51
STRUKTURA PŘEDNÁŠKY:1.
Co je to polymer?
2. Přírodní
polymery3. Syntetické
polymery
3.1 Syntéza polymerů3.2 Struktura, fázové
stavy
3.3 Termoplasty 3.4 Reaktoplasty3.5 Kaučuky
4. Nakládání
s polymerními odpady
1. Co je to polymer?
Výjimečnost v
chování
těchto látek oproti látkám nízkomolekulárním (např. voda, líh) můžeme vysvětlit na základě
značného nepoměru mezi délkou a šířkou makromolekuly a kvalitativně
rozdílným typem vazeb v hlavním řetězci (vazby chemické, neboli kovalentní) a mezi řetězci (vazby fyzikální).
Délka
makromolekul
umožňuje
jejich
vzájemné
zaplétání, což
je
příčinou
zcela
charakterických
polymerních
vlastností
(elastičnost, vysoká
viskozita
polymerních
roztoků
a tavenin, pomalá
rozpustnost
atd.)
Polymer -
látka sestávající
z molekul
jednoho nebo více druhů
atomů
(většinou atomy uhlíku, vodíku a kyslíku, často dusíku, chloru, křemíku) nebo skupin spojených navzájem ve velkém počtu. To, co odlišuje polymery od jiných materiálů
je
řětězcová
struktura jejich molekul, t.j. dlouhá
lineární
řada vzájemně
spojených atomů
nebo skupin atomů
představuje převažující
strukturní
motiv, který může
(ale nemusí) být občas přerušen místy větvení
(např. u větvených nebo roubovaných polymerů, případně
u polymerních sítí).
Monomer –
látka, jejíž
molekuly mají
schopnost se za vhodných podmínek spojovat v makromolekuly (např. ethen, propen, benzen atd.)
Přeměna styrenu
(monomeru) na polysteren
(polymer)
Jevy ovlivňující
odlišné
chování
polymerů
■
Zapletení
řetězců.■
Sumární
působení
mezimolekulárních sil
■ Časově
závislý
pohyb
Struktura polymerních materiálů
Makromolekulární
látky:
synonymum
pro polymer, tj. látka
o relativní molekulové
hmotnosti
104
až
106
(nízkomolekulární
látka
–
sloučenina
o relativní
molekulové
hmotnosti
desítek
až
stovek)
KLASIFIKACE PODLE TYPU MAKROMOLEKULÁRNÍHO ŘETĚZCE
■
Mer
–
opakující
se jednotka
v
makromolekule
polymeru, jejíž
chemické složení
odpovídá
složení
molekuly
příslušného
polymeru
■
Homopolymer
–
polymer, jehož
molekuly se skládají
z
merů
jednoho druhu
■
Kopolymer
–
polymer, jehož
molekuly
se skládají
z
dvou
nebo
více
druhů
■
Lineární
polymer
–
polymer, jehož
molekuly jsou tvořeny prostými řetězci.
■
Rozvětvený
polymer
–
polymer, jehož
makromolekuly
jsou
tvořeny
hlavními řetězci, ke
kterým
jsou
chemickou
vazbou
připojeny
řetězce
postranní
(obvykle
mnohem
kratší) → rozvětvení
2. ZÁKLADNÍ
PŘÍRODNÍ
POLYMERY
Přírodní
kaučuk -
Z chemického hlediska jde o cis-1,4-polyisopren. Z tropického stromu kaučukovníku brazilského
(Hevea brasiliensis) se nařezáváním jeho kůry získává
surový kaučuk (latex). Ten se upravuje srážením např. kyselinou mravenčí, pere vodou a suší
na materiál zvaný krepa. Jeho dalšími úpravami (přídavkem plniv, dalších aditiv
a vulkanizací) se vyrábí
"přírodní
kaučuk" čili přírodní
pryž.
Celulosa (buničina) -
polysacharid
sestávající
z beta-glukosy. Jednotlivé
glukosové
jednotky jsou spojené
vazbou β
1,4 a tvoří
dlouhé, nerozvětvené
řetězce, které
jsou zcela nerozpustné
ve vodě. Celulosa je hlavní
stavební
látkou rostlinných
primárních buněčných stěn
a podílí
se na stavbě
sekundárních buněčných stěn; je nejrozšířenějším biopolymeremna zemském povrchu, ročně
jí
vzniká
až
1,5×109 tun. Mimo to se však vyskytuje i u některých živočichů, konkrétně
u pláštěnců. Vychozí
látka k výrobě
hedvábí, celofánu.
