Polimerek Polimernek nevezzük az ismétlődő egységekből felépülő nagyméretű molekulákat, melyekben az egységeket kémiai kötések kapcsolják össze. Az ismétlődő egység neve monomer. A polimerek óriásmolekulái hosszú láncokból állnak, melyek viszont sok kis, egybe-kötött molekulából (monomerekből) alakulnak ki. Például, az etilénmolekulából alakul ki a vinilcsoport, amely a polietilén hosszú molekulaláncait alkotja.
A makromolekulában vagy a polimer láncban levő monomerek N számát polimerizációs foknak nevezzük. Maguk a polimerek aránylag kevés atomtípusból alakulnak: ezek a szén, az oxigén, a nitrogén, a kén és más kevésbé gyakran előforduló atomok, amelyek multifunkcionális kovalens kötéseket képesek létrehozni. A természetes polimerek közé tartozik a cellulóz, a fehérje, az élővilág anyagai. A polimer lánc szerkezete a megfelelő monomerek összekötődése útján alakul ki. Három adott A, B és C típusú monomerből a következő polimer típusok jöhetnek létre: - homopolimerek: AAAAAAA vagy BBBBBBB vagy CCCCCCC - váltakozó kopolimerek: ABABAB vagy ACACAC vagy BCBCBC - véletlen kopolimerek: AAABAABBBAAAAB -blokk kopolimerek: AAAAAABBBBBBAAAAACCCCCCAAAAA
A folyadék-fázisban a polimerláncok összefonódott csomókhoz hasonlíthatók, az úgynevezett szilárd fázisban ezek hasonlók maradnak vagy bizonyos körülmények között rendeződhetnek, kristályos szerkezetet formálnak: a) polimer láncok folyadékban, b) részben kristályos, de véletlenszerűen orientált, a)
b)
c) orientált szerkezet
c)
A polimerek a közhiedelemmel ellentétben nem azonosak a műanyagokkal. (A műanyagok több anyag keverékéből állnak, amelyek legalább egy komponense polimer. A többi kitöltő-, vázanyag, öregedést gátló, feldolgozást segítő adalékanyag, ...) A polimerek önálló alakkal, térfogattal rendelkeznek, pontosan meghatározott olvadás- és forrásponttal rendelkeznek. Előállításuk igen bonyolult, nagy odafigyelést igényel (lánc-, blokkpolimerizáció). A polimerek egy mindenki számára ismert képviselője a polietilén (PE) helytelen elnevezéssel a nylon zsacskó. (...-CH2-CH2-...) Egy nem mindennap használt, de mindenki számára szintén ismert polimer a plexiüveg (poli(metil-metakrilát), PMMA, plexiglas). Vagy a sílécben, bukósisakban, stb. alkalmazott, "Kevlar"-szál, ami a legnagyobb szilárdságú szintetikus aramid-szál (aromás poliamid) Jellemző összehasonlítás: Szálfajta Sűrűség, Nyúlás, g/cm3 %
Szakító- Rugalmassági szil, GPa munka, modulus, kJ/kg GPa
Kevlar
2–5
2,5–40
30
max. 145
Nylon-6 1,14
20–60
0,4–0,7
80
max. 3
Hálótartó 1,36 pókfonal
10–32
0,3–1,8
max. 100
max. 30
Befogó
max. 200 max. 0,5 max. 100
1,45
1,36
0,003
pókfonal
Csoportosításuk Előállítás alapján • • •
polimerizációval, polikondenzációval és poliaddícióval előállítható polimerek.
Feldolgozás szerint • •
Hőre lágyuló(termoplaszt) és hőre keményedő(duroplaszt) anyagok
Eredet szerint • •
természetes és mesterséges polimerek.
Szerkezet alapján • • •
lineárisak, elágazóak, valamint térhálósak.
Forma alapján • •
kristályos és amorf forma.
Az őket felépítő kémiai atomok szerint • • •
szerves, szervetlen és elemorganikus polimerek.
Műanyagok (adalékolt polimerek) - olyan szerves vegyületek, amelyek óriásmolekulából állnak, előállításuk szintetikus úton történik természetes vagy mesterséges anyagokból.
