Kopolimery winylowe

Do najważniejszych kopolimerów winylowych należą kopolimery etylenu z:

Do ważniejszych kopolimerów winylowych możemy także zaliczyć:

Tabela 1 przedstawia oznaczenia kopolimerów.

EAA otrzymywany w toku wysokociśnieniowej polimeryzacji rodnikowej. Jest łatwy w obróbce, wykazuje doskonałą przyczepność i właściwości uszczelniające, a także wysoki stopień twardości i elastyczności. Kopolimer (EAA) stosowany jest jako polimer bazowy do klejów i uszczelniaczy oraz jako modyfikator do tworzyw sztucznych i gum. Wykorzystywany głównie w produkcji lakierów do paznokci, produktów do stylizacji włosów i kosmetyków do makijażu, gdzie jest odpowiedzialny także za ich przedłużone utrzymywanie się na skórze, poprawia przyczepność. Stosowany również w kosmetykach pielęgnacyjnych jako zagęstnik i emulgator, poprawia właściwości aplikacyjne.

Kopolimer ten także otrzymuje się w wyniku wysokociśnieniowej polimeryzacji rodnikowej. Wykazuje dobrą miękkość, elastyczność i polarność. Jest odporny na działanie olejów i wysokie temperatury. Typowe zastosowania obejmują: powłoki, farby, tekstylia, wykańczanie skóry, produkty motoryzacyjne, kleje oraz elastomery odporne na oleje i wysokie temperatury.

EEA, również jak dwa poprzednie, jest otrzymywany w wyniku wysokociśnieniowej polimeryzacji wolnorodnikowej. Wykazuje wysoką elastyczność, stabilność w wysokich temperaturach, nadaje także żywicom technicznym wytrzymałość w niskich temperaturach. Może być stosowany jako warstwa wiążąca między poliolefinami a podłożami polarnymi, takimi jak metal, poliolefiny, celuloza, poliester, poliwęglan, szkło, folia, PVC, PET i polistyren. Może być również stosowany w klejach do zastosowań opakowaniowych.

Kopolimer ten wytwarza się podczas polimeryzacji w roztworze przy użyciu katalizatorów Zieglera-Natty. EPDM, z podwójnymi wiązaniami znajdującymi się w grupach bocznych, jest znacznie mniej podatny na degradację pod wpływem warunków atmosferycznych i światła słonecznego, niż polietylen. Główne zastosowania EPM to części samochodowe oraz jako modyfikator udarności dla polipropylenu. EPDM jest stosowany w elastycznych uszczelnieniach do samochodów, izolacji przewodów i kabli, powłokach odpornych na warunki atmosferyczne, ścianach bocznych opon, wężach i folii dachowej.

ETFE posiada wysoką odporność na korozję i wytrzymałość w szerokim zakresie temperatur oraz niską toksyczność. ETFE ma stosunkowo wysoką temperaturę topnienia, doskonałe właściwości chemiczne, elektryczne i jest odporny na wysokoenergetyczne promieniowanie. Stosuje się go do produkcji paneli pneumatycznych do pokrycia zewnętrznych części stadionów sportowych, pokrycia przewodów elektrycznych i światłowodowych stosowanych w sytuacjach wymagających dużego obciążenia, okablowania samolotów i statków kosmicznych. ETFE jako wykładzina termoplastyczna jest  stosowany w rurach, zbiornikach i naczyniach w celu dodatkowej ochrony przed korozją.

EVA jest termoplastycznym elastomerem o różnej twardości i elastyczności,  zależnej od zawartości octanu winylu. W porównaniu z PE wykazuje mniejszą odporność chemiczną, większą  odporność na korozję naprężeniową i promieniowanie UV oraz wysoki współczynnik tarcia. Wykonuje się z niego między innymi folie opakowaniowe, podeszwy butów sportowych, maty podłogowe dla dzieci, ortezy, stosuje się go jako element mieszanek bitumicznych, dodatek do smarów parafinowych, wykorzystuje się go także jako materiał laminujący w modułach fotowoltaicznych, do termoizolacji i izolacji akustycznej, EVA znajduje także zastosowanie w medycynie – zapewnia doskonałą stabilność, wszechstronność i zdolność kontrolowania uwalniania wybranych leków [1].

EVOH charakteryzuje się doskonałą odpornością na warunki atmosferyczne, zapewniają wysoki połysk i przejrzystość. Materiały wykonane z tego polimeru posiadają właściwości antystatyczne, są odporne na oleje i rozpuszczalniki organiczne. Kopolimer ten wykazuje wyjątkowe właściwości barierowe dla gazów (tlenu, dwutlenku węgla, azotu i helu) i zachowuje swoje właściwości barierowe w szerokim zakresie wilgotności, dzięki nadaje się do produkcji opakowań produktów żywnościowych i kosmetyków.

ABS to  amorficzne tworzywo otrzymywane w procesie polimeryzacji 1,3-butadienu oraz kopolimeryzacji akrylonitrylu ze styrenem wraz z jednoczesnym szczepieniem powstałego kopolimeru na polibutadienie. Tworzywo to charakteryzuje wysoka udarność, twardość oraz odporność na zarysowania. Posiada dobre właściwości izolacyjne, zadowalająca odporność na działanie ługów, rozcieńczonych kwasów, węglowodorów alifatycznych, olejów i tłuszczów. Jest jednym z niewielu tworzyw sztucznych, które można pokrywać warstwami metalicznymi podczas obróbki galwanicznej. Jest stosowany do produkcji obudów aparatury elektronicznej, sprzętu AGD, na elementy samochodów, zabawki, materiały biurowe i wiele innych.

MBS to modyfikowany udarowo terpolimer. MBS cechuje doskonała przepuszczalność światła, łatwość barwienia, przezroczystość, wysoka udarność i dobra odporność chemiczna, odporność na warunki atmosferyczne. Zastosowania MBS: opakowania, aspiratory, materiały do wyrobów medycznych, takich jak dializatory, pojemniki na wodę, artykuły gospodarstwa domowego i sprzęt, obudowy, zabawki, ogrodnictwo, komponenty medyczne, pojemniki kosmetyczne, wyroby medyczne, obudowy sanitarne, urządzenia, systemy do golenia, zabawki, długopisy oraz materiały elektroniczne, materiały odporne na zarysowania do obudów telewizorów, przezroczyste puszki.

SBS otrzymuje się w reakcji kopolimeryzacji jonowej. SBS jest niezwykle wytrzymały w temperaturze pokojowej.  Stosuje się go do elementów formowanych wtryskowo, jako kleje termotopliwe (zwłaszcza w obuwiu) oraz jako dodatek poprawiający właściwości bitumu.

Kopolimer SIS reprezentuje elastomery termoplastyczne, wytwarzane są na drodze kopolimeryzacji jonowej. Właściwości mechaniczne elastomerów SIS są podobne do właściwości wulkanizowanych kauczuków, charakteryzuje je wytrzymałość mechaniczna, odporność na ścieranie, i elastyczność. Kopolimery blokowe SIS są często mieszane z lepkimi żywicami, olejami i wypełniaczami, szeroko stosowanymi w klejach topliwych, uszczelniaczach, materiałach uszczelniających, taśmach gumowych, zabawkach, podeszwach do butów i produktach bitumicznych do nawierzchni drogowych i pokryć dachowych.