Sběr latexu tzv. čepováním Makromolekula celulózy
2. ZÁKLADNÍ
PŘÍRODNÍ
POLYMERY
Škrob –
zásobní
látka hromadící
se v některých rostlinách (brambory, obilí, kukuřice, rýže) ve formě
škrobových zrn. Škrobová
zrna se ve studené
vodě
nerozpouštějí
a v teplé
bobtnají. Použití: v potravinářství, k výrobě
lepidel a pojiv, v papírnickém průmyslu, farmacii
Bílkoviny –
bez nich není
možná
existence žádného živého organismu. Jsou součástí
všech živých buněk.
Jantar –
nejstarší
polymer -
fosilizovaná
pryskyřici
některých stromů
stará
25 až
40 milionů
let
3. SYNTETICKÉ
POLYMERY
Historie plastů: 1835 –
laboratorní
příprava polyvinilchloridu
(jeho průmyslová
výroba však byla zavedena až
v r.1925 v Německu)
1862
-
Alexandr Parkes
(1813-1890) vyrobil tvarovatelný materiál z nitrátu celulosy. Rozpustil vlákna celulosy v kyselině
dusičné, přidal kafr a roztok odpařil. Tento plast se nazýval „parkesin“
využíval se pak při výrobě
předmětů
do domácnosti a okrasných předmětů, jako i např.: spona do vlasů.
1909 -
prvním používaným plně
syntetickým plastem byl BAKELIT, reaktoplast vznikající
polykondenzací
fenolu
a formaldehydu.
Primárnízdroje
BasicPetrochemical
PolymerníMateriály
Konečné
produkty
ROPAROPA
Zemní
plynZemní
plyn
EthylenPropylenStyrenVinyl ChloridButadienCyclohexanAcetylen
EthylenPropylenStyrenVinyl ChloridButadienCyclohexanAcetylen
HDPELDPELLDPEPPPVCABSPAAcetalPCPURPBTatd.
HDPELDPELLDPEPPPVCABSPAAcetalPCPURPBTatd.
PlastyPlasty
ElastomeryElastomery
VláknaVlákna
Adheziva
+povlaky
Adheziva
+povlaky
3. SYNTETICKÉ
POLYMERY
Příprava polymerů
ROPA –
ČERNÉ
ZLATO –
primární
surovina pro přípravu plastů
ROPA –
hnědá
až
nazelenalá
hořlavá
kapalina
tvořená
směsí
uhlovodíků, především alkanů. Pravděpodobně
vznikla rozkladem zbytků
pravěkých rostlin a živočichů. Nachází
se ve svrchních vrstvách zemské
kůry
–
nejčastěji v oblasti kontinentálních šelfů. Je základní
surovinou petrochemického průmyslu. Naleziště
ropy jsou pod nepropustnými vrstvami, v hloubkách až
8
km pod zemským povrchem. Ropa při těžbě
buď
vyvěrá
pod tlakem, nebo je čerpána. Vyskytuje se společně
se zemním plynem.
Prokázané
světové
zásoby ropy podle zprávy British
Petrol
r.2005 (v mld. barelu)
Ázerbájdžán: Příběh demokracie utopené
v ropě
3.1 SYNTÉZA POLYMERŮ
-
ZÁKLADNÍ
REAKCE
POLYMERACE –
POLYKONDEZACE -
POLYADICE
POLYMERACEŘetězová
reakce volného počtu monomerů, při níž
vznikají
dlouhé
makromolekuly
monomeru. Chemické
složení
polymeru je stejné, jako chemické
složení monomeru.
Polymery mohou vzniknout z
molekul obsahujících alespoň
jednu dvojnou vazbu postupným připojováním (tzv. adicí, zde se jedná
o
polyadici) molekul na dvojnou
vazbu molekuly předcházející
vzniká
např. polyethylen (PE, PP).
Polymerace ethylenu na polyethylen
Podle druhu aktivních částic rozlišujeme polymeraci radikálovou, iontovou a koordinační
3.1 SYNTÉZA POLYMERŮ
-
ZÁKLADNÍ
REAKCE
POLYKONDEZACEChemická
reakce, kterou z
nízkomolekulárních látek vzniká
makro-molekulární
látka a jako vedlejší
produkt vzniká
jiná
nízkomolekulární
látka (většinou voda). Podmínkou je, aby monomery měly alespoň
dvě
raktivní
skupiny.
