Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)
Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ
Tartalom
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.
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 típus | kJ/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 típus | kJ/mol | Tipikus polimer |
---|---|---|
– C – C – | 348 | PE, PP, PVC, PS |
– C – O – | 360 | UP, PET, PC, EP |
– C – N – | 306 | PA, PUR, MF |
– Si – O – | 368 | szilikon polimer |
– C = C – | 611 | etilén (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
Polimerizáció | Polikondenzáció | Poliaddíció |
---|---|---|
melléktermék nélkül, láncreakcióban | melléktermék kilépésével, lépcsős reakcióban | melléktermék nélkül, lépcsős reakcióban |
PE, PP, PVC, PS… | PA, PET, PF, UF… | EP, PUR… |