12. Kafli - Fjölliður

(byggt á S. G. Bergström et al., 1970, P. G. Burström, 2001, Páll Árnason, 2001, ofl.) \(\require{\mhchem}\)

Efni sem hafa uppbyggingu sem byggist á fjölliðum eru stór og mikilvægur efnisflokkur. Efnin hafa það sameiginlegt að byggjast upp af lífrænum fjölliðum, sem á einhverju skeiði framleiðslunnar eru seig (“plastískt”) formanlegar í fast efni.

Fjölliður eru tiltölulega nýr efnisflokkur, aðalþróun þeirra hófst á tíma seinni heimsstyrjaldarinnar en saga þeirra hefst þó á nítjándu öldinni. Fyrsta fjölliðuefnið, celluloid, uppgötvaðist uppúr 1860 og fyrsta verksmiðjan hóf rekstur 1872. Á tímabilinu 1905-1910 framleiddi Belginn Baekeland fyrsta al-gerfiefnið, byggt á formaldehýði og fenól, þekkt undir nafninu bakelit. Fjölliðuefnum fjölgaði síðan hratt, pólýmetýlmetakrýlat (stytt í Akrýlplast) kom til sögunnar 1928, pólývinýlklóríð (PVC) og pólývinýlasetat 1932-33, pólýamið og pólýester 1938, pólýeten 1940, sílikon 1945 og epoxíplast upp úr 1950. Stöðugt bætast ný efni á markaðinn, og notkun plastefna vex hratt, á heimsmarkaði ráða þrjár tegundir, pólýeten (PE), pólýstýren (PS) og pólývinýlkloríð (PVC).

Fjölliðum má skipta í þrjá flokka (skilin eru þó ekki alltaf greinileg); Hitadeigt plast (e: thermoplastic polymers, thermoplasts), hitafast plast (e:thermosetting polymer, thermosets) og gúmmí (e:rubber).

12.1. Framleiðsla

Fjölliður (e::polymers) eru langar keðjur myndaðar af tengingu fjölda minni eininga einliða (e: monomer), gott dæmi um slíkt er t.d. ethýlen hópurinn og myndun pólýethýlen:

Etýlen hópurinn (\(\ce{C2H4}\)) samanstendur af tveim kolvetnisfrumeindum og fjórum vetnisfrumeindum; milli kolvetnisfrumeindanna er tvöfaldur kovalentbindingur (merktur með tveim strikum á mynd) en einfaldur kovalentbindingur bindur vetnis- og kolefnisfrumeindir saman. Þegar bindingur er tvö- eða þrefaldur þá er hann sagður ómettaður og færsla getur orðið á bindingum, ný efni tekið yfir bindinga, við heppilegar aðstæður (samsvarandi er einfaldur bindingur sagður mettaður, hann er stöðugur í samanburði við ómettaða bindinga sömu frumeinda). Etýlen er lofttegund við venjulegar hita- og þrýstingsaðstæður, en með hækkuðum hita og þrýstingi þá má mynda fjölliður úr þessum grunneiningum.

Mynd; Etýlen hópar (einliður, e: monomer) tengjast í fjölliðu (e: polymer); póýetýlen

Ferlið er kallað fjölliðun (e: polymerization, sjá Örn og Örlyg) og er stærð hverrar fjölliðu sem myndast (þetta er háð tegund ) iðulega gefin með upp fjölliðunargráðunni (e: degree of polimerization) sem gefur upp meðalfjölda “mer” eininga í fjölliðukeðju. Fjölliður eru ekki endilega byggðar upp úr einliðum sem allar eru sömu gerðar, þegar tengjast mismunandi einliður þá kallast slík keðja samfjölliða (e: co-polymer).

Fjölliður tengjast innbyrðis á mismunandi vegu, og er tengingin háð tegund fjölliðanna, sjá mynd.

Hitadeigt plast er fremur deigt og mýkist enn frekar við hitun (og flýtur loks) en harðnar á ný við kælingu, ferlið er fullkomlega afturkræft (e:totally reversible) án þess að eiginleikar breytist, ef hitun er ekki mjög mikil. Efnin hafa ekki skýrt skilgreint bræðsluhitastig. Þessi tegund plasts er almennt framleidd undir samverkandi hita og þrýstingi. Efnið getur verið ókristallað eða krystallað að hluta (e: semi-crystalline). Krosstengingar milli fjölliða eru óalgengar.

Hitafast plast verður hart við framleiðsluhitun, þegar krosstengingar myndast milli fjölliða. Krosstengingin er umfangsmikil, þannig að 10 – 50 % af grunneiningunum (e: mers) eru tengdar, og bindur þannig fjölliður saman og takmarkar hreyfigetu við hátt hitastig. Efnið brotnar niður við of mikla hitun, en er við nothitastig almennt með meiri hörku, styrk og formheldnara heldur en hitadeigt plast. Flest efni úr krosstengdum eða nettengdum fjölliðum, m.a. gúmmí, epoxý-, phenól- og pólýesterblöndur eru hitaföst.

