Materiale in Industria Autovehiculelor

Anghel CHIRU Stelian ŢÂRULESCU Dorin DUMITRAŞCU

2009 – 2010 REPROGRAFIA UNIVERSITĂŢII “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

CUPRINS

INTRODUCERE....................................................................................................................5 1. MATERIALE PLASTICE................................................................................................7 Obiective.................................................................................................................................7 1.1. CONSIDERAłII GENERALE.....................................................................................8 1.2. CLASIFICAREA PLASTICELOR...............................................................................9 1.2.1. Clasificarea după criterii tehnico-economice.........................................................9 1.2.2. Clasificarea după natura chimică..........................................................................10 1.2.3. Alte moduri de clasificare....................................................................................12 1.3. PRODUCEREA POLIMERILOR...............................................................................13 1.3.1. Procedee de obŃinere.............................................................................................13 1.3.2. Structuri moleculare..............................................................................................15 1.3.3. Clasificarea din punct de vedere al reversibilităŃii transformărilor.......................17 1.3.4. Aditivi....................................................................................................................21 1.3.5. Concluzii................................................................................................................25 Autoevaluare..........................................................................................................................26

2. PROPRIETĂłILE GENERALE ALE POLIMERILOR ŞI DOMENIILE DE UTILIZARE...........................................................................................................................28 Obiective.................................................................................................................................28 2.1. PROPRIETĂłILE GENERALE ALE POLIMERILOR ŞI DOMENIILE DE UTILIZARE........................................................................................................................29 2.2. CARACTERISTICILE FIZICE ALE MATERIALELOR PLASTICE.......................37 2.2.1. ProprietăŃi generale...............................................................................................37 2.2.2. EcuaŃii fundamentale pentru mecanica materialelor plastice................................38 2.2.3. Caracteristici statice..............................................................................................42 2.2.4. Caracteristici dinamice.........................................................................................43 2.2.5. ProprietăŃi fizico-mecanice...................................................................................45 2.2.6. ProprietăŃi ale suprafeŃelor de contact...................................................................47 2.2.7. Elemente care dezavantajează materialele plastice...............................................51 Autoevaluare..........................................................................................................................55

3. ELASTOMERI..................................................................................................................57 3.1. CONSIDERAłII GENERALE........................................................................................57 3.2.PRINCIPALELE FAMILII DE ELASTOMERI...............................................................59 3.2.1. Cauciucul natural..........................................................................................................59 3.2.2. Elastomeri sintetici........................................................................................................59 3.3. ÎNCĂRCĂTURI DE RANFORSARE ŞI MATERIALELE DE UMPLUTURĂ...........64 3.4. PREPARAREA AMESTECURILOR.............................................................................67 3.5. RETICULAREA CAUCIUCULUI.................................................................................67 3.6. VULCANIZAREA CAUCIUCULUI.............................................................................68 Autoevaluare.........................................................................................................................72 1

4. CARACTERISTICILE ELASTOMERILOR.................................................................74 Obiective..................................................................................................................................74 4.1. ELASTICITATEA............................................................................................................75 4.2. COMPORTAMENTUL LA VARIAłIILE DE TEMPERATURĂ.................................76 4.3. REZISTENłA LA RUPERE ŞI ABRAZIUNE. VITEZA DE FORMARE A FISURILOR.............................................................................................................................78 4.4. INCOMBUSTIBILITATEA.............................................................................................78 4.5. PROPRIETĂłILE ELECTRICE......................................................................................79 4.6. REZISTENłA LA ACłIUNEA PRODUSELOR CHIMICE ŞI A ULEIURILOR.........80 4.7. ADEZIUNEA LA SUBSTRATURI.................................................................................81 4.8. PERMEABILITATEA LA GAZ.......................................................................................81 4.9. PROPRIETĂłI DE CURGERE........................................................................................81 4.10. PROPRIETĂłI DE AMORTIZARE..............................................................................82 AUTOEVALUARE................................................................................................................83

