MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Ćwiczenie nr 1A Badanie właściwości cieplnych tworzyw sztucznych

1.0 Cel ćwiczenia

Celem niniejszych zajęć laboratoryjnych jest: a) zbadanie wytrzymałości cieplnej wybranych tworzyw sztucznych metodą Martensa, b) zbadanie odporności cieplnej wybranych tworzyw termoplastycznych metodą Vicata, c) wyznaczenie odporności duroplastów na żarzenie.

Badania należy przeprowadzić ściśle według załączonych norm, a protokoły badań zamieścić w sprawozdaniu. 2.0 Wiadomości wstępne

Przez pojęcie własności cieplne należy rozumieć zmianę własności mechanicznej tworzywa zachodzącą pod wpływem podwyższonej temperatury. Własności te ogólnie noszą nazwę odporności cieplnej względnie, dla bardzo wysokich temperatur, odporności na żar.

Ponieważ często miara ogólnych własności użytkowych tworzywa jest jego wytrzymałość, dlatego i w tym przypadku odporność cieplną określa się na podstawie własności mechanicznej. Większość badań tego rodzaju polega ogólnie na tym, że oznacza się temperaturę, w której pod wpływem standartowego obciążenia występują założone z góry odkształcenia. Na tej zasadzie oznacza się odporność cieplną tworzyw sztywnych metodą Martensa oraz tworzyw termoplastycznych metodą Vicata.

Miarą odporności na żar, względnie palności tworzywa jest ubytek próbki w standartowych warunkach przyłożenia żaru. Zasadniczy wpływ na prawie wszystkie własności polimerów ma temperatura. Wpływ ten wynika z trzech następujących przyczyn:

1. Przemiany fazowe polimerów zachodzą w stosunkowo niskich temperaturach, bliskich temperaturom użytkowania licznych urządzeń technicznych i gospodarczych.

2. Tworzywa sztuczne, jako związki organiczne - odznaczają się współczynnikiem liniowej rozszerzalności cieplnej w przybliżeniu 10-krotnie większym w porównaniu z wieloma materiałami tradycyjnymi. Pod wpływem temperatury zmienia się ich gęstość i inne właściwości z nią związane.

3. Od temperatury zależy przede wszystkim wpływ środowiska, w jakim tworzywo się znajduje. Wzrost temperatury przyspiesza agresywne działanie wielu cieczy na tworzywa sztuczne (np.: utlenianie lub hydroliza).

Jak wiec wynika, temperatura nie mająca na ogół wpływu na takie materiały, jak metale, szkło, materiały ceramiczne, a nawet drewno może wywoływać w przypadku polimerów zmiany, które uwzględniać należy przy badaniu ich własności.

Trzem podstawowym stanom fizycznym, charakterystycznym dla związków małocząsteczkowych - stałemu (krystalicznemu), ciekłemu i gazowemu odpowiadają w przypadku polimerów zupełnie odrębne stany fizyczne, które uwarunkowane są inną budową związków wielkocząsteczkowych.

Tworzywa sztuczne zbudowane są z łańcuchów makrocząsteczek, składających się z połączonych ze sobą bardzo dużych ilości cząsteczek monomeru. Mogą one występować jako bezpostaciowe, gdzie poszczególne makrocząsteczki poplątane są ze sobą w sposób chaotyczny, bądź jako krystaliczne z obszarami (o długości kilkaset Å) o dużej orientacji krystalograficznej.

Tworzywa o strukturze bezpostaciowej (celuloza i jej estry, poliizobutylen, niektóre rodzaje polistyrenu (PS), polimetakrylan metylu (PMMA), polichlorek winylu (PCW)) charakteryzują się dużą elastycznością, wytrzymałością zmęczeniową i przeświecalnością.

Występowanie obszarów krystalicznych w tworzywach częściowo krystalicznych i krystalicznych (polietylen (PE), poliamid (PA), policzterofluoroetylen (PTFE), polichlorek winylidenu, poliformaldehyd, izotaktyczny polistyren (PS)) powoduje wzrost ich twardości, sztywności, odporności termicznej, odporności na ścieranie oraz w widoczny sposób wpływa na wzrost temperatury mięknienia, której zakres jest mniejszy, ale posiada wyższe wartości.

Własnością charakterystyczną związków małocząsteczkowych (np. metale) jest skokowe przechodzenie z fazy do fazy – i jest to określone temperaturą ich topnienia oraz wrzenia, natomiast w przypadku polimerów wzrost temperatury powoduje stopniowy wzrost energii ruchu cieplnego makrocząsteczek. Stąd, w zależności od warunków związki wielkocząsteczkowe mogą występować w czterech stanach. Stany te, uwarunkowane są zdolnością elementów strukturalnych makrocząsteczek

do przegrupowań lub zmiany położenia względem siebie (rys. 1). W niskich temperaturach (T < Tk) mała energia ruchu cieplnego nieznacznie wpływa na obniżenie

energii wiązania międzycząsteczkowego. Makrocząsteczki silnie oddziaływują na siebie tworząc nieskończoną ilość węzłów wykluczających wzajemne przegrupowania. Duże obciążenie wywołuje jedynie małe odkształcenie związane ze zmianą kątów i długości ogniw makrocząsteczek. Tworzywa sztuczne bezpostaciowe zachowują się w tym stanie jak szkło i dlatego stan ten nazwano szklisto - kruchym, lub dla tworzyw o budowie krystalicznej - twardym nieciągliwym. Przy podwyższeniu temperatury (Tk < T < Tm - dla tworzyw bezpostaciowych lub Tk < T < Tt - dla tworzyw krystalicznych) i zmniejszeniu przez to oddziaływania międzycząsteczkowego, silne oddziaływanie makrocząsteczek na siebie występuje już tylko w określonych węzłach. W stanie tym (szklistym lub twardym wymuszonej elastyczności) zdolność makrocząsteczek do przegrupowań wzrasta, ale zachowana zostaje nadal nieruchliwość całych makrocząsteczek.

Makroruchy Browna

śr. ciężk. ≠ const.

szklisty ciekły wysokoelastyczny

Tworzywa bezpostaciowe

kruchy

szklisty

wymuszonej elastyczności

stan Tk

Tm

Tf

T

twardy ciekły wysokoelastyczny

Tworzywa krystalizujące

nieciągliwy

twardy

wymuszonej elastyczności

stan T

TfTk

Tt

α ≠ const

l ≠ const

Mikroruchy Browna

odkształcenia elastyczne

(powrotne opóźnione)

odkształcenia sprężyste

(powrotne

natychmiastowe)

środek ciężkości = const.

Rys. 1. Stany fizyczne w bezpostaciowych i krystalizujących tworzywach wielkocząsteczkowych. Tk – temperatura kruchości, Tm – temperatura mięknienia, Tt – temperatura topnienia, Tf – temperatura płynięcia

Po przyłożeniu obciążenia następuje wyprostowanie się skłębionych łańcuchów aż do równoległego ich ułożenia. Zorientowanie takie pozostaje trwałe (po odciążeniu) aż do temperatury (Tm - dla tworzyw bezpostaciowych lub Tt - dla tworzyw krystalicznych), w której nastąpi powrót zorientowanych cząstek do postaci skłębionej. Ze względu na możliwość wymuszenia dużych odkształceń elastycznych stan ten nazwano stanem szklistym (lub twardym) wymuszonej elastyczności. W temperaturach Tm, Tk < T < Tf energia ruchu cieplnego jest zbliżona do energii oddziaływania makrocząstek. Wtedy pod wpływem niewielkich sił zewnętrznych następuje wyprostowanie się skłębionych segmentów makrocząsteczek, ale nie mogą one jeszcze przesuwać jeszcze względem siebie. Występują duże odkształcenia elastyczne (stan wysokoelastyczny), które po odciążeniu znikają całkowicie.

ciekłyszklisty kruchy

Tm = Tf

a) b)

Tt = Tf

odks

ztał

ceni

a

twardy nieciągliwy

ciekły

temp

ciekłytwardy wym. elast.

Tk

Tt

Tf

wysokoelastyczny

c) d)

ciekływysokoelast.

TfTm

szklisty

wym. elast.

e)

Tm

wysokoelastyczny szklisty

wym. elast.

