Plasty, polymery Milan Haminger BiGy Brno 2017

Od roku 1979 se na světě vyrábí více plastů než oceli.

Souhrnná výroba činí 180 000 000 tun za rok.

Plasty kolem nás • Zdravotnické pomůcky, optika

• Hygienické pomůcky

• Textilní vlákna

• Pomůcky v domácnosti

• Obaly potravin, průmyslových výrobků

• Obuvnické materiály

• Gumárenství, dopravní prostředky

• Elektronika

• Elektroinstalace, voda, tepelná izolace, okna(rámy)

• Zdravotnické materiály

• Ložiska

• Těsnění, potrubí

• Dopravní prostředky

Pod pojmem plasty se skrývají rozličné

materiály s různými vlastnostmi.

Ačkoli jsou často používány jako

náhražky za jiné drahé materiály, jsou

mezi nimi materiály které vysoce

překonávají vlastnosti přírodních

materiálů.

Škoda superb

Mery, monomery a polymery

Vlastnosti, výhody, nevýhody

Rozdělení podle chování vůči vyšší

teplotě

• Termoplasty

• Reaktoplasty

• Termosety

• Elastomery

Přírodní makromolekulární látky

Výroba plastů

• Polymerace (+ kopolymerace)

• Polykondenzace

• Polyadice

Polymerace

Polymerace

Polyethylen (PE)

Polypropylen (PP)

Polyvinylchlorid (PVC)

Polystyren (PS)

Polymethylmethakrylát (PMMA)

Polyvinylacetát (PVAC)

Polytetrafluorethylen (PTFE)

Polyakrylonitril (PAN)

Syntetické kaučuky

• Butadien-styrenový kaučuk

CH2 CH CH CH2

CH CH2

• Polybuta-1,3-dien

• Poly-2-methylbuta-1,3-dien (= polyisopren)

• Poly-2-chlorbuta-1,3-dien (= polychloropren)

C C C C

H

H

H

H

H

H

* *

n

C C C C

H

H

CH3

H

H

H

* *

n

C C C C

H

H

H

H

H

H

*

n

C C

H

H

H

*

C C C C

H

H

H

H

H

H

*

n

C C

H

H

H

CN

*

C C C C

H

H

Cl

H

H

H

* *

n

butadienový isoprenový

butadien-polystyrenový

butadien-akrylonitrilový

chloroprenový

Vulkanizace kaučuku

S

S

SS

S

SS

S

S

S

Vlastní kaučuk je měkký,

špatně drží svůj tvar. Po

deformaci se jen mírně vrací

do původního tvaru.

Pro získání pryže(gumy) je

nutné kaučuk vulkanizovat

sírou, která spojí jednotlivé

dlouhé řetězce a vznikne pevná

a pružná hmota.

Rozdílná vulkanizace v praxi

Zimní a letní

pneumatiky se neliší

jen vzorkem. (zimní

mají množství klikatých

zářezů)

Rozdílná je i pryž, letní

jsou tvrdší a provozem

se málo zahřívají.

Polyterpeny

• Přírodní kaučuk

• Gutaperča

Termosety - bakelit

levná náhražka s dobrými vlastnostmi 1907

Rozmach elektřiny na počátku století potřeboval nové

materiály. Levné nehořlavé a izolační. Leo Hendrik

Baekeland přišel s bakelitem, který lze vyrobit z levných

surovin (fenol a formaldehyd). Elektrické zásuvky, obaly

na rádia, zubní kartáčky… prostě hmota na 1000 použití.

Ve třicátých letech je bakelit jednou z nejvíce

využívaných hmot (po oceli).

Až v r.1920 Hermann Staudinger objasnil proč je bakelit

pevný. Zjistil že jsou v něm vytvořeny zesíťované řetězce

s prostorovou strukturou.

Výrobky z bakelitu

Fenolformaldehydové pryskyřice – bakelit,

novolak

• Bakelit a novolak mají

zesíťovanou formu - pevné a

tvrdé.

OHH

C

H

O

CH2

**

OH

n

+ nn

Polymerační výzkum začíná

Objev Hermanna Staudingera (objev struktury) byl příčinou

dalšího výzkumu.. Tím je Staudingerova práce počátkem oboru

chemie polymerů.

Ve světě začíná nové hledání materiálů. V 1930 se objevuje

plexisklo. Průhledný materiál, nerozbitný po zahřátí tvarovatelný.

H

H

CH3

COOCH3

H

H

CH3

COOCH3

*

n

methylmetakrylát

n

Výsledky hledání nových látek

Další materiály PVC polyvinylchlorid a

PTFE teflon přicházejí v roce 1938.