5. PROCEDEE DE FABRICARE A PIESELOR DIN MATERIALE PLASTICE ŞI ELASTOMERI......................................................................................................................85 OBIECTIVE...........................................................................................................................86 5.1. CONSIDERAłII GENERALE........................................................................................87 5.2. TEHNOLOGIA PRELUCRĂRII MATERIALELOR PLASTICE PRIN INJECłIE.....87 5.2.1. InjecŃia redusă (ITA).....................................................................................................92 5.2.2. InjecŃia de piese cave....................................................................................................93 5.2.3. InjecŃia a două componente..........................................................................................93 5.2.4. InjecŃia cu sâmbure fuzibil............................................................................................94 5.2.5. InjecŃia pe metal............................................................................................................94 5.2.6. InjecŃia cu decorarea în matriŃă.....................................................................................95 5.3. TEHNOLOGIA PRELUCRĂRII MATERIALELOR PLASTICE PRIN COMPRIMARE ŞI TRANSFER.............................................................................................................................95 5.4. TEHNOLOGIA FORMĂRII PRIN EXTRUDARE.........................................................98 5.4.1. Extrudarea firelor...........................................................................................................99 5.4.2. Extrudarea cu filieră inelară.........................................................................................100 5.5. TEHNOLOGIA REALIZĂRII CORPURILOR GOALE ÎNCHISE..............................101 5.5.1. Suflarea.........................................................................................................................101 5.5.2. Rotomularea.................................................................................................................102 5.6. TERMOFORMAREA.....................................................................................................104 5.6.1. Termoformarea peliculelor...........................................................................................106 5.6.2. Ambutisarea şi ştanŃarea pieselor.................................................................................106 5.6.3. Termoformarea prin procedee combinate....................................................................107 5.7. TEHNOLOGIA PRELUCRĂRII MATERIALELOR PLASTICE PRIN CALANDRARE.....................................................................................................................109 5.7.1. Tehnologia prelucrării amestecurilor fluide de polimeri (enducŃia).............................111 5.7.2. Presarea între platouri încălzite.....................................................................................112 5.8. TEHNOLOGIA REALIZĂRII PRODUSELOR ALVEOLARE....................................113 5.8.1. Spume din polistireni expandaŃi....................................................................................113 5.8.2. Spume poliuretanice......................................................................................................114 5.8.3. Mularea prin reacŃie (RIM – Reaction Injection Moulding).........................................115 5.8.4. Procedee pentru alte tipuri de spume............................................................................117 5.9. TEHNOLOGII DE PRELUCRARE A MATERIALELOR TERMORIGIDE ARMATE................................................................................................................................117 5.9.1. Formarea prin contact....................................................................................................118 5.9.2. Formarea prin pulverizare.............................................................................................118 2

5.9.3. Formarea prin înfăşurare...............................................................................................119 5.9.4. Formarea prin injecŃia termorigidelor...........................................................................121 5.10. TEHNICI DE FINISARE..............................................................................................123 5.10.1. Tehnicile pudrelor.......................................................................................................123 5.10.2. Decorarea suprafeŃelor................................................................................................124 5.10.3. Impresionarea..............................................................................................................127 AUTOEVALUARE...............................................................................................................129 6. TEHNOLOGIA LIPIRII ŞI CARACTERISTICILE ADEZIVILOR.........................131 Obiective.................................................................................................................................131 6.1. AEZIVII.......................................................................................................................132 6.2. TEORIA ADEZIUNII..................................................................................................132 6.3. TEHNOLOGIA LIPIRII..............................................................................................134 6.3.1. Tratamentele suprafeŃelor.....................................................................................135 6.3.2. Lipirea...................................................................................................................138 6.4. CARACTERISTICILE ADEZIVILOR.......................................................................140 6.4.1. Masticul................................................................................................................140 6.4.2. Adezivi epoxi........................................................................................................141 6.4.3. Adezivi siliconici..................................................................................................141 6.4.4. Adezivi poliuretanici............................................................................................142 6.4.5. Adezivi sub formă de film....................................................................................143 6.4.6. Brazura compozită................................................................................................144 Autoevaluare.........................................................................................................................144

7. UTILIZAREA ADEZIVILOR ŞI TEHNOLOGII.........................................................144 Obiective................................................................................................................................146 7.1. UTILIZAREA ADEZIVILOR.....................................................................................147 7.2. ÎMBINĂRI CU RĂŞINI ADEZIVE ANAEROBE......................................................152 7.2.1. Răşini anaerobe de fixare......................................................................................152 7.2.2. Răşini anaerobe de blocare...................................................................................154 7.2.3. Răşini anaerobe de etanşare..................................................................................154 7.3. ADEZIVI PENTRU PIESELE DIN ALUMINIU........................................................154 7.3.1. Brazarea elementelor din aluminiu.......................................................................154 7.3.2. EvoluŃia procedeelor de brazare...........................................................................155 7.3.3. Pulberea de brazare NOCOLOK..........................................................................156 7.3.4. Procesul de brazare...............................................................................................157 7.3.5. Metalurgie.............................................................................................................159 7.3.6. Procesul de producŃie...........................................................................................163 Autoevaluare.........................................................................................................................165

3

INTRODUCERE

Ponderea polimerilor sintetici, elastomerilor, textilelor şi vopselelor plastice reprezintă circa 26% din masa unui automobil modern. Ea se extinde datorită caracteristicilor esenŃiale pe care acestea le prezintă: rezistenŃe bune la oboseală, şocuri şi zgârieturi superficiale, coroziune, fisurare la acŃiunea unor forŃe exterioare, hidrocarburilor şi a curentului electric; stabilitate dimensională la temperatură; rigiditate bună a structurilor şi densitate redusă; duritate acceptabilă; insensibilitate la acŃiunea radiaŃiilor; supleŃe; transparenŃă; aspect agreabil; aptitudine la colorare; durată de viaŃă foarte mare; permeabilitate redusă la gaze. Cauciucul este un material mitic. El fascinează prin calităŃile sale excepŃionale. Din toate materialele actuale el este singurul apt de a fi mulat în orice formă, pe care imaginaŃia o poate crea. De asemenea el posedă, după vulcanizare, o proprietate unică – elasticitatea foarte mare. Aceasta îi permite oricărui produs, foarte precis dimensional, să fie deformat în toate direcŃiile şi să revină, imediat după ce a încetat acŃiunea, la configuraŃia iniŃială. Apreciem că apariŃia unei lucrări, care tratează tehnologiile de obŃinere a materialelor sintetice şi procedeele de fabricare a pieselor din acestea reprezintă o oportunitate în literatura tehnică de specialitate. Lucrarea furnizează pentru studenŃii care se iniŃiază în domeniul materialelor noi şi al procedeelor de execuŃie a pieselor de automobile din acestea, dar şi pentru specialiştii ce lucrează în compartimentele de cercetare, dezvoltare, fabricaŃie şi montaj ale firmelor producătoare de automobile, echipamente şi componente; informaŃii, noŃiuni şi cunoştinŃe referitoare la: •

