Tworzywa sztuczne to polimery, których właściwości wynikają z budowy chemicznej, sposobu przetwarzania i zastosowanych dodatków. W doborze materiału najważniejsze jest rozróżnienie termoplastów i duroplastów, a następnie sprawdzenie odporności cieplnej, mechanicznej oraz chemicznej w warunkach pracy.
Czym są tworzywa sztuczne?
Polimer to związek zbudowany z powtarzających się jednostek strukturalnych, czyli merów. Polimery mogą występować w naturze, jak celuloza, kauczuk naturalny czy białka, albo być otrzymywane syntetycznie. Tworzywa sztuczne są materiałami, w których syntetyczny lub zmodyfikowany polimer stanowi osnowę wyrobu, często połączoną z barwnikami, stabilizatorami, plastyfikatorami albo napełniaczami.
Właściwości tworzywa zależą między innymi od długości i ułożenia łańcuchów polimerowych, stopnia rozgałęzienia, usieciowania oraz obecności dodatków. Dlatego materiały o podobnym składzie mogą różnić się sztywnością, udarnością, odpornością na temperaturę i działanie chemikaliów. Niska masa, możliwość formowania złożonych kształtów oraz odporność na korozję sprawiają, że tworzywa zastępują metale, szkło lub ceramikę w wielu konstrukcjach.
Jak dzielimy tworzywa sztuczne?
Podstawowy podział techniczny uwzględnia zachowanie materiału pod wpływem temperatury. Ma ono bezpośredni wpływ na sposób przetwarzania, możliwość ponownego formowania oraz dobór tworzywa do pracy w podwyższonej temperaturze.
- Termoplasty miękną podczas ogrzewania i twardnieją po ochłodzeniu. Proces ten jest w dużej mierze odwracalny, dlatego materiały można wielokrotnie przetapiać i formować, choć każde przetworzenie może pogarszać ich właściwości. Do tej grupy należą między innymi PE, PP, PVC, PET i PA.
- Duroplasty podczas utwardzania tworzą trwałą, przestrzenną sieć chemiczną. Po zakończeniu sieciowania nie topią się ponownie, lecz przy zbyt wysokiej temperaturze ulegają rozkładowi. Cechują się często dobrą sztywnością, stabilnością wymiarową i odpornością cieplną.
- Elastomery mogą odwracalnie odkształcać się pod wpływem obciążenia i wracać do pierwotnego kształtu. Ich zachowanie różni się od typowych tworzyw sztywnych, dlatego stosuje się je między innymi na uszczelnienia, amortyzatory i elementy elastyczne.
W praktyce konstruktor musi uwzględnić nie tylko samą grupę materiału, lecz także gatunek, dodatki, sposób przetwarzania i warunki eksploatacji. Termoplast bez wypełniacza może mieć zupełnie inne parametry niż ten sam polimer wzmacniany włóknem szklanym.
Najważniejsze rodziny tworzyw i ich zastosowanie
Poniższe zestawienie obejmuje powszechnie stosowane termoplasty. Podane cechy mają charakter ogólny. Dokładne parametry, takie jak temperatura użytkowania, moduł sprężystości czy odporność na konkretne substancje, należy sprawdzać w karcie technicznej wybranego gatunku.
| Skrót | Nazwa | Najważniejsza cecha | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|---|
| PE | Polietylen | Dobra odporność chemiczna, niska absorpcja wody i mała gęstość | Zbiorniki, folie, przewody, pojemniki, elementy ślizgowe |
| PP | Polipropylen | Niska gęstość, dobra odporność chemiczna i wyższa odporność cieplna niż w wielu odmianach PE | Elementy techniczne, opakowania, zawiasy zintegrowane, instalacje |
| PVC | Polichlorek winylu | Dostępny jako materiał sztywny lub plastyfikowany, odporny na wiele czynników chemicznych | Rury, profile, izolacje przewodów, wykładziny |
| PET | Politereftalan etylenu | Dobra sztywność, stabilność wymiarowa i właściwości barierowe | Butelki, opakowania, folie, włókna |
| PA | Poliamid | Dobra wytrzymałość mechaniczna i odporność na zużycie | Koła zębate, tuleje, prowadnice, elementy konstrukcyjne |
PE i PP – niska masa oraz odporność chemiczna
Polietylen dobrze sprawdza się tam, gdzie liczy się odporność na wilgoć i wiele roztworów chemicznych. Jego odmiany różnią się między innymi gęstością, sztywnością i odpornością na obciążenia. Trzeba jednak uwzględnić ograniczoną odporność cieplną oraz trudności w klejeniu i malowaniu powierzchni o niskiej energii powierzchniowej.
Polipropylen jest lekki i odporny na wiele substancji chemicznych. Wyróżnia się także zdolnością do wielokrotnego zginania w wybranych konstrukcjach. W niskiej temperaturze może jednak stawać się bardziej kruchy, a jego zachowanie pod długotrwałym obciążeniem zależy od temperatury i geometrii elementu.
PVC – materiał sztywny lub elastyczny
Właściwości PVC można zmieniać przez dobór dodatków. PVC nieplastyfikowany stosuje się w sztywnych rurach i profilach, natomiast PVC plastyfikowany jest używany między innymi do izolacji przewodów i elastycznych wyrobów. Przy ocenie materiału trzeba sprawdzić jego stabilność cieplną, skład dodatków oraz kompatybilność z mediami występującymi w danym zastosowaniu.
