Ogólny przegląd głównych grup materiałów inżynierskich

Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe o własnościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów.
Materiałami inżynierskimi natomiast, nazywamy materiały konstrukcyjne, które są wykorzystywane do budowy maszyn i urządzeń.

Najogólniej wśród materiałów o znaczeniu technicznym można wyróżnić:
Materiały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu, do technicznego zastosowania
Materiały inżynierskie, nie występujące w naturze, lecz wymagające zastosowania złożonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do potrzeb technicznych, po wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze.

Przykładami materiałów naturalnych są:
1. drewno,
2. niektóre kamienie,
3. skały,
4. minerały.

Do podstawowych grup materiałów inżynierskich tradycyjnie są zaliczane:
metale i ich stopy,
polimery,
materiały ceramiczne.

Podstawą podanej klasyfikacji jest istota wiązań między atomami tworzącymi dany materiał, utrzymujących je w skoordynowanych przestrzennie układach i determinujących podstawowe własności materiałów.

Ponad to można wymienić MATERIAŁY KOMPOZYTOWE, tworzone przez połączenie dowolnych dwóch z wymienionych materiałów inżynierskich, w monolityczną całość, co zapewnia uzyskanie innych własności od właściwych dla każdego z materiałów składowych.

Metale są to materiały, które w stanie stałym charakteryzują się następującymi właściwościami:
- dobre przewodnictwo ciepła i elektryczności,
- połysk,
- plastyczność,
Właściwości te wynikają z wiązania metalicznego występującego pomiędzy atomami tworzącymi metal i budowy krystalicznej. Dzielimy je na dwie grupy, żelazne i nieżelazne (kolorowe).

Polimery są nazywane także tworzywami wielkocząsteczkowymi. Dzielą się na naturalne i sztuczne. Naturalne nazywane biopolimerami otrzymuje się poprzez obróbkę i częściową modyfikacje surowców naturalnych. Sztuczne powstają w wyniku łączenia najczęściej wiązaniami kowalencyjnymi wielu identycznych niewielkich ugrupowań atomów, zwanych monomerami.
METALE I ICH STOPY

Uwzględniając własności fizyczne jak i chemiczne pierwiastków chemicznych, w znaczeniu substancji prostych możemy podzielić metale na dwie grupy:
1. metale,
2. niemetale.

Podstawowymi stopami stosowanymi w inżynierii są stopy żelaza z węglem. Dzieli się je na: surówki, żeliwa i stale.

Surówka
Surówką, stanowiąca produkt wyjściowy w procesie otrzymywania stali i żeliwa, nazywamy stop żelaza z węglem, o zawartości ponad 2 % węgla i innymi składnikami (krzemem, manganem, fosforem i siarką). Siarka i fosfor są domieszkami szkodliwymi, ponieważ siarka powoduje kruchość stopu na gorąco, a fosfor – kruchość na zimno oraz pogarsza właściwości plastyczne i udarność stopu.
Surówkę otrzymuje się w wyniku redukcji rudy żelaza w wielkim piecu. Ponieważ rudy żelaza zawierają 15 – 70% żelaza oraz duża ilość mineralnych zanieczyszczeń (zwanych skałą płonną), konieczne jest odpowiednie ich przygotowanie, ułatwiające proces wytopu.
Do głównych rud żelaza zalicza się: magnetyt, hematyt, limonit oraz syderyt. Rudy uboższe, zawierające mniej niż 45% czystego żelaza, podlegają sztucznemu wzbogaceniu. Znane są różne sposoby wzbogacania rud i oczyszczania ich z domieszek skalnych. Jednym z nich jest algomeracja rudy, czyli proces spiekania miałkiej rudy w większe ziarna.
Rozróżnia się surówkę białą stosowana do dalszej przeróbki na stal oraz surówkę szarą stosowana do dalszej przeróbki na żeliwo.

Żeliwo
Żeliwo zawierające 2 – 3 % węgla otrzymuje się przez przetopienie surówki z dodatkiem złomu żeliwnego stalowego w piecach zwanych żeliwiakami. Żeliwo ma dobre właściwości odlewnicze i jest używane do odlewania wielu części maszyn.
Węgiel zawarty w żeliwie może występować w postaci grafitu lub cementytu. Zawartość krzemu i powolne stygnięcie odlewu sprzyjają wydzielaniu się węgla w postaci grafitu, a zawartość manganu i szybkie stygnięcie wpływa na wydzielanie się węgla w postaci cementytu. Żeliwo, w którym węgiel wydzielił się w postaci grafitu, nazywa się żeliwem szarym, a żeliwo, w którym węgiel wydzielił się w postaci cementytu, nosi nazwę żeliwa białego.
Żeliwo jest jednym z podstawowych materiałów konstrukcyjnych stosowanych często w budowie maszyn. Żeliwa wysokiej jakości odznaczają się dużą wytrzymałością, odpornością na ścieranie, dobrą obrabialnością i zdolnością do tłumienia drgań. Oprócz żeliwa szarego i białego rozróżnia się jeszcze żeliwo modyfikowane, sferoidalne, ciągliwe i stopowe.

