Polimeryzacja

1. Polimeryzacja Zastosowanie polimerów Dariusz Bober kl. II u koniec

2. Polimeryzacja - reakcja, w wyniku której związek chemiczny o małej masie cząsteczkowej zwany monomerem lub mieszanina kilku takich związków reagują same z sobą, aż do wyczerpania wolnych grup funkcyjnych, w wyniku czego powstają cząsteczki o wielokrotnie większej masie cząsteczkowej od substratów, tworząc polimer. Polimery– związki o bardzo dużej masie cząsteczkowej i jednocześnie regularnej, powtarzalnej budowie. Polimery są zbudowane z długich łańcuchów utworzonych ze stale powtarzających się jednostek zwanych merami. Polimery naturalne są jednym z podstawowych budulców organizmów żywych. Polimery syntetyczne są podstawowym budulcem tworzyw sztucznych, a także wielu innych powszechnie wykorzystywanych produktów chemicznych takich jak: farby, lakiery, oleje przemysłowe, środki smarujące, kleje itp. Polimery syntetyczne otrzymuje się w wyniku łańcuchowych lub sekwencyjnych reakcji polimeryzacji ze związków posiadających minimum dwie grupy funkcyjne zwanych monomerami. Grupa funkcyjna (podstawnik) to szczególnie aktywna część cząsteczki, która jest odpowiedzialna za jej sposób reagowania w danej reakcji.

3. Mer to najprostszy, jaki da się wyróżnić, stale powtarzający się fragment cząsteczek polimerów. • Monomery to proste cząsteczki tego samego związku chemicznego, z których w wyniku polimeryzacji powstaje polimer. Monomery stosowane do syntezy polimerów syntetycznych można podzielić na: • monomery winylowe - są to związki posiadające wiązania wielokrotne węgiel-węgiel, (jak np. etylen CH2=CH2), które pękając w trakcie reakcji polimeryzacji prowadzą do powstawania poliolefin • monomery cykliczne - są to związki posiadające naprężone układy cykliczne (np. cyklobutan), które mogą pękać w trakcie polimeryzacji - otrzymuje się w ten sposób wiele polimerów np. poliamidy. • monomery funkcyjne - są to związki, które posiadają minimum dwie reaktywne grupy funkcyjne, które reagując z sobą w wyniku reakcji polikondensacji lub poliaddycji prowadzą do otrzymania polimerów posiadających charakterystyczne układy wiązań np. poliueratanów

4. Reakcje polimeryzacji można podzielić na: • stopniowe - w których reakcja następuje "krok po kroku", tj. najpierw reagują z sobą dwa monomery tworząc dimer, a następnie dimery reagują z sobą tworząc tetramery itd. W stopniowej polimeryzacji masa cząsteczkowa produktu bardzo silnie zależy od stopnia przereagowania monomerów. (Patrz: Równanie Carothersa) Aby więc uzyskać polimer o dużej masie cząsteczkowej należy uzyskać wysoki stopień przereagowania monomerów. • łańcuchowe - w których reakcja następuje "lawinowo", zaczyna się ona od reakcji inicjowania aktywnej formy monomeru, która jest w stanie przyłączać do siebie kolejne monomery w reakcji propagacji pozostając aktywna aż do momentu "śmierci" w wyniku reakcji terminacji. Reakcje terminacji i inicjacji przebiegają stosunkowo wolno, natomiast reakcja propagacji przebiega błyskawicznie, dzięki czemu można w tym procesie uzyskać polimery o dużych masach cząsteczkowych. W polimeryzacji łańcuchowej nie potrzeba osiągać wysokiego stopnia przereagowania monomerów. Masa cząsteczkowauzyskiwanego polimeru zależy głównie od stosunku szybkości reakcji inicjacji i terminacji do szybkości reakcji propagacji. Szczególnym przypadkiem polimeryzacji łańcuchowej jest polimeryzacja żyjąca.

5. Ze względu na techniczny sposób przeprowadzania polimeryzacji rozróżnia się: • Polimeryzację w roztworze - w której środowiskiem polimeryzacji jest odpowiedni rozpuszczalnik, w którym rozpuszcza się zarówno monomery jak i inicjator. • Polimeryzację emulsyjną - w której monomery tworzą cząstki emulsyjne (micele), zaś inicjator znajduje się w roztworze właściwym. Dla utrzymania odpowiedniej struktury miceli, do środowiska reakcji dodaje się związków pomocniczych, które regulują pH środowiska reakcji oraz napięcie powierzchniowe. Produktem polimeryzacji emulsyjnej jest lateks, który może stanowić gotowy produkt końcowy albo z którego wydorębnia się polimer poprzez proces koagulacji emulsji. • Polimeryzację w zawiesinie - w której monomer tworzy dość spore krople zawieszone w roztworze a inicjator znajduje się w tych kroplach. Zawiesinę uzyskuje się poprze intensywne mieszanie monomeru w substancji, w której monomer i inicjator są całkowicie nierozpuszczalne. W praktyce przemysłowej jest to zwykle woda. Polimeryzacja odbywa się wewnątrz kropel monomeru. W jej wyniku powstaje gotowy granulat polimeru.

