Muanyagok (makromolekul

1
Muanyagok(makromolekuláris kémia)
2
Fogalmak, definíciók

• Makromolekula azonos építoelemekbol, ismétlodo
  egységekbol felépített szerves, vagy szervetlen
  molekula, melynek molekulatömege általában
  nagyobb, mint 5000.
• Oligomer 5000-nél általában kisebb
  molekulatömegu anyag (polimer), ahol az ismétlodo
  egységek száma ?10.
• Monomer a makromolekula ismétlodo egységei,
  építoelemei. Összegképletüket tekintve
  megegyezhetnek a polimer ismétlodo egységeivel,
  de szerkezetük gyakorlatilag soha nem azonos. Pl
  a polietilén kiindulási monomerje az etilén
  kettoskötést tartalmaz, míg a makromolekula
  építoelemeiben ez természetesen hiányzik
• CH2CH2 -(CH2-CH2)-
• monomer ismétlodo
  egység
• Polikondenzációs muanyagok esetén még az
  összegképlet sem egyezik, mivel a polimerizáció
  során kismolekulatömegu vegyület (pl. víz vagy
  alkohol) keletkezik, ami eltávozik a rendszerbol.
• NH2(CH2)6NH2, HOOC(CH2)4COOH
  -(NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO)n-
• monomerek
  ismétlodo egység

3

• Polimer a makromolekulák összessége.
• Polimerizáció a mesterséges polimerek
  eloállítására szolgáló kémiai folyamat.
• Mechanizmusuk szerint két fo típusát
  különböztetik meg
• A, Addíciós polimerizáció
• gyökös
• kationos
• anionos
• koordinációs (sztereospecifikus)
• B, Lépcsos polimerizáció
• polikondenzáció
• Poliaddíció
• Az eloállított polimer típusa szerint
• A, homopolimerek (pl. polietilén, poliamid 6,6)

4

• Molekulaszekezet
• Polimerizációs fok ismétlodo egységek száma
  (N)
• Molekulatömeg eloszlás
• Átlagos molekulatömeg (M)
• - számszerinti átlagmóltömeg

5

• Lineáris polimerek
• Rövidláncú elágazások
• Hosszú láncú elágazások
• Térhálós polimerek
• Konformáció, konformációs eloszlás
  makromolekula térbeli alakja
• Konfiguráció asszimetriás (királis) C-atom
  szerkezete
• Polimer térszerkezeti szabályossága szerint
• Izotaktikus
• szündiotaktikus

6

• Polimer szerkezete
• Láncon belül befolyásolja
• A láncban az atomok rotációs és rezgo mozgása
• Szegmensek transzlációs mozgása
• Szegmensek közti másodlagos kölcsönhatások
• Láncok között befolyásolja
• Fizikai kölcsönhatások
• gombolyodott molekulák fizikai térháló
• Kémiai kölcsönhatás (reakció)
• Polimerizáció során primer kötések - térhálós
  szerkezet
• Térhálós polimerek
• Gumik elasztomerek utólagos vulkanizálásával
• Mugyanták polimerizáció során, monomerekbol
  képzodnek
• (hore keményedo muanyagok)

7

• A polimerek, muanyagok tulajdonságait jellemzo
  homérsékletük szobahomérséklethez viszonyított
  értéke határozza meg.
• Kristályos anyagok olvadáspont -
  szobahomérséklet felett a kristályos
• polimerek nagy szilárdságú, nehezen oldódó,
  merev anyagok.
• (függ a kristályszerkezettol, a
  kristályossági foktól)
• Amorf polimerek
• üvegesedési homérséklet
• szobahomérséklet alatt elasztomerek
• szobahomérséklet felett muanyagok
• Elasztomerek
• Rugalmas lineáris polimerek.
• Kémiai térhálósítás - gumik. (üvegkemény
  is lehet pl. ebonit)
• Fizikai térháló kialakításával termoplasztikus
  elasztomerek.
• Hore lágyuló muanyagok
• Lineáris vagy elágazott molekulákból álló
  anyagok.
• Üvegesedési (kristályosodási) homérséklet
  szobahomérséklet felett

8

• Muszaki muanyagok
• Kiegyenlítetten jó tulajdonságokkal rendelkezo
  (mechanikai, elektromos, termikus)
• Nagy szilárdság, ütésállóság
• Hore lágyuló muanyagok
• Alkalmazási homérséklet ? 100-150 C
• Kompozitok
• Tölto és erosíto anyagot tartalmazó két- vagy
  többkomponensu muanyag.
• advanced kompozit szilárdság, merevség a
  társításkor no
• /üveg, grafit, szén, szerves szálak/
• Muanyagok kiemelkedo tulajdonságai
• szilárdság, merevség, keménység
• ütésállóság
• optikai jellemzok
• vezetoképesség
• hoállóság
• speciális jellemzok (pl. nemlineáris optika,
  piezzoelektromos érzékelok, kijelzok
  /folyadékkristályos polimerek/, stb.

