cap. 1. important a materialelor plastice

Injectarea materialelor plastice

13

CAPITOLUL 1

IMPORTANŢA MATERIALELOR PLASTICE Dezvoltarea explozivă a industriei materialelor plastice datorată, pe de o parte apariţiei unor numeroşi polimeri noi cu caracteristici foarte diferite, pe de altă parte perfecţionării tehnologiilor de prelucrare a acestora, a determinat extinderea vertiginoasă în ultimii 20 de ani a aplicaţiilor materialelor plastice, apariţia a numeroase produse din polimeri sintetici sau naturali modificaţi, înlocuitori ai metalelor sau ai altor materiale deficitare, care au invadat mediul artificial în care evoluează viaţa oamenilor, influenţând în mod determinant evoluţia economico-socială [1, 11, 12]. Caracteristicile specifice ale materialelor plastice determină, şi vor determina, realizarea unor produse la un înalt nivel calitativ, cu mari performanţe tehnologice şi de fiabilitate. În ultimii 50 de ani producţia de materiale plastice s-a dublat practic la fiecare 5 ani, astfel încât se estimează că în anul 2010 producţia mondială va fi de 390 milioane de tone [1, 11, 13]. În 2002, în SUA, industria producătoare de utilaje pentru prelucrarea materialelor plastice a creat 1,4 milioane noi locuri de muncă iar vânzările de maşini, utilaje şi echipamente au fost de 300 bilioane USD. În 2006 volumul vânzărilor a crescut cu 9,4% (Equipment Statistics – Annual Report. The Society of the Plastics Industry, Inc. - SPI).

Injectarea, împreună cu extruderea şi calandrarea, constituie principalele tehnici de formare a materialelor plastice. Procedeul de prelucrare prin injectare prezintă de fapt un singur dezavantaj şi anume, costul ridicat al matriţelor de injectat, fapt pentru care, fabricarea produselor prin acest procedeu devine economică numai în cazul unor serii de fabricaţie suficient de mari. Dezavantajul menţionat i-a determinat pe cercetători să acorde o importanţă deosebită modelării şi simulării procesului de injectare în vederea conceperii formei optimizate a obiectelor obţinute prin acest procedeu şi proiectării matriţelor adecvate pentru obţinerea formelor dorite. În figura 1.1 se prezintă schematic şi succint evoluţia prelucrării materialelor plastice prin injectare în ultimii 80 de ani [6, 8, 13].

1920 1940 1960 1980 2007

Rap

ortu

l cal

itate

/ co

st

Cilindrupiston

Melcpiston

Servo control

controlPC

AlimentaredinamicaCAE

Analiza

CAM

TCX

CAD

modulareMatrite

RapidPrototipingEDM

AutomatizareInjectare cumiez fuzibil

Injectarepeliculara

SPCSQC

Injectare canalecalde

Co-injectie

de gazInjectare asistata

Piese cuinsertie

Piesebimaterial

CIM

Injectaresimpla

Injectare multicomponent

Fig. 1.1. Evoluţia prelucrării polimerilor prin injectare [13]

Capitolul 1. Importanţa materialelor plastice

14

Dezvoltarea proceselor de prelucrare a materialelor plastice poate fi considerată ca fiind la fel de importantă ca şi invenția plasticului. Progresul tehnic a învins multe dintre piedicile întâlnite în evoluţia industriei materialelor plastice.

Primele referiri la materialele plastice naturale pot fi regăsite în Vechiul Testament, acestea aflându-se la originea materialelor plastice moderne. Celuloza a fost prezentă pe Terra de când au apărut copacii şi plantele fiind constituentul principal al pereţilor celulari vegetali. Datorită acestui fapt nu există o dată anume pentru descoperirea ei; a apărut înainte de naşterea omului. Recunoaşterea celulozei ca fiind un constituent principal al peretelui celular vegetal a fost în anul 1838 datorită descoperirilor botanistului francez Anselme Payen care a izolat celuloza pentru prima dată din lemn. Atunci a fost înţeleasă structura sa. În prezent celuloza este polizaharida cea mai răspândită în natură şi se află sub observaţia oamenilor de ştiinţă producându-se schimbări în procesul de prelucrare, utilizări şi genetica plantelor (mulţi fermieri fiind interesaţi de mutaţiile genetice pentru a produce cantităţi mai mari de bumbac) [11, 13].

