Właściwości i zastosowanie polimerów.
Gdzie wykorzystuje się tworzywa sztuczne?

Czym są polimery?

Polimery to szczególny rodzaj substancji chemicznych, które charakteryzują się dużą masą cząsteczkową. Mają także specyficzną budowę – składają się z powtarzających się wielokrotnie jednostek zwanych merami. Duża masa cząsteczkowa oznacza, że odłączenie lub przyłączenie pojedynczego meru nie powoduje znaczącej zmiany właściwości chemicznych i fizycznych związku. To ważna różnica w stosunku do oligomerów (substancji składających się z niewielkiej liczby merów) – w ich przypadku taka zmiana może skutkować np. inną niż dotychczas temperaturą topnienia.

Polimery kojarzą się przede wszystkim z tworzywami sztucznymi. W rzeczywistości jednak ta grupa związków jest znacznie szersza. Oprócz polimerów syntetycznych, które stanowią budulec tworzyw sztucznych, występują także polimery naturalne, powszechne w przyrodzie. To właśnie one są jednym z podstawowych elementów budulcowych organizmów żywych.

Właściwości chemiczne polimerów

Każda z substancji może mieć swoje indywidualne cechy. Można jednak wyodrębnić kilka właściwości chemicznych polimerów, które są wspólne dla wszystkich związków tego rodzaju. Oto one.

• Odporność na działanie środków chemicznych. Przykładem są tworzywa sztuczne używane do produkcji opakowań, znajdujące się w ich wnętrzu chemikalia nie wchodzą z nimi w reakcję.
• Izolacja elektryczna i termiczna. Polimery są dobrymi izolatorami. To właśnie z nich tworzy się materiały wykorzystywane do produkcji warstw ochronnych na przewodach czy gniazdek elektrycznych. Właściwości związane z oporem cieplnym pozwalają na wykorzystanie tworzyw w domu, np. w uchwytach naczyń.
• Duża wytrzymałość przy jednoczesnej lekkości. Niektóre tworzywa sztuczne są nawet w stanie unosić się na wodzie.
• Łatwa obróbka. Polimery można przetwarzać na wiele sposobów – tworzy się z nich cienkie warstwy (np. włókna tekstylne) i solidne konstrukcje szkieletowe. Łatwo przyjmują określony kształt.

W jaki sposób powstają polimery?

Powstawanie polimerów może się odbywać na dwa sposoby: poprzez polimeryzację i polikondensację.

W pierwszym z procesów dochodzi do reakcji łańcuchowej, w której monomery łączą się ze sobą. Nie towarzyszy temu powstawanie żadnych produktów ubocznych. Aby doszło do polimeryzacji, konieczne jest wykorzystanie inicjatora – substancji, która powoduje rozpoczęcie reakcji, po czym sama zużywa się bezpowrotnie. Łączące się ze sobą monomery mogą pierwotnie znajdować się w fazie stałej, ciekłej lub gazowej. Do tworzyw sztucznych powstających w wyniku polimeryzacji należą m.in.:

• polietylen LDPE i HDPE,
• polichlorek winylu (PVC),
• polipropylen (PP),
• polistyren (PS).

Podczas polikondensacji powstaje makrocząsteczka, czyli polimer, oraz – jako produkt uboczny – inna substancja, np. woda, amoniak czy chlorowodór. W przypadku tej reakcji łańcuch polimerowy powstaje stopniowo. Do najpopularniejszych tworzyw wytwarzanych w procesie polikondensacji należą:

• poliamidy,
• żywice fenolowo-aldehydowe,
• żywice epoksydowe,
• niektóre poliestry.

Na kolejnych etapach produkcji tworzyw sztucznych, często niezbędne są różnego rodzaju dodatki, takie jak np. stabilizatory czy modyfikatory. Dzięki nim można wyprodukować materiały o konkretnych właściwościach. Całą gamę dodatków do tworzyw sztucznych znajdziemy w ofercie Grupy PCC, która dostępna jest na Portalu Produktowym.

Jakie są rodzaje polimerów?

Wszystkie polimery można podzielić według kilku kryteriów – ze względu na pochodzenie, kształt i układ cząsteczek, jednorodność struktury chemicznej oraz budowę.

Polimery mogą być pochodzenia:

• syntetycznego – powstają wówczas w 100% w wyniku syntezy chemicznej pojedynczych merów;
• naturalnego – są wytwarzane przez organizmy żywe; to np. celuloza, białka czy kwasy nukleinowe;
• naturalnego, ale po modyfikacji za pomocą reakcji chemicznych, np. octan celulozy czy skrobia modyfikowana – to polimery modyfikowane.