Żeliwo szare oznacza się symbolem Zl w połączeniu z trzycyfrowym znakiem, określającym minimalną wytrzymałość na rozciąganie. Ma ono dobre właściwości odlewnicze, dużą wytrzymałość na ściskanie i małą udarność.
Żeliwo białe nie nadaje się na części konstrukcyjne, gdyż ze względu na dużą zawartość cementytu jest twarde, kruche i nieobrabialne. Żeliwa białe stosuje się przede wszystkim jako produkt wyjściowy do otrzymania żeliwa ciągliwego.
Żeliwo modyfikowane otrzymuje się przez dodanie do żeliwa, przy spuście z żeliwiaka, niewielkiej ilości modyfikatorów. Jako modyfikatory, stosuje się: stop krzemu z wapniem, stop żelazokrzemu i aluminium, żelazokrzem, magnez i stopy magnezu z miedzią i niklem. Modyfikatory przyczyniają się do powstania odpowiedniej struktury z równomiernie rozłożonym grafitem. Żeliwo modyfikowane ma większą odporność na ścieranie i korozje niż żeliwo szare.
Żeliwo szare sferoidalne powstaje przez dodanie magnezu lub ceru albo obu tych składników do ciekłego żeliwa. W rezultacie następuje wydzielenie grafitu w postaci kulkowej. Żeliwo tego rodzaju charakteryzuje się znaczna ciągliwością przy dość dużej wytrzymałości oraz dobrej lejności i obrabialności.
Żeliwo ciągliwe otrzymuje się przez długotrwałe wyżarzanie odlewów z żeliwa białego. Żeliwo to ma również właściwości zbliżone do stali. Żeliwo ciągliwe jest stosowane do wyrobu części armatury wodociągowej, kanalizacyjnej i gazowej, a także niektórych części maszyn rolniczych.
Żeliwo stopowe zawiera chrom, nikiel, aluminium, molibden, mangan, miedź i tytan. Przez zastosowanie odpowiednich dodatków można otrzymać żeliwa odznaczające się odpornością na ścieranie, korozję, wysoka temperaturę lub działanie różnego rodzaju chemikaliów. Żeliwo stopowe jest stosowane do budowy aparatury chemicznej i kotłowej o podwyższonych właściwościach wytrzymałościowych, termicznych lub chemicznych. Wyróżniamy następujące rodzaje żeliwa stopowego: żeliwo chromowe, żeliwo wysokomanganowe oraz żeliwo niklowe.

Staliwa
Staliwem nazywa się stop żelaza z węglem odlewany do form odlewniczych i nie poddawany obróbce plastycznej. Ilość węgla w stali dochodzi do około 2%. W zależności od składu chemicznego rozróżnia się stale węglowe konstrukcyjne i stopowe.
Staliwa węglowe zawierają tylko pierwiastki pochodzące z wytopu, jak: węgiel, od którego zależą właściwości mechaniczne, mangan, krzem, fosfor i siarka.
Staliwa stopowe zawierają ponadto pierwiastki wprowadzone celowo: nikiel, chrom, wolfram, molibden, wanad, polepszające ich właściwości.
Staliwo wykazuje nieco gorsze właściwości od stali o tym samym składzie, co tłumaczy się głównie niejednorodnością ziarna. W porównaniu z żeliwami charakteryzuje się ono znacznie większą plastycznością i dlatego stosuje się je na odlewy, na które żeliwa nie można użyć. Ze względu na większy skurcz odlewniczy, odlewy staliwne są trudniejsze do wykonania niż odlewy żeliwne.

CHARAKTERYSTYKA METALI
Metale są to substancje, które w stanie skondensowanym odznaczają się obecnością swobodnych, nie związanych z określonymi atomami elektronów zdolnych do poruszania się w całej objętości metalu. Do metali należy większość pierwiastków chemicznych i ich stopy. Metale mają obok całkowicie wypełnionych wewnętrznych powłok elektronowych powlokę zawierającą niewielką liczbę elektronów i w związku z tym mają charakter elektro-dodatni.
W temperaturze pokojowej metale występują w stanie stałym (z wyjątkiem rtęci, która w tych warunkach jest cieczą), krystalizują przeważnie w trzech typach sieci:
Regularnej, płasko centrowanej
Regularnej, przestrzennie centrowanej
Heksagonalnej.

Metale odznaczają się:
* Szczególną zdolnością odbijania promieniowania świetlnego, czyli połyskiem metalicznym
* W dotyku są zimne, gdyż ich duże przewodnictwo cieplne powoduje odprowadzanie energii od skóry
* Większość z nich ma dużą wytrzymałość mechaniczną
* Dobrze przewodzą elektryczność
* Są ciągliwe i kowalne
* Większość z nich ma dużą gęstość gdyż mają ścisłą strukturę krystalograficzną
* Mają dodatni współczynnik temperatury oporu
* Są nieprzeźroczyste
* Wodorotlenki mają charakter zasadowy

Z technicznego punktu widzenia, najważniejszym metalem jest żelazo (Fe), będące głównym składnikiem stali. Inne technicznie ważne metale określa się nazwą metali nieżelaznych. Metale o gęstości mniejszej od 4,5 g*cm3 zalicza się do tak zwanych metali lekkich (glin, magnez, beryl, sód, potas), natomiast o gęstości większej niż 4,5 g*cm3 zalicza się do metali ciężkich. Wśród nich ważną grupę stanowią metale kolorowe (cyna, miedź, cynk, ołów), stosowane do otrzymywania różnego rodzaju stopów. Najbardziej odporne chemicznie są tak zwane metale szlachetne (platyna, złoto, srebro). Często stosuje się też podział metali na metale żelazne (żelazo, stal, staliwo, żeliwo) i nieżelazne (pozostałe), bądź metale uszlachetniające stal.
Metale są bardzo rozpowszechnione w przyrodzie. Występują w postaci rud, czyli minerałów lub skał, z których za pomocą procesów metalurgicznych wytapia się żelazo (tzw. surówkę) lub dany metal. Metale maja szerokie zastosowanie zwłaszcza jako materiały konstrukcyjne.

