Muanyagok 1

2,710 views
2,567 views

Published on

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
2,710
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3
Actions
Shares
0
Downloads
14
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Muanyagok 1

  1. 1. Műanyagok (makromolekuláris kémia)
  2. 2. Fogalmak, definíciók <ul><li>Makromolekula: azonos építőelemekből, ismétlődő egységekből felépített szerves, vagy szervetlen molekula, melynek molekulatömege általában nagyobb, mint 5000. </li></ul><ul><li>Oligomer: 5000-nél általában kisebb molekulatömegű anyag (polimer), ahol az ismétlődő egységek száma  10. </li></ul><ul><li>Monomer: a makromolekula ismétlődő egységei, építőelemei. Összegképletüket tekintve megegyezhetnek a polimer ismétlődő egységeivel, de szerkezetük gyakorlatilag soha nem azonos. Pl a polietilén kiindulási monomerje az etilén kettőskötést tartalmaz, míg a makromolekula építőelemeiben ez természetesen hiányzik: </li></ul><ul><li>CH 2 =CH 2 -(CH 2 -CH 2 )- </li></ul><ul><li>monomer ismétlődő egység </li></ul><ul><li>Polikondenzációs műanyagok esetén még az összegképlet sem egyezik, mivel a polimerizáció során kismolekulatömegű vegyület (pl. víz vagy alkohol) keletkezik, ami eltávozik a rendszerből. </li></ul><ul><li>NH 2 (CH 2 ) 6 NH 2 , HOOC(CH 2 ) 4 COOH -(NH(CH 2 ) 6 NHCO(CH 2 ) 4 CO) n - </li></ul><ul><li>monomerek ismétlődő egység </li></ul>
  3. 3. <ul><li>Polimer: a makromolekulák összessége. </li></ul><ul><li>Polimerizáció: a mesterséges polimerek előállítására szolgáló kémiai folyamat. </li></ul><ul><li>Mechanizmusuk szerint két fő típusát különböztetik meg: </li></ul><ul><li>A, Addíciós polimerizáció </li></ul><ul><li>gyökös </li></ul><ul><li>kationos </li></ul><ul><li>anionos </li></ul><ul><li>koordinációs (sztereospecifikus) </li></ul><ul><li>B, Lépcsős polimerizáció </li></ul><ul><li>polikondenzáció </li></ul><ul><li>Poliaddíció </li></ul><ul><li>Az előállított polimer típusa szerint: </li></ul><ul><li>A, homopolimerek (pl. polietilén, poliamid 6,6) </li></ul><ul><li>B, kopolimerek </li></ul><ul><li>statisztikus ABAAAAABBAABBBBBAABA </li></ul><ul><li>alternáló ABABABABABABABABABAB </li></ul><ul><li>blokk AAAABBBBAAAABBBBAAAA </li></ul><ul><li>ojtott (ág) </li></ul>
  4. 4. <ul><li>Molekulaszekezet: </li></ul><ul><li>Polimerizációs fok : ismétlődő egységek száma (N) </li></ul><ul><li>Molekulatömeg eloszlás: </li></ul><ul><li>Átlagos molekulatömeg (M): </li></ul><ul><li>- számszerinti átlagmóltömeg </li></ul><ul><li>- tömegszerinti átlagmóltömeg </li></ul>
  5. 5. <ul><li>Lineáris polimerek </li></ul><ul><li>Rövidláncú elágazások </li></ul><ul><li>Hosszú láncú elágazások </li></ul><ul><li>Térhálós polimerek </li></ul><ul><li>Konformáció, konformációs eloszlás: makromolekula térbeli alakja </li></ul><ul><li>Konfiguráció: asszimetriás (királis) C-atom szerkezete </li></ul><ul><li>Polimer térszerkezeti szabályossága szerint: </li></ul><ul><li>Izotaktikus </li></ul><ul><li>szündiotaktikus </li></ul><ul><li>ataktikus </li></ul>
