Masele plastice - POLIETILENA, POLIPROPILENA, POLISTIRENUL

Masele plastice

Se numesc mase plastice materialele produse pe baza de polimeri, capabile de a capata la incalzire forma ce li se da si de a o pastra dupa racier. Dupa cantitatea in care se produc ele ocupa primul loc printer materialele polimere. Ele se caracterizeaza printr-o rezistenta mecanica mare, densitate mica, stabilitate chimica inalta, proprietati termoizolante si electroizolante etc. Masele plastice se fabrica din materii prime usor accesibile, din ele pot fi confectionate usor cele mai felurite articole. Toate aceste avantaje au determinat utilizarea lor in diversele ramuri ale economiei nationale si ale tehnicii, in viata de toate zilele.

Aproape toate masele plastice contin, in afara de polimeri (denumiti adesea rasini), componenti care le confera anumite calitati; substanta polimere serveste in ele in calitate de liant. O masa plastica este constituita din materialul de implutura ( faina de lemn, teseturi,azbest, fibre de sticla s.a.), care ii reduc costul si ii imbunatatesc proprietatile mecanice, plastifianti( de exemplu esteri cu punctual de fierbere inalt), care le sporesc elasticitaea, le reduc fragilitatea, stabilizatori (antioxidanti, fotostabilizatori), care contribuie la pastrarea proprietatilor maselor plastice in timpul proceselor de prelucrare si in timpul utilizarii, coloranti, care le dau culoarea necesara, si alte substante.

Pentru a ne comporta correct cu masele pastice, trebuie sa stim din ce fel de polimeri au fost produse ele - termoplastici sau termoreactivi.

Polimerii termoplastici( de exemplu polietilena) la incalzire devin moi si in aceasta stare isi schimba usor forma. La racier ele din nou se solidifica si isi pastreaza forma capatata. Fiind din nou incalzite, ele iarasi devin moi, pot capata o noua forma si tot asa mai departe. Din polimerii termoplastici pot fi formate prin incalzire si presiune diferite articole care in caz de necessitate pot fi din nou supuse aceluias mod de prelucrare.

Polimerii termoreactivi la incalzire devin plastici, apoi isi pierd plasticitatea devinind nefuzibili si insolubili, deoarece intre macromoleculele lor liare au loc interactiuni chimice, formindu-se o structura tridimensionala ( ca in cazul vulcanizarii cauciucului). Un astfele de material nu mai poate fi supus prelucrarii a doua oara: el a capatat o structura spatiala si si-a pierdut plasticitatea - proprietate necesara pentru acest scop. Vom examina in continuare cele mai raspindite feluri de mase plastice.

POLIETILENA

 In drumul mereu ascendent al materialelor plastice, o deosebita importanta a avut descoperirea facuta de Karl Ziegler, in anul 1954, si anume ca amestecul de combinatii organo-aluminice si tetraclorura de titan catalizeaza polimerizarea etilenei la presiuni joase. Pana la acea data, polietilena se obtinea numai prin polimerizarea radicalica la presiuni de ordinul catorva mii sau chiar zeci de mii de atmosfere (5000-20.000) atmosfere, conducand la asa numita polietilena de presiune inalta si foarte inalta sau polietilena de densitate joasa (0,92 g/cm3). Macromoleculele acestui polimer prezinta numeroase ramificatii, ceea ce face ca materialul plastic sa aiba o cristalinitate de numai 40-50%. Ca urmare, polietilena de densitate joasa se caracterizeaza prin rezistenta termica si mecanica relativ scazute (polietilena moale).

Procedeul Ziegler a revolutionat tehnologia de obtinere a polietilenei, permitand obtinerea industriala a acesteia la presiuni de numai cateva atmosfere. Aceasta polietilena este formata in principal din macromolecule liniare, cu foarte putine ramificatii, ceea ce permite impachetarea usoara a macromoleculelor. Drept urmare, creste continutul in faza cristalina pana la 94%, iar proprietatile termomecanice ale acestui material plastic sunt considerabil imbunatatite.