VC/VAC jest to grupa kopolimerów o zawartości od kilku do kilkudziesięciu procent octanu winylu. Jest przeznaczony do formowania plastycznego w temperaturach niższych w stosunku do temperatur przetwarzania. Otrzymuje się przez kopolimeryzację rodnikową chlorku winylu z octanem winylu w zawiesinie. Kopolimery te odznaczają się dobrą płynnością są to tworzywa samogasnące i nietoksyczne. VAC wykorzystywany jest do produkcji folii opakowaniowych, pianki zabezpieczającej, produkcji dywaników samochodowych, opakowań termokurczliwych, laminowania innych materiałów, oraz jako warstwa zgrzewalna w laminatach.

Definicja 1: Kopolimer

Kopolimer – rodzaj polimeru, w którego łańcuchach występują dwa lub więcej rodzajów merów. Głównym powodem otrzymywania kopolimerów są ich szczególne własności fizyczne. Kopolimery zawierające trzy różne mery nazywamy terpolimerami.


Polimery fluorowe - ogólna charakterystyka

Podstawowymi monomerami do syntezy tworzyw fluorowych są:

Wszystkie są bezbarwnymi gazami w większości bezwonnymi. Wszystkie są reaktywne, słabo rozpuszczalne w wodzie, a dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych [1], [2].

Fluoropolimery możemy podzielić na dwa typy: perfluorowane, czyli takie gdzie wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami fluoru i częściowo fluorowane. Bardziej wygodna klasyfikacja polega na podzieleniu fluoroplastów i amorficznych fluoropolimery na cztery kategorie [1], [2]:

Podstawowa metoda syntezy polimerów fluorowych to polimeryzacja wolnorodnikowa. Polimeryzacje wolnorodnikowe przeprowadzane są zazwyczaj w środowisku wodnym albo metodą polimeryzacji w zawiesinie albo jako wodna polimeryzacja emulsyjna w obecności emulgatorów.

Właściwości fluoropolimerów różnią się w zależności od ilości atomów fluoru i od rozmieszczenia atomów fluoru w łańcuchu polimerowym. Wyjątkowe właściwości fluoropolimerów wynikają z rodzaju wiązań które w nich występują. W szkielecie polimeru występują silne wiązania C – C i bardzo stabilne wiązania C – F. Zastąpienie wodoru fluorem poprawia trzy kluczowe własności polimeru:

Ze względu na swoje właściwości polimery fluorowe stały się niezbędne zarówno w życiu codziennym jak i w przemyśle. Obszary zastosowania w powiązaniu z właściwościami fluoroplastów zostały zebrane w Tabela 1 [2].

Definicja 1: Polimery fluorowe

Polimery fluorowe (fluoroplasty) to polimery łańcuchowe, które otrzymuje się w reakcji polimeryzacji fluoroalkenów. Ich szkielet podstawowy zbudowany jest z węgla i fluoru.


Fluoroplasty wysokokrystaliczne

Wszystkie homopolimery fluoroalkenów są ciałami krystalicznymi: politetrafluoroetylen (PTFE), politrifluorochloroetylen (PTFCE), polifluorek winylu (PFV). Najważniejszy z nich to politetrafluoroetylen. Występuje pod różnymi nazwami handlowymi (w zależności od producenta): Teflon [1], Polyflon [2], Fluon [3], Algoflon [4]. W Polsce jest produkowany pod nazwą Tarflen [5]. Często spotykana nazwa Teflon jest zastrzeżona przez przedsiębiorstwo DuPont, które wykorzystuje tą nazwę nie tylko do PTFE, ale również do kopolimerów, w których występuje mer  \( -(CF_2-CF_2)- \) [1].

Politetrafluoroetylen (PTFE) jest prostołańcuchowym polimerem tetrafluoroetylenu o ogólnym wzorze:

Struktura łańcuchów PTFE jest całkowicie liniowa. Jego łańcuchy są sztywniejsze niż łańcuchy polietylenu, ponieważ atomy fluoru są większe niż atomy wodoru. Łańcuch ma strukturę zygzakowatą ze spiralnym skrętem wzdłuż osi łańcucha. Specyficzne cechy budowy łańcucha i duża jego masa cząsteczkowa odzwierciedlają się w niezwykle dużej stabilności i odporności termicznej. Charakteryzuje się wysoką temperaturę topnienia  \( T_t=327^{\circ} C \), bardzo wysoką lepkością stopu i bardzo szerokim zakresem temperatury użytkowania od  \( -200^{\circ} C \) do  \( 260^{\circ} C \). PTFE wykazuje niską stałą dielektryczną niezmienną w szerokim zakresie temperatur ( \( 40^{\circ} C \) do  \( 250^{\circ} C \)) i częstotliwości (od 5 Hz do 10 GHz) [6], [7].

Duża energia wiązania  \( C – F \) (najsilniejszego spośród wszystkich znanych w chemii organicznej wiązań C – inny pierwiastek) powoduje, że jest on odporny na działanie substancji chemicznych, odporny na gorący dymiący kwas azotowy (V), nie reaguje z gorącym, żrącym gazowym chlorem ani z kwasem fluorowodorowym. Jedyne substancje z którymi reaguje to stopione metale alkaliczne, trifluorek chloru i gazowy fluor w podwyższonym ciśnieniu i temperaturze [6], [7]. Charakteryzuje się bardzo niską energią powierzchniową, co odzwierciedla się w małej zwilżalności, adhezji i współczynniku tarcia. PTFE ma  najmniejszą względną przenikalność elektryczną oraz współczynnik strat dielektrycznych. Jest najbardziej ognioodpornym ze wszystkich znanych polimerów, spala się tylko w czystym tlenie [7]. Wysoka lepkość stopionego PTFE wyklucza przetwarzanie go metodami typowymi dla termoplastów. Przetwarza się go metodami stosowanymi w metalurgii proszków, które w pierwszym etapie polegają na formowaniu kształtki wstępnej na zimno a następnie spiekaniu w temp.  \( 365-385^{\circ} C \). Obróbka PTFE polega na cięciu, wierceniu, toczeniu, szlifowaniu itp. [8]. Polimer ten charakteryzuje się bardzo dobrą odpornością na starzenie. Jest obojętny fizjologicznie, nietoksyczny i odporny na działanie mikroorganizmów i grzybów. Z powodu względnie słabych właściwości mechanicznych (podatność na pełzanie lub rozrywanie nawet pod niewielkim obciążeniem), do celów konstrukcyjnych jest modyfikowany różnymi dodatkami, jak: węgiel, grafit, włókno szklane, brąz, stal, itp.

Zastosowanie PTFE PTFE w czystej postaci ma kolor biały i stosuje się do produkcji [1], [7], [8]:

Politetrafluoroetylen wzbogacony węglem ( \( 25\% \)) ma kolor czarny. Dodatek węgla poprawia właściwości tworzywa takie jak:

Jest wykorzystywany do profili ślizgowych, gdzie dochodzi do powstawania ładunków elektrycznych, do produkcji łożysk, pierścieni tłokowych i uszczelek [9], [10], [11], [12].