Występowanie rud metali w Polsce:

Polska jest krajem o dużych zasobach rud metali, zwłaszcza kolorowych. Złoża rud żelaza są obecnie nie eksploatowane ze względu na skromne ich zasoby. Odkryto bogate złoże magnetytów, ale nie wydobywa się ich z kilku powodów. Po pierwsze, występują one na dużych głębokościach (ok. 1 000 m pod powierzchnią ziemi). Po drugie, występują w centrum „Zielonych Płuc Polski” – na terenie Suwalszczyzny. Ale najważniejszym aspektem jest to, że wydobycie stali jest nieopłacalne i chętniej wydobywa się inne surowce.
Najważniejszą role w gospodarce i eksporcie naszego kraju odgrywają rudy miedzi (Polska jest pod względem wydobycia na 5-tym miejscu w świecie), oraz rudy cynkowo-ołowiane (6-ste miejsce Polski w rankingu światowym).

POLIMERY

Od co najmniej 60 lat tworzywa sztuczne znajdują coraz większe zastosowanie w różnych dziedzinach techniki i życia codziennego. Stosowane początkowo jako namiastki tradycyjnych i zarazem deficytowych tworzyw wytwarzanych z surowców naturalnych, stały się następnie pełnowartościowymi materiałami o nowych, nie spotykanych dotychczas właściwościach. Umożliwiło to zajęcie im równorzędnej, a w niektórych dziedzinach przodującej pozycji wobec innych materiałów. Obecnie tworzywa sztuczne nie tylko dorównują szeregiem właściwości takim tradycyjnym materiałom jak: metale, drewno, skóra, włókna naturalne, szkło i wyroby ceramiczne, kauczuk naturalny, ale i przewyższają je pod wieloma względami.

Cechy tworzyw sztucznych:

Łatwość formowania wyrobów o skomplikowanych kształtach w ostatecznej postaci,
Stosunkowo duża, a w wielu przypadkach bardzo duża odporność chemiczna,
Dobre właściwości mechaniczne i często doskonałe właściwości elektryczne
Mała gęstość i związany z tym najczęściej bardzo korzystny stosunek wytrzymałości mechanicznej do gęstości
Możliwość łatwego otrzymywania wyrobów o estetycznym wyglądzie
Możliwość barwienia i uzyskiwania wyrobów przezroczystych.

Kolejna zaletą tworzyw sztucznych jest możliwość stosowania ich w różnorodnej postaci. Mogą one być stosowane jako tworzywa konstrukcyjne, materiały powłokowe, spoiwa, kleje i kity, włókna syntetyczne. Najważniejszym jednak kierunkiem stosowania tworzyw sztucznych jest używanie ich w charakterze materiałów konstrukcyjnych, do wytwarzania części maszyn i urządzeń oraz przedmiotów powszechnego użytku. Tworzywa sztuczne mają oczywiście także i wady, które ograniczają ich stosowanie. W porównaniu z metalami odznaczają się niższą wytrzymałością mechaniczną i mniejszą twardością, płyną pod znacznie mniejszym obciążeniem (zjawisko pełzania) i maja w większości niezbyt zadowalającą odporność cieplną.

Skład tworzyw sztucznych:

Tworzywa sztuczne są materiałami, w których najistotniejszy składnik stanowią związki wielkocząsteczkowe, syntetyczne lub pochodzenia naturalnego. Oprócz związku wielkocząsteczkowego tworzywo sztuczne zawiera zwykle składniki dodatkowe, które nadają mu korzystne właściwości użytkowe. Składniami tymi mogą być:

A. Barwniki – substancje naturalne lub syntetyczne, używane do barwienia różnorodnych materiałów (tkanin, papieru, skór, drewna, tworzyw sztucznych, żywności, kosmetyków).
W cząsteczkach barwników znajdują się ugrupowania chromoforowe, dzięki którym związki te selektywnie absorbują promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym, oraz auksochromy, nadające barwnikom powinowactwo do materiałów barwionych.
Ze względu na metodę wykonania barwienia, barwniki dzieli się na:
ź Bezpośrednie
ź Kwasowe
ź Zasadowe
ź Lodowe
ź Kadziowe
ź Zaprawowe.

B. Pigmenty – substancje barwne, w stanie rozdrobnienia stosowane do wyrobu farb oraz barwienia tworzyw sztucznych, włókien syntetycznych, wyrobów ceramicznych, gumy, papieru.
Pigmenty nieorganiczne, zwane mineralnymi, dzieli się na naturalne (farby ziemne) i sztuczne (sole i tlenki metali otrzymywane sztucznie). Do pigmentów nieorganicznych zalicza się także pigmenty otrzymywane z metali nieżelaznych np. glinu, miedzi i ich stopów.
Pigmenty organiczne, również dzieli się na naturalne i syntetyczne. Naturalne występują w organizmach żywych np. chlorofil, hemina, sepia, indygo. Natomiast syntetyczne są najczęściej nierozpuszczalnymi barwnikami: azowymi, antrachunowymi, lakami barwnymi.
Niekiedy pigmenty oprócz właściwości barwienia substancji, wykazują także inne cechy: świecenie (luminofory) lub zmianę barwy wraz ze zmiana temperatury (pigmenty termo czułe). Maja zastosowanie do produkcji farb świecących i termometrycznych.

