Co to są tworzywa sztuczne i jakie wyróżniamy ich rodzaje?

28 kwietnia 2023

Skrót poruszanych tematów

Tworzywa sztuczne są widoczne prawie na każdym kroku. Dzięki ich innowacyjności trudno sobie wyobrazić bez nich życie. Może być to prawie niemożliwe. Tworzywa sztuczne, zwane potocznie „plastikami” zbudowane są z różnego rodzaju polimerów. Poniżej wytłumaczono definicję polimerów oraz tworzyw sztucznych oraz przedstawiono najpopularniejsze ich grupy.

Czytając artykuł dowiesz się:

  • Co to jest polimer i tworzywo sztuczne?
  • Jakie są rodzaje tworzyw sztucznych?
  • Jakie są grupy materiałowe?
  • Wady i zalety tworzyw sztucznych?
  • Jakie jest ich zastosowanie?
  • Jaki wpływ mają tworzywa sztuczne na środowisko naturalne.
Tworzywa sztuczne w postaci granulatu, mającego odpowiednie właściwości fizykochemiczne

Polimer oraz tworzywo sztuczne – definicje.

Polimery są to związki wielkocząsteczkowe charakteryzujące się bardzo dużą masą cząsteczkową. W jej skład wchodzą wielokrotnie powtarzające się jednostki zwane “merami”.

W zależności od rodzaju, polimery wytwarzane są poprzez 3 reakcje chemiczne:

  • polimeryzację → jest to reakcja, w której monomery (proste cząsteczki tego samego związku chemicznego) łączą się w związek wielocząsteczkowy, czyli polimer. W reakcji tej nie pojawiają się produkty uboczne.
  • polikondensację → podczas tego procesu możliwa jest reakcja z wieloma cząsteczkami. Podczas tego procesu powstaje produkt uboczny (prosty związek chemiczny, np. H2O)
  • poliaddycję → jest to reakcja, która przebiega stopniowo, łącząca w sobie cechy polimeryzacji oraz polikondensacji. W tej reakcji nie wydziela się się produkt uboczny.

Tworzywa sztuczne są stosunkowo nowymi materiałami. Zaczęły odgrywać znaczną rolę w przemyśle i życiu codziennym tak naprawdę dopiero w drugiej połowie XIX wieku. Od tego czasu odgrywają one ważną rolę w życiu człowieka. Ich unikalne cechy sprawiają, że przyczyniają się one do zwiększenia komfortu życia człowieka, w tym do znacznego wzrostu bezpieczeństwa.

Tworzywami sztucznymi nazywamy materiały, które składają się z polimerów syntetycznych (czyli sztucznie wytworzonych przez człowieka) lub zmodyfikowanych polimerów naturalnych. W ich skład mogą wchodzić również wszelkiego rodzaju dodatki modyfikujące, np. stabilizatory UV, barwniki itp. Potocznie nazywane jako “plastik”.

Tworzywa sztuczne - przykłady

Rodzaje tworzyw sztucznych

Tworzyw sztucznych jest bardzo wiele. Wynika to z faktu, że poza zastosowaniem tworzyw podstawowych, istnieją praktycznie nieograniczone możliwości modyfikowania, poprzez specjalne dodatki, ulepszacze itp. Z tego względu możemy wyszczególnić różne rodzaje tworzyw , które dzielą się one na wiele różnych kategorii. Poniżej opisaliśmy najczęściej wyróżniane.

Podział tworzyw sztucznych ze względu na właściwości przetwórcze:

Tworzywa termoplastyczne (termoplasty)

Cechą charakterystyczną termoplastów jest mięknięcie i topnienie pod wpływem ciepła. Można je również wielokrotnie przetwarzać.

Do tej grupy należą materiały takie jak: PE, PP, PS, PVC, PTFE, PA, PC czy ABS.

Jeżeli interesują Cię ceny tworzyw termoplastycznych, zajrzyj tutaj.

