Od czasu wynalezienia pierwszego polimeru - celuloidu - przez braci Hyatt w 1969 r., przemysł związany z syntezą i przetwórstwem związków wielkocząsteczkowych stale się rozwija. Na przestrzeni ostatnich 50-70 lat - czy nam się to podoba, czy nie - polimery stały się istotną częścią na-szego życia. Ich światowa produkcja w 2018 r. osiągnęła 359 mln ton.
W tym miejscu należy się słowo wyjaśnienia. Na co dzień mylnie używamy w odniesieniu do polimerów terminu ''tworzywa sztuczne''. Tworzywa sztuczne są jednak bardziej złożonymi materiałami. Ich podstawowym składnikiem są naturalne lub syntetyczne związki wielkocząsteczkowe, lecz zawierają one też szereg dodatków - napełniaczy, zmiękczaczy, stabilizatorów i barwników, które wpływają na ostateczne właściwości przetwórcze (mimo wszystko podstawowe właściwości chemiczne i mechaniczne determinuje polimer).
Zwyczajowo, przy opisywaniu polimerów posługujemy się także terminem ''plastik'', który niestety również nie oddaje istoty rzeczy. Wywodzi się on z greckiego plastós (''ulepiony'') i odnosi się jedynie do części materiałów polimerowych - tych, które można przetwarzać i kształtować w podwyższonej temperaturze, a więc do termoplastów. Istnieje wszakże inna grupa substancji - tworzywa termoutwardzalne, które pod wpływem ogrzewania nieodwracalnie przyjmują nadany im kształt.
Światowa produkcja polimerów zdominowana jest przez poliolefiny - polietylen i polipropylen; na dalszych miejscach znajdują się kolejno: polichlorek winylu, politereftalan etylenu, poliuretany, polistyren. Grupa tych materiałów zajmuje ok. 80% rynku. Znaczący udział w produkcji światowej mają jeszcze kopolimery akrylonitrylo-butadienowo-styrenowe i poliwęglan.
Na temat otrzymywania polimerów, ich właściwości i zastosowań napisano już niezliczone artykuły (w jednej tylko bazie pod hasłem ''polymer'' znaleźć ich można ponad milion). Nic nie stoi jednak na przeszkodzie, aby w tym miejscu jeszcze raz zestawić najistotniejsze informacje.
| Tworzywa sztuczne | |
| Termoplastyczne: | Termoutwardzalne: |
| polietylen (PE) | poliurietany (PUR) |
| polipropylen (PP) | nienasycony poliestry |
| polichlorek winylu (PVC) | żywice epoksydowe |
| politereftalan etylenu (PET) | żywice melaminowe |
| polistyren (PS) | żywice fenolowo-formaldehydowe |
| kopolimer akrylonitrylo-butadienowo-styrenowy (ABS) | żywice akrylowe |
Polietylen
W zależności od sposobu otrzymywania rozróżnia się kilka rodzajów polietylenu o odmiennych właściwościach. Największy udział w rynku mają jednak 3 z nich:
- polietylen o niskiej gęstości LDPE (low-density polyethylene),
- polietylen linowy o niskiej gęstości LLDPE (linear low-density polyethylene),
- polietylen o wysokiej gęstości HDPE (high-density polyethylene).
LDPE otrzymuje się w wyniku reakcji rodnikowej prowadzonej zazwyczaj w reaktorach rurowych (150-350 MPa, 140-180°C). HDPE wytwarzany jest w reakcji katalitycznej, którymi są związki metaloorganiczne (katalizatory Zieglera-Natty, 0,1 MPa, 80°C). LLDPE to produkt kopolimeryzacji etylenu z wyższymi homologami - butenem, heksenem, czy oktenem (katalizatory Ziegle-ra-Natty lub Philipsa, ok. 2 MPa, 60-100°C).
LDPE ma zupełnie inną strukturę niż HDPE - znacznie mniej merów w cząsteczkach i więcej bocznych rozgałęzień (15-30 do 0,5-3 łańcuchów bocznych na 500 jednostek monomeru). Tym samym LDPE cechuje się niższym stopniem krystaliczności i niższą gęstością w porównaniu z HDPE.
LLDPE pod względem struktury i właściwości można umieścić pomiędzy LDPE i HDPE. Cząsteczki LLDPE mają budowę liniową, z wieloma krótkimi odgałęzieniami pochodzącymi od ko-polimerów zastosowanych w reakcji (znacznie krótsze niż w przypadku LDPE).
Podstawowe właściwości polietylenów LDPE, LLDPE i HDPE najlepiej jest porównać w tabeli.
| Właściwość | Polietylen | ||
|---|---|---|---|
| LD | LLD | HD | |
| stopień krystaliczności [%] | 30-55 | 40-60 | 55-95 |
|
masa molowa [g × mol -1] |
od 8,9 × 104 do 4,7 × 105 |
od 5,0 × 104 do 5,0 × 105 |
103-107 |
| gęstość [g x cm -3] | 0,915-0,930 | 0,90-0,94 | 0,940-0,965 |
| Tm [Cº] | 104-120 | 120-125 | 125-145 |
| przejrzystość (% transmisji światła) | 80 | - | 80 |
| zamglenie [%] | 1,3-27,5 | 0,8-28 | 6 |
| palność (indeks tlenowy %) | 17-18 | ||
| palność (UL94) | HB | ||
|
opór właściwy skrośny [Ω×cm]
|
16-18×1015 | ||
| stała dielektryczna | 2,3 | ||
| wytrzymałość na rozerwanie [MPa] | 10-12 | 25-45 | 30-40 |
| wydłużenie przy zerwaniu [%] | 200-600 | 300-900 | 500-700 |
| wydłużenie na granicy plastyczności [%] | 13-17,5 | 3-16 | 15 |
| twardość [Shore D] | 40-50 | 55-56 | 60-70 |
|
moduł Younga [GPa] |
0,13-0,3 | 0,266-0,525 | 0,5-1,1 |
| udarność IZOD w temp. pokojowej [J/m] | 999 | 54-999 | 20-220 |
|
temperatura ugięcia pod obciążeniem [ºC] HDT @0,46 MPa HDT @1,8 MPa |
40-50 30-40 |
- - |
60-90 45-60 |
| temperatura zeszklenia [ºC] | -110 | ||
| temperatura topnienia fazy krystalicznej, Tm [Cº] | 104-120 | 120-125 | 125-145 |
| temperatura mięknienia wg Vicata (met.B) [ºC] | 40 | 88(A) | 60-65 |
| min. temperatura pracy [ºC] | -110 | ||
|
max. temperatura pracy [ºC]
|
80-90 | 90-115 | 90-120 |
