Τεχνολογία Πολυμερών

Αφορμή για την έκδοση του βιβλίου αυτού, υπήρξε η δεκαπενταετής και πλέον λειτουργία του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών με τίτλο «Χημεία και Τεχνολογία Πολυμερών» στο Τμήμα Χημείας του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, στο οποίο συμμετέχουν οι συγγραφείς. Οι ίδιοι συγγραφείς, ακόμη συμμετείχαν εθελοντικά και στο Διατμηματικό Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών του Α.Π.Θ. με τίτλο «Διεργασίες και Τεχνολογία Προηγμένων Υλικών» από το 1998 μέχρι σήμερα. Ύστερα από τόσα χρόνια προπτυχιακής και μεταπτυχιακής διδασκαλίας, αλλά και ταυτόχρονης έρευνας πάνω στο επιστημονικό πεδίο αυτό, οι συγγραφείς έχουν πλέον ξεκαθαρίσει τα θέματα που αφορούν στην ύλη που θα έπρεπε να συμπεριληφθεί, σε ένα τέτοιο εγχειρίδιο. Έτσι, Θέλω να πιστεύω, ότι το βιβλίο αυτό θα αποτελέσει ένα πολύτιμο βοήθημα για τους φοιτητές μας και τους συναδέλφους Xημικούς, Xημικούς Mηχανικούς, Φυσικούς, Μηχανολόγους Μηχανικούς, Μηχανικούς Υλικών, Τεχνολόγους και γενικότερα για όλους όσους έχουν κάποια ιδιαίτερη σχέση με το κόσμο των πολυμερικών υλικών.

Το βιβλίο αποτελείται από πέντε κύριες ενότητες (κεφάλαια):
• Διεργασίες παραγωγής πολυμερών
• Τάξεις πολυμερών με βάση την εφαρμογή
• Πρόσθετα πολυμερών
• Μορφοποίηση πολυμερών
• Πεδία τεχνολογικών εφαρμογών των πολυμερών

Στο πρώτο κεφάλαιο ο αναγνώστης μπορεί να βρει αρκετές λεπτομέρειες γύρω από τις διεργασίες της βιομηχανικής παραγωγής των πολυμερών.
Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα σημαντικότερα πολυμερή, στο βαθμό που επιτρέπει η έκταση ενός διδακτικού βιβλίου, διακρινόμενα αρχικά ως πλαστικά και ελαστομερή, αλλά και στη συνέχεια με βάση την τεχνολογική εφαρμογή τους, ως ίνες, επιχρίσματα και κόλλες.
Στο τρίτο κεφάλαιο έγινε μία λεπτομερής παρουσίαση των διαφόρων προσθέτων που ενδημούν σχεδόν πάντοτε στην πολυμερική μάζα και καταβλήθηκε προσπάθεια να εξηγηθεί με αυστηρά επιστημονικό τρόπο η βελτιωτική τους δράση στο τελικό προϊόν.
Στο τέταρτο κεφάλαιο επιχειρείται η παρουσίαση όλων των τεχνικών μορφοποίησης των πολυμερικών υλικών κατά τρόπο απλό και κατανοητό.

Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο συμπεριλήφθηκαν ορισμένα θέματα τεχνολογικών εφαρμογών των πολυμερών όπως:
• Μίγματα πολυμερών
• Σύνθετα και νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά
• Πολυμερικά σκυροδέματα
• Βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή
• Ανακύκλωση πολυμερών

