De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

POLYMEREN of : “Kunststoffen” … of : “Plastics”...

Verwante presentaties


Presentatie over: "POLYMEREN of : “Kunststoffen” … of : “Plastics”..."— Transcript van de presentatie:

1 POLYMEREN of : “Kunststoffen” … of : “Plastics”...

2 MATERIALEN...

3 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Inhoud zInleiding zPolymeerchemie xPolymerisatie-reacties xSoorten Polymeren zBelangrijkste eigenschappen xVersterkingsmethoden zFabricagetechnieken

4 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polymeren : Inleiding (1) zWat / Naam ? polymeras xGr.: poly (veel) + meras (delen) x= “stoffen die bestaan uit lange ketens van zich herhalende moleculaire groepen” (monomeren) xMeeste monomeren : ruggengraat van C-atomen (--> organische stoffen)

5 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polymeren : Inleiding (2) zWat / Naam ? zVoorbeeld : poly-ethyleen (poly-etheen) Notatie van een Polyethyleen-molecule (1/2)

6 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polyethyleen-molecule (2/2) Atoomstructuur buitenste atoomschil van C-atoom bevat 4 elektronen --> kan nog 4 elektronen opnemen Aan beide kanten van etheen- molecule ander etheen molec. --> valenties v. centrale molecule volledig bezet --> ev.: Ontstaan lange keten Fysische structuur Ev.: erg lange ketens --> verward & verstrengeld --> meer of minder “kristalliniteit”, of “amorf” (cfr. infra)

7 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polymeren : Inleiding (3) zWat / Naam ? zVoorbeeld : poly-ethyleen (poly-etheen) zVergelijking met andere materialen xAtomen binnen monomeer : zeer sterk aan elkaar gebonden (meestal covalent) xBinding tussen aaneengeregen monomeermoleculen (= binnen polymeerketen): ook covalent, of ev. veel zwakkere secundaire binding xPolymeren met lange ketenmoleculen : normaliter zwakker dan keramieken of metalen : Onderling slechts aan elkaar gebonden door zwakke elektrostatische krachten (“Vanderwaalskrachten”) Onder belasting : ketens uit elkaar glijden !... => versteviging (diverse mogelijkheden : vulstoffen, vertakte keten, “cross-links”,...) zEigenschappen

8 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polymeren : Inleiding (4) zWat / Naam ? zVoorbeeld : poly-ethyleen (poly-etheen) zVergelijking met andere materialen zEigenschappen xZéér veel variaties : structuur keten ligging ervan toevoegstoffen e.g. ook : snel afkoelen xGevolg :  grote waaier van eigenschappen --> meest moderne materialen; nog enorme evoluties --> rol polymeerchemicus : ‘compounders’ (mengers) & polymeerfabricanten

9 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polymeren : Inleiding (5) z“Polymeren” : ook natuurlijk Ook dierlijke eiwitten = polymeren Ook : dennen-hars, schellak, natuurrubber cellulosemoleculenHout = ketens cellulosemoleculen, aan elkaar gehouden door een ander natuurlijk polymeer, i.e., lignine z“Kunststof” = polymeer met allerlei toevoegingen z“Plastic” : cfr. plastisch, kneedbaar zeker niet altijd OK

10 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polymeren : Enige geschiedenis Celluloid Caseine (‘kunsthoorn’) Bakeliet WO II : e.g. vinyl (leder), nylon (zijde) // D ‘80s : ook o.m. polymeer-’blends’ ‘90s : IPN’s !

11 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Inhoud zInleiding zPolymeerchemie xPolymerisatie-reacties xSoorten Polymeren zBelangrijkste eigenschappen xVersterkingsmethoden zFabricagetechnieken

12 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polymerisatie-reacties (1) Additiepolymerisatie : de moleculen worden geheel achter elkaar gekoppeld, als kralen aan een ketting Uitgangsmateriaal = monomeer in oplossing, emulsie, dampvorm, of gewoon onverdunde vloeistof Schakels in polymeer : zelfde chemische samenstelling als monomeermolecule

13 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polymerisatie-reacties (2) Condensatie- polymerisatie : een nieuw molecule hecht zich aan een ander molecule tijdens de vormingsreactie Schakels in polymeer : andere chemische samenstelling dan uitgangsmaterialen Vorming van bijprodukt (water / “condensatie”)

14 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polymerisatie-reacties (3) BIJZONDERE GEVALLEN : Polyadditie : (combinatie 1 & 2) condensaat wordt ook in de keten opgenomen op een andere plaats Cross-linking : vorming van sterke chemische bruggen (‘cross-links’ / dwarsverbindingen) tussen de ketens Materiaal dat ontstaat is in feite één macromolecule Vb.: Epoxyharsen (e.g. voor PMC composiet-materialen)

