Polimerowe materiały konstrukcyjne

Polimerowe materiały konstrukcyjne są powszechnie stosowane we wszystkich gałęziach wytwórczości, przy czym w ostatnich dekadach nasila się trend zastępowania nimi metali. Dzieje się tak ze względu na cenę oraz właściwości mechaniczne przynoszone przez polimery. Umożliwiają one bowiem wykonywanie złożonych elementów w jednym cyklu produkcyjnym. Elementy wykonane z tworzyw sztucznych są lżejsze niż te wykonane z metali i nie ulegają korozji. Ponadto możliwe jest zaprojektowanie praktycznie wszystkich właściwości tworzywa przewidzianego do określonego zastosowania. 

Inne korzystne cechy tworzyw to własności elektroizolacyjne i termoizolacyjne, możliwość barwienia w masie oraz tłumienie drgań akustycznych.

Metale wskazują natomiast kilkakrotnie większą sztywność i wytrzymałość oraz są niepalne. Pomimo znacznego postępu w dziedzinie polimerów przewodzących nie jest obecnie jeszcze możliwe szerokie stosowanie innych niż metalowe przewodników prądu.

Wytrzymałość mechaniczna jest określana przez naprężenie na granicy plastyczności, moduł elastyczności i udarność oraz przez zależności tych parametrów od temperatury. 

Elementy wykonane z polimerowych materiałów konstrukcyjnych winny mieć zdolność do pracy w warunkach działania obciążenia w szerokim zakresie temperatur, a także naprężeń oraz wykazywać odporność na działanie środowiska naturalnego i określonych środków chemicznych.

Termostabilność polimerów

Termostabilność polimerów

Z punktu widzenia zastosowań praktycznych istotne jest określenie maksymalnej temperatury w jakiej polimer może być eksploatowany bez zmiany swoich właściwości. Termostabilność jest określana przez temperaturę, w której rozpoczyna destrukcja chemiczna polimeru.

Za polimer termoodporny uznawany jest taki, który nie ulega degradacji w czasie długotrwałej eksploatacji w temperaturze do 170 st. C i nie zmienia kształtu ani nie ulega stopieniu przy krótkotrwałym ogrzewaniu do poziomu 400 st. C. Badania właściwości termicznych umożliwiają oszacowanie czasu długotrwałej pracy tworzywa, a także pozwalają określić maksymalna dopuszczalną temperaturę pracy i maksymalna temperaturę przetwórstwa.

Termiczna stabilność jest ściśle związana z budową makrocząsteczki. Polepszeniu odporności termicznej sprzyja większa sztywność makrocząsteczki, która można podwyższyć np. przez obecność pierścieni aromatycznych i heterocyklicznych, czy wiązań wodorowych. Duże znaczenie ma również symetria budowy, obecność podstawników bocznych w łańcuchach oraz usieciowanie.

Tworzywa i zasoby naturalne

Istotą, za którą kryje się takie powodzenie tworzyw sztucznych są trzy flary: oszczędność energii, racjonalne wykorzystanie zasobów naturalnych oraz ochrona konsumentów. W temacie tworzyw sztucznych i zasobów naturalnych można mówić o mnóstwie korzyści, ale główna zaleta odnosi się do zauważenia jednego podstawowego faktu.

Znaczna większość wydobywanej ropy naftowej w skali światowej jest wykorzystywana bezpośrednio jako źródło energii i w dodatku 87% światowych zasobów jest spalana jako paliwo w transporcie lub jako źródło do wytwarzania energii na potrzeby ogrzewania, zasilania elektrycznego, itp.

Jeśli chodzi o zużycie ropy naftowej i gazu ziemnego w Europie, to wśród branż je konsumujących dominuje transport z udziałem 42%, potem są ogrzewanie, elektryczność i energia – 42%, przemysł chemiczny - 5% i właśnie przemysł tworzyw sztucznych - 4%.