C. Stabilizatory – substancje chemiczne zapobiegające lub opóźniające samorzutne i niekorzystne przemiany chemiczne innych substancji, takich jak: artykuły spożywcze, leki, polimery, zawiesiny i emulsje, do których dodawane są w niewielkich ilościach. Stabilizatory osłabiają działanie czynników termicznych, hydrolitycznych, biologicznych i świetlnych.

D. Napełniacze, wypełniacze, obciążniki – substancje wprowadzane do tworzyw sztucznych, mieszanek gumowych, farb i innych w celu poprawy ich własności mechanicznych, elektroizolacyjnych i przeciwpożarowych oraz obniżenia ich ceny. Najczęściej stosowane napełniacze to: mączka drzewna i kamienna, ziemia okrzemkowa, pył metalowy, sadze, grafit, ścinki, włókna, tkaniny szklane, azbest, miki a także pigmenty.

E. Zmiękczacze, plastyfikatory – ciecze – na ogół oleiste – o małej lotności lub ciała stałe, które mieszają się homogenicznie z polimerem, nie wchodząc z nim w reakcję. Dodatek zmiękczaczy do polimerów powoduje obniżenie temperatury kruchości i mięknienia oraz podwyższenie odkształcalności i sprężystości. Ułatwione zostaje także przetwórstwo polimeru. Zmiękczacze powinny być stabilne chemicznie, nietoksyczne oraz nie pogarszać właściwości.
Ze względu na pochodzenie zmiękczacze dzieli się na: naturalne (olej słonecznikowy) oraz syntetyczne (estry, ketony itp.). Do najczęściej stosowanych zalicza się: estry kwasu ftalowego, zmiękczacze fosforanowe, epoksydowe oleje roślinne oraz zmiękczacz z estrów kalafonii i jej pochodnych.

OTRZYMYWANIE POLIMERÓW

Wyjściowymi surowcami do otrzymywania monomerów są przede wszystkim ropa naftowa i gaz ziemny (baza petrochemiczna) oraz węgiel kamienny. Procesy otrzymywania monomerów są przedmiotem technologii związków organicznych, a zagadnienia dotyczące wytwarzania polimerów wchodzą w zakres technologii chemicznej tworzyw sztucznych. Procesami przekształcania polimerów w wyroby użytkowe, zajmuje się natomiast technologia przetwórstwa tworzyw sztucznych. Reakcje chemiczne otrzymywania polimerów z monomerów, to znaczy wytwarzania syntetycznych związków wielkocząsteczkowych, są nazywane polireakcjami.

TRZY PODSTAWOWE TYPY POLIREAKCJI:

I. Polimeryzacja – proces chemicznego tworzenia się związku wielkocząsteczkowego (polimeru) ze związku małocząsteczkowego (monomeru), przy czym pod względem składu chemicznego polimer stanowi wielokrotność monomeru, który ulega przekształceniu najczęściej w skutek zerwania podwójnego wiązania. Nie wydzielają się przy tym żadne produkty uboczne.
Jeżeli łączą się ze sobą monomery jednakowe to taką reakcję nazywa się, homopilomeryzacją, jeżeli różne monomery to kopolimeryzacją. Polimeryzacja ma mechanizm łańcuchowy, przy czym odróżnia się polimeryzacje wolnorodnikową, prowadzoną w obecności inicjatorów i polimeryzację jonową, tzn. anionowa lub kationową, które prowadzi się w obecności katalizatorów najczęściej typu Friedela i Craftsa.

II. Polikondensacja (polimeryzacja kondensacyjna) – proces chemicznego tworzenia się związku wielkocząsteczkowego (polikondensatu) wskutek reakcji zachodzącej miedzy związkami małocząsteczkowymi, przeważnie z wydzieleniem produktów ubocznych (najczęściej wody). Polikondensacja zachodzi stopniowo, przy czym na każdym etapie ustala się stan równowagi. Łańcuchu polikondensatów nie są nigdy czysto węglowe, zawierają zawsze heteroatomy. Polikondensacje określa się również jako proces powstawania związków wielko cząsteczkowych zawierających ugrupowania, których nie ma w małocząsteczkowych związkach wyjściowych. Do procesów polikondensacji mających duże znaczenie przemysłowe należą: otrzymywanie fenoplastów, aminoplastów, alkidali, poliamidów, politereftalanu glikolu, żywic epoksy, tworzyw termostabilnych i wiele innych.