15 © Prof. W. Bogaerts, 2002 “Verschillende” polymeren zFysisch verschillend : bv. katalysator en/of proces- parameters (p, T, …) --> lengte polymeerketens (moleculair gewicht) MG --> materiaaleigenschappen !!! Vb.: PE met hoog of laag MG = andere eigenschappen mechanische eig. (treksterkte, buigsterkte,…) : groter bij groter MG verwerkbaarheid (i.e. viscositeit / gieten, persen, vormen) : afneemt met groter MG Polyethyleen zChemisch verschillend : cfr. Polyethyleen yChemische Samenstelling : substitutie van een of meer H-atomen door ander element of moleculaire groep (vb.: Cl, methylgroep CH 3, “R”...) cfr. infra y(Chemische) Structuur (3D) : atactisch, isotactisch, syndiotactisch … cfr. infra

16 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polyvinylchoride / Polypropyleen Basis : C 2 H 4 (ethyleen) Vervang één H door Cl --> Polyvinylchloride (PVC) Vervang H door CH 3 --> Polypropyleen (PP)

17 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Co-polymerisatie A = monomeer met chemische samenstelling A B = monomeer met chemische samenstelling B = Polymerisatiereactie waarbij polymeerketting ontstaat die (twee) verschillende monomeren bevat (méér -> “terpolymeren”) één van beide bouwstenen uitsluitend in hoofdketen, andere in zijketen atactisch (onregelmatige plaatsing) isotactisch (zijgroepen steeds aan zelfde kant) syndiotactisch (zijgroepen alternerend aan hoofdketen) +/- onbeperkte waaier eigenschappen & Katalysatoren --> +/- onbeperkte waaier eigenschappen hoofdketen zonder bijketens

18 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Polymeer ‘blends’ Mengpolymeer (homogeen, één fase) Componenten op moleculaire schaal mengbaar; hebben identiteit verloren Polymeer Mengsel (heterogeen, meerfasig) Tg Componenten niet mengbaar; componenten behouden iets van hun oorspronkelijke eigenschappen (i.e., Tg) Verschillende microstructuren (e.g. component I = kleine bolletjes, cylindrische structuren,…) Ook : componenten = lamellen (cfr. laagjes triplex, multiplex) Praktijk (commerciële prod.) : onderscheid niet altijd duidelijk

19 © Prof. W. Bogaerts, 2002 T g : “Glasovergangstemperatuur” - “Glastemperatuur” z= “glaspunt” ; “glas-rubber-overgangstemperatuur”, verwekingstemperatuur”; = temperatuur waarbij polymeer verweekt zBij T > T g : xamorf polymeer = rubberachtige “vloeistof” xketens kunnen over elkaar glijden (vloeien; “plastic”) zBij T < T g : xmateriaal = vaste, glasachtige stof zHeterogeen Mengsel : beide componenten hebben eigen T g § 8.4.1

20 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Tg Soorten Polymeren (1) Thermoplasten, Thermoharders, Rubbers “rubbertraject” Thermoharders : vernetting / ‘cross-linking’ (covalente brugverbindingen) bij hoge temp. --> 3-dimensionaal macromolecule Niet nogmaals te smelten (I.e. niet meer terug vloeibaar bij opnieuw verwarmen; e.g. verkolen) --> recyclage = ??! Thermoplasten : “lineaire” polymeren; smalle polymeer ketens / beperkte 2-dimensionale structuur Rubbers : tussenvorm Indeling op basis van temperatuur-afhankelijk gedrag : thermoplasten: verweken (plastisch) bij hogere temperatuur rubbers, elastomeren: bij kamertemp. al verweekt (+ rubber-elastisch of visco- elastisch gedrag = terugtrekking vertraagd i/d tijd ) thermoharders: +/- niet verweekt (of zelfs verhardt) bij hogere temperatuur

21 © Prof. W. Bogaerts, 2002 A. Thermoplasten (E.: thermoplastics) zWat ? : lange keten moleculen met zwakke bindingen tussen ketens; verweken en ev. smelten bij verwarming zStructuur : Amorf of Kristallijn zTemperatuur effecten : yAmorfe zones worden visceuze vloeistoffen boven Tg (glastemperatuur) yKristallijne zones (indien aanwezig) smelten bij Tmp (smeltpunt polymeer) zEigenschappen : yMakkelijk (her-)vormbaar / recycleerbaar boven Tg (Tmp indien semi-kristallijn) yGebruik normaliter beperkt tot matige temperaturen yVerhoging kristalliniteit verhoogt sterkte en stijfheid, verlaagt ductiliteit zVoorbeelden : yPolyethyleen (PE), polyvinylchloride (PVC) Amorf Semi-kristallijn § 3.4.2