Είναι γεγονός, ότι πολλοί ερευνητές αντί να προσπαθούν να δημιουργήσουν νέα πολυμερή στο εργαστήριο, ασχολούνται με τη δημιουργία νέων πολυμερικών υλικών από την ανάμιξη των ήδη γνωστών. Η προσπάθεια δεν είναι εύκολη, αφού τα πολυμερή δεν αναμιγνύονται μεταξύ τους, αλλά ορισμένες φορές το πετυχαίνουν, οπότε λαμβάνονται τα πολυμερικά κράματα ή μίγματα.
Τα σύνθετα υλικά με τις εντυπωσιακές τους ιδιότητες αποτελούσαν πάντα μία πρόκληση στον σχεδιαστή Μηχανικό, πόσο μάλλον σήμερα που εισέβαλαν στην αρένα και τα νανοσύνθετα υλικά με τα πολλαπλά πλεονεκτήματά τους.
Τα βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή αποτελούν πλέον μία αδήριτη ανάγκη για διάφορα αντικείμενα όχι μεγάλου όγκου παραγωγής, μικροσκοπικά εξαρτήματα καθώς επίσης και συσκευασίες μιας χρήσης, που είναι ασύμφορη η ανακύκλωσή τους.
Τα πολυμερικά σκυροδέματα, μία τεχνολογία που ολοένα και περισσότερο μπαίνει στη ζωή μας, αφού το παραδοσιακό τσιμέντο τύπου-Portland αδυνατεί πολλές φορές να ικανοποιήσει τις ανάγκες της σύγχρονης τεχνολογίας.
Τέλος ένα τέτοιο βιβλίο που ο αναγνώστης κρατάει στα χέρια του, πώς θα μπορούσε να ολοκληρώσει τον προορισμό του; Φυσικά με ένα κεφάλαιο αφιερωμένο στην ανακύκλωση όλων αυτών των πολυμερικών υλικών, αφού μετά την παραγωγή τους, την μορφοποίησή τους σε διάφορα χρήσιμα προϊόντα και την χρησιμοποίησή τους δεν θα πρέπει με κανένα τρόπο να απορρίπτονται στο περιβάλλον, αλλά να επιστρέφουν από εκεί που ξεκίνησαν με κάθε τίμημα.

Περιεχόμενα

Μέρος 1: Διεργασίες Παραγωγής Πολυμερών

• • Προβλήματα στο σχεδιασμό αντιδραστήρων πολυμερισμού
  • Τύποι αντιδραστήρων πολυμερισμού

Αντιδραστήρας ασυνεχούς λειτουργίας

Αντιδραστήρας ημι-συνεχούς λειτουργίας

Αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας αναδευόμενου δοχείου

Αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας με εμβολική ροή

• Τεχνικές διεξαγωγής αντιδράσεων πολυμερισμού

Διεργασίες σταδιακού πολυμερισμού

Παραγωγή πολυαμιδίων

Παραγωγή πολυεστέρων

Παραγωγή ρητινών με βάση τη φορμαλδεΰδη

Διεργασίες Αλυσιδωτού πολυμερισμού

Ομογενείς αντιδράσεις πολυμερισμού

Ετερογενείς αντιδράσεις πολυμερισμού

Μέρος 2: Τάξεις πολυμερών με βάση την εφαρμογή

1. ΠλαστικάΘερμοπλαστικάΠολυολεφίνεςΑλογονούχα βινυλοπολυμερή

   Πολυμερή στυρενίου

   Βινυλοπολυμερή με πολικές πλευρικές ομάδες

   Θερμοπλαστικοί πολυεστέρες (thermoplastic polyesters)

   Πολυαμίδια (polyamides, PA)

   Πολυαιθέρες (polyethers)

   Πολυσουλφόνες (polysulphones)

   Θερμοπλαστικά πολυιμίδια (thermoplastic polyimides)

   Εστέρες κυτταρίνης (Cellulose esters)

   Θερμοσκληραινόμενα πολυμερή (thermosetting polymers)Δικτυωμένοι πολυεστέρες (crosslinked polyesters, UP)

   Πολυουρεθάνες (polyurethanes PUR)

   Εποξειδικές ρητίνες (epoxy resins)

   Pητίνες φορμαλδεΰδης (Formaldehyde resins)

   Αλλυλικές ρητίνες (allyl resins)

   Δις-μηλεϊνιμίδια (Bis-maleimides, BMI)

   Θερμοσκληραινόμενες πολυμεθακρυλικές ρητίνες (thermosetting polymethacrylates)