        Polietilena obtinuta prin procedeul Ziegler este cunoscuta sub numele de polietilena de mare densitate, (0 g/cm3) sau polietilena dura. Pe langa utilizarile clasice in domeniul ambalajelor, ea are si alte intrebuintari, cum ar fi: conducte de presiune, izolatii electrice, rezervoare foarte mari, ambarcatiuni usoare sau chiar roti dintate.

        Descoperirea lui Karl Ziegler a fost dezvoltata cu succes de lucrarile lui Giulio Natta si ale scolii sale. In anul 1955 Giulio Natta pune bazele polimerizarii stereospecifice care permite obtinerea polimerilor stereoregulati, folosind drept catalizator de polimerizare produsii de reactie ai combinatiilor organo-aluminice cu compusii materialelor traditionale (asa numitii catalizatori Ziegler-Natta). Importanta acestor descoperiri rezulta si din faptul ca in 1963, celor doi savanti le-a fost decernat premiul Nobel pentru chimie.

        Cu acesti catalizatori au fost polimerizati cei mai diversi momomeri, obtinnandu-se materiale plastice cu proprietati noi. Una din proprietatile de baza este aceea ca sunt apte de a cristaliza, datorita aranjamentului spatial regulat al monomerilor si ai substituentilor acestora, faptul acesta conferindu-le o rezistenta mecanica si termica superioara celor ale materialelor plastice atactice (nestereoregulate). In acest sens o mare realizare a constituit-o obtinerea polipropilenei izotactice cu structura cristalina a carei temperatura de topire este de circa 165C, pe cand polipropilena atactica, amorfa are intervalul de inmuiere la 100-120C. Deosebit de interesanta este obtinerea unor polimeri de propilena stereobloc. Sinteza decurge astfel incat in macromolecule se gasesc blocuri cristaline si amorfe. Un asemenea material plastic se topeste intr-un interval larg de temperatura, (100-170C) ceea ce ii faciliteaza prelucrarea.

        Pentru a imbunatati calitatile maselor plastice se recurge si la alte procedee. Materialele plastice izotactice se utilizeaza atat ca atare, cat si sub forma compozitiilor lor ranforsate (cu fibre de sticla, grafit, fibre de azbest etc). Ranforsarea (armarea) materialelor plastice mareste mult rezistenta mecanica si greutatea specifica, dar in acelasi timp creste si pretul lor.

Alte cai e modificare a proprietatilor materialelor plastice constau in formarea de aliaje intre ele, grefari de macromolecule pe un material dat etc.  

 (- CH2-CH2-)n este o substanta solida, de culoare alba, termoplastica, putin grasoasa la pipait, asemanatoare cu parafina. Acesta asemanare poate fi inteleasa daca vom lua in consideratie faptulca acest polimer prezinta prin structura sa o idrocartbura saturata (parafina) cu o masa moleculara mare. De aci se poate trage concluzia despre inflamabilitatea polietilenei si despre stabilitatea ei chimica fata de reagenti. Polietilena arde cu o flacara albastrie luminoasa. Solutiile de acizi, baze si oxidanti( permanganat de caliu) asupra ei nu influenteaza. Acidul azotic concentrat o distruge.

POLIPROPILENA

(-CH2-CH-)n este foarte asemanatoare cu polietilena. Ea de asemenea este un

CH3

material solid, grasos la pipait, de culoare alba, termoplastic. Ca si polietilena ea poate fi considerate hidrocarbura macromoleculara saturata (masa moleculara -

Este un polimer stabil la mediile agresive. Spre deosebire de polietilena, ea devine moale la o temperatura mai inalta( de 160-170 C) si are o rezistenta mai mare. La prima vedere aceasta pare de neinteles. Prezenta in prolipropilena a numeroase grupe laterale - CH3 ar fi trebuit sa impiedice la alipirea macromoleculeleor una de alta. Rezistenta polimerului si temperatura lui de topire in acest caz ar fi trebuit nu sa creasca, ci sa descreasca. Pentru a intelege aceasta "contradictie", este necesar sa examinam mai profound structura acestei substante.