Rys. 2 Wpływ temperatury na odkształcalność różnych materiałów

a - krystalizująca tworzywo małocząsteczkowe (np. metal) b – bezpostaciowe tworzywo małocząsteczkowe (np. szkło) c – krystalizujące tworzywo wielkocząsteczkowe d – bezpostaciowe tworzywo wielkocząsteczkowe e – usieciowane bezpostaciowe tworzywo wielkocząsteczkowe

Przekroczenie temperatury płynięcia (Tf) powoduje prawie całkowite zmniejszenie sił

międzycząsteczkowych i nawet najmniejsze obciążenie powoduje wzajemne trwałe przemieszczanie się łańcuchów polimeru - stan ciekły.

Jak wynika z powyższego, charakterystyką każdego stanu może być wielkość odkształcenia zachodzącego pod wpływem określonego naprężenia wywołanego w określonym czasie. Zależność odkształcenia od temperatury nazywamy krzywą termomechaniczną. Wpływ temperatury na odkształcalność różnych materiałów przedstawiono na rys. 2.

Przedstawione krzywe pokazują istotne różnice w budowie polimerów. Dla krystalizujących związków wielkocząsteczkowych zawierających zwykle obok fazy krystalicznej również bezpostaciową, ze wzrostem temperatury ponad Tm wzrasta długość segmentów makrocząsteczki, charakteryzujących się ruchliwością. Nie jest to jednak równoznaczne z uzyskaniem stanu wysokoelastycznego, gdyż obok ruchliwej już wtedy fazy bezpostaciowej faza krystaliczna nie wykazuje jeszcze ruchliwości. Stan wysokoelastyczny dla tych tworzyw uzyskujemy dopiero po stopieniu krystalitów, czyli po przekroczeniu temperatury Tt, kiedy to faza bezpostaciowa rozciąga się na całą objętość materiału. W przypadku bezpostaciowych związków wielkocząsteczkowych przejście ze stanu szklistego w ciekły następuje za pośrednictwem stanu wysokoelastycznego (duże odkształcenia elastyczne), którego zakres jest tym szerszy im większa jest długość łańcucha. Przykładowe rozkłady temperatury przemian fazowych (tworzyw krystalizujących), i fizycznych (tworzyw bezpostaciowych) przedstawiono na rys. 3.

PEHD

PELD

PP

PC

PCW

PMMA

Tk Tm Tf

Tf

Tf

Tf

Tf

Tf

Tm

Tm

Tm

Tt

Tt

Tt

Tk

Tk

Tk

Tk

Tk

Tk

PS

-100 -50 0 50 100 150 200 250 T[°C] Rys. 3 Rozkład temperatury przemian fazowych (tworzyw krystalizujących) i fizycznych (tworzyw

bezpostaciowych)

Dla usieciowanych bezpostaciowych związków wielkocząsteczkowych zakres stanu wysokoelastycznego jest bardzo szeroki, a występujące w tym obszarze odkształcenia elastyczne są stałe lub nawet niekiedy maleją. Nadanie makrocząsteczkom tych materiałów zdolności do przemieszczeń względem siebie, czyli wywołanie stanu ciekłego, nie jest możliwe, gdyż zmuszałoby do zniszczenia wiązań wewnątrzcząsteczkowych w punktach sieciowania. Temperatura chemicznego rozkładu dla tych materiałów jest niższa od temperatury płynięcia. 3.0 Badanie własności cieplnych tworzyw sztucznych

Zmianę odkształcenia obciążonej próbki przy wzroście temperatury wykorzystano do oceny -

własności cieplnych tworzyw sztucznych. Większość badań tego rodzaju polega ogólnie na tym, że oznacza się temperaturę, w której pod wpływem standartowego obciążenia występują założone z góry odkształcenia. Na tej zasadzie oznacza się odporność cieplną tworzyw sztywnych metodą Martensa oraz tworzyw termoplastycznych metodą Vicata.

3.1. Oznaczanie temperatury ugięcia metodą Martensa

Metoda Martensa (wg PN-90/C-89025) stosowana jest w odniesieniu do tworzyw występujących w temperaturze otoczenia w stanie szklistym. Według tej metody próbkę o wymiarach 120 x 15 x 10 mm, zginamy wywołując w niej naprężenie 50 x 105 N/m2 (5 MPa) (rys. 4). Podczas badania próbka

jest nagrzewana ze stałą szybkością 1,4 x 10-2 °C/s (50 °C/godz.) Temperaturę, przy której zakończenie pręta ugnie się o 6 mm (co odpowiada wartości modułu Younga E = 1000 MPa), przyjmujemy jako temperaturę mięknienia – będącą miarą odporności cieplnej.

Rys. 4 Układ obciążający aparatu Martensa

3.2 Wyznaczanie temperatury mięknienia tworzyw termoplastycznych metodą Vicata

Do wykonania badania stosuje się przyrząd przedstawiony schematycznie na rys. 5.

0

6mm wskaźnik ugięcia

Q = 6,5N

próbka

próbka

obciążenie igły

czujnik zegarowy do pomiaru

zagłębienia igły

Rys. 5 Schemat urządzenia do wyznaczania temperatury mięknienia metodą Vicata

Badanie polega na wciskaniu w próbkę badanego tworzywa tępo zakończonego penetratora o przekroju 1 mm2, pod obciążeniem 10, 25 lub 50 N, przy stałym wzroście temperatury wynoszącym 1,4 x 10-2 °C/s (50 °C/godz.). Temperaturę, przy której penetrator zagłębi się w próbkę na głębokość 1 mm, przyjmuje się jako temperaturę mięknienia. Badanie przeprowadza się zgodnie z normą PN-EN ISO 306:2002 (U).

3.3 Wyznaczenie odporności duroplastów na żarzenie

Dla bardzo wysokich temperatur określa się odporność tworzyw sztucznych na działanie żaru, według metody Schramma i Żebrowskiego (PN-86/E-04414).

Badanie to ma na celu ustalenie, w jakim stopniu termoutwardzalne tworzywo sztuczne jest odporne na działanie rozżarzonego do temperatury 955 °C pręta karborundowego. Badanie trwa 180 s.

próbka

przeciwwaga

rozżarzony pręt

(955°C)

Rys. 6 Przyrząd Schramma do określenia wytrzymałości na żar

Polega na określeniu iloczynu długości spalonej części próbki (w centymetrach) i straty jej ciężaru (w

miligramach) według wzoru:

, [ - ]

Ponadto, podaje się opis zjawisk zachodzących podczas pomiaru, np. czy próbka paliła się, topiła się bez palenia, itp. 4.0 Wykonanie ćwiczenia

1. Przeprowadzić badanie odporności cieplnej metodą Martensa i Vicata (wg norm). 2. Określić odporność na żarzenie dla wybranych tworzyw (wg normy). 3. Wyniki przedstawić w tabeli pomiarów. 4. Wykreślić charakterystykę termomechaniczną próbek zbadanych za pomocą aparatu Vicata. 5. Wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych pomiarów.

MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Ćwiczenie nr 1B ROZPOZNAWANIE TWORZYW SZTUCZNYCH

1.0 Cel ćwiczenia Ćwiczenie ma na celu ogólne zapoznanie studentów z budową, podziałem, właściwościami,

zastosowaniem oraz rozpoznawaniem materiałów, jakimi są tworzywa sztuczne. 2.0 Pojęcia podstawowe i ogólne wiadomości o tworzywach sztucznych

2.1 Wstęp Tworzywami nazywamy materiały posiadające określone własności fizyko-chemiczne oraz

określoną wytrzymałość w warunkach używalności. Tworzywa można podzielić na naturalne i sztuczne.

Tworzywa naturalne mogą być pochodzenia mineralnego, jak: marmur, piaskowiec, glina lub organicznego, jak: kauczuk, drewno, skóra. Tworzywa sztuczne są to materiały celowo wytworzone przez człowieka, które albo nie posiadają

odpowiednika w naturze, albo którego własności zostały w odpowiedni sposób zmodyfikowane. Tworzywa sztuczne mogą być pochodzenia mineralnego jak np.: cegła, beton, szkło lub

organicznego jak: papier, guma, celofan. Tworzywa sztuczne pochodzenia organicznego dzielą się ponadto na tworzywa półsyntetyczne i

tworzywa syntetyczne. Tworzywa sztuczne półsyntetyczne - są to takie tworzywa, które jako surowice wyjściowy wykorzystują materiał pochodzenia naturalnego, będący często już samym tworzywom (np.: drewno, mleko, kauczuk), ale którego właściwości przez odpowiednią przeróbkę, przeważnie natury chemicznej, ulegają celowym zmianom w kierunku polepszenia tych właściwości. Jednocześnie uzyskany w wyniku tych przemian materiał w niczym nie przypomina produktu wyjściowego. Najważniejsze tworzywa tej grupy to guma, ebonit, galalit (sztuczny róg), fibra, celofan, celuloid oraz pewne kleje, lakiery, farby i włókna.