Rozdíl mezi polymerací
a polykondenzací
–
produkt polymerace
(polymer) má stejné
chemické
složení
jako výchozí
monomer, kdežto produkt polykondezace
(označuje se běžně
jako polymer, ale správný termín je polykondenzát) má
jiné chemické
složení, než
výchozí
nízkomolekulární
látky.
Tímto typem reakce vznikl např. bakelit
-
polykondenzace fenolu
a formaldehydu,
Polykondenzací
vznikají
také
tesil, PET.
3.1 SYNTÉZA POLYMERŮ
-
ZÁKLADNÍ
REAKCE
POLYADICESloučeniny, jejichž
molekuly obsahují
násobné
vazby, mohou být mimo
vzájemné
spojování
schopny adičních reakcí
se sloučeninami, jejichž molekuly obsahují
vhodné
funkční
skupiny. Mají-li tyto sloučeniny ve svých
molekulách alespoň
dvě
funkční
skupiny, může mnohonásobnou adicí vzniknout polymer. Proto této reakci říkáme polyadice.
Složení
konečného produktu (polyadukt) se neliší
od výchozí
směsi. Na rozdíl od polymerace však poskytuje polyadice strukturu základního článku produktu odlišnou od struktury výchozích látek.
Příkladem je vznik polyuertanů
ZÁKLADNÍ
ZPŮSOBY VÝROBY POLYMERŮ
■
Polymerace v monomerní
fázi –
polymerace samotných monomerů
(chemicky nejjednodušší
způsob)
■
Roztoková
polymerace –
způsob výroby polymeru z roztoku monomeru
■
Suzpenzní
polymerace –
způsob výroby polymeru rozptýleného ve vodě
■
Emulzní
polymerace -
způsob výroby polymeru rozptýleného ve vodě
v přítomnosti tzv. emulgátoru
■
Disperzní
polymerace
–
polymerace suspenzní
a emulzní
ZÁKLADNÍ
KLASIFIKACE POLYMERŮ
Z HLEDISKA JEJICH CHOVÁNÍ
ZA BĚŽNÉ
A ZVÝŠENÉ
TEPLOTY
■
Elastomery
–
vysoce elastické
polymery, které
můžeme za běžných podmínek malou silou značně
deformovat bez porušení, přičemž
deformace je převážně
vratná. Nejpočetnější
skupinou elastomerů
jsou kaučuky, z nichž
se vyrábí
pryž.
■
Plasty –
za běžných podmínek většinou tvrdé
polymery, často i křehké. Při zvýšené
teplotě
se stávají
plastickými (odtud název plasty) a tvarovatelnými.
Pokud je tato změna
z plastického do tuhého stavu vratná
nazýváme je TERMOPLASTY
(PE, PP, PET, PAD, atd.)
Pokud jde o změnu nevratná
(neopakovatelnou, trvalou), protože je výsledkem chemické
reakce –
jedná
se o
REAKTOPLASTY
(např. fenolformaldehydová
pryskyřice –
původní
obchodní
název bakelit).
3.2 FÁZOVÉ
STAVY POLYMERNÍCH MATERIÁLŮ
Vysoká
molekulová
hmotnost polymerů
způsobuje neobyčejně
vysoký bod varu, který se nachází
ve všech případech nad teplotou jejich rozkladu.
PLYNNÝ STAV POLYMERŮ
NEEXISTUJE
POLYMERY SE NACHÁZEJÍ
POUZE V KAPALNÉM NEBO TUHÉM STAVU
Polde
pravidelnosti geometrie rozlišujeme:■
vysoce uspořádaný stav molekulárních řetězců
–
KRYSTALICKÝ.■
neuspořádaný stav –
AMORFNÍ
(SKLOVITÝ).