6. Polimeryzację w bloku - w którym do ciekłego monomeru dodaje się wprost incjator. W wyniku polieryzacji powstaje lity blok polimeru, który może stanowić produkt końcowy, lub który należy poddać granulacji. • Polimeryzację w fazie gazowej - w której monomerami są gazy o niskiej temperaturze krytycznej. Proces polimeryzacji prowadzony jest w adiabatycznych reaktorach rurowych lub autoklawach pod zwiększonym ciśnieniem. W wyniku tego rodzaju polimeryzacji powstaje zwykle pył polimeru, które odfiltrowywuje się, a następnie stapia i granuluje. • Polimeryzacja na granicy faz - w której monomer znajduje się w jednej fazie ciekłej, zaś inicjator w drugiej. Polimeryzacja odbywa się w punkcie styku obu faz. Powstający polimer jest natychmiast "wyciągany" z układu reakcji tak aby utrzymywać cały czas dużą powierzchnię styku faz. W wyniku tej polimeryzacji otrzymuje się włókna lub bardzo cienkie folie.

7. Masa cząsteczkowa polimerów W przypadku masy cząsteczkowej zwykłych związków chemicznych sprawa jest prosta - każdy związek ma jedną masę cząsteczkową, która jest sumą mas atomowych wchodzących w jej skład atomów. Polimery są jednak nietypowymi związkami chemicznymi - w ich skład wchodzą cząsteczki jednego rodzaju, ale z powodu statystycznej natury reakcji polimeryzacji cząsteczki te mają różną ilość powtarzalnych jednostek zwanych merami. W typowym polimerze mamy zwykle do czynienia z całą populacją cząsteczek o różnej masie cząsteczkowej - od bardzo małych (powiedzmy 100 g/mol) do bardzo dużych (milion i więcej g/mol). Dlatego w przypadku polimerów należało stworzyć nowe pojęcie tzw. średniej masy cząsteczkowej.

8. W praktyce stosowane są dwa rodzaje tej średniej: • średnia liczbowo masa cząsteczkowa - którą obliczamy sumując masy cząsteczkowe poszczególnych cząsteczek pomnożone przez liczbę cząsteczek mających daną masę cząsteczkową i następnie dzieląc tę sumę przez ogólną liczbę wszystkich cząsteczek. • gdzie Ni to liczba cząsteczek o masie Mi, zaś N to całkowita liczba wszystkich cząsteczek w próbce. • średnią wagowo masę cząsteczkowa - którą obliczamy sumując masy cząsteczkowe poszególnych cząsteczek pomnożone przez łączną wagę cząsteczek mających określoną masę cząsteczkową i następnie dzieląc tę sumę przez ogólną wagę wszystkich cząsteczek.

9. gdzie: mi to łączna masa cząsteczek o masie cząsteczkowej Mi, zaś m to masa całej próbki. po przekształceniu odpowiada to: Średnia liczbowo masa cząsteczkowa jest zawsze niższa od średniej masowej. Dzieląc średnią masową przez średnią liczbową uzyskujemy polidyspersja (zwany też indeksem polidyspersji) będący miarą tego, czy w polimerze dominuje grupa cząsteczek o zbliżonej masie cząsteczkowej czy, przeciwnie, rozkład mas cząsteczkowych jest bardziej "płaski".

10. Masę cząsteczkową liczbowo średnią można wyznaczać technikami, w których na wynik ma wpływ liczba cząstek - np. w osmometrii, zaś masę cząsteczkową wagowo średnią w technikach, w których na wynik ma wpływ rozmiar cząsteczek, np. w technikach opartych na rozpraszaniu światła. Ze względu na to, że masa cząsteczkowa średnia liczbowo "preferuje" cząsteczki o mniejszej masie, ale częściej występujące w mieszaninie, zaś wagowo średnia "preferuje" cząsteczki o większej masie, ta pierwsza jest zawsze mniejsza od drugiej.

