KURZUS: Anyagismeret

MODUL: Szerkezeti anyagok

23. lecke: Nem fémes szerkezeti anyagok, polimerek

|  | a nem fémes szerkezeti anyagok felosztása a polimer fogalma, a polimerek csoportosítása eredet szerint természetes eredetű polimerek fajtái, jellemzőik, felhasználási területük a fa felépítése jellemző tulajdonságai, "nemesített" fatermékek a rostok fajtái, jellemzőik, felhasználásuk a bőr jellemzői, felhasználási területei a papír jellemzői a mesterséges polimerek előállítása, a polimerizáció, a polikondenzáció a poliaddíció lényege a hőre lágyuló polimerek szerkezete, fajtái, hővel szembeni viselkedésük, felhasználási lehetőségeik a hőre nem lágyuló polimerek szerkezete, fajtái, hővel szembeni viselkedésük, felhasználási lehetőségeik az elasztomerek szerkezete, fajtái, hővel szembeni viselkedésük, felhasználási lehetőségeik a műanyagok terheléssel szembeni viselkedése, eltérések a fémekhez képest kúszás, relaxáció a műanyagok tulajdonságait befolyásoló tényezők
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | megadni a fa, a bőr, a papír, a polietilén jellemző tulajdonságait jellemezni a hőre lágyuló és a hőre nem lágyuló műanyagokat felhasználási területnek megfelelő nem fémes szerkezeti anyagot, polimert kiválasztani kiválasztani az újrahasznosítható műanyagokat
|  | A nem fémes anyagoknak nincs olyan nagy hagyományokon alapuló szabványos rendszere, mint azt a fémeknél láttuk. Ennek oka többek között az, hogy a nemfémes anyagok tulajdonságai sok mindentől függnek, így pl. az előállítás módjától, a hőmérséklettől, a nedvességtartalomtól, a terhelés időtartamától. A tulajdonságok szórása sokkal nagyobb, mint a fémeké.
|  | A nem fémes szerkezeti anyagok csoportosítása
|  | A nem fémes szerkezeti anyagokat két csoportba oszthatjuk. Ezek:
|  | szerves nem fémes szerkezeti anyagok vagy polimerek szervetlen nem fémes szerkezeti anyagok vagy kerámiák
|  | Szerves nem fémes szerkezeti anyagok vagy polimerek
|  | A polimerek óriásmolekulákból felépülő szerves eredetű anyagok. Lehetnek:
|  | természetes és mesterséges polimerek azaz műanyagok
|  | Természetes eredetű polimerek
|  | A természetes eredetű polimerek olyan kémiai vegyületekből állnak, melyeket organizmusok állítanak elő. Legfontosabbak:
|  | a fa és a faszerkezeti anyagok, a bőr a rostok.
|  | Fa és fa szerkezeti anyagok
|  | A fa természetes összetett anyag, amely cellulózrostokból és kötőanyagból (lignin) áll. Mikroszkópos szerkezetét a hosszan elnyújtott, cső alakú, egymással kapcsolatban lévő szállító sejtek jellemzik.
1. ábra. A fa szerkezete
|  | A faanyagok tulajdonságai
|  | kicsi a sűrűsége erősen anizotróp és inhomogén. szálirányú és arra merőleges igénybevehetőség 8-30 szoros különbséget mutathat. Szilárdsága jelentősen függ az igénybevétel irányától. Szakítószilárdsága mintegy kétszerese nyomószilárdságának. A húzó igénybevétellel szembeni ellenállása jelentősen függ a fa hibáitól (pl. ággörcs), ezért a húzó igénybevételt kerülik, elsősorban nyomó és hajlító igénybevétellel terhelik. Vízfelvételre hajlamos, mechanikai tulajdonságai függnek a víztartalomtól.
|  | Fa és fa félgyártmányok
|  | A fa félgyártmányok makroszerkezetét rendszerint forgácsolással kialakított alak, méretek és felületminőség eredményezi.
