Onarrzko kontzeptuak OINARRIZKO KONTZEPTUAK Makromolekulak, polmeroak eta monomeroak Zuntzak, plastkoak, kautxuak eta elastomeroak makromolekulaz osaturk daude. Makromolekulak ohzko molekulak, hau da, bentzenoa (C 6 H 6 ), metanola (CH 3 -OH) eta abar bano askoz ere handagoak dra. Makromolekula kate luze bat bano ez da, mlaka aldz errepkatzen den untate snple baten bdez osaturko kate luze bat; adbdez, polbnl kloruroak (PVC) honako egtura hau dauka (n zenbakak zenbat aldz errepkatzen den aderazten du): -(CH 2 -CHCl)n-. Horregatk detzen dra polmeroak: grekoz pol = asko eta meros = zat. Polmeroak sntetzatzeko erabltzen dren untate molekularrak monomeroak dra. Psu molekular txka dute, eta erreakzona dezaketen substantzak dra. Aurreko adbdearen monomeroa hauxe da: CH 2 = CHCl. Monomeroak elkarr lotu eta polmeroa osatzeko behar den erreakzo kmkoa polmerzazoa da. Polmeroen sntesa Polmero asko naturan sortzen dra, eta bopolmeroak esaten zae; adbdez, protenak, zelulosa eta abar. Bana, kmkar esker, monomero desberdn asko polmerzatuz, polmero sntetkoak lortu dra. Nagusk, b polmerzazo-prozesu daude: - Adzo-polmerzazoa - Kondentsazo-polmerzazoa Adzo-polmerzazoan monomero bat beste monomero bat gehtzen zao, eta ez da nolako atomo- -galerark gertatzen. Adbde snple bat 1 rudan kus genezake; etlenoak polmerzatu eta poletleno (PE) Lotura horetatk bat rek egten da, eta beste monomeroekn elkartzeko ga zango da. Horrela, polmero- -kate asea osa genezake monomero asegabeen btartez. Etlenoa (gasa) Poletlenoa (plastko malgua) 1. ruda. Poletlenoaren polmerzazoa. Monomeroak b lotura bkotz dtuenean (denoa denean), polmerzazoa konplexuagoa da. Kasu honetan monomeroak konjokaturk dauden b lotura bkotz dtu (b lotura bkotz lotura snple batez txandaturk). Polmero eta monomeroaren egturak 2. rudan kus datezke. Desberdntasunk handena, poletlenoaren polmerzazoaren aldean, zera da, deno bat polmerzatzen denean katearen untate bakotzean lotura bkotz bat geldtzen dela, hau da, lortzen den polmeroa ere asegabea dela. Kautxua 1
Onarrzko kontzeptuak Butadenoa (gasa) Polbutadenoa (kautxu gordna) 2. ruda. Polbutadenoaren polmerzazoa. Kondentsazo-polmerzazoan b talde funtzonalek erreakzonatzen dute, eta molekula txk bat galtzen da erreakzoaren pauso bakotzean; adbdez, polamden polmerzazoa (nylona) (3. ruda). Adbde honetan damnak eta azdo dkarboxlkoak kondentsatu egten dra, eta lortzen den substantzak erreakzona dezaketen talde funtzonalak dtu; hartara, psu molekular handko polmeroa era dezakete. Galtzen den molekula ura da. 3. ruda. Polamden polmerzazoa. Polmeroen psu molekularra Makromolekula baten psu molekularra hauxe zango da: errepkatzen den untatearen psu molekularraren eta untate hor errepkatzen den ald-kopuruaren (n) arteko bderkadura. Adbdez: poletlenoaren psu molekularra kalkula dateke zer formula duen kontuan hartuta: -(CH 2 -CH 2 )n-. Hau da, 28 x n. Baldn eta n = 1.000 bada, poletlenoaren psu molekularra 28.000 zango da. Poletleno baten psu molekularra 2.000tk mlo batera edo are handagoa zatera pasa dateke polmerzazo-baldntzen arabera. Polmero natural batzuen kasuan, hau da, protena espezfko batzuen kasuan, makromolekula guztek luzera berdna dute, hots, psu molekular berdna dute. Bana, polmero sntetko gehenetan eta polmero natural batzuetan (zelulosa, kautxu naturala, eta abar) kate guztek ez dute luzera berdna; beraz, psu molekularra ere desberdna zango da. Horregatk, polmero baten psu molekularra deskrbatu nah denean batez besteko psu molekularra termnoa erabltzen da. Bana batez besteko desberdnak daude, eta horen artean erablgarrenak b dra: zenbakzko batez besteko psu molekularra ( M ) eta psuzko batez besteko psu molekularra ( M w ). n Kautxua 2