11. Oligomer, dimer, trimer Oligomer to związek chemiczny, który, podobnie jak polimer jest utworzony z pewnej liczby powtarzalnych fragmentów zwanych merami, lecz zawiera on ich niezbyt wielką liczbę. Granica między oligomerami i "prawdziwymi" polimerami jest bardzo płynna. W praktyce, przyjmuje się, że oligomerem jest związek, który nie posiada jeszcze w pełni wykształconych cech fizycznych (np. : temperatury topnienia, lepkości itp.) charakterystycznych dla "prawdziwego" polimeru zbudowanego z tych samych merów. W większości przypadków masowo stosowanych tworzyw syntetycznych (np. : polietylenu) graniczną liczbą merów przy której związek zaczyna mieć już typowe cechy użytkowe polimeru jest ok 100. Dalszy wzrost stopnia polimeryzacji nie ma już dużego wpływu na własności fizyczne polimerów, aczkolwiek jest on wciąż zauważalny.

12. Oligomery są zwykle produktami ubocznymi procesów polimeryzacji i często usuwa się je z końcowego produktu, gdyż "psują" one jego własności fizyczne. Niektóre oligomery produkuje się jednak celowo, czasami po to aby je dalej przetworzyć (tzw. makromonomery), a czasami mają one same z siebie interesujące własności użytkowe i są stosowane jako dodatki do farb, substancje zagęszczające, oleje hydrauliczne a nawet dodatki do kosmetyków. Oligomery o bardzo małej liczbie merów (do mniej więcej dziesięciu) nazywa się dodając do słowa mer, greckie liczebniki (di-, tri-, tetra-): np. : dimer, trimer, tetramer itd... Oligomery mogą mieć budowę liniową, cykliczną lub oligocykliczną. Wiele oligomerów cyklicznych powstaje w określonych warunkach spontanicznie. Np. : formaldehyd pozostawiony na dłużej w temperaturze pokojowej ulega spontanicznej trimeryzacji do trioksanu.

13. Wiele olgomerów cyklicznych jest zdolna do dalszej polimeryzacji poprzez otwarcie pierścienia. Np: wcześniej wspomniany trioksan łatwo polimeryzuje do odpowiedniego polieteru - polioksymetylenu (POM), który jest tworzywem konstrukcyjnym o bardzo dobrych własnościach mechanicznych. Innymi przykładem oligomerów cyklicznych, z których otrzymuje się polimery są: cyklosiloksany, substraty do syntezy silikonów OBJAŚNEINIA Stopień polimeryzacji to liczba określająca z ilu merów jest przeciętnie zbudowany łańcuch danego polimeru. Makromonomer to polimer lub oligomer zdolny do dalszej polimeryzacji. Aldehyd mrówkowy lub formaldehyd (wg nomenklatury IUPAC metanal) to najprostszy związek organiczny z grupy aldehydów o wzorze HCHO (inny zapis - H2CO). Został odkryty przez rosyjskiego chemika Aleksandra Butlerowa w 1859. Silikon (ang. silicone) to popularna nazwa dla tworzyw sztucznych opartych na polisiloksanach i żywicach silikonowych.

14. Systematyka polimerów Podziały polimerów • ze względu na ich pochodzenie • ze względu na topologię cząsteczek, czyli ich ogólny kształt przestrzenny • ze względu na jednorodność budowy • ze względu na budowę chemiczną

15. Podział za względu na pochodzenie • polimery syntetyczne - są to polimery pochodzące w 100% z syntezy chemicznej zaczynającej się od prostych monomerów • polimery naturalne - są to polimery wytwarzane w 100% przez organizmy żywe; są to m.in. celuloza, białko, kwas nukleinowy. • polimery modyfikowane - są to polimery naturalne, które jednak zostały sztucznie zmodyfikowane chemicznie, zwykle w celu zmiany ich własności użytkowych np: octan celulozy, białko modyfikowane, skrobia modyfikowana.

16. Podział ze względu na topologię • polimer liniowy - są to polimery, w których łańcuchy główne są proste i nie mają żadnych rozgałęzień np. : wysokociśnieniowy polietylen lub teflon. • polimer rozgałęziony - są to polimery, w których łańcuchy główne są w ten czy inny sposób rozgałęzione - wyróżnia się tutaj: • polimer bocznołańcuchowy - w którym, krótkie boczne łańcuchy są regularnie bądź nieregularnie rozmieszczone wzdłuż głównego łańcucha; • polimer rozgałeziony wielokrotnie po angielsku hyperbranched, w którym występuje wiele wielkokrotnych rozgałęzień, tak że nie da się już wyróżnić głownego łańcucha; • polimer gwiazdowy - w którym z jednego centralnego punktu wybiega kilka do kilkunastu "ramion" będących zwykłymi liniowymi łańcuchami; • dendrymer - są to polimery rozgałęzione wielokrotnie ale w bardzo regularny sposób, tworzące struktury podobne do fraktali; • polimer drabinkowy - są to polimery, w których występują dwa równoległe łańcuchy główne połączone od czasu do czasu, krótkimi, bocznymi łańcuchami • polimer usieciowany - są to polimery, które tworzą przestrzenną ciągłą sieć, tak że nie da się już w nich wyróżnić pojedynczych cząsteczek. • polimer cykliczny - stosunkowo rzadko spotykany - w którym zamiast liniowych cząsteczek występują ogromne cząsteczki cykliczne.