III. Poliaddycja (polimeryzacja addycyjna) – ma charakter pośredni miedzy polimeryzacją a polikondensacją. Podobnie jak polikondensacja jest to reakcja przebiegająca w sposób stopniowy, lecz w odróżnieniu od niej, nie jest procesem odwracalnym. Przyłączanie kolejnych cząsteczek monomeru do rosnącego polimeru przebiega tu dość szybko, podobnie jak w procesie polimeryzacji. Nie następuje też wydzielanie się ubocznych produktów małocząsteczkowych, co dodatkowo upodabnia poliaddycję do polimeryzacji. Polimery otrzymywane w wyniku poliaddycji, mają ten sam skład chemiczny, co monomery, lecz różnią się od nich budową. Mechanizm reakcji polega najogólniej na przemieszczaniu (przeskoku) atomu wodoru w cząsteczce monomeru, umożliwiając tym samym wzrost łańcucha polimeru. Typowym przykładem poliaddycji jest reakcja otrzymywania poliuretanów lub żywic epoksydowych.

PRZYKŁADY TWORZYW SZTUCZNYCH I ICH ZASTOSOWANIE

ę Polistyren
Otrzymuje się na drodze polimeryzacji styrenu w podwyższonej temperaturze. W normalnej temperaturze pokojowej jest to tworzywo twarde i kruche, bez zapachu, bez smaku, fizjologicznie obojętne. Otrzymuje się go z etylenu i benzenu. Jest materiałem stosunkowo lekkim o dużej stałości wymiarów, co umożliwia stosowanie go w precyzyjnej aparaturze pomiarowej. Cechuje się małą nasiąkliwością wody, dobrymi własnościami dielektrycznymi, niezmiennymi w szerokim zakresie częstotliwości, a także dużą odpornością na działanie większości cieczy, nawet silnie korodujących. Nie odporny jest natomiast na działanie rozpuszczalników organicznych. Pod wpływem światła słonecznego polistyren żółknie i staje się bardzo kruchy. Jest jednym z najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych, ponieważ obok własności mechanicznych i fizycznych, cechuje go łatwość formowania i niska cena. Służy do wyrobu galanterii technicznej, obudowy różnych urządzeń mechanicznych i wykładzin, a jako tworzywo parowate (styropian) – do opakowań i płyt termoizolacyjnych. Stosowany jest również w przemyśle elektrotechnicznych i radiotechnicznym.

ę Polietylen
Znany jest już od 1937 roku i dość rozpowszechniony w technice. Jest substancją białą, konsystencji proszku lub granulatu, przypominającą w dotyku parafinę. Powstaje w procesie polimeryzacji etylenu. Powierzchnia tworzywa daje się łatwo zarysować, lecz jest w odróżnieniu od parafiny zwarta. Jest tworzywem o doskonałych własnościach dielektrycznych i dużej odporności na działanie kwasów, zasad, soli i większości związków organicznych. W węglowodorach alifatycznych, aromatycznych i chlorowcopochodnych, polietylen pęcznieje, czemu towarzyszy pogorszenie jego własności fizycznych. Ponadto przewody (rury, kable...) z polietylenu, ułożone w ziemi, mogą ulegać zniszczeniu, określanemu potocznie przez analogię do metali –korozję. Polietylen znajduje zastosowanie w produkcji folii i innych opakowań, do wyrobu rur nadających się zarówno do wody pitnej, jak i do ścieków, jako powłoki kablowe oraz do wyrobu elementów gospodarstwa domowego, za wyjątkiem pojemników lub opakowań do mleka i tłuszczów zwierzęcych.

ę Polipropylen
Jest to tworzywo częściowo krystaliczne o własnościach zbliżonych do polietylenu. Otrzymuje się go na skalę przemysłową przez niskociśnieniową polimeryzację propylenu wobec katalizatora. Polipropylen charakteryzuję się małą ścieralnością i dobrymi własnościami dielektrycznymi. Może być stosowany w temperaturach od 35 do 130ºC. Jest gładki w dotyku, ma większa odporność powierzchni na zarysowania i uszkodzenia, nie ulega korozji naprężeniowej, ma mniejszą gęstość, większą wytrzymałość na rozciąganie i większą odporność termiczną. Jako wady polipropylenu należałoby wymienić stosunkowo dużą kruchość w temperaturach poniżej 0ºC i większą niż polietylen wrażliwość na działanie tlenu. Polipropylen znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle do wyrobu różnych elementów maszyn poddawanych większym obciążeniom (wałki drukarskie, koła zębate), naczynia i elementy do sterylizacji wrzeniem oraz wyroby wymagające łączenia i współpracy z elementami metalowymi.

ę Poliamid
Poliamidami nazywa się związki wielocząsteczkowe, które zawierają w makrocząsteczce ugrupowania amidowe, –CO-NH-. Do monomerów poliamidowych zalicza się, zatem związki, które zawierają w cząsteczce, lub tworzą, grupy amidowe w wyniku reakcji z innymi związkami. Poliamidy zaliczane są do typowych polimerów krystalicznych. Cechuje je dobra wytrzymałość na rozciąganie, wysoki moduł sprężystości, twardość, odporność na ścieranie itp. Poliamidy wytwarza się z pochodnych węgla, gazu ziemnego lub ropy naftowej. Poliamidy w najróżniejszych postaciach znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Niełamliwe artykuły codziennego użytku, artykuły techniczne, którym stawiane są wysokie wymagania wytrzymałościowe, włókna, lekkie tkaniny stanowią najbardziej wyróżniający się zakres zastosowań tych polimerów.

