Tworzywa termoplastyczne

Tworzywa termoplastyczne (termoplasty) to tworzywa polimerowe, które po ogrzaniu przechodzą w stan uplastyczniony lub stopiony, mogą być formowane pod wpływem temperatury i ciśnienia, a po ochłodzeniu ponownie twardnieją. Ta odwracalność uplastyczniania jest podstawową cechą odróżniającą je od tworzyw trwale usieciowanych, które po utwardzeniu nie mogą być ponownie stopione i uformowane w typowym cyklu przetwórczym.

Termoplastyczny charakter materiału umożliwia zarówno przetwarzanie pierwotnego granulatu, jak i - w wielu przypadkach - ponowne użycie przemiału lub recyklatu. W recyklingu mechanicznym odpady są zwykle zbierane, sortowane, rozdrabniane, uplastyczniane, filtrowane lub granulowane i zawracane do produkcji bez zasadniczej zmiany budowy chemicznej polimeru. Jakość recyklatu zależy jednak od czystości strumienia, historii cieplno-mechanicznej materiału, zanieczyszczeń, dodatków i mieszania różnych polimerów.

Przetwórstwo

Termoplasty są podstawową grupą materiałów przetwarzanych metodami opartymi na uplastycznieniu tworzywa. Do najważniejszych technologii należą:

• formowanie wtryskowe - cykliczne uplastycznianie materiału, wtrysk stopu do formy, chłodzenie i usuwanie wypraski;
• wytłaczanie - ciągłe uplastycznianie w wytłaczarce i formowanie przez ustnik głowicy, stosowane m.in. do rur, profili, płyt, taśm, folii, izolacji przewodów, granulatu i regranulatu;
• wytłaczanie z rozdmuchem - wytwarzanie wyrobów pustych, np. butelek, kanistrów i pojemników;
• termoformowanie - kształtowanie ogrzanych arkuszy lub folii, szczególnie w opakowaniach;
• formowanie rotacyjne - produkcja wyrobów pustych, często wielkogabarytowych, np. zbiorników;
• spienianie termoplastów - wytwarzanie struktury komórkowej z użyciem poroforów chemicznych lub fizycznych, m.in. w procesie wytłaczania albo wtrysku.

Dobór technologii zależy od rodzaju polimeru, lepkości stopu, krystaliczności lub amorficzności, zakresu temperatur przetwórstwa, wrażliwości na wilgoć i degradację, dodatków, wymaganych właściwości oraz geometrii wyrobu. Nie każdy termoplast nadaje się w równym stopniu do każdej metody.

Przykłady tworzyw termoplastycznych

Do szeroko stosowanych termoplastów należą m.in.:

• polietylen (PE) - poliolefina występująca w odmianach LDPE, LLDPE, HDPE, MDPE i PE-UHMW; stosowana m.in. na folie, opakowania rozdmuchiwane, rury, izolacje przewodów, geomembrany, zbiorniki i wyroby techniczne;
• polipropylen (PP) - jedna z najważniejszych poliolefin, używana m.in. w opakowaniach, foliach BOPP i cast, włóknach, taśmach, motoryzacji, AGD, budownictwie i wyrobach medycznych;
• polichlorek winylu (PVC, PCW, PCV) - tworzywo masowe przetwarzane zwykle jako kompozycja z dodatkami; występuje jako PVC-U, czyli twardy nieplastyfikowany PVC, oraz PVC-P, czyli PVC plastyfikowany i elastyczny;
• polistyren (PS) i materiały polistyrenowe - GPPS, HIPS, EPS i XPS; stosowane m.in. w opakowaniach, wyrobach użytkowych, elementach AGD, zabawkach, płytach, profilach oraz izolacji cieplnej;
• poli(tereftalan etylenu) (PET) - termoplastyczny poliester wykorzystywany w butelkach, preformach, foliach i arkuszach do termoformowania, włóknach, wyrobach tekstylnych i elementach technicznych;
• akrylonitryl-butadien-styren (ABS) - amorficzne tworzywo termoplastyczne z grupy kopolimerów styrenowych, stosowane m.in. w motoryzacji, AGD, elektronice, zabawkach i obudowach;
• poliwęglan (PC) - przezroczyste amorficzne tworzywo konstrukcyjne o dużej udarności, używane m.in. w oszkleniach technicznych, elektronice, optyce, motoryzacji, wyrobach ochronnych i sprzęcie medycznym;
• poliamidy (PA), PBT, PEEK, PAEK i inne termoplasty techniczne lub wysokotemperaturowe, stosowane tam, gdzie wymagane są podwyższone parametry mechaniczne, cieplne, chemiczne lub elektryczne;
• elastomery termoplastyczne (TPE), które łączą przetwarzalność termoplastów z elastycznością zbliżoną do gumy.