2. ΕλαστομερήΕισαγωγήΦυσικό ελαστικόΣυνθετικό ελαστικόEλαστικά στυρενίου/βουταδιενίουEλαστικά βουταδιενίουΒουτυλικό ελαστικό ή ελαστικό ισοβουτενίου/ισοπρενίουΕλαστικά αιθυλενίου/προπυλενίουΕλαστικά χλωροπρενίουΦθοροελαστομερήΕλαστικά ακρυλονιτριλίου/βουταδιενίουΠολυσουλφιδικά ελαστικάΣιλικονούχα ελαστικάΠολυφωσφαζένιαΑκρυλικά ελαστομερήΘερμοπλαστικά ελαστομερήΒιοελαστομερήΕλαστικοί τροχοί αυτοκινήτων
3. Υφάνσιμες και βιομηχανικές ίνεςΕισαγωγήΓενικές ιδιότητες των ινώνΦυσικές ίνεςΜαλλίΒαμβάκι

   Μετάξι

   Τεχνητές ίνεςΠαραγωγή τεχνητών ινών

   Ινοποίηση από τήγμα

   Ινοποίηση από διάλυμα

   Τροποποιημένα φυσικά πολυμερήΡαιγιόν βισκόζης

   Οξικοί εστέρες της κυτταρίνης

   Συνθετικές ίνεςΠολυαμιδικές ίνες (Νάιλον)

   Πολυεστερικές ίνες

   Πολυακρυλικές ίνες

   Διάφορες άλλες ίνεςΠολυολεφινικές ίνες

   Πολυουρεθανικές ίνες (Spandex)

   Οπτικές ίνες

   Ίνες άνθρακα

   Ίνες υψηλού μέτρου ελαστικότητας

4. ΕπιχρίσματαΕισαγωγήΣύσταση του επιχρίσματοςΔημιουργία του φίλμKατάταξη των επιχρισμάτων με βάση το χρησιμοποιούμενο διαλύτηΕπιχρίσματα με οργανικό διαλύτηEπιχρίσματα με βάση το νερό (χωρίς οργανικό διαλύτη)

   Κατάταξη των επιχρισμάτων με βάση τη χημική δομή του συνδετικού μέσουΕπιχρίσματα με βάση το λινέλαιο (ελαιοχρώματα-λαδομπογιές)

   Αλκυδικά επιχρίσματα (βερνικοχρώματα)

   Επιχρίσματα δύο συστατικών

   Κατάταξη των επιχρισμάτων με βάση το υπόστρωμα στο οποίο εφαρμόζονταιΕπιχρίσματα μετάλλων

   Επιχρίσματα ξύλου και των προϊόντων του

   Επιχρίσματα κτηρίων

   Eπιχρίσματα του μέλλοντος

5. ΚόλλεςΕισαγωγήΘεωρία της κόλλησηςΥδατοδιαλυτές κόλλεςΠαράγωγα της κυτταρίνηςΑμυλο και παράγωγά του

   Αλλοι πολυζαχαρίτες

   Ζωϊκές κόλλες

   Συνθετικές ρητίνες UF, PF, RF, MF και PVA

   Οργανοδιαλυτές κόλλεςΚόλλες επαφής

   Πιεζοευαίσθητες κόλλες

   Θερμοσταθερές κόλλες

   Κόλλες χωρίς διαλύτηΘερμοπλαστικές κόλλες

   Κυανοακρυλικές κόλλες

   Αναεροβικές κόλλες

   Σιλικονούχες κόλλες

   Πολυσουλφιδικές κόλλες

   Κόλλες δύο συστατικών

   Ειδικές κόλλεςΟδοντιατρικές κόλλες

   Σύνθετες κόλλες

   Κόλλες χυτηρίων

   Κόλλες μετάλλων

   Υποβρύχιες κόλλες

Μέρος 3: Πρόσθετα Πολυμερών

1. Αντιστατικά πρόσθετα
2. Διογκωτικά μέσαΧημικά διογκωτικά μέσαΕξώθερμα χημικά διογκωτικά μέσαΕνδόθερμα χημικά διογκωτικά μέσα