17. Podział ze względu na jednorodność budowy chemicznej Chodzi tutaj o to, czy polimer jest zbudowany z bloków pochodzących z jednego monomeru, czy też jest zbudowany z bloków pochodzących od dwóch lub więcej monomerów. Polimery zbudowane z wielu bloków pochodzących od kilku monomerów nazywa się kopolimerami. • kopolimer statystyczny - są to polimery, w których występują krótkie losowo przemieszane bloki pochodzące od poszczególnych merów. • kopolimer gradientowy - są to polimery, w których wstępują krótkie losowo przemieszane bloki, jednak na jednym z końców cząsteczki można znaleźć więcej bloków jednego rodzaju a na drugim drugiego rodzaju. • kopolimer naprzemienny - są to polimery, w których ściśle naprzemiennie występują krótkie bloki pochodzące od poszczególnych merów. • kopolimer blokowy - są to polimery, w których występują długie bloki pochodzące z poszczególnych merów - zazwyczaj tylko 2 lub 3. • polimer szczepiony - są polimery, w których do głównego łańcucha są przyłączone bloki pochodzące od innego monomeru w formie bocznych odgałęzień.

18. Podział ze względu na budowę • poliolefina - są to polimery zawierające tylko węgiel i wodór, w których występują długie łańcuchy węglowe -C-C-C-. Do najbardziej znanych przykładów zaliczają się polietylen, polipropylen i polistyren • polimer winylowy - są to polimery otrzymywane w wyniku rozerwania wiązań C=C występujących w monomerach, na skutek czego powstają długie łańuchy węglowe. Formalnie rzecz biorąc większość poliolefin również należy do polimerów winylowych, ale zazwyczaj rozumie się pod tą nazwą takie polimery jak poliakrylan, polimetakrylan, polichlorek winylu itp., a więc zawierające oprócz węgla i wodoru także inne atomy. • poliester - są to polimery, w których w głównych łańcuchach występują wiązania estrowe • polieter - są to polimery, w których w głównych łańcuchach występują wiązania eterowe, najbardziej znanym przedstawicielem jest poli(tlenek etylenu) • poliamid - są to polimery w których występuje wiązanie amidowe (-NH-C(O)-) • poliuretan - są to polimery, w których występują wiązania uretanowe ( -NH-C(O)-O) • polimer nieorganiczny - są to polimery, w których w głównych łańcuchach nie występują atomy węgla, takie jak polisiloksan, polifosfazen, polisiarczek i wiele innych. • polipeptyd, poli(węglowodan), kwas nukleinowy - to wszystko są biopolimery.

19. OBJAŚNIENIA Kopolimer – proszę zajrzeć do następnego rozdziału  Poli(chlorek winylu) (PVC lub PCV, dawniej PCW) - tworzywo sztuczne otrzymywane w wyniku polimeryzacji monomeru - chlorku winylu. Posiada właściwości termoplastyczne, dużą wytrzymałość mechaniczną, odporność na działanie wielu rozpuszczalników. Polisiloksany to polimery, których główny łańcuch jest zbudowany z naprzemiennie ułożonych atomów krzemu i tlenu (-O-Si-O-Si-O-Si-) Biopolimery – w rozdziale biopolimery

20. Kopolimery Kopolimer - rodzaj polimeru, w którego łańcuchach występują dwa lub więcej rodzajów merów. W odróżnieniu od kopolimerów, polimery zawierające tylko jeden rodzaj merów nazywa się często homopolimerami. Głównym powodem otrzymywania kopolimerów są ich szczególne własności fizyczne, których nie mogą posiadać homopolimery zawierające te same mery.

21. Podział kopolimerów • Statystyczne - w których mery są losowo "porozrzucane" wzdłóż łańcucha, mniej więcej tak jak kolory kart w dobrze potasowanej talii. (Przykładowy łańcuch: ABBABAABBAABABABBAABBAAAB). • Gradientowe - rozkład merów jest też dość losowy, ale patrząc wzdłóż łańcucha polimeru daje się zauważyć, że na jednym z jego końców dominują mery A, a na drugim mery B. (Przykładowy łańcuch: AAABAAABABABABBABBBABBBB) • Naprzemienne - mery A i B występują naprzemiennie - po merze A jest zawsze B, a po B jest zawsze A. (Przykładowy łańcuch: ABABABABAB) • Blokowe - mery A i B występują w blokach - bloki te mogą mieć różny charakter, co jest kryterium daleszego ich podziału: • diblokowe - w których istnieją tylko dwa duże bloki merów A i B (Przykładowy łańcuch: AAAAAAAABBBBBB) • multiblokowe - w których istnieje więcej niż jeden blok, te z kolei można jeszcze podzielić na: • Multublokowe-regularne - w których występują 3-4 długie bloki (Przykładowy łańcuch: AAAAAAAABBBBBBAAAAAAA) • Multiblokowo-naprzemienne - w których występują naprzemiennie krótsze lub dłuższe ale regularne bloki merów: (Przykładowy łańcuch: AAABBBAAABBBAAABBB) • Multiblokowo-statystyczne - w których bloki mają różną, losową długość. (Przykładowy łańcuch: AAAABBBBBBBABBBBBBAAABBBBBAAAA) • Szczepione - w których do głównego łańcucha polimeru są przyczepione boczne odgałęzienia, zbudowane z innych merów niż główny łańcuch.