2. ábra. Faipari félgyártmányok
|  | "Nemesített fatermékek"
|  | A fa természetes anizotrópiáját rostirányban keresztezett rétegek összeragasztásával lehet megszüntetni. Lehet
|  | rétegelt fa vagy furnér, több egymáshoz enyvezett faréteg bútorlap farostlemez, amely a többfokozatban őröl fából nedves vagy száraz eljárással készült lemez, vagy forgácslemez, amely faforgácsból műgyanta kötőanyag felhasználásával állítanak elő
3. ábra. Nemesített fatermékek
|  | Rostok
|  | A rostok hosszirányban elnyújtott kis keresztmetszetű anyagok, amelyeknek molekulái, vagy alkotó részei párhuzamos elrendezésűek, és ezért jó a hajlító és a szakítószilárdságuk. Lehetnek:
Lehetnek természetes növényi rostok, mint pl. a pamut, len, kender, juta, kókusz stb. vagy állati, mint pl. a gyapjúk és szőrök (juh, láma, teve stb.) és selymek. A mesterséges rostok lehetnek cellulózrostok, vagy fehérjék. |  | természetes növényi rostok, állati, és selymek mesterséges rostok pl. cellulóz, fehérje
|  | A rostok fő alkalmazási területe a textil és papíripar.
|  | Bőr
Alkalmazása: pl. géphajtószíjak, sík és alakos tömítések, tengelykapcsoló alkatrészek, védőruházatok, munkavédelmi kesztyűk, jármű üléshuzatok stb. |  | A bőr a gerinces állatok kültakarója, amely három fő rétegből áll, a hámból, az irhából és a hájashártyából. A bőrfeldolgozás szempontjából a bőr vastag kb. 85-88%-át kitevő irharétegnek van jelentősége.
|  | A bőr az állat egyes testtájain eltérő minőségű vastagság, tömörség, rugalmasság és szilárdság tekintetében. A legértékesebb a hátrész (krupon), amely a nyersbőr kb. 45 %-a.
4. ábra. A nyersbőr részei
|  | Az iparilag feldolgozott bőrt cserzéssel és kikészítéssel (pl. hengerléssel, zsírozással, impregnálással) készítik.
|  | Papír
|  | A papír növényi rostokból filcesítéssel, ragasztással és préseléssel előállított lapos szerkezeti anyag.
|  | Alapanyaga a fa csiszolása utján nyert faköszörület és a fa kémiai feltárásával nyert cellulóz. Felhasználnak újrahasznosított papír és rongyhulladékot is. Töltőanyagokkal (pl. titánoxid vagy kaolin) és enyvező anyagokkal a fehérségi fok, a felületi minőség befolyásolható. Az alap és a töltőanyagokból vizes szuszpenziót készítenek, aminek a kiszáradása folyamán a benne lévő rostok filcesednek és ezután a cellulóz OH csoportjainak közvetítésével szilárdan összekötődnek. A papír folyadékkal szembeni ellenállás műgyanta, enyv, keményítő hozzáadásával javítható.
|  | Mesterséges polimerek, műanyagok
|  | A műanyagok mesterséges úton előállított szerves vegyületek, amelyek óriásmolekulákból állnak. Az óriásmolekulákat (polimereket) kismolekulákból az ún. monomerekből állítják elő
| polimerizációval,
| polikondenzációval vagy
| poliaddícióval,
|  | Mesterséges polimerek, műanyagok előállítása
|  | A polimerizáció során a monomerek kettőskötéseinek aktiválásával létrehozott reakcióképes vegyértékek hozzák létre a polimert. pl. CH2 = CH2 az etilén a polietilén PE alapanyaga.
|  | A megfelelő nyomáson és hőmérsékleten felszakított kettős kötésből reakcióképes egymáshoz kapcsolódni tudó monomerek jönnek létre. A monomerek egymáshoz kapcsolódva hozzák létre a láncmolekulás szerkezetű polimert pl. -CH2-CH2- CH2- CH2-
|  | A polimerizációval láncmolekulás szerkezet alakul ki. Így állítják elő pl. a polipropilént PP, a polivinilcloridot PVC, a polisztirolt PS. a politetrafluoretilent a PTFE stb. A polikondenzáció estében a monomerek melléktermék legtöbbször víz képződés mellett kapcsolódnak össze. pl. a poliamid. PA, a polikarbonát PC stb. A poliaddicióban a kapcsolódást funkciós csoportok hozzák létre. pl. poliuretán, PUR, epoxigyanták stb.
|  | A műanyagok szerkezete és termikus viselkedése
|  | A polimereket elsődleges vagy vegyérték kötések és másodlagos kémiai kötések kapcsolják össze. A műanyagok tulajdonságai, hővel szembeni viselkedése, alkalmazhatósága jelentősen függ a szerkezettől.