Onarrzko kontzeptuak Pentsa dezagun luzera desberdneko (eta M psu molekular desberdneko) kateak luzera berdnekoak bltzen dtuzten hanbat taldetan bana dtzakegula, eta talde bakotzean bldu den kate-kopurua (N ) zenbatu dezakegula. Talde bakotzaren masa N eta M arteko bderkadura zango ltzateke, eta, beraz, N M zango da masa totala. Zenbakzko batez besteko psu molekularra masa totalaren eta kate-kopuru totalaren arteko zatdura zango da: M n N M = N Kate-kopurua kontatu beharrean talde bakotzaren masa neurtzen badugu, w = N M zango da. Psuzko batez besteko psu molekularra honela defntzen da: M w w M = = w N M N M 2 Psuzko batez besteko psu molekularrean psu handko taldeen eragna nabarmenagoa da, eta, horregatk, haren baloa zenbakzko psu molekularrarena bano handagoa zaten da. B psu molekularrok desberdnak drenean, lagna polbarreatua dela esaten da, eta polbarreatze-ndzearen bdez defntzen da: I = M w / M n. Indzea 1 bada, lagna monobarreatua da, hau da, kate guztek luzera eta psu molekular berdna dute, eta guztak talde bakarrean bldu dtugu. Homopolmeroak, kopolmeroak eta terpolmeroak Errepkatzen den untate bakar batez osaturko polmeroak homopolmeroak dra, adbdez, PVCa. B monomero polmerzatzen badtugu, lortzen dugun produktua kopolmeroa da. Zorzko kopolmeroa Txandakako kopolmeroa 5. ruda. Kopolmero motak. Kautxua 3
Onarrzko kontzeptuak B monomero horen antolaketa zorzkoa edo txandakakoa zan dateke, 5a eta 5b rudetan kus datekeen moduan. Monomeroen sekuentza dagoenean, blokezko kopolmeroa da (5c ruda). Sekuentza horek adarren moduan agertzen drenean txerto-kopolmeroa da (5d). Hru monomero desberdnez osaturko polmeroa terpolmeroa da. Polmero-kateak lnealak, adarkatuak edo sarezkoak zan datezke (6 ruda). Polmeroen propetateak makromolekularen luzera eta konfgurazoaren menpe daude. 6. ruda. Makromolekulen topologa. Plastkoak, elastomeroak, elastomero termoplastkoak eta termoegonkorrak Polmeroak, egoera soldoan jasaten dtuzten deformazoaren arabera, lau taldetan salkatzen dra: - Termoplastkoak (plastkoak) - Elastomeroak (bulkanzatutako kautxuak) - Elastomero termoplastkoa - Termoegonkorrak Termoplastkoak (PVCa, PEa, PSa ) makromolekula lnealez edo adarkatuz osaturk daude, eta elkarren ondoko makromolekulen monomeroen arteko ndar dpolarre esker, zurrunak dra gro-tenperaturan. Indar baten menpe deformatu egten dra eta, ndar hor kenduz gero, haserako forma ez da berreskuratzen. Kateak aske daudelako (7a ruda) gertatzen da hor, eta ndar bat aplkatzen dugunean kateak bata bestearekko laban datezkeelako. 7. ruda. Polmeroen konfgurazoa. Kautxua 4