9

• - Égésgátlók Csökkentik a polimer
  éghetoségét és a füstképzodést az égés alatt
• - Színezékek Biztosítják a kívánt
  színt
• - Optikai fehérítok Megszuntetik a
  polimer sárga színét
• - Szag és illatanyagok Elfedik a muanyag
  kellemetlen szagát, vagy biztosítják a kívánt
  illatot
• - Antisztatikumok Csökkentik a
  muanyagok felületi és/vagy térfogati ellenállását
• - Nukleálószerek Szabályozzák a
  muanyagok kristályosodását és a kristály
  szerkezetét
• B, Társító anyagok
• - Polimerek Polimerkeverékek komponensei
• - Ütésálló adalékok Növelik a muanyagok
  ütésállóságát, különösen alacsony
  homérsékleten (általában elasztomerek)
• - Vezetoképességet biztosító anyagok korom
  vagy fém részecskék
• - Töltoanyagok Növelik a muanyagok merevségét
  és általában csökkentik az árát
• - Erosíto anyagok Anizotróp adalékok (gyakran
  szálak), növelik a muanyagok szilárdságát,
  merevségét
• - Természetes polimerek és anyagok Gyorsítják
  a muanyagok biológiai lebonthatóságát
• (pl. keményíto, cellulóz)

10

• Különbségek a polimerek és a kis-móltömegu
  anyagok között
• A polimerek nem rendelkeznek jól definiált
  móltömeggel, jellemzésük különbözo átlagokkal és
  eloszlással történik
• A polimerek fázisállapotainak száma korlátozott,
  soha nem gáznemuek, nem igazán folyékonyak, ezzel
  szemben szilárd állapotban több fizikai állapotuk
  van /üvegszeru, nagyrugalmas, ömledék/
• A polimerlánc alkotóelemeinek térbeli
  elrendezodése a konformációval és a
  konformáció-eloszlással jellemezheto
• A polimerek kristályszerkezete és kristályossága
  soha sem tökéletes
• A hore lágyuló anyagok viszkozitása
  nagyságrendekkel nagyobb, mint a kis-móltömegu
  anyagoké (103 Pas), feldolgozásuk magas
  homérsékleten, nyíró igénybevétellel történik
• Nyírás hatására a makromolekulák orientálódnak,
  a termék tulajdonságai függenek az orientáció
  mértékétol.
• Külso ero hatására egyidejuleg plasztikus és
  rugalmas deformáció is végbemegy, a ketto aránya
  az anyag jellemzoitol és a külso körülményektol
  függ.
• A muanyagok tulajdonságai idofüggoek,
  feszültségrelaxáció és kúszás megy végbe, fizikai
  öregedés lép fel.

11

• Polimerizáció
• A polimerizációs eljárás típusa elsosorban a
  monomer szerkezetétol, a reakciós csoportok
  típusától függ.
• Két fo csoport
• Addiciós Lépcsos polimerizáció
• (láncpolimerizáció)
• gyökös
• anionos
• kationos
• sztereoszelektív
• Addiciós polimerizáció a monomer kettoskötést
  tartalmazó, többnyire vinil-, vagy vinilszeru
  vegyületek
• CH2CR1R2
• A, gyökös polimerizáció
• A polimerizációs reakciók összetettek, több
  elemi lépésre bonthatók

12

• Iniciálás (Láncindítás)
• Elso lépés, kialakul az aktív növekedésre(
  láncindításra) képes aktív centrum.
• Kiváltható fizikai, vagy kémiai módszerekkel.
• Fizikai R-R ? R? R?
• R? M ? R-M?
• Iniciálás termikus vagy sugárzásos (UV fény,
  ultrahang, ?-sugárzás) módszerekkel
• (A gyök a monomerbol alakul ki!)
• Kémiai iniciálás
• A gyököket könnyen gyökökre bomló anyagokból
  (iniciátorokból) állítjuk elo.
• Iniciálás kémiai reakcióban (foto-, termikus-,
  redox) képzodnek a szabad
• gyökök. (Ez az iparilag fontosabb iniciálási
  módszer)
• Iniciátorok peroxi, diazo vagy azo-vegyületek.
• Pl a, dikumil-peroxid (termikus iniciálás)

13

• c, hidrogén-peroxid (redox iniciálás)
• H-O-O-H Fe2 ? HO? OH- Fe3
• Láncnövekedés Az iniciálás során létrejött
  aktív centrum indítja el, a monomer addíciója
  indul be és nagyon gyorsan lineáris molekulát
  eredményez.
• A növekvo lánc élettartama rövid, 1000 egységet
  tartalmazó lánc kialakulhat 10-2, 10-3 sec alatt.
• Lánczáródás
• A, Két láncvég kölcsönhatásával (rekombináció)
• B, Diszproporcionálódással