22 © Prof. W. Bogaerts, 2002 B. Thermoharders (E.: thermosets) zWat ? : 3-dimensionaal netwerk van ketens met vele cross-links, welk na vorming en verwarming de 3-D structuur zal behouden zStructuur : normaliter Amorf zTemperatuur effecten : y(Lichte) verweking boven Tg (glastemperatuur) ; maar blijft een vaste stof yBij hoge temperatuur : desintegratie, verkoling,... zEigenschappen : yHard en rigied, zeker beneden Tg yHoge dimensionele stabiliteit yResistent aan kruip en vervorming onder belasting yHogere temperatuur capaciteiten dan thermoplastics zVoorbeelden : yFenolen, Expoxyharsen Cross-linking structuur

23 © Prof. W. Bogaerts, 2002 C. Elastomeren (incl. rubbers) zWat ? : Capaciteit tot zeer grote elastische vervorming (> 100%), maar terugkeer tot originele vorm na wegnemen belasting zStructuur : Lange ketens, met enkele cross-links tussen ketens zTemperatuur effecten : yBros beneden Tg (glastemperatuur) yErg elastisch boven Tg zEigenschappen : yNaarmate cross-link dichtheid toeneemt stijgen sterkte en stijfheid, doch daalt ductiliteit zVoorbeelden : yNatuurrubber (poly-isopreen), Siliconen ‘S’ cross-linking bij Natuurrubber

24 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Soorten Polymeren (2) indeling volgens Chemische Samenstelling

25 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Inhoud zInleiding zPolymeerchemie xPolymerisatie-reacties xSoorten Polymeren zBelangrijkste eigenschappen xVersterkingsmethoden zFabricagetechnieken

26 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Versterkingsmethoden zLineaire polymeren zVertakte polymeren zCross-linking zKetenverstijving zKristalliniteit zToevoegmaterialen zMengpolymeren zIPNs

27 © Prof. W. Bogaerts, 2002 zLineaire polymeren zVertakte polymeren zCross-linking zKetenverstijving zKristalliniteit zToevoegmaterialen zMengpolymeren zIPNs Versterkingsmethoden zLange dunne ketens; met elkaar verstrengeld, doch afzonderlijke polymeerketens zBindingskrachten = xvanderwaalskrachten xwaterstofbinding xinteractie tussen polaire groepen zBuiging = rond C-’bolscharnieren’ zHoger MG (hogere polymerisatie- graad) grotere trek- & druk- sterkte zBuigzaamheid = afhank. van mate van vervlochten zijn + van onderlinge oriëntatie in ruimte (kristallijn / amorf)

28 © Prof. W. Bogaerts, 2002 zLineaire polymeren zVertakte polymeren zCross-linking zKetenverstijving zKristalliniteit zToevoegmaterialen zMengpolymeren zIPNs Versterkingsmethoden zVeel sterker vervlochten polymeer- ketens z--> Grotere stijfheid zSpeciale katalysatoren en bijzondere procestechnieken voor bevordering vertakkingen zN.B.: Veel elastomeren na vulkanisatie hebben vertakte structuur.

29 © Prof. W. Bogaerts, 2002 zLineaire polymeren zVertakte polymeren zCross-linking zKetenverstijving zKristalliniteit zToevoegmaterialen zMengpolymeren zIPNs Versterkingsmethoden z‘Cross-links’ = chemische brug- verbindingen zKetens die zich tijdens polymerisatie- reactie met elkaar verbinden zStructuur = zeer sterk & stijf zMeer cross-links : xgrotere stijfheid xminder chemisch oplosbaar xniet of minder hersmeltbaar zThermoharders

30 © Prof. W. Bogaerts, 2002 zLineaire polymeren zVertakte polymeren zCross-linking zKetenverstijving zKristalliniteit zToevoegmaterialen zMengpolymeren zIPNs Versterkingsmethoden zKetenstijfheid door substitutie met omvangrijke moleculaire groepen zVoorbeeld : PS (polystyreen)

31 © Prof. W. Bogaerts, 2002 zLineaire polymeren zVertakte polymeren zCross-linking zKetenverstijving zKristalliniteit zToevoegmaterialen zMengpolymeren zIPNs Versterkingsmethoden zRuimtelijke verdeling in polymeer  helemaal willekeuring zSoort kristallijne structuur indien polymeerketens zich +/- evenwijdig oriënteren zKristalliniteit : bevorderd door e.g. xtijdens vormen in matrijzen xstraling x(mechanische) invloed uitoefenen op ketenoriëntatie zHoger kristalliniteit = verhoging smeltpunt, afname chemische oplos- baarheid, vermindering slagvastheid, gunstig effect op andere mech. eig. Weefsels zLCP’s: Liquid Crystal Polymers (e.g. Kevlar = p-fenyleen-tereftalamide -> Weefsels