12.2. Uppbygging

Efni úr fjölliðum er iðulega samsett úr nokkrum efnisþáttum, s.s. trefjum, fylliefnum og aukaefnum, auk sjálfrar fjölliðunnar, en heitið er dregið af þeirri grunneiningu fjölliðunnar sem er ráðandi.

Fylliefni; minnka sjálfa fjölliðuþörfina, einnig til að hafa áhrif á eðlisþéttleika og aflfræðilega eiginleika.

Trefjar; bending efnislags til að bæta aflfræðilega eiginleika

Aukaefnin; geta verið allt að 2% af lokaþyngdinni hvert fyrir sig og eru notuð til að hafa áhrif á efniseiginleika og auka endingu lokavörunnar;

• mýkingarefni; gera efnið mýkra og ekki eins stökkt

• brunavarnarefni; draga úr eldfimi, t.d. gera það brunatregt (ekki lengur eldfæðandi)

• “rafhleðsluvarnandi”; (e: anti- static) draga rafhleðsluvirkni

• andoxunarefni; til að koma í veg fyrir að aðalefnið hvarfist við súrefni

• ljósþolniefni; auka ljósþol (einkum UV þol)

12.3. Styrkeiginleikar fjölliðu efna

Formbreytingarferlar fjölliða eru þrennskonar, háð tegund. Stökk efni, seig (e: plastic)og mjög seig (e: highly plastic, elastomeric), sjá mynd. Efnin sem sýna mesta seigjueiginleika nefnast “elastomerar” (e: elastomers).

Mynd: Formbreytingarferlar fjölliða (Callister, 2001)

Fjölliður hafa mjög breytilega aflfræðilega eiginleika, sjá töflu, þau spanna allan skalann ef svo má segja- en eru almennt veikari, sveigjanlegri hafa mun meiri brotlengingu heldur gildir um málma.

Tafla: Aflfræðilegir eiginleikar fjölliða við stofuhita (Callister, 2001)

Aflfræðilegir eiginleikar eru jafnframt mjög háðir hitastigi, sjá línurit.

Línurit: Aflfræðilegir eiginleikar fjölliða, háð hitastigi (Callister, 2001)

12.4. Nokkrar mikilvægar tegundir plastefna

12.4.1. Hitadeigt plast (e: thermoplastic polymer, s:termoplast)

Pólýester

Hitadeigur pólýester er til í fjölda mismunandi gerða;

• polýkarbonat (PC) sem er gagnsætt, með gott högg- og hitaþol og nærir ekki eld.

• pólýetýlenteretalat (PET) hefur takmarkað efnaþol og stuttan líftíma. Notað í plastflöskur.

• gerðirnar PBT og PEN.

Pólýeten (PE)

Þrjár gerðir til; LD polyeten (lítill efnisþéttleiki), PEM (skammstöfun notuð á Íslandi) fyrir miðlungsþungt efni og loks HD-polyeten (mikill þéttleiki). LD efnið er mjúkt og notað í plastfilmur, m.a. rakavarnarlög, plastpoka og pakkningar. HD efnið er stífara og notað í heimilisvörur, bakka, flöskur ofl.

Það er ennfremur til krosstengt PE og nefnist þá PEX, efnið er notað í rör. PE er hérlendis m.a. notað í stofnæðar vatns- og fráveitukerfa (svart á lit) og rakavarnarlög, og í síðara tilvikinu helst gert öldrunarþolið (t.d. Þolplast frá Plastprent).

Hlífðarkápa röra fyrir heitt vatn frá SET (þegar stálrör er einangrað með polýúrethan). PEM er notað í snjóbræðslukerfi (SET á Selfossi) og affall hitaveitukerfa, þessi rör eru ekki eins hitaþolin og rör úr PP og PB.

Reykjalundur framleiðir rör úr PE , undir nafninu Weholit.

Pólýprópýlen (PP)

Efnið er til í nokkrum mismunandi gerðum, hreint hefur efnið lágt höggþol í frosti en með íblöndun má breyta eiginleikum nokkuð. PP er til sem sampólýmer (oft með PE). PP hefur hátt hitaþol og hérlendis er efnið notað í snjóbræðslurör og fyrir geislahitun (grá að lit), efnið einnig notað í frárennslislagnir innanhúss (gráar að lit).

Pólýbútýlen (PB)

Svipar um margt til PE og PP en er dýrara í framleiðslu. Efnið er notað í t.d. rör þegar þörf er fyrir mikinn hönnunarstyrk fyrir í snjóbræðslur og geislahitun, iðnaðarnot, skip og báta.

Pólýstýren (PS)

Hart og stökkt efni, en með íblöndun af gúmmí fjölliðum má auka slaghörku efnisins. Notað í hnífapör, einnota drykkjarílát og frauðplasteinangrun.