Onarrzko kontzeptuak Termoplastkoak bgundu egten dra berotzean eta gogortu hoztean; bana polmero bakotzak bere tenperatura-tarte karakterstkoa du. Tenperaturarekn gertatzen den aldaketa guztz fskoa da; horregatk, prozesua nah adna aldz errepka dateke, hau da, hondaknak brzklatu egn datezke. Ganera, polmeroak dsolbagarrak dra horretarako egokak dren dsolbatzaleetan, eta, dsolbatzalea lurrunduz gero, propetateak berreskuratu egten dtuzte. Elastomeroak elastkoak dra, hau da, ndarra kentzen dugunean, forma berreskuratzen dute. Ganera, dsolbaeznak eta urtueznak dra; eta egokak dren dsolbatzaleetan puztu egten dra. Kateak kmkok loturk daudelako, saretuta daudelako, dtuzte propetate horek elastomeroek (7b. ruda). Lotura hore esker, ndar bat aplkatzen dugunean, kateak ez dra labantzen, eta horregatk dute elastomeroek elastkotasuna. Ganera, lotura horek drela eta, ezn dra urtu, ez eta dsolbatu ere. Lotura-kopurua (bulkanzazo-mala) handtu egn dezakegu oso sare zurruna lortu arte; adbdez, ebonta, oso materal zurruna, bulkanzazo- -mala handko kautxua da. Kautxu gordne gehgarr egokak gehtuta lortzen dra elastomeroak. Hasera batean, gehgarrak eransten drenan, lortzen den nahastea termoplastkoa da, bata dsolbagarra eta eranskorra ere. Bulkanzazoa (sufre molekulez, polmero kateen lotura sortzen duen erreakzo kmkoa) gertatzen denean, ordea, kateak elkartu egten dra, nahz eta lotura-kopurua txka zan. Behn bulkanzazoa gertatuta, materalak elastkok jokatzen du, ezn da dsolbatu, ezn da urtu, ngurunearekko erresstentza handtu egten du eta tsaskortasuna galdu. Hala ere, materal hauek desabantala larra dute: ezn dra brzklatu. Elastomero termoplastkoak blokezko kopolmeroak dra (7c), eta termoplastkoen eta elastomeroen tarteko portaera dute. Prozesatzeko eta brzklatzeko momentuan termoplastkoek bezala jokatzen dute, hau da, bulkanzatu gabeko materalen antzera. Bana, soldo-egoeran daudela, ndarra kentzen dugunean, forma berreskuratu egten dute, elastomeroen antzera. Haen ezaugarr elastkoak lotura fskoen ondoro dra. Termoegonkorrak oso zurrunak dra; horen artean, erretxna fenolkoa, urea, melamna plastkoak eta abar daude. Polmero horetako monomeroek dtuzten erradkal aktboek elkarrekn erreakzonatu eta sare trdmentsonala sortzen dute. Prozesu hor kautxuen bulkanzazoaren antzekoa da. Bana, kasu horretan, elastomeroen aldean lortzen den sarea hertsk loturk suertatzen da (7d ruda). Saretu ondoren, termoegonkorrak ezn dra dsolbatu, ez urtu, ezta brzklatu ere. Polmero amorfo eta krstalnoak Polmero amorfoak gardenak dra, eta kateek ez dute nongo ordenamendurk. Kateak oso adarkatuak drenean eta adarrak luzeak drenean, ezn dra oso trnko bldu. Kateek harl baten edo koto-zat baten antza dute, non kate guztak norabde guztetan katramlatuta dtuen. Polmero termoplastkoa guztz desordenaturk dago eta horregatk detzen da amorfoa ere. Kautxua 5
Onarrzko kontzeptuak Termoplastko amorfoa gro-tenperaturan oso materal zurruna da. Kateak molekula arteko ndarren bdez loturk daude, eta ezn dra mugtu. Krstal-egoeran daudela esaten da. Tenperatura gotzen badugu, tenperatura jakn batera rstean kateak mugtzen has eta materala bgundu egngo da. Tenperatura jakn hor, Tg (glass transton temperature), bera-trantszoko tenperatura da. Bera-trantszoa pasatu ondoren, materala kautxu-egoeran dagoela esaten da, kautxuen antzera jokaera elastkoa batu. Tenperatura gotzen jarratzen badugu, molekula arteko loturak desagertu egngo dra eta materala era plastkoan surtzen hasko da. Hor ez da tenperatura jakn batean gertatzen, tenperatura-tarte jakn