Tworzywa sztuczne wykorzystują nie tylko zatem jedynie 4% wydobywanej ropy naftowej, ale także zasoby zużyte do ich produkcji są w różnych formach odzyskiwane. Oznacza to, że tworzyw sztuczne - mówiąc obrazowo – pożyczają jedynie te zasoby, a ich wartość energetyczna jest zwracana już po zakończeniu cyklu życiowego, czyli eksploatacji wyrobów z tworzyw. Jest to możliwe dzięki odpowiednim zagospodarowaniu odpadów, np. przetworzenia ich na paliwo alternatywne czy spalanie z odzyskiem energii.

Podział polimerów ze względu na własności cieplno - przetwórcze

Ze względu na właściwości cieplno – przetwórcze polimery (tworzywa sztuczne) dzieli się na termoplastyczne i utwardzalne.

Tworzywa termoplastyczne, czyli termoplasty są zdolne do wielokrotnego przechodzenia pod wpływem ciepła ze stanu stałego w stan plastyczny lub ciekły oraz odwrotnie bez istotnych zmian właściwości. Dzielimy je na bezpostaciowe (amorficzne) i częściowo krystaliczne.

W skład termoplastów wchodzą m.in. polietylen, polipropylen, kopolimery etylen – propylen i etylen winyl, polichlorek winylu, polistyren, ter polimer ABS, poliamidy, PMMA, poliwęglany, poliacetale, poliestry termoplastyczne.

Z kolei polimery utwardzalne (duroplasty) dzieli się na tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne. Mogą być przetwarzane tylko jednokrotnie ze względu na strukturę przestrzennie usieciowaną.

Tworzywo termoutwardzalne pod wpływem ciepła lub czynników fizycznych przekształca się nieodwracalnie w materiał usieciowany i nietopliwy. Do polimerów termoutwardzalnych należą fenoplasty i aminoplasty.

Tworzywa chemoutwardzalne pod wpływem środków chemicznych, tzn. utwardzaczy przekształcają się w materiał usieciowany i nietopliwy. Proces ten dokonuje się w temperaturze pokojowej lub podwyższonej. Do polimerów chemoutwardzalnych należą żywice poliestrowe i epoksydowe.

Tworzywa sztuczne w architekturze

Prawie sto lat temu holenderski artysta i architekt Theo van Doesberg ogłosił, że architektura jest plastyczna. Uważał on bowiem, że architektura to dziedzina, w której wszystko sprowadza się do kształtowania i modelowana i wierzył, że zadanie nowoczesnego architekta polega na plastycznym kształtowaniu każdego aspektu budowli, przede wszystkim zaś jej przeznaczenia, masy, powierzchni, czasu, przestrzeni, światła, koloru i co najważniejsze materiału. 

Wdrożenie tych słów w czyn nie było jednak łatwe, bo na początku 20 wieku tworzywa sztuczne, czyli najbardziej plastyczny materiał, nie były jeszcze praktycznie znane. Jednak dzisiaj hasło zapoczątkowane przez van Doesburga daje się już łatwo urzeczywistniać, bowiem architekci na potęgę wykorzystują tworzywa sztuczne sprawiając, że wizja architektury Holendra stała się powszechnością.

Tworzywa sztuczne inspirują architektów do tworzenia budowli o zaskakująco nowych kształtach i rozmiarach. I to zarówno w wymiarze monumentalnym, jak i bardzo pospolitym. Stosując tworzywa sztuczne można wyrażać nowe koncepcje i idee, które nie były możliwe do przekazania przy pomocy tradycyjnych materiałów. Obecnie tworzywa można spotkać wszędzie i w każdego rodzaju budowlach: od drapaczy chmur i domów mieszkalnych aż po mosty, drogi i zabudowę przestrzeni publicznej.

Dzięki tworzywom budynki stają się bardziej przyjazne środowisku naturalnemu. Tworzywa, jako lżejsze od tradycyjnych materiałów, wymagają znacznie mniejszych nakładów energii przy transporcie i wykorzystaniu na placu budowy. Ponadto pozwalają architektom na wiele różnych sposobów, choćby poprzez izolację, na zminimalizowanie zużycia energii w budynkach.