Tyto dvě látky dosáhly obrovského významu. Při

jejich využití se již zdaleka nejedná o pouhé

náhražky, ale o látky s vynikajícími vlastnostmi.

Jsou nehořlavé, při použití změkčovadel jsou

ohebné, stabilní, hygienicky nezávadné.

Elektrické izolanty vydrží vysoké teploty,

podlahové krytiny se snadno desinfikují

(nemocnice), trubky se nezanášejí vodním

kamenem, lze je snadno svářet…

Vzory podlahových PVC

PVC-polyvinylchlorid, igelit, novodur,

novoplast, neralit, vinidur

• Dnes stále jeden z nejvíce používaných

plastů. U nás jej vyrábí Spolana Neratovice.

• V poslední době se poukazuje na ekologická

rizika spojená s PVC

– K výrobě je potřeba chlór. Při výrobě

vznikají i jiné chlorderiváty např. dioxiny.

– Závadnost a uvolňování změkčovadel. Jedná

se o estery kyseliny tereftalové a jiné látky.

– Nevyřešená likvidace.

H

H Cl

H

H

H

Cl

H

**n

n

Nylon 66-polyamid

15. 5.1940 přichází na trh nylon, jako (objevený

r.1929) náhražka hedvábí na punčochy. První den

prodeje se prodá 15 000 000 párů punčoch. Za

války se z něho dělají padáky a jiná speciální

výstroj. Je pevný, lehký a je ho dostatek.

Dnes je to stále jeden z nejlepších materiálů pro

syntetické textilie. Kvalita vlákna závisí i na

metodě zpracování. Studené napínání, tepelná

úprava…

Nylon jako polyamid se dále využívá např. pro

tlakové odlitky …

Výroba nylonu

CH2

4HOOC COOH NH

2CH

2NH

26

CH2

4C C N CH

2N

4

O H H

*

O

*

n

OH2

+ nn

+ n

Při výrobě nylonu vzniká voda, jedná se o polykondenzaci.

Vazba je amidická, podobně jako v bílkovinách

Silon

NH

C135 O CH2

5C140

NH

141

On

n

Vlastnostni podobný nylonu je tento v Československu

vyvinutý polyamid silon. V 60. letech byl jedním z

nejúspěšnějších vývozních artiklů.

Při výrobě voda nevzniká a jedná se o polymeraci.

U nás se punčochám říká silonky

díky materiálu pro jejich výrobu.

Polyuretan - PUR

Polyuretan - molitan, stavební pěna, výplň panelů pro průmyslové stavby, součást lepidel. Obaly, nepromokavé prodyšné membrány. Zátěry švů na stanech, bundách a kalhotách pro extrémní podnínky.

• Elastan – vlákno které lze natáhnout i 3x a ono se vrátí zpět.

Příprava polyuretanu polyadicí

OH CH2

OH4

O C105

N CH2

N C109

O4

O CH2

O4

C115

NH

CH2

N C1194

O

*

O

*n

+

hexamethylendiisokyanát1,4 butandiol

polytetramethylenhexamethylenkarbamát

n n

PE-polyethylen, PP-polypropylen používaný od 5O. let

• Nejvíce používaný plast.

• Masový plast pro výrobu vytlačovaných, vstřikovaných a vyfukovaných výrobků, fólií a trubek

• potřeby pro domácnost, hračky

• kanystry, láhve, sudy

• kontejnery, přepravky, desky

• fólie pro balení potravin

• obaly průmyslového zboží

• trubky pro rozvod vody

• chráničky kabelů

• Netkané textilie

• Polyolefin-tkané textilie

Příprava PE radikálovou polymerací

iniciátor R-R, UV záření

Radikálovou polymerací se vyrábějí také PTFE a

polybutadien.

Přípava PP kationtovou polymerací

Kationtovou polymerací se vyrábějí i

polystyren, polyisobutylen a polyisopren.

C C

H

H CH3

H

C C

H

H

CH3

H

**n

CH3Cl AlCl

3

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

*

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

m

n

propen polypropylen

polypropylen

Polystyren

• Stabilní materiál tvrdý ale

pružný materiál vhodný k

výrobě tažením,tlačením,

vstřikováním. PPS

Potravinářské kelímky

• Snadno lze napěnit a posléze

lisovat do bloků, řezat…Pěnový

polystyren EPS

• Extrudováním lze získat

extrudovaný polystyren XPS,

vhodný pro zatěžované izolace

např. bazény, podlahy…

*

H H

H

*

n

Polyestery

• Textilní materiály velmi

příjemné na dotek, snadná

údržba barevná

stálost…Jsou moderní a

lze je vyrábět recyklací.

• PET lahve – lehké

průhledné, hygienicky

nezávadné, dnes i vratné

(pouze vyjímky).