  6. 6. <ul><li>Polimer szerkezete: </li></ul><ul><li>Láncon belül befolyásolja: </li></ul><ul><li>A láncban az atomok rotációs és rezgő mozgása </li></ul><ul><li>Szegmensek transzlációs mozgása </li></ul><ul><li>Szegmensek közti másodlagos kölcsönhatások </li></ul><ul><li>Láncok között befolyásolja: </li></ul><ul><li>Fizikai kölcsönhatások: </li></ul><ul><li>gombolyodott molekulák – fizikai térháló </li></ul><ul><li>Kémiai kölcsönhatás (reakció): </li></ul><ul><li>Polimerizáció során primer kötések - térhálós szerkezet </li></ul><ul><li>Térhálós polimerek: </li></ul><ul><li>Gumik: elasztomerek utólagos vulkanizálásával </li></ul><ul><li>Műgyanták: polimerizáció során, monomerekből képződnek </li></ul><ul><li>(hőre keményedő műanyagok) </li></ul><ul><li>Makroszkópikus szerkezet: </li></ul><ul><li>Amorf polimerek: a hosszútávú rendezettség teljes hiánya </li></ul><ul><li>Kristályos polimerek: ált. szabályos láncszerkezetű polimerek </li></ul><ul><li>Kristályossági fok mindig  100%, ezért a szerkezeti elemek mérete, tökéletessége változik – eloszlással jellemezhető . </li></ul>
  7. 7. <ul><li>A polimerek, műanyagok tulajdonságait jellemző hőmérsékletük szobahőmérséklethez viszonyított értéke határozza meg. </li></ul><ul><li>Kristályos anyagok: olvadáspont - szobahőmérséklet felett – a kristályos </li></ul><ul><li>polimerek nagy szilárdságú, nehezen oldódó, merev anyagok. </li></ul><ul><li>(függ a kristályszerkezettől, a kristályossági foktól) </li></ul><ul><li>Amorf polimerek: </li></ul><ul><li>üvegesedési hőmérséklet </li></ul><ul><li>szobahőmérséklet alatt: elasztomerek </li></ul><ul><li>szobahőmérséklet felett: műanyagok </li></ul><ul><li>Elasztomerek: </li></ul><ul><li>Rugalmas lineáris polimerek. </li></ul><ul><li>Kémiai térhálósítás - gumik. (üvegkemény is lehet – pl. ebonit) </li></ul><ul><li>Fizikai térháló kialakításával – termoplasztikus elasztomerek. </li></ul><ul><li>Hőre lágyuló műanyagok: </li></ul><ul><li>Lineáris vagy elágazott molekulákból álló anyagok. </li></ul><ul><li>Üvegesedési (kristályosodási) hőmérséklet – szobahőmérséklet felett </li></ul><ul><li>Hőmérséklet emelésével: megolvad az anyag (ömledék-állapot) </li></ul><ul><li>Olvasztás – megszilárdulás reverzibilis folyamat. </li></ul><ul><li>Hőre keményedő anyagok, gyanták : </li></ul><ul><li>Üvegesedési hőmérséklet – szobahőmérséklet felett </li></ul><ul><li>Térhálós műanyagok </li></ul><ul><li>Nagy szilárdságú, merev anyagok </li></ul><ul><li>Térhálósodás: gyakran már a polimerizáció során (katalizátor, hő, összekeverés hatására) </li></ul>
  8. 8. <ul><li>Műszaki műanyagok: </li></ul><ul><li>Kiegyenlítetten jó tulajdonságokkal rendelkező (mechanikai, elektromos, termikus) </li></ul><ul><li>Nagy szilárdság, ütésállóság </li></ul><ul><li>Hőre lágyuló műanyagok </li></ul><ul><li>Alkalmazási hőmérséklet:  100-150 °C </li></ul><ul><li>Kompozitok: </li></ul><ul><li>Töltő és erősítő anyagot tartalmazó két- vagy többkomponensű műanyag. </li></ul><ul><li>„ advanced” kompozit: szilárdság, merevség a társításkor nő </li></ul><ul><li>/üveg, grafit, szén, szerves szálak/ </li></ul><ul><li>Műanyagok kiemelkedő tulajdonságai </li></ul><ul><li>szilárdság, merevség, keménység </li></ul><ul><li>ütésállóság </li></ul><ul><li>optikai jellemzők </li></ul><ul><li>vezetőképesség </li></ul><ul><li>hőállóság </li></ul><ul><li>speciális jellemzők (pl. nemlineáris optika, piezzoelektromos