Deşi obţinerea unor derivaţi ai celulozei a fost atribuită profesorului suedez Christian Shonbein, inventatorului englez Alexander Parkes şi antreprenorului american John Wesley, practic, cel din urmă este considerat ca fiind părintele industriei materialelor plastice. Se pare că totul a început în 1865 când fabrica de bile de biliard Phalon&Colledar a dat un anunţ care promitea 10 000 $ celui care va găsi un înlocuitor pentru fildeş în procesul de prelucrare al bilelor de biliard. Se ajunsese la sacrificarea a aproximativ 70000 de elefanţi pe an, lucru care ar fi dus la dispariţia acestui animal, la un preţ exorbitant al “aurului alb” precum şi la reducerea profiturilor industriei de bile de biliard [12].

Recompensa de $ 10 000 i-a atras atenţia tînărului de 28 de ani, John Wesley Hayatt, tipograf de profesie. După orele petrecute în tipografie, el a lucrat la acest proiect în fiecare zi, până când în 1869 a început să studieze comportamentul nitrocelulozei, un material cu care Parkers şi Shonbein au mai lucrat înaintea lui. După ce a amestecat bine componentele, şi a permis solventului să se evapore complet, înaintea solidificării, a reuşit în scurt timp să fabrice bile de biliard de calitate. Încasând cecul de $ 10 000 Hyatt a format Albany Billiard Ball Company, împreună cu fratele său Isaiah, devenind astfel un competitor direct al firmei Phalon&Colledar, punând piatra de fundaţie pentru industria materialelor plastice [11, 13].

Bazându-se pe o maşină de injectat metal, brevetată în 1870 de John Smith şi Jesse Locke, fraţii Hyatt realizează şi brevetează, în 1872 prima maşină de injectat cu matriţă.

Acesta a fost primul şi cel mai important pas în dezvoltarea industriei obţinerii şi prelucrării materialelor plastice. De atunci s-au mai făcut mulţi paşi, mai mari sau mai mici dar ce este cel mai important este că s-a dezvoltat industria de prelucrare a materialelor plastice astfel încât astăzi 80% dintre produsele fabricate pe glob au înglobat cel puţin un reper din material polimeric.

În continuare vom puncta cele mai importante momente din evoluţia industriei obţinerii şi prelucrării materialelor plastice.

Francezul Charles Marie de la Condamine a participat între 1735-1744 la o expediţie ştiinţifică în Peru pentru măsurarea meridianului terestru. Coborând pe fluviul Amazon a descoperit arborii de cauciuc în inima pădurii tropicale şi a notat remarcabilele calităţi ale sucului care se scurgea din aceştia [11, 13].

Reacţia de vulcanizare a fost descoperită de americanul Charles Goodyear care lucra într-o zi la un procedeu de tratare a gumei indiene. Întâmplător au căzut câteva picături dintr-un amestec de gumă de cauciuc şi sulf pe un disc cald. A obţinut primul brevet în 1844 dar a trebuit să ducă o luptă continuă cu un mare număr de contrafaceri şi a obţinut câştig de cauză abia în 1852 [11, 13].

În anul 1860, englezul Charles G. William a făcut primul pas în obţinerea cauciucului sintetic separând izoprena. Primele succese industriale aparţin cercetătorilor G. Bouchardot –


15

Franţa, în 1880 şi Tilden – Anglia în 1884. Producţia de cauciuc sintetic (elastomer) a început cu adevărat în timpul celui de-al doilea război mondial vizând înlocuirea cauciucului natural [11, 13].

În 1865 Schutzenberger P. şi Nandin G. V. au încercat să esterifice celuloza cu acid acetic [11, 13].

În 1873 sunt descoperiţi primii esteri de acid acrilic [11, 13]. Descoperirea policarbonatului (PC) s-a făcut în 1898, dar procedeul industrial a fost

pus de către H. Schnell, pentru firma Bayer care a vândut pentru prima dată pe piaţă produsul sub denumirea de Makrolon [11,13]. Polifenilensulfura (PPS) a fost preparată pentru prima dată în 1897 de către cercetătorii Frencsman şi Grenvesse dar în acea perioadă nu s-au găsit aplicaţii. În 1967 la societatea Philis Petroleum s-a pus la punct primul procedeu industrial de fabricare a PPS. Comercializarea produsului s-a făcut de către Philips Petroleum în 1973 [11, 13].