22. Właściwości fizyczne kopolimerów Własności kopolimerów prawie nigdy nie są prostą wypadkową homopolimerów zawierających te same mery. Kopolimery statystyczne i naprzemienne posiadają zwykle mniejszy stopień krystaliczności i niższe temperatury mięknięcia od obu wyjściowych homopolimerów. Przy odpowiednim doborze kombinacji merów mają one jednak często dużo lepsze własności mechaniczne (zwłaszcza podwyższoną udarność). Typowymi przykładami kopolimerów statystycznych są np: SAN (Styren-akrylonitryl) - który jest jednocześnie dość przezroczysty, ale nie tak kruchy jak sam poliakrylonitryl. Innym dobrze znanym przykładem jest kopolimer ABS (akrylonitryl-butadien-styren), który jest łatwy w formowaniu, a jednocześnie posiada bardzo dobrą wytrzymałość na rozciąganie, połączoną z dużą udarnością. Kopolimery blokowe, które jest znacznie trudniej otrzymać niż statystyczne czy naprzemienne, mają zdolność do mikroseparacji bloków. W stopie, bloki merów mają tendencje do krystalizowania razem z sobą, co daje w efekcie materiały o budowie warstwowej - nieco podobnej do tradycyjnych kompozytów, ale w których warstwy nie są z sobą sklejone lecz tworzą jeden lity blok materiału. Tego typu materiały posiadają często wyjątkowo dobre własności mechaniczne, oraz mają często własności anizotropowe (różne w różnych kierunkach).

23. Jeśli w kopolimerze występują długie bloki o własnościach hydrofobowych i jednocześnie bloki o własnościach hydrofilowych, całość uzyskuje własności amfifilowe, które mogą być wykorzystywane na różne sposoby - np: do produkcji farb emulsyjnych, jako środki czyszczące, jako warstwy zapobiegające zaparowywaniu się szyb itp. Kopolimery szczepione otrzymuje się zwykle na bazie biopolimerów, po to aby zmodyfikować ich własności. Np: często stosowanym zabiegiem w przemyśle skórzanym, jest szczepienie skóry (a ściśle biorąc tworzących ją polipeptydów za pomocą poliakrylanów co powoduje wygładzanie i trwałe nabłyszczenie powierzchni, przy zachowaniu tradycyjnych walorów użytkowych skóry. OBJAŚNIENIA Anizotropia - wykazywanie odmiennych właściwości Amfifilowość - zjawisko obserwowane w przypadku niektórych związków chemicznych polegające na jednoczesnej, niepełnej rozpuszczalności danego związku w dwóch różnych rozpuszczalnikach.

24. Biopolimery Biopolimery to polimery występujące naturalnie w organizmach żywych, które są przez nie produkowane. Znaczna część związków chemicznych występujących w tych organizmach to właśnie biopolimery. Trzy najważniejsze grupy biopolimerów to: • polisacharydy - takie jak celuloza, skrobia, pektyna, chityna itp. • polinukleotydy - DNA i RNA • polipeptydy - czyli białka (W tym białka enzymatyczne) • inne - np. lignina

25. Krystaliczność polimerów Krystaliczność polimerów to zdolność do równoległego układania się makrocząsteczek na dużej długości. Tworzywa o dużej regularności i symetrii łańcuchów w odpowiednich warunkach wykazują zdolność do krystalizacji, co umożliwia powstawanie sieci krystalicznej. Krystalizacja zachodzi podczas przechodzenia ze stanu ciekłego w twardy (przy chłodzeniu stopu lub odparowaniu rozpuszczalnika). Stopien krystaliczności x to stosunek masy cześci krystalicznej-mk polimeru do masy całkowitej-mc. x=mk/mc Stopień amorficzności y to stosunek masy części amorficznej-ma polimeru do masy całkowitej-mc. y=ma/mc=1-x