érzékelők, kijelzők /folyadékkristályos polimerek/, stb. </li></ul><ul><li>Műanyagok „egyéb” komponensei </li></ul><ul><li>A, Adalékok </li></ul><ul><li>- Stabilizátorok A feldolgozás és alkalmazás körülményei között biztosítják a polimer </li></ul><ul><li>tulajdonságainak megőrzését </li></ul><ul><li>- Csúsztatók: Segítik a műanyag feldolgozását </li></ul><ul><li>- Formaleválasztók : Megkönnyítik a termék eltávolítását a feldolgozó szerszámból </li></ul><ul><li>- Lágyítók: A kemény műanyagokat (pl. PVC) flexibilissé teszik </li></ul>
  9. 9. <ul><li>- Égésgátlók: Csökkentik a polimer éghetőségét és a füstképződést az égés alatt </li></ul><ul><li>- Színezékek: Biztosítják a kívánt színt </li></ul><ul><li>- Optikai fehérítők Megszűntetik a polimer sárga színét </li></ul><ul><li>- Szag és illatanyagok: Elfedik a műanyag kellemetlen szagát, vagy biztosítják a kívánt illatot </li></ul><ul><li>- Antisztatikumok: Csökkentik a műanyagok felületi és/vagy térfogati ellenállását </li></ul><ul><li>- Nukleálószerek: Szabályozzák a műanyagok kristályosodását és a kristály szerkezetét </li></ul><ul><li>B, Társító anyagok </li></ul><ul><li>- Polimerek: Polimerkeverékek komponensei </li></ul><ul><li>- Ütésálló adalékok: Növelik a műanyagok ütésállóságát, különösen alacsony hőmérsékleten (általában elasztomerek) </li></ul><ul><li>- Vezetőképességet biztosító anyagok: korom vagy fém részecskék </li></ul><ul><li>- Töltőanyagok: Növelik a műanyagok merevségét és általában csökkentik az árát </li></ul><ul><li>- Erősítő anyagok: Anizotróp adalékok (gyakran szálak), növelik a műanyagok szilárdságát, merevségét </li></ul><ul><li>- Természetes polimerek és anyagok: Gyorsítják a műanyagok biológiai lebonthatóságát </li></ul><ul><li>(pl. keményítő, cellulóz) </li></ul>
  10. 10. <ul><li>Különbségek a polimerek és a kis-móltömegű anyagok között </li></ul><ul><li>A polimerek nem rendelkeznek jól definiált móltömeggel, jellemzésük különböző átlagokkal és eloszlással történik </li></ul><ul><li>A polimerek fázisállapotainak száma korlátozott, soha nem gázneműek, nem igazán folyékonyak, ezzel szemben szilárd állapotban több fizikai állapotuk van /üvegszerű, nagyrugalmas, ömledék/ </li></ul><ul><li>A polimerlánc alkotóelemeinek térbeli elrendeződése a konformációval és a konformáció-eloszlással jellemezhető </li></ul><ul><li>A polimerek kristályszerkezete és kristályossága soha sem tökéletes </li></ul><ul><li>A hőre lágyuló anyagok viszkozitása nagyságrendekkel nagyobb, mint a kis-móltömegű anyagoké (103 Pas), feldolgozásuk magas hőmérsékleten, nyíró igénybevétellel történik </li></ul><ul><li>Nyírás hatására a makromolekulák orientálódnak, a termék tulajdonságai függenek az orientáció mértékétől. </li></ul><ul><li>Külső erő hatására egyidejűleg plasztikus és rugalmas deformáció is végbemegy, a kettő aránya az anyag jellemzőitől és a külső körülményektől függ. </li></ul><ul><li>A műanyagok tulajdonságai időfüggőek, feszültségrelaxáció és kúszás megy végbe, fizikai öregedés lép fel. </li></ul>
