MATERIÁLY A TECHNOLOGIE 1 PAVEL ČERNÝ
Co vás napadne, když se řekne plast?
Proč právě „plasty“? • skupina syntetických materiálů • slovo „plast“ ze slova „plastický“, tvárný, formovatelný • název plyne z chemické struktury a ze způsobů výroby • • • •
lisování vstřikování vyfukování lití
• dále plasty vykazují plasticitu i z hlediska některých mech. vlastností • tento název je obecně přijímám, intuitivně každý ví, co je to plast • přesnost tohoto názvu je omezená • název je velmi obecný a blíže neříká nic o struktuře a charakteru těchto látek
A co „umělá hmota“? • starší nepřesný název pro plasty • přívlastek „umělý“ odkazuje na syntetickou výrobu plastů • plasty nelze nalézt v přírodě, jedná se o produkt člověka • přívlastek „umělý“ je zavádějící • může vyvolat mylný dojem, že z hlediska členění na živou a neživou přírodu jsou tyto látky od živé přírody složením a strukturou velmi vzdálené
Organické plasty • látky se obecně dělí na anorganické a organické • anorganické látky jsou typické pro neživou přírodu (horniny, kameny) • organické látky tvoří živou přírodu, rostlinné a živočišné struktury • tvoří je určitá skupina chemických prvků (hlavně uhlík, vodík,..)
• složení plastů z hlediska zastoupených chemických prvků • • • •
velká podobnost s látkami živých organismů plasty jsou rovněž organické jsou složeny převážně z uhlíku a vodíku případně atomů dalších prvků
• plasty díky tomu mohou být biokompatibilní, biodegradabilní • plasty patří do oboru Organické chemie
Struktura plastů • atomy C, H a dalších prvků jsou uspořádány do určité struktury • jedná se o skupinu tzv. makromolekulárních látek • makro = velký • makromolekuly jsou velmi velké molekuly obsahující obrovské množství atomů vázaných kovalentními vazbami
Kde se vzal pojem „polymer“? • makromolekulární látky je obecnější pojem • říká, že je látka složena z velkých molekul • polymer je rovněž složen s velkých (dlouhých) molekul • ty tvoří atomy jednoho nebo více prvků uspořádaných do určitých skupin (jednotek) • takové jednotky s danou strukturou pak tvoří základní stavební kameny polymeru (polymerní látky) • spojením těchto jednotek vznikají dlouhé (makromolekulární) řetězce molekul, tzv. polymery • těmto základním stavebním jednotkám se říká mery, nebo monomery
Polymer, monomer, oligomer? vysoká molekulová hmotnost, obrovské molekuly
polymer oligomer monomer
mezistádium, několik navázaných jednotek
výchozí látka, nízká molekulová hmotnost
Kde jste viděli podobné dlouhé molekuly? • lze objevit nápadnou podobnost mezi dlouhými makromolekulami plastů a živými strukturami
DNA, nejdelší známá molekula (až 1010 jednotek)
UHMWPE, plast (až 106 jednotek)
A jsme zpět u plasticity… • krátké molekuly nejsou náchylné na ohyb, jsou spíše rigidní • dlouhé molekuly podléhají procesům, které vedou k ohebnosti těchto molekul • z toho patrně plyne i určitá plasticita těchto látek
Trocha historie.. • Alexandr Parkes v roce 1855 vynalezl nitrát celulózy • 1909 první pryskyřice fenolu a formaldehydu • 30. léta Nylon (polyamid) • největší rozmach plastů ve výrobě především v druhé polovině 20. století • nové výrobní postupy a nové druhy plastů postupně rozšířily oblast využití • dnes nezastupitelný materiál ve většině oblastí výroby • plasty nahradily klasické materiály (dřevo, kov, sklo..)