natura şi proprietăŃile polimerilor, elastomerilor şi adezivilor sintetici;

•

caracteristicile şi proprietăŃile materialelor sintetice;

•

tehnologiile de fabricare a pieselor din materiale plastice şi elastomeri;

•

tehnicile de execuŃie a asamblărilor cu adezivi;

•

aplicaŃiile materialelor sintetice în industria de automobile. În viitor, se apreciază că materialele de sinteză vor asigura obŃinerea unor piese cu proprietăŃi

mecanice, fizice, chimice şi electrice superioare (densitate redusă, barieră impermeabilă, porozitate selectivă, retenŃie, degradabilitate, bio-compatibilitate, caracteristici piezo-electrice, semi-conductibilitate, etc.), cu noi sisteme de transformare. Utilizarea intensivă a plasticelor provoacă unele probleme de civism (poluarea mediului). În acelaşi timp, riscul de incendiu şi de fum este dependent de combustia polimerului.

4

SoluŃiile au fost găsite prin punerea la punct a strategiilor de recuperare a rebuturilor şi deşeurilor industriale, rezultate la transformarea polimerilor şi a tehnicilor de reciclare mecanică, chimică şi prin combustie a acestora. Toate tratatele ştiinŃifice structurează, obligatoriu, un volum considerabil de informaŃii şi rezultate ale cercetării şi colaborării dintre firme, institute de cercetări şi specialişti. În acest sens, lucrarea redactată într-o expresie pedagogică originală reprezintă rezultatul unor teorii, date şi cunoştinŃe conŃinute în comunicări prezentate la congrese ştiinŃifice de specialitate şi al cercetărilor desfăşurate de autori în laboratoarele I.U.T. “Paul Sabatier” din Toulouse. Studiul, documentarea şi redactarea lucrării au fost posibile datorită burselor puse la dispoziŃie autorilor ei prin proiectele TEMPUS, ERASMUS şi DAAD. Celor două organizaŃii care le-au acordat (Comisia Economică Europeană şi Ministerului de Externe al Republicii Federale Germania) precum şi celor care au fost alături de noi (studenŃi şi cadre didactice din Universitatea TRANSILVANIA, Fachhochschule Konstanz şi I.U.T. “Paul Sabatier”), pe durata elaborării acestui tratat, le mulŃumim.

Obiectivele generale ale cursului: 1. Prezentarea materialelor plastice, clasificarea lor şi identificarea procedeelor de obŃinere a acestora. 2. Prezentarea proprietăŃilor generale ale polimerilor şi domeniile de utilizare ale acestora. 3. Prezentarea caracteristicilor fizice ale materialelor plastice. 4. Prezentarea elastomerilor şi procedeelor de obŃinere a acestora. 5. Prezentarea caracteristicilor fizice ale elastomerilor. 6. Parcurgerea procedeelor de fabricare a pieselor din materiale plastice şi din elastomeri. 7. Prezentarea adezivilor utilizaŃi pentru realizarea îmbinărilor şi lipirii materialelor plastice şi a elastomerilor. 8. Prezentarea caracteristicilor adezivilor. 9. Parcurgerea tehnologiilor de lipire a materialelor. 10. Identificarea principalelor utilizări ale adezivilor. 11. Parcurgerea procedeelor de îmbinare utilizând adezivii, a materialelor plastice şi a materialelor metalice.

Cursuri anterioare necesare a fi absolvite pentru parcurgerea acestui curs: •

RezistenŃa materialelor I, II

•

Mecanică I, II

•

Fizică 5

•

Chimie

•

ŞtiinŃa şi tehnologia materialelor I+II

•

Materiale si tehnologii în industria de autovehicule

•

Maşini unelte şi prelucrări prin aşchiere

•

ToleranŃe şi control dimensional

•

Proiectare asistata pe calculator

•

Calculul şi construcŃia autovehiculelor I, II

•

Tehnologii de fabricare a ansamblelor de autovehicule

•

Tehnici speciale de fabricare ale autovehiculelor

•

Metode de asigurare a calităŃii

•

Atenuarea vibraŃiilor şi zgomotelor

•

Materiale plastice, ceramice şi compozite

•

Analiza structurală aplicată la autovehicule

Cursuri ulterioare ce necesită absolvirea acestui curs: •

Tehnologii noi pentru fabricarea autovehiculelor

•

Proceduri şi echipamente de testare a autovehiculelor şi componentelor acestora

Cursul este structurat pe şapte unităŃi de învăŃare. Acestea sunt: 1. Materiale plastice. 2. ProprietăŃile generale ale polimerilor şi domeniile de utilizare. 3. Elastomeri. 4. Caracteristicile elastomerilor. 5. Procedee de fabricare a pieselor din materiale plastice şi elastomeri. 6. Tehnologia lipirii şi caracteristicile adezivilor. 7. Utilizarea adezivilor şi tehnologii.