Molekulák elrendezése lehet: - láncmolekula elrendezés - térhálós szerkezet - kopolimer → két vagy többfajta monomer alkotja Műanyagok csoportosítása Hővel szembeni viselkedés alapján: Hőre lágyuló (termoplaszt) műanyagok − láncmolekulákból épülnek fel, − olvasztás – szilárdulás reverzibilis, − erős kémiai kötés a láncon belül, − láncok közötti kötés gyenge, − hő hatására az anyag meglágyul, majd megolvad. Hőre nem lágyuló (duroplaszt) műanyagok − szerkezetük irreverzibilis megváltoztatásuk nélkül már képlékeny vagy folyékony állapotba nem hozható, − feldolgozásuk során csak egyszer alakíthatók plasztikusan, − térhálós molekula elrendezéssel jellemezhetők, − ha a hőmérséklet a bomláspont fölé emelkedik a láncon belüli kötések sérülnek, a műanyag bomlik (szenesedik), − molekuláit erős vegyi kapcsolat köti össze. Eredet szerint: Természetes alapú → természetben található makromolekulákból állítható elő; cellulózból, fehérjéből, (pl. a tej kazein tartalmából), kaucsukból, növényi olajból. Mesterséges vagy szintetikus alapú → a makromolekulákat is szintetikus úton állítják elő → pl. kőolajból. Makromolekulák előállításának módja szerint: Polimerizációs műanyag → aktivált monomerek lánccá kapcsolódnak, melléktermék kialakulása nélkül, a polimerizációs folyamat gyors. Polikondenzációs műanyag → különböző típusú monomerek kapcsolódnak össze polimerré, melléktermék (víz, ammónia) keletkezése során. - a melléktermék képződés során az anyag zsugorodik, kopolimerek,
- polikondenzációs folyamat lassú, - összekapcsolódása térhálós szerkezetű. Poliaddíciós műanyag → a folyamat során az egyes atomok a többfajta monomer között átmennek az egyikről a másikra, - nincs szénből álló gerincük, - melléktermék nem keletkezik, - a folyamat sebessége lassú, - lakkok, gyanták, ragasztók anyaga készül az eljárással. Műanyagok szerkezete A makromolekula alakja, nagysága, elhelyezkedése hatással van: − kristályosodási hajlamra, − sűrűségre, − mechanikus és termikus tulajdonságokra, − vegyi és elektromos tulajdonságokra, − duzzadási és oldódási tulajdonságokra. Másodlagos szerkezeti jellemzők szintén befolyásolják az anyag tulajdonságait, pl. láncmolekulák típusai: − nyújtott láncmolekula (cellulóz) − gombolyag láncmolekula (polisztirol) − hajtogatott láncmolekula (polietilén) − spirál molekula (polipropilén) Műanyagok tulajdonságai − kis sűrüség → acélokénak 15-25%-a → járműszerkezet, csomagolás stb. − kedvező kopási és siklási tulajdonságok → siklócsapágyak − szakítószilárdságuk a fémeknél kisebb − nagy a kúszásuk → deformáció tartós terhelésre − jelentős a feszültség relaxáció → csavarkötés oldódása − rugalmas- és maradó alakváltozás − rugalmassági tényezőjük kicsi → szerelést megkönnyíti pontatlanság esetén − kedvező rezgéscsillapító hatás − kiváló elektromos- és jó hőszigetelő képesség − hővel szemben érzékenyek → hőre lágyuló 100 C-ig, nem lágyuló 200 C-ig − jó vegyszer és korrózió állóság − öregedésre hajlamosak → pl. UV sugárzás.