ę Polichlorek winylu
W temperaturze pokojowej jest twardy, mało sprężysty, a przy obniżeniu temperatury staje się kruchy. Twardy polichlorek winylu, z uwagi na jego dużą odporność chemiczną, znajduje zastosowanie przede wszystkim do produkcji rur i wykładzin, zbiorników na naczynia, na oleje i tłuszcze. Może być również wykorzystywany na płyty gramofonowe. Daje się łatwo kleić i spawać, jest w zasadzie niepalny. Jest odporny na działanie kwasów, zasad, benzyny. Polichlorek winylu miękki stosuje się do wyrobu folii, giętkich węży do wody, powłok antykorozyjnych, wykładzin podłogowych oraz różnych przedmiotów codziennego użytku.

ę Poliuretany
Są to polimery termoplastyczne, a ich własności zbliżone są do poliamidów. W odróżnieniu jednak od poliamidów nie chłoną wody, mają bardzo dobre własności dielektyczne. Znajdują odpowiednio szerokie i różnorodne zastosowanie. Przykładowo można z nich wytwarzać włókna odzieżowe, oploty przewodów, folie do wyrobu worków, kształtki, lakiery do izolacji przewodów i malowania podłóg, kleje do różnych materiałów, między innymi do metali lekkich i stali, rodzaj miękkiej gumy na membrany, opony, podeszwy do butów.

ę Polioctan winylu
Otrzymuje się z acetylenu, ropy naftowej i gazu ziemnego. Zależnie od stopnia polimeryzacji, polimery te otrzymuje się jako substancje oleiste, miękkie, kleiste lub twarde żywice. Do różnych celów miesza się je i stosuje w postaci roztworów, mieszanek do powlekania, jak również w postaci perełek w różnych gałęziach przemysłu (przemysł farb, lakierów, tekstylny, papierniczy i klejów).

ę Poliwęglany
Otrzymuje się je z trującego fosgenu i dianu. Są one tworzywami termoplastycznymi o bardzo wysokiej temperaturze mięknięcia (około 170ºC). Z powodu bardzo słabej zdolności do krystalizacji polimeru, czyste produkty z poliwęglanu są bezbarwne i przejrzyste. Polimer może być przetwarzany z roztworu jak również, biorąc pod uwagę jego termoplastyczny charakter, na zwykłych maszynach stosowanych do przerobu tworzyw sztucznych. Z poliwęglanów można produkować włókna, folie, rury, wyrobu drążone i inne. Uwzględniając dużą odporność na ciepło, jak również bardzo dobre własności mechaniczne i dielektyczne, stosuje się poliwęglany w przemyśle elektronicznym, w medycynie i do produkcji maszyn i urządzeń, którym stawiane są duże wymagania techniczne, jak również na przedmioty codziennego użytku.

ę Octan celulozy
Otrzymuje się go z celulozy przez modyfikację mieszaniną kwasu octowego i bezwodnika octowego. Bardzo dobrze chłonie wodę. Tworzywo to znajduje zastosowanie w przemyśle fotograficznym (niepalne błony filmowe), na opakowania, w przemyśle maszynowym i narzędziowym, odzieżowym i lakierniczym.

ę Azotan celulozy (celuloid)
Otrzymuje się przez estryfikację celulozy kwasem azotowym w obecności kwasu siarkowego. Tworzywo to, które daje się szczególnie dobrze barwić i przerabiać, pomimo jego palności, znajduje szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Azotan celulozy stosowany jest na różne wykładziny (np. w przemyśle instrumentów muzycznych), jak również do produkcji zabawek i przedmiotów codziennego użytku, artykułów technicznych i innych. Tworzywo to znajduje również zastosowanie w przemyśle lakierniczym.

ę Poliizobutylen
Zależnie od stopnia polimeryzacji różnych postaci poliizobutylenu własności jego mogą być różne i obejmują materiały od lepkiego oleju do produktów o własnościach podobnych do twardej gumy. Jako materiał konstrukcyjny tworzywo to nie może znaleźć zastosowania ze względu na to, że nawet nie jest jeszcze materiałem twardym. Niskocząsteczkowe materiały tego typu znajdują zastosowanie jako materiały uszlachetniające, smary, kleje, folie, płyty i węże z polizobutylenu stosowane są w przemyśle chemicznym, w budownictwie, w elektrotechnice, w przemyśle spożywczym, często też jako okładziny i wykładziny.

W zależności od rodzaju użytego polimeru tworzywa sztuczne dzieli się na:

e Termoplastyczne, które można wielokrotnie przerobić w podwyższonej temperaturze
e Termoutwardzalne, które w podwyższonej temperaturze, po uformowaniu określonego kształtu, stają się nietopliwe i nierozpuszczalne
e Chemoutwardzalne, które pod wpływem określonych czynników chemicznych usieciowują się przestrzennie, przy czym stają się nietopliwe i nierozpuszczalne.

Tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne noszą nazwę duroplastów. Do grupy tworzyw termoplastycznych, nazywanych potocznie termoplastami, należą tworzywa, które w temperaturze pokojowej znajdują się w stanie zeszklenia lub w stanie wysokiej elastyczności, które po podgrzaniu mogą ponownie przechodzić w stan lekko płynny. Umożliwia to struktura liniowa lub liniowo-rozgałęziona cząsteczek polimeru. Możliwość wielokrotnego przechodzenia polimeru ze stanu stałego w stan płynny wykorzystywana jest w procesach przetwórczych tej grupy tworzyw.