Fiecărei unităŃi de învăŃare îi corespunde un set de teste de autoevaluare. Răspunsurile subiectelor propuse în fiecare test de autoevaluare se află grupate la sfârşitul materialului.

6

Unitatea de învăŃare 1 MATERIALE PLASTICE

Cuprins:

1. MATERIALE PLASTICE................................................................................................7 Obiective.................................................................................................................................7 1.1. CONSIDERAłII GENERALE.....................................................................................8 1.2. CLASIFICAREA PLASTICELOR...............................................................................9 1.2.1. Clasificarea după criterii tehnico-economice.........................................................9 1.2.2. Clasificarea după natura chimică..........................................................................10 1.2.3. Alte moduri de clasificare....................................................................................12 1.3. PRODUCEREA POLIMERILOR...............................................................................13 1.3.1. Procedee de obŃinere.............................................................................................13 1.3.2. Structuri moleculare..............................................................................................15 1.3.3. Clasificarea din punct de vedere al reversibilităŃii transformărilor.......................17 1.3.4. Aditivi....................................................................................................................21 1.3.5. Concluzii................................................................................................................25 Autoevaluare..........................................................................................................................26

Obiective: La sfârşitul acestei unităŃi de învăŃare vei fi capabil să: •

Defineşti materialele plastice.

•

Clasifici materialele plastice după criterii tehnico-economice şi după natura chimică.

•

Identifici procedeele de obŃinere ale polimerilor.

•

Clasifici polimerii din punct de vedere al reversibilităŃii transformărilor.

•

Identifici diferitele tipuri de aditivi.

Durata medie de parcurgere a acestei unităŃi de învăŃare este de 2 ore 7

Unitatea de învăŃare 1.1. ConsideraŃii generale Din punct de vedere al deformaŃiilor mecanice, materialele utilizate în construcŃia de autovehicule, pot fi:
Elastice: se deformează sub acŃiunea unei forŃe exterioare şi revin la forma iniŃială după încetarea acŃiunii acesteia;
Plastice: deformabile, dar nu revin la forma iniŃială. Interes deosebit în construcŃia componentelor autovehiculelor prezintă atât materialele plastice cât şi cele elastice. Un material plastic este un amestec ce conŃine un produs de bază, susceptibil de a fi modelat, sau care a fost mulat. El este un amestec de macromolecule şi polimeri organici sau semiorganici cu caracter răşinos, rezultaŃi în urma unor reacŃii naturale sau artificiale, de polimerizare, poliadiŃie şi policondensare. Din punct de vedere al provenienŃei, materialele plastice pot fi:
naturale: extrase din rezerve naturale şi utilizate fără a suferi modificări de compoziŃie şi structură (nu sunt specifice construcŃiilor de maşini);
artificiale: obŃinute din produse naturale şi supuse ulterior unor îmbunătăŃiri în scop aplicativ (materiale celulozice de tipul celofanului, viscozei);
de sinteză: rezultate din diferiŃi monomeri în urma unor procese tehnologice (reacŃii chimice de polimerizare, poliadiŃie, policondensare). Materialele de sinteză prezintă proprietăŃi plastice (plastomeri) sau elastice (elastomeri) prezentate în schema din figura Materiale de sinteză

Unitatea de învăŃare 1.1. Din figură se observă că plastomerii

Plastice sau plastomeri

Elastomeri

Formă fizică: Eterogene

Compozite

Omogene

1D : fibre 2D : filme, foi, plăci 3D : amestecuri

Complexe

prezintă structură omogenă sau eterogenă. Plasticele omogene au caracteristici specifice:
după transformare dau produse cu 2 sau 3 dimensiuni;
în emulsie sau soluŃie

Sandwitch

Figura Unitatea de învăŃare 1.1. FiliaŃia materialelor de sinteză

dicomponentă, sunt folosite la fabricarea vopselelor, lacurilor, uleiurilor, lianŃilor şi adezivilor.

Plasticele cu funcŃii eterogene sunt: 8


materiale complexe – (rezultă din asocierea, sub formă de straturi, a foilor sau filmelor din diferite plastice sau a acestora cu alte materiale, cum ar fi aluminiul sau hârtia);
compozite – (pot fi presate sau ranforsate cu filamente);
sandwich-uri – (prin configuraŃia lor se apropie de materialele complexe, în plus, ele sunt constituite şi din elemente compozite).

Unitatea de învăŃare 1.2. Clasificarea plasticelor Este dificil de a clasifica materialele plastice, din punct de vedere al proprietăŃilor lor pentru a constitui grupe omogene. De aceea, o selectare, după mai multe criterii (tehnico-economice, natura chimică a plasticelor etc.) oferă avantajul de a realiza grupe coerente dintr-o multitudine de puncte de vedere (ex. cost şi utilizări). Unitatea de învăŃare 1.2.1. Clasificarea după criterii tehnico-economice Materiile prime, disponibile pentru materialele plastice, se prezintă sub două forme:
solide:

- granule (termoplaste); - pudre (termoplaste şi termodure);


lichide:

- răşini (termodure).