Jak vyrobit plast? • na počátku je monomerní látka či látky, například ethylen • zajistí se podmínky k tomu, aby mohl nastat chemický proces, při němž dojde ke vzájemnému navázání jednotek monomeru • surovina se zpracuje do podoby prášku, nebo např. granulí • dále je možno plast v takové podobě zpracovávat (litím, vyfukováním, protlačováním) do potřebného tvaru
Jak vyrobit plast? granulovaný polotovar
ethen, monomerní látka, hořlavý plyn
za vhodných podmínek dojde ke spuštění tzv. polymerace (spojovaní monomeru do dlouhých molekul)
tvářením získané předměty požadovaného tvaru
Jak vzniká polymer? • postupy přípravy polymerů nazýváme polymerizacemi • rozlišujeme několik typů: Stupňovité polymerizace
Řetězovité polymerizace
Polykondenzace
Radikálová
Polyadice
Iontová (aniontová a kationtová)
Koordinační
Fáze reakce • zmíněné reakce obsahují tři hlavní fáze:
Iniciace
zahájení
Propagace
průběh
Terminace
zakončení
Polykondenzace • stupňovitá polymerizace a polyreakce • vedle makromolekuly vzniká současně nízkomolekulární vedlejší produkt • zjednodušené schéma by mohlo vypadat takto: aAa + bBb
aABb + ab
aABb + aAa
aAbAa + ab
aABb + bBb
bBABb + ab
aABAa + bBb
aABABb + ab
- reakce probíhají mezi všemi fčními skupinami (monomery nesou nejméně dvě) - nutno odstraňovat vedlejší produkt - tím je často voda H2O funkční skupiny
nízkomolekulární produkt
Polykondenzace
Polyadice • stupňovitá polymerizace a polyreakce • opět dochází k reakci funkčních skupin monomerů • dochází k postupnému navázání monomerů za současného přesunu vodíkového atomu • nevzniká vedlejší produkt • například příprava polyuretanů:
Řetězovité polymerizace • monomery s dvojnými vazbami se otevíráním dvojných vazeb napojují na konec polymerního řetězce • zahájení reakce způsobuje tzv. iniciátor
Příklad: Z původně dvojné vazby styrenu vznikají dvě jednoduché vazby.
Radikálové polymerizace • velmi důležitý proces přípravy polymerů v průmyslové praxi • iniciátorem je radikál, vznik radikálu může být způsoben např. působením tepla, světlem nebo změnou PH Radikál – vysoce chemicky reaktivní částice, která má minimálně jeden nepárový elektron. Může tudíž dojít snadno ke vzniku vazby mezi radikálem a jiným atomem, k rozdělení vazby atd. Růst řetězce probíhá výhradně na aktivním centru (na rozdíl od stupňovitých reakcí)
Radikálové polymerizace iniciace
Iniciátor společně s monomerem předtím, než se rozpadne.
Radikálové polymerizace iniciace
Iniciátor se rozpadá a vzniká tzv. aktivní fragment iniciátoru (schopný aktivovat monomerní jednotku).
Radikálové polymerizace iniciace
Aktivní fragment iniciátoru se dostává do styku s monomerní jednotkou, z monomerní jednotky se reakcí s ním stává tzv. aktivovaná monomerní jednotka (růstové centrum).
Radikálové polymerizace propagace
Aktivovaná monomerní jednotka na sebe váže další monomerní jednotky, řetězec se prodlužuje, vzniká polymerní řetězec. Navázání monomeru na stávající řetězec se děje výhradně na AMJ.
Radikálové polymerizace terminace
K terminaci dochází když rekombinují dvě aktivní centra na koncích řetězců, nebo z jiného důvodu zaniká radikál na konci řetězce, v okamžiku kdy dojde monomer.
Další druhy polymerizace • Iontová (kationtová / aniontová) • podle povahy substituentů dochází na C-C dvojné vazbě ke snížení nebo zvýšení hustoty elektrického náboje, dochází k zániku dvojné vazby jelikož se atomu uhlíku stává aniont / kationt - > může dojít k navázání monomeru
• Koordinovaná polymerace • cílem chemiků bylo docílit takové polymerace, kterou by mohli efektivně řídit • využívá se tzv. Ziegler-Nattových katalyzátorů • je možné řídit takticitu polymerních řetezců (prostorové uspořádání molekuly)
• v současné době existuje ještě řada nových a moderních postupů přípravy polymerů
Kopolymerizace • reaguje společně více různých monomerů za vzniku tzv. kopolymeru • je možné realizovat u monomerů reagujících podobným způsobem • kopolymerizace umožňuje vhodně kombinovat monomery různých vlastností za vzniku kopolymeru s kombinací těchto vlastností • podle toho, které monomery v dané směsi spolu reagují a s jakou pravděpodobností vznikají různé druhy kopolymerů • dělíme je podle uspořádání monomerů ve výsledném řětezci • odlišujeme statistický, alternující nebo např. blokový kopolymer -A-B-B-A-B-A-B-B-
-A-B-A-B-A-B-A-B-
-A-A-A-A-B-B-B-B-
Kopolymerizace
- za vyšší teploty plastický až tekutý (obvykle kolem 100 – 130°C) - zahřátím slábnou interakce mezi atomy
Dělení plastů Termoplasty
Polyolefiny
Vinylové polymery
Styrenové polymery / kopololymery
Reaktoplasty
Fenolplasty
Aminoplasty
Polyesterové pryskyřice
Polyakryláty
Fluoroplasty
- vytvářejí 3D síť - působením tepla se tzv. vytvrzují - dalším zahříváním není možné látku roztavit nebo tvářet
Epoxidové pryskyřice
Silikony
Polyolefiny • jsou to produkty polymerace nenasycených uhlovodíků • slovník říká, že: olefin je nenasycený uhlovodík s jednou dvojnou vazbou mezi atomy uhlíku v otevřeném řetězci
Polyethylen PE • nejrozšířenější plast • rozděluje se podle hustoty (molekulové váhy) • LDPE, HDPE, UHDPE atd.