   Φυσικά διογκωτικά μέσαΑτμοσφαιρικά αέρια διόγκωσης

   Πτητικά υγρά

   Βοηθητικά των διογκωτικών μέσωνΔιαδικασία παραγωγής αφρωδών πολυμερώνΧαρακτηριστικά κυψελίδαςΑφροί υψηλής πυκνότητας

   Αφροί χαμηλής πυκνότητας

   Μηχανικές ιδιότητεςΘερμική αγωγιμότητα

3. Ενισχυτικά μέσαEισαγωγήΕπιλογή ινών ως ενισχυτικών προσθέτωνΑνόργανες ίνεςΥαλοΐνεςΊνες άνθρακα

   Αμίαντος

   Μεταλλικές ίνες

   Κεραμικές και άλλες πυρίμαχες ίνες

   Ηλεκτροαγώγιμες ίνες

   Oργανικές ίνεςΠολυπροπυλενικές ίνες

   Πολυαιθυλενικές ίνες

   Ίνες πολυ(βινυλικής αλκοόλης)

   Αραμιδικές ίνες

4. Επιβραδυντές καύσηςEισαγωγήΑλογονούχες οργανικές ενώσειςΕνώσεις φωσφόρουΈνυδρα άλατα και οξείδιαΑλογονούχες ενώσεις αντιμονίουΜειωτές καπνού
5. ΠλαστικοποιητέςEισαγωγήΚυριότεροι σύγχρονοι πλαστικοποιητέςΦθαλικοί εστέρεςΦωσφορικοί εστέρες

   Εστέρες του αδιπικού, αζελαϊκού και σεβακικού οξέος

   Τριμελλιτικοί εστέρες

   Βενζοϊκοί εστέρες

   Σουλφονικοί εστέρες και σουλφοναμίδια

   Πολυεστέρες (πολυμερικοί πλαστικοποιητές)

   Κιτρικοί εστέρες

   Μηχανισμός δράσης πλαστικοποιητώνΣυμβατότητα πλαστικοποιητώνΤοξικότητα πλαστικοποιητώνΜελλοντικές προοπτικές της βιομηχανίας πλαστικοποιητών

6. Πληρωτικά μέσαΦυσικά πληρωτικά υλικάΑνθρακικό ασβέστιο και δολομίτηςΚαολίνης

   Τάλκης

   Μίκα

   Βολλαστονίτης

   Συνθετικά πληρωτικά μέσαΣυνθετικό ανθρακικό ασβέστιο

   Αιθάλη

   Οξείδια του πυριτίου

   Σφαιρίδια γυαλιού

7. Σκληρυντικά μέσαEισαγωγήΣκληρυντέςΔικτύωση ακόρεστων πολυεστερικών ρητινώνΔικτύωση εποξειδικών ρητινώνΔικτύωση σιλικονών
8. ΣταθεροποιητέςΑντιοξειδωτικάΜηχανισμός αυτοξείδωσης πολυμερούςΚατηγορίες αντιοξειδωτικών και μηχανισμός δράσης

   Επιλογή αντιοξειδωτικών

   Aπορροφητές υπεριώδους ακτινοβολίαςΜηχανισμός της φωτοξείδωσης

   Μηχανισμός φωτοσταθεροποίησης

   Φωτοσταθεροπoιητές

   Θερμoοξειδωτική σταθεροποίησηΜηχανισμός διάσπασης αλογονούχων βινυλοπολυμερών

   Θερμική σταθεροποίηση του PVC

9. Συνδετικά μέσαEισαγωγήΟργανοσιλάνια
10. Βελτιωτικά αντοχής στην κρούσηΕισαγωγήΙδιότητες των βελτιωτικών αντοχής στην κρούσηΕίδη βελτιωτικών αντοχής στην κρούσηΓραμμικά ή διασταυρωμένα ελαστομερήΒελτιωτικά αντοχής στην κρούση πυρήνα-κελύφους (core-shell impact)

