Polymerer (föreläsningar/bok)

Vad är de flesta polymerer uppbyggda av?

Vad är undantaget?

Vad är de flesta polymerer uppbyggda av?

Vad är undantaget?

Kolkedjor (organiska)

Silikon

Vilka element kan huvudkedjan bestå av?

-C-, -N-, -O-, -S-, -C=,-N=

Vilka element kan sidogrupperna bestå av?

-H, C, -F, -Cl (i boken O men inte C)

Vad är plast gjort av?

Polymer+tillsats

Vad används termoplast mestadels till?

Förpackningar och husbyggnad

Egenskap: Låg smältpunkt

Vad är dess fördel och nackdel?

Fördel: Lätta att bearbeta

Nackdel: Lägre temperaturområde för användning

Egenskap: Stor töjning

Vad är dess fördel och nackdel?

Fördel: Inte spröda

Nackdel: Större krypning och lägre flytstyrka

Egenskap:Låg densitet

Vad är dess fördel och nackdel?

Fördel: Lätta produkter

Nackdel: Låg strukturell styrka

Egenskap: Dålig värmeledare

Vad är dess fördel och nackdel?

Fördel: Bra termisk isolator

Nackdel: Fördelar värme dåligt

Egenskap: Elektriskt motstånd

Vad är dess fördel och nackdel?

Fördel: Bra elektrisk isolator

Nackdel: Leder inte elektricitet

Egenskap: Optiskt klara

Vad är dess fördel och nackdel?

Fördel: Bra för optiska applikationer

Nackdel: Påverkas av solljus

Egenskap: Lätta att färga

Vad är dess fördel och nackdel?

Fördel: Behöver inte målas

Nackdel: Svårt att färgmatcha

Egenskap: Känsliga för lösningsmedel

Vad är dess fördel och nackdel?

Fördel: Kan appliceras som lösning

Nackdel: Kan påverkas av lösningsmedel

Egenskap: Brännbara

Vad är dess fördel och nackdel?

Fördel: Avfall kan brännas

Nackdel: Kan leda till rök och brandspridning

Hur påverkas smältviskositeten av instrasslingar?

Den blir högre vid mer intrasslingar.

Men vid högre temperatur har intrasslingarna enklare att trassla ut sig och smältviskositeten blir lägre.

Vad är smältviskositet

Ett mått på den hastighet med vilken kedjor kan röra sig i förhållande till varandra

Vilka egenskaper tillhör den blåa linjen i grafen?

• Smälttemperatur

• Glasövergång

• Elasticitetsmodul

• Kristallinitet

• Densitet

Vilka egenskaper följer den röda linjen i grafen?

• Brottspänning (maximala spänning innan brott)

• Brotttöjning (den största töjning ett material kan utsättas för innan sprickbildning)

• Brottenergi

Hur påverkas kok- och smälttemperaturen av längre kedjor?

De blir båda högre, koktemperaturen går snabbare uppåt

Har en linjär polymerkedja bättre kristallinitetsförmånga än en förgrenad polymerkedja?

Ja.

Exempel: HDPE som nästan är helt linjär har en kristallinitet på 70-90% medan LDPE som har många förgreningar bara har 35-50%

Vilken polymerkedja har högst smälttemperatur; HDPE eller LDPE(förgrenad)?

HDPE med 120-135 grader

LDPE: 95-115 grader

Vad är den största skillnaden mellan termoplast och härdplast?

Termoplasten mjuknar vid förhöjd temperatur och kan då formas. När härdplasten väl formats bildas ett 3D-nätverk (en tvärbunden molekyl) och därefter kan inte materialet formas om, bara brytas.

Vad är homopolymerer och vilka typer finns det?

De är gjorda av en typ av monomer.

Förgrenad, linjär och nätverk (crosslinked)

Vad är kopolymerer och vilka typer finns det?

De är gjorda av två typer av monomerer.

Random, omväxlande, ABA-triblock och graft

Hur påverkas polyeten av förgrening?