32 © Prof. W. Bogaerts, 2002 zLineaire polymeren zVertakte polymeren zCross-linking zKetenverstijving zKristalliniteit zToevoegmaterialen zMengpolymeren zIPNs Versterkingsmethoden zVulstoffen in plastics : yhout (bv. & fenolhars), asbest, zand, glas yrol = cfr. aggregaat (grind) in beton y--> sterkte, maatvastheid (o.m. chemisch inerte anorgan. mat.) yOpm.: ev.schurende werking op apparatuur zBijz.: Versterkingsmaterialen = yvezels, matten ytextielweefsels, glasvezel weefsels yev.: “anisotropie” zAdditieven : yander doel dan mech. eig.-schappen yanti-oxidantia, UV-absorbers, kleur- stoffen, vlamvertragende middelen, cross-link middelen yweekmakers & plastificeren Invloed van glasvezel-vulstof of eigen- schappen van nylon 6/6

33 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Vulstoffen en hun Effecten

34 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Plastificeren en Weekmakers zVulstoffen in plastics zBijz.: Versterkingsmaterialen zAdditieven : y... yweekmakers & plastificeren zWeekmaker = additief om taaiheid & buigzaamheid te verhogen zcfr. smeermiddel; laten lange polymeermoleculen makkelijker t.o.v. elkaar bewegen z2 soorten : yorganisch chemicalie (met hoog kookpunt) yinterne plastificering : ‘blend’ of copolymerisatie met ander polymeer dat uit zeer grote moleculen bestaat --> grotere afstand tussen ketens zOpm.: veroudering ! (migratie weekmaker); vaak niet geschikt als duurzaam constructiemateriaal

35 © Prof. W. Bogaerts, 2002 zLineaire polymeren zVertakte polymeren zCross-linking zKetenverstijving zKristalliniteit zToevoegmaterialen zMengpolymeren zIPNs Versterkingsmethoden zCfr. supra zMengpolymeren yhomogeen mengsel y1-fasig yVb.: PVC + Acrylpolymeer --> dunne platen met buigzaamheid v. PVC- component + sterkte & zonlichtbestendigheid van Acrylcomponent zPolymeermengsels yheterogeen ymeerfasig yOpm.: verschil in Tg tussen verschillende fasen geeft ev. problemen bij het vormgeven zResearch !

36 © Prof. W. Bogaerts, 2002 zLineaire polymeren zVertakte polymeren zCross-linking zKetenverstijving zKristalliniteit zToevoegmaterialen zMengpolymeren zIPNs Versterkingsmethoden z“Interpenetrerende Netwerken” zInleiding : y° medio / eind ‘80s ymengsel (2) polymeren; bijzonder synergetisch effect zEén v/d polym. (= meestal thermo- harder) en vormt netwerk dat geheel doorvlochten is met ander polymeer zEerste polymeer (het netwerk) = 3-deminsionale versterking v/h tweede polymeer (de matrix) z2 Groepen : ysemi-IPN materialen y(totale) IPN materialen

37 © Prof. W. Bogaerts, 2002 zEén v/d polym. (= meestal thermo-harder) en vormt netwerk dat geheel doorvlochten is met ander polymeer zEerste polymeer (het netwerk) = 3-deminsionale versterking v/h tweede polymeer (de matrix) z2 Groepen : ysemi-IPN materialen y(totale) IPN materialen zSemi-IPN : 2de polymeer (matrix) = lineair polymeer, gepolymeriseerd binnen netwerk van 1ste polymeer (Nb.: matrix = grootste volume !) zTotale IPN : 2de polymeer = eveneens cross-linked netwerk, ontstaan binnen netwerk van 1ste polymeer zSuperieure eigenschappen (mechanisch, chemisch), vergeleken met afzond. componenten zVb.: PU (polyurethaan) + isocyanaat zEv.: semi-IPN met “zelfde” 2 polym. (vb.: nylon) IPN : Interpenetrerende Netwerken

38 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Inhoud zInleiding zPolymeerchemie xPolymerisatie-reacties xSoorten Polymeren zBelangrijkste eigenschappen xVersterkingsmethoden zFabricagetechnieken Spuitgieten, persen, blazen, extrusie, …, …, reaction injection molding (RIM), …, ….

39 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Fabricagetechnieken (1) Spuitgieten Persen

40 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Fabricagetechnieken (2) Blazen Extrusie

41 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Inhoud zInleiding zPolymeerchemie xPolymerisatie-reacties xSoorten Polymeren zBelangrijkste eigenschappen xVersterkingsmethoden zFabricagetechnieken

42 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Soorten Polymeren zThermo- plasten zThermo- harders zElastomeren > homopolymeren

43 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoplasten (1) zEthenen zAfgeleid van ethyleen-molecule; grondstof = aardolie zMeeste : lineaire structuur met minimum aantal vertakkingen en cross-linking zMeeste : thermoplastisch (& rubberachtig) & makkelijk tot vormprodukten te verwerken; uitz.: UHMWPE, enkele Fluorpolym. zPE, PP, PS, PVC = 60% van markt zMechanische eigenschappen: sterk uiteenlopend...

