Przemiany stanu skupienia tworzyw sztucznych.

Przemiany stanu skupienia
W procesie formowania wytworu mamy najczęściej do czynienia z przetwórstwem fizyczno- chemicznym II rodzaju tzn. takim gdzie dominują procesy cieplne reologiczne.
Uwaga:
1. Wytwór najczęściej kojarzony jest z postacią ciała stałego, jednakże nie jest
to skojarzenie prawdziwe, gdyż pewna część wytworów może
występować w stanie plastycznym bądź ciekłym.
2. W przypadku większości pierwiastków mówimy o 3 stanach skupienia
(stałym, ciekłym, gazowym) w przypadku tworzyw wyróżniamy jeszcze
stan czwarty, który stanowi fazę pośrednią między ciałem stałym, a
cieczą. Stan ten nazywa się stanem plastycznym. W procesach
formowania wytworu tworzywowego (można zamiennie stosować pojęcia
tworzywo i polimer, aczkolwiek nie są one zupełnie tożsame). W procesie
przetwórczym mamy do czynienia ze zmianami stanu skupienia jakie
zachodzą podczas tego procesu. Symbolicznie stosujemy 3 oznaczenia:
CC - ciało ciekłe (stan ciekły)
CP - ciało plastyczne (stan plastyczny)
CS - ciało stałe (stan stały)
3. W przypadku tworzyw nie mówimy, nie rozważmy stanu gazowego, gdyż stan taki jest możliwy jedynie dla związków małocząsteczkowych i może być uzyskany w procesie rozkładu polimeru, przy czym tak uzyskany gaz nie jest polimerem, a jest jedynie produktem jego rozkładu.
Z praktycznego punktu widzenia najważniejsze znaczenie mają przemiany :
CSCS
Oznacza to, że w trakcie przetwórstwa mamy do czynienia, nie ze zmianą stanu skupienia, a ze zmianą struktury tworzywa lub właściwości warstwy wierzchniej. Typowymi przemianami tego typu są procesy suszenia podgrzewania, ulepszania fizycznego (przez naświetlanie promieniami ultrafioletowymi, laserem, wiązką wysoko energetycznych elektronów), w tego typu procesach poza zmianą struktury fizycznej mamy do czynienia ze zmianą składu warstwy wierzchniej procesem tego typu jest też mieszanie, które ma duże znaczenie ze względu na konieczność ujednorodnienia masy mieszanego tworzywa.
CSCPCS
Tworzywo wprowadzone zostaje pod wpływem działania ciepła ze stanu stałego w stan plastyczny. W stanie plastycznym następuje uformowanie kształtu wytworu (w głowicy, formie) a następnie jego chłodzenie celem uzyskania ostatecznej postaci. Chłodzenie tworzywa jest nieodłącznym elementem procesów przetwórczych wszędzie tam gdzie z stanu plastycznego przechodzi do stanu stałego. Podstawowym procesem przebiegu według tej zasady jest wytłaczanie.
CSCPCCCPCS
Przebieg tego procesu jest podobny jak poprzedniego, z tym że w środkowej jego fazie (przejście z CPCC) przebiega on w wyższej temperaturze. Proces ten stosowany jest głównie podczas wtryskiwania tworzyw, po to aby polimer podczas wtryskiwania cieczy mógł dokładnie wypełnić gniazdo formy. W przypadku wtryskiwania jednym z najważniejszych problemów jest dokładne formy tworzywa dlatego szczególnie podczas wtryskiwania elementów precyzyjnych (o małej tolerancji wymiarów) przeprowadzamy polimer w fazę ciekłą tak, aby obniżyć jego lepkość i stworzyć możliwość dokładnego wypełnienia formy. Przeprowadzenie polimerów w stan ciekły poprzez dostarczanie do niego ciepłą ma również negatywny wpływ gdyż towarzyszą temu procesy destrukcji polimerów.
CPCS
Przemiana ta zachodzi w takich procesach jak porowanie, prasowanie, kalandrowanie, nanoszenie (warstwy ochronnej), klejenie.
CPCP
W procesie przetwórstwa zachodzi jedynie zmiana lepkości i struktury cieczy. Proces mieszania z podgrzewaniem.
CPCS
Przemiana tego typu zachodzi najczęściej wówczas gdy podczas procesów przetwórstwa łączymy ze sobą dwie różne substancje, które reagując ze sobą tworzą ciało stałe procesami tego typu są: przędzenie, laminowanie, klejenie, formowanie polimeryzacyjne (proces ten polega na tym, że formowanie wytworów przebiega równocześnie z polimeryzacją tworzywa - proces ten przebiega w formie lub gnieździe formującym)
Interpretacja przemiany stanu
Rodzaj zjawiska fizycznych i chemicznych zachodzących w procesie przetwórstwa zależy od tego czy przetwarzane tworzywo jest termoplastyczne czy termoutwardzalne. Przebieg przemian zależy nie tylko od parametrów przetwórstwa, ale również od rodzaju i zawartości składników dodatkowych.
Stan ciekły lub plastyczny tworzywa wyjściowego poddanego przetwórstwu uważa się jako:
a) normalny - gdyż uzyskany został w procesie polimeryzacji, tzn. gdy
produktem polimeryzacji jest ciecz lub CP
b) uplastycznionym lub stopionym - gdy wcześniej polimer ten został poddany
działaniu siły zewnętrznej lub ciepła
c) roztwór - gdy stan ten powstał w wyniku rozpuszczania rozpuszczalnikiem
d) dyspersja - wówczas gdy zostało one rozpuszczone w ośrodku
rozpuszczającym, towarzyszy temu proces mieszania
e) pasta - jeżeli w wyniku działania na tworzywo plastyfikatora powstają
łączenia o charakterze solwatacyjnym
Solwatacja - oddziaływanie cząsteczek rozpuszczalnika na jony lub
cząsteczki substancji rozpuszczalnej prowadzące do powstawania
połączeń (tzw. solwatów) solwatacja w roztworach wodnych
nazywa się hydratacją.
Przemiany tworzyw w procesach przetwórstwa zachodzą w skutek:
a) zmiany fizyczne i zmiany stanu
b) polimeryzacji
c) ochładzania i krzepnięcia ( ze stanu ciekłego)
d) odparowywanie (rozpuszczalnika)
Dominujące znaczenie mają przemiany CC i CS w CS Zachodzą we wszystkich procesach, w których wychodzimy ze stanu ciekłego
- odlewanie
- nanoszenie powłok ochronnych
- klejenie
- kitowanie
CS(CP lub CC )CS gdzie przemiany stanu zachodzą głównie pod wpływem ciepła i ciśnienia.
Przemiany te nie występują oddzielnie, ale są w pewnym stopniu ze sobą powiązane wynika to z faktu, że tworzywa w odróżnieniu od metali nie mają jednoznacznie ustalonej temperatury mięknienia i krzepnięcia, temperatury te zależą w dużym stopniu od wielkości masy cząsteczkowej i wraz z tą masą rosną.
Tworzywa utwardzalne nie przechodzą w stan ciekły, gdyż doprowadzenie ciepła powoduje wcześniejsze ich zwęglenie.