Ze względu na swoją znaczną trwałość np. rury z tworzyw sztucznych zapewniają w sposób bezpieczny i chroniony dostarczanie wody, elektryczności i gazu do budynków, stanowiąc przy tym solidne wzmocnienie betonowych konstrukcji. Ponadto budynki o fasadach, wnętrzach i konstrukcjach z tworzyw sztucznych dłużej zachowują atrakcyjny wygląd, ponieważ tworzywa są mniej podatne na niekorzystne wpływy warunków zewnętrznych.

Praktyczna klasyfikacja polimerów

W chemii polimerów stosuje się klasyfikacje według budowy chemicznej i według sposobów ich otrzymywania. Z praktycznego punktu widzenia istotna jest klasyfikacja według właściwości mechanicznych i według właściwości cieplno – przetwórczych.

Według właściwości mechanicznych polimery klasyfikuje się na elastomery i plastomery. Z kryterium podziału przyjęto zachowanie się polimeru w temperaturze pokojowej w układzie naprężenie – odkształcenie. Elastomerami są polimery charakteryzujące się małym modułem Younga od 1 do 4 MPa i odwracalnym wydłużeniem przy rozciąganiu do 1000% i więcej, czyli tworzywa te są w znacznym stopniu sprężyste.

Temperatura zeszklenia znajduje się poniżej temperatury pokojowej, zwykle w zakresie temperatur ujemnych, a zakres temperatury użytkowej znajduje się w obszarze stanu wysokoplastycznego. W skład elastomerów wchodzą m.in. kauczuk naturalny, wszystkie rodzaje kauczuku syntetycznego, poliizobutylen, a także niekiedy są tam zaliczane polietylen i niektóre odmiany zmiękczonego polichlorku winylu.

Plastomerami nazywa się polimery o dużym module Younga (1000 – 2000 MPA lub więcej) oraz wydłużeniu przy rozciąganiu od 1 do 200%. Temperatura zeszklenia plastomerów jest wyższa od temperatury pokojowej, a zakres temperatury użytkowania znajduje się w obszarze stanu szklistego lub twardego. Do plastomerów zaliczamy pozostałe polimery, zarówno termoplastyczne jak i utwardzalne.

Budowa fizyczna polimerów

W zależności od zdolności makrocząsteczek do tworzenia układów uporządkowanych polimery występują w postaci nieporządkowanej, czyli amorficznej lub bardziej czy też mniej krystalicznej. 

Polimery krystaliczne są to polimery o regularnej liniowej budowie łańcucha lub tez zawierające grupy silnie polarne, które tworzą struktury trójwymiarowe, uporządkowane na poziomie wymiarów atomów.

Te uporządkowania struktury powstają na skutek ruchów termicznych i oddziaływań międzycząsteczkowych chaotycznie skłębionych łańcuchów polimerów, ale nie w całej jego masie lecz w pewnych obszarach. Tak więc polimery krystaliczne zawierają obszary uporządkowane – krystaliczne oraz obszary bezpostaciowe – amorficzne.

Te polimery, w których udział fazy krystalicznej jest mały są nazywane polimerami semikrystalicznymi. Obszary krystaliczne w polimerach semikrtystalicznych stanowią nietrwałe węzły sieci łańcuchów polimerów. Znikają one w temperaturze topnienia. Cecha ta decyduje o przydatności polimerów w wielu zastosowaniach praktycznych. Do polimerów semikrystalicznych należą termoplastyczne elastomery, które w warunkach użytkowania wykazują właściwości typowe dla kauczuków usieciowanych, ale mogą być przetwarzane w stopie metodami typowymi dla termoplastów. 

Makrocząsteczki o mniej regularnej budowie, np. silnie rozgałęzione, krystalizują tylko częściowo lub w ogóle nie krystalizują. Pozostają one w stanie amorficznym. Z punktu widzenia fizyki polimery amorficzne są przechłodzonymi cieczami.