PET i PA – sztywność, wytrzymałość oraz zużycie
PET łączy stosunkowo dobrą sztywność ze stabilnością wymiarową i właściwościami barierowymi. Z tego powodu jest popularny w opakowaniach, ale jego odmiany konstrukcyjne znajdują zastosowanie także w elementach technicznych.
Poliamidy oferują korzystny stosunek wytrzymałości do masy i dobrą odporność na ścieranie. Wchłaniają jednak wilgoć, co może zmieniać ich wymiary oraz właściwości mechaniczne. W konstrukcjach o wysokich wymaganiach często stosuje się PA z dodatkiem włókna szklanego, ale napełnienie może zwiększać sztywność i jednocześnie pogarszać udarność w określonych warunkach.
Metody przetwórstwa tworzyw
Metodę formowania dobiera się do rodzaju polimeru, kształtu wyrobu, wymaganej dokładności i wielkości produkcji. Termoplasty można podgrzać do stanu umożliwiającego przepływ, natomiast duroplasty formuje się przed zakończeniem sieciowania albo wraz z reakcją utwardzania.
- Wtryskiwanie polega na wtłoczeniu uplastycznionego tworzywa do zamkniętej formy. Stosuje się je do produkcji powtarzalnych, precyzyjnych detali o złożonej geometrii.
- Wytłaczanie umożliwia ciągłe wytwarzanie rur, profili, folii i arkuszy. Materiał jest podawany przez głowicę, która nadaje mu przekrój wyrobu.
- Termoformowanie wykorzystuje ogrzany arkusz termoplastu, rozciągany na formie za pomocą podciśnienia, ciśnienia lub narzędzia. Metoda sprawdza się przy obudowach, tackach i dużych elementach o stosunkowo cienkich ściankach.
- Formowanie duroplastów odbywa się z użyciem ciśnienia i temperatury, które inicjują lub kończą proces sieciowania. Po utwardzeniu element zachowuje nadany kształt, ale nie może być ponownie stopiony.
Jak wybrać tworzywo do projektu?
Dobór materiału powinien wynikać z warunków pracy gotowego elementu, a nie wyłącznie z jego ceny lub łatwości przetwarzania. Najpierw należy opisać środowisko eksploatacji, potem obciążenia i wymagania formalne, a na końcu porównać dostępne gatunki oraz technologię wykonania.
Przy specyfikowaniu tworzywa sprawdź następujące parametry:
- Temperatura pracy – uwzględnij temperaturę ciągłą, krótkotrwałe skoki oraz wpływ ciepła na pełzanie i stabilność wymiarową.
- Obciążenie mechaniczne – określ siły, naprężenia, udary, tarcie i czas działania obciążenia.
- Odporność chemiczna – sprawdź kontakt z olejami, paliwami, detergentami, kwasami, zasadami, rozpuszczalnikami oraz wilgocią.
- Wymagania wymiarowe – oceń skurcz, rozszerzalność cieplną, absorpcję wody i tolerancje wykonania.
- Wymagania formalne – zweryfikuj potrzebne deklaracje, atesty i zgodność z właściwymi normami lub przepisami dla danej branży.
- Technologia i koszt – porównaj dostępność granulatu, cenę narzędzi, możliwość obróbki, czas cyklu oraz koszty kontroli jakości.
W przypadku kontaktu z żywnością, zastosowań medycznych, instalacji ciśnieniowych lub konstrukcji o wysokiej odpowiedzialności nie wystarcza ogólna nazwa polimeru. Wymagania należy potwierdzić dla konkretnego gatunku i partii materiału, korzystając z aktualnej dokumentacji producenta oraz właściwych norm. Nie należy wpisywać do projektu samego oznaczenia „PA” czy „PE” bez wskazania odmiany i wymaganych parametrów.
Proces doboru można uporządkować w kilku krokach:
- Krok 1 – opisz temperaturę, wilgotność, promieniowanie i media chemiczne występujące podczas pracy.
- Krok 2 – określ obciążenia statyczne, dynamiczne, udarowe i tribologiczne.
- Krok 3 – wybierz grupę materiałów, a następnie porównaj konkretne gatunki na podstawie kart technicznych.
- Krok 4 – sprawdź możliwość wykonania elementu wybraną metodą oraz wpływ procesu na parametry wyrobu.
- Krok 5 – potwierdź wymagania certyfikacyjne, wykonaj obliczenia i, gdy to potrzebne, przeprowadź badania prototypu.
Recykling, biopolimery i projektowanie obiegu zamkniętego
Rozwój tworzyw zmierza między innymi do ograniczania zużycia surowców, zwiększania udziału recyklatów i projektowania wyrobów łatwiejszych do ponownego przetworzenia. Najprościej odzyskuje się materiały o jednorodnym składzie, dlatego mieszanie wielu polimerów, trwałe łączenie różnych materiałów i nadmiar dodatków mogą utrudniać recykling.
Biopolimer nie musi oznaczać materiału biodegradowalnego. Określenie może odnosić się do pochodzenia surowca, a zdolność do rozkładu zależy od konkretnego polimeru i warunków procesu. Z punktu widzenia konstruktora liczą się także trwałość, odporność cieplna, stabilność wymiarowa oraz możliwość przetworzenia w istniejącej technologii.
Projektowanie z myślą o gospodarce obiegu zamkniętego zaczyna się na etapie doboru materiału, geometrii i sposobu łączenia elementów, a nie dopiero po zakończeniu eksploatacji wyrobu.
Dobry wybór tworzywa łączy parametry techniczne, wymagania bezpieczeństwa, sposób przetwarzania i koszt całego cyklu życia produktu. Sama nazwa polimeru jest dopiero punktem wyjścia do oceny konkretnego gatunku.