26. Wraz ze wzrostem stopnia krystaliczności wzrasta: • twardość • gęstość • odpornośc na ścieranie • wytrzymałość • sztywność materiału • Wraz ze zmniejszaniem stopnia krystaliczności zmniejsza się: • rozszerzalność cieplna • przeświecalność • chłonność wody • pęcznienie pod wpływem chemikaliów • wytrzymałość zmęczeniowa • udarność (odpornośc na uderzenia)

27. Zastosowanie polimerów Tworzywa sztuczne – materiały oparte na polimerach syntetycznych, zastępujące tradycyjne materiały takie jak drewno, ceramika, metal, kauczuk naturalny, gutaperka oraz stanowiące grupę zupełnie nowych materiałów, które nie mają swoich naturalnych odpowiedników. W skład tworzyw sztucznych wchodzą oprócz polimerów także plastyfikatory (zmiękczacze), wypełniacze (zmieniające właściwości mechaniczne oraz potaniające produkt końcowy) oraz substancje barwiące.

28. Tworzywa sztuczne od strony użytkowej można podzielić na: • duromery – twarde, trudnotopliwe o wysokiej odporności mechanicznej służące jako materiały konstrukcyjne – inaczej nazywane sztucznymi metalami. Niektóre duromery zastępują też materiały ceramiczne. • plastomery – mniej sztywne od duromerów ale łatwotopliwe i rozpuszczalne – dzięki ich topliwości można je przetwarzać poprzez topienie i wtryskiwanie do form lub wytłaczanie, dzięki czemu można z nich uzyskać bardzo skomplikowane kształty. Stosowane są zamiast drewna i niekiedy zamiast metalu, np. jako obudowy do maszyn i urządzeń, elementy wyposażenia domowego itd., itp. • elastomery – tworzywa, które można rozciągać i ściskać. W wyniku rozciągania lub ściskania elastomery zmieniają znacznie swój kształt ale po odjęciu siły wracają do poprzednich wymiarów. Elastomery zastąpiły prawie całkowicie kauczuk naturalny, ale znalazły też szereg nowych zastosowań niedostępnych dla zwykłego kauczuku.

31. Syntetyczne metale czyli tworzywa sztuczne przewodzące prąd elektryczny • W ostatnich latach otrzymano tworzywa sztuczne przewodzące prąd elektryczny zwane syntetycznymi metalami. Uważa się, że XXI wiek to era syntetycznych metali. • Dzięki nim będzie można: • Zbudować całkowicie polimerowy komputer, którego rozmiary będą zdecydowanie mniejsze od współczesnych; pojawią się laptopy, które można będzie zwinąć w rulon i upchnąć kolanem w plecaku bez ryzyka ich uszkodzenia. Elektronika molekularna nie tylko pomoże nam miniaturyzować urządzenia elektroniczne, ale także umożliwi projektowanie zdalnie sterowanych "robotów molekularnych". Można sobie wyobrazić, że za 20-30 lat starzejący się organizm człowieka będzie naprawiany i kontrolowany przez wprowadzone do organizmu miniaturowe roboty które szybko i skutecznie usuną wszystkie skutki grzechów naszej młodości. • Zbudować telewizor, który będzie cieniutką, bardzo lekką folią możliwą do powieszenia na ścianie • Zamiast żarówek użyć tapety z folią luminescencyjną • Malować samochody farbą z polimerem przewodzącym • Zbudować akumulator samochodowy z polimerem przewodzącym, który w nocy będzie absorbować nadfiolet i nastąpi naładowanie akumulatora

32. Lakiery Lakier jest roztworem lub zawiesiną środków powłokotwórczych. Podstawową różnicą między lakierami i farbami jest niewielkie stężenie pigmentów lub całkowity ich brak oraz często ich mniejsza lepkość w porównaniu do farby. Lakiery posiadają nikłą zdolność do tzw. krycia - czyli pokrywania powierzchni nieprzezroczystym warstwą, lecz posiadają dobre własności błonotwórcze. Lakiery są generalnie stosowane w trzech celach: • uzyskaniu połyskliwej i gładkiej powierzchni z jednoczesnym zachowaniem naturalnej faktury materiału (np. : słojów drewna), • zabezpieczeniu powierzchni przed warunkami zewnętrznymi z zachowaniem oryginalej barwy powierzchni, • jako ostatnia warstwa malarska, nadająca połysk i zabezpieczająca głębsze warstwy wykonane z użyciem farb kryjących (w przemyśle samochodowym, w poligrafii do lakierowania druku itp.)

