PRZEWODNIK PO DOBORZE MATERIAŁU

14.01.2022

NA TECHNICZNE WYROBY Z TWORZYW SZTUCZNYCH

KRÓTKA HISTORIA POLIMERÓW I KOMPOZYTÓW –

Kiedy myślisz o plastiku, co przychodzi Ci do głowy? Tanie zabawki? Opakowania? A może plastikowa torba? Oczywiście, że tak. Ale czym jest na przykład wełniany sweter? Albo płatki kukurydziane? A może stara dębowa szafa? Z punktu widzenia chemika wszystkie te rzeczy są wykonane z tej samej klasy materiałów: polimerów. Rozróżnienie między tym, które z nich nazywamy „tworzywami sztucznymi”, a które nie, jest dość arbitralne. Na przykład średniowieczni rzemieślnicy robili okna do latarni z przezroczystych kawałków zwierzęcego rogu. Róg jest wykonany z keratyny – polimeru zawierającego atomy węgla i azotu – tego samego materiału, z którego zbudowana jest skóra i włosy, w tym wełna. Polimery to niezwykle długie powtarzające się cząsteczki, które w przypadku tworzyw sztucznych są zbudowane głównie z atomów węgla.

Polimery i tworzywa sztuczne pochodzenia naturalnego są obecne znacznie dłużej, niż można sobie wyobrazić a dokładniej tak długo, jak długo człowiek używał drewna. Dzieje się tak dlatego, że około połowa przeciętnego kawałka drewna to celuloza – polimer, który zapewnia twarde ściany komórek roślinnych. To właśnie długie pasma celulozy są oddzielane przez przemysł celulozowy i nadają papierowi wytrzymałość. To również celuloza dostarczyła surowca do wielkiego przełomu w nowoczesnych tworzywach sztucznych – materiału „Parkesine”, odkrytego przez brytyjskiego wynalazcę Alexandra Parkesa. Pierwsze zastosowanie znalazł w produkcji kul bilardowych (wcześniej wykonywanych z kości słoniowej), następnie bracia Hyatt dodając kamforę i poprawiając plastyczność plastiku, przemianowali go na celuloid w 1870 roku, dostarczając w ten sposób surowiec dla przemysłu filmowego.

Samochody i filmy to nie jedyne technologie, których narodziny ułatwiły te wczesne tworzywa sztuczne. Elektryfikację po raz pierwszy umożliwiła guma, którą można było stosować do izolowania przełączników elektrycznych, natomiast pierwsze okrętowe kable telekomunikacyjne z 1851 r. były pokryte ochronną warstwą gumowego kuzyna zwanego gutaperką. Ale wielki przełom – prawdopodobnie narodziny nowoczesnej ery tworzyw sztucznych – nastąpił w 1907 roku, wraz z wynalezieniem bakelitu przez urodzonego w Belgii Amerykanina Leo Baekelanda. Był to pierwszy plastik syntetyczny – pierwszy pochodzący nie z roślin czy zwierząt, ale z paliw kopalnych. Baekeland użył fenolu, kwasu pochodzącego ze smoły węglowej. Jego praca otworzyła drogę dla znanych już tworzyw sztucznych – polistyrenu w 1929 r., Poliestru w 1930 r., Polichlorku winylu (PVC) i polietylenu w 1933 r., Nylonu w 1935 r. Ale tym, co naprawdę napędzało rozwój branży, były wysiłki wojenne, ponieważ tworzywa sztuczne były używane we wszystkim, od pojazdów wojskowych po izolację radarów. Firmy petrochemiczne budowały zakłady przetwarzające ropę naftową w plastik w ogromnych ilościach, ale pod koniec wojny w 1945 roku przemysł stanął w obliczu nadmiaru. Aby utrzymać produkcję, należało myśleć nieszablonowo – zwrócono uwagę na rynek masowych towarów konsumpcyjnych, wprowadzając nowe produkty, takie jak Tupperware, wprowadzone na rynek w 1948 roku. Przykładem może być jedno z najszerzej znanych tworzyw jaki jest politereftalanu etylenu (PET) wynaleziony w 1941 roku, aby pokazać, jak wszechstronne mogą być te tanie nowe materiały. Dziś używany do produkcji butelek do napojów gazowanych, ponieważ jest wystarczająco mocny, aby utrzymać ciśnienie dwóch atmosfer, ale PET stosowany jest również na miękkie zimowe rękawiczki czy folie do pakowania kwiatów- jeden materiał a tak wiele możliwości! Istnieje dosłownie setki tysięcy różnych rodzajów polimerów, których właściwości można zmienić poprawiając ich strukturę, przykładem może być polietylen, z bloku budulcowego C2H4, wprowadzając tylko jeden atom węgla i wodoru otrzymuje się polipropylen, znacznie bardziej wytrzymały materiał.