  11. 11. <ul><li>Polimerizáció </li></ul><ul><li>A polimerizációs eljárás típusa elsősorban a monomer szerkezetétől, a reakciós csoportok típusától függ. </li></ul><ul><li>Két fő csoport: </li></ul><ul><li>Addiciós Lépcsős polimerizáció </li></ul><ul><li> (láncpolimerizáció) </li></ul><ul><li>gyökös </li></ul><ul><li>anionos </li></ul><ul><li>kationos </li></ul><ul><li>sztereoszelektív </li></ul><ul><li>Addiciós polimerizáció: a monomer kettőskötést tartalmazó, többnyire vinil-, vagy vinilszerű vegyületek </li></ul><ul><li> CH 2 =CR 1 R 2 </li></ul><ul><li>A, gyökös polimerizáció </li></ul><ul><li>A polimerizációs reakciók összetettek, több elemi lépésre bonthatók : </li></ul><ul><li>Láncindítás </li></ul><ul><li>Láncnövekedés </li></ul><ul><li>Láncelágazás </li></ul><ul><li>Lánczáródás </li></ul>
  12. 12. <ul><li>Iniciálás (Láncindítás) </li></ul><ul><li>Első lépés, kialakul az aktív növekedésre( láncindításra) képes aktív centrum. </li></ul><ul><li>Kiváltható fizikai, vagy kémiai módszerekkel. </li></ul><ul><li>Fizikai : R-R  R  + R  </li></ul><ul><li>R  + M  R-M  </li></ul><ul><li>Iniciálás termikus vagy sugárzásos (UV fény, ultrahang,  -sugárzás) módszerekkel </li></ul><ul><li>(A gyök a monomerből alakul ki!) </li></ul><ul><li>Kémiai iniciálás: </li></ul><ul><li>A gyököket könnyen gyökökre bomló anyagokból (iniciátorokból) állítjuk elő. </li></ul><ul><li>Iniciálás: kémiai reakcióban (foto-, termikus-, redox) képződnek a szabad </li></ul><ul><li>gyökök. (Ez az iparilag fontosabb iniciálási módszer) </li></ul><ul><li>Iniciátorok: peroxi, diazo vagy azo-vegyületek. </li></ul><ul><li>Pl: a, dikumil-peroxid (termikus iniciálás) </li></ul><ul><li>b,  ,  ’-azo-bisz-(izobutiro-nitril) (fotokémiai iniciálás) </li></ul>
  13. 13. <ul><li>c, hidrogén-peroxid (redox iniciálás) </li></ul><ul><li>H-O-O-H + Fe 2+  HO  + OH - + Fe 3+ </li></ul><ul><li>Láncnövekedés: Az iniciálás során létrejött aktív centrum indítja el, a monomer addíciója indul be és nagyon gyorsan lineáris molekulát eredményez. </li></ul><ul><li>A növekvő lánc élettartama rövid, 1000 egységet tartalmazó lánc kialakulhat 10 -2 , 10 -3 sec alatt. </li></ul><ul><li>Lánczáródás : </li></ul><ul><li>A, Két láncvég kölcsönhatásával (rekombináció) </li></ul><ul><li>B, Diszproporcionálódással </li></ul><ul><li>C, Reakció más aktív molekulával (oldószer, iniciátor, monomer) </li></ul><ul><li>D, Szennyeződések (pl. oxigén) hatására </li></ul><ul><li>Nincs 100%-os konverzió, a móltömeg általában kisebb, mint a számított, elágazott polimerek alakulnak ki. </li></ul>
  14. 14. <ul><li>Néhány fontosabb műanyag </li></ul><ul><li>Polietilén: </li></ul><ul><li>Képlete: (C 2 H 4 ) n az egyik legelterjedtebb polimerizációs műanyag </li></ul><ul><li>Magas nyomáson, 300 °C körüli hőmérsékleten állítják elő etién polimerizációjával. </li></ul><ul><li>H 2 C=CH 2 + H 2 C=CH 2 = H 2 C=CH-CH 2 CH 3 </li></ul><ul><li> H 2 C=CH-CH 2 CH 3 + H 2 C=CH 2 = H 2 C=CH-CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , stb. . </li></ul><ul><li>Kétféle változata ismert: </li></ul><ul><li>„ lágy” – kis sűrűségű ( LDPE ), amelyet elsősorban csomagolóanyagok, fóliák, (reklám)táskák készítéséhez használnak fel; </li></ul><ul><li>„ kemény” – nagy sűrűségű ( HDPE ), amelyet többek között palackok, olajtartályok, csövek készítéséhezhasználnak </li></ul><ul><li>lineáris kis sűrűségú (LLDPE) jobban feldolgozható, vékonyabb fóliában is ugyanolyan tulajdonságú, mint az LDPE </li></ul>