|  | A műanyagok lehetnek:
|  | hőre lágyuló termoplasztok hőre nem lágyuló duroplasztok elasztomerek
|  | Hőre lágyuló, termoplasztok
|  | Csak egy irányban, a szál irányában van elsődleges, vegyérték kapcsolat, és a szálak egymáshoz laza molekulák közötti erőkkel (Van der Waals) kapcsolódnak. Ezek a másodlagos kötések a hőmérséklet hatására felszakadnak, a műanyag meglágyul. Lehetnek
|  | amorf részben kristályos szerkezetűek
|  | Hőre lágyuló termoplaszt
5. ábra. Amorf szerkezetű termoplaszt
6. ábra. Részben kristályos szerkezetű termoplaszt
Az ábrán a szilárdság és a nyúlás van feltüntetve a hőmérséklet függvényében, illetve a műanyag adott hőmérsékleten tapasztalható állapota. |  |
7/a ábra. A hőre lágyuló műanyagok hővel szembeni viselkedése (amorf)
Az ábrán a szilárdság és a nyúlás van feltüntetve a hőmérséklet függvényében, illetve a műanyag adott hőmérsékleten tapasztalható állapota. |  |
7/b ábra. A hőre lágyuló műanyagok hővel szembeni viselkedése (részben kristályos)
|  | A hőre lágyuló műanyagok az ún. üvegesedési hőmérséklet (Tü) alatt üvegszerűen viselkednek, felette alakíthatók. Az amorf anyagok Tü felett rugalmasan viselkednek, majd további melegítés hatására meglágyulnak és képlékenyen alakíthatóvá válnak. További hevítés hatására megolvadnak. Visszahűtve visszanyerik eredeti állapotukat. Az ilyen műanyagok újrafeldolgozhatóak.
|  | A legfontosabb használati szerkezeti anyagok a PE, a PVC, PP, és a PS. Konstrukciós szerkezeti anyagként a gépipar elsősorban a részben kristályos poliamidot, a polioximetilént POM, a polietilénteraftalátot (PET) használja. Biztonsági üvegezéshez a teljesen áttetsző policarbonátot (PC) használják.
|  | Duroplasztok
|  | Ha az óriásmolekulák minden irányban valódi vegyérték kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, a térben három dimenziós háló alakul ki. Ezt térhálós szerkezetnek nevezzük. Az ilyen anyagok hővel szembeni viselkedése irreverzibilis.
8. ábra. A hőre nem lágyuló, duroplasztok szerkezete és hővel szembeni viselkedése
|  | Hő hatására a háló mozgékonysága növekszik, de az elsődleges, vegyérték kötések erőssége változatlan. A térhálósodás az anyag alakítása során hő vagy un. edző hatásra jön létre. A műanyag a térhálós szerkezet kialakulása után hő hatására nem lágyul meg, nem alakítható és nem hegeszthető.
|  | A duroplasztok szerkezete mindig amorf, mert a láncok rendkívül szorosan illeszkednek egymáshoz. Ilyenek pl. a fenoplasztok és az aminoplasztok, melyek merev, kemény, rideg anyagok főleg kapcsolók, dugaszolóaljzatok, villamos szerelvények készítésére alkalmazzák. A telítetlen poliészter műgyanta önmagában rideg, üvegszállal, üvegszövettel, szövettel stb. társítva csónaktestek, járműfelépítmények stb. anyaga Az epoxigyanták ragasztóként. vagy rétegelt anyagként szendvics szerkezetek, csónaktestek anyaga.
|  | Elasztomerek
|  | A térben ritkán hálósodott polimereket rugalmas műanyagoknak, elasztomereknek nevezik. A főlánc néhány száz atomjára egy keresztkötés jut, így lehetővé válik az egész polimerháló mozgása. Ennek eredményeként a műanyag rugalmas. Pl. PUR, szilikon, sztirolbutadien gumi.
|  | A hálósodás vulkanizálás révén játszódik le pl. kén hatására (gumi). Az elasztomerek melegítés hatására nem lágyulnak és olvadnak jellegzetes módon, gumiszerű rugalmas állapotukat a bomlási hőmérsékletükig megtartják.