În 1901 dr. Rohm începe primele studii asupra polimetacrilatului de metan (PMMA). În anul 1903 Cron C. F. si Weber L. J. brevetează acetobutariatul de celuloza (CAB). În anul 1905 celuloidul este folosit la inventarea geamului securizat pentru parbrizele

automovilelor. Parbrizele din sticlă au permis ca şofatul să devină mai confortabil şi mai puţin

periculos. Principalul incovenient era acela al posibilităţii rănirii ocupanţilor în urma spargerii accidentale a parbrizului. În 1905, un francez, Eduard Benedictus, artist şi chimist oferă o soluţie - “geamul securizat”. Noul tip de sticlă constă într-un strat de celuloid aşezat între două straturi de sticlă obişnuită. Adăugarea plasticului conferă mai multă flexibilitate geamului securizat care mai mult se îndoaie decât se sparge la impact iar în cazul spargerii parbrizului, majoritatea cioburilor rămân lipite de plastic în loc să se împrăştie [11, 13].

În 1907 este descoperită bachelita de către americanul de origine belgiană Leo Baekeland [12].

În 1908 apare celofanul - noul material transparent pentru împachetat. Chimistul elveţian Jacques Brandenberger, a inventat un proces de fabricare a unui material subţire, flexibil, dar rezistent şi transparent numit de el “celofan”. Brandenberger a lucrat mai mulţi ani la procesul industrial de fabricare al celofanului din lemn. Cariera sa de inventator a început întâmplător când, aflat într-un restaurant a văzut un comesean răsturnând accidental pe faţa de masă un pahar plin cu vin roşu, moment în care s-a decis să inventeze un material subţire, transparent, care să poată fi aplicat pe feţele de masă pentru a le face impermeabile. Brandenberger a încercat să pulverizeze vâscoză lichidă pe materiale, dar vâscoza le făcea prea fragile şi inflexibile. Cu toate acestea, el a observat că stratul format se desprindea sub forma unei folii rezistente şi a realizat potenţialul său ca material de împachetat. Iniţial, Brandenberger spera să vândă celofanul oamenilor bogaţi, pentru împachetarea cadourilor luxuoase. Marca pentru această denumire a fost depusă în 1912 [11, 13]. Tot în 1908, Hermann Staudinger năcut în 1881, supranumit şi “pionierul polimerilor” a realizat primul studiu privind sinteza polimerilor. Pentru întreaga activitate desfăşurată în domeniul cercetării materialelor polimerice va primi premiul Nobel pentru chimie în 1953.

1917 Bachelita transfomă obiectele casnice. Născut în 1863, Leo Hendrik Baekeland a avut succese atât în calitate de chimist cât şi ca antreprenor. Baekeland a făcut studii de chimie la Universitatea din Gent, iar la 26 de ani s-a stabilit în SUA. Primul său succes l-a constituit “Volex” în anii 1890, o hârtie fotografică îmbunătăţită. El a vândut brevetul şi societatea în 1899 inventatorului George Eastman pentru un milion de dolari. Nemuţumindu-se doar cu atât, Baekeland s-a hotărât să producă un izolator ieftin pentru industria electrică. El a descoperit că, reacţia fenolului cu formaldehida producea un plastic solid, dur. Prin încălzire, acest plastic poate fi modelat în diferite forme


16

care pot fi reproduse în milioane de exemplare. De la descoperirea sa în 1907, bachelita a fost folosită mai ales ca izolator pentru produsele electrice, dar după 1920 a revoluţionat şi obiectele casnice. Bachelita a devenit cunoscută ca “materialul cu o mie de întrebuinţări”. În 1917 Rolls Royce va aduce o nouă inovaţie noilor sale maşini - de data aceasta nu la motor ci la schimbătorul de viteze. Mânerul acestuia va fi din bachelită [11, 13].

În 1921 Eichengrun şi Bucholz au proiectat o maşină de injectat pentru acetat de celuloză [11, 13].

În 1924 apar noi răşini folosite la fabricarea vaselor pentru bucătărie. Deşi nu are o denumire foarte atrăgătoare răşina formaldehidă urică a pătruns din 1924 în casele noastre sub multe forme: ca adeziv, ca strat protector de suprafaţă sau ca material solid. Cele două părţi componente ale acestui material, ureea şi formaldehida şi-au găsit o întrebuinţare practică. Ureea este frecvent folosită ca fertilizator iar soluţia de formaldehidă este folosită pentru sterilizarea instrumentelor chirurgicale. Răşina formaldehidică urică este realizată prin încălzirea celor două componente în prezenţa amoniacului. Produsul finit este un polimer care poate fi utilizat ca adeziv sau ca înveliş protector pentru haine. Amestecată cu fibra lemnoasă, ea se transformă într-un material solid, rigid, termorezistent. Tot în 1924 chimiştii Barker şi Schinner au obţinut o sticlă organică comercializată din 1934 sub numele plexiglas [11, 13].