Tworzywo stosuje się do produkcji folii ślizgowych, oraz tam gdzie są wymagane właściwości samosmarujące [9], [10], [11].

Politetrafluoroetylen wzbogacony cząsteczkami stali (zwykle stal 316) wyróżnia się:

Tworzywo stosuje się tam gdzie występuje zużycie ścierne na przeciwległych powierzchniach [11].

PTFE z dodatkiem włókien szklanych ( \( 25\% \)) cechuje się:

Materiał ten jest stosowany w gniazdach zaworowych oraz jako taśmy w przenośnikach taśmowych [10], [11], [13], [14].

PTFE + brąz Dodatek cząstek brązu ( \( 60\% \)) do PTFE wpływa na:

Tworzywo ma zastosowanie do produkcji łożysk, uszczelek i pierścieni tłokowych pracujących w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem [9], [10], [11], [12].


Fluorotermoplasty

Fluorotermoplasty to fluoropolimery, które można przetwarzać w stanie stopionym. Mają one niewiele gorsze właściwości termiczne, chemiczne i powierzchniowe od czystego PTFE, ale można je przetwarzać metodami tradycyjnymi dla termoplastów. Dużą grupę fluorotermoplastów stanowią kopolimery tetrafluoroetylenu, polifluorek winylu (PVF) i polifluorek winylidenu (PVDF).

Obecność HFP w łańcuchu polimeru zmniejsza skłonność do krystalizacji. Charakteryzuje się doskonałą odpornością chemiczną i właściwościami elektrycznymi podczas pracy w wysokich temperaturach do  \( 200^{\circ} C \). Jest ognioodporny i wyróżnia się bardzo dobrą ciągliwością w niskich temperaturach [1]. Kopolimer ten znalazł zastosowanie w elektronice i elektrotechnice do izolacji przewodów pracujących w trudnych warunkach w dużym zakresie temperatur jak również w przemyśle chemicznym do bezpiecznego przechowywania i dystrybucji agresywnych związków chemicznych [2].

Kopolimer ETFE ma dużą wytrzymałość na rozciąganie, umiarkowaną sztywność, dużą elastyczność, wyjątkową udarność, dobre ścieranie, odporność i bardzo wysoką odporność na przecięcie. W przeciwieństwie do innych kopolimerów TFE, żywice ETFE mają wysoką odporność na promieniowanie wysokoenergetyczne. Niezmodyfikowane kopolimery etylenu i TFE mają słabą odporność na naprężenia termiczne - pęknięcia, które poważnie ogranicza ich użyteczność [3]. Stosowany jest jako izolacja kabli i przewodów w samochodach oraz wykładziny pomp i zaworów, obudowy baterii litowych. Ze względu na przeźroczystość dla światła widzialnego stosowany do budowy szklarni i innych konstrukcji budowlanych [4]. Stosowany również do produkcji sprzętu biomedycznego i laboratoryjnego, np. elementy respiratorów tlenowych, zawory analizatorów krwi, itp. [5]. Produkowany pod nazwami TEFZEL® [5].

W porównaniu z TFE kopolimer ten ma niższą stabilność termiczną i gorsze właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach. Zastępuje się nim PTFE, gdy potrzebne są wyroby o skomplikowanych kształtach, szczególnie produkowane masowo. Zastosowanie w elektronice do izolacji przewodów i kabli pracujących w trudnych warunkach w dużym zakresie temperatury [3]. Przewody izolowane PFA pozostają elastyczne w niskiej temperaturze dlatego są stosowane w czujnikach samochodowych, instrumentach medycznych i naukowych, a także w miniaturowych przewodach sygnałowych [6]. W przemyśle chemicznym służy do produkcji węży, rur , przeźroczystych naczyń odpornych na chemikalia [3], [4].

Kopolimer ten jest mniej stabilny termicznie niż PTFE. Pęcznieje narażony na działanie ciekłego chloru,  \( N_2O_4 \) i dymiącego kwasu siarkowego (VI) [3]. Zdolny do wytrzymywania długotrwałych obciążeń mechanicznych co umożliwia zastosowanie go jako materiału konstrukcyjnego. W przeciwieństwie do PTFE posiada doskonałą odporność na pełzanie. Ze względu na temperaturę pracy  \( -240^{\circ} C \) do  \( +150^{\circ} C \) szczególnie nadaje się do zastosowań kriogenicznych [3], [7]. Jest przezroczysty dla światła widzialnego i IR, a nieprzepuszczalny dla promieniowania gamma [3], [4]. PCTFE znalazł zastosowanie w budowie maszyn, do wyrobu uszczelek, podkładek i pierścieni uszczelniających, izolacje elektryczne do wytwarzania specjalnych kabli dla przemysłu lotniczego. Jest dobrym materiałem na wzierniki. W postaci dyspersji stosowany na powłoki antykorozyjne. Z kopolimeru  PCTFE produkuje się opakowania leków i produktów medycznych (blistry do przechowywania beztlenowego) [4], [7].

Odporność chemiczna ECTFE jest podobna do PCTFE. Charakteryzuje się dobrą wytrzymałością, małym pełzaniem i dużą odpornością na ścieranie. Grupy etylenowe powodują, że ten kopolimer ma doskonałą udarność. Jest jednym z polimerów najbardziej odpornych na promieniowanie [3], [8]. Z tego kopolimeru wytwarza się włókna o dużej ognioodporności oraz obojętnie chemicznie. Opakowania z tego tworzywa służą do przechowywania żrących chemikaliów. Jest wykorzystywany w reaktorach jądrowych i statkach kosmicznych. Spośród innych fluoropolimerów wyróżnia się wyjątkową gładkością powierzchni, dlatego jest stosowany w środowiskach ultra czystej wody i tam gdzie musi być zachowana czystość [3], [4], [8], [9]. Nazwa handlowa tego kopolimeru to Halar® ECTFE [8], [10].

PVF jest klasyfikowany jako termoplastyczny pomimo, że nie może w stanie czystym być przetwarzany metodami termoplastycznymi, ponieważ jest niestabilny powyżej temperatury topnienia. Można z niego wytwarzać folie przez mieszanie z utajonymi rozpuszczalnikami. Rozpuszczalnik utajony to taka substancja organiczna, o wysokiej temperaturze wrzenia, która nie rozpuszcza polimeru dopóki nie zostanie aktywowana przez ciepło, dodawana w celu obniżenia temperatury wytłaczania [11]. PVF jest nierozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych poniżej  \( 100^{\circ} C \). Powyżej tej temperatury rozpuszcza się w rozpuszczalnikach polarnych, takich jak amidy, ketony, tetrametylomoczniki [4]. Posiada najmniejszą gęstość spośród wszystkich polimerów fluorowych, dzięki czemu można go stosować do wyrobu najlżejszych kształtek. PFV można formować, zgrzewać, sklejać, tłoczyć [3]. Folie z PVF charakteryzują się wyjątkową odpornością na ścieranie, na działanie czynników chemicznych i promieni UV. Jest również wodoodporna i ma właściwości antyadhezyjne. Może być poddawana obróbce dla zwiększenia przyczepności [12]. Jest wykorzystywany [3], [4], [12]:

Polifluorek winylu występuje pod nazwą handlową Tedlar® [12].

