Przegląd popularnych w ekstruzji tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne stanowią fundamentalną część współczesnego przemysłu i codziennego życia. W PRIMO doskonale rozumiemy, jak istotna jest znajomość właściwości różnych materiałów polimerowych przy wyborze optymalnych rozwiązań dla naszych klientów. Niniejszy artykuł ma na celu przybliżenie charakterystyk najpopularniejszych tworzyw sztucznych, ich historii oraz kluczowych parametrów technicznych, co pozwoli na bardziej świadome decyzje projektowe i produkcyjne.

Zapraszamy do zapoznania się z naszym przewodnikiem po świecie polimerów, który pomoże lepiej zrozumieć zalety i ograniczenia poszczególnych materiałów.

Rys historyczny

Historia tworzyw sztucznych rozpoczęła się w XIX wieku od odkryć takich jak wulkanizacja kauczuku przez Goodyeara (1839) oraz wynalezienie celuloidu przez Parkesa (1862) i jego udoskonalenie przez Hyatta (1869) - pierwszego komercyjnego tworzywa sztucznego stosowanego jako zamiennik kości słoniowej.

Na przełomie wieków pojawił się galalit (1897) z kazeiny mlecznej oraz przełomowy bakelit (1907) - pierwszy w pełni syntetyczny polimer, który zrewolucjonizował produkcję sprzętu elektrycznego i części przemysłowych dzięki doskonałym właściwościom izolacyjnym.

Prawdziwy przełom nastąpił wraz z rozwojem nauki o polimerach i odkryciem materiałów takich jak polistyren, nylon (1935), polietylen (1933), poliuretan (1937) i teflon (1938). II wojna światowa przyspieszyła badania nad nowymi materiałami z powodu ograniczeń dostępu do surowców naturalnych.

Po wojnie nastąpił gwałtowny rozwój przemysłu tworzyw sztucznych z wprowadzeniem polipropylenu (1954), polietylenu wysokiej gęstości, poliwęglanu (1953) i poliestrów. Lata 60. przyniosły masową produkcję i konsumpcję produktów z tworzyw, które stały się symbolem nowoczesności.

Lata 70. i 80. XX wieku przyniosły optymalizację technologii produkcji, wprowadzenie tworzyw wysokotemperaturowych, mieszanek polimerowych i kompozytów. Przemysł samochodowy, lotniczy i elektroniczny zaczął masowo wykorzystywać tworzywa sztuczne.

Rosnąca od lat 90. XX wieku, świadomość ekologiczna doprowadziła do rozwoju tworzyw biodegradowalnych, technologii recyklingu i biopolimerów. Obecnie tworzywa sztuczne są nieodłącznym elementem każdej dziedziny życia, przy jednoczesnych badaniach nad ich zrównoważonym charakterem.

Polietylen (PE)

Polietylen został przypadkowo odkryty w 1933 roku w laboratorium Imperial Chemical Industries w Wielkiej Brytanii, gdy naukowcy badali reakcje etylenu pod wysokim ciśnieniem. Pierwszy LDPE wprowadzono na rynek w 1939 roku, natomiast HDPE opracowano w latach 50. XX wieku dzięki pracy Karla Zieglera i Giulio Natty (za co otrzymali Nagrodę Nobla w 1963 roku).

To najpowszechniej produkowane tworzywo sztuczne na świecie, występujące w kilku odmianach:

• HDPE (polietylen wysokiej gęstości) - relatywnie sztywny, wytrzymały materiał używany do produkcji pojemników, rur i zabawek
• LDPE (polietylen niskiej gęstości) - giętki, stosowany do produkcji folii i toreb

Właściwości:

• Doskonała odporność chemiczna
• Wodoodporność
• Dobra izolacja elektryczna
• Niska waga
• Relatywnie niska temperatura topnienia (105-135°C)
• Odporność na niskie temperatury

Ciekawostka: Pierwsze zastosowanie polietylenu było ściśle tajne - wykorzystano go jako materiał izolacyjny w radarach wojskowych podczas II wojny światowej, co znacząco zwiększyło zasięg radarów alianckich i przyczyniło się do przewagi w wojnie powietrznej.

