Muanyagok 1
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Muanyagok 1

on

  • 2,886 views

 

Statistics

Views

Total Views
2,886
Views on SlideShare
2,884
Embed Views
2

Actions

Likes
0
Downloads
7
Comments
0

1 Embed 2

http://www.slideshare.net 2

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft PowerPoint

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Muanyagok 1 Muanyagok 1 Presentation Transcript

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