batean bazk. Adbdez, PVCa (polbnl kloruroa) amorfoa da, bera-trantszoa 70 ºC-tan du eta 150 ºC-tk gora surtzen has dateke. Baldn eta makromolekulak adar gutx eta motzak badtu, kateak ordenatu egn datezke alderd batzuetan. Ordenamendu handko alderd horek alderd krstalnoak dra. Bana kontuan zan behar dugu polmero bat ez dela noz guztz krstaltzen, kateak oso luzeak batra. Beraz, bet geldtzen dra alderd batzuk desordenaturk, alderd amorfoak osaturk. B alderd horek (krstalnoa eta amorfoa) dtuzten polmeroak erdkrstalnoak dra. Ez dra gardenak, arg-zpak barreatu egten drelako alde batetk bestera pasatzean. 8. rudan polmero erdkrstalno baten egtura kus dateke. 8. ruda. Polmero erdkrstalno baten egtura. Polmero erdkrstalnoa bere Tg-tk behera dagoenean, materalaren alderd guztak zurrun daude, eta, horregatk materala hauskorra eta gogorra da. Polamdaren kasuan, ura xurgatzen duenean, bere Tg-a jats egten da. Tenperatura Tg-tk gora gotzen badugu, alderd amorfoak mugtzen hasten dra, alderd horretan dauden molekula arteko ndarrak alderd krstalnoan daudenak bano ahulagoak drelako. Tg-tk gora, alderd krstalnoan dauden kateek zurrun jarratzen dute. Tenperatura gotzen jarratzen badugu, krstaltxoak urtu egten dra, molekula arteko ndar guztak desagertu egten dra, eta kate guztak mugtu egn datezke, hau da, materala sur egn dateke. Tenperatura karakterstko horr fuso-tenperatura detzen zao, Tm (meetng temperature). Adbdez, dentstate handko poletlenoak (HDPEa) bera-trantszoa gro-tenperaturatk behera du (-40 ºC nguruan), eta fuso-tenperatura 125-140 ºC tartean egon dateke. Kautxua 6
Onarrzko kontzeptuak Polmeroen polartatea Polmeroen polartatea oso garrantztsua da, polmeroaren propetate fsko, kmko eta mekankoetan duen eragnagatk. Molekula osatzen duten atomoen arteko loturak elektroak konparttu egten drelako sortzen dra. Elektroak atomork elektronegatboenak erakartzen dtu, hau da, elektroak desplazatu egten dra, eta dpolo bat sortzen da. Adbdez. C-Cl loturan kloroa da elektronegatboena; berak elektroak erakarr egngo dtu, eta gertuago geldtuko dra kloro-atomoetatk karbono-atomoetatk bano. Sortzen den dpoloa honelakoa da: C δ+ -Cl δ- (δ+ eta δ- karga elektronko partzalak dra, postboa eta negatboa). Taula perodkoan elektronegatbtatea eskunaldera eta gorantz gotzen da (gas nobleak alde batera utzrk), hau da, F atomoa da elektronegatboena (4,0), kloroak 3,0 du, oxgenoak 3,5, karbonoak 2,5 eta abar. Bestalde, C-H lotura polmeroetan hanbestetan gertatzen den lotura ez da oso polarra, zeren ben arteko elektronegatbtate-desberdntasuna ez bata oso handa: karbonoaren elektronegatbtatea 2,5 da eta hdrogenoarena 2,0. Beraz, lotura hor ez-polartzat jotzen da. Polartatea kontuan zank, polmeroak honela salka datezke: Oso polarrak: Nahko polarrak: Ez han polarrak: Ez-polarrak: Polamdak, poluretanoak, zelulosa, esterrak, eta abar. SBRa, PVCa eta beraren kopolmeroak, eta abar. Etleno-bnlazetato kopolmeroak (EVM), etleno-tetrafluoroetlenoa, eta abar. PEa, PPa, PSa, eta abar. Kautxua 7