Polipropylen (PP)

Polipropylen został opracowany w 1954 roku przez włoskiego chemika Giulio Nattę, pracującego dla firmy Montecatini. Wykorzystał on katalizatory Zieglera-Natty do produkcji pierwszego komercyjnego polipropylenu izotaktycznego. Materiał trafił na rynek w 1957 roku i szybko stał się popularny ze względu na wszechstronność i niski koszt.

Właściwości:

• Wysoka odporność na zmęczenie materiału
• Dobra odporność chemiczna i termiczna (wytrzymuje temperatury do 140°C)
• Wysoka wytrzymałość mechaniczna
• Niska nasiąkliwość
• Dobra przezroczystość w formie folii
• Łatwość barwienia

Ciekawostka: Polipropylen jest jedynym tworzywem standardowym o gęstości mniejszej niż 1 g/cm³, co oznacza, że unosi się na wodzie. Z tego powodu jest często wykorzystywany do produkcji lin i elementów pływających w sportach wodnych.

Polichlorek winylu (PVC)

PVC został przypadkowo odkryty dwukrotnie - w 1835 roku przez Henri Victora Regnaulta i w 1872 przez Eugena Baummanna. Jednak dopiero w 1926 roku Waldo Semon z B.F. Goodrich opracował sposób na uplastycznienie PVC, co otworzyło drogę do jego szerokiego zastosowania. Masowa produkcja rozpoczęła się w latach 40. XX wieku.

PVC występuje w dwóch podstawowych wersjach – sztywnej (nieplastyfikowanej) i miękkiej (z dodatkiem plastyfikatorów).

Właściwości:

• Wysoka odporność mechaniczna
• Odporność na czynniki atmosferyczne
• Samogasnący (trudnopalny)
• Dobra izolacja elektryczna
• Odporność na działanie kwasów, zasad i soli
• Doskonałe właściwości dźwiękochłonne

Ciekawostka: PVC jest jednym z nielicznych polimerów, które zawierają chlor, co sprawia, że samo w sobie jest trudnopalne i nie wymaga dodatków opóźniających palenie. To czyni go idealnym materiałem do zastosowań budowlanych, gdzie bezpieczeństwo pożarowe jest kluczowe.

Akrylonitryl-butadien-styren (ABS)

ABS został opracowany w późnych latach 40. XX wieku, a jego komercjalizacja nastąpiła w latach 50. Powstał jako odpowiedź na potrzebę stworzenia materiału łączącego sztywność polistyrenu z elastycznością kauczuku butadienowego. Dzięki swojej wytrzymałości i łatwości formowania, ABS szybko znalazł zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, elektronicznym i konsumenckim.

Właściwości:

• Wysoka odporność na uderzenia
• Dobra stabilność wymiarowa
• Wysoka sztywność
• Odporność na ścieranie
• Łatwość obróbki i łączenia
• Atrakcyjny wygląd powierzchni
• Możliwość galwanizacji i metalizacji

Ciekawostka: ABS jest podstawowym materiałem stosowanym w drukarkach 3D wykorzystujących technologię FDM (Fused Deposition Modeling). Jego popularność w tej dziedzinie wynika z łatwości drukowania, dobrej adhezji między warstwami i stosunkowo niskiej temperatury przetwórstwa.

Polimetakrylan metylu (PMMA, pleksi)

PMMA został opracowany w 1928 roku przez Otto Röhma i Otto Hassela. W 1933 roku firma Röhm and Haas wprowadziła ten materiał na rynek pod nazwą Plexiglas. Podczas II wojny światowej PMMA znalazł szerokie zastosowanie w produkcji kopuł i osłon do samolotów wojskowych, co znacząco przyspieszyło jego rozwój.

Właściwości:

• Doskonała przezroczystość (do 92% przepuszczalności światła)
• Odporność na zarysowania
• Lekkość (połowa masy szkła)
• Łatwość formowania
• Odporność na warunki atmosferyczne
• Możliwość polerowania

Ciekawostka: PMMA jest jedynym z niewielu tworzyw sztucznych, które może przewodzić światło na odległość kilku metrów z minimalną utratą intensywności, co pozwala na jego zastosowanie jako światłowód do specjalnych zastosowań, np. w elementach dekoracyjnych i oświetleniu ambientowym.

Poliwęglan (PC)

Poliwęglan został odkryty w 1953 roku, niezależnie przez dr. Hermanna Schmelinga z firmy Bayer w Niemczech oraz dr. Daniela Foxa z General Electric w USA. Obie firmy rozpoczęły produkcję komercyjną w 1958 roku. PC szybko zyskał popularność dzięki wyjątkowym właściwościom mechanicznym i optycznym.