Tworzywa sztuczne syntetyczne - są to takie tworzywa, które zostały w całości wytworzone sztucznie w wyniku szeregu reakcji chemicznych z najprostszych surowców, łatwo dostępnych do wydobycia lub pozyskania w dużych ilościach. Jest to obecnie największa najważniejsza i najbardziej rozwijająca się grupa tworzyw. Właśnie z tą grupą tworzyw sztucznych zapoznamy się bliżej w trakcie tego i następnych ćwiczeń laboratoryjnych.

2.2 Definicja tworzyw sztucznych

Jak wynika z pkt. 2.1 nazwą tworzywa sztuczne można określić cały szereg materiałów, nie tylko pochodzenia organicznego. Potocznie jednak, nazwą tworzywa sztuczne określa się jedynie materiały zawierające wielocząstkowe związki organiczne, które to związki powstają najczęściej na drodze syntezy produktów chemicznej przeróbki węgla, ropy naftowej lub gazu ziemnego z takimi pierwiastkami jak i wodór, chlor, fluor, tlen, azot i inne. Często również w odniesieniu do tak zdefiniowanych tworzyw sztucznych używa się nazw: tworzywa wysokopolimerowe, wielkocząsteczkowe, polimery lub potocznie plastyki. Nazwy te nie są ścisłe.

2.3 Klasyfikacja tworzyw sztucznych

2.3.1 Klasyfikacja chemiczna - wg przynależności do poszczególnych klas chemicznych: a/ węglowodory b/ politwory

2.3.2 Klasyfikacja wg Fischera - wg której bierze się pod uwagę zachowanie się tworzyw sztucznych w zależności od reakcji na działanie sił zewnętrznych i temperatury:

a) Elastomery - tworzywa, które w temp. pokojowej, pod wpływem działania sił zewnętrznych, wykazują wydłużenie przekraczające 100%.

Do grupy tej należą: 1. Elastopreny - tworzywa elastyczne (kauczuk, chloropreny, izopreny), 2. Elastoleny - mniej elastyczne niż "1" (poliizobutylen), 3. Elastiomery - zawierające siarkę (kauczuki polisiarczkowe), 4. Elastoplastyki - elastyczne i plastyczne (polichlorek winylu – PCW).

b) Plastomery - tworzywa, których wydłużenia pod wpływem działania sił zewnętrznych, w temperaturze pokojowej, nie przekraczają 100%.

Do grupy tej należą: 1) Termoplasty - tworzywa, które każdorazowo podczas ogrzewania miękną, a po

ostygnięciu twardnieją, w związku z czym mogą być przetwarzane wielokrotnie. Najważniejszymi przedstawicielami tej grupy tworzyw sztucznych są:

- polietylen (PE) - polipropylen (PP) - polichlorek winylu (PCW) - polistyren (PS) - poliamidy (PA) - poliwęglan (PC) - policzterofluoroetylen (teflon) (PTFE) - polioctan (PO), itp.

2. Duroplasy (tworzywa utwardzalne) - dzielą się na dwie podgrupy: - tworzywa termoutwardzalne - są to takie tworzywa, które w podwyższonej temperaturze początkowo również miękną i w tej postaci dają się formować, ale także w tej podwyższonej temperaturze nieodwracalnie twardnieją wskutek zachodzącej podczas formowania reakcji chemicznej. Najbardziej typowymi tworzywami termoutwardzalnymi są następujące żywice:

- fenolowo – formaldehydowe - mocznikowo – formaldehydowe - melaminowo – formaldehydowe - dwucjanodwuamidowo – formaldehydowe, itp.

- tworzywa chemoutwardząlne - tworzywa, które utwardzają się pod wpływem chemicznego działania tzw. utwardzaczy, przy czym proces utwardzania jest również nieodwracalny. Do tego rodzaju tworzyw należą niektóre żywice epoksydowe i poliestrowe.

2.3.3 Klasyfikacja technologiczno – użytkowa:

a) tworzywa konstrukcyjne - nadają przedmiotowi określony trwały kształt i wytrzymują deformujące działanie zewnętrznych sił mechanicznych. W handlu występują w postaci granulatu (rzadziej proszku) służącego do przetwórstwa lub w formie półwyrobów takich jak płyty, rury, kształtki, taśmy, itp. ,

b) tworzywa powłokowe - umieszczane zazwyczaj na powierzchni przedmiotu lub tworzywa konstrukcyjnego. Mają one na celu zabezpieczenie tworzywa znajdującego się pod nimi przed działaniem czynników zewnętrznych, bardzo często niszczących tworzywo konstrukcyjne (korozja). Poza funkcją zabezpieczającą spełniają również funkcje dekoracyjne. Najczęściej występują w postaci emulsji nakładanych na inne materiały jako farby, lakiery lub emalie. Utwardzenie rozprowadzonej emulsji na powierzchni następuje na skutek odparowania rozpuszczalnika lub zachodzenia utwardzających reakcji chemicznych.

c) tworzywa adhezyjne (lepiszcza, spoiwa, kleje) Są to właściwie również pewne odmiany tworzyw powłokowych, tylko umieszczane nie na powierzchni zewnętrznej przedmiotu, ale na powierzchniach poszczególnych części, kawałków, czy warstw tworzywa konstrukcyjnego. Części te przy pomocy tworzyw adhezyjnych łączy się w jedną konstrukcyjną całość.

d) tworzywa impregnacyjne - stosuje się do nasiąkliwych tworzyw konstrukcyjnych celem zmiany wytrzymałości tworzywa lub nadania mu specjalnych i określonych właściwości fizyko-chemicznych (impregnacja tkanin, drewna, itp.).

e) tworzywa elastoplastyczne (gumy) - charakteryzują się elastycznością i miękkością w temperaturach pokojowych, które to cechy zawdzięczają albo samemu charakterowi budowy tworzywa, albo też dodatkom zwanym zmiękczaczami. Używane są najczęściej w postaci foli, węży, cienkich płyt, itp.

f) tworzywa włóknotwórcze - są to tworzywa zdolne do przędzenia i wytwarzania włókien. Do tego celu nie nadają się tworzywa termoutwardzalne.

3.0 Stosowanie tworzyw sztucznych

3.1 Uzasadnienie techniczne rozwoju i stosowania tworzyw sztucznych Na szybki rozwój produkcji tworzyw sztucznych złożyły się następujące przyczyny:

1) Dostępność surowców - tworzywa sztuczne otrzymywane są głównie z węgla, ropy naftowej,

gazu ziemnego oraz innych łatwo dostępnych produktów naturalnych 2) Metody formowania - większość wyrobów z tworzyw sztucznych otrzymuje się przez

formowanie plastyczne, bezwiórowe. Gotowe wyroby, głównie takie jak płyty, rury, folie, a także przedmioty o skomplikowanych kształtach, z zapraskami, gwintami, itp. otrzymuje się w jednej operacji, bez szlifowania, polerowania lub lakierowania. Ta cecha, umożliwiająca masową i tanią produkcję przede wszystkim rur, płyt i foli miała decydujący wpływ na szybkość rozwoju produkcji tworzyw sztucznych.

3) Właściwości - tworzywa sztuczne są to materiały o bardzo zróżnicowanych właściwościach. Za pomocą dodatków modyfikujących właściwości ich dają się zmieniać w szerokich granicach i dostosowywać do odpowiednich wymagań. Główne ograniczenie stosowalności tworzyw sztucznych stanowi podwyższona temperatura. Bardzo korzystną ich cechą jest natomiast mały ciężar właściwy. Dzięki swym właściwościom tworzywa sztuczne mogą w wiciu przypadkach zastępować tradycyjne lub deficytowe materiały jak drewno, skórę, papier, metale, szkło.