■
stav přechodový mezi stavem sklovitým a kapalným –tzv. stav KAUČUKOVITÝ (projevuje se značnou VRATNOU
deformací)
■
stav PLASTICKÝ –
umožňuje NEVRATNOU deformaci
PŘECHODOVÉ
TEPLOTYDůležité
teploty pomocí
jichž
lze určit hranice mezi jednotlivými fázovými stavy
■
Tm
–
teplota tání
(melting
point) –
přechod do kapalné
fáze
Pro krystalické
polymery –Tm ostrá
hranice
Pro amorfní
polymery –
Tm
–
rozmezí
teplot (není
ostrá
hranice)
■
Tg
–
teplota skelného přechodu –
hranice mezi tuhým (skelným – tvrdým, křehkým) stavem a stavem kaučukovitým (vysoce elastickým)
■
Tf
–
teplota toku –
viskózní
tok;
hranice mezi vratnou a nevratnou deformací;
nad touto hranicí
přechází
polymer do plastického stavu
Termomechanická
křivkaZávislost deformace vznikající
působením určité
síly po určitou dobu za dané
teploty. (Charakteristická
pro každý polymer)
Termomechanická
křivka amorfního (1) a dvou různých krystalických (2,3) polymerů
KRYSTALICKÝ STAVKrystalizační
schopnost polymeru ovlivňují
především tyto faktory:
■
polarita skupin polymerního řetězce■
jeho geometrická
pravidelnost ■
objem substituentů, případný počet rozvětvení
a délka postraních řetězců■
ohebnost polymerního řetězce
Podle krystalizační
schopnosti polymerů
je můžeme dělit na:■
se sklonem k samovolné
krystalizaci■
samovolně
nekrystalizující■
nekrystalizující
za žádných okolností
Krystalizace probíhá
ve dvou krocích
1. Dochází
k vytvoření
stabilního krystalizačního zárodku, který se rozrůstá
v uspořádání
řetězců, které
následně
vytvářejí
paralelní
uspořádané
sítě. Tyto sítě
jsou k sobě
přitahovány meziatomovými silami, které
stabilizují
jejich polohu. Následné
působení
valenčních sil napomáhá
k vytvoření
trojrozměrného uspořádání
molekul.
2. Druhý krok spočívá
v růstu krystalické
oblasti. Na uspořádanou síť
se napojují
a stabilizují
další
řetězce. Tento proces odehrávající
se v blízkosti bodu tání
soupeří s tepelně
aktivovanou pohyblivostí
řetězců.
(SEMI)KRYSTALICKÝ STAV
Mezimolekulární
síly způsobují
vzájemné
přibližování
řetězců
a jejich urovnání
do poloh o nejnižší
energii. Teplený pohyb jednotlivých segmentů
makromolekul má
však opačný účinek.
Má-li dojít ke k uspořádání
struktury do pravidelných krystalů, musí
být kohezní energie větší
než
energie tepelného pohybu.
To vymezuje teplotu krystalizace na rozsah mezi Tg a Tm
Teplota■
Krystalická
fáze nikdy netvoří
celý objem polymeru. Krystalizuje tzv. krystality obklopené
amorfní
fází.Semikrystalická
struktura.■
Čím větší
podíl krystalické
fáze ve struktuře –
tím lepší
mechanické
vlastnosti(houževnatost, tažnost)
AMORFNÍ
STAV –
zcela nahodilé
polohy atomůZamezení
pohybu řetězců
(příliš
nízká
teplota)Obtížnější
pohyb řetězců
(nižší
teplota)Snadný pohyb řetězců
(vysoká
teplota –
kapalná
fáze)
Zvyšující
se teplota zvětšuje prostor mezi makromolekulárními řetězci – usnadňuje jejich pohyb
Pevn
ost
Teplota
TG TM
Tok kapalné
fáze
Skelný stav
Teplota skelného přechodu
Kaučukovitá
oblast
ZÁVISLOST MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ
NA TEPLOTĚ
Termomechanická
křivka
–
závislost deformace vznikající
působením určité
síly po určitou dobu za dané
teploty. (Charakteristická
pro každý polymer)
Pevn
ost
Teplota
Amorfní
Krystalická
KrystalickáTG
AmorfníTG
KrystalickáTM
KRYSTALICKÁ
VERSUS KRYSTALICKÁ
STRUKTURA POLYMERU
Vysoká
krystalinita
Střední
krystalinita
Nízká
krystalinita
Amorfní
stav
Teplota
Pev
nost
VLIV PODÍLU KRYSTALINITY NA DEFORMACI V ZÁVISLOSTI NA TEPLOTĚ
KAUČUKOVITÝ STAV
Polymer lze v tomto stavu poměrně
malou silou do neobvyklé
míry vratně
deformovat, takže jej nelze
definovat jako tuhou látku, ale nelze jej definovat ani jako kapalinu, protože při deformaci nedochází
k
nevratnému toku, který charakterizuje stav plastický a kapalný.
■
U látek jako jsou např. sklo nebo kovy překročí
elastická deformace málokdy 1 % -
protože polohy atomu jsou
fixovány.
■
Kovalentní
vazby a rotační
pohyby v dlouhých řetězcích však umožňují
pohyb jednotlivých atomů
v
mnohem větším rozsahu. Umožňují
elastickou deformaci až
několik set %.
Charakteristické
rysy elastomerů:
1.
Teplota polymeru musí
být nad Tg2.
Tyto polymery vykazují
schopnost neobvyklé
elastické
deformace a rychlého smrštění
po odlehčení3.
