Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

2. fejezet - A POLIMEREK GYÁRTÁSI TECHNOLÓGIÁJÁNAK ALAPJAI

2. fejezet - A POLIMEREK GYÁRTÁSI TECHNOLÓGIÁJÁNAK ALAPJAI

A polimer gyártási technológiák (manufacturing technologies) alapjainak ismerete a gépészmérnök számára ugyanúgy elengedhetetlen, mint ahogy a fémeket megmunkáló, forgácsoló v. képlékeny alakító mérnöknek is ismernie kell a kohászat alapjait. Itt azonban kevésbé vagyunk érdekeltek a kémiai képletekben, a lefolyó reakciók molekuláris mechanizmusában. Bennünket elsősorban

  • az alapfolyamatok, a folyamatszabályozás főbb pontjai,

  • a technológia ipari kivitelezése, eljárásmódja, műveleti megvalósítása, és

  • a technológia tipikus gépészeti berendezései

érdekelnek, lehetőleg a legfontosabb műszaki célú szintetikus polimerek (műszaki műanyagok) példájához kötve.

2.1 A polimerlánc kötési energiája a fémekkel összehasonlításban

A polimer anyagszerkezettan kimutatta, hogy a sok ezer lánctagból álló polimer egyes „láncszemei” közötti kötőerők, – kovalens kötések – nem kisebbek, hanem azonos nagyságrendű erők, mint a fémek atomjait a fémrácsban összekötő fémes kötések kötési energiája. (2.1, 2.2 táblázat)

2.1. táblázat - Kötési energiák a fémekben [2.5]

Kötési típuskJ/mol
– Ti – Ti –973
– V – V –515
– Cr – Cr –398
– Mn – Mn –279
– Fe – Fe –418
– Ni – Ni –423
– Cu – Cu –339
– Al – Al –316
– Zn – Zn–131

A tapasztalat, hogy a polimerek szilárdsága a gyakorlatban az esetek többségében a fémeknél jóval kisebb, csak arra mutat, hogy a polimerkötésekből adódó elméleti szilárdsági határnak ma még csak közelében sem járunk.

A „tökéletes” polietilén (PE) lánc elméleti szilárdsága 27,0 GPa, amelyből a kereskedelmi HDPE σ = 30 MPa szakítási szilárdsága mindössze 0,1 %-ot valósít meg, miközben a HDPE kitűnő műszaki feladatokat lát el mint pl. nyomás alatti gáz-csővezeték.

2.2. táblázat - Kötési energiák a polimerekben [2.5]

Kötési típuskJ/molTipikus polimer
– C – C –348PE, PP, PVC, PS
– C – O –360UP, PET, PC, EP
– C – N –306PA, PUR, MF
– Si – O –368szilikon polimer
– C = C –611etilén (monomer), vinilmonomerek

A kötéserősség nagyságrendje, a kovalens kötések felismerése a polimer láncokban: technológiai alkalmazásuk kulcsa. A polimerek nem a fémeknél gyengébb, hanem más típusú, az idő és a hőmérséklet függvényében eltérő mechanikai válaszfüggvényeket produkáló, de ugyanolyan hasznos anyagok, sőt: ugyanazon nagyságrendű szilárdságig eljuttatható szerkezeti anyagok.

A nagy szilárdságú kovalens kötés fel nem ismerése, el nem fogadása a 20. század 30-as éveiig hátráltatta a polimertudomány fejlődését. S miközben az ellentábor azt hajtogatta, hogy a polimerek építőköveit csak másodlagos erők kötik, addig a polimertechnológia töretlenül fejlődött tovább, és ez hozta meg az áttörést századunk közepén.

A kérdés tehát: hogyan hozzuk létre korszerű, ipari körülmények között megfelelő hatékonysággal ezeket a nagyszilárdságú kötéseket a polimer láncszemek között? A hangsúly a hatékonyságon van, – hiszen egyenkénti reakciólépésekben már a múlt századi és korábbi vegyipar is reagáltatni tudta pl. az alkoholt szerves savval, hogy észtert képezzen, melléktermék képződéssel járó, ún. kondenzációs reakcióban.

A polimertechnológia hőskora a századforduló is ilyen, fáradságos, lépésenkénti reakciók sorozatában hozta létre az első szintetikus polimereket a polikondenzációs gyantákat (fenol-formaldehid gyanta, bakelit stb.).

Manapság lényegében három fő csoportba sorolhatjuk a polimergyártás eljárásait:

  • polimerizáció,

  • polikondenzáció,

  • poliaddíció.

E polimerlánc építési módok lehetnek tehát egyenkénti, lépcsős (step-wise) reakciók, vagy sorozatreakciók: láncreakció jellegűek, – másrészről járhatnak eltávolítandó melléktermék képződésével, és más esetben anélkül is kivitelezhetők. A folyamatszabályozás szempontjából nyilvánvalóan kiemelt jelentősége van a kinetikailag és energetikailag is erőteljesen kiemelkedő fontosságú láncreakcióknak.

2.3. táblázat - Polimerlánc - építési módok

PolimerizációPolikondenzációPoliaddíció
melléktermék nélkül, láncreakcióbanmelléktermék kilépésével, lépcsős reakcióbanmelléktermék nélkül, lépcsős reakcióban
PE, PP, PVC, PS…PA, PET, PF, UF…EP, PUR…