Otrzymuje się w wyniku polimeryzacji winylidenu. W porównaniu z innymi tworzywami fluorowymi posiada niską gęstość. Charakteryzuje się dobrymi właściwościami chemicznymi, termicznymi i wytrzymałościowymi. Nieodporny na oleum i czynniki sulfonujące w wysokiej temperaturze [3]. Odporny na promieniowanie. Rurociągi z tego tworzywa wykorzystuje się do odprowadzania odpadów radioaktywnych [3]. Znalazł zastosowanie  jako tworzywo konstrukcyjne i wykładzinowe. Wykorzystywany również do instalacji chemicznych z wyższym obciążeniem mechanicznym [13] oraz w bateriach litowych jako spoiwo w składzie elektrod oraz separator [14]. Występuje pod nazwą handlową TECAFLON PVDF [13] i SOLEF [14].


Fluoroelastomery

Fluoroelastomery – kauczuki fluorowe o wysokiej odporności na działanie czynników termicznych i chemicznych, powracające do formy po znacznej deformacji. Różne rodzaje fluoroelastomerów otrzymuje się w wyniku rodnikowej polimeryzacji monomerów winylowych.

Do syntezy elastomerów wykorzystuje się trzy rodzaje monomerów:

Właściwe proporcje różnych monomerów o różnej budowie przestrzennej  i własnościach wraz z odpowiednią terminacją łańcucha umożliwiają regulowanie właściwości mechanicznych, zachowania w niskich temperaturach oraz odporności chemicznej. Elastomery zawierające fluor posiadają gumową elastyczność zarówno w wysokich jak i niskich temperaturach, a także w kontakcie z różnymi chemikaliami. Aby zapewnić im odwracalne właściwości sprężyste poddaje się je sieciowaniu. Elastomery fluorowe są kopolimerami powstałymi z monomerów gdzie jeden tworzy prosty długi łańcuch i ma tendencję do krystalizacji, a drugi jest wbudowany w pewnych odstępach, aby ograniczyć krystalizację. Łańcuchy z takimi monomerami jak fluorek winylidenu (FVD), tetrafluoroetylen, etylen mają tendencję do krystalizacji, jeśli są wystarczająco długie. Dlatego włącza się monomery z dużymi grupami bocznymi, takie jak HFP, PMVE i propylen, aby zapobiec krystalizacji [1].

Elastomery klasyfikuje się na trzy kategorie ze względu na rodzaj monomerów użytych do syntezy: FKM, FFKM i FEPM [2].

W elastomerach oznaczonych jako FKM wykorzystuje się monomery alkena częściowo podstawione fluorem (hydrofluoro). Jednym z monomerów jest zawsze fluorek winylidenu (FVD). Produkowany pod nazwą Viton®, Dydeon® i Tecnoflon®. FKM charakteryzuje się [1], [3], [4]:

Grupa FFKM – to rodzaj kauczuków perfluorowanych. Jest jednym z najdroższych elastomerów. Charakteryzuje się podobnymi właściwościami jak FKM jednak ma wyższą odporność na wysokie temperatury w pracy ciągłej, do 327°C, oraz jest bardziej odporny na środowisko silnie alkaliczne. Jest najbardziej odpornym chemicznie elastomerem [2], [5], [6], [7].

Grupa FEPM (TFEP) – kauczuk będący kopolimerem tetrafluoroetylenu i propylenu. Produkowany pod nazwą Aflas®. W porównaniu z innymi fluoroelastomerami jego wadami są [8], [9]:

Zastosowanie fluoroelastomerów Fluoroelastomery są szeroko stosowane w przemyśle chemicznym, samochodowym, lotniczym i naftowym [3], [4], [7], [8], [9]:


Fluoropolimery amorficzne

Fluoropolimery amorficzne są polimerami syntetycznymi składającymi się zwykle z węgla, fluoru i tlenu. Jest to nowy rodzaj polimerów fluorowych opracowany po raz pierwszy w połowie lat 80 ubiegłego wieku. Charakteryzują się wysoką temperaturą zeszklenia, budową liniową i dużą masą cząsteczkową. Posiadają wszystkie cechy fluoroplastów a dodatkowo są rozpuszczalne w wybranych rozpuszczalnikach i mają doskonałe własności optyczne. Najważniejsze cechy fluoropolimerów bezpostaciowych to [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]:

Najbardziej popularne to te o nazwach handlowych: Teflon® AF, Cytop® i Hyflon® AD [1], [2].

jest kopolimerem tetrafluoroetylenu (TFE) i 2,2 di(trifluorometylo)-4,5-difluoro-1,3-dioksolanu.

jest homopolimerem otrzymywanym na drodze cyklicznej polimeryzacji perfluoro-4-winyloksy-1-butanu.

jest kopolimerem tetrafluoroetylenu (TFE) i 2,2-di(trifluoro)-4-fluoro-5-trifluorometyloksy-1,3-dioksolanu.

Fluoropolimery amorficzne są stabilne chemicznie i termicznie. Rozpuszczają się w rozpuszczalnikach fluorowych, mają niskie stałe dielektryczne a folie z nich wykonane są przezroczyste. Mają wyjątkowe właściwości w porównaniu z tradycyjnymi fluoropolimerami [1], [2].

Amorficzne fluoropolimery mogą być przetwarzane w stanie stopionym wszystkimi konwencjonalnymi technikami takimi jak wytłaczanie, kompresja, wtrysk czy odlewanie. Roztwory polimerów amorficznych mogą być stosowane do powlekania wirowego, zanurzeniowego, natryskiwania czy odlewania [1].

Zastosowanie amorficznych fluoropolimerów Fluoropolimery bezpostaciowe znalazły zastosowanie jako [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]:


Poliestry - budowa i właściwości

Metody otrzymywania poliestrów Poliestry mogą być otrzymywane na drodze polimeryzacji kondensacyjnej (najpopularniejsza metoda reakcji), polimeryzacji z otwarciem pierścienia.

Przykłady  metod otrzymywania poliestrów: 1. Reakcja polikondensacji alkoholi polihydroksylowych (wielowodorotlenowych), np. alkohol dihydroksylowy (HO-R-OH) z wielofunkcyjnymi kwasami karboksylowymi (HOOC-R-COOH), która przebiega z wydzieleniem małocząsteczkowego produktu ubocznego (wody); jest to reakcja poliestryfikacji. Uwaga: W celu zwiększenia wydajności reakcji (czyli przesunięcia równowagi dynamicznej w prawo, w kierunku powstawania produktów) usuwa się produkt uboczny (wodę) ze środowiska reakcyjnego (np. prowadząc proces w wysokiej temperaturze). Wysoka temperatura może doprowadzić do występowania innych procesów ubocznych,  użycie gazu obojętnego  lub rozpuszczalnika prowadzi do obniżenia temperatury reakcji poliestryfikacji (eliminacja ubocznych procesów). Do katalizatorów reakcji poliestryfikacji należą kwasy (np. kwas siarkowy i p-toluenosulfonowy). 2. Reakcja homopolikondensacji hydroksykwasów. 3. Reakcja transestryfikacji estrów dimetylowych kwasu dikarboksylowego z glikolami (powstaje produkt uboczny alkohol – zob. rozdział Poliestry-Politereftalen etylenu, otrzymywanie, etap I. 4. Reakcja polikondensacji alkoholi dihydroksylowych (dioli) z dichlorkami kwasów karboksylowych (powstaje produkt uboczny – chlorowodór).