Tworzywa termoutwardzalne

W przeciwieństwie do termoplastów, pod wpływem wysokiej temperatury stają się nietopliwe i nierozpuszczalne. Po utwardzeniu niemożliwe jest już ich dalsze przetwórstwo. Do tej grupy należą materiały takie jak: żywice fenolowo-formaldehydowe, żywice mocznikowo-formaldehydowe czy niektóre żywice silikonowe.

Podział ze względu na pochodzenie:

Syntetyczne tworzywa sztuczne (tworzywa polimerowe)

Są to tworzywa pochodzące z syntezy chemicznej, czyli wytworzonych sztucznie przez człowieka.

Tworzywa polimerowe (tworzywa sztuczne) pochodzenia naturalnego

Są one wytwarzane przez organizmy żywe (np. celuloza, chityna, kauczuk naturalny)

Tworzywa polimerowe modyfikowane

Są to polimery naturalne wraz z dodatkami modyfikującymi mającymi na celu zmianę ich własności użytkowe. Możliwości dodania różnorodnych dodatków modyfikujących są praktycznie nieograniczone.

Podział tworzyw sztucznych ze względu na topologię:

Lliniowe

Są to takie tworzywa, których łańcuchy główne są proste i nie posiadają żadnych rozgałęzień.

Rozgałęzione

Są to takie tworzywa, których łańcuchy główne są rozgałęzione.

Drabinkowe

Są to takie tworzywa, których dwa równoległe łańcuchy główne są połączone bocznymi łańcuchami.

Usieciowane

Są to takie tworzywa, które tworzą przestrzenną sieć.

Nie czekaj!

Dostosuj technologię do swoich potrzeb, aby obniżyć koszty produkcji z tworzyw sztucznych.

Podział tworzyw sztucznych ze względu na budowę wewnętrzną:

Amorficzne

Tworzywa amorficzne to takie, których struktura wewnętrzna jest nieuporządkowana, a oddziaływanie energetyczne słabe.

Przykładami tworzyw o takiej budowie są np. PS (polistyren), PVC (poli(chlorek winylu)), PMMA (polimetakrylan metylu), SAN (poli(styren-co-akrylonitryl)) czy PC (poliwęglan);

Krystaliczne

Struktura wewnętrzna tworzyw krystalicznych tworzy przestrzenną, uporządkowaną sieć, a oddziaływanie energetyczne jest duże.

Przykłady to: PP (polipropylen), PE (polietylen), PA (poliamid), POM (polioksymetylen) czy PEEK (polieteroeteroketon).

Podział tworzyw sztucznych ze względu na właściwości:

Elastomery

Elastomery, czyli takie tworzywa, które w temperaturze pokojowej wykazują bardzo duże odkształcenia sprężyste (sięgające kilkuset %) i wykazujące powrót do stanu przed odkształceniem. Elastomery po odjęciu siły wracają do swojej pierwotnej postaci. Podczas przetwórstwa można im nadać zróżnicowany, pożądany kształt.

Plastomery

Plastomery dzielą się także na podkategorie. Wyróżniamy tutaj duroplasty (czyli tworzywa przechodzące ze stanu plastycznego w stan utwardzony – proces ten jest nieodwracalny) oraz termoplasty, czyli tworzywa, które w podwyższonych temperaturach przechodzą ze stanu stałego w stan plastyczny, a w temperaturach niższych, (na przykład temperaturze otoczenia) twardnieją. Proces ten jest odwracalny. Termoplasty można również wielokrotnie poddawać przetwórstwu). Wielokrotne przetwórstwo sprawia, że produkty uchodzą za bardziej ekologiczne.