MATERIAŁY CERAMICZNE

Ceramika są to nieorganiczne związki metali z tlenem, azotem, węglem, borem i innymi pierwiastkami. Atomy są połączone wiązaniem jonowym i kowalencyjnym. Po zaformowaniu materiały ceramiczne wygrzewane są w wysokich temperaturach.

Materiały ceramiczne wytwarza się z masy ceramicznej w skład, której wchodzą:
materiały plastyczne (gliny, kaoliny) ułatwiające formowanie
materiały schładzające (piasek) zmniejszające kurczliwość podczas suszenia i wypalania,
topniki, które ułatwiają proces wiązania cząstek.

Surowce do produkcji ceramiki można podzielić na:
podstawowe (substancje o dużej zawartości czystego węgla np.: grafit naturalny, sadza, węgiel drzewny)
wiążące ( mają za zadanie związanie mieszaniny drobno zmielonych cząstek)
dodatkowe ( stosuje się je w celu nadania wyrobom specjalnych wartości)

Ceramikę można podzielić na:
* ceramikę budowlaną – wyroby te muszą być odporne na ściskanie, zginanie, działania mrozu
* wyroby ceramiczne ogniotrwałe – wyroby te musza odznaczać się zdolnością przeciwstawiania się działaniu wysokich temperatur ich pracy.

WŁAŚCIWOŚCI WYROBÓW CERAMICZNYCH:
1. twardość
2. kruchość
3. duża odporność cieplna
4. ogniotrwałość
5. duża odporność na korozję
6. duża wytrzymałość mechaniczna
7. dobra przewodność elektryczna i cieplna

PRZYKŁADY WYROBÓW CERAMICZNYCH I ICH CHARAKTERYSTYKA:

1. Kształtka z masy szamotowej na okładzinę ognioodporną wielkiego pieca i kadzi – sprasowane drobinki materiału ceramicznego wypalone w piecu z wysoką temperaturą, kolor piaskowy.

2. Płytka ceramiczna z zewnątrz gładka glazura, może być barwiona w różny sposób.

3. Osełka- przeznaczona do ostrzenia noży, posiada gładką powierzchnię.

4. Klinkier- materiał budowlany o gładkiej powierzchni i przekroju zawierającym czarny pasek- grafit

5. Karit- odznacza się wysoką odpornością na działanie kwasów i alkoholów oraz bardzo dobrą przewodnością cieplną. Posiada chropowatą powierzchnię składającą się z drobnych granulek, jest bardzo twardy.

6. Elektrokorut biały- powierzchnia chropowata, składająca się z małych drobinek przypominających ziarenka soli, twardość 7 wg skali Mosha, posiada własności skrawania, ostrzy się go diamentem.

7. Fajans- posiada porowaty czerp barwy kremowej i całkowicie nieprzeświecalny. Jest on mniej twardy niż porcelana i lżejszy. Na przełomie szary. Wydaje głuchy dźwięk, po pewnym czasie tworzy się na nim drobna siateczka pękań. Ma dużą nasiąkliwość i mała wytrzymałość mechaniczną. Jest najsłabszym materiałem ceramicznym.

8. Kamionka- należy do wyrobów ceramicznych o skorupie zeszkliwionej jednak nie przeświecającej. Kamionka bywa biała, szara lub brązowa w zależności od użytych surowców, najczęściej wyrabiana z glin ogniotrwałych z dodatkiem kaolinu i skalenia. Jest wypalana tylko raz, razem ze szkliwem w temperaturze 12000- 13000 C Jest twarda, gładka, odporna na działanie kwasów. Ma zastosowanie w przemyśle chemicznym. Z kamionki wyrabia się naczynia i okładziny kwasoodporne, przewody do cieczy i gorących gazów, zlewy itp.

9. Porcelana- wyrabiana z glinki porcelanowej i topników. Jest ona szklista, biała. Posiada twarde szkliwo mocno stopione. Wydaje czysty, metaliczny dźwięk, posiada dużą odporność na wysoką temperaturę i duża kwasoodporność, jest twardsza od stali. Z porcelany wyrabia się różnego rodzaju zastawy stołowe, filiżanki itp.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

Kompozytem nazywamy tworzywo powstałe przez połączenie dwóch lub więcej materiałów, z których jeden jest wiążącym, a inne spełniają rolę wzmacniającą i są wprowadzane w postaci ziarnistej, włóknistej lub warstwowej. W wyniku tego uzyskuje się kombinację własności (najczęściej chodzi tu o własności mechaniczne) niemożliwą do osiągnięcia w materiałach wyjściowych. Cenną cechą kompozytów jest możliwość projektowania ich struktury w kierunku uzyskania założonych własności. Z tego względu kompozyty znalazły szerokie zastosowanie we współczesnej technice i przewiduje się dalszy dynamiczny ich rozwój.
Kompozyty składają się z osnowy i z rozmieszczonego w niej drugiego składnika o znacznie wyższych właściwościach wytrzymałościowych lub większej twardości zwanego zbrojeniem.
Kompozyty są połączeniem dwóch lub więcej odrębnych nie rozpuszczających się w sobie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi inżynierskiemu zapewniającymi lepszy zespół własności i cech strukturalnych, od właściwych dla każdego z materiałów składowych oddzielnie. Materiały kompozytowe znajdują zastosowanie m. in. w sprzęci kosmicznym, samolotach, samochodach, łodziach, jachtach.