Wśród grupy poliestrów można wyróżnić m.in.:

Ze względu na bardzo szerokie możliwości syntezy, poliestry charakteryzują się bardzo zróżnicowanymi właściwościami. Właściwości fizyczne i chemiczne zależą m.in. od składu i struktury chemicznej, średniej masy cząsteczkowej, zawartości substancji małocząsteczkowych (zob. rozdziały, w których omówiono poliestry - politereftalen etylenu, poliestry alifatyczno-aromatyczne, żywice poliestrowe, żywice alkidowe, poliwęglany ).

Definicja 1: Poliestry

Polimery, które charakteryzują się występowaniem w łańcuchu  głównym wiązania estrowego ( \( -C(=O)-O- \)) [1], [2], [3].


Poliestry - politereftalan etylenu

(skróty międzynarodowe PET, PETE) to jeden z najpopularniejszych polimerów z grupy poliestrów ( Rys. 1 ), polimer termoplastyczny (termoplast). Charakteryzuje się budową liniową, może być syntezowany w postaci amorficznej (bezpostaciowej) lub krystalicznej (masa molowa =  \( 1,5\cdot 10^4 - 3\cdot 10^4 g\cdot mol^{-1} \)).

Przykład przemysłowej syntezy PET, reakcja polimeryzacji kondensacyjnej ( Rys. 2 ).

jest jednym z najczęściej poddawanych recyklingowi tworzyw sztucznych, a jego symbolem jest liczba „1”.

Przykłady zastosowania poli(tereftalanu etylenu):


Polimery na bazie estrów alifatyczno-aromatycznych

Bardzo ważną grupą wśród poliestrów alifatyczno-aromatycznych są poliestry biodegradowalne (m.in. ulegają degradacji hydrolitycznej w warunkach fizjologicznych, degradacji biologicznej katalizowanej enzymami).

Przykłady polimerów biodegradowalnych na bazie estrów alifatyczno-aromatycznych:

Definicja 1: Poliestry alifatyczno-aromatyczne

to polimery z grupy poliestrów, które otrzymuje się najczęściej w reakcji polikondensacji alifatycznych dioli (alkoholi z dwoma grupami hydroksylowymi), alifatycznych kwasów dikarboksylowych i aromatycznych kwasów /estrów dikarboksylowych [1].


Poliestry - poliwęglany

Rys. 1 przedstawia schemat otrzymywania poliwęglanów z bisfenolu A.

Poliwęglany są stosowane w wielu gałęziach przemysłu, przykłady zastosowania poliwęglanów:

Definicja 1: Poliwęglany

Poliwęglany to poliestry kwasu węglowego ( \( H_2CO_3 \)), cecha charakterystyczna to występowanie grupy estrowej w łańcuchu głównym polimeru.


Poliestry - żywice poliestrowe

Nienasycone żywice poliestrowe, otrzymuje się najczęściej w reakcji polikondensacji kwasów (nienasyconych) dikarboksylowych z glikolami (w syntezie bardzo często stosuje się bezwodnik maleinowy, glikol propylenowy/etylenowy) oraz w reakcji polimeryzacji rodnikowej (estrów allilowych kwasów polikarboksylowych).

Rys. 1 przedstawia schemat otrzymywania żywicy poliestrowej (reakcja polikondensacji).

Ze względu na niską cenę i bardzo dużą reaktywność bardzo często w produkcji żywic poliestrowych stosuje się styren, jednak ze względu na toksyczne aspekty jego stosowania, takie jak m.in. uwalnianie się go w postaci oparów, jak i prawnym ograniczeniom jego stosowania, stosuje się różne rozwiązania technologiczne, które mają na celu ograniczenie lub wyeliminowanie jego użycia. Coraz częściej w produkcji żywic poliestrowych stosuje się monomery takie jak monomery winylowe (winylotoluen, octan winylu, metakrylan metylu).

Reakcję usieciowania (utwardzenia) przeprowadza się  za pomocą m.in. styrenu, akrylanów, w obecności inicjatorów rodnikowych (np. nadtlenku benzoilu). Usieciowane żywice poliestrowe charakteryzują się  m.in. bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi, dużą odpornością na korozję. Właściwości nienasyconych żywic poliestrowych wiążą się m.in. z liczbą oraz położeniem wiązań podwójnych w polimerze. Bardzo dużą elastycznością charakteryzują się poliestry, które zawierają w cząsteczce dwa wiązania podwójne (końcowe, terminalne).

Nienasycone żywice poliestrowe znalazły zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu m.in.:

Nasycone żywice poliestrowe są stosowane m.in. w przemyśle lakierniczym, np. do produkcji bezrozpuszczalnikowych farb proszkowych (sproszkowane lakiery z żywicami poliestrowymi, są produktami ekologicznymi, przy ich produkcji nie stosuje się szkodliwych dla środowiska rozpuszczalników), charakteryzują się dużą odpornością na czynniki mechaniczne.

Definicja 1: Żywice poliestrowe

Żywice poliestrowe ( poliestry ) to wielkocząsteczkowe estry kwasów dikarboksylowych i alkoholi polihydroksylowych, które najczęściej otrzymuje się w wyniku reakcji polikondensacji ( przykład ).

Definicja 2: Żywice poliestrowe nienasycone

oligomery, które w łańcuchu głównym makrocząsteczki zwierają grupy estrowe (-OCOR) i wiązanie podwójne (-CH=CH-).


Poliestry - żywice alkidowe

Najczęściej stosowane kwasy polikarboksylowe oraz ich bezwodniki to kwas izoftalowy, bezwodnik ftalowy, bezwodnik maleinowy. Natomiast przykłady alkoholi polihydroksylowych stosowanych w procesie syntezy to glicerol, pentaerytryt, glikol etylenowy. Dodatek kwasu tłuszczowego w procesie produkcji żywic alkidowych w znaczny sposób poprawia elastyczność żywic.

Żywice alkidowe, można podzielić m.in. ze względu na:

Żywice alkidowe są stosowane w produkcji:

Definicja 1: Żywice alkidowe

Alkidale to żywice polimerowe z grupy poliestrów, otrzymywane z alkoholi polihydroksylowych (np. gliceryny) i kwasów polikarboksylowych lub ich bezwodników. Termin żywice alkidowe pochodzi od nazwy substratów używanych do ich produkcji.