Tworzywo - polichlorek winylu


Grupy tworzyw sztucznych wraz z przykładami

Wyróżniamy wiele grup tworzyw polimerowych. Najpopularniejszymi z nich są:

Poliolefiny

Do tej grupy należą PP i PE. Są to jedne z najczęściej wykorzystywanych materiałów. Poliolefiny charakteryzują się stosunkowo dużą elastycznością. Ich wadą jest to, że cechują się małą sztywnością oraz wytrzymałością.

Poliamidy

Są one szeroką grupą. Przykładami może być np. PA6 czy PA66. Cechami charakterystycznymi poliamidów są wysoka wytrzymałość mechaniczna, wysoka sztywność oraz odporność na wysokie temperatury.

Poliuretany

Do tej grupy należy np. materiał TPU. Poliuretany są stosunkowo łatwe w przetwórstwie, charakteryzują się dużą sprężystością czy zdolnością tłumienia drgań.

Zastosowanie tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne mają bardzo szerokie zastosowanie. Są one używane w prawie każdym segmencie naszego życia. Często prowadzą do poprawy życia ludzkiego (kaski ochronne, protezy), a na pewno znacznie je ułatwiają. Przykładów zastosowania jest wiele. Służą m.in. do produkcji urządzeń optycznych, produkcji opakowań, produkcji folii, produkcji butelek. Wykonujemy z nich także koła zębate, elementy w przemyśle elektrycznym, itd. Wiele artykułów gospodarstwa domowego wykonanych jest z tworzyw sztucznych, jak również zabawki, elementy pojazdów, itp.

Nie czekaj!

Dostosuj technologię do swoich potrzeb, aby obniżyć koszty produkcji z tworzyw sztucznych.

Coraz częstszą praktyką jest także zmiana innych materiałów na tworzywa sztuczne. Zawsze konieczna jest analiza, czy jest to możliwe dla danego zastosowania. Zmiana grupy materiałowej nie jest zawsze możliwa. Zastępujemy m.in. elementy stalowe, aluminiowe, drewniane, betonowe, kartonowe, laminowane itd.

W innym wpisie znajdziesz nasz artykuł o treści zastosowaniu tworzyw w branży grzewczej.

Pokrywa z tworzywa sztucznego, mająca wystarczające własności mechaniczne do zastosowania w branży grzewczej

Wady i zalety tworzyw sztucznych (plastików).

Tworzywa sztuczne to tak naprawdę grupa tysięcy różnych materiałów, które mają bardzo szerokie możliwości zastosowania. Właściwości tworzyw sztucznych są specyficzne, unikalne w stosunku do innych materiałów, dlatego są tak trudne do zastąpienia. Ich zastosowanie ma także wady.

Zalety tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne charakteryzują się, m.in.:

  • Niską gęstością
  • Niskim kosztem produkcji
  • Brakiem występowania zjawiska korozji
  • Różnorodnością
  • Recyclingiem
  • Estetyką
  • Łatwość obróbki i przetwórstwa

Wady tworzyw sztucznych

Do wad zastosowania tworzyw polimerowych należą m.in.:

  • niższa wytrzymałość (w porównaniu z innymi materiałami, np. stalą)
  • większość tworzyw sztucznych wytwarzanych jest z ropy naftowej
  • stosunkowo długi czas rozkładu
  • mała odporność na wysokie temperatury (pod wpływem temperatury mogą ulec odkształceniu)

Szczegółowy opis wad i zalet tworzyw sztucznych opisaliśmy w osobnym artykule.

Tworzywa sztuczne a ekologia.

Przy świadomym podejściu zastosowanie tworzyw sztucznych nie ma negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Wpływa na to możliwość wielokrotnego przetwórstwa oraz odpowiednia utylizacja. Poniżej omawiamy kilka istotnych sposobów na bardziej ekologiczne podejście do przetwórstwa tworzyw sztucznych.