Właściwości:

• Wyjątkowa przezroczystość
• Wysoka udarność
• Termoodporność
• Samogasnący
• Odporność na promieniowanie UV (w wersjach stabilizowanych)
• Lekkość przy wysokiej wytrzymałości

Ciekawostka: Poliwęglan jest tak wytrzymały, że jest używany do produkcji szyb kuloodpornych i tarcz policyjnych. Ma wytrzymałość na uderzenie 250 razy większą niż szkło tej samej grubości i 30 razy większą niż szkło akrylowe (PMMA).

Popularne blendy materiałów polimerowych

Blendy polimerowe (mieszanki tworzyw) pozwalają na uzyskanie unikalnych kombinacji właściwości, które byłyby niemożliwe do osiągnięcia przy użyciu pojedynczych polimerów. Wśród najpopularniejszych blendów przemysłowych szczególne miejsce zajmują mieszanki na bazie poliwęglanu (PC).

PC/ABS

PC/ABS to mieszanka poliwęglanu (PC) i akrylonitrylo-butadieno-styrenu (ABS), stworzona po raz pierwszy na skalę komercyjną w latach 80. XX wieku przez firmę GE Plastics (obecnie SABIC).

Właściwości:

• Doskonały balans między wytrzymałością termiczną PC a łatwością przetwórstwa ABS
• Wysoka odporność na uderzenia
• Dobra stabilność wymiarowa
• Możliwość łatwego lakierowania i metalizacji
• Lepsza odporność na działanie niskich temperatur niż czysty PC
• Niższy koszt niż czysty poliwęglan przy zachowaniu większości jego zalet

Ciekawostka: PC/ABS jest materiałem szeroko stosowanym w przemyśle motoryzacyjnym do produkcji elementów deski rozdzielczej, konsol środkowych i obudów lusterek. Znajduje również zastosowanie w elektronice konsumenckiej, gdzie zastąpił ABS w produkcji bardziej wymagających elementów.

PC/ASA

PC/ASA to blend poliwęglanu (PC) z akrylonitrylo-styrenem-akrylanem (ASA), opracowany jako alternatywa dla PC/ABS w zastosowaniach zewnętrznych narażonych na działanie warunków atmosferycznych.

Właściwości:

• Wyjątkowa odporność na promieniowanie UV
• Stabilność koloru podczas długotrwałej ekspozycji na zewnątrz
• Wysoka udarność
• Dobra odporność chemiczna
• Zachowanie właściwości mechanicznych w szerokim zakresie temperatur
• Estetyczna powierzchnia o wysokim połysku

Ciekawostka: PC/ASA znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest wytrzymałość poliwęglanu w połączeniu z odpornością na warunki atmosferyczne - w elementach zewnętrznych pojazdów, obudowach urządzeń zewnętrznych oraz architekturze. Jego popularność rośnie w miarę jak producenci poszukują trwałych materiałów do zastosowań outdoor o długim cyklu życia.

Porównanie właściwości najpopularniejszych tworzyw sztucznych

* W zależności od dodatków stabilizujących

Podsumowanie

Wybór odpowiedniego tworzywa sztucznego do konkretnego zastosowania zależy od wielu czynników: wymaganych właściwości mechanicznych, odporności chemicznej, warunków użytkowania czy aspektów ekonomicznych. Jak widać z powyższej tabeli, poszczególne materiały znacząco różnią się pod względem właściwości fizycznych, co determinuje ich zastosowanie.

W PRIMO oferujemy fachowe doradztwo w zakresie doboru optymalnego tworzywa do konkretnych zastosowań. Nasze wieloletnie doświadczenie w przetwórstwie tworzyw sztucznych pozwala nam na precyzyjne dopasowanie materiału do wymagań technicznych i ekonomicznych klienta.

Każde tworzywo sztuczne ma swoje unikalne zalety i ograniczenia - od lekkiego polipropylenu z doskonałymi właściwościami izolacyjnymi, przez wytrzymały ABS, po odporny na promieniowanie UV polimetakrylan metylu. Dzięki tej różnorodności możemy oferować rozwiązania idealnie dopasowane do potrzeb różnorodnych sektorów przemysłu.