In procesul de polimerizare moleculele de propilena(sau de alt monomer cu o structura asemanatoare)pot sa se uneasca unele cu altele in diferite moduri, de exemplu:

CH2 - CH - CH2 - CH - CH2 - CH - CH2 - CH -

CH3 CH3 CH3 CH3

CH2 - CH - CH - CH2 - CH2 - CH - CH - CH2 - 51577byk79mpr7x

CH3 CH3 CH3 CH3

Primul procedeu se numeste "cap-coada", cel de-al doilea procedeu-"coada-cap". E posibila si o varianta mixta de combinare.

Polimerizarea propilenei se realizeaza in prezenta de catalizatori, ceea ce contribuie la formarea dintre toti polimerii posibili a polimerului cu o structura regulata corespunzatoare principiului "cap-coada", caracterizata printr-o succesiune dreapta a grupelor metil in catena.

Grupele- CH3 capata in cazul unei polimerizari de acest fel o orientare spatiala regulata. Daca ne vom inchipui ca atomii de carbon, care formeaza macromolecula zigzag, sint situati intr-un singur plan, atunci grupele metil vor fi situate sau de una si aceeasi parte a acestui plan, sau se vor succeed regulat de ambele parti ale lui.

Polimerul capata, duap cum se spune o structura sterioregulata. La un asemenea polimer macromoleculelesint strins lipite una de alta( au un inalt grad de cristalitate), fortele de atractie reciproca dintre ele cresc, ceea ce influenteaza asupra proprietatilor.

Clorura de polivinil(- CH2 - CH -)n - este un poilimer termoplastic, ale

Cl

carui macromoleculele au o structura de tipul "cap-coada"(Mr de la 10 000 pine la 150 000). Ea se obtine prin polimerizarea prin radicali a clorurii de vinil CH2=CH

Cl

In prezenta de initiatori, din a caror dezintegrare rezulta radicali liberi pentru inceputul cresterii catenei. Faceti schema unei macromolecule crescinde de polimer prin formarea successive de radicali liberi.

Dupa pozitia si structura sa clorura de polivinil poate fi considerate un clor-derivat al poilietilenei. Atomii de clor, care substituie o parte din atomii de hydrogen, sint legati trainic de atomii de carbon, de aceea clorura de polivinil este stabila la actiunea acizilor si a bazelor, areproprietati dielectrice bune, o rezistenta mecanica mare. Ea de fapt nu arde, dar se descompune usor la incalzire, elimminind clorura de hidrogen. yp577b1579mppr

Pe baza de clorura de polivinil se obtin mase plastice de doua tipuri: viniplast , care are o regiditate considerabila, si plasticat, care e un material ceva mai moale. Pentru a preveni descompunerea acestui polimer, in masele plastice fabricate pe baza lui se introduc stabilizatori, iar pentru a obtine plasticate moi se introduc si plastifianti.

Din viniplast se fabrica tevi nrezistente la actiunea agentilor chimici, piese pentru aparatajul chimic, cutii de accumulator si multe altele.

POLISTIRENUL

(- CH2 - CH - )n. Monomerul acestui polimer este stirenul CH2=CH. El reprezinta

C6H5 C6H5

o imbinare de hidrocarburi nesaturate cu hidrocarburi saturate, ca si cum ar fi etilena, in a carui molecula un atom de hydrogen este substituit cu un radical de fenil - C6H5, sau benzen, in a carui molecula atomul de hydrogen este substituit cu un radical de vinil CH2=CH-.

Polisterenul are o structura liniara, masa moleculara de la 50 000 pina la 300 000. Se obtine prin polimerizarea monomeruluiin prezenta de initiatori.

Spre deosebire de polimerii examinati mai inainte, polistirenul la incalzire se depolimerizeaza foarte usor, adica se dezintegreaza, formind monomerul initial:

-CH2 - CH - CH2 - CH - CH2 - CH - . nCH2=CH

C6H5 C6H5 C6H5 C6H5

Un astfel de process poate fi realizat si in laboratorul scolii: la incalzirea polimerului in aparatul pentru distilarea lichidelor in receptor se va acumula monomerul format. Prezenta legaturii dublein stiren poate fi usor demonstrata pe cale experimentala.