În 1925 firmele Kodac şi Rhone Poulenc au făcut studii pentru producţia acetopropionatului de celuloză (CAP), urmând ca în 1943 să se înceapă producţia industrială.

1930 este anul în care Waldon Semon a realizat un nou material plastic din deşeuri. Lucrând la gigantul chimic B. F. Goodrich, Semon a făcut experimente cu polimeri organici sintetici cum ar fi de exemplu clorura de vinil (PVC) -un material solid cu mică valoare comercială. Procesul descoperit de Semon transformă PVC-ul într-un material plastic malebil şi rezistent. Au studiat de asemenea PVC Bauman (1872), Klatte (1913 - brevetează polimerizarea unui gaz, clorura de vinil) şi Staudinger (1930). Un alt polimer de vinil a avut aceelaşi impact puternic - polistirenul, care a putut fi produs atât ca plastic rigid, cât şi ca material uşor asemenea spumei. Studiile de polimerizare a polistirenului au început între anii 1910-1925, au fost continuate între anii 1929-1935, iar producţia a început în anul 1935 la firma Dow Chemical [11, 13].

În 1933 chimistul britanic R. O. Gibson a creat un material plastic nou, polietilenă din gazul de etilenă. De asemenea, în 1933, germanul Wulff, pune la punct obţinerea polistitenului (PS) folosit la confecţionarea de jucării, ambalaje alimentare, carcase de aparatură electronică etc. În 1933 firma BASF inventează polistirenul expandat (zăpada artificială) utilizat ca izolant termic şi element antişoc. Tot în 1933, societatea Rohn&Haas a introdus pe piaţă primul polimetacrilat de metil (PMMA) [11, 13]. În 1934 apar primele fibre sintetice. Nylonul a fost obţinut pentru prima oară în 1934 de o echipă de cercetători condusă de Wallace H. Carothers, director al departamentului de cercetări fundamentale în fizico-chimie la firma lui Du Pont de Nemours, elev al lui Lavoisier, printr-o reacţie dintre un acid şi o amină. Variind componenţii reacţiei este imposibilă schimbarea proprietăţilor fibrei, dintr-un material dur într-un material moale. Nylonul a fost brevetat în anul 1937. Tot în 1934 a fost introdus pentru prima dată de firma DuPont materialul polivinil florură (PVF), un material termoplastic semicristalin.

Descoperirea materialului stiren-acrilonitril (SAN) s-a făcut căutând să se îmbunătăţească calităţile polistirenului de uz general (rezistenţă chimică şi termică) cu păstrarea proprietăţilor de transparenţă. A fost brevetat în 1935 în laboratoarele IG Farbenindustrie A.G [11, 13].

Polietilena de joasă densitate a fost obţinută în 1935 de englezii Fawett şi Gobson iar fabricaţia industrială a început în 1939 [4]. În 1938 chimistul american Roy J. Plunkett de la Societatea DuPont a reuşit polimerizarea tetrafluoretilenei, o nouă substanţă care nu lipeşte, numind-o Teflon,


17

politetrafluoretilenă (PTFE). Primele instalaţii pilot pentru producţie industrială a acestui polimer au intrat în funcţiune în 1943 la firma DuPont, iar între 1944-1947 în Marea Britanie la firma ICI. Comercializarea produsului a început în anul 1948 [11, 13].

În 1938 apar articulaţiile artificiale. Articulaţiile artificiale sunt doar unele din multele părţi ale corpului care pot fi realizate artificial. Prima artroplastie totală de şold a fost efectuată în 1938, ea fiind perfecţionată în deceniile următoare, prin folosirea de noi materiale şi modalităţi mai performante de prevenire a infecţiilor articulaţiilor protezate. La începutul aniilor 80‘ erau deja realizate articulaţii de genunchi, şold, cot şi degete artificiale [11, 13].