44 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Mechanische eigenschappen : etheenachtigen (1/2) Rekgrens Etheenachtige homopolymeren

45 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Mechanische eigenschappen : etheenachtigen (2/2) Effect Moleculair Gewichtspreiding (LDPE)

46 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoplasten (2)  Polyolefinen : onverzadigde KWS : C n H 2n yPolyethyleen  LDPE : hoge druk (200 MPA !) ; ketens aanzienlijk vertakt; doorzichtig indien dun; Toep.: e.g. verpakkingsfolies, coatings  HDPE : lage druk / katalysator (Ziegler-Natta); minder vertakt, hogere kristalliniteit; spuitgieten; Toep.: e.g. flessen, pijpleidingen xLLPE  UHMWPE : lineair, MG = 3 à 5,000,000 ! ; niet makkelijk te vormen --> extrusie ; Toep.: e.g. slijtvaste onderdelen in machines yPolypropyleen  PP-H : polypropyleen homopolymeer ; eig.: cfr. HDPE; hogere stijfheid, harder, sterker, beter bij hoge T; minder taai, verbrossing bij lage T  Polyallomeren : kristallijne copolymeren van olefinen zEigenschappen sterk afhank. van MG (ketenlengte) + verdeling MG zBuigzaam; goede chemische resistentie (“corrosie-gedrag”) zHoe hoger MG, hoe beter chemische resistentie zPE : niet héél sterk; uitg. UHMPE zPP : sterker dan PE zNB: Polybuteen = taaie vloeistof / rubberachtig mat. --> kleefmiddelen, dichting (kit) PP-C : polypropyleen blok copolymeer: P-P-P-E-E-E-P-P-P-E-E-E-P-P-P- PP-R : polypropyleen random copolymeer : P-P-E-E-E-P-P-E-P-P-P-P-E-E-

47 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoplasten (3)  Polyvinyls : yPVC : polyvinylchloride (.../…)  Hard PVC : zonder weekmakers; Toep.: e.g. grijze kunststofbuizen  Zacht PVC : weekmakers; “vinyl”; Toep.: e.g. imitatieleder, bekledingen, … o.m. elektrische leidingen  PVC-C (of CPVC) : gechloreerd PVC; Toep.: e.g. heetwaterleidingen (max. ca. 80°C); geringe O 2 penetratie  (ABS) : acrylonitrile-butadieen- styreen copolymeer (styreen = bevat vinyl groep) betere lage T eigenschappen dan PVC; zeer goede taaiheid & slagvastheid Toep.: e.g. telefoontoestellen zPVC : goedkoop; +/- niet ontvlambaar, zelfdovend zPVC : bijna sterk & stijf genoeg voor een ‘technisch plastic’ zPVC : geringere taaiheid, kerfgevoeligheid --> voorkom spannings- concentraties ! zGoede weerstand tegen zuren en basen; ondoorlaatbaar --> flessen zSlechte resistentie tegen organische (oplos-) middelen

48 © Prof. W. Bogaerts, 2002 PVC : Polyvinylchloride Enige Historiek

49 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoplasten (4)  Polystyreen : yPS : polystyreen benzeenring: ketenverstijving; amorf (atactisch); Toep.: consumptieartikelen (e.g. wegwerpbestek, eetbakjes,...) ySB (styreen-butadieen copolymeer) slagvast polystyreen Toep.: meeste PS als gemodifieerd polymeer (e.g. SB); ook in rubber, “latexverven”, … yOok : ABS (cfr. supra) yEPS : expanded polystyreen (schuimpolystyreen) zGoedkoop; 20% van alle thermoplasten; wegwerpmateriaal & speelgoed zPS : bros & hard (lage slagvastheid) zStevig schuim = thermische isolatie, drijfmateriaal, … zVergeling onder UV zMinder corrosieresistent dan PE, PP; aantasting door meeste oplosmiddelen zVele verbeteringen door co- polymerisatie en/of weekmakers

50 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoplasten (5)  Fluoroplastics : yPTFE : polytetrafluorethyleen (Teflon ®, Hostaflon ®, Halon ® ) in het (ethyleen-)monomeer is elk waterstofatoom vervangen door F atoom ! yFEP : fluor-ethyleen-propyleen (Teflon ® ) yPFA : perfluoralkoxy (Teflon ®, Hostaflon ® ) yPVDF : polyvinylideenfluoride (Kynar ®, Solef ® ) yE-CTFE : ethyleen- chlorotrifluorethyleen (Halar ® ) zDuur; PTFE : niet erg sterk; kruip --> minder voor constructie zZéér goed bestand tegen chemicaliën en oplosmiddelen (veruit best) zHoge temperaturen zLage wrijving zPTFE : moeilijkere verwerking (niet smelten; niet vloeibaar) --> alternatieve methode: PM --> alternatieve polymeren (bv. ook spuitgieten mogelijk) zE.g. PFA : ook minder kruip bij bijna zelfde temp.resistentie, etc...