Lägre densitet

Lägre kristallinitet

Lägre smälttemperatur

Hur och varför påverkas glasövergångstemperaturen av längre polymerkedjor?

Längre polymerkedjor har högre glasövergångstemperaturer.

→ Beror på: längre kedjor har större intrasslingar och en högre grad av van der Waals-krafter mellan kedjorna. → kräver det mer energi att bryta än kortare

Vad menas med glasövergångstemperatur

Den temperatur vid vilken en amorf polymer ändras från ett hårt / glasartat tillstånd till ett mjukt / läderartat tillstånd, eller vice versa.

Hur och varför påverkas viskositeten av längre polymerkedjor?

Längre polymerer → högre viskositet

Intrasslingen av längre kedjor skapar fysiska hinder som hindrar polymerens flöde. → Krävs mer kraft för att få polymeren att flyta.

Vad avger additionspolymerisation för biprodukter och hur sker polymerisationen?

Inga

En monomer med dubbelbindning öppnar sig och dess elektroner kan binda med andra monomerer

Vad avger kondensations polymerisation för biprodukter?

Oftast vatten (annars HCl)

Hur sker kedjevis polymerisation? (kort förklaring)

En typ av monomer bygger ihop sig till små kedjor som blir längre och längre.

Hur sker stegvis polymerisation? (kort förklaring)

Två olika monomerer reagerar → dimerer, sedan reagerar dimererna osv. Tar mycket längre tid.

Hur sker kedjevis polymerisation? (lång förklaring)

En monomer görs reaktiv (initieras) med hjälp av en radikal vilket startar en kedjereaktion.

1. Initiering

   Radikalen bildas genom sönderfall av initiatorn och initiatorradikalen adderas till den första monomeren.

2. Propagering

   Radikalen som finns på kedjeänden adderar ett antal monomerer.

3. Terminering

   Radikaler reagerar med varandra varvid deras aktivitet försvinner

Vilka två huvudgrupper inom stegvis polymerisation finns det?

1. Två polyfunktionella monomerer

   A-A + B-B → -A-AB-B-

2. En monomer med mer än en typ av funktionellgrupp

   A-B + A-B → -A-BA-B-

Vad finns det för experimentella observationer på polymerers löslighet?

Jämviktsfenomen

1. “Lika löser lika”

2. För ett givet system minskar polymerens löslighet med ökande MW

3. Tvärbindning förhindrar löslighet

4. Starka krafter minskar löslighet (kristallinitet_ ofta tvärbindning, vätebindning)

Hastighetsfenomen

1. Hastigheten vid upplösning

   1. Ökar med antal korta kedjeförgreningar - stör tätpackning och tillåter snabbare penetration av lösningsmedel

   2. Minskar med antal långa kedjeförgreningar - ökad intrassling och separationen försvåras

   3. Minskar med ökande MW

Vad innebär det för en polymerlösning att ΔH<0?

Det är positiv växelverkan mellan lösningsmedel och löst ämne (polymer). → De attraheras av varandra genom t.ex vätebindningar.

Vad innebär det för en polymerlösning av ΔH>0 men ΔH<TΔS?

Ökning i entropi väger tyngre än negativ växelverkan mellan lösningsmedel och löst ämne. → både lösningsmedlet och polymer föredrar sig själva.

Hur mäter man polymerers löslighetsparametder?

Man mäter svällningen av materialet. Man mäter en något tvärbunden polymer i olika lösningsmedel.'

Maximal svällning= Polymerers löslighetsparameter

Vad kännetecknar ett bra lösningsmedel?

• Starka krafter

• Polymeren “söker kontakt” med lösningsmedlet

• Sväller

Vad kännetecknar ett dåligt lösningsmedel?

• Polymererna föredrar sitt eget sällskap

• Krymper

Förklara tillämpningar av polymerer i lösningar?

Lack - utnyttjar svällning och krympning i en kombo av lösningsmedel med olika flyktighet (ska vara på penseln och sen fastna på yta)

Blandar en bra och ett dåligt lösningsmedel. Dåliga - avdunstar först och lämnar det andra som gör att polymeren sväller och stannar kvar.