Sarrera SARRERA Kautxuen ezaugarrrk nabarmenena elastkotasuna da, hau da, ndar edo eragn nahko ahulen aurrean deformazo hand samarrak jasan, eta, ondoren, ndar edo eragn horek jardutear utztakoan, berehala jatorrzko forma eta neurrak berreskuratzeko duten ahalmen edo gatasun handa. Kautxu gordnaren eta termoplastko arrunten arteko ezberdntasun nabarmenena kautxuek psu molekular altuagoa zatea da, bana ba bataren kasuan ba bestearenean, ez dago lotura kmkork kateen artean. Lotura horek bulkanzazo-erreakzoan sortzen dra eta, orduan, elastkotasun-propetatea eskuratzen dute. Polmeroa delako dtu kautxuak propetate edo ezaugarr horek. Kautxu gordnezko zat batean (bulkanzatu gabeko kautxua) oso erraza da elastkotasun-propetate hore antzematea, bana ndarren eragn raunkor samarren menpe jartzen bada, edota tenperatura altuen eragnpean gertatzen, polmero-kate batzuen lerratzeak edo lekualdaketak gertatzen dra beste kate batzuekko; ondoroz, deformazo plastkoak gauzatu, eta kautxuak ez du jatorrzko forma berreskuratzen. Horregatk, elastkotasun handa lortzeko, behar- -beharrezkoa da molekulak elkarr ong lotzea, halako sareta-moduko bat eratzea. Horretantxe datza, han zuzen ere, bulkanzazo-prozesua. Sareta dentstate txkkoa da: 100-200 karbono-atomotk batek esku hartzen du alboko kateko beste atomo batekn lotura eratzeko. Ondoroz, kautxuak deformatzeko gatasun handar eusten do, eta, ald berean, lotura mota hor nahkoa da kate batzuk beste batzuekko lerratzea eragozteko. Kautxuak taldetan salkatzen dra, eta, salkatzeko, honako kur hauek (azken letrak) erabltzen dra: R taldea: kautxu asegabeak, sufrearekn bulkanzatuak; M taldea: kautxu aseak, peroxdoekn bulkanzatuak; O taldea: kautxu aseak, katean oxgenoa dutenak; Q taldea: kautxu aseak, katean slzoa dutenak; T taldea: kautxu aseak, katean sufrea dutenak; U taldea: kautxu aseak, katean ntrogenoa eta oxgenoa dtuztenak. R taldea M taldea Kautxua Ikurra Kautxua Ikurra Butadeno-akrlatoa Butadenoa Kloroprenoa Butloa Bromobutloa Klorobutloa Isoprenoa Butadeno-akrlontrloa Butadeno-akrlontrlo hdrogenatua Akrlontrlo-kloroprenoa Akrlontrlo-soprenoa Kautxu naturala Butadeno-bnlprdna Butadeno-estreno-bnlprdna Butadeno-estrenoa Estreno-kloroprenoa Estreno-soprenoa ABR BR CR IIR BIIR CIIR IR NBR HNBR NCR NIR NR PBR PSBR SBR SCR SIR Etlakrlato-akrlatoa Etlakrlato-akrlato-akrlntrloa Poletleno kloratua Poltrfluorkloroetlenoa Poletleno klorosulfonatua Poletleno-propleno klorosulfonatua Etleno-akrlatoa Etleno-propleno-denoa Etleno-proplenoa Etleno-bnlo-azetatoa Fluoratua Isobuteno-sobutlenoa ACM ANM CM CFM CSM ACSM EAM EPDM EPM EVM FPM IM Kautxua 9
Sarrera O taldea Q taldea Kautxua Ikurra Kautxua Ikurra Epklorhdrna Epklorhdrna-etleno-oxdoa Propleno-oxdoa T taldea CO ECO GPO Fluorslkona metlo taldeekn Slkona metlo-fenlo taldeekn Slkona metlo-fenlo-bnlo taldeekn Slkona metlo taldeekn Slkona metlo-bnlo taldeekn U taldea MFQ MPQ MPVQ MQ MVQ Kautxua Ikurra Kautxua Ikurra Polsulfuroak TM Polesteruretanoa Poleteruretanoa Elastomeroek oso erablera-esparru zabala dute, bana esparruaren luze-zabala elastomeroak gehgarrekn nahasteko duen erraztasunaren araberakoa da. Hala, amatutako produktu baten azken propetateak hanbat faktoreren araberakoak zango dra, hala nola aukeratutako kautxuaren, nahasteak dtuen osagaen, ekozpen-prozesuaren eta ekozknaren forma eta dsenuaren araberakoak. Eransten zazkon gehgarr moten eta -kopuruen arabera eta ematen zaon bulkanzazo-malaren arabera, kautxu batek propetate edo ezaugarr desberdnetako bulkanzatuak eman dtzake gogortasunar, elastkotasunar