  15. 15. <ul><li>Fizikai és kémia tulajdonságok Fehér, szilárd anyag. Op: 85-140°C Sűrűség: 0.91-0.96 g/cm 3 Éghető. Jó szigetelő. </li></ul><ul><li>Gőz- és gázáteresztése kicsi. Hőre lágyuló, 100 ... 10.000 etilén molekulából álló polimer. </li></ul><ul><li>Amorf részeinek üvegesedési hőmérséklete alacsony (kb. -80°C) így fagyállósága jó. Vegyszerállósága nagyon jó, szobahőmérsékleten nincs oldószere. </li></ul><ul><li>Híg savak és lúgok oldatainak ellenáll, tömény savak (elsősorban selétromsav) magasabb hőmérsékleten roncsolják. Apoláros szerkezete és kis vízfelvétele következtében kitűnő dielektromos tulajdonságai vannak (nagyfrekvenciás szigetelő). A fizikai és kémiai tulajdonságok a molekulatömegtől függően is változnak. </li></ul><ul><li>Hőbomlása 290°C-nál kezdődik. </li></ul>
  16. 16. <ul><li>PVC </li></ul><ul><li>Képlete: (C 2 H 3 Cl) n </li></ul><ul><li>hőre lágyuló, éghető, kémiailag ellenálló, kemény műanyag. </li></ul><ul><li>Előállítása: vinil-klorid polimerizációjával történik. </li></ul><ul><li>Acetilénből vízmentes hidrogén-klorid addíciójával keletkezik a vinil-klorid </li></ul><ul><ul><li>C 2 H 2 +HCl -> C 2 H 3 Cl </li></ul></ul><ul><li>A vinil-klorid polimerizációjával pedig a Poli(vinil-klorid) keletkezik: </li></ul><ul><ul><li>n C 2 H 3 Cl -> [ C 2 H 3 Cl ] n </li></ul></ul><ul><li>Két fajtája a lágy és a kemény PVC </li></ul><ul><li>Égése során sósav, dioxin és egyéb környezet számára káros vegyületek keletkeznek klórtartalma miatt </li></ul><ul><li>Felhasználása: </li></ul><ul><li>Fröccsöntéssel, extrudálással, fúvással állítják elő belőle különböző eszközöket, mint pl.: vegyipari csővezetékek, szennyvízcsövek </li></ul><ul><li>korrózióálló edények, tartályok, szellőző-berendezések, szerelvények, csapok, szelepek, kábelbevonó anyagok, csomagolóanyagok, padlóburkolatok, műbőrök </li></ul>
  17. 17. <ul><li>Poli(metil-metakrilát) (PMMA) (plexi, plexiüveg) </li></ul><ul><li>Képlete: </li></ul><ul><li>Előállítása: metil-metakrilsav polimerizációjával </li></ul><ul><li>Fizikai és kémai tulajdonságok Hőre lágyuló műanyag, amorf, üvegszerű, víztiszta polimer. Ütésállósága a polimerációs fok növekedésével javul. Melegen jól alakítható. Híg savaknak, lúgoknak, zsíroknak, olajoknak ellenáll. Alkoholban és szénhidrogénekben nem, de aromás oldószerekben oldódik. Kiemelkedően jó optikai tulajdonságai vannak. Fényáteresztőképessége 99%, az UV sugarakat is átereszti. Jól megmunkálható, időjárásálló. </li></ul><ul><li>Alkalmazási hőmérséklet tartomány: -20°C-tól +90°C-ig </li></ul><ul><li>Felhasználás: - nagy szilárdságú, átlátszó anyagként pl. a repülőgépek ablakaihoz ( plexiüveg ) - optikai és dekorációs célokra - szilánkmentes üveggyártásra - prizmák, optikai lencsék, lámpatestek készítésére - műszerfedélként, burkolatként, műszeralkatrészként - háztartási eszközök alkatrészeihez - épületek, csarnokok üvegezésére - szövetbarát gyógyászati eszközökhöz (protézisek, műfogak) - dekorációs célokra </li></ul>
  18. 18. PET (polietilén-tereftalát) Poliuretán Polisztirol: Polikarbonát
  19. 19. <ul><li>Poliamid </li></ul><ul><li>Nylon </li></ul><ul><li>Teflon </li></ul>

×