În 1939 firma DuPont – SUA începe comercializarea nylonului. Se pare că mania nylonului a cuprins la vremea respectivă SUA, ducând la o creştere fără precedent a produţiei hainelor realizate din prima fibră sintetică din lume. Nylonul a putut fi văzut pentru prima oară la Târgul Mondial din 1939 de la New York, când gigantul chimic DuPont a şi început să-l comercializeze. A fost folosit pentru confecţionarea paraşutelor utilizate la debarcarea din Normandia. La sfârşitul războiului, Nylonul devenise deja simbol al modernismului şi prosperităţii. Tot în 1939 la concernul german I. G. Farbenindustrie A.G., chimistul Schlock obţine în condiţii de laborator poliamida 6 numită şi perlon. În acelaşi an la fabrica Lichtenberg din Berlin vor fi confecţionate primele perii cu peri din perlon [11, 13].

În 1940 a fost produs primul acrilo-nitril-butadien-stiren (ABS ) de către US Ruben. ABS-ul a fost dezvoltat ulterior în timpul celui de al doilea război mondial.

Tot în 1940 începe producţia industrială de policlorula de vinil (PVC). Primul care a polimerizat policlorula de vinil şi a pus în evidenţă polimerizarea printr-o simplă expunere la lumină a fost cecetătorul Regnault [11, 13].

Poliesterii liniari au fost studiaţi de către Carothers de la firma DuPont şi de către Whinfeld şi Dickson în anul 1941. Producţia comercială a demarat în 1947 de către Societatea ICI prin producţia de fibre şi pelicule din polilietilentereftalat (PET) [8].

În 1942 forţele armate americane au adoptat fibra sintetică de nylon pentru realizarea de paraşute. Acestea au devenit parte importantă a războaielor moderne. Până atunci toate paraşutele erau fabricate din mătase. Producerea mătăsii este lentă şi costisitoare iar paraşutele din nylon au putut fi fabricate ieftin şi rapid [11, 13].

Tot în 1942 începe producţia la scară industrială a polietilenei de joasă densitate (PEJD). Prima instalaţie pilot datează din anul 1937 iar primele studii de polimerizare a etilenei la înaltă presiune au început la firma ICI de către Gibson şi Fawcett.

În 1947 societatea ICI demarează producţia industrială de politilenterftalat (PET) prin producţia de fibre şi pelicule. Poliesterii liniari au fost studiaţi de către Carothers de la firma DuPont şi de către Whinfeld şi Dickson încă din anul 1941.

Între anii 1953 – 1954 a apărut o nouă tehnică de polimerizare după procedeul profesorului germanul Karl Ziegler (premiul Nobel 1963), procedeul de polimerizare la presiune joasă. Această polietilenă se numeşte polietilenă de înaltă densitate (PEID), pentru că densitatea este superioară polietilenei de joasă presiune [11, 13].

În 1954 chimistul italian Giulio Natta obţine noi fibre sintetice din polipropilenă. Aceasta a fost utilizată la fabricarea covoarelor, frânghiilor şi a articolelor de îmbrăcăminte. Natta a demarat un studiu intensiv despre macromolecule. El a descoperit că în condiţii corespunzătoare mii de molecule de propilenă se unesc, formând o imensă moleculă de propilenă. Natta a mai observat că dacă în camera de reacţie era adăugat un catalizator, reacţia avea loc la temperaturi şi presiuni scăzute [12].

1955 reprezintă anul în care inginerul francez Marc Grégoire a lansat o idee strălucită - tigaia miraculoasă (cu Teflon). Conştient de faptul că politetrafluoretilena PTFE putea fi folosită pentru reducerea frecării, Grégoire l-a folosit pentru a creea un înveliş pentru tigăi, atunci când soţia sa i-a cerut să facă ceva ca mâncarea să nu i se mai lipească de vase. Soţii


18

“grijulii” au considerat că bucătăresele vor dori să aibă tigăi care nu lipesc, astfel încât ei au fondat o companie pentru fabricarea acestora, numită Tefal [12].

Tot în 1955 Compania daneză LEGO lansează un nou sistem revoluţionar de contrucţie, bazat pe “cărămizi” colorate care pot fi asamblate într-un număr astronomic de combinaţii diferite. Ole Kirk Christiansen, un tâmplar, a întemeiat compania de jucării în anii 1930, adoptând numele Lego prin coasocierea cuvintelor daneze”leg” (joacă) şi “godt” (bine). Mai târziu, Christiansen şi-a dat seama că printr-o coincidenţă, cuvântul latin “lego” înseamnă “asamblez”. În primii 15 ani, LEGO a fabricat doar jucării din lemn, dar după cel de-al doilea Război Mondial a trecut la cele din plastic. Cărămizile asamblate automat, un predecesor al cărămizilor Lego, au fost lansate în Danemarca în 1948 şi s-au dovedit a fi o adevărată lovitură [12].