51 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoplasten (6)  Andere “etheen-achtigen” : yPMMA : polymethylmethacrylaat acrylaten = helder transparante materialen met grote stijfheid; Toep.: “plexiglas”; transparante laklagen (verven); lenzen,... yPolyvinylacetaat, Polyvinylalcohol, etc...

52 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoplasten (7) zEnkele andere Thermoplasten : yNylons (polyamiden) & Aramidevezels (LCPs) yPolyacetalen, Polysulfon yPET : thermoplastisch polyester yPolycarbonaten yPEEK & composieten

53 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Mechanische eigenschappen Rekgrens Etheenachtigen, Nylons en Acetaal-homopolymeren

54 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoplasten (8)  Polyamiden PA (nylons) : zuuramine yPolycondensatie-produkt van zuur + amine  Types : Nylon 6, Nylon 6.6, Nylon 6.10, Nylon 6/12, Nylon 11, Nylon 12 cijfers wijzen op aantal C-atomen in uitgangs-produkten; “/” = copolymeer, e.g. Nylon 6 & Nylon 12 yKristallijne thermoplastische stoffen ( => sterk, slijtvast) yVolumeveranderingen (door vochtabsorptie) y--> Nieuwe verstevigingssystemen zPA = meest gebruikte “engineering plastic” zLange geschiedenis (2de WO : nylon parachutes i.p.v. zijde) z(Zeer) goede mechanische eigenschappen --> constructie-onderdelen (vezels, tandwielen, nokken, …) zTreksterkte  zachte Al- legeringen zDoch : vochtabsorptie; water = weekmaker voor PA (sterkst: 6 & 6.6, minst: 11 & 12) PA 6 PA 6.6

55 © Prof. W. Bogaerts, 2002 zPolyacetalen y“heteroketen” (C / O); sterk kristallijn ymech. eign  nylons yminder vochtabsorptie Thermoplasten (9) zAramidevezels (kevlar ® ) y= polyamiden waarvan monomeer 2 benzeen-ringen bevat ykristallijn (LCPs) y(extreem) hoge sterkte door stijve structuur van keten ycontinue gebruikstemp. tot 260°C ygebruiksvorm = vezels, dunne platen zPolysulfon yketen van benzeenringen yamorf, stijf thermoplastisch materiaal ykamertemp.: mech. eign  nylons; doch behoud tot wel ca °C

56 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoplasten (10) zPET : polyetheentereftalaat y= thermoplastisch polyester ykristallijn; enigszins kerfgevoelig ysterk; maatvast ybestand tegen hoge T yresistent à olie & vetten; niet à sterke zuren (koolzuur = OK), basen, of heet water yToep.: PET flessen, verpakkingsfolie, magneetbanden, fotografische film zPolycarbonaten y= ester van koolzuur + aromatische difenylolverbinding; i.e. = een polyester yamorf, lineair polyester yhard, stijf, maatvast, bijzonder slagvast ! yglashelder ytemp.- & weer-resistent yToep.: zoals acrylaten, doch slagvastheid tot 16x hoger / duurder

57 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoplasten (11) zPEEK : polyetheretherketon ybenzeenringen volgens karakteristieke R-O-R etherstructuur met elkaar verbonden ygedeeltelijk kristallijn yBestand tegen zeer hoge T (continu gebruik tot 315°C !... ) yMech. eign : even goed als nylons (soms zelfs beter) + goede maatvastheid bij hoge temp. yResistent à heet water, stoom ! yResistent à vele chemicaliën, incl. vele organische oplosmiddelen yprijs : BEF/kg Varianten : yPEEK zonder vulstof yPEEK met bv. PTFE als smeermiddel yPEEK met glasvezel of koolstofvezel xkoolstofvezel-composiet : stijfheid > Aluminium  Titanium of Cu- legeringen xToep. = lucht- & ruimtevaart

58 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoharders (1)

59 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoharders (2) zEnkele belangrijke Thermoharders : yFenolharsen (cfr. bakeliet) yPolyesterharsen (onverzadigde polyesters) yEpoxyharsen yTechnische Materialen : xMF : Melamineformaldehydes xUF : Ureumformaldehydes xAlkydharsen : alcohol + acid (in feite: polyesters) (+ oliën & pigmenten) --> verven xFuraanharsen yPolyurethanen