ABS-plast

Notað í rör.

Pólýmetýlmetakrýlat (PMMA, akrýlplast)

Mikilvægasta akrýlplastið, oft selt undir heitinu plexigler. Hefur mikla ljóshleypni (betri heldur en venjulegt gler), gott veðrunarþol og hlutfallslega góða yfirborðshörku. Er notað í þakkúpla, og í stað glers í t.d. garðskála og gróðurhús.

Pólývinýlklóríð (PVC)

PVC fjölliðan er stíf og hornótt, efn úr PVC eru þó bæði til í mjúkri og stífri útfærslu. Til að mýkja PVC er alltaf notað mýkingarefni (íblöndun allt upp í 40 %). Stíft PVC er notað í gluggakarma, rör og þakrennur, mjúkt PVC í gólfefni, plastfilmur, veggfóður og slöngur. Hérlendis notað í frárennslisrör innanhúss og í jörðu (rauðbrún á lit).

Pólývinýlasetat (PVAc)

Mikið notað sem bindiefni í málningar.

Polýtetraflúoretan (PTFE)

Þekkist best undir söluheitinu “teflon”. Efnið hefur sérlega gott efna-, hita- og veðrunarþol, og lágan viðnámsstuðul (\(\mu = 0,01 – 0,05\)). Nothitastig er -200 til 260 °C, efnið er dýrt og því helst notað í legur, slöngur og sem húðun á steikarpönnur o.þ.h.

12.4.2. Hitafast plast (e:thermosetting polymer, s: härdplast)

Epoxý (EP)

Fremur dýrt, en með góða eiginleika. Mest notað í trefjaplast ásamt gler-, kolefniseða Kevlar þráðum. Bindiefni í málningar og lím.

Pólýúretan (PUR)

Hægt er að framleiða efnið með mjög breytilegum eiginleikum, allt frá mjúkum gúmmíefnum og í hart, hitafast plast. Notað í frauðeinangrun, mikilvægt bindiefni í málningu og lím og í fúguefni.

Pólýester (UP)

Mikilvægasta notkunin fyrir hitafastan polýester er sem glertrefjastyrkt plast í t.d. báta, í ljóshleypna þakkúpla og þakefni.

Fenólformaldehýð (PF)

Mikilvægasta notkunarsviðið er sem bindiefni í rakaþolin lím og sem hluti af “lamineruðum” plötum, t.d. Perstorp, en lamineraðar plötur eru algengt gólfefni (og innréttingum þegar mikið mæðir á).

Karbamíðformaldehýð (UF) - karbamíðharts

Notað í lím og bindiefni í krossvið og trjákenndum plötum almennt sem ekki er ætlað að ver arakaþolnum.

Melamínformaldehýð (MF) - melamínharts

Einkum notað sem yfirborðshúð á trjákenndar plötur (góðir litamöguleikar)

12.4.3. Gúmmí

Gúmmí er fjölliðað með vúlkaníseringu (e: vulcanize, sjá Örn og Örlyg), þ.e. brennisteinsmeðhöndlun til að skapa krosstengi og gera efnið fjaðurmagnað. Krossbindingar eru færri og lengri heldur en gildir fyrir hitafast plast.

Nokkrar gúmmítegundir:

Etenprópan (EPDM)

Brotnar rekki niður vegna ósonáhrifa og með gott varma- og efnaþol. Mest notað utanhúss í þétti- og glerjunarlista og hylki utan um kapla.

Klórópren (CR)

Gott veðrunarþol. Notað í þétti- og glerjunarlista, einnig í legur til að gefa byggingarhlutum hreyfanleika. Bindiefni í lím (þá kallað “kontaktlím” hérlendis t.d. Jötungrip). Algengt söluheiti er “Neopren”.

Butýl (IIR)

Mjög há flæðimótstaða fyrir lofttegundir og þessvegna notað í hjóla- og bílslöngur en einnig í þéttidúka fyrir vatnstanka, þök og brýr.

Silikon (Si)

Gott veðrunar- og osonþol, og heldur aflfræðilegum eiginleikum yfir stórt hitastigssvið; eða um -100 til 250 °C. Í byggingariðnaði einkum notað sem bindiefni í fúguefni.

Náttúrulegt gúmmí (NR)

Unnið úr gúmmítrénu og enn eitt af mikilvægustu gúmmíefnunum. Notað í bíldekk, en vegna takmarkaðs þols gegn hita og oson þá er efnið lítið notað í byggingariðnaði.

Fjölliður eru, eiginleika sinna vegna, algengar í byggingariðnaði;

Notkunarsvið	Umfang
einangrunarefni	algengt
festifrauð	allsráðandi
rör	algengt
dúkar (rakavarnarlög, þéttidúkar,…)	allsráðandi sem aðalefni eða trefjastyrking
fúguefni	allsráðandi
fylliefni í málningar	svo til allsráðandi
lím	svo til allsráðandi