Właściwości i modyfikowanie

Termoplasty obejmują bardzo zróżnicowane materiały: od tworzyw masowych, takich jak PE, PP, PVC, PS i PET, po tworzywa konstrukcyjne i specjalne. Mogą być amorficzne, jak ABS, PS lub PC, albo częściowo krystaliczne, jak PE, PP, PET, PBT czy wiele poliamidów. Różnice w budowie wpływają na przezroczystość, skurcz, stabilność wymiarową, odporność cieplną, odporność chemiczną, sztywność, udarność i sposób przetwarzania.

Właściwości termoplastów można zmieniać przez dobór gatunku, kopolimeryzację, blendowanie, napełnianie, zbrojenie włóknami, barwienie, stabilizację, plastyfikowanie, spienianie i modyfikację dodatkami. Przykładowo PVC uzyskuje właściwości użytkowe dopiero jako odpowiednio przygotowana kompozycja, ABS jest modyfikowany pod kątem udarności i jakości powierzchni, a poliwęglan często występuje w mieszankach PC/ABS, PC/PBT lub PC/PET.

Zastosowania

Z termoplastów wytwarza się m.in. opakowania, butelki, folie, tacki, kubki, rury, profile, płyty, elementy AGD, zabawki, obudowy elektroniki, izolacje kabli, elementy elektrotechniczne, wyroby medyczne, detale techniczne, części samochodowe, materiały termoizolacyjne i wyroby konsumpcyjne. W zastosowaniach technicznych termoplasty mogą zastępować metale, szkło, ceramikę lub drewno, zwłaszcza gdy ważne są mała masa, odporność korozyjna, łatwość formowania albo możliwość integracji funkcji w jednym detalu.

Osobną grupę stanowią kompozyty termoplastyczne, w tym materiały wzmacniane włóknami szklanymi lub węglowymi. Dzięki połączeniu matrycy termoplastycznej ze zbrojeniem mogą one osiągać wysoką sztywność i wytrzymałość przy niskiej masie, a rozwój matryc termoplastycznych jest istotny m.in. dla lekkich konstrukcji i recyklingu kompozytów.

Recykling i ograniczenia

Możliwość ponownego uplastycznienia jest jedną z najważniejszych zalet termoplastów z punktu widzenia recyklingu. Dotyczy to m.in. PE, PP, PET, PS, ABS, PVC i PC, jeżeli dostępny jest odpowiednio czysty i rozpoznany strumień odpadowy. W praktyce kolejne cykle przetwórcze mogą jednak obniżać właściwości materiału, a przeszkodą bywają zanieczyszczenia, niekompatybilne polimery, dodatki, barwniki, etykiety, kleje oraz wymagania dotyczące kontaktu z żywnością lub zastosowań technicznych.

Oprócz recyklingu mechanicznego rozwijany jest recykling chemiczny wybranych termoplastów, np. PET, PS lub PC. W takim podejściu polimer jest rozkładany do związków niskocząsteczkowych, monomerów lub innych surowców chemicznych, które mogą zostać ponownie wykorzystane w produkcji materiałów.

Termoplasty a duroplasty

Najważniejsza różnica między termoplastami a duroplastami polega na charakterze struktury polimeru po uformowaniu. Termoplasty nie tworzą w typowym cyklu przetwórczym trwałej, nieodwracalnej sieci chemicznej, dlatego po ogrzaniu mogą ponownie przechodzić w stan umożliwiający formowanie. Duroplasty natomiast po utwardzeniu są usieciowane przestrzennie; przy nadmiernym ogrzewaniu nie topią się jak termoplasty, lecz ulegają degradacji. Różnica ta decyduje o doborze technologii przetwórstwa, możliwościach naprawy, recyklingu i projektowania wyrobów.