9. ábra. Az elasztomerek szerkezet és hővel szembeni viselkedése
|  | Ilyen anyag pl. a poliuretán PUR, a szilikon és a sztirol butadien gumi. Ezek kábelköpenyek, tömítések, fogaskeréklánc, kerékabroncsok, cipőtalpak stb. anyagai.
|  | A műanyagok terheléssel szembeni viselkedése
|  | A műanyagok a fémes szerkezeti anyagoktól eltérő viselkedést mutatnak. A fémek a folyáshatár alatt rugalmas, fölötte rugalmas + maradó alakváltozást szenvednek. A terhelés megszüntetése utána rugalmas alakváltozás azonnal megszűnik.
|  | A műanyagok. Feszültség nyúlás kapcsolata nem lineáris. Egy adott igénybevétel hatására az alakváltozás. a rugalmas és a maradó alakváltozáson kívül még késleltetett rugalmas alakváltozásból is áll. Ezt a viselkedést viszkoelasztikus viselkedésnek nevezzük.
|  | A következmény, hogy a műanyagok terhelés hatására kúsznak, vagyis állandó terhelés hatására az idővel növekszik az alakváltozás. Megfigyelhető továbbá a relaxáció, elernyedés, ami állandó nagyságú alakváltozás esetén bekövetkező feszültségcsökkenést jelent.
|  | A műanyagok feszültség-nyúlás kapcsolata függ a hőmérséklettől, a terhelési szinttől és az igénybevétel időtartamától. A meghatározott anyagjellemzőket befolyásolja:
|  | az alakváltozás sebessége a nedveségtartalom a hőmérséklet
10. ábra. A hőmérséklet és a nedvességtartalom hatása PA66 műanyagon bemutatva
11. ábra. A vizsgálat sebesség hatása a szigma-epszilon görbére
|  | Figyelje meg, a vizsgálati sebesség növelése hatására a képlékeny műanyag ridegen fog viselkedni.
|  | Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a műanyagok a fémekhez képest a következők előnyökkel illetve hátrányokkal jellemezhetők:
|  | Előnyeik: kis sűrűség, kiváló hang- és hőszigetelő képesség, jó rezgés és zajcsillapítás, könnyű megmunkálhatóság, kiemelkedő vegyszer és korrózióállóság, általában viszonylag alacsony ár
|  | Hátrányok: kisebb szilárdság és merevség, kisebb alkalmazhatósági hőmérséklet, nagyobb hőtágulás, elektrosztatikus feltöltődés, kúszási hajlam már szobahőmérsékleten, gyúlékonyság, sokszor mérgező égéstermékek keletkezése, nagyobb öregedési hajlam, nagy részük biológiailag nem lebontható ezért jelentős a környezet terhelésük.

|  | Ellenőrző kérdések
| 1. Jelölje be az alábbi állításokról, hogy igaz vagy hamis!
A fa erősen anizotróp, inhomogén |
A természetes kompozit, amely szálirányban elnyújtott cellulózrostokból és lignin kötőanyagból áll |
A fa szakítószilárdsága fele a nyomószilárdságának |
A fa anizotrópiáját rostirányban keresztezett rétegek összeragasztásával nem lehet csökkenteni |
A bőr tulajdonságai a cserzéssel befolyásolhatók |
A rongyhulladékból készült papír kevéssé ellenálló, mint a fa alapanyagból előállított |
A polietilént (PE) poliaddícióval állítják elő |
A polimerizáció láncmolekulás szerkezetet eredményez |
A hőre nem lágyuló polimerek kristályos szerkezetük miatt kemények, ridegek |
Az elasztomerek hulladéka újrahasznosítható |
A polimerek terhelhetősége függ az időtől is |
| Jelölje be az egy helyes megoldást!
| 2. Milyen molekula szerkezete van a hőre nem lágyuló polimereknek?
| Lánc molekulás.
| Részben kristályos.
| Ritkán térhálós.
| Térhálós.
| 3. Milyen molekula szerkezete van a hőre lágyuló polimereknek?
| Lánc molekulás.
| Részben kristályos.
| Ritkán térhálós.
| Térhálós.
| 4. Milyen molekula szerkezete van az elasztomereknek?
| Lánc molekulás.
| Részben kristályos.
| Ritkán térhálós.
| Térhálós.
| 5. Milyen polimerek lehetnek részben kristályosak?
| Hőre keményedő.
| Hőre nem lágyuló.
| Elasztomer.
| Hőre lágyuló.
| 6. Milyen műanyagok hulladéka hasznosítható újra?
| Hőre lágyuló.
| Hőre keményedő.
| Hőre nem lágyuló.
| Elasztomer.