3.2 Uzasadnienie ekonomiczne rozwoju i stosowania tworzyw sztucznych

Stosowanie tworzyw sztucznych w wielu gałęziach przemysłu przynosi bardzo poważne korzyści w porównaniu ze stosowaniem materiałów tradycyjnych, a przetwórstwo ich jest mniej pracochłonne i wymaga mniejszych nakładów finansowych. Najczęściej stosowaną metodą otrzymywania różnych elementów metalowych jest obróbka wiórowa, przy której powstaje nawet kilkadziesiąt procent odpadów. Natomiast przy produkcji wyrobów z tworzyw sztucznych stosowane są przeważnie metody formowania plastycznego, co powoduje, że straty powstające w czasie formowania wynoszą mniej niż 5%. W wyniku tego wskaźniki techniczno-ekonomiczne wytwarzania półproduktów i wyrobów z tworzyw sztucznych kształtują się korzystniej w porównaniu z ich odpowiednikami z materiałów tradycyjnych. Opłacalność stosowania tworzyw występuje we wszystkich gałęziach przemysłu. Budownictwo ma poważne osiągnięcia w dziedzinie stosowania tworzyw sztucznych jako materiałów izolacyjnych, wykończeniowych, a zwłaszcza wykładzin podłogowych. - zastosowanie w przemyśle maszynowym części i detali poliamidowych zamiast

stalowych i żeliwnych okazało się 4-ro krotnie tańsze, a zamiast mosiężnych 7 razy tańsze;

- zastosowanie polistyrenu zamiast stall galwanicznej wpłynęło na zmniejszenie kosztów 10-krotnle;

- zastosowanie szpachlówki epoksydowej zamiast stopów ołowiowo-cynkowych do wygładzania nierówności w nadwoziach samochodowych i motocyklach wpłynęło nie tylko na obniżenie kosztów, lecz także na poprawę warunków zdrowotnych pracy robotników.

Pomimo tego, że uruchomienie produkcji tworzyw sztucznych wymaga znacznych nakładów inwestycyjnych, produkcja ich jest bardzo opłacalna dla gospodarki, gdyż w wyniku stosowania tworzyw sztucznych, zamiast materiałów tradycyjnych, osiąga się z reguły duże oszczędności na nakładach inwestycyjnych, konserwacji, szybkości zużycia, itp. Bardzo istotną z punktu widzenia ekonomiki stosowania tworzyw sztucznych jest ich relatywnie niska cena.

3.3 Porównanie właściwości i możliwości zastosowania tworzyw sztucznych z materiałami

tradycyjnymi Do podstawowych materiałów tradycyjnych zastępowanych tworzywami sztucznymi należą: metale,

drewno, szkło, skóra. Pod względem właściwości wytrzymałościowych tworzywa sztuczne ustępują metalom. Nie umniejsza to jednak znaczenia tworzyw sztucznych, gdyż przede wszystkim nie zawsze zachodzi potrzeba użycia tworzywa przy maksymalnie dopuszczalnych obciążeniach, jak np. przy wykładzinach antykorozyjnych. Wszędzie tam, gdzie odgrywają rolę specjalne czynniki konstrukcyjne, np. gdy chodzi o lekkość przy dużej wytrzymałości, jak przy budowie pojazdów mechanicznych, samolotów, rakiet, samochodów, itp., wytrzymałość właściwa tworzyw sztucznych (stosunek wytrzymałości do ciężaru właściwego) jest większa od stali konstrukcyjnej, czy duraluminium i decyduje o zastosowaniu tworzyw.

Podstawową wadą tworzyw sztucznych jest ich stosunkowo (w porównaniu z metalami) mała odporność na temperaturę. Ogólnie biorąc mieści się ona w granicach 60 - 150°C, a wyjątkowo osiąga wartość rzędu 200 - 300°C (teflon, tworzywa silikonowe) przewyższając pod tym względem drewno i dorównując stopom aluminium. Do innych wad tworzyw należy zaliczyć przede wszystkimi charakterystyczne dla nich zjawisko tzw. pełzania, czyli płynięcia na zimno pod stałym obciążeniem oraz zjawisko starzenia się tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne odznaczają się złym przewodnictwem cieplnym. Ogólnie, przewodnictwo cieplne tworzyw sztucznych porównywalne jest z przewodnictwem cieplnym drewna lub materiałów ceramicznych, a od kilkuset do kilku tysięcy razy gorsze od przewodnictwa metali. Cechę tę

wykorzystuje się szeroko do stosowania tworzyw jako izolatorów cieplnych. Przez zastosowanie odpowiedniej technologii spieniania otrzymuje się tworzywa sztuczne porowate o gęstości 10 razy mniejszej od gęstości tradycyjnego izolatora, jakim jest np. korek lub wata szklana i przewodnictwie cieplnym mniejszym od przewodnictwa najlepszych tradycyjnych izolatorów termicznych.

Cenną zaletą tworzyw sztucznych jest ich wysoka odporność chemiczna, która charakteryzuje zachowanie się tworzyw wobec wody, rozpuszczalników organicznych oraz kwasów, zasad i soli. Pod tym względem tworzywa sztuczne mają przewagę nad metalami lub drewnem. Właściwość ta pozwala na szerokie stosowanie tworzyw w budowie aparatury i urządzeń przemysłu chemicznego. Bardzo przydatne do tego celu są polichlorek winylu (PCW), polietylen (PE), polipropylen (PP), tworzywa epoksydowe i fenolowe.

W zakresie zastępowania szkła największe znaczenie mają polimetakrylan metylu (PMMA), polistyren (PS) i poliwęglan (PC). Polimetakrylany stosuje się do wyrobu szyb bezpiecznych, osłon świetlnych, soczewek oraz wielu urządzeń optycznych. Tworzywa te mają tę przewagę nad szkłem, że są bardziej odporne na uderzenia oraz lepiej przepuszczają promienie nadfioletowe.

Tworzywa sztuczne mają również doskonałe własności elektroizolacyjne i obecnie są szeroko stosowane jako najbardziej ekonomiczne izolatory. Niemal wszystkie tworzywa sztuczne mają również bardzo estetyczny wygląd i nie wymagają malowania.

Bardzo istotnym zagadnieniem jest stosowanie tworzyw sztucznych jako materiałów zastępczych skóry zwierzęcej i naturalnych tkanin. Sztuczną skórę wyrabia się z polichlorku winylu (PCW) oraz tworzyw poliuretanowych (PU) przez powlekanie tkanin pastami. Ze skóry sztucznej wyrabia się obuwie i odzież. Znajduje ona również zastosowanie w meblarstwie. Podstawową trudnością w wyeliminowaniu skóry zwierzęcej przez sztuczną oraz tkanin naturalnych przez syntetyczne jest w obu przypadkach zbyt mała porowatość, znacznie utrudniająca przepuszczalność powietrza i wchłanianie wilgoci. Największe ilości tworzyw sztucznych zużywają następujące podstawowe gałęzie przemysłu:

1) budownictwo, 2) przemysł maszynowy, 3) przemysł chemiczny, 4) przemysł lekki.

Oprócz tych głównych odbiorców, tworzywa sztuczne stosuje się do wyrobu artykułów powszechnego użytku oraz innych gałęziach gospodarki. Stosowanie tworzyw sztucznych ma za zadanie:

- zastąpienie deficytowych materiałów tradycyjnych, - obniżenie ciężaru wyrobu, - podniesienie właściwości użytkowych wyrobów, - podniesienie estetyki wyrobów.

Cele te mogą być osiągnięte pod warunkiem prawidłowego zastosowania tworzyw sztucznych pod względem technicznym i ekonomicznym.

3.3.1 Zastosowanie tworzyw sztucznych w przemyśle budowlanym Budownictwo należy do rzędu największych odbiorców tworzyw sztucznych, światowe zużycie

tworzyw sztucznych na potrzeby budownictwa wynosi ok. 30 % produkowanych tworzyw. Jest to spowodowane tym, że tworzywa sztuczne w wielu przypadkach spełniają wymagania budownictwa dotyczące wskaźników wytrzymałościowych, właściwości estetycznych i użytkowych. Można nimi zastąpić wiele materiałów tradycyjnych, a przede wszystkim drewno, stal oraz metale kolorowe. Poza tym budownictwo zużywa dużo ilości znormalizowanych, typowych wyrobów, których produkcja może być zorganizowany w sposób przemysłowy, seryjny i tani. Do kierunków zastosowań tworzyw sztucznych w budownictwie należą:

- wyrób rur i sprzętu sanitarnego jak umywalki, wanny, muszle, itp. lub całkowicie kompletnych kabin sanitarnych z polichlorku winylu, polietylenu, polipropylenu, poliamidów, polistyrenu, ABS, itp.;

- izolacje termiczne i akustyczne ze spienianych tworzyw, głównie z polistyrenu i tworzyw mocznikowych;

- okładziny ścienne z wielowarstwowych laminatów dekoracyjnych oraz łatwo zmywalne tapety i farby emulsyjne;

- elementy stolarki budowlanej, jak np. ramy okienne i drzwiowe z tworzyw termoplastycznych lub termoutwardzalnych;

- izolacje przeciwwilgociowe i chemoodporne, w formie powłok, kitów, folii izolacyjnych, płyt, lepiszcz, itp. o specyficznych właściwościach;

- konstrukcje nocne ścian i pokryć dachowych o właściwościach światłoprzepuszczalnych z laminatów poliestrowo-szklanych;

- luksusowe okna z szybami z szkieł organicznych. Również bardzo intensywnie rozwija się proces doskonalenia tradycyjnych materiałów budowlanych

z dodatkiem tworzyw sztuczny, np. polimerobetony, dodatki dyspersji tworzyw sztucznych do zapraw, środki do modyfikacji preparatów asfaltowych, itp. Tworzywa sztuczne, obok aluminium, stali i drewna, stanowią więc obecnie nowoczesne źródło materiałów dla budownictwa zarówno mieszkaniowego jak i przemysłowego.