Elastomery
mají
nízký (popř. zanedbatelný) obsah
krystalické
fáze
3.3 TERMOPLASTYTermoplasty jsou polymery, které
lze zvýšením teploty
uvést do stavu plastického ze stavu tuhého, a že tato změna je vratná.
■
Polyolefiny
a fluoroplasty■
Vinylové
polymery
■
Styrenové
a akrylové
polymery■
Polyestery
■
Polyamidy■
Polyuretany
Polyethylen (PE)
■
Termoplast vznikající
polymerací
ethenuJeho vlastnosti silně
závisí
na molekulové
hmotnosti, prostorovém uspořádání
a stupni krystalinity, které
ovlivňuje způsob výroby.
■
Výroba: PE lze připravit tzv. beztlakou polymerací
(za použití
katalyzátorů) nebo středotlakou (7MPa) polymerací
(katalýza pomocí
oxidů
kovů.
Dva základní
typy PE rozdělené
podle hustoty
(která
je mírou linearity a krystalinity
polymeru)
■
LDPE
–
Low
Density
PolyEthylene
–
rozvětvený typ makromolekuly■
HDPE
–
High
Density
PolyEthylene
–
lineární
typ makromolekuly
■
Chemická
odolnost vzrůstá
se zvětšující
se krystalinitou. Odolává
vodě, neoxidujícím chemikáliím. Rozpouští
se ve vroucím benzenu, toluenu.
■
Výborná
odolnost vůči nízkým teplotám. Křehne až
při -1200C.■
Tvarová
stálost do 900C.
Polyethylen (PE)
Použití:
■
Technické
výrobky -
folie, trubky, pláště
kabelů, kanystry■
Spotřební
zboží
–
výrobky pro domácnost, hračky
■
Je nejrozšířenějším obalovým materiálem■
UHMW (High
molecular
weight
polyethylene) –
kluzné
vodící
elementy, filtry, ložiska, šneky, vytlačovací
stroje, součásti kloubních protéz, lisovací
formy na keramiku.
Polypropylen (PP)■
Výroba:
polymerací
propylenu,
Výsledkem jsou polymery s velmi pravidelnou strukturou danou uspořádáním substituentů
CH3
. V komerčních produktech se požaduje tzv. index izotakticity.
■
Stupeň
krystalinity: 60 až
75 %. ■
Teplota tání
čistého isotaktického
PP je 176°C, obchodní
typy 160 -
170°C.
■
Výborné
elektroizolační
vlastnosti, chemická
odolnost.
■
Tepelná
odolnost: krátkodobě
135°C, dlouhodobě
100°C
■
Vyšší
pevnost v tahu i tlaku, vyšší
tvrdost a odolnost proti oděru než
lepší
odolnost vůči korozi za napětí
a menší
propustnost pro plyny
PE
■
Křehkost při teplotách pod 0°C
a nižší
odolnost vůči atmosférické
oxidaci. Zvýšení
houževnatosti za mrazu lze dosáhnout kopolymerací
propylenu s ethylenem nebo mísením
PP s kaučuky.
Fyzikální
vlastnosti PP
Polypropylen (PP)
Použití
PP:
■
Součásti strojů, přístrojů
např. v automobilovém průmyslu, nárazníky, součásti vysavačů, ventilátory, trubky, vodní
armatury, bazényinjekční
stříkačky (odolává
sterilizačním teplotám)
■
Narozdíl od PE se hojně používá
k výrobě
mechanicky a
chemický odolných vláken
Fluoroplasty
–
strukturní
analogy polyolefínů
(polyalkenů), v jejichž
makromolekulách jsou vodíkové
atomy nahrazeny fluorovými a částečně
chlorovými
Polytetrafluoroethylen
PTFE-
TEFLON
■
PTFE je vysoce krystalický, nerozpustný pod teplotou tání
(327oC).■
Chemickou odolností
předčí
dokonce i ušlechtilé
kovy, sklo, emaily, smalty, nerezavějící
oceli !!!
■
Kombinace velké
tepelné
odolnosti a výborné
mazací
schopnosti
=>
Použití
–
samomazná
třecí
ložiska, poteflonované
pánve, nános teflonu na holicích čepelkách, povrchy rypadel, buldozerů
Vinylové
polymery –
patří
k nejdůležitějším plastům. Získávají
se většinou polymerací
obecného vzorce CH2 = CH –
R.