Motorolja - utnyttjar det faktum att en svälld polymer har högre viskositet vid högre temperatur samtidigt som lösningsmedlets viskositet sjunker → konstant viskositet (måste fungera i olika temperaturer både på vinter och sommaren)

Lösningsmedlet (olja) löser polymeren dåligt vid höga T. Ökar T blir lösningsmedlet mer rinnande och bättre för polymeren. Polymeren sväller och viskositetsökningen som orsakas av detta motverkar att lösningsmedlet blir mer lättflytande.

Vad finns det för olika metoder för att bestämma MW?

Medelvärden

• Absoluta metoder

  Mätetalet kan direkt via teori räknas om till MW

  • ändgruppsbestämning

  • ljusspridning

  • ultracentrifugering

• Relativa metoder

  Måste kalibreras med prov med känd MW

  • lösningsviskositet

Fördelningar

• MALDI - absolut metod

• SEC, GPC - relativ metod

Hur mäter man viskositet?

Man mäter den tid det tar för polymerlösning att passera genom en kapillär och jämför med den tid det tar för rent lösningsmedel

MALDI

Lasern sputtrar matris och polymer och sprider fragment. Laddning/polymermolekyl analyseras med MS.

Begränsning: kan inte mäta höga MW

SEC

Vad innebär supramolekylär struktur?

• Orientering

• Kristallin struktur

• Mikrostruktur

Takticitet

Vad är det för skillnad på cis och transstruktur för polymerer?

Konfigurationen bestämmer hur huvudkedjan “fortsätter” i förhållande till dubbelbindningen.

Cis: “lösare” struktur, tar större plats - låg kristallinitet

Trans: “tätare” struktur, tar mindre plats - högre kristallinitet

Krav för kritallinitet

Vad är funktionalitet?

Antal bindningar en “mer” kan bilda med en annan i en reaktion.

Vad innebär polymerisationsgraden?

Antalet repeterande enheter som bundits ihop i polymerkedjan

Vad menas med en polymers konstitution och vilka kategorier innefattas?

Vilka atomer som ingår och i vilken ordning

• Repeterande enhet - vilka monomerer som används

• Sampolymerer

• Linjära, förgrenade eller förnätade

• Ändgrupper - oftast försumbara med tanke på att de är så få

• MW och MW- fördelning

w-aminosyror benämns “nylon n” (n=kolatomer i kedjan) och är kristallina. Den löser sig inte i vatten eller hexan utan vätskan kommer absorberas.

Hur och varför varierar absorptionen med n?

Vatten är starkt polär och hexan icke-polär. Då n ökar, minskar kedjornas polaritet i nylon n. Då ökar absorptionen av hexan och vattenabsorptionen minskar.

Vad avgör om det går att lösa ett visst ämne i ett visst lösningsmedel?

Tecknet på förändringen i Gibbs fria energi

Termodynamiskt möjligt om G</=0

Vad kännetecknar ett “bra” lösningsmedel?

De sekundära krafterna mellan polymersegment och lösningsmedelsmolekyler är starka.

Blir stora nystan med lösningsmedelsmolekyler knutna till sig.

Vad kännetecknar ett “dåligt” lösningsmedel?

Attraktionskrafterna mellan polymersegmenten är större än de mellan kedjesegment och lösningsmedel. De “föredrar sitt eget sällskap”. Kedjan blir en tätpackad boll.

Definera isotaktisk struktur

Substituenterna finns på samma sida av planet som definieras av huvudkedjan.

Definera syndiotaktisk struktur

Substituenterna är placerade regelbunden på varannan sida om planet.

Definera ataktisk struktur

Placeringen av substituenterna relativt planet är slumpvis

Vad kännetecknar vilken den mest gynnade konfirmationen

Den med lägst energi

Vad är ett amorft material?

Material som inte kristalliseras, alltså oordnade material

Vad kallas ett amorf material om det är över respektive under glastemperaturen

vätska resp. amorft glas

Vad finns det för krav för kristallinitet?