33. Farby Farba - substancja powłokotwórcza służąca do ochronnego lub dekoracyjnego pokrywania powierzchni dowolnych przedmiotów. Może zalegać na ich powierzchni, lub nieznacznie wnikać w głąb. Składa się z substancji barwiących - najczęściej w postaci pigmentów oraz substancji dodatkowych: spoiw, wypełniaczy, rozcieńczalników, rozpuszczalników, a także substancji błonotwórczych, dyspergujących, konserwujących, opóźniających wysychanie, reagujących z podłożem itp. Zazwyczaj substancji barwiącej towarzyszy wypełniacz, którego ziarna są o rząd wielkości grubsze od pigmentu. Rolą wypełniacza jest obniżenie ceny farby, poprzez powiększenie powierzchni zajmowanej w powłoce przez pigment, gdyż ziarna wypełniacza są oblepiane przez pigment. Stosuje się również farby bez wypełniaczy, a jedynie składające z pigmentów. Ma to miejsce w szeregu przypadków: np. gdy chodzi o najwyższą jakość krycia i barwy, lub też odwrotnie - gdy pigment jest na tyle tani, że wypełniacz nie jest potrzebny (zwykle farby najniższej jakości), inną przyczyną braku wypełniacza może być farba, której głównym celem są inne zastosowania niż dekoracyjne - wtedy gdy pigment odgrywa rolę substancji czynnej - np. zabezpieczającej lub leczniczej.

34. Ze względu na ilość powłok farby, dzieli się je kolejno na: gruntujące, podkładowe, powierzchniowe. Rolą farby gruntującej jest zapewnienie przyczepności do podłoża farbom następnym, oraz wyrównanie niewielkich nierówności. Jej warstwa jest na tyle gruba, że odcina także całkowicie ciemną barwę podłożą, co jest istotne w przypadku jasnych powłok powierzchniowych. Farba ta jest zwykle bardzo szorstka, a więc i matowa. Rolą farby podkładowej jest wygładzenie powierzchni farby gruntującej, zlikwidowanie jej porowatości, oraz zapewnienie przyczepności dla farby powierzchniowej, cechującej się bardzo cienką powłoką a często także specyficznymi właściwościami mechanicznymi. Ze względu na zastosowanie, farby dzieli się głównie na: artystyczne (tworzenie dzieł sztuki) i malarskie (dekoracyjne pokrywanie powierzchni), oraz do zastosowań specjalnych (np. świecące, ochronne, lecznicze, wskaźnikowe, drukowe). Ze względu na rodzaj spoiwa farby dzieli się na: akrylowe, celulozowe, kazeinowe, klejowe, krzemianowe (na bazie szkła wodnego), lateksowe, olejne, spirytusowe, wapienne, oraz na bazie całego szeregu rozmaitych żywic syntetycznych. Istnieją również farby bez spoiwa (jego funkcję spełnia wypełniacz lub pigment). Istnieje również szereg farb posiadających obok pigmentów także barwniki. Powłoki farbiarskie mogą być dodatkowo wykańczane powłokami lakierniczymi.

35. Kleje Klej to substancja, dzięki której można bez obróbki termicznej i mechanicznej trwale połączyć różne elementy. Z praktycznego punktu widzenia klejenie jest prostą czynnością. Bierzemy dwa elementy, które chcemy trwale połączyć, pokrywamy je warstwą kleju, dociskamy i czekamy aż klej wyschnie tworząc trwałą spoinę. Z naukowego punktu widzenia sprawa jest jednak bardziej złożona. W wyniku procesu klejenia powstaje spoina, która wygląda mniej więcej tak:

36. Przy niektórych klejach może się zdarzyć, że nie ma warstwy samego kleju, bo obie powierzchnie materiału stykają się bezpośrednio. W zasadzie nie spotyka się klejów, które w jakiś sposób nie wnikają w klejony materiał, gdyż takie spoiny byłyby bardzo słabe. Na odporność mechaniczną klejonej spoiny mają wpływ cztery czynniki: • rodzaj i siła chemicznego oddziaływania kleju z klejonymi powierzchniami - jeśli klej reaguje chemicznie z podłożem tworząc z nim wiązania chemiczne to taka spoina jest zazwyczaj bardziej wytrzymała niż w przypadku klejów, które tylko wnikają w klejoną powierzchnię -jednak większość klejów uniwersalnych nie reaguje bezpośrednio z podłożem, gdyż nie ma związków chemicznych które potrafią reagować ze wszystkim. • głębokość penetracji klejonego materiału przez klej - oczywiście czym większa tym lepiej, ale jeśli klej penetruje zbyt głeboko to może zniszczyć strukturę samego klejonego materiału. Głębokość penetracji można też zwiększać zwiększająć chropowatość powierzchni klejonego materiału. Materiały bardzo gładkie (np. szkło) jest zwykle bardzo trudno skleić. • wytrzymałość mechaniczna samej warstwy kleju - to ma oczywiście znaczenie tylko w przypadku tych klejów, które taką warstwę tworzą, zależy ona oczywiście od struktury chemicznej kleju. • kształ i rozmiar całej spoiny - czym większa powierzchnia spoiny i bardziej nieregularny jej kształ tym staje się ona mocniejsza.