edota trakzoarekko erresstentzar dagokenez. Bana, bulkanzazo-prozesua edozen dela ere, kautxuaren beste ezaugarr berez batzuk ez dra aldatzen, hala nola oloar, gasolnar edota zahartzapenar doten erresstentza. Hona hemen gehgarren egnkzunetako batzuk: a) Nahastearen ezaugarrak aldatzea. Adbdez: gogortasuna handtzeko, betegarrak erabltzea. b) Lantzea erraztea. Adb.: plastfkatzaleak erabltzea. c) Nahastearen kostua murrztea. Ohko formula bat hau zango ltzateke: AU EU GEHIGARRIA parteak ehun kautxu-parteko (pek) Elastomeroa 100 Betegarra(k) 0tk 100era Plastfkatzalea 0tk 50era Sufrea 0tk 2,5era ZnO 5 Azdo estearkoa 2 Azeleratzalea(k) 1etk 10era Peroxdoa 6 Koagentea 2 O 2 aurkakoa 2 O 3 aurkakoa 2 Argzarzkoa 2 Bestelakoak: Prozesu-laguntzaleak 2 Kautxua 10
Sarrera Nahasterk onena dsenatzeko garaan, honako alderd hauek eduk behar dra kontuan: a) Bezeroak eskatutako espezfkazoak b) Enpresan lantzeko eskura dauden metodoak c) Lehengaaren kostua: merkatuan eskuragarr egotea A.1 Saakuntza nagusen deskrbapena A.1.1 Materal gordnaren propetateak Materalen propetateak ezagutzea funtsezkoa da dsenatzeko, erabltzeko baldntzak ezagutzeko eta kaltate-kontrolerako. Kautxuaren zaera bereza dela eta, saakuntza-bde espezfkoak behar dra propetate asko determnatu ahal zateko. Ondorengo atalean kautxu gordnean, bulkanzatu gabeko nahastean eta kautxu bulkanzatuetan egten dren saakuntza eta anals nagusak deskrbatzen dra. A.1.1.1 Prozesagarrtasuna eta bulkanzazo-saakuntzak Atal honetan kautxu gordnaren eta kautxu-nahasteen propetaterk krtkoenen arteko b propetate, prozesagarrtasuna eta bulkanzazoa, neurtzeko erabltzen dren saakuntza-erak eta tresnera azaltzen dra. Ezaugarr horen garrantza erabatekoa da, bulkanzatu gabeko kautxuen nahastea produktu erablgarr azken produktu blakatzeko eskura dagoen operazo-esparrua defntzen batute. A.1.1.2 Prozesagarrtasuna Prozesagarrtasunar lotutako kautxuen b propetaterk aderazgarrenak bskostatea eta saretzea has arteko denbora (scorch tme) dra. Lehena kautxua osatu eta nahasteko behar den energa-kopuruarekn erlazonatuta dago. Bgarrenak, hemendk aurrera Mooney prebulkanzazo-denbora detuko dogunak, eragketa horek egteko erabl datekeen denbora defntzen du. Bskostatea neurtzeko gehen erabltzen den tresna Mooney bskosmetroa da (A.1. ruda). Aparatu horren zatrk garrantztsuena dsko-txurako errotorea da; aztertu nah den kautxuaren lagnaz beterk dagoen barrunbe zlndrko batean 2 b/mn-ko abaduran bratzen duen dsko bat da. Mooney bskosmetroetan b errotore estandar erabltzen dra, handa(k) eta txka(k) zenez ezagutzen drenak. Ganberaren goko eta beheko aldeak elektrztate bdez berotzen dra. Ohko saakuntza-tenperatura 100 ºC zaten da. Saakuntza egteko, aztertu nah den materala ganberan sartu (materalak ganbera osork bete behar du), mnutu bat txaron materala berotu dadn, errotorea martxan jarr eta, denbora jakn bat garo ondoren, gehenetan 4 mnutu, dskoaren braketar materalak eragten don momentu erresstentea neurtzen da. Momentuaren balo hor untate arbtrarotan (0tk 200 artekotan) aderazten da: Mooney untate edo puntu batek 0,083 Nm balo du. Saakuntza normal batean lortutako ematza honela aderazten da: Mooney untate kopurua, eta jarraan saakuntzaren baldntzak; esate baterako, 60 ML (1 + 4) 100 ºC. Kautxua 11