• Regenbunden kedjestruktur

  Iso-/syndiotaktiska

• Tillräckliga sekundära bindningskrafter

  De krafter som håller ihop kedjorna i kristallgittret ska vara större än den termiska energin

  • Finns det möjlighet till vätebindning eller dipolinteraktioner gynnas kristallinitet

Ge exempel på:

• helt amorft material

• högkristallina

• delvis kristallina

• PS polystyren, PC

• HDPE, PTFE

• LDPE, PP, PA 6 & 66

Mellan vilka tillstånd är för glastemperaturen?

Glastillståndet→gummitillståndet

Vad är E-modulen och vad mäter den?

Elasticitetsmodulen

E=σ/ε

Spänning som krävs för att dett material ska deformeras till en viss grad

→ mått på ett materials motståndsförmåga mot deformation

Hur mäts E-modulen?

Genom dragprovningsexperiment

(mäter spänningen som krävs för att åstadkomma en viss töjning)

Hur är polymeren i glastillståndet?

Kedjans flexibilitet är låg och konfirmationerna är “låsta”. Materialet är stelt och sprött.

Vad händer i transitionen mellan glas och gummi

Fysikaliska egenskaper som hårdhet och elasticitet ändras drastiskt. Reversibla förändringar och relaterade till molekylrörelse.

Temperaturen ökar och rörelseenergin också → ger frihet att rotera runt huvudaxeln → termiska energin tillräckligt hög att bryta interaktionerna mellan kedjorna och rotation kan ske

Vad bestämmer glastemperaturen?

• Kedjan flexibilitet

• Interaktionskrafterna mellan kedjorna

Ge exempel på flexibla polymerer och skriv varför de är flexibla

De kan rotera lätt → låga värden på Tg

-(CH2-CH2)-, -(CH2-O-CH2)-, -(Si-O-Si)-

Hur kan man öka Tg?

Tillsätta fenylenringar

Om sidogruppen är polär kommer det leda till att interaktionerna mellan kedjorna ökar

Vad kan hindra flexibiliteten hos en polymer?

• Sidogrupper R bidrar till sterisk effekt

  • Har sidogruppen stor volym nära kedjan förhindras rotationen mer markant

Villkor för gummielasticitet

1. Bestå av långa kedjor med fritt roterande länkar

2. krafterna mellan molekylerna ska vara svaga som i en vätska

3. molekylerna måste hållas ihop eller vara förtätade på fåtal punkter längs kedjan

Hur påverkar skjuvhastigheten en polymer?

Gör att viskositeten minskar drastiskt

1. Intrasslingar trasslas ut - minskar motståndet mot flödet

2. Deformeras till mer utsträckta konfirmationer

Vad menas med viskoelastiska material?

Både viskösa och elastiska egenskaper

Vad är ett kryptest?

Mäter hur ett material beter sig vid lågtidsbelastning

Applicerar en konstant last på provet och följer deformationen som funktion av tiden.

Deformationen som är kvar efter lasten tagits bort = kvarstående deformation

Hur går ett spänningsrelaxations-test till?

Applicerar en konstant töjning och följer spänningen med funktion av tiden.

Hur mäter man en polymers spännings-töjningsbeteende?

Med dragprovning. Drar ut ett material då en ände är fast och en rör sig med konstant hastighet. Den kraft som krävs för att töja provet mäts.

Vilka storheter är utbytbara i en E-modul?

temperatur och tid kan bytas på x-axeln och grafen kommer se likadan ut

Vad menas med “necking”?

Härdplaster. Förklara.

Kan inte urskilja enskilda molekyler - molekylen består av ett nätverk. Molekylvikten är oändlig. Nätverket görs genom att monomer, prepolymer eller polymer med funktionalitet högre än 2 formas till önskvärd och att förnätningsreaktionen därefter startas. Förnätningen är irreversibel - kan inte återvinna härdplast.

Fördelar med härdplaster

• mindre krypning

• mindre spänningsrelaxation

• högre temperaturbeständighet

• bättre kemikalieresistens

Nackdelar med härdplast

• formningsprocessen tar längre tid

• reaktiva lågmolekylära komponenter - potentiella häslorisker

• ej formbart igen - återvinning svårt!