În prezent există între 15 şi 20 familii de polimeri termoplastici şi 7-8 grupe de polimeri termoduri. O clasificare sintetică, din punct de vedere economic este prezentată în figura Unitatea de învăŃare 1.2.

Termenul “dur” nu desemnează duritatea materialului plastic, ci ireversibilitatea transformărilor mecano-termice. De exemplu, spumele poliuretanice, utilizate în mod curent în industria de automobile, constituie un material termodur, iar policlorura de vinil este un termoplast. Poliuretanii formează o clasă separată, care rezultă în urma reacŃiei dintre monomeri diferiŃi (ex. polialcooli şi poliizocianaŃi). În această clasificare, nu trebuie să se confunde poliesterul termoplastic sau saturat (ex. polietilenă tereftat-PETP sau butilenă-PBTP), care se prezintă sub formă de granule pentru injecŃie sau extrudare, cu poliesterul termodur sau nesaturat, utilizat, în general, sub formă de răşină vâscoasă. Ultimul este un constituent esenŃial al structurilor din materiale ranforsate cu fibre de sticlă.

9

Figura Unitatea de învăŃare 1.2. Clasificarea şi tipologia utilizării polimerilor

Unitatea de învăŃare 1.2.2. Clasificarea după natura chimică Acest criteriu facilitează clasificarea marilor familii de materiale plastice după originile comune:
homopolimerul reprezintă primul produs al familiei şi este rezultatul direct al polimerizării monomerului de bază;
heteropolimerul are constituenŃi diferiŃi grefaŃi pe monomerul homopolimerului;
copolimerul se obŃine în urma polimerizării mai multor monomeri cu structuri diferite. Clasificarea după natura chimică a polimerilor permite structurarea următoarelor familii (vezi tabelul Unitatea de învăŃare 1.1):

10

Tabelul Unitatea de învăŃare 1.1 Clasificarea după natura chimică Familia de polimeri

Simbolul Denumirea

Originea

PS

Homopolimer

PSE Stireni

SAN ABS

Polistiren Polistiren expandabil Stiren acrilonitril Acrilonitrilbutadien-stiren

Copolimer Copolimer

Termopolimer

Homopolimer

Rigidă Suplă (conŃine plastifiant poliacetat de vinil)

PVC Vinilici

PVC PVD PEld PEmd

Poliolefine

PEhd PP CoPP EVA PET PBT PPS PAN

Acrilici

PMM PA 6

Poliamidice

PA 6/6 PA 11 PA 12 TFE

Floruri

PVDF

Celulozice

PVF CA CAB NCA TCA

Policlorură de vinil Poliviniliden Polietilenă de densitate scăzută Polietilenă de densitate medie Polietilenă de densitate înaltă Polipropilenă Propilen-etilenă Etilen-vinil-acetat Polietilen-tereftalat Polibutilentereftalat Polietilen-sulfură Poliacrilo-nitril Polimetracrilat de nitril Poliamidă 6 (policaprolactamă) Poliamidă 6-6 Poliamidă 11 Poliamidă 12 Tetrafluoretilenă Poliviniliden fluorură Polivinil fluorură Celuloză acetat Celuloză acetatbutirat Nitroceluloză Triacetat de celuloză

Caracteristici

Homopolimer Homopolimer Homopolimer

Densitate scăzută Densitate medie Densitate înaltă

Heteropolimer Copolimer Copolimer Copolimer Copolimer Heteropolimer

Copolimer Homopolimer

11

PCA

Alte

ECA PC PSU POM PF PET EP

Propionat de celuloză Etil celuloză Policarbonat Polisulfonă Polioximetilenă Fenol- formaldehidă Polietilen- tereftalat Epoxi

Fenoplaste Poliesteri

Unitatea de învăŃare 1.2.3. Alte moduri de clasificare Clasificarea materialelor plastice se mai poate realiza şi în funcŃie de:
caracteristicile înregistrate la distrugere, apreciate prin: inflamabilitate, cantitatea şi culoarea fumului, mirosul rezultat în urma arderii, aptitudinea de a se topi şi picura, zgomotul produs la ardere;
densitate;
aspectul suprafeŃei. Pentru încadrarea materialelor într-o anumită familie de polimeri se recurge la identificarea lor prin diferite metode moderne:
teste fizice;
cromatografice;
spectrometrice.

Să ne reamintim! •

Un material plastic este un amestec ce conŃine un produs de bază, susceptibil de a fi modelat, sau care a fost mulat.

•

Materiile prime, disponibile pentru materialele plastice, se prezintă sub două forme: solide - granule (termoplaste) şi pudre (termoplaste şi termodure);

lichide - răşini

(termodure). •

Materiile prime, disponibile pentru materialele plastice, se prezintă sub două forme: solide, care pot fi granule (termoplaste) sau pudre (termoplaste şi termodure); lichide, care pot fi răşini (termodure).