Poliestry - przykłady i zastosowanie

1. Poli(tereftalan etylenu), PET (zob. rozdział Poliestry - politereftalan etylenu ). 2. Poli(tereftalan butylenu), PBT – otrzymywany w reakcji polikondensacji kwasu tereftalowego i glikolu butylenowego, zastosowanie: przemysł elektroniczny i elektryczny (np. przełączniki elektryczne, gniazdka, włączniki, rozdzielnice), przemysł motoryzacyjny (np. części układu zapłonowego), w produkcji np. obudowy warstw izolacyjnych, silników. 3. Polilaktyd (poli(kwas mlekowy), PLA) – biodegradowalny polimer, poliester alifatyczny (otrzymywany z surowców odnawialnych), stosowany np. w przemyśle medycznym (implanty dentystyczne, nici chirurgiczna), w przemyśle opakowań (butelki, naczynia jednorazowe). 4. Poliglikolid (poli(kwas glikolowy), PGA) – biodegradowalny polimer, najprostszy poliester alifatyczny, stosowany w implantologii (np. w rekonstrukcji kości). 5.  Polikaprolakton, (Poli(ε-kaprolakton), PCL), biodegradowalny polimer, stosowany w przetwórstwie jako surowiec do otrzymywania odpowiednich wyrobów w procesach np. wtrysku, wytłaczania, wytłaczania z rozdmuchem, do zastosowań jako modyfikator procesu adhezji, w medycynie np. w produkcji specjalnego rodzaju degradowalnych (poprzez powolną hydrolizę) biomateriałowych implantów, w tworzeniu powłok w kapsułkach leków (drażetek), w produkcji bioresorbowalnych nici chirurgicznych, w stomatologii (składnik żywic do wypełniania kanałów zębowych). 6. Polihydroksyalkaniany, PHA (zob. rozdział polimery na bazie PHA ) – na skalę przemysłową wytwarza się np. polihydroksymaślan, PHB, biodegradowalny przykład biopoliestru „bakteryjnego”, poliester produkowany przez organizmy żywe, stosowany np. w medycynie (implantologia), w  przemyśle farmaceutycznym. 7. Poliwęglan, PC (zob. rozdział Poliestry - poliwęglany ). 8. Żywice alkidowe, (zob. rozdział Poliestry - żywice alkidowe ) – np. żywica gliptalowa (żywica glicerynowo-ftalowa) znalazła  zastosowanie w produkcji żywic lakierniczych, różnego rodzaju lakierów (np. lakierów ochronnych, izolacyjnych). 9. Nienasycone żywice poliestrowe (zob. rozdział Poliestry - żywice poliestrowe ).

Rys. 1 przedstawia budowę oraz przykładowe zastosowania wybranych poliestrów stosowanych w różnych gałęziach przemysłu i przetwórstwa.


Polimery przewodzące prąd elektryczny

Wyróżnia się trzy mechanizmy przewodnictwa tworzyw polimerowych.

Przewodnictwo elektronowe – przewodzenie prądu odbywa się podobnie jak w metalach, na skutek istnienia pasm przewodnictwa powstających w wyniku delokalizacji elektronów w wielokrotnych wiązaniach chemicznych występujących w głównym łańcuchu, bądź z nakładania się pustych orbitali wzdłuż łańcucha głównego. Rys. 1 przedstawia teorię pasmową przewodników elektronowych. Przewodzenie jest możliwe, kiedy pasma walencyjne i przewodnictwa zachodzą na siebie, bądź przerwa energetyczna pomiędzy nimi pozwala na przeskok elektronów.

Podobnie jak dla klasycznych półprzewodników, można modyfikować właściwości elektryczne polimerów przewodzących poprzez domieszkowanie – usuwanie lub wprowadzanie elektronów do układu. W przeciwieństwie jednak do półprzewodników nieorganicznych, nie stosuje się domieszek pierwiastków bogatych lub ubogich w elektrony, lecz prowadzi częściową redukcję lub utlenienie makrocząsteczek polimeru, co prowadzi do wytworzenia jonorodników. W zależności od sposobu domieszkowania, wyróżniamy n-domieszkowanie (redukcja) oraz p-domieszkowanie (utlenianie). Niektóre polimery wykazują przewodnictwo porównywalne z przewodnictwem półprzewodników, a domieszkowane – nawet na poziomie metali.

Polimery przewodzące elektronowo mogą występować w postaci neutralnej (brak ładunku), utlenionej (czyli w postaci kationowej) lub zredukowanej (postać anionowa). Rys. 3 przedstawia rodzaje nośników ładunków spotykane w polimerach przewodzących.

Przewodnictwo jonowe – przewodzenie prądu jest skutkiem ruchu jonów w matrycy, podobnie jak w przypadku roztworów klasycznych elektrolitów. Polielektrolity posiadać muszą grupy jonowymienne lub elektronodonorowe przyłączone do łańcucha głównego, nośnikiem ładunku jest niewielki kation (np. Li), poruszający się skokowo pomiędzy grupami elektronodonorowymi przyłączonymi do łańcucha głównego. Ruch kationu, powoduje ruch anionu w przeciwną stronę. Przewodnictwo tego typu rośnie wraz ze wzrostem temperatury, ponieważ zmniejsza się lepkość polimeru, co powoduje większą ruchliwość jonów. Polimery takie  nazywa się elektrolitami stałymi i charakteryzuje za pomocą liczby jonowej i ruchliwości jonowej.

Przewodnictwo redoksowe – polimery tej grupy zawierają izolowane od siebie grupy, przyłączone do łańcucha głównego, które mogą ulegać odwracalnym reakcjom utlenienia i redukcji. Przewodzenie odbywa się na zasadzie przeskoku elektronu między grupami redoks.

Polimery, których przewodność elektryczna zmienia się pod wpływem oświetlenia są nazywane polimerami fotoprzewodzącymi (elektroluminescencyjnymi), zostały opisane w osobnym module.

Do najważniejszych polimerów wykazujących zdolność przewodnictwa zalicza się polimery:

Polimery przewodzące otrzymywać można zarówno klasycznie, na drodze syntezy chemicznej, biokatalizowanej syntezy chemicznej, elektrochemicznie, na drodze fotochemicznej oraz na drodze reakcji w stanie stałym (ang. solid state polymerisation).

Synteza elektrochemiczna – polega na elektrolizie monomeru w rozpuszczalniku, zawierającym często także elektrolit – prowadzi się anodowe utlenienie monomeru z wytworzeniem kationorodników, które następnie reagują z monomerem lub ze sobą nawzajem, aż do wytworzenia produktu przejściowego o strukturze dikationu. Powstałe dikationy, zawierające pewien układ wiązań sprzężonych mogą łatwo odszczepiać kationy wodorowe, pozbywając się ładunku. Produktami takiego odszczepiania są obojętne oligomery, które następnie mogą dyfundować do anody, gdzie zostaną ponownie utlenione. Powyższy cykl powtarza się aż do momentu, w którym stopień polimeryzacji osiągnie tak wysoką wartość, że polimer zacznie osadzać się na anodzie w postaci filmu.

Polikondensacja w stanie stałym to proces, w którym wzrost łańcucha polimeru zachodzi w warunkach, w których co najmniej jeden reagent jest w stanie stałym; proces zachodzi pod wpływem ciepła pod nieobecność tlenu i wody, w próżni lub w wyniku przedmuchiwania gazem obojętnym w celu usunięcia produktów ubocznych reakcji.