3.3.2 Zastosowanie tworzyw sztucznych w przemyśle chemicznym

Rozwój przemysłu chemicznego stwarza ciągle rosnące zapotrzebowanie na coraz to większe ilości materiałów konstrukcyjnych, takich jak wysokogatunkowe stale, metale nieżelazne, chemoodporne betony. W budowie aparatury i urządzeń przemysłu chemicznego odczuwa się duży brak takich materiałów, które odpowiadałyby wysokim wymaganiom technicznym, stawianym im w nowoczesnych metodach produkcji różnych związków chemicznych. Temu brakowi zapobiegają tworzywa sztuczne, które stosowane w przemyśle chemicznym mają przede wszystkim znaczenie jako materiały antykorozyjne. Przy doborze tworzyw sztucznych należy kierować się środowiskiem chemicznym występującym w procesie produkcyjnym, tworzywa bowiem muszą mieć odpowiednie właściwości chemiczne, fizyczne i mechaniczne. Tworzywa sztuczne znajdują w przemycie chemicznym zastosowanie jako:

- materiały konstrukcyjne - do wyrobu aparatury, rurociągów, armatury, jak np. zbiorniki, kolumny, wieże absorpcyjne, wanny, filtry, zawory, uszczelki, itp.;

- materiały pomocnicze - kity, betony służące do zabezpieczeń konstrukcji budowlanych lub spoinowania wykładzin ceramicznych w urządzeniach i budynkach.

Do najczęściej używanych tworzyw w technice antykorozyjnej przemysłu chemicznego należą polichlorek winylu, polietylen, tworzywa fenolowe, furfurylowe, epoksydowe, poliestrowe oraz poliamidy i policzterofluoroetylen. Najbardziej uniwersalnym pod względem chemoodporności, jak również zakresu temperatur stosowania (od - 100 do + 260 °C) jest policzterofluoroetylen (teflon). Jest on odporny na wszystkie środowiska chemiczne i nie ulega działaniu nawet tak silnego środka, jakim jest woda królewska (mieszanina 3 obj. stężonego kwasu solnego i 1 obj. kwasu azotowego), która rozpuszcza nawet szlachetne metale, jak np. złoto.

Samodzielne, duże konstrukcje dla przemysłu chemicznego wykonuje się przeważnie z laminatów, głównie epoksydowych lub poliestrowych. Rury do transportu agresywnych cieczy wyrabia się bądź z laminatów, bądź przez wytłaczanie głównie PCW i polietylenu. W przypadkach tych tworzywa eliminują całkowicie materiały metalowe. Arkuszami lub folią z tworzyw sztucznych wykłada się i zabezpiecza przed działaniem chemikaliów urządzenia metalowe lub beton. Powłoki z tworzyw sztucznych nanosi się na metale przez fluidyzację, natrysk, malowanie lub maczanie.

Dużym ograniczeniem w stosowaniu tworzyw sztucznych w przemyśle chemicznym jest stosunkowo niska odporność termiczna większości materiałów tworzywowych.

3.3.3 Zastosowanie tworzyw sztucznych w przemyśle maszynowym Stosowanie tworzyw sztucznych w przemyśle maszynowym rozwija się przede wszystkim w następujących kierunkach:

- wyrób elementów i urządzeń, jak np.: elementów karoserii, zbiorników, rur, wentylatorów, obudowy maszyn, osłon, łożysk, tulei, itp.;

- wyrób izolacji termicznych i akustycznych dla okrętownictwa, kolejnictwa, lotnictwa, w urządzeniach grzejnych i chłodniczych;

- zastosowanie pomocnicze tworzyw sztucznych np.: na wyrównywanie powierzchni w odlewnictwie, wyrób tłoczników, wykrojników, modeli odlewniczych, itp.

Jako materiały konstrukcyjne służą głównie laminaty poliestrowe, fenolowe, epoksydowe, polichlorek winylu, polipropylen, polistyren wysokoudarowy. Głównymi kierunkami stosowania laminatów są konstrukcje skorupowe typu zbiorniki, karoserie, kadłuby łodzi, obudowy maszyn, itp. Mały ciężar właściwy oraz duża wytrzymałość mechaniczna w połączeniu z możliwością długotrwałej eksploatacji bez uciążliwych zabiegów konserwacyjnych - to główne zalety tych materiałów. Z tworzyw termoplastycznych wyrabia się przede wszystkim takie detale jak śruby, nakrętki, łożyska, koła zębate, wirniki, pasy transmisyjne, uszczelki, kurki, zawory, wentylatory, itp.

Na opłacalność stosowania tych tworzyw wskazuje fakt, że koła zębate wykonane z poliamidu napełnionego włóknem szklanym pracują wielokrotnie dłużej od tradycyjnych kół z metalu, a są przy tym lżejsze, cichobieżne i łatwiejsze w produkcji. W przemyśle tym znalazły zastosowanie tłoczywa z napełniaczami mineralnymi jak opiłki metalowe czy włókna szklane. Tłoczywa te odznaczają się większą wytrzymałością cieplną, a w przypadku napełniaczy metalicznych również lepszym przewodnictwem cieplnym. Wyroby z tłoczyw stosuje się jako elementy maszyn pracujących w podwyższonych temperaturach np.: w górnictwie lub hutnictwie.

W hutnictwie stosuje się żywice mocznikowe, fenolowe, epoksydowe i furfurylowe do wykonywania form odlewniczych oraz wyrównywania jam i nierówności w odlewach.

Duże zastosowanie znalazły tworzywa sztuczne w lotnictwie, okrętownictwie, kolejnictwie i przemyśle motoryzacyjnym. W lotnictwie duże znaczenie mają kleje, zwłaszcza epoksydowe i poliuretanowe do łączenia metali. Z laminatów epoksydowo-szklanych i poliestrowo-szklanych wyrabia się śmigła i kadłuby, a tworzywa piankowe stosuje się do izolacji akustycznej i cieplnej.

Lekkość, wytrzymałość mechaniczna, niepalność, odporność na wodę i czynniki atmosferyczne są podstawowymi cechami tworzyw stosowanych w przemyśle okrętowym. Główne zastosowanie znalazły laminaty poliestrowe z włóknem szklanym. Nie bez znaczenia jest możliwość stosowania rur, lin, kół zębatych, sprzętu ratowniczego z tworzyw sztucznych, co w rezultacie znacznie obniża ciężar statku, a tym samym zwiększa jego ładowność. W kolejnictwie stosuje się dekoracyjne laminaty papierowo-melaminowe do wykładania ścian wagonów. Poza zastąpieniem szlachetnych gatunków drewna, laminaty te odznaczają się dużą trwałością, odpornością na działanie żaru papierosa, gorącej wody oraz estetycznym wyglądem i łatwością mycia. Oprócz laminatów stosuje się wykładziny podłogowe, tkaniny obiciowe oraz liczną galanterię wnętrz wagonowych wykonaną z tworzyw sztucznych. Przemysł samochodowy stosuje bardzo szeroki asortyment tworzyw sztucznych. Znajdują one zastosowanie zarówno jako materiały konstrukcyjne (nadwozia lub ich elementy, przyczepy campingowe), wykonywane ze zbrojonych poliestrów, jak również wyposażenia wnętrz oraz wiele detali, jak np.: deski rozdzielcze, obudowy kierownic, koła zębate, przewody do paliwa, szyby, szkła odblaskowe, itp.

Zastosowanie tworzyw sztucznych w przemyśle maszynowym pozwala obniżyć ciężar wyrobu, zmniejszyć pracochłonność i koszty produkcyjne, przedłużyć żywotność wyrobów, a dzięki temu uzyskać znaczne korzyści techniczne i ekonomiczne.