•

Clasificarea după natura chimică facilitează clasificarea marilor familii de materiale plastice după originile comune: homopolimerul reprezintă primul produs al familiei şi este rezultatul direct al polimerizării monomerului de bază; heteropolimerul are

12

constituenŃi diferiŃi grefaŃi pe monomerul homopolimerului; copolimerul se obŃine în urma polimerizării mai multor monomeri cu structuri diferite.

Unitatea de învăŃare 1.3. Producerea polimerilor Unitatea de învăŃare 1.3.1. Procedee de obŃinere SubstanŃele de bază, necesare obŃinerii materialelor plastice, pot fi de origine animală (cazeina şi galalitul, extrase din lapte), vegetală (celuloza şi diferite produse celulozice extrase din lemn sau bumbac; uleiul de ricin) sau minerală (produse sintetice sau artificiale obŃinute din petrol). Indiferent de originea substanŃelor, în acestea se regăsesc trei elemente chimice de bază: carbonul, hidrogenul şi oxigenul. Actualmente, materialele plastice sunt produse ale industriei petrochimice, care a înlocuit carbochimia:

Petrol

Rafinare

Nafta

Vaporizare/Cracare

Monomer

Reactor

Polimer

Polimerul se prezintă, la ieşirea din reactor sub formă de pudră sau răşină lichidă. El poate fi direct utilizat, sub această formă, sau poate fi transformat în granule. În acest caz, polimerul suferă o operaŃie complementară de plastifiere prin extrudare şi o decupare clasică în granule. Diferitele stadii ale preparării materialelor plastice sunt redate în figura Unitatea de învăŃare 1.3. În chimia materialelor plastice, produsul de bază, la începutul operaŃiunii, se numeşte monomer(M), iar cel utilizat pentru prelucrare poartă denumirea de polimer. Monomerul reprezintă o moleculă simplă cu masă moleculară mică (sub 100), iar polimerul o moleculă cu masa moleculară mare (de câteva zeci de mii de ori masa monomerului) şi se numeşte macromoleculă (dimensiunea de 1µm → 1å). De exemplu, monomerul etenă (CH2 = CH2), cu masa moleculară 32, generează polietilena (-CH2-CH2-)n, care are o masă moleculară de aproximativ 30.000 (n=10.000, → masa molară = 10.000 x 32 = 32.000). Trecerea monomerilor în polimeri se poate face prin:
polimerizare (…);
policondensare(…);
poliadiŃie(…).

13

Figura Unitatea de învăŃare 1.3. Stadiile preparării polimerilor Polimerizarea (figura Unitatea de învăŃare 1.4) este o transformare, care se face rapid şi fără reziduu, sub presiune şi temperatură, prin amorsare cu radical, prin radiaŃie, cu utilizarea de catalizatori potriviŃi sau sub efectul conjugat al mai multor factori.

Figura 1.4 Polimerizarea

14

Polimerul obŃinut se prezintă sub forma unei macromolecule cu lanŃ linear în care unitatea structurală a moleculei de bază se repetă de mai multe ori . Exemple de mase plastice de polimerizare sunt: PS, PVC, PE, PP. Policondensarea reprezintă o reacŃie, care are loc fără amorsare între molecule de bază de structură diferită. Ea este mai lentă ca polimerizarea şi dă un reziduu (în general apă condensată, uneori amoniac sau hidracizi). Produsul rezultat este un policondensat, care se prezintă sub formă de răşină liniară, sau tridimensională, în care motivul structural este molecula ce se repetă numai de câteva sute de ori. Acesta este deci o macromoleculă de talie redusă în comparaŃie cu cea obŃinută prin polimerizare. Exemple de mase plastice de policondensare sunt: PC, PET, PPO, PSV, PA. Schematizat, pentru un poliester, policondensarea are următoarea structură:

Poliacid + polialcool (diacid) (poliglicol)

+

Catalizator + căldură sau accelerator

Solvent de reticulare

Răşină în soluŃie

Structură tridimensională Poliester

PoliadiŃia se obŃine printr-o reacŃie cu amorsare şi fără reziduu, constând în adiŃia succesivă a moleculelor monomere bifuncŃionale. Un exemplu tipic este formarea poliuretanilor prin poliadiŃia diaminelor cu diizocianaŃi.

Unitatea de învăŃare 1.3.2. Structuri moleculare ProprietăŃile fizice ale unui material plastic sunt date de intensitatea şi ordonarea grupărilor moleculare (forŃele de legătură). De asemenea, materialul este cu atât mai rezistent cu cât lanŃurile sunt mai lungi, iar punctele de racordare între ele mai numeroase. Pe de altă parte, atomii exteriori definesc proprietăŃile chimice ale materialului. Din punct de vedere al formei geometrice, lanŃurile macromoleculelor pot fi liniare (filiforme), ramificare, cu structură bidimensională (stratificată), sau tridimensională (reticulată). Macromoleculele liniare-1D sunt dense, conferind produsului o rigiditate sigură, o densitate mai scăzută şi mai multă supleŃe. Structurile tridimensionale-3D sunt sorturi de lanŃuri, care asigură o mai bună rezistenŃă la temperatură. Organizarea moleculelor (amorfe sau cristaline) determină diferitele caracteristici ale polimerilor (Tabelul Unitatea de învăŃare 1.2). 15