37. Ze względu na mechanizm klejenia, kleje można podzielić na: • kleje rozpuszczalnikowe - kleje te wnikają głęboko w materiał powodując ich napęcznienie i częsciowe rozpuszczenie. Po połączeniu klejonych elementów i dociśnięciu spoiny powierzchnie klejonych materiałów nawzajem się przenikają po czym rozpuszczalnik paruje pozostawiając trwałą spoinę bez warstwy samego kleju. Kleje rozpuszczalnikowe stosuje się do klejenia tworzyw sztucznych. • kleje oparte na polimerowych żywicach - kleje te nie wnikają zbyt głęboko w materiał, mają one jednak silne powinowactwo chemiczne do klejonego materiału a warstwa samego wyschniętego kleju jest bardzo odporna mechanicznie. Kleje te stosuje się do "trudnych" do sklejenia materiałów - takich jak metale, szkło itp, które trudno jest skleić klejami penetrującymi materiał. Przykłady takich klejów to np. kleje epoksydowe. • kleje mieszane - składają się one z żywicy wymieszanej z rozpuszczalnikiem, który może penetrować klejony materiał - żywica wraz z rozpuszczalnikiem wnika głęboko w klejony materiał, więc nie musi mieć ona tak silnego powinowactwa chemicznego z klejonym materiałem. Kleje mieszane są najbardziej rozpowszechnione i są one stosowane do klejenia "łatwych do sklejenia" materiałów porowatych takich jak guma, papier, skóra itp. Przykładem takiego kleju jest np. butapren lub guma arabska.

38. Szczególnym rodzajem klejów mieszanych są kleje składające się z żywicy polimerowej rozpuszczonej w monomerze, który w pierwszym etapie zachowuje się jak rozpuszczalnik, potem jednak nie paruje lecz ulega kopolimeryzacji z żywicą tworząc jedną usieciowaną strukturę. Takie kleje działają szybko i są dość uniwersalne - przykładem takiego kleju jest np. cjanopan (sławny "superglue").

39. Polimery ciekłokrystaliczne Polimery ciekłokrystaliczne - jak sama nazwa wskazuje to polimery zdolne do generowania faz ciekłokrystalicznych. Większość polimerów ciekłokrystalicznych zawiera w swojej strukturze znane z niskocząsteczkowych ciekłych kryształów ugrupowania o kształcie zbliżonym do pręta lub dysku. Ugrupowania te mogą być wbudowane w główne łańcuchy polimerów, lub mogą być przyłączone jako ugrupowania boczne. Znane są też polimery nie posiadające typowych ugrupowań znanych z ciekłokrystalicznych związków organicznych a mimo to generujące fazy ciekłokrystaliczne.

40. Najważniejszą zaletą polimerów ciekłokrystalicznych w porównaniu do ciekłych kryształów opartych na związkach niskocząsteczkowych jest ich podwyższona odporność mechaniczna. Można z nich np. : formować folie, które nie zmieniają swojego kształtu po przejściu do stanu ciekłokrystalicznego. Można by z nich np. : wykonywać nietłukące się wyświetlacze, jednak jak dotąd przeszkodą w otrzymywaniu wyświetlaczy na bazie polimerów ciekłokrystalicznych są ich zbyt długie czasy reakcji na zmiany pola elektrycznego.

41. Polimery ciekłokrystaliczne znalazły jednak wiele innych zastosowań. m.in. : • stosuje się je jako elementy piezeoelektryczne • wykorzystuje się je do budowy elementów do optyki nieliniowej • stosuje się je jako membrany, których przepuszczalność można sterować polem elektrycznym • są stosowane jako indykatory temperatury • podejmowane są próby stosowania ich w nanomaszynach i nanoelektronice • Do najbardziej znanych klas polimerów ciekłokrystalicznych można zaliczyć: • głównołańcuchowe poliestry i poliamidy - m.in. kevlar • bocznołańcuchowe poliolefiny • bocznołańcuchowe polisiloksany

42. Przykłady zastosowanie polimerów polietylen – np. butelki, pojemniki, zabawki, folie polipropylen – bardziej wytrzymały niż polietylen (wyższa temperatura topnienia) np. wykładziny, rury polistylen – twardy, kruchy polichlorek winylu – tworzywo otrzymywane ponad 100 lat temu, wykazuje dużą odporność na działanie stężonych kwasów i zasad nylon – mocny, rozciągliwy kauczuk syntetyczny – główny składnik gumy teflon – najbardziej odporny na ciepło i substancje żrące, nie reaguje z rozpuszczalnikami polimetakrylan metylu (szkło organiczne) – o wyjątkowo dużej przezroczystości Koniec Zakończ