În 1958 primul poliacetal a fost produs în SUA de către societatea DuPont sub denumirea de Derlin. Câţiva ani mai târziu Celanese şi Hoechst au introdus pe piaţă copolimerii. În 1970 BASF a produs un copolimer sub numele de Ultraform [12].

În 1960 apare prima valvă artificială de succes. Chirurgii din Oregon au salvat viaţa unui om, redându-i sănătatea, prin implantarea unei valve din plastic şi metal în inima sa. Omul a supravieţuit încă 3 luni – cea mai lungă perioadă de până atunci, trăită de un pacient cu o valvă cardiacă artificială.

Tot în 1960, la firma DuPont Canada, este obţinută polietilena liniară. În 1968 Union Carbide a pus la punct procedeul Unipol în pat fluidizat care a început să fie folosit pe scară mare în anul 1977. De asemenea, în 1960 s-a obţinut policlorura de viniliden (PVD) şi a fost produsă pe scară industrială în 1961 de firma Penn Salt Chemicals. Poliariletercetone (PAEK) a fost pentru prima dată obţinut de către firma DuPont de Nemours în 1962 şi apoi de către ICI în 1964 [12].

În 1963 a început folosirea fibrelor de carbon pentru întărirea compuşilor macromoleculari. Descoperirea care a revoluţionat domeniul materialelor s-a impus şi în industrie la obiectele de uz casnic. Fibrele de carbon au fost folosite pentru a se obţine materiale uşoare, rezistente, tenace cu proprietăţi termice şi electrice deosebite. Polifenilenoxid (PPO) a fost descoperit în 1964 de către cercetătorul Allan Hay în laboratoarele societăţii General Electric. Prima uzină pilot a fost creată la Pittfield în Massachussets şi producţia industrială a început în 1965 la Bethlehem. În Europa polioxifenilenul a luat naştere din colaborarea dintre firma olandeză AKU-POLYCHEIE şi firma americană GENERAL ELECTRIC. Produsul a fost prezentat la expoziţia Europlastica, din Gand, în 1965. Polifenilenoxid a fost denumit de anumiţi producători polifenileneter(PPE). Tot în 1964 a fost inventată o familie de poliamide rezistente la temperaturi înalte: Kinel şi Kapton [12].

În 1965 a fost introdusă în fabricaţie polisulfona (PSU) [10]. În 1970 un tânăr medic din Michingan, dr. Robert Jarvik, împreună cu inventatorul

olandez Willem Kolff, au realizat prima inimă artificială. Dispozitivul numit Jarvik 7, era făcut din plastic, aluminiu şi o fibră artificială, dacron. În 1982 aceasta a fost implantată unui pacient, menţinâdu-l în viaţă 112 zile [6, 12]. Tot în 1970 a apărut pe piaţă materialul polibutilenterftalat (PBT) lansat de societatea CELANESE, urmată apoi de AKAZO, ICI, CIBA, GENERAL ELECTRIC. Materialul polieterimid (PEI) a fost introdus prima dată de dr. Joseph L. Wirt şi echipa, în anul 1970, la centrul de cercetări a lui General Electric din SUA. A fost comercializat după 1982 [12]. Polimerii cu cristale lichide (LPC) au apărut după 1970 şi au fost comercializaţi începând cu anul 1980. Aceştia formează o nouă clasă de materiale cu proprietăţi neobişnuite, de exemplu, o vâscozitate redusă în stare topită.


19

În 1981 Gérard Eleens (Atochem) a realizat familia de materiale sintetice Péba (intermediară între cauciuc şi plastic) folosită pentru fabricarea încălţămintei şi echipamentelor sportive.

Din 1985 DMS (Olanda) şi Allied (SUA) folosesc o polietilenă de 30 ori mai rezistentă la tracţiune decât oţelurile de greutate egală cu ea [11].

În 1986 la firma Mitsui Petrochimical, din Japonia, este descoperită Polimetilenpentena (PMP) [7,12].