Poszczególne rodzaje polimerów różnią się od siebie także strukturą łańcucha. Pod tym względem wyróżnia się m.in. polimery liniowe, rozgałęzione, drabinkowe czy usieciowane. Cząsteczki polimerowe mogą mieć także nietypowe kształty – układać się jak ogniwa łańcucha czy drzewo.

W innym podziale bierze się pod uwagę to, ile merów znajduje się w jednym łańcuchu. Jeśli łańcuch powstaje z jednego bloku merów, mamy do czynienia z homopolimerami. Jeśli jest ich dwa lub więcej, takie związki nazywa się kopolimerami.

Większość polimerów to związki organiczne. Istnieje jednak dość duża grupa polimerów nieorganicznych, czyli takich, które nie zawierają związków węgla. To m.in. wielosiarczki, polisiloksany czy polifosfazeny. Jeśli chodzi o inne formy budowy, to wśród polimerów organicznych wyróżnia się:

• poliolefiny, składające się tylko z węgla i wodoru, zawierających długie łańcuchy węglowe – do tej grupy należy m.in. polietylen, polistyren, polipropylen;
• polimery winylowe – tu również występują długie łańcuchy węglowe, ale te substancje powstają w wyniku rozerwania wiązań pomiędzy atomami węgla, przykładem jest polichlorek winylu;
• polietery – polimery, w których występują wiązania eterowe;
• poliamidy – polimery z wiązaniami amidowymi (−NH−C(O)−);
• poliuretany – zawierające wiązania uretanowe (−NH−C(O)−O−);
• poliestry – z wiązaniami estrowymi (−C(O)−O−);
• poliwęglany – z wiązaniami węglanowymi (−O−C(O)−O−).

Ważną cechą, wpływającą na zastosowania polimerów, jest ich układ molekularny. Substancje mogą mieć formę amorficzną, pozbawioną jakiejkolwiek struktury i porządku. Są wówczas najczęściej przezroczyste, co pozwala stosować je np. do produkcji opakowań czy soczewek kontaktowych. W innych rodzajach polimerów atomy układają się we wzory, tworząc krystaliczne struktury. Taki materiał jest nieprzezroczysty. Stopień krystalizacji w przypadku niektórych polimerów można do pewnego stopnia kontrolować, zmieniając ich właściwości – zwiększając ich wytrzymałość, sztywność i odporność chemiczną.

Polimery – przykłady zastosowania tworzyw sztucznych w przemyśle i budownictwie

Nazwy najpopularniejszych polimerów (poliester, poliamid czy polietylen) pojawiły się już powyżej. Teraz pora uporządkować informacje i pokazać, do czego wykorzystuje się poszczególne rodzaje materiałów.

Obecnie praktycznie nie ma dziedziny, w której polimery nie znajdowałyby zastosowania. Pojawiają się w medycynie, elektronice, kosmetyce, a prawdopodobnie także w Twoim gospodarstwie domowym. Obszarami, w których wykorzystuje się je najczęściej, są jednak przemysł i budownictwo. Oto wybrane przykłady zastosowań polimerów w tych gałęziach gospodarki:

• fenoplasty – tworzywa sztuczne produkowane na bazie żywic powstających z polimeryzacji fenolu i formaldehydu, wykorzystywane do produkcji uchwytów narzędzi, okładzin hamulców i sprzęgieł, jako dodatek do lakierów, klejów, spoiw;
• żywice epoksydowe – tworzywa termoutwardzalne, używane m.in. podczas produkcji laminatów, klejów do metalu, lakierów antykorozyjnych i izolacyjnych;
• polietylen – składnik wielu opakowań: folii, kartonów na mleko, toreb jednorazowych;
• polipropylen – popularny składnik okablowania, sprzętu medycznego, tkanin technicznych, wykładzin, rur, zabawek;
• polichlorek winylu, wykorzystywany m.in. do produkcji paneli podłogowych, rur i węży, a także jako składnik klejów i lakierów;
• poliamid – używany do produkcji włókien nylonowych, a także kół zębatych, rur ciśnieniowych i innych części maszyn, folii opakowaniowych, wykładzin;
• poliwęglan – ze względu na dużą wytrzymałość nadaje się do produkcji przezroczystych szyb: w szczególnie strzeżonych budynkach, samolotach, hełmach astronautów czy pojazdach Formuły 1;
• poliuretan – tworzy się z niego pianki wykorzystywane w przemyśle meblarskim, samochodowym, tekstylnym, a także w budownictwie – do uszczelniania.

Przeczytaj również: podział tworzyw sztucznych ze względu na ich zastosowanie