60 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoharders (3) zFENOLHARSEN (Fenoplasten) zFenolhars = fenol (aromatisch alcohol) + formaldehyde (CH 2 O) …/... zCross-links door verwarming zVerschillende stadia van polymerisatie : xA-stadium (nog geen cross-links) xB-stadium (overgangsstadium: rubberachtig & kleverig; of: al bros) --> menging met versterking / vulstoffen (ev. als poeder) xC-stadium (cross-linking voltooid) zFenolformaldehyde- polymeer : bakeliet zvulstoffen (houtmeel, mineraal poeder) zelektrische isolator, lage vochtabsorptie, vrij hoge gebruikstemperatuur (200°C) zbros zmeest gebruikte thermoharder y1/3 : kleefmiddel in multiplex, … yelektrische printplaten (o.m. met katoen of glasvezelwapening) ystopcontacten, schakelaars, … ymachine-onderdelen via verspanende bewerking ! ySchuim

61 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Structuur Fenolformaldehyde (PF) Cross-links !...

62 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoharders (4) zPOLYESTERS zcfr. staal bij de metalen z2 Groepen : ythermohardende polyesterharsen (onverzadigd) ythermoplastische polyesters (sterk kristallijn) zEster : alkohol + zuur (organ./ anorgan.) zGebruik : als harsmatrix in composieten talrijke toepassingen: boten, vishengels, auto’s, etc... zvaak verkocht als vloeibaar materiaal (i.e. oplossing v/h hars in bv. styreen) => katalysator toevoegen voor “uitharding” (cross- linking) ; slechts enkele ml / liter

63 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Thermoharders (5) zPOLYURETHANEN (PUR)P. 146 zCondensatie-reactie tussen isocyanaat (R=N=C=O) + alcohol (ROH) zRubber, of zstijve Thermoharder, of zSchuimen yhard (zelfs vervangmiddel v. hout in meubels) yzacht & buigzaam zCoating : urethaanlakken uitstekende slijtvastheid (vloer- coatings, etc…)

64 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Elastomeren (1)

65 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Elastomeren (2) zEnkele belangrijke Elastomeren : yLatex rubbers xnatuurrubbers (E.: “rub out”) zacht & kleverig (T+)  hard & bros (T-) & S + T ; “vulcanisatie” zacht, medium, hard (‘eboniet’) = ca. 20% S vulcanisatie  = isopreen; neopreen/chloropreen, SBR, …,... yPolyethyleen rubbers yFluoro-elastomeren !!... yAndere elastomeren : xSiliconen-rubbers xPolyurethaan-rubbers lezen + kennen  Cfr. aanvullende nota’s : lezen + kennen... Aanvullend Overzicht Belangrijke Elastomeren

66 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Elastomeren : relatief gebruik = isopreen

67 © Prof. W. Bogaerts, 2002 = “Eind-GEBRUIKER” Materiaalkunde voor Ingenieurs = “Eind-GEBRUIKER” zPolymeren zComposieten zKeramische Materialen zStaal zStaalsoorten & Roestvast staal zCorrosie zSchade-analyse & -preventie / NDT zGieten, PM, Vormgeven, Verspanen, Lassen zCu zAl zNi, Zn, Ti, Mg, Refractaire zOpp. behand. & Coatings zSelectie Engineering Materials “Engineering Materials” : Metalen, Niet-metalen, Legeringen, Coatings,... Eigenschappen, Bereiding en Processing,... Beschrijving, Begrijpen, Selectie,... Etc...

68 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Inhoud zInleiding zPolymeerchemie xPolymerisatie-reacties xSoorten Polymeren zBelangrijkste eigenschappen xVersterkingsmethoden zFabricagetechnieken zPolymeermatrixcomposieten

69 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Composieten (1) zComposiet = 2 of meer materialen gecombineerd tot een nieuw materiaal met andere eigenschappen dan de afzonderlijke componenten zNatuurlijke composieten : bv. hout zKunstmatige composieten : PMC (polymeer matrix comp.) xwapeningsmateriaal xvulstoffen xdeklagen zOud vb.: triplex, multiplex (anisotropie ! ) …/... zVooral : FRP (fibre reinforced plastics)

70 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Ontstaansgeschiedenis Polymeercomposieten

71 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Composieten (2) 1. Wapeningsschema’s : yWapening: functie = sterkte, stijfheid, kruipvastheid  Discontinue wapening (sterkte / korte termijn) korte vezels schilfers korrels  Continue wapening (lange termijn sterkte, kruip) lange vezels vezelmat of weefsel …/...