În 1987 kevlarul este folosit la veste antiglonţ. Până în 1987 protejarea unui ofiţer implica purtarea unei veste grele de 20 de kg, lucru care nici măcar nu garanta supravieţuirea. Prin anii 1970, firma DuPont îşi făcea cunoscut ultimul tip de fibră sintetică, numită Kevlar concepută de Stephanie Kwolek. Kevlar este un material compact, cu o rezistenţă la întindere remarcabilă. Chimic, kevlarul este cunoscut sub numele de poli-p-fenilen tereftalamid. Este vorba de fapt de un tip de cristal lichid, în care moleculele se dispun asemenea secvenţelor în linie dreaptă dintr-o soluţie. Din fibrele astfel rezultate se poate obţine prin ţesere, un fir foarte puternic, folosit în diferite domenii [12]. După 1991 Firma Solvey a pus la punct amestecul între poliarilamidă şi polipropilenă (PAA+PP) care are rezistenţă la rupere şi rigiditate superioară poliamidelor tradiţionale şi absorţia de umiditate este foarte scăzută şi se face foarte lent [8]. „Nanotehnologia incrementală” implică îmbunătăţirea calităţilor materialelor prin controlul structurii lor la scară mică. De exemplu, sunt deja materiale plastice armate cu particule microscopice, un fel de nano-adeziv. Astfel aceste materiale devin cu mult mai rezistente atât din punct de vedere mecanic, cât şi la acţiunea compuşilor chimici corozivi [8].

Rănile noastre rezultate în urma zgârieturilor se vindecă repede, datorită puterii de coagulare a sângelui ce se adună pe suprafaţa rănii, şi pe care o închide. De multe ori, natura ne dă lecţii, astfel încât recent, un grup de cercetători condus de Kathleen Toohey de la Universitatea din Illinois a aplicat acelaşi principiu în construcţia de materiale plastice, în speranţa că acestea se vor repara singure, odată rupte [13]. Materialele plastice imaginate au o întreagă reţea de canale încorporate, prin care circulă un fluid care se întăreşte în contact cu suprafaţa. Atunci când bucata de plastic se rupe, fluidul ajunge la suprafaţă, unde reacţionează cu un catalizator prezent acolo şi se întăreşte. Cercetătorii au rupt plasticul de şapte ori, iar el tot de atâtea ori s-a reparat singur.

Polimerii s-au afirmat datorită proprietăţilor lor deosebite (rezistenţă mecanică şi termică, rezistenţă la coroziune, densitate mică, prelucrabilitate uşoară, conductivitate electrică şi termică reduse) ca materiale noi, utilizabile în condiţii în care materialele clasice nu făceau faţă [8].

Materialele plastice au permis rezolvarea unor probleme de cea mai mare importanţă pentru domenii de vârf ale tehnicii: în construcţiile aerospaţiale, electrotehnică şi electronică (izolatori ai conductorilor electrici). Au egalat rezistenţa mecanică a metalelor, dar sunt mult mai uşoare şi mai rezistente la agenţii atmosferici, acvatici şi chimici (firele transatlantice); sunt tot aşa de transparente ca şi sticla, dar incasabile; rezistă la umezeală şi bacterii; permit transportul razelor γ (fibrele optice).

Progresele realizate în direcţia obţinerii de polimeri cu stabilitate termică ridicată au mărit prestigiul materialelor plastice. Astfel, posibilitatea utilizării politetrafluoretilenei - PTFE până la aproape 300°C a jucat un rol important în realizarea primelor aparate de zbor cu motoare cu reacţie, a motoarelor electrice (bucşe, lagăre) şi a transformatoarelor cu funcţionare la temperaturi ridicate (izolatori la sârma de cupru). Utilizarea polimerilor silico-organici stabili la temperaturi de peste (400÷500)°C permite reducerea gabaritului motoarelor electrice. Izolarea cu astfel de polimeri permite realizarea unor secţiuni reduse ale conductorilor cu care se bobinează rotorul. Se obţin economii importante în greutate.


20

La avioanele supersonice în timpul zborului suprafaţa metalică poate atinge temperaturi de până la 300°C. Materialele plastice din care sunt realizate parbrizul, geamurile, garniturile de etanşare de la uşi, ferestre, trape trebuie să reziste acestor temperaturi. În anvelopele avioanelor de mare viteză se dezvoltă la aterizare, pentru foarte scurt timp, temperaturi de peste 320°C; polimerii utilizaţi în acest scop trebuie să-şi menţină comportarea elastică şi să reziste suprasolicitărilor. Densitatea de 5 până la 9 ori mai mică decât a metalelor recomandă utilizarea materialelor plastice în aeronautică [13].