    Μηχανισμοί ενίσχυσης της αντοχής στην κρούσηΜηχανισμός δημιουργίας μικρορωγμών (Crazing)

    Μηχανισμός ανάπτυξης διατμητικών ζωνών (Shear bands)

    Eφαρμογές

11. Χρωστικές

Μέρος 4: Μορφοποίηση Πολυμερών

• • Ιξωδοελαστική συμπεριφορά

Eισαγωγή

Μηχανικά πρότυπα της ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς

Ιξωδοελαστική συμπεριφορά των πολυμερών

Τυπικά διαγράμματα ερπυσμού και τάσης-ανηγμένης επιμήκυνσης πολυμερών

• Εξώθηση

Εισαγωγή

Μηχανές εξώθησης

Μονοκόχλιοι εκβολείς

Διπλοκόχλιοι εκβολείς

Εκβολείς τύπου εμβόλου (ram extruders)

Παραγωγή προϊόντων με εξώθηση

Παραγωγή πλαστικών σωλήνων

Παραγωγή αφρωδών πλαστικών με την τεχνική της εξώθησης τήγματος

Παραγωγή φιλμ με την τεχνική της εξώθησης

Συνεξώθηση τήγματος

• Έγχυση

Εισαγωγή

Μηχανές έγχυσης

Χαρακτηριστικά μορφοποίησης με μηχανές παλινδρομούντος κοχλία

Κύρια τμήματα μηχανών έγχυσης

Τυπικός κύκλος μορφοποίησης

• Μορφοποίηση με εμφύσηση

Εισαγωγή

Μορφοποίηση με εξώθηση και εμφύσηση

Μορφοποίηση με έγχυση και εμφύσηση

Μορφοποίηση με έγχυση, τέντωμα και εμφύσηση

Παραγωγή φιαλών σε ένα στάδιο

Παραγωγή φιαλών σε δύο στάδια

Παραγωγή φιαλών από πολυ(τερεφθαλικό αιθυλενεστέρα) (ΡΕΤ)

• Θερμομορφοποίηση

Εισαγωγή

Αρχή θερμομορφοποίησης

Η διαδικασία θερμομορφοποίησης

Μορφοποίηση με εφαρμογή κενού

Μορφοποίηση με εφαρμογή πίεσης

Μορφοποίηση με χρήση εμβόλου

Μορφοποίηση με αντιστοίχηση

Μορφοποίηση με μηχανικό τράβηγμα

Μορφοποίηση διπλών ή δίδυμων φύλλων

Ψύξη και απελευθέρωση

• Μορφοποίηση με εξώθηση και συνεχή έλξη

Εισαγωγή

Προϊόντα

Διαδικασία

Διαθέσιμες ρητίνες

• Περιστροφική μορφοποίηση

Εισαγωγή

Διαδικασία

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Aρχή λειτουργίας

Βιομηχανικός εξοπλισμός περιστροφικής μορφοποίησης

Μηχανές περιστρεφόμενων βραχιόνων τύπου Carousel

Μηχανές λικνιζόμενου και περιστρεφόμενου τυμπάνου (Rock-and-Roll Machines)