Polyvinylchlorid
(PVC)
Polyvinylchlorid
(PVC) je jednou z nejpoužívanějších umělých hmot
na Zemi. ■
Vyrábí
se polymerací
vinylchoridu
(těkavý, jemně
nasládlý plyn, bod varu = -
13,9°C) a od většiny běžných plastů
se liší
obsahem chloru.■
Relativně
levná
syntéza (suspenzní
a emulzní
polymerací, polymerací
v
monomerní
fázi)–
významné
užitné
vlastnosti –
zpracovatelnost mnoha způsoby (válcováním, vytlačováním, vstřikováním, atd.■
značná
chemická
odolnost (PVC se zpracovává
kolem 180oC)
■
dobrá
tepelná
odolnost
Přibližně
polovina z celosvětově
vyráběného množství
se používá
ve stavebnictví. PVC tak dnes v masovém měřítku nahrazuje tradiční
stavební
materiály jako dřevo, beton
či hlínu a textilní
materiály. !!! Ačkoliv má
prakticky ideální
stavební
vlastnosti, výrazné
obavy vzbuzují
vlivy PVC na životní
prostředí
a lidské
zdraví
!!! (Polyvinylchlorid
se vyrábí
polymerací
karcinogenního vinylchloridu)
Polyvinylchlorid
(PVC)
Polystyren (PS)
Lze jej snadno připravit všemi známými polymeračními technikami –
používá
se především tzv. radikálová
polymerace (v monomerní
fázi a suspenzní
polymerace)
Je tvrdý, křehký, světlopropustný, má
vynikající
izolační
vlastnosti, fotooxidací
křehne a žloutneZpracovává
se především vstřikováním.
Odolává
kyselinám
a zásadám. Neodolává
organickým rozpouštědlům, zejména benzenu, aldehydům
a ketonům
Při stárnutí
křehne a vytvářejí
se v něm trhliny.
Použití:
převážně
se používá
pěnový
PS ve -
stavebnictví
–
tepelná, zvuková
izolace, v obalové
technice
(např.ochrana přístrojů
při nárazu během dopravy)
Polystyren (PS) –
TEPELNĚ
IZOLAČNÍ
VLASTNOSTI
Akrylové
polymery
Vznikají
polymerací
akrylových kyselin –
kys. polyakrylovou, polymetakrylovou, jejich estery, amidy a nitrily.
Mají
velmi rozsáhlé
použití
–
nátěrové
hmoty, plasty, vlákna.
Podle hlavního monomeru je rozčleňujeme na polyakryláty, polymethakryláty, polyakrylonitril
(vláknařský
polymer)
Nejpoužívanější
je polymethylmethakrylát
–
organické
sklo, PLEXISKLO
■ Čirá
a bezbarvá
látka i při větších tloušťkách –
náhrada skla■
Odolnost proti stárnutí, pohlcuje UV záření, propouští
IČ
záření
■
Pevnost v tahu = 65 MPa
Př. Polymethylmethakrylát
POLYAMIDYLineární
polymery charakterizované
hlavním polymerním řetězcem, v němž
se pravidelně
střídají
skupiny –CO-NH-
s větším počtem –CH2
-
skupin (methylenových)
Nejvýznamnější
zástupci: polykaprolaktam, obecně
označovaný jako polyamid 6 nebo Nylon 6
Polykondenzací
hexamethylendiaminu
a kyseliny adipové
vzniká
polyamid 66, resp. Nylon 66
POLYAMIDOVÁ
VLÁKNA
jsou velmi pružná
–
modul pružnosti v tahu PA 6 = 1300 MPa, PA 66 = 1700 MPa
Nejrozšířenější
je použití
-
výroba dámských punčoch, podlahovin a sportovního odívání.
POLURETANY (PUR)Vyrábí
se polyadicí
diizokyanátů
a dvoj-
nebo vícesytných alkoholů
za vzniku uretanové
vazby. Izokyanáty
velmi snadno reagují
se všemi sloučeninami, které
obsahují
aktivní
uhlík (což
je např.voda, alkoholy, fenoly, thioly, aminy, karboxylové
kyseliny aj.)
Nejvýznamnější
použití
polyuretanů
–výroba lehčených
hmot (pěnových materiálů).Připravují
se přivedením všech složek do míchací
hlavy, kde se vysokoobrátkovým
míchadlem vytvoří
viskózní
kapalina, která
po nalití
do forem velmi rychle vypění
(po 10 až
20 minutách může být pěna vyňata).