Produsul rezultat prin polimerizare directă din monomer poartă denumirea de homopolimer. Molecula comportă numai un motiv elementar şi se schematizează astfel: -A-A-A-A-AÎn plus, el se poate obŃine din co-polimeri, prin polimerizare, utilizând mai mulŃi monomeri de bază. O altă variantă, este aceea a realizării unui co-polimer prin grefaj sau radiaŃie, pornind de la un polimer pe care se leagă alte lanŃuri polimerice. De asemenea, este posibil să se obŃină un terpolimer în întregime pe trei monomeri de bază. Schematizând, se pot întâlni următorii co-polimeri: Aleatorii:

-A-B-B-A-B-A-

SecvenŃiali:

-A-A-A-B-B-B-

GrefaŃi:

-A-A-A-A-A-A¦ B ¦ B ¦

Copolimerii oferă proprietăŃi intermediare faŃă de cele pe care le dau, individual, diferiŃii monomeri constitutivi. Tabelul Unitatea de învăŃare 1.2. Caracteristici ale moleculelor Molecule Amorfe

LanŃuri ramificate, tridimensionale, dezordonate

Caracteristici
slabă contracŃie, stabilitate

Polimeri PS-SAN

dimensională;
stabilitate la fluaj şi la şoc;

ABS


rezistenŃă mecanică, dependentă de

PMM

temperatură;
dificultate la etirare;

PC


plajă de înmuiere şi fluiditate mari;

PPO,PSO,PPS


ciclu rapid de formare. PVC Cristaline

LanŃuri liniare ordonate şi simetrice


stabilitate chimică (în particular la

PEhd

hidrocarburi şi solvenŃi);
rezistenŃă la oboseală dinamică;

PP 16


bune proprietăŃi de curgere

PET, PBT

(posibilităŃi de a fi transformate în fibre sau film);
punct liber de fuziune;

PA, PDM, PFE


coeficient de fricŃiune redus;
deformaŃie slabă sub influenŃa temperaturii.

Unitatea de învăŃare 1.3.3. Clasificarea din punct de vedere al reversibilităŃii transformărilor Anumite macromolecule se înmoaie atunci când sunt încălzite. Dacă la răcire se întăresc şi operaŃia este reversibilă poartă denumirea de termoplaste sau plastomeri. Din contră, dacă se ridică temperatura unui corp macromolecular, care are reŃea tridimensională, el se întăreşte în matriŃa încălzită. Căldura consolidează legăturile existente rigidizând definitiv produsul. Fenomenul este ireversibil. Corpul obŃinut se numeşte termodur. La formare, dacă se operează cu o matriŃă încălzită, eventualele deşeuri sunt irecuperabile. Transformarea unui anume produs necesită, după încălzirea prealabilă şi punerea în formă, răcirea matriŃei. Materialele termodure sunt de mai multe tipuri. Dintre acestea cele fenolice şi epoxidice prezintă interes. A. Termodure fenolice: obŃinute prin policondensarea fenolului cu formaldehidă.
Prima etapă a procesului de producere este cea de obŃinere a polimerului în condiŃii catalitice şi la temperatură, având ca intermediari produşi difuncŃionali. Rezultă lanŃuri liniare, scurte: amestec de oligomeri cu 1…10 nuclee fenolice. OH

OH H

H + 2 H-COH

2 H Fenol

Formaldehida

Catalizator Temperatura

H

OH H

H

CH2OH

+ CH2OH H Produsi difunctionali

17

OH

OH

H

CH2OH H + H

OH H

OH CH2

H

H +

H

H

H2O

H


A doua etapă este cea de mulare la cald. Reticularea oligomerilor între ei, constă în condensarea resturilor hidroximetilenice dintr-un lanŃ cu atomi de H reactivi din lanŃuri învecinate, cu formarea altor punŃi metilenice de reticulare. - CH2OH + H- → - CH2- + H2O

B. Termodure epoxidice
Prima etapă a procesului este cea de sinteză a furnizorului de răşină epoxidică (E): H

H N H + CH2 CH R CH CH2

R'

N CH2 CH OH

O

O A

R'

E

CH2 CH R CH CH2

R CH CH2 O

A H E

(a)

(R lanŃ scurt, circa C20)

O

O

(b)

E

E

H

H A B

H E

(c)

A B

A: Extremitatea reactivă a diaminei

H

E: Extremitatea epoxidică

E

Figura Unitatea de învăŃare 1.5. Schema de obŃinere a răşinii epoxidice

18


A doua etapă are loc între restul epoxidic şi un compus organic reactiv de tip diamină. ReacŃia chimică determină formarea unei reŃele (conform ecuaŃiei chimice şi a figurii Unitatea de învăŃare 1.5 a şi a schemei Unitatea de învăŃare 1.5 c).

Compusul format din 4 resturi epoxi şi o diamină reacŃionează, din nou, prin extremităŃile sale reactivate epoxi (E). În rezumat, după amestecarea celor doi constituenŃi (răşină + produs chimic organic), lichidul este format din juxtapunerea unor mici “batoane” independente învecinate (figura Unitatea de învăŃare 1.5 b). După reacŃia chimică, batoanele se cuplează între ele şi formează un grup de masă moleculară foarte mare.