Unul din dezavantajele polistirenului este rezistenta relativ mica la lovire, ceea ce-I reduce domeniile de utilizare. In present datorita cauciucului la sintetizarea polimerului se obtine polistiren rezistent la lovire. Acest polistiren este acum cel mai raspindit.

O varietate de polimer este penopolistirenul. El se obtine, adaugind in timpul prepararii materialului a unei subtante de spumare. Ca rezultat polistirenul capata o structura asemanatoare cu o spuma solidificata cu porii inchisi. Acesta este un material foarte usor. Penopolistirenul se utilizeaza in calitate de material termo- si fonoizolator, la constructii, in tehnica frigorifica, industria mobilei.

Policlorura de vinil

cu numele prescurtat PVC este o substanta din categoria materialelor termoplastice cu o structura amorfa. Sunt doua forme de PVC, "forma dura" si "forma moale" la care s-au adaugat stabilizatori. Forma moale este mai raspandita fiind PVC-ul, adecvata prelucrarilor tehnice, este forma care care se aplica pe dusumea, sau in constructii la conductele din material plastic.

Policlorura de vinil ia nastere prin polimerizarea (legarea) monomerelor de clorura de vinil (CH2 = CHCl)

Primul care a sintetizat clorura de vinil in laboratorul profesorului "Justus von Liebig" din Gieen a fost in anul 1835 chimistul francez Henri Victor Regnault, care a observat ca sub actiunea razelor solare clorura de vinil polimerizeaza dand nastere la o pulbere alba. Importanta acestei desc

I. Polietena

Polietena sau polietilena este cel mai utilizat plastic. Poate fi numit si termoplastic adica moleculele sunt dispuse in asa fel incat acesta devine compact si rezistent.

II. Structura polietenei

Polietilena este cel mai simplu polimer, structura sa fiind asemanatoare alcanilor, dar prezinta catene mai lungi. Moleculele de polietena apar sub forma unui lant de atomi de carbon de care se leaga doi atomi de hidrogen. Atunci cand de atomul de carbon se leaga alte lanturi de polietena se formeaza polietena liniara sau de joasa densitate. Aceasta este mai ieftina si mai usor de folosit.

Starea de agregare a polietilenei este solida, aspectul este laptos, transparent, este flexibila, are rezistenta mecanica buna; are solubilitate chimica deosebita si este insolubila in apa si in alti solventi. Este rezistenta la actiunea substantelor chimice. Punctul de topire este cuprins intre 100 - 150^oC si este izolator electric.

III. Obtinerea polietenei

Polietena este un polimer al vinilinului. Procedeul de obtinere se numeste polimerizarea etenei care are loc in urma reactiei:

sau se poate folosi procedeul Zieger-Nafta.

Conditiile in care se realizeza polimerizarea sunt diverse acest lucru determinand doua tipuri de polietena: polietena de joasa densitate si polietena de inalta densitate. Daca presiunea este cuprinsa intre 1000-3000 atmosfere si temperatura intre 150-280^oC se obtine  polietena de joasa densitate. Aceasta reactie are loc in prezenta peroxizilor sau a CrO₃ sau Cr₂O₃ (oxid de crom). La o presiune atmosferica normala si temperatura  de 50 - 75^oC folosind metoda Ziegler  se obtine polietena de inalta densitate. Catalizatorul in acest caz va fii trietilaluminiu tetraclorura de titan. La presiune si temperatura atmosferica obisnuita are loc polimerizarea prin metoda Nenitescu in prezenta amilsodiului.

IV. Utilizarile polietenei

Aceste tipuri de polietena difera prin proprietati si utilizari. Polietena de joasa densitate are catena ramificata, este flexibila si rezistenta la rupere si este utilizata la  fabricarea foliilor pentru ambalaje (pungi, saci), pentru imbracaminte, pentru izolarea cablurilor electrice, pentru obtinerea buteliilor si a obiectelor de uz casnic. Polietena de inalta densitate are o rezistenta deosebita. Este folosita la fabricarea buteliilor, tevilor si conductelor. Este prezenta in compozitia jucariilor, pungilor, sticlelor de sampon.