Zastosowanie regranulatów

    Regranulat - rozwiązanie przyjazne dla środowiska naturalnego

Regranulat to tworzywo wtórne, z którego wcześniej wyprodukowano inne wyroby, a następnie zostało zmielone do ponownego zastosowania. Sprawia to, że zastosowanie tworzywa w formie regranulatu jest opcją bardziej ekologiczną, niż tworzywa pierwotnego.
Ponadto cena tworzywa wtórnego jest niższa, czasem nawet o 20%.

Więcej informacji znajduje się w innym artykule.

Produkowanie długowiecznych produktów

Tworzenie długowiecznych produktów redukuje negatywny wpływ na środowisko naturalne. Odbywa się to poprzez m.in.:

  • Dobór odpowiednich właściwości wytrzymałościowych, aby produkty spełniały swoją funkcję przez długi czas
  • Dodawanie specjalnych dodatków, jak np. stabilizatory UV, które sprawiają, że produkty mogą dłużej być użytkowane na zewnątrz
  • Stosowanie specjalnych powłok

Zastosowanie tworzyw biodegradowalnych

Tworzywa biodegradowalne to takie, które ulegają biodegradacji i rozkładają się w dużo krótszym czasie niż standardowe plastiki.

Dzięki biodegradacji, plastikowe przedmioty i opakowania mogą się przekształcić w wodę, dwutlenek węgla lub biomasę. Tworzywa te rozkładają się pod wpływem działania grzybów, bakterii, powietrza, wody, światła albo określonej kombinacji tych czynników.

Podobnie jak tradycyjny plastik, tworzywa biodegradowalne można przetwarzać za pomocą wszystkich technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych np. termoformowania, wytłaczania tworzyw sztucznych, czy też poprzez wtryskiwanie.

Biodegradowalne tworzywa mają dla przedsiębiorców jedną, kluczową wadę — wciąż są droższe niż standardowe tworzywa.

Przeczytaj także artykuł Co to są tworzywa biodegradowalne i czy warto z nich korzystać?

Podsumowanie

Tworzywami sztucznymi nazywamy grupę tysięcy różnych materiałów, o różnych właściwościach. Są one tak unikalne, że przy niektórych aplikacjach są trudne lub niemożliwe do zastąpienia. 

Zastosowanie tworzyw polimerowych jest bardzo szerokie, zarówno w przemyśle, jak i elementach codziennego użytku. Dzięki niskiej gęstości (z której wynika niska masa) produkty z tworzyw sztucznych są także łatwiejsze do montażu. Niższa waga produktów wpływa także na koszt transportu.

Poza unikalnymi zaletami tworzywa sztuczne mają także swoje wady. Ich zastosowanie nie jest możliwe szczególnie w przypadku bardzo dużych obciążeń. Wtedy wymagana jest bardzo duża wytrzymałość mechaniczna, którą mogą zapewnić np. tylko elementy metalowe. Tworzywa nie nadają się także do pracy w bardzo wysokich temperaturach.

Zastosowanie tworzyw sztucznych nie musi być szkodliwe dla środowiska. Zastosowanie regranulatów, budowanie długowiecznych produktów bądź stosowanie tworzyw biodegradowalnych są istotnymi aspektami do bardziej ekologicznej produkcji.

Zastanawiasz się, nad produkcją z tworzyw sztucznych? Skonsultuj projekt z nami i uzyskaj niezbędną wiedzę, czy będzie to opłacalne.

Adam Bernacki

Adam Bernacki

Dyrektor techniczny w firmie Plastipol Poland. Popularyzator wiedzy o przetwórstwie tworzyw sztucznych. Doświadczenie w branży pozyskane poprzez edukację na politechnikach skandynawskich, pracę w światowych korporacjach w branży tworzyw sztucznych oraz poprzez zarządzanie kwestiami technicznymi w polskiej firmie. Specjalista w technologiach produkcji seryjnej i masowej w zakresie tworzyw sztucznych. Autor artykułów i tekstów branżowych dla klientów z różnych sektorów przemysłu. Doradca szkoleniowy.