Să ne reamintim! •

Polimerizarea este o transformare, care se face rapid şi fără reziduu, sub presiune şi temperatură, prin amorsare cu radical, prin radiaŃie, cu utilizarea de catalizatori potriviŃi sau sub efectul conjugat al mai multor factori.

•

Policondensarea reprezintă o reacŃie, care are loc fără amorsare între molecule de bază de structură diferită. Ea este mai lentă ca polimerizarea şi dă un reziduu (în general apă condensată, uneori amoniac sau hidracizi).

•

PoliadiŃia se obŃine printr-o reacŃie cu amorsare şi fără reziduu, constând în adiŃia succesivă a moleculelor monomere bifuncŃionale. Un exemplu tipic este formarea poliuretanilor prin poliadiŃia diaminelor cu diizocianaŃi.

•

Anumite macromolecule se înmoaie atunci când sunt încălzite. Dacă la răcire se întăresc şi operaŃia este reversibilă poartă denumirea de termoplaste sau plastomeri.

•

Anumite macromolecule se înmoaie atunci când sunt încălzite. Dacă la răcire se întăresc şi operaŃia este reversibilă poartă denumirea de termoplaste sau plastomeri. Dacă se ridică temperatura unui corp macromolecular, care are reŃea tridimensională, el se întăreşte în matriŃa încălzită, rigidizând definitiv produsul (fenomenul este ireversibil). Corpul obŃinut se numeşte termodur.

19

Înmuiere

sub temperatură. Fixare prin răcire reversibilă

LanŃuri liniare

POLIMER

Copolimer

Termoplastice Molecule de bază identice Rapidă fără reacŃii chimice. Se răceşte matriŃa. Deşeuri reciclabile

Transformare rapidă fără reziduuri

InjecŃie Extrudare

Molecule de bază, diferite

POLIMERIZARE

Presiune – temperatură Cataliză – radiaŃii

TRANSFORMARE MONOMER Comprimare POLICONDENSARE

ReacŃie chimică lentă. MatriŃa răcită Deşeurile se pierd

Molecule de bază, diferite ReacŃie lentă cu reziduuri

POLICONDENSAT

TERMODURE ReŃea liniară Întărire şi fixare ireversibilă sub temperatură. ReŃea tridimensională

Figura Unitatea de învăŃare 1.6. Moduri de formare a materialelor plastice În figura Unitatea de învăŃare 1.6 sunt prezentate, sugestiv, operaŃiile de polimerizare şi policondensare ce însoŃesc procesele de formare a materialelor termoplaste şi termodure. Exemple de materiale plastice, care fac parte din familiile prezentate sunt date în Tabelul Unitatea de învăŃare 1.3.

20

Tabelul Unitatea de învăŃare 1.3. Materiale termoplaste şi termodure Termoplaste

Termodure

Elastomeri Cauciuc natural Neopren NBR, Nitrili EPDM Poliuretan (anumiŃi) Siliconi (anumiŃi) Butil

Epoxy Fenolice Polimide Melamină – fenol Poliuretan (anumiŃi) Poliester (anumiŃi) Siliconi (anumiŃi) Ebonită

ABS Poliamide (nylon) PMMA (Plexiglas) Polistiren PVC Poliuretan (anumiŃi) Poliester (anumiŃi) PTFE (Teflon) PEEK PE (Polietilenă)

Unitatea de învăŃare 1.3.4. Aditivi Defectele inerente ale materialelor pot fi diminuate, sau chiar eliminate, prin introducerea în amestecul de formare a aditivilor. Aceştia, deşi sunt adăugaŃi în cantităŃi mici, influenŃează proprietăŃile finale ale produsului (Tabelul Unitatea de învăŃare 1.4). Tabelul Unitatea de învăŃare 1.4. Clasificarea principalelor familii de aditivi pentru materiale plastice Tipuri de aditivi RanforsanŃi

De umplere (Încărcături)

PlastifianŃi

StabilizanŃi

Materiale plastice incorporate Măresc rezistenŃa Fibre de sticlă, carbon, Poliesteri mecanică metal Epoxide PA, PVC Diminuează preŃul de Hârtie tocată, cretă, făină de Fenoplaste şi revenire. lemn, rumeguş; aminoplaste Aport la o proprietate Azbest, caolin, mică, silin, (PVC cu particulară: talc; azbest, PP cu Stabilitate la căldură; Încărcături de fibre talc) Stabilitate la şoc şi (celulozice, bumbac, fibre abraziune; sintetice, sinal); Conductibilitate; Grafit Frecare; RezistenŃă chimică; PVC suple ÎmbunătăŃesc FtalaŃi, fosfaŃi, stearaŃi, Celulozice glicoli, adipaŃi supleŃea şi reduc fragilitatea Se opun îmbătrânirii Săruri de Pb, Ba, Ca, Sn; Vinilice sub efectul căldurii şi StearaŃi; al ultravioletelor Uleiuri de soia; Efecte

Natura aditivilor

ProporŃie