Műanyagok főbb fajtái Közönséges műanyagok: → tömegcikkek előállítása, csomagolástechnika pl. PVC, polisztirol, polietilén. Általános műszaki műanyagok: → technikai, gépészeti felhasználás, jobb mechanikai-szilárdsági tulajdonságok, pl. polikarbonát, poliamid. Nagyteljesítményű műszaki műanyagok: → speciális tulajdonságokkal, nagy hőállóság, szilárdság, igényes műszaki megoldásokhoz szükséges tulajdonságokkal rendelkeznek. pl. poliamid, poliészter. Hőre nem lágyuló műanyagok: Fenolplasztok → törékeny rideg anyag, jó szilárdsági tulajdonságokkal; csapágyak, perselyek, kapcsolók, fékbetétek, fogaskerekek stb. készítéséhez. Aminoplasztok → jó szilárdsági tul. faipari ragasztó, szigetelő hab stb. Poliészterek → polikondenzációs mű. vegyszer- hő- és korrózióálló, üvegszállal erősítve is alk. → hajótestek, tartályok, karosszéria elemek, építőipar stb. Epoxigyanták → edzőanyag hozzáadásával térhálósítható, zsugorodnak, tapadóképességük jó → lemezalakító szerszámok, idomszerek, sablonok, hajótestek, karosszéria elemek stb. Szilikongyanták → jó hőállóság 300 C-ig, villamos ipar használja. Hőre lágyuló műanyagok Poliamidok (pl. danamid) → kopásálló, szívós, nagy hajlítószilárdság, kis surlódás → önkenő csapágyak, fogaskerék, golyóskosár, korrózióálló bevonatokra. Poliuretán → kopásállóságuk igen jó, rugalmasak, jól tömítenek, habanyagként kiváló hő- hang- és rezgés szigetelő. PVC → elektromos szig. tul. kiváló, vegyszerállóság szintén → csövek, lemezek, vegyszerálló bevonatok, csomagolófóliák, borítóanyagok, kábelszigetelés, műbőr, padlóburkoló stb. Polietilén → a mindennapi életünkben talán a legtöbbet a polietilén szerepel. Két fő típusát –a magas- és alacsony nyomású polietilént– az előállításuk technológiája szerint különböztetik meg. A magas nyomású polietilént több mint 200 MPa nyomás alatt és kb.200°C fokon polimerizálják, az alacsonynyomásút –0,3 –0,6 MPa és 80°C között. Tulajdonságaik abban különböznek, hogy a magas nyomású polietilénben 55 –70% a
kristályos fázis aránya, míg az alacsonynyomású polietilénben 85 – 90%, ami meghatározza a mechanikai szilárdságukat is. - vegyszerálló, elektromos tul. jók, alacsony a lágyulási ill. olvadáspontja → csövek, csőcsatlakozások, korrózióálló bevonatok, csomagolóanyag, háztartási cikk, tekercsek- kábelek szigetelésére használják.
Polipropilén → egészségügyi berendezések, kórházi felszerelések → jól sterilizálható. Poli(izo-butadién) → jó víz- és vegyszerállóság. Polikarbonátok → jó mechanikai tulajdonságok → fogaskerekek, csapágyak, gépalkatrészek stb. Fluoroplasztok → fluorszerves anyagok, közülük legfontosabb a poli(tetrafluor-etilén) – teflon-, melynek képlete:
A teflon egy sor kiváló tulajdonsággal rendelkezik: vegyi ellenálló képessége jobb, mint a nemesfémeké, nem ég, nem nedvesedik, aránylag hőálló ( +250°C fokig). Hátrányai közé tartozik, hogy aránylag lágy anyag, érzékeny a részecske-sugárzásra. → bevonat készítésre, súrlódó felületek anyagaként, korrózió elleni védelemre, stb. használható. Polisztirol → nem poláris dielektrikum, jók a szigetelő tulajdonságai, termoplasztikus, ( lágyulási hőmérséklete 110 –120 °C). - rideg, törékeny, vegyszereknek ellenáll → lemezek, csövek, fogaskerekek, szigetelőanyagok, műanyag tömegcikkek. Poli-metakrilát (Plexi) → átlátszó, jó mechanikai és elektromos szigetelő tul. → védőablakok, hullámosított kivitelben építőipar használja. Poliformaldehid → fizikai tul. hasonlít a sárgarézhez → fogaskerekek, siklócsapágyak, szivattyúházak, lapátkerekek. Cellulózészter → természetes alapú műanyagok, szívós szaruszerű jelleg, gyúlékony → burkolatok, díszítőelemek stb. Szilikonolajok és zsírok → kenőanyagként, hőközlő folyadékként és rezgéscsillapításra használják.
