaniu kompozycji tworzywo formuje się między innymi przez wtrysk, wytłaczanie, prasowanie, odlewanie, laminowanie lub zgrzewanie. Dobór metody zależy od rodzaju polimeru i jego zachowania pod wpływem ciepła oraz nacisku.

Jak dzieli się tworzywa sztuczne?

Jednym z najważniejszych kryteriów jest zachowanie materiału podczas ogrzewania. Decyduje o nim budowa cząsteczek. W termoplastach łańcuchy są przede wszystkim liniowe lub rozgałęzione i nie tworzą rozbudowanej sieci wiązań poprzecznych. Po ogrzaniu mogą przesuwać się względem siebie, dlatego materiał mięknie i można go ponownie formować.

W duroplastach podczas utwardzania powstaje gęsta sieć wiązań poprzecznych, czyli usieciowanie. Łańcuchy zostają połączone w trwałą strukturę. Ponowne ogrzewanie nie prowadzi już do stopienia materiału, lecz może spowodować jego rozkład. Elastomery również zawierają połączenia między łańcuchami, ale ich sieć jest na tyle luźna, że materiał może ulegać dużym, odwracalnym odkształceniom.

Inne klasyfikacje uwzględniają pochodzenie polimeru, liczbę rodzajów monomerów, stopień krystaliczności lub kształt łańcucha. Można więc wyróżniać polimery naturalne, modyfikowane i syntetyczne, a także homopolimery zbudowane z jednego rodzaju monomeru oraz kopolimery zawierające różne jednostki powtarzalne.

Jakie właściwości mają tworzywa sztuczne?

Zależność między budową chemiczną a właściwościami widać zarówno w skali cząsteczek, jak i gotowego wyrobu. Długie łańcuchy, ich ułożenie, stopień krystaliczności oraz liczba wiązań poprzecznych wpływają na sztywność, udarność, elastyczność i odporność cieplną.

Do cech często spotykanych w tej grupie materiałów należą:

• Niska gęstość w porównaniu z większością metali, dzięki czemu wiele tworzyw jest lekkich.
• Słabe przewodnictwo ciepła, co sprzyja wykorzystaniu ich jako materiałów izolacyjnych.
• Dobre właściwości dielektryczne, czyli zdolność do ograniczania przepływu prądu.
• Odporność na wodę oraz działanie wielu kwasów, zasad, soli i innych substancji chemicznych.
• Łatwość nadawania kształtu, szczególnie w przypadku termoplastów podgrzanych do odpowiedniego zakresu temperatur.
• Możliwość uzyskania materiałów przezroczystych, półprzezroczystych lub nieprzezroczystych.

Nie jest to jednak zbiór cech wspólnych dla każdego tworzywa. Odporność chemiczna zależy od rodzaju polimeru i środowiska, a właściwości elektryczne można zmienić przez dodanie przewodzącego wypełniacza. Z kolei włókna szklane, mineralne lub węglowe mogą zwiększać sztywność i wytrzymałość kompozytu.

Najpopularniejsze tworzywa – budowa i zastosowanie

Przykłady konkretnych polimerów pokazują, że niewielka zmiana budowy chemicznej może wyraźnie zmienić zachowanie materiału. Obecność atomów chloru w PVC, grup estrowych w PET albo ugrupowań aromatycznych w PMMA wpływa na odporność, sztywność, przezroczystość i sposób przetwarzania.

Polietylen jest odporny na działanie wielu kwasów, zasad, soli i rozpuszczalników, dlatego stosuje się go w wyrobach mających kontakt z wilgocią lub substancjami chemicznymi. PVC wyróżnia się wszechstronnością, lecz jego zachowanie zależy od receptury. Podczas pożaru materiały zawierające chlor mogą emitować między innymi chlorowodór, a skład produktów spalania zależy od warunków procesu i obecnych dodatków.

PMMA, znany jako pleksiglas, zawdzięcza przezroczystość uporządkowanej strukturze optycznej materiału, a odporność na promieniowanie UV wynika z charakteru jego łańcucha. PET wykorzystuje się przede wszystkim tam, gdzie potrzebne są lekkość, wytrzymałość i możliwość uzyskania cienkościennych opakowań.

Odporność cieplna i wpływ na środowisko

Wrażliwość na temperaturę wynika z ruchliwości łańcuchów oraz siły oddziaływań między nimi. Ogrzewanie może prowadzić do mięknienia, utraty sztywności, deformacji, a przy wyższej temperaturze do rozkładu chemicznego. Duroplasty nie topią się, lecz także mogą ulegać degradacji, gdy energia cieplna uszkodzi ich sieć.

Odporność cieplną zwiększa się przez projektowanie sztywniejszych łańcuchów, wprowadzanie ugrupowań aromatycznych, tworzenie sieci przestrzennych oraz stosowanie stabilizatorów i antypirenów. Nie istnieje jednak jedna uniwersalna temperatura graniczna dla całej grupy tworzyw. Zależy ona od rodzaju polimeru, czasu działania ciepła, obciążenia mechanicznego i obecnych dodatków.

Wyzwanie środowiskowe wynika z dużej trwałości wielu polimerów, trudności w sortowaniu mieszanek oraz różnic między materiałami pod względem możliwości ponownego przetwarzania. Dlatego znaczenie ma nie tylko sam polimer, lecz także skład całej receptury, sposób użytkowania i możliwość oddzielenia dodatków od materiału bazowego.

Chemia tworzyw sztucznych łączy budowę cząsteczek z funkcją gotowego materiału. Zrozumienie monomeru, polimeryzacji, usieciowania i roli dodatków pozwala wyjaśnić, dlaczego jedne tworzywa można wielokrotnie topić, inne pozostają trwale sztywne, a jeszcze inne zachowują dużą sprężystość.