Měkké
pěny
ρ=15 až
70 kg m-3
(matrace, laminování
textilu, obaly)Tvrdé
pěny
ρ=10 až
600 kg m-3
(izolační
materiály ve stavebnictví
a strojírenství)
3.4 REAKTOPLASTYPolymery, které
nevratnou chemickou reakcí
přecházejí
z lineárního do
síťovaného stavu. Zahřátím
nebo přidáním vytvrzovacího činidla
tyto polymery vytvrzujeme – přecházejí
do nerozpustného a netavitelného stavu
(ztrácejí
termoplastický charakter).Používá
se jich k výrobě
lisovacích hmot, vrstvených materiálů, lehčených
hmot,
lepidel, nátěrových hmot, prostředků
pro úpravu dřeva, papíru, kůže.
FENOPLASTY –
fenolitické
pryskyřiceNOVOLAKY
–
produkty polykondenzace fenolu s nedostatkem
formaldehydu, které
lze vytvrdit teprve po přidání
formaldehydu nebo jiného vytvrzovacího činidla
REZOLY
-
produkty polykondenzace fenolu s přebytkem
formaldehydu, které
můžeme působením tepla snadno převést v nerozpustnou a netavitelnou hmotu zvanou rezit.
Použití
-
laky, lisovací
hmoty, vrstvené
hmoty (lamináty), kyselinotvorné
tmely, lepidla, pojiva u slévárenských pískových forem
AMINOPLASTY –
aminopryskyřiceReakční
produkty aminosloučenin, zejména močoviny, melaninu, anilinu a jejich derivátů
převážně
s formaldehydem, které
jsou schopny účinkem tepla nebo katalyzátoru dále reagovat a přecházet na vytvrzené
makromolekulární
hmoty.
Použití: lepidla, pojiva, laky, úprava papíru, textilu, lisovací
hmoty
EPOXIDOVÉ
PRYSKYŘICE
Pryskyřičné
látky, jejichž
řetězce obsahují
zpravidla více než
jednu epoxidovou skupinu. Vyrábí
se polykondenzací
vícesytných fenolů
s epoxidovou skupinou
Jejich značná
reaktivnost vede k sesíťovaným
polymerním produktům.■
Vynikající
adheze k většině
materiálů■
Chemická
odolnost ■
Minimální
smrštění
po vytvrzení
Použití: lepidla, pojiva, laky, úprava papíru, textilu, lisovací
hmoty, pojiva skelných laminátů
Další
typy pryskyřic:
SILIKONOVÉ
PRYSKYŘICEPOLYESTEROVÉ
PRYSKYŘICE
3.5 KAUČUKY
Kaučuk je polymerní
materiál
přírodního nebo syntetického původu, vyznačující
se velkou pružností, tedy schopností
se účinkem vnější
síly výrazně
deformovat a poté
opět zaujmout původní
tvar.Kaučuky jsou tedy ELASTOMERY.
Rozdělení
syntetických kaučuků:
■
Izoprenové
kaučuky■
Butadienové
kaučuky■
Ethylenpropylenové
kaučuky
■
Butylkaučuky
kaučuky■
Chloroprenové
kaučuky
■
Butadienakrylonitrilové
kaučuky■
Akrylátové
kaučuky
■
Polysulfidové
kaučuky ■
Silikonové
kaučuky
■
Fluorouhlíkové
kaučuky
Vulkanizace■
Vulkanizace kaučuku –
proces, při kterém se z termoplastického kaučuku
stává
netermoplastická
pryž■
síťování
(vznik 3D struktury) ->zvýšení
tvrdosti, pevnosti
Charles Goodyear
–
patent v USA, polovina 19. stol.
PŘÍDAVNÉ
LÁTKY V POLYMERECH
1.
Zpracovatelské
přísady
2.
Antidegradanty
3.
Síťovací
činidla
4.
Přísady ovlivňující
jiné
fyzikální
vlastnosti
5.
Zpomalovače hoření
6.
Jiné
…
Plastový výrobek = polymer + cca 20 přídavných látek
Rozdělení
polymerů
podle jejich aplikace, nadmolekulární
struktury a ceny
Vybrané
vlastnosti polymerních materiálů
4. ODSTRAŇOVÁNÍ
A ZHODNOCOVÁNÍ POLYMERNÍCH ODPADŮ
Současná
světová
roční
spotřeba polymerních materiálů činí
téměř
200 miliónů
tun.
Z toho představuje polyethylen 32 %, polypropylen 20 %, polyvinylchlorid
17%,
polystyren 12%, polyuretany 6%.
Značná
životnost
vůči běžnému vnějšímu prostředí, ceněná
při aplikaci, se stává
nevýhodnou, v okamžiku kdy výrobek doslouží
a stává
se odpadem.