Właściwości  Połączenie dużej elastyczności polimerów  z dobrą przewodnością elektryczną czyni je znakomitymi zamiennikami metali. Polimerowy półprzewodnik łatwo można nanieść na ogromną płaszczyznę. Nie ulegają korozji.

Zastosowanie Polimery przewodzące są używane do produkcji przewodów, membran, przezroczystych elektrod w przenośnych komputerach,  świecących wskaźnikach, kompozytów chroniących przed nagromadzeniem się ładunków elektrostatycznych, w fotoogniwach, układów zasilających lub sterujących, konstrukcji maszyn i robotów w skali mikro- i nano-, w samolotach niewidzialnych przez radary, w tkaninach maskujących żołnierzy przed noktowizorami, jako powłoki antystatyczne. Polielektrolity – elektrolity stałe, stosowane są w ogniwach elektrochemicznych, jako membrany pół przewodzące, wymieniacze jonowe, w akumulatorach litowo-polimerowych, do biosyntez z wykorzystaniem cieczy jonowych w celu uzyskania wyższej enancjoselektywności, np. w syntezie ibuprofenu [1]. Polimery przewodzące na drodze redoks znalazły zastosowanie jako aktywne warstwy czujników pH i niektórych rodzajów biosensorów czułych na zmiany potencjału redoks układu, stosowane są w wykrywaniu i ilościowym oznaczaniu różnych złożonych substancji organicznych, np. glukozy [2].


Polimery elektroluminescencyjne

Polimery elektroluminescencyjne (ang. Light Emitting Polymers, LEP) – nazywane również polimerami emitującymi światło – to polimery emitujące światło pod wpływem przyłożonego do nich napięcia elektrycznego w wyniku zjawiska elektroluminescencji.

Przyłożenie napięcia powoduje przepływ elektronów od katody do anody, katoda emituje elektrony do warstwy emisyjnej, a anoda pobiera elektrony z warstwy przewodzącej, innymi słowy anoda emituje luki elektronowe do warstwy emisyjnej. Oddziaływanie elektrostatyczne przyciąga elektrony i luki, które ulegają rekombinacji. W momencie rekombinacji elektron przechodzi na niższy poziom energetyczny, co powoduje emisję fotonu. Taki układ, zdolny do emisji światła pod wpływem przyłożonego napięcia, nazywany jest LED (ang. Light-Emitting Diode) lub OLED (ang. Organic Light-Emitting Diode) – jeśli warstwa przewodząca jest związkiem organicznym. Rys. 1 przedstawia schemat procesu elektroluminescencji [1].

Organiczne diody elektroluminescencyjne (ang. Organic Light Emitting Diode, OLED) są powierzchniowymi źródłami światła, w którym grubość aktywnych warstw – polimerów – na ogół jest nie większa niż  \( 500 nm  \), mechanizm emisji światła różni się od emisji światła nieorganicznych struktur LED. OLEDy charakteryzują się luminancją rzędu  \( 1000-3000 cd/m^2 \), a ich technologia produkcji sprawia, że możliwe jest uzyskanie warstw emitujących światło o dużej powierzchni i dobrej jednorodności promieniowania. Pierwszym polimerem, w którym zauważono to zjawisko był polifenylenowinylen PPV. W tym momencie znana jest już cała gama polimerów elektroluminescencyjnych.

Dioda OLED zbudowana jest z kilku bardzo cienkich warstw materiałów nałożonych na siebie w sposób przypominający wyglądem kanapkę [2]:

Polimery elektroluminescencyjne mogą emitować światło o różnych kolorach. Poniżej przedstawiono przykłady polimerów emitujących światło o różnych barwach.

Do skonstruowania diody dającej światło białe stosuje się polimery emitujące światło RGB (red, green, blue), czyli o kolorach czerwonym,  zielonym i niebieskim.

Odkrycie polimerów przewodzących posiadających zdolność elektroluminescencji umożliwiło stworzenie diod emitujących światło - diod  LED  i ich kolejnych wersji rozwojowych: PLED (ang. Polymer Light Emitting Diode), OLED (ang. Organic Light Emitting Diode), PMOLED (ang. Passive Matrix OLED) i AMOLED (ang. Active Matrix OLED).

Polimery elektroluminescencyjne, tak samo jak polimery przewodzące otrzymywać można na drodze syntezy chemicznej, biokatalizowanej syntezy chemicznej, elektrochemicznie, na drodze fotochemicznej oraz na drodze reakcji w stanie stałym (solid state polymerisation). Metody te są opisane w module Polimery przewodzące prąd elektryczny.

Właściwości Nowoczesne polimery elektroluminescencyjne dają możliwość uzyskania złożonych kształtów – materiały elektroluminescencyjne można nakładać na przewodzące materiały tekstylne w celu tworzenia elektroluminescencyjnych urządzeń tekstylnych. Charakteryzują się małą masą i elastycznością, są energooszczędne, pobierają niewiele energii elektrycznej, praktycznie nie emitują ciepła, są niewrażliwe na wstrząsy i drgania.

Zastosowanie Polimery elektroluminescencyjne są głównie stosowane do produkcji diod OLED, te z kolei znalazły zastosowanie jako ekrany w telefonach komórkowych, odtwarzaczach MP3 i MP4, radiach samochodowych, kamerach cyfrowych, ultra płaskich telewizorach, elastycznych wyświetlaczach, e-papierze, e-tkaninach; są stosowane jako energooszczędne źródła światła w gospodarstwach domowych, samochodach, urządzeniach lotniczych, znakach drogowych i reklamach.

Definicja 1: Elektroluminescencja

Elektroluminescencja jest zdolnością niektórych substancji do emitowania światła pod wpływem przepływu prądu, wyładowania elektrycznego, pola elektrycznego, fali elektromagnetycznej.


Polimery z pamięcią kształtu

Polimery z pamięcią kształtu (ang. Shape Memory Polymers, SMP) to materiały, które potrafią „zapamiętać” swój pierwotny kształt i powrócić do tego kształtu, gdy zostanie zastosowany jakiś bodziec. Zalicza się je do grupy tzw. "materiałów inteligentnych". W porównaniu do stopów z pamięcią kształtu, polimery z pamięcią kształtu są znacznie lżejsze, wytrzymują duże odkształcenia, które są odwracalne oraz są tańsze. Polimery z pamięcią kształtu są łatwe w przetwarzaniu, można je wielokrotnie programować oraz kontrolować czas reakcji na bodźce [1]. Powrót do pierwotnego kształtu może być wyzwalany przez różne bodźce. Jak dotąd osiągnięto to za pomocą [1], [2]:

Największą grupę polimerów inteligentnych stanowią polimery z termiczną pamięcią kształtu. Właściwości adaptacyjne tych polimerów ujawniają się pod wpływem zmian temperatury. Polimery z pamięcią kształtu mogą być rozciągane elastycznie i chłodzone, dzięki temu krystalizacja lub tworzenie fazy szklistej utrwala polimer w nierównowagowy tymczasowy kształt. Przez podgrzanie polimeru powyżej temperatury zeszklenia  \( T_g \) lub topnienia, zmagazynowana energia sprężysta jest uwalniana i polimer powraca do kształtu pierwotnego. Po schłodzeniu do dostatecznie niskiej temperatury prawie wszystkie elastomery wykazują pamięć kształtu Rys. 1.