Vad finns det för krav på tillsatser?

• stabil

• ej luft eller smak

• inte giftig

• kompatibel med polymeren

• icke-flytig

• icke migrerande

• kostnad

Formsprutning

Vanligaste metoden för tillverkning av enstaka detaljer. Polymerpellets hälls i tratten, smälts och matas framåt av en skriv in i formen. Där stelnar plastdetaljen och stöts ut.

Arbetscykel: 10s - 10 min

Formen är dyr att tillverka för stor precision krävs och material ska motstå höga tryck → stora tillverkningsserier krävs

Extrudering

liknar formsprutan men producerar en kontinuerlig plastdetalj, t.ex ett rör, slang, eller någon annan profil. Har en roterande skruv och ett munstycke.

Förklara de olika zonerna i extrudern

• Inmatningszon: matning av kalla polymerpellets till cylindern, förvärmning.

• Kompressionszon: Uppvärmning och kompression. Här sker själva smältningen (yttre värmning samt friktion). Denna zon kan vara olika lång beroende på vilken polymer man har.

• Utmatningszon: Homogenisering av smältan

Vad är munstyckesvällning?

Polymersmältan som kommer ut genom munstycket sväller jämfört med hur det ser ut innan den kommit igenom. I munstycket är polymererna orienterade och relativt utsträckta. när smältan kommer ut ur munstycket vill de relatera tillbaka till nystankonfirmationen - mer oordning. → munstyckessvällning är en entropieffekt

Vad är formblåsning?

Om man vill göra en ihålig detalj. En extruder framställer ett slangämne som förs ned i en form som sedan stängs. Tryckluft pressar slangämnet mot den kalla formen - flaska. Extrudering formblåsning tillåter endast enaxiell orientering.

Vad är formsprutblåsning?

Som formblåsning men i biaxiell orientering. Flaskorna för en högre styrka och minskar genomsläppligheten av CO2

Vad är fiberspinning?

• syntes av polymeren

• överföring av polymeren till flytande tillstånd genom upplösning eller smältning

• extrudering genom en spinndysa (munstycke)

• stelning av polymeren

• kall eller varm dragning

• ytbehandling, valfritt

Syntetiska spunna fibrer är alltid kontinuerliga fibrer = filament som kan skäras till stapelfibrer

Vad är smältspinning

Polymeren hålls som en smälta från polymerisationsprocessen under hela spinningprocessen.

Vanligast och används för att göra fibrer av t.ex. nylon, polyester och polypropen.

Vad är lösningsspinning?

Polymeren kan inte bibehållas som en smälta, istället löses den före spinning.

Blöta eller torra, beroende på hur de stelnat. Exempel på våtspunna polymerer:rayon, akryl, aramid, spandex.

Vad är gelspinning?

Polymeren, ofta med hög molekylvikt, mjukas upp till ett geltillstånd och trycks genom spinndysan.

Torr-våt spinning. Först genom luft sedan genom ett vätskebad. Vissa höghållfasta PE-fibrer framställs så.

Vad är kalandrering?

Inget behov av ett dyrt munstycke. Man kan tillsätta material efter extruderingen som ändå hinner mixas in. Ingen stark värme behövs → lämplig för PVC och gummi.

Vad är varmformning?

Sekundär process.

en tjock film eller skiva av plasten värms. Denna tvingas in i en form, antingen med vakuum eller med en plugg. Enkla saker som t.ex. smörbyttor görs med automatiserad varmformning. En film passerar trumman där objektet formas, här mha vakuum. Mycket snabb process.

Vad är rotationsgjutning?

För stora, ihåliga objet som kupoler och tankar. Billig form, inga tryck används, detaljen blir också relativt spänningsfri. Långsam metod.

Vad påverkar de teologiska egenskaperna hos polymerlösningar?

• molmassa

• temperatur

• skjuvhastighet

Är viskositeten beroende av molekylvikten?

JA