Např. úbytek obalové
fólie z LDPE vlivem působení biologického prostředí
představuje za 2,5 roku
0,35% hmotnosti.
Osud PET lahví
deponovaných na skládkách můžeme jen odhadovat, protože doba, po kterou jsou na skládky deponovány, je zatím kratší
než
doba, po níž
by došlo ke znatelným změnám v materiálu!!!
Možnosti nakládání
s odpadyDva základní
přístupy k polymerním odpadům:
ZHODNOCENÍ
/ ODSTRANĚNÍ
Z ekologického hlediska je nejpřijatelnější
formou nakládání
s odpady jejich RECYKLACE.
(tj. proces, při němž
byly použité
a následně
vyřazené
výrobky sbírány, tříděny, zpracovány a materiál z nich získaný znovu vracen do užívání)
■
Primární
recyklace
–
z polymerního odpadu se získává
materiál stejných
nebo podobných vlastností
jako měl materiál původní■
Sekundární
recyklace
–
z polymerního odpadu se získává
materiál značně
odlišných
vlastností
než
měl materiál původní
■
Fyzikální
recyklace
–
z odpadního materiálu se získává
nový materiál aniž
by probíhaly chemické
reakce■
Chemická
recyklace
–
chemický rozklad na nízkomolekulární
sloučeniny, často monomery, z nichž
se chemickou cestou vyrobí
nový materiál
ZNEŠKODNĚNÍ
Skládky:
plasty ani po uplynutí
dlouhé
doby nepodléhají
významným oxidačním nebo biologickým přeměnám, čímž
narušují
proces přirozené
homogenizace skládkového terénu
=>
snaha o maximální
omezení tohoto způsobu nakládání
s plastovými odpady a využívání
skládek jen k odstraňování
je odpadu, který nelze žádným způsobem zhodnotit (cca 20% odpadů)
Pyrolytická
degradace:
nejpokročilejší
způsob chemické
recyklace. Redukční
analýza – působení
CO, vody a tepla –
transformuje odpadní
polymery na ušlechtilá
paliva
Oxidační
degradace: degradace při teplotě
okolí, nebo (častěji) při zvýšené
teplotě
(900oC). Teplo se využívá
k výrobě
páry nebo elektrické
energie. Spaliny je potřeba čistit.
RECYKLACE ODPADNÍCH PLASTŮ■
Téměř
ve všech vyspělých státech se využívají
odpady z polyolefinů
–
zpracovávají
se hlavně
na fólie, deskové
materiály, přepravky atd. ■
Z PVC lahví
–
kanalizační
trubky, desky■
Zařízení
Remarker
–
zpracovává
všechny odpady termoplastů
–
lisování
za zvýšené
teploty –>
desky, kontejnery, fólie atd.■
Např. na palety z odpadních materiálů
lze použít směs 50% plastového odpadu a 50% směs papírového odpadu■
Netříděné
plastové
odpady
– přepážky, latě
na plot, meliorační
trubky. Pomocí
mohutného vytlačovacího
stroje.
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÉ
POLYMERY
Rozmáhající
se spotřeba obalových hmot a s ní
spojená
ekologická
zátěž ústí
v rozvíjení
biologicky rozložitelných materiálů. Ve vhodném prostředí
(kompost, odpadní
vody, mořský voda, UV záření) se mohou tyto polymery vlivem působení
mikroorganismů
rozkládat na vodu, oxid uhličitý, popř.
amoniak, metan.
Základní
rozporŽivotnost, vlastnosti pro technické
aplikace vs.
ROZLOŽITELNOST
Nedostatečné
aplikační
vlastnosti vedou k chemickým úpravám polymeru =>
Čím větší
stupeň
chemické
modifikace, tím obtížnější
rozklad v přirozeném prostředí.
Např. chemická
modifikace přírodní
celulózy nepodléhá
rozkladu ve spodních vrstvách skládek ani po 10 letech.
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÉ
POLYMERY
Potenciální
materiál pro obaly –
ŠKROB
a jeho modifikace-
jeden z nejlevnějších biodegradovatelných
polymerů
-
škrob je obsažen v kukuřici, bramborech, pšenice, rýže
Jílové
nanoplnivo
Montmorillonit
MMT
–
vrstvená
struktura schopná
tzv. delaminace
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÉ
POLYMERY
BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÝ NANOKOMPOZIT NA BÁZI JÍL(MONTMORILLONIT) -
ŠKROB
Částice montmorillonitu
zvyšují
tuhost kompozitu