Syntetyczne tworzywa sztuczne mają tę dodatkową zaletę, że pozornie mogą przetrwać wieczność. Nie wyewoluowały żadne organizmy zdolne do trawienia tych skomplikowanych i obcych materiałów.
Ale ta zaleta jest oczywiście również wielką wadą. Istnieją pewne dowody na to, że bakterie mogą ewoluować, aby pożywić się tymi śmieciami, wykorzystując energię zawartą w wiązaniach węglowodorowych polimerów. Ale na pewno są lepsze rozwiązania – na przykład tworzywa sztuczne przeznaczone do rozkładu. Przykładem może być kwas polimlekowy (PLA) pochodzący ze skrobi kukurydzianej, tej samej substancji, z której w większości składają się płatki kukurydziane. Skrobia, podobnie jak celuloza, jest polisacharydem – długim łańcuchem połączonych ze sobą cząsteczek cukru. PLA można wykorzystać do produkcji toreb plastikowych ale również włókien na odzież. Tymczasem celulozę można przekształcić nie tylko w celuloid, ale także celofan do pakowania żywności lub sztuczny jedwab. Wszystkie te polimery są kompostowalne. W ciągu miesięcy lub lat będą stopniowo rozkładane przez mikroby. Skąd przede wszystkim pozyskujemy tworzywa sztuczne? Obecnie większość z nich pochodzi z ropy i gazu zmiennego. Kiedy te ograniczone źródła w końcu się wyczerpią, oczywistym rozwiązaniem będzie powrót do czasów Parkesa i zwrócenie uwagi na biologię.

KOMPOZYTY

Wydawać by się mogło, że kompozyty należą do stosunkowo młodych materiałów, jednakże pierwsze materiały kompozytowe postały już w 3400 roku przed naszą erą! Starożytne społeczeństwo w Mezopotamii sklejało drewniane paski jeden na drugim pod różnymi kątami, aby stworzyć sklejkę. Następnie około 2181 roku p.n.e. Egipcjanie zaczęli robić maski pośmiertne z płótna lub papirusu nasączonego gipsem. Później obie te społeczności zaczęły wzmacniać swoje materiały słomą, aby wzmocnić cegły mułowe, ceramikę i łodzie. Pierwsze łuki kompozytowe, wykonane z drewna, bambusa, kości, ścięgien bydlęcych, rogu i jedwabiu połączonych żywicą sosnową datuje się na 1200 r. Po rewolucji przemysłowej żywice syntetyczne zaczęły przybierać stałą postać dzięki procesom polimeryzacji. W XX wieku ta nowo odkryta wiedza na temat związków chemicznych doprowadziła do powstania różnych tworzyw sztucznych, takich jak poliester, fenol czy winyl. Lata 30. XX wieku były niezwykle ważnym czasem dla rozwoju kompozytów. Włókno szklane wprowadzone przez Owens Corning, czy pierwsze włókno węglowe opatentowane w 1961 roku zapoczątkowały nową erę materiałów kompozytowych. W połowie lat 90., kompozyty zaczęły być coraz bardziej powszechne w produkcji i konstrukcji ze względu na ich stosunkowo niski koszt w porównaniu z materiałami, które były wcześniej używane. Oszczędność masy jest jednym z głównych powodów stosowania materiałów kompozytowych zamiast konwencjonalnych materiałów. Chociaż kompozyty są lżejsze, mogą być również mocniejsze niż inne materiały, na przykład wzmocnione włókno węglowe może być do pięciu razy mocniejsze przy jednej piątej ciężaru tego samego elementu wytworzonego ze stali gatunku 1020, dzięki czemu idealnie nadaje się do celów konstrukcyjnych. Kolejną zaletą stosowania kompozytu w porównaniu z konwencjonalnym rodzajem materiału jest odporność termiczna i chemiczna, a także właściwości izolacyjne. W przeciwieństwie do konwencjonalnych materiałów, kompozyty mogą mieć wiele właściwości, które często nie występują w jednocześnie w materiale. Kompozyty wzmocnione włóknem, znajdują coraz większe zastosowanie w projektowaniu i wytwarzaniu produktów końcowych do komercjalizacji. Przykładami zastosowań kompozytowych jest sprzęt elektryczny, struktury lotnicze, infrastruktura, rury i zbiorniki.

Kolejna część artykułu ukaże się w piątek 28.01.2022.

Zapraszamy na Nasz kanał na YouTube! : https://www.youtube.com/channel/UC1Ksz8qy_IfnjNJHUkBmQCg
oraz Facebook: https://www.facebook.com/klgspcim

Poprzedni post na blogu: https://klgs.pl/blog/targow-w-kielcach-ciag-dalszy/