3.3.4 Zastosowanie tworzyw sztucznych w przemyśle lekkim oraz do produkcji artykułów powszechnego użytku

Stosowanie tworzyw sztucznych w przemyśle lekkim rozwija się przede wszystkim w następujących kierunkach: elektrotechnika, wyroby włókiennicze, opakowania. Tworzywa sztuczne w elektrotechnice mają główne znaczenie jako materiały izolacyjne - dielektryki. Znajdują one zastosowanie:

- w produkcji kabli - do izolacji przewodów i kabli (PCW, PE, kauczuki syntetyczne, PS, PP), - w przemyśle maszyn i aparatów elektrycznych - jako materiały izolacyjne i konstrukcyjne

(fenolowo-formaldehydowe, melaminowo-formaldehydowe, epoksydowo-poliestrowe, itp.), - w przemyśle radiotechnicznym - jako materiały izolacyjne i konstrukcyjne (polistyren,

polietylen, żywice epoksydowe, poliwęglany, itp.). Od tworzyw sztucznych pracujących jako materiały izolacyjne w urządzeniach elektrycznych

wymaga się wysokich oporności, małej stratności i dużej wytrzymałości dielektrycznej. Oprócz tego tworzywa pracujące w urządzeniach elektrycznych narażone są często na działanie mechaniczne, wpływy atmosferyczne, termiczne, chemiczne oraz działanie smarów, olejów, itp.

Tworzywa sztuczne stosowane w urządzeniach elektrycznych występują w postaci powłok, odlewów, folii oraz kształtek prasowanych lub wytłaczanych. Przy doborze tworzywa trzeba uwzględnić nie tylko właściwości tworzywa jako dielektryka lecz wpływy dodatkowe, tj. warunki pracy tworzywa. Duże znaczenie ma zastosowanie tworzyw sztucznych, a ściślej związków wielkocząsteczkowych do wyrobu włókien, z których produkuje się artykuły powszechnego użytku, jak również wyroby techniczne. Z włókien sztucznych wyrabia się tkaniny ubraniowe, bieliznę, pończochy, futra, dywany oraz wyroby techniczne, jak np. tkaniny filtracyjne, do wyrobu odzieży ochronnej (ognioodporne, kwasoodporne, olejoodporne, itp.), tkaniny do gumowania, dla okrętownictwa, dla przemysłu motoryzacyjnego, itp.

Do innych ciekawych i powszechnych zastosowań tworzyw sztucznych należy wyrób opakowań - głównie z polichlorku winylu, polietylenu, polistyrenu, acetylocelulozy. W dziedzinie tej tworzywa eliminują takie materiały tradycyjne, jak papier, szkło, drewno, metale.

Do wyrobu artykułów gospodarstwa domowego używa się bardzo dużego asortymentu tworzyw sztucznych i to zarówno termoplastycznych jak i utwardzalnych. Wyrabia się z nich: wyposażenia kuchni (nakrycia stołowe, naczynia, obudowy stołów kuchennych, zlewozmywaki, itp.), przybory toaletowe (szczotki, grzebienie, miednice, wanny, itp.), przybory do sprzątania (odkurzacze, froterki, szczotki, itp.), galanterię (guziki, walizki, torby, koszyki, paski, itp.).

Oprócz tych podstawowych niepełnych danych odnośnie możliwości stosowania tworzyw sztucznych, należy podkreślić zastosowanie ich w takich dziedzinach jak medycyna, przemysł poligraficzny, modelarstwo, rolnictwo, fotografika, wyrób sprzętu wojskowego, technika rakietowa, kosmonautyka i inne.

4.0 Rozpoznawanie tworzyw sztucznych

4.1 Praktyczne znaczenie badania W laboratoriach specjalistycznych, prowadzących badania naukowe lub kontrolne w dziedzinie

tworzyw sztucznych, w zasadzie rzadko zachodzi konieczność rozpoznania jakiegoś tworzywa, wynikająca z planowej działalności tego laboratorium. Jeśli nawet taka konieczność zaistnieje, to inżynier chemik posiadający praktykę w tej dziedzinie, rozpozna każde tworzywo w ciągu kilku minut, nawet bez posługiwania się specjalnymi tablicami. Natomiast rozpoznanie nieznanego tworzywa przez pracownika nie będącego specjalistą w zakresie tworzyw sztucznych, jest trudne i w tym przypadku należy posługiwać się kluczem lub odpowiednią tablicą. Jednak z koniecznością szybkiego rozpoznania tworzywa może w praktyce spotkać się każdy współczesny inżynier, czy to ze względu na dobór materiału zastępczego, sposobu usunięcia uszkodzenia gotowego przedmiotu, czy jeszcze z innych względów.

4.2 Metody rozpoznawania tworzyw sztucznych

W literaturze można spotkać się z wieloma sposobami identyfikacji tworzyw sztucznych, posługujących się metodami chemicznymi-fizycznymi, fizyko-chemicznymi czy wreszcie organoleptycznymi.

Metodą chemiczną rozpoznaje się tworzywa przez: 1. reakcję na oddziaływanie kwasów, zasad, soli i rozpuszczalników; 2. rozpuszczalność w wodzie; 3. określenie liczby zmydlenla; 4. oznaczenie typowych pierwiastków; 5. zachowanie się podczas krakowania.

Metoda fizyczna wykorzystuje następujące sposoby: 1. oznaczenie ciężaru właściwego; 2. oznaczenie własności mechanicznych; 3. oznaczenie własności cieplnych; 4. oznaczenie własności elektrycznych; 5. określenie luminescencji pod wpływem promieni nadfioletowych; 6. określenie współczynnika załamania światła; 7. określenie chłonności fal akustycznych; 8. oznaczenie skurczu przy przejściu z stanu plastycznego w stan stały; 9. oznaczenie zdolności wypełniania formy (wskaźnika płynięcia).

W metodzie fizykochemicznej stosuje się następujące sposoby: 1. określenie odporności na działanie płomienia i zachowanie się w płomieniu; 2. zachowanie się tworzywa po wyjęciu z płomienia.

Obserwacje organoleptyczne opierają się natomiast na wrażeniach wzrokowych, dotykowych, słuchowych, smakowych i zapachowych. Oprócz tych sposobów, pozwalających rozpoznać tworzywo stosunkowo szybko, istnieje wiele metod badań długotrwałych jak np. określenie odporności na działanie wilgoci, korozji, pleśni, bakterii, owadów, gryzoni.

Na podstawie wyżej przedstawionych metod zbudowane są różne tabele i klucze przeznaczone do rozpoznawania tworzyw sztucznych na zasadzie kolejnych eliminacji. Najbardziej rozpowszechnione są dwa podstawowe systemy postępowania przy rozpoznawaniu tworzyw sztucznych. Jeden z nich polega na działaniu na tworzywo rozpuszczalnikami i odczynnikami chemicznymi, traktując inne obserwacje i badania jako pomocnicze.

Drugi system, polega na wstępnej eliminacji na podstawie wyglądu zewnętrznego, na badaniu systematycznym przez prażenie i palenie próbki oraz na badaniu uzupełniającym za pomocą rozpuszczalników odczynników chemicznych, oznaczeniu jakościowym różnych pierwiastków oraz ciężaru właściwego.

Ponieważ, jak już wspomniano wyżej, w literaturze można znaleźć wiele szczegółowych metod identyfikacji tworzyw sztucznych, poniżej omówione zostaną w celach dydaktycznych jedynie: metoda wstępnej eliminacji na podstawie wyglądu zewnętrznego (Tabl. 1) oraz przykładowy klucz do rozpoznawania tworzyw termoplastycznych (rys. 1).

4.2.1 Metoda wstępnego rozpoznawania tworzyw sztucznych na podstawie wyglądu

zewnętrznego (Tabl. 1) Wygląd zewnętrzny tworzywa jest niejednokrotnie tak silnie związany z jego charakterem, że na

pierwszy rzut oka można zawęzić poszukiwania do bardzo niewielu tworzyw. Istotną rolę odgrywają takie własności, jak barwa (nie wszystkie tworzywa mogą występować np. w barwach jasnych), przezroczystość lub przeświecanie (tę własność mają tylko nieliczne tworzywa), sposób formowania i

charakter kształtek - np. przez wytłaczanie da się kształtować zaledwie kilka tworzyw, a bardzo dużych, masywnych wyprasek nie można otrzymać z tworzyw termoutwardzalnych, itd. W tabl. 1 podano najbardziej charakterystyczne przypadki takiej eliminacji. Ponieważ jednak tabela ma charakter jedynie przykładowy i orientacyjny nie należy więc podanych w niej informacji traktować jako rozstrzygających.