72 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Soorten wapening in polymeercomposieten (1/3) Discontinue wapening korte vezels korrels schilfers Laminaatwapening

73 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Soorten wapening in polymeercomposieten (2/3) Continue wapening vezelmat / Weefsel (honingraat) skelet

74 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Soorten wapening in polymeercomposieten (3/3) Continue wapening geweven wapening “roving” / streng bevat vaak ca. 6,000 filamenten ‘filament winding’ : 90° 54 3/4 °

75 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Composieten (3) 2. Matrixmaterialen : yThermoplasten xprobleem = hechting vezel - thermoplast xtot eind ‘80s : (enkel) met korte glasvezels (enkele mm); minder sterk dan lange vezels xcontinue wapening : laatste 10 jaar; opl. = vezel bekleed met dun laagje thermoplast x“prepreg” : vooraf met gewenste matrix materiaal geïmpregneerd weefsel --> + matrix thermoplast : verhitting & druk (autoklaaf) yThermohardende harsen (95%) fenol epoxy polyester

76 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Composieten (4) zThermohardende harsen ymatrix = vloeistof van lage viscositeit + katalysator toevoegen; of: warmte; of: (UV-)straling yMeest gebruikte : fenol : aangekocht als B-hars (  thermoplast) = groot voordeel epoxy : –epoxy = driehoek met 2 C en 1 O ; vóór cross-linking: korte ketenmoleculen (ca. 10 monomeren) –uniek : geen condensatieprodukten of oplosmiddelen afgestoten => weinig dimensionele veranderingen bij polymerisatie / cross- linking –ca. 25 soorten in handel polyester : styreen-polyester (‘shelf-life’  1 jr) + katalysator = verreweg het belangrijkste PMC matrixmateriaal

77 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Composieten (5) 3. Wapeningsmaterialen : yGroot spectrum van materialen …/… yMetalen : weinig gebruikt (gewicht, hechting); Al honingraat ! (vliegtuigen) yKeramische materialen : SiC, Al 2 O 3, Si 3 N 4 (ev. als dunne vezels); ev. hogere sterkte en stijfheid dan glasvezel Opm.: ‘whiskers’ (éénkristallen; +/- zonder roosterfouten; enorm sterk) yPolymeren : xAramidevezels (kevlar), treksterkte = 3100 MPa ! gebruik: als continue vezel, geweven materiaal, korte vezel; zowel voor thermoharders als thermoplasten taaier & lichter dan glasvezel : vb. kano 6 m Kevlar + vinylester = 8 kg xAlternatief : nylons, (polypropyleen vezels) : qua sterkte  glasvezel ; onbruik, nu: hoog kristallijn polyethyleen

78 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Spectrum van wapeningsmaterialen

79 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Composieten (6) 3. Wapeningsmaterialen : yMetalen yKeramische materialen  Polymeren yKoolstof-grafiet wapeningskoolstof –  koolstof als Vulstof (vb. rubber); C = amorf –= kristallijne koolstof (hexagonaal), “grafiet” vezels met treksterkte = 5500 MPa, en E-modulus = MPa …/… yGlasvezel

80 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Vergelijking sterkte en stijfheid Opm.:diagonaal / epoxymatrix PMC

81 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Composieten (7) 3. Wapeningsmaterialen : yMetalen yKeramische materialen  Polymeren  Koolstof-grafiet yGlasvezel xSoorten : E-glas (= borosilicaatglas; “pyrex”) -- toep. = elektrisch S-glas (= Mg, Al, Si - oxiden) -- hoge sterkte x5 à 25 micron xVormen : korte vezels (vnl. in thermoplasten) strengen voor wikkelen of weefsels (2D, 2.5D) vezelmat : willekeurig vervlochten …/…

82 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Glasvezelvormen

83 © Prof. W. Bogaerts, 2002 Composieten (8) 1. Wapeningsschema’s 2. Matrixmaterialen 3. Wapeningsmaterialen 4. Fabricagemethoden 5. Toepassing van polymeermatrix- composieten

84 © Prof. W. Bogaerts, 2002 = “Eind-GEBRUIKER” Materiaalkunde voor Ingenieurs = “Eind-GEBRUIKER” zPolymeren zComposieten verven y“toemaatje”: verven zKeramische Materialen zStaal zStaalsoorten & Roestvast staal zCorrosie zSchade-analyse & -preventie / NDT zGieten, PM, Vormgeven, Verspanen, Lassen zCu zAl zNi, Zn, Ti, Mg, Refractaire zOpp. behand. & Coatings zSelectie Engineering Materials “Engineering Materials” : Metalen, Niet-metalen, Legeringen, Coatings,... Eigenschappen, Bereiding en Processing,... Beschrijving, Begrijpen, Selectie,... Etc...


Download ppt "POLYMEREN of : “Kunststoffen” … of : “Plastics”..."

Verwante presentaties


Ads door Google