• Recyklací PET lahví

získáváme surovinu pro

textilní průmysl

• V roce1995 se vyrovnala

cena vratných a PET

lahví, od roku1998 je

levnější použití PET lahví.

• PET lahve výrazně

zvětšují objem

komunálního odpadu.

Polyesterifikace PET O

O O

O

CH3 CH

3OH CH

2CH

2OH

CH2159

CH2161

O

O

O

O

* *n

+

dimethyltereftalát ethylenglykol

Polyethylentereftalát PET

Aramidová vlákna

• Přítomnost aromatických cyklů v řetězci ovlivňuje pevnost a stabilitu vláknitých materiálů. Ta lze využít u pracovních pomůcek (pevné a ohnivzdorné), neprůstřelné vesty, lana, těsnící šňůry v pecích a kamnech…

• Využití i v kompozitních materiálech podobně jako sklolaminát…

C

O

O* *

n

Akryláty

• Vodou ředitelné barvy

• Stavební chemie – tmely s

různou elasticitou

• Trvanlivé probarvené

štukové omítky

• Ekologické, vysoce užitné

materiály. Vlastnosti lze

ovlivnit zesíťováním či

aditivy.

**

H

H

H

CNn

Silikony

• Oleje a maziva (lineární molekula)

• Silikonové kaučuky - jsou stále tvárné (rozvětvená molekula)

• Silikonové pryskyřice (zesíťovaná molekula)

• Odpuzují vodu, jsou odolné k vyšším teplotám, Lze použít k tělním implantátům…

Si O Si O Si O Si O

CH3

C3H

7

CH3

C3H

7

C3H

7

Kopolymery

• Kopolymery jsou polymery složené z různých merů. Tím lze získat rozličné vlastnosti plastů. Některé skupiny zvyšují pevnost, jiné pružnost…

• Množství jednotlivých merů nemusí být 1:1.

• Tím lze vytvářet více či méně zesíťované polymery, které pak mají různou pevnost, tvárnost…

• Některé kopolymery lze použít jako mikrosítě zachycující molekuly určitých látek.

Příklady kopolymerů

CN CN CN CN CN

Kopolymer akrylonitrilu a ethylenu - polyakrylonitrilethylen

Příklad zesíťovaného kopolymeru

Kopolymerace - příprava

polystyrenbutadienového kaučuku

CHCH2CH

2CH CH CH

2

CHCH2

CH2

CHCHCH2* *

n

n n+Polystyrenbutadienový

kaučuk je dnes

nejpoužívanějším kaučukem

pro výrobu pryže, latexů…

Kopolymer se skládá z

různých částí zde styren a

1,3-butadien.

Další trendy v chemii polymerních

materiálů • Polymery tuhnoucí na světle – bílé plomby do zubů, umělý chrup.

• Vysokopevnostní materiály – PE vlákno s podélně vyrovnanými molekulami je pevnější než 30x silnější ocelové lanko.

• Světlovodivá vlákna (náhrada za skelná), jiné optické plasty.(čočky, brýle…)

• OLED displaye

• Polovodiče, tranzistory, procesory

• Biodegradabilní plasty

• Ralstonia eutrophiase – bakterie, která vytváří plasty. Ty se mohou v přírodě rozložit.

• Pryskyřice a lepidla na rozličné materiály-rychle tuhnoucí-sekundová nebo netuhnoucí-disperzní…

• Implantáty bez imunologické odezvy.

• Samorozložitelné implantáty

• Materiály s tvarovou pamětí

Zkratky

•ABS - akrylnitril-butadién-styrol-kopolymér

•ASA - akrylnitril-styrol-akrylester-kopolymér

•EVA - etylén-vinyl acetát kopolymer

•MBS - metylmetakrylát-butadién-styrol-kopolymér

•NR - přírodní kaučuk

•PA - polyamid

•PBTP - polybutaléntereftalát

•PC - polykarbonát

•PCCE - poly-cyklohexán-dimetyl-cyklohexán-dikarboxycyklát-elastomer

•PES - polyétersulfón

•PE, HDPE LDPE - polyetylén, vysokohustotní, nízkohustotní

•PTFE - polytetrafluoretylen

•PMMA - polymetylmetakrylát

•POM - polyoxymetylén

•PPO - polyfenylénoxid

•PP - polypropylén

•PSU - polysulfón

•PS - polystyren

•PUR - polyuretan, termoplastický

•PVC - polyvinylchlorid

•Silikón

•SAN - styrol-akrylnitril-kopolymér

•SB - styrol-butadien-kopolymér

•SBS - styrol.butadien-styrol-blok-kopolymér

•FEP - tetraflluorethylen-hexafluoropropylén-kopolymér