Wypraski z jasnych tłoczyw melaminowych - osprzęt elektrotechniczny, artykuły gospodarstwa domowego - mogą być bardzo podobne do analogicznych wyrobów wykonanych metodą wtrysku z barwionego polistyrenu. Wyroby wtryskowe z polistyrenu wysokoudarowego, zwłaszcza drobne kształtki mogą być podobne do analogicznych wyrobów z barwionych poliamidów.

Wszelkiego rodzaju okładziny izolacyjne i uchwyty wykonywane z poliamidów o barwie ciemnej mogą być podobne do analogicznych elementów z bakelitu lub ebonitu. Ponadto warto jeszcze nadmienić, że niektóre tworzywa można jednoznacznie zidentyfikować przy pomocy bardzo prostej obserwacji organoleptycznej. Na przykład: celuloid potarty ręką lub o ubranie wydziela charakterystyczny, dla niego tylko właściwy, zapach kamfory, wyroby z polistyrenu rzucone na płytę stołu dają charakterystyczny brzęczący odgłos (metaliczno-szklany), podczas gdy inne tworzywa dają odgłos głuchy. Polietylen i polipropylen w dotyku przypominają parafinę (Tabl. 1).

4.2.2 Klucz do rozpoznawania tworzyw termoplastycznych (rys. 1) Omówiona poniżej metoda identyfikacji tworzyw termoplastycznych Jest przykładem prostego

sposobu rozróżniania tworzyw sztucznych, nie wymagającego ani specjalnego oprzyrządowania ani laboratorium. Jedyne niezbędne pomoce to:

1. pojemnik z wodą do wykonania próby pływalności; 2. zapalniczka do wykonania próby palności; 3. czterochlorek węgla i ester octowy do wykonania próby rozpuszczenia tworzywa; 4. palnik Bunsena i drut miedziany do przeprowadzenia próby nefrytowej; 5. tabela – klucz służąca do określenia rodzaju tworzywa poddanego badaniu.

Posługiwanie się tabelą - kluczem (rys. 1) jest bardzo proste. W najwyższym poziomym rzędzie tabeli umieszczone mamy skrótowe nazwy najczęściej spotykanych termoplastów (znaczenie poszczególnych symboli podane zostanie w dalszej części instrukcji). Z lewej strony w pionowej kolumnie wymienione są natomiast nazwy kolejnych prób oraz możliwe reakcje tworzywa na te próby. W zależności od sposobu reagowania tworzywa na poszczególne próby, stopniowo eliminujemy na tej podstawie tworzywa, których zachowanie nie odpowiada zachodzącym zjawiskom. Końcowym efektem tych eliminacji jest ostateczne określenie nazwy badanego tworzywa. W metodzie tej wykonuje się następujące próby:

1. Próba pływalności Za pomocą tej próby rozdzielamy tworzywa na dwie grupy - grupę tworzyw lżejszych od wody (tworzywa te będą pływać) i grupę tworzyw cięższych od wody (tworzywa te osiądą na dnie naczynia. Próba pływalności jest uproszczonym sposobem badania ciężaru właściwego tworzyw i należy do metod fizycznych.

2. Zachowanie się zapalonego tworzywa poza płomieniem Jest to typowa próba fizyko-chemiczna. Podczas tej próby należy zachować pewną ostrożność, ponieważ palące się tworzywo może pryskać lub obciekać kroplami.

3. Próba rozpuszczania tworzywa Próbę tę wykonujemy dla dwóch różnych rozpuszczalników. W obu przypadkach wystarczy jedną kroplę rozpuszczalnika rozetrzeć na powierzchni tworzywa przy pomocy palca. Obie próby należą do metod chemicznych.

4. Próba nefrytowa Jest to typowa próba chemiczna. Rozżarzony w płomieniu drut miedziany należy zetknąć z próbką tworzywa, a po jej nadtopieniu się ponownie wprowadzić drut do płomienia. Przy obecności w tworzywie związków chloru płomień zmieni swą barwę na jaskrawo zieloną.

W większości wypadków wykonanie w/w prób, szczególnie przy pewnej wprawie, wystarczy do określenia nazwy identyfikowanego tworzywa. Jeśli jednak w dalszym ciągu mamy wątpliwości, przeprowadzamy próby uzupełniające, takie jak próba twardości (przeprowadzana przy użyciu paznokcia), próba zapachu, czy wreszcie próba przełomu tworzywa.

Za pomocą wyżej wymienionej metody można określić jednak jedynie tylko nazwę grupy tworzyw do której należy badana próbka, nie zaś nazwę jej odmiany handlowej. W praktyce jednak na ogół takie rozpoznanie w zupełności wystarcza. Natomiast dokładne określenie odmiany handlowej jakiejś grupy tworzyw udaje się często po określeniu temperatury topnienia, rozpuszczalności w kwasie mrówkowym, itp.

4.2.3 Wykaz stosowanych skrótów nazw tworzyw termoplastycznych PMP - polimetylopenten PE - polietylen PP - polipropylen SB + P - polistyren wysokoudarowy + środek spieniający ABS + P - triopolimer akrylonitryl-butadien-styren + środek spieniający PE + Z - polietylen + zbrojenie ognioodporne PP + Z - polipropylen + zbrojenie ognioodporne CAB - octanomaślan celulozy PA - poliamid POM - poliformaldehyd (poliacetal) PMMA - polimetakrylan metylu PETP - poliester tereftalowy (termoplastyczny) CA - octan celulozy PS - polistyren SB - polistyren wysokoudarowy (PSHI lub HIPS) (kopolimer styrenu i butadienu) SAN - kopolimer styrenu i akrylonitrylu ABS - triopolimer akrylonitryl-butadien-styren PCW - M - polichlorek winylu miękki PSO - polisulfon PC - poliwęglan PPO - polioksyfenylen SB + Z - polistyren wysokoudarowy + zbrojenie ognioodporne (HIPS+Z lub PSHI + Z) ABS + Z - triopolimer akrylonitryl-butadien-styren + zbrojenie ognioodporne PCW + T - polichlorek winylu twardy PA + Z - poliamid + zbrojenie ognioodporne

5.0 Przebieg ćwiczenia i sprawozdanie

5.1 Zadania do wykonania przez studentów

1. Określić dla kilku przedmiotów rodzaj tworzywa z jakiego zostały one wykonane metodą

omówioną w pkt. 4.2.1; 2. Dla wybranej próbki tworzywa termoplastycznego przeprowadzić badania identyfikacyjne wg

metody omówionej w pkt. 4.2.2; 3. Zanotować nasuwające się wnioski i spostrzeżenia.

5.2 Wytyczne do wykonania sprawozdania Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego powinno zawierać: 1. Imię i nazwisko wykonującego ćwiczenie, wydział, semestr, datę, rok akademicki; 2. Odpowiedni fragment tabeli - klucza z zaznaczoną drogą dojścia do rezultatu końcowego; 3. Nazwę rozpoznanego tworzywa; 4. Wnioski i spostrzeżenia Jakie nasunęły się w trakcie wykonywania ćwiczenia; 5. Kilka przykładów zastosowania rozpoznanych tworzyw sztucznych.

Tablica 1 Rozróżnianie tworzyw sztucznych na podstawie postaci i własności zewnętrznych Lp. Postać, wygląd i własności zewnętrzne

tworzywa Tworzywo lub grupa tworzyw

1 Tworzywo przezroczyste, bezbarwne lub zabarwione

może być: polistyren (kształtki małe), polimetakrylan metylu (kształtki, płyty, bloki), celuloza regenerowana (folie, włókna), octan celulozy (folie, cienkie płyty, włókna, kształtki, płyty), polichlorek winylu suspensyjny (folie, profile i rurki wytłaczane), polietylen (tylko b. cienkie folie), wyjątkowo poliamidy i nienapełnione aminoplasty

2 Tworzywo przeświecające ale nie całkowicie przeźroczyste

może być: jak w poz. 1, albo polietylen lub polipropylen (folie, kształtki wtryskowe, profile i rurki wytłaczane, granulaty wtryskowe), aminoplasty (w cienkich warstwach) napełnione celulozą

3 Termoutwardzalne wypraski lub tłoczywa o jasnych, czystych barwach

mogą być: aminoplasty nie mogą być: fenoplasty

4 Folie może być: celuloza regenerowana (celofan, tomofan), polietylen, polichlorek winylu zmiękczony, lub folie sztywne z polichlorku niezmiękczonego, rzadziej: poliamidy, octan celulozy, polistyren, poliwęglany nie mogą być: żadne tworzywa usieciowane, jak feno- i aminoplasty, itp.