Μηχανές τύπου καμπίνας

Φόρμες

Θέρμανση

Σύστημα εξαερισμού

Ψύξη και απομάκρυνση του τελικού προϊόντος

Μέρος 5: Πεδία Τεχνολογικών Εφαρμογών

• • Μίγματα Πολυμερών

Eισαγωγή

Μέθοδοι παρασκευής μιγμάτων

Ανάμιξη τήγματος

Συνδιάλυση σε κοινό διαλύτη

Είδη πολυμερικών μιγμάτων

Πλήρως αναμίξιμα πολυμερή

Μερικώς αναμίξιμα πολυμερή

Μη αναμίξιμα μίγματα

Θερμοδυναμική θεώρηση της αναμιξιμότητας

Ανώτατη και κατώτατη θερμοκρασία ανάμιξης δύο πολυμερών

• Σύνθετα και νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά

Εισαγωγή

Παραγωγή των σύνθετων πολυμερικών υλικών

Ενίσχυση με ινώδη ενισχυτικά μέσα

Ενίσχυση με φυλλώδη ενισχυτικά μέσα

Ενίσχυση με κοκκώδη ενισχυτικά μέσα

Ιδιότητες των σύνθετων πολυμερικών υλικών

Εφαρμογές

Νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά

Προοπτικές της Νανοτεχνολογίας

• Εφαρμογές των πολυμερών στην τεχνολογία του σκυροδέματος

Eισαγωγή

Σκυρόδεμα με πολυμερή και τσιμέντο Portland (PPCC)

Τεχνολογία σκυροδέματος PPCC

Ιδιότητες και εφαρμογές σκυροδέματος PPCC και ασβεστοκονιάματος με πολυμερές

Σκυρόδεμα εμποτισμένο με πολυμερές (PIC)

Τεχνολογία σκυροδέματος PIC

Ιδιότητες και εφαρμογές του σκυροδέματος PIC

Σκυρόδεμα με πολυμερές (PC)

Τεχνολογία σκυροδέματος PC

Αλληλεπιδράσεις μεταξύ πολυμερούς και αδρανών συστατικών

Ιδιότητες και εφαρμογές του σκυροδέματος PC

• Βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή

Εισαγωγή

Μηχανισμοί αποικοδόμησης των πολυμερών

Μη-βιολογική αποικοδόμηση πολυμερών

Βιολογική αποικοδόμηση πολυμερών

Παράγοντες που επηρεάζουν τη βιοαποικοδόμηση

Βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή

Φυσικά πολυμερή

Συνθετικά παραγόμενα βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή

Χρήσεις των βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών

• Ανακύκλωση Πολυμερών

Εισαγωγή

Η κατάσταση σήμερα στην Ελλάδα και τον κόσμο

Αναγκαιότητα της ανακύκλωσης των πλαστικών

Προβλήματα στην ανακύκλωση των πολυμερών

Iεραρχική ταξινόμηση στη διαχείριση των απορριμμάτων και κωδικοποίηση ανακυκλώσιμων πλαστικών

Μέθοδοι Ανακύκλωσης Πολυμερών

Πρωτογενής ανακύκλωση

Μηχανική ή δευτερογενής ανακύκλωση

Συλλογή πλαστικών απορριμμάτων

Μείωση μεγέθους – Τεμαχισμός

Κοσκίνισμα

Διαλογή (Sorting)

Συμπίεση

Μέθοδος διαλυτοποίησης – επανακαταβύθισης

Τήξη και επαναμορφοποίηση

Διαχωρισμός με βάση το σημείο ρευστοποίησης

Παράδειγμα Μηχανικής ανακύκλωσης – Ανακύκλωση PVC

Χημική ανακύκλωση ή ανάκτηση πρώτων υλών (Τριτογενής ανακύκλωση)

Χημική ανακύκλωση του ΡΕΤ

Θερμοχημική ανακύκλωση των πολυμερών

Ανακύκλωση πολυολεφινών με πυρόλυση

Καύση – Ανάκτηση ενέργειας

Παραρτήματα

1. Θερμοκρασίες υαλώδους μετάβασης και τήξης
2. Aκρωνύμια στη Χημεία και Τεχνολογία των Πολυμερών
3. Eμπορικές ονομασίες των κυριότερων πολυμερικών προϊόντων
4. Πίνακας αναμιξιμότητας διαλυτών
5. Διαλύτες και μη διαλύτες των κυριοτέρων πολυμερών συμπύκνωσης
6. Διαλύτες και μη διαλύτες των κυριοτέρων πολυμερών προσθήκης
7. Υλικά και οι αντίστοιχες κόλλες τους
8. Κόλλες και πεδία εφαρμογής τους
9. Δισφαινόλες
10. Κώδικες ανακύκλωσης πλαστικών

Bιβλιογραφία
Eυρετήριο όρων
Eυρετήριο ξενόγλωσσων όρων