14

• Néhány fontosabb muanyag
• Polietilén
• Képlete (C2H4)n az egyik legelterjedtebb
  polimerizációs muanyag
• Magas nyomáson, 300 C körüli homérsékleten
  állítják elo etién polimerizációjával.
• H2CCH2 H2CCH2 H2CCH-CH2CH3
• H2CCH-CH2CH3 H2CCH2
  H2CCH-CH2CH2CH2CH3, stb. .
• Kétféle változata ismert
• lágy kis suruségu (LDPE), amelyet elsosorban
  csomagolóanyagok, fóliák, (reklám)táskák
  készítéséhez használnak fel
• kemény nagy suruségu (HDPE), amelyet többek
  között palackok, olajtartályok, csövek
  készítéséhezhasználnak
• lineáris kis suruségú (LLDPE) jobban
  feldolgozható, vékonyabb fóliában is ugyanolyan
  tulajdonságú, mint az LDPE

15

• Fizikai és kémia tulajdonságokFehér, szilárd
  anyag. Op 85-140CSuruség 0.91-0.96
  g/cm3 Égheto. Jó szigetelo.
• Goz- és gázáteresztése kicsi. Hore lágyuló,
  100 ... 10.000 etilén molekulából álló polimer.
• Amorf részeinek üvegesedési homérséklete
  alacsony (kb. -80C) így fagyállósága jó.
  Vegyszerállósága nagyon jó, szobahomérsékleten
  nincs oldószere.
• Híg savak és lúgok oldatainak ellenáll, tömény
  savak (elsosorban selétromsav) magasabb
  homérsékleten roncsolják. Apoláros szerkezete
  és kis vízfelvétele következtében kituno
  dielektromos tulajdonságai vannak
  (nagyfrekvenciás szigetelo). A fizikai és kémiai
  tulajdonságok a molekulatömegtol függoen is
  változnak.
• Hobomlása 290C-nál kezdodik.

16

• PVC
• Képlete (C2H3Cl)n
• hore lágyuló, égheto, kémiailag ellenálló,
  kemény muanyag.
• Eloállítása vinil-klorid polimerizációjával
  történik.
• Acetilénbol vízmentes hidrogén-klorid
  addíciójával keletkezik a vinil-klorid
• C2H2HCl ? C2H3Cl
• A vinil-klorid polimerizációjával pedig a
  Poli(vinil-klorid) keletkezik
• n C2H3Cl ? C2H3Cl n
• Két fajtája a lágy és a kemény PVC
• Égése során sósav, dioxin és egyéb környezet
  számára káros vegyületek keletkeznek klórtartalma
  miatt
• Felhasználása
• Fröccsöntéssel, extrudálással, fúvással állítják
  elo belole különbözo eszközöket, mint pl.
  vegyipari csovezetékek, szennyvízcsövek
• korrózióálló edények, tartályok,
  szellozo-berendezések, szerelvények, csapok,
  szelepek, kábelbevonó anyagok,
  csomagolóanyagok, padlóburkolatok,muborök

17

• Poli(metil-metakrilát) (PMMA) (plexi, plexiüveg)
• Képlete
• Eloállítása metil-metakrilsav polimerizációjával
• Fizikai és kémai tulajdonságokHore lágyuló
  muanyag, amorf, üvegszeru, víztiszta
  polimer.Ütésállósága a polimerációs fok
  növekedésével javul.Melegen jól alakítható.Híg
  savaknak, lúgoknak, zsíroknak, olajoknak
  ellenáll.Alkoholban és szénhidrogénekben nem, de
  aromás oldószerekben oldódik.Kiemelkedoen jó
  optikai tulajdonságai vannak. Fényáteresztoképessé
  ge 99, az UV sugarakat is átereszti. Jól
  megmunkálható, idojárásálló.
• Alkalmazási homérséklet tartomány -20C-tól
  90C-ig
• Felhasználás - nagy szilárdságú, átlátszó
  anyagként pl. a repülogépek ablakaihoz
  (plexiüveg)- optikai és dekorációs célokra-
  szilánkmentes üveggyártásra- prizmák, optikai
  lencsék, lámpatestek készítésére-
  muszerfedélként, burkolatként, muszeralkatrészként
  - háztartási eszközök alkatrészeihez -
  épületek, csarnokok üvegezésére- szövetbarát
  gyógyászati eszközökhöz (protézisek, mufogak)-
  dekorációs célokra

18
PET (polietilén-tereftalát) Poliuretán Po
lisztirol Polikarbonát
19

• Poliamid
• Nylon
• Teflon