5 Włókna może być: celuloza regenerowana, poliamidy, octan celulozy, sztuczna wełna (lamital), poliestry liniowe

6 Pianki (poroplasty): a) sztywne nie termoplastyczne b) elastyczne termoplastyczne

mogą być: fenoplasty (barwa ciemna, brunatno-różowa, brunatno-czerwona, brązowa, itp.), aminoplasty (barwa jasna, przeważnie biała), usieciowane poliuretany (barwa jasna lub dowolna), celuloza regenerowana (niezupełnie sztywna, nie termoplastyczna, po zwilżeniu wodą znacznie wiotczeje) może być: spieniony (ekspandowany) polichlorek winylu (barwa biała, kremowa lub szaro-żółta), poliuretany (białe, przeświecające lub o barwie dowolnej), polistyren (śnieżno-biały)

7 Profile miękkie, rurki, żyłki może być: zmiękczony polichlorek winylu (barwy różne - od białej do czarnej), polietylen, polipropylen, teflon (mają barwę mleczną i przeświecającą), rzadziej poliamidy (żyłki bezbarwne, mleczne, przeświecające lub różnobarwne), azotan-, octan- i octanomaślan celulozy (różnej barwy) nie mogą być: wszystkie tworzywa termo- i chemoutwardzalne

8 Profile sztywne, rury (długie, wytłaczane)

może być: nieplastikowany polichlorek winylu – tzw. winidur (barwa na ogół czerwona, czerwonobrunatna, brązowa lub popielata) nie mogą być: wszystkie tworzywa termo- i chemoutwardzalne oraz tworzywa wybitnie plastyczne

9 Armatura sanitarna (wodnokanalizacyjna)

mogą być: poliamidy (na ogół barwy jasnej, szaro-kremowej, przeświecające w cienkich warstwach), nieplastikowany polichlorek winylu (przeważnie barwy czerwonej) używany głównie jako armatura chemoodporna

10 Laminaty z nośnikiem papierowym (płyty) lub tekstylnym (płyty albo krótkie rury) lub elementy wykrawane z płyt, barwa żółtobrunatna do brązowej

mogą być: fenoplasty, niekiedy wypraski z tłoczyw fenolowych skrawkowych (dużo skrawki tekstylne, np. bawełniane, przypominające strukturę laminatu)

11 Laminaty dekoracyjne o barwach żywych lub wzorzyste

mogą być: aminoplasty (mogą mieć wewnątrz ciemniejszy rdzeń z laminatu fenolowo-formaldehydowego, z płyty pilśniowej, paździerzowej, itp.) nie mogą być: fenoplasty i inne tworzywa

12 Kity chemoodporne mogą być: żywice fenolowo-formaldehydowo, epoksydowe, poliestrowe, rzadziej furanowe i poliuretanowe

13 Laminaty zbrojone matą lub tkaniną szklaną

mogą być: laminaty epoksydowo- lub poliestrowo-szklane niebarwione, barwy żółtawej lub barwione na różne barwy, na ogół przeświecające - często płyty faliste - w cienkich warstwach, pod światło widoczna struktura nośnika.

14 Żywice ciekłe lub stałe: a) barwy żółtawej (nienapełnione) b) ciemne (nienapełnione)

mogą być: żywice fenolowe lane (stałe), żywice poliestrowe i epoksydowe (ciekłe nieutwardzone lub stałe utwardzone – niektóre żywice epoksydowe nieutwardzone mogą być stałe, ale termoplastyczne) lub kleje mocznikowe (bezbarwne, przeważnie w roztworze, czasem białe proszki rozpuszczalne w wodzie, mają wyraźny zapach formaliny). Ciekłe żywice poliestrowe mają zapach styrenu, fenolowe - zapach fenolu, żywice fenylowe (przeważnie rezolowe) - zapach fenolu

15 Płyty bezbarwne i przezroczyste o dużej grubości, grube odlewy

może być: polimetakrylan metylu

16 Płyty niewarstwowe i elementy wykra-wane z płyt

może być: azotan celulozy (celuloid przy potarciu ma charakterystyczny zapach kamfory, barwy różne), octan celulozy (bezbarwny lub barwy różnej), polimetakrylan metylu (bezbarwny, przezroczysty lub przezroczysty barwiony), polichlorek winylu nieplastikowany, tzw. winidur (barwy czerwono-brunatnej lub rzadziej o innych barwach), poliwęglany, galalit, tzw. sztuczny róg (barwy różne)

17 Odlewy grube, o ciężarze do kilku kg a) w cieńszych warstwach

przezroczyste, ale żółtawe b) nieprzeźroczyste

mogą być: nienapełnione odlewy żywic poliestrowych i epoksydowych mogą być: Jak w poz. 17 a, ale napełnione oraz poliamidy formowane przetłocznie pod ciśnieniem gazu. nie mogą być: wypraski z tłoczyw (fenoplasty, aminoplasty), rzadziej: termoplasty

18 Granulaty wtryskowe a) w cieńszych warstwach prze-

zroczyste, ale żółtawe b) bezbarwne ale przeświecające

(mleczne) c) jak w poz. b) lecz w dotyku

przypominają parafinę

może być: polistyren, polietylen, polipropylen, poliamid, octan celulozy, octanomaślan celulozy, ABS, PCW polietylen, polipropylen, poliamid polietylen lub polipropylen (pływają w wodzie)

Rys. 1 Tablica – klucz do identyfikacji tworzyw termoplastycznych

W metodzie tej obserwuję się zachowanie próbki tworzywa wprowadzonej do płomienia

Rys. 2 Zachowanie próbek różnych tworzyw sztucznych wprowadzonych do płomienia palnika

Polietylen Właściwości: Polietylen jest odporny na działanie kwasów, zasad i roztworów soli, a nieodpornym na działanie silnych utleniaczy i stężonych kwasów: siarkowego, azotowego i chromowego. Właściwości mechaniczne polietylenu poprawiają się wraz ze zwiększeniem masy cząsteczkowej. Rozpoznawanie: Polietylen jest stosunkowo miękkim tworzywem uginającym się pod dotykiem paznokcia i mający wygląd podobny do twardej parafiny. Próbka polietylenu nie tonie w wodzie. Próbka polietylenu włożona do płomienia palnika topi się i pali Zastosowanie: W przemyśle elektrotechnicznym i elektromechanicznym, do wyrobu włókien, folii. Poliamid Właściwości: - duża sztywność, twardość, trwałość oraz wytrzymałość mechaniczna - dobra obrabialność - niska rozszerzalność cieplna - dobre właściwości ślizgowe - odporność na ścieranie - zdolność tłumienia drgań i odporność na uderzenia - dobra odporność chemiczna na oleje, tłuszcze, benzynę i wiele rozpuszczalników - brak odporności na działanie kwasów i zasad - temperatura użytkowania od -40°C do 100°C Zastosowanie: obudowy w elektrotechnice Rozpoznawanie: Poliamidy w płomieniu palnika topią się i palą. Ze stopionej powierzchni poliamidowej próbki można za pomocą metalowej szpachelki wyciągnąć nitki. Dodatkową metodą identyfikacji poliamidów, umożliwiającą odróżnienie ich od wszystkich innych tworzyw, jest ich rozpuszczalność w kwasie mrówkowym. Polistyren Zastosowania: izolacje elektryczne Rozpoznawanie: Charakterystyczną cechą tworzyw polistyrenowych jest ich palność. Próbki polistyrenu włożone do płomienia palnika topią się kapiąc i palą się kopcącym płomieniem. Polichlorek Winylu Zastosowanie: izolacja elektryczna Rozpoznawanie: Próbki twardego polichlorku winylu po wyjęciu z płomienia natychmiast gasną. Podczas palenia się próbki polichlorku winylu wydziela się chlorowodór o charakterystycznym zapachu. Zidentyfikować go można za pomocą papierka wskaźnikowego uniwersalnego, który należy zwilżyć wodą i trzymać nad próbką tworzywa włożoną do palnika. Wydzielający się chlorowodór pod wpływem wody tworzy kwas solny, który zabarwia papierek wskaźnikowy na kolor czerwony.

2. Wyglądu płomienia,

3. Zmiany po wyjęciu z płomienia,

4. Zapachu po ogrzaniu.

Niżej znajduję się tabela z informacjami jak można rozpoznać jakie to tworzywo po wykonanej metodzie spalania.