• velmi jednoduchá chemická struktura • odolný vůči kyselinám a zásadám, použitelný do 80°C • od hustoty se odvíjí vlastnosti, odolný proti rozpouštědlům • využití • smrštěné fólie, mikrotenové sáčky, hračky, izolace, potravinářský průmysl (zdravotně nezávadný)
Polyethylen PE
Polypropylen PP • patří mezi nejběžnější plasty • odolný vůči olejům, rozpouštědlům, alkoholům • vyšší mechanická odolnost než u PE • vyšší bod tání, mechanická pevnost • využití: • podobné jako u PE, vláknotvorný (lana, ponožky, pleteniny), zahradní nábytek atd.
Polypropylen PP
Vinylové polymery • jsou charakterizovány obecným vzorcem:
Polyvinylacetát PVAC • adhezivum pro porézní materiály • součást kopolymerů • vyrábí se z něho lepidlo na dřevo a papír • využití v knihařství
Polyvinylchlorid PVC • třetí nejpoužívanější plast na světě • tvrdý, málo elastický, odolný vůči kyselinám, rozpouštědlům • nerozpustný ve vodě • výborný elektroizolant • vyrábí se i jako měkčený • vyrábí se z něho trubky, lino, izolace, rukavice • problematický ze zdravotního hlediska – výrobu a likvidaci doprovází vznik karcinogenů, některé přísady jsou rovněž karcinogenní
Polyvinylchlorid PVC
Polyvinylalkohol PVA • rozpustný ve vodě • biodegradabilní, biokompatibilní • výroba nanovláken -> použití pro biologické účely
Polystyren PS • vzniká polymerací styrenu • vyrábí se v různých formách (pevný, pěnový, houževnatý) • velmi rozšířený • poměrně tvrdý, křehký, odolný vůči kyselinám a zásadám • křehne a objevují se trhliny při stárnutí, málo odolný vůči teplu (do 70°C) • uvolňuje se z něj karcinogen, vysoce hořlavý, dobře barvitelný • jednorázové nádobí, obaly, kelímky na kávu, příbory • pěnový PS – zateplování budov, ochrana proti poškození výrobků
Polystyren PS
Polyakryláty • na bázi kyseliny akrylové CH2=CH-COOH
Polymetylmetakrylát PMMA • známé pod označením plexisklo • průhledný i v tlustých vrstvách • odolává vodě, zředěným kyselinám • neodolává koncentrovanějším kyselinám • snadno se poškrábe • nahrazuje sklo • kokpity letadel, tlusté stěny mořských akvárií • v porovnání se sklem je průhlednější, levnější, možnost ohýbání, snáze se poškrábe • alternativou je tzv. polykarbonát
Polymetylmetakrylát PMMA
Další polymery • obsahující esterovou skupinu
• obsahující dusík, fluor, chlor
Polykarbonát PC • dobrá tepelná odolnost • odolnost proti nárazu • dobré optické vlastnosti • laboratorní a domácí nádobí, displeje, kompaktní disky, ochranné brýle
Polykarbonát PC
Polyamidy PA • obsahují dusík, v řetězci se opakují amidové skupiny • známá jsou především polyamidová vlákna (Nylon 6,6) • vysoká pevnost, odolnost oděru, pružnost) • biologická odolnost • stálost vůči chemickým činidlům • dobrá barvitelnost • vznik statické elektřiny při použití a výrobě • použití: punčochy, oděvy, dopravní pásy, lana, sítě, chirurgické nitě
Polyuretany PU • nejznámější je pěnový polyuretan, známý také jako molitan • výroba lepidel, pružné pěny, vláken, různá kolečka (skateboard)
Polytetrafluoretylen PTFE • vlastně takový polyethylen, jen místo vodíků má fluory • komerční název Teflon • teplota tání 327°C, v podstatě nehořlavý • vede se diskuze nad zdravotní nezávadností, dlouhodobě považován za zcela bezpečný, výzkumy to převážně potvrzují • vykazuje vysokou hydrofobitu -> odpuzuje vodu -> nepřilnavé povrchy • velmi nízký koeficient tření -> kluzná ložiska • využití v potravinářství (teflonové pánve) • elektroizolant, tvrdost, pevnost v tlaku, odolnost proti oděru • chemicky velmi odolný, odolává všemu, obtížně se zpracovává • využití v potravinářství (teflonové pánve), teflonové pásky
A co dál? • příště reaktoplasty • vlastnosti plastů • výroba (vyfukování, vstřikování atd.)
František Mošna Materiály a technologie III (dostupné v knihovně)