Osnowa – jest to najczęściej polimer, może to być także metal ( np. tytan, glin, miedź) lub ceramika ( np. tlenek glinu). Wymienione materiały różnią się znacznie właściwościami takimi jak wytrzymałość na rozciąganie, sztywność, odporność na kruche pękanie, temperatura użytkowania, a przede wszystkim różnią się ciężarem właściwym. Najczęściej osnową są polimery, ze względu na ich mały ciężar właściwy i łatwość kształtowania. Niezależnie jednak, jaki to jest materiał osnowa spełnia w kompozycie wymienione funkcje.

Osnowa spełnia zadania:
zlepia zbrojenie
umożliwia przenoszenie naprężeń na włókna
decyduje o właściwościach chemicznych i cieplnych kompozytu
nadaje żądany kształt wyrobom
dobrze wiąże się ze zbrojeniem.

Zbrojenie może mieć postać proszku lub włókien. Dodawane jest do kompozytu w dużej ilości. Oddziałuje ono zazwyczaj tylko fizycznie na osnowę.

Zadania zbrojenia to:
poprawia określone właściwości mechaniczne i/lub użytkowe wyrobu
niekiedy zmniejsza koszt wsadu surowcowego (dotyczy to napełniaczy proszkowych)

Kompozyty można sklasyfikować wg rodzaju i kształtu fazy umacniającej (zbrojenie kompozytu) oraz typu osnowy.

Ze względu na pochodzenie kompozytu możemy wyróżnić:
ź kompozyty sztuczne – wytworzone przez człowieka
ź kompozyty naturalne – np. drewno.

Ze względu na rodzaj zbrojenia wyróżniamy kompozyty:
ź włókniste
ź proszkowe
ź porowate ciała stałe lub pianki.

Kompozyty umacniane włóknami można podzielić na umacniane włóknami ciągłymi i krótkimi (ciętymi), a w zależności od kierunku ułożenia włókien mogą być kompozyty umacniane włóknami równoległymi, nierównoległymi, matami, tkaninami, plecionkami itp.
Odrębnym rodzajem kompozytu jest laminat, czyli kompozyt warstwowy, umacniany warstwami papieru, drewna, tkanin, podczas gdy osnowę stanowi żywica syntetyczna. Są też stosowane laminaty typu „plaster miodu” lub kompozyty warstwowe o osnowie metalowej. Kompozyty można dzielić według rodzaju materiału włókien (metalowe, ceramiczne węglowe, polimerowe) lub osnowy (metal, ceramika, węgiel, tworzywa sztuczne).

W zależności od tego, jaka jest postać zbrojenia otrzymujemy albo kompozyty proszkowe, albo kompozyty włókniste. Włókna mogą być ciągłe, ułożone jednokierunkowo, bądź cięte zorientowane w jednym kierunku lub rozmieszczone w sposób chaotyczny. Od rodzaju zbrojenia, jego kształtu i sposobu rozmieszczenia będą zależały właściwości kompozytu.
Kompozyty zbrojone proszkami, bądź statystycznie rozmieszczonymi włóknami ciętymi mają właściwości jednakowe w każdym kierunku (izotropia).
Kompozyty zbrojone włóknem ciągłym bądź zorientowanym włóknem ciętym mają wyższe właściwości wytrzymałościowe w kierunku wzdłuż włókien, niż w kierunku poprzecznym do włókien (anizotropia).

KOMPOZYTY CERAMICZNE:

Dobrą sztywność i twardość ceramiki można czasami połączyć z odpornością na obciążenia dynamiczne polimerów czy metali, przez wytworzenie kompozytu. Przykładem mogą być tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami szklanymi lub węglowymi. Włókna szklane lub węglowe usztywniają dość miękki polimer. Jeżeli włókno pęknie, pękniecie rozprzestrzeni się w miękkim polimerze, ulega w nim zahamowaniu, nie uszkadzając reszty przekroju. Innym przykładem jest cermetal. Cząstki twardego węglika wolframu są powiązane metalicznym kobaltem, tak jak żwir spojony smołą daje odporną na ścieranie nawierzchnie jezdną. Kość jest naturalnym kompozytem ceramicznym - cząstki hydroksyapatytu (ceramiki) są spojone kolagenem (polimer). Składniki i właściwości wybranych kompozytów ceramicznych podano w tabeli.


Kompozyt ceramiczny – składniki

a) GFRP (kompozyt polimerowy wzmocniony włóknami polimerowymi) szkło
- polimer (konstrukcje wymagające materiałów o szczególnych właściwościach
b) CFPR (kompozyt polimerowy wzmocniony włóknami węglowymi) węgiel
- polimer (konstrukcje wymagające materiałów o szczególnych właściwościach)
c) CERMETAL WC – stosuje się w urządzeniach skrawających oraz do obróbki plastycznej

Zastosowanie kompozytów:

Sprzęt gospodarstwa domowego (odporność temperaturowa, stabilność wymiarów, izolacyjność)
Budownictwo (mała masa, łatwość montażu, odporność korozyjna, nie wymagają konserwacji, łatwe w utrzymaniu)
Lotnictwo (mała masa, wytrzymałość mechaniczna, sztywność)

Agnieszka TRiL - Rusocin 2006