Probleme foarte complicate legate de stabilitatea termică la temperaturi foarte ridicate au fost rezolvate prin utilizarea materialelor plastice [2, 3, 5]. De exemplu:

- vârful de atac al rachetelor necesită o finisare perfectă, rezistenţă termică şi în plus o perfectă stabilitate dimensională la şocurile de temperatură obişnuite vitezelor şi altitudinilor mari. Lipsa dilatărilor şi contractărilor, necesare unei bune dirijări a navei nu poate fi obţinută prin utilizarea unei piese metalice, sensibilă la variaţiile de temperatură. Un stratificat de polimer fenolic a rezolvat această problemă datorită coeficientului său de dilatare termică mic şi a bunei sale stabilităţi termice;

- ajutajul prin care ies gazele de combustie la motoarele rachetă nu poate fi realizat numai din metal, dar nici numai din material plastic datorită temperaturilor foarte mari: (3000÷3500)°C. Prin combinarea acestor două materiale se rezolvă problema. Suprafaţa metalului se acoperă cu un polimer corespunzător (de exemplu cu un polimer fenolic). Adus la temperatură înaltă, datorită fenomenului de ablaţiune, polimerul se carbonizează (nu arde), iar stratul format având structură poroasă devine izolant termic, ceea ce totodată încetineşte procesul de descompunere. În final, se obţine un strat cu calităţi de izolant termic excepţionale. De exemplu, dacă în anumite condiţii o suprafaţă de oţel neprotejată ajunge la 1000°C, prin aplicarea unui strat de protecţie din teflon de 5mm temperatura de la suprafaţa metalului ajunge să fie de numai 150°C.

Există polimeri care îşi păstrează proprietăţile mecanice în limite largi de temperatură ((-50…+500)°C). Alţi polimeri, în limite restrânse, au stabilitate chimică mai bună decât aurul şi platina.

Bariera termică a fost învinsă de polimeri. Temperaturile înalte nu mai reprezintă o îngrădire pentru extinderea utilizării materialelor plastice. Prin acceptarea de către aeronautica

Fig. 1.2. Evoluţia producţiei mondiale de materiale plastice [13]


21

modernă (cea mai capricioasă şi pretenţioasă ramură a tehnicii) a utilizării pe scară largă a materialelor plastice se poate considera că acestea au trecut „botezul focului”. Evoluţia producţiei mondiale de materiale plastice este, în acest sens, semnificativă (figura 1.2.). Bibliografie [1] Beaumont, J., P., Nagel, R. and Sherman, R. Successful Injection Molding. Process, Design, and Simulation. Hanser, 2002. [2] Horun, S., Păunică, T., Sebe, O., M., Şerban, S. Memorator de materiale plastice. Editura Tehnică, Bucureşti, 1988. [3] Jinescu, V., Valeriu. Proprietăţi fizice şi termodinamice a materialelor plastice. Editura Tehnică, Bucureşti, 1979. [4] Kirsch, G., Terweyen, H. Thermotrope flussigkristalline Polymere (LCP). Kunststoffe, Nr. 10, 1990; [5] Mills, M., I. Plastics. Microstructure, Properties and Aplications. Eduard Arnold (Publischers), London, 1986. [6] Oprea, C., Bulacovschi, V., Constantinescu, Al. Polimeri. Structură şi proprietăţi. Editura Tehnică Bucureşti, 1986. [7 ] Primet, R. Des Plastiques techniques. Rhone-Poulenc/Techno Nathan, 1990. [8] Şereş, I. Materiale termoplaste pentru injectare. Tehnologie. Încercări. Editura Imprimeriei de Vest, Oradea, 2001. [9] Tadmor, Z., Gogos, C., G. Principles of Polymer Processing, New York, John Wiley & Sons, 1979. [10] Ticktin, A. - Polysulfone (PSU). Kunststoffe, Nr. 10, 1996. [11] *** Encyclopedia 1997 with buyers quide. Modern Plastics, 1997. [12] *** Ştiinţa şi tehnica Secolului XX. Descoperiri şi invenţii ale ultimului secol, care ne-au schimbat viaţa. Editura Aquila’93, 2001. [13] *** www.sciencentral.com.

cap. 1. important a materialelor plastice

Documents