Jednak SMP można zaprojektować tak, aby dobierając odpowiednią temperaturę panować nad trwałością czy przywracaniem kształtu. Kluczem do otrzymania takich polimerów jest kontrolowanie krystalizacji, która zachodzi gdy polimer jest chłodzony lub rozciągany. Gdy materiał jest odkształcony, łańcuchy polimeru są lokalnie rozciągane, a segmenty polimeru układają się w tym samym kierunku w małych obszarach lub domenach zwanych krystalitami. Domeny te utrwalają tymczasowy zdeformowany kształt polimeru. Wraz ze wzrostem liczby krystalitów, kształt polimeru staje się coraz bardziej stabilny, co utrudnia powrót polimeru do pierwotnego kształtu. Jeśli powtórnie podgrzejemy polimer do temperatury wyższej niż T_g to polimer wróci do pierwotnego kształtu. Taki polimer zbudowany jest więc, z co najmniej dwóch faz, jednej sztywnej z wysoką temperaturą przemiany i drugą odpowiedzialną za odzyskiwanie kształtu – może to być faza szklista lub krystaliczna [1], [2], [3].

Polimery, które są wykorzystywane jako polimery z pamięcią kształtu to głównie elastomery termoplastyczne.

Zastosowanie polimerów z pamięcią kształtu Polimery z pamięcią kształtu znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach [1], [4], [5], [6]:


Polimery samonaprawiające się

Polimery samoregenerujące to nowa klasa materiałów inteligentnych, które mają zdolność do samodzielnego naprawiania własnych uszkodzeń bez zewnętrznej interwencji człowieka. Autonomiczne samonaprawiające się polimery przechodzą trójetapowy proces bardzo podobny do reakcji biologicznej ( Rys. 1 ). W przypadku uszkodzenia (1) pierwszą reakcją jest wyzwolenie lub zadziałanie fazy ruchomej (2), które następuje niemal natychmiast po wystąpieniu uszkodzenia. Drugą odpowiedzią jest transport materiałów do dotkniętego obszaru (3), co również następuje bardzo szybko. Trzecią odpowiedzią jest proces naprawy chemicznej (4) i unieruchomienie fazy ruchomej po "wyleczeniu" [1].

Proces regeneracji polimeru można prowadzić:

Samonaprawiające się materiały polimerowe można podzielić na dwie grupy w oparciu o podejście do mechanizmu samonaprawiania: mechanizm wewnętrzny i mechanizm zewnętrzny [1], [2]. Materiały oparte na mechanizmie zewnętrznym to takie, w których proces leczenia zależy od czynników zewnętrznych np. środka naprawczego rozdyspergowanego w kapsułkach ( Rys. 2 ) lub układzie naczyń. Po uszkodzeniu środek jest uwalniany i uszczelnia on uszkodzenie nie wchodząc w reakcję z polimerem macierzystym. System zewnętrzny stosowany jest w  duroplastach, głównie w żywicach epoksydowych. Materiały oparte na mechanizmie wewnętrznym wykorzystują wiązania, które odnawiają się po rozerwaniu np. polimeryzacja, odwracalne sieciowanie, czy wiązania wodorowe. Ten mechanizm jest wykorzystywany w elastomerach, silikonach, poliuretanach i szeroko pojętych gumach [1], [2], [3].

Zastosowanie samoregenerujących się polimerów:


Polimery biodegradowalne - definicje

W ostatnich latach obserwuje się znaczący postęp w produkcji polimerów, które ulegają biodegradacji. Polimery biodegradowalne w środowisku naturalnym ulegają degradacji, a produktami ich rozkładu są związki nietoksyczne. Polimery biodegradowalne są zazwyczaj wytwarzane z surowców naturalnych np. kukurydzy, trzciny cukrowej, pancerzy skorupiaków, odpadów rolnych itp. Tego typu polimery nazywane są często polimerami przyjaznymi środowisku (ang. environmentally friendly polymers). Klasyfikacja biodegradowalnych polimerów obejmuje dwie główne grupy polimerów w zależności z jakich źródeł one pochodzą. Polimery biodegradowalne mogą pochodzić ze źródeł odnawialnych lub petrochemicznych [1], [2]. Przykładem polimerów biodegradowalnych pochodzących ze źródeł odnawialnych są:

Przykładem polimerów biodegradowalnych pochodzących ze źródeł petrochemicznych są:

Zdecydowana większość produkowanych polimerów nie ulega biodegradacji, co sprawia, że są one poważnym zagrożeniem dla środowiska naturalnego. Obecność w jeziorach, rzekach czy morzach opakowań, butelek i innych materiałów wykonanych z polimerów nie ulegających rozkładowi, jest szczególnie groźna dla zwierząt żyjących w tych wodach. Ryby i inne zwierzęta po połknięciu odpadów wykonanych np. z polietylenu, polipropylenu, poliamidu najczęściej giną. Do produkcji tworzyw sztucznych dodawane są często pigmenty, fosforoorganiczne plastyfikatory, stabilizatory zawierające ołów, które są toksyczne dla środowiska naturalnego. W związku z tym bardzo ważne jest ponowne wykorzystanie (recykling) odpadów z tworzyw sztucznych.


Biopolimery

Polimery naturalne, nazywane także biopolimerami, to polimery powstające w reakcjach łańcuchowych katalizowanych enzymatycznie przebiegających w złożonych procesach metabolicznych. Są pozyskiwane (ekstrahowane) z materiału, w którym te procesy zachodzą, czyli z materiału:

Materiał roślinny to np. kukurydza (która zawiera skrobię, tłuszcz i białko lub wodorosty zawierające algininę), drewno, bawełna, len, czy juta (zawierające celulozę); ziemniaki (zawierające skrobię), trzcina cukrowa (zawierająca sacharozę), kauczukowiec brazylijski (zawierający kauczuk naturalny – politerpen), wodorosty (zawierające chitynę), skórki cytrusów i resztki jabłek (zawierające pektynę) itd. Materiał zwierzęcy to np. kokony jedwabników (z których jest wytwarzany jedwab naturalny), szkielet zewnętrzny głowonogów (zawierający chitynę i chitozan), okrywa włosowa zwierząt (z której wytwarzana jest wełna), czy substancja międzykomórkowa wszystkich organizmów zwierzęcych (zawierająca kolagen) itd. Natomiast do źródeł mikrobiologicznych należą bakterie i grzyby (które zawierają m.in. celulozę, chitynę i chitozan oraz produkują i magazynują np. polihydroksymaślan czy polihydroksymaślan-walerian).

Polimery naturalne są klasyfikowane, w oparciu o rodzaj monomeru (zob. Rys. 2 ), na trzy podstawowe grupy (punkty 1-3) oraz (punkty 4-7):

Polimery naturalne wykazują liczne i pożądane cechy, do których należą: duża liczebność, plastyczny charakter, biodegradowalność, a co za tym idzie biostabilność i biokompatybilność. Oznacza to, że polimery naturalne sprzyjają adhezji komórek i nie wywołują skutków ubocznych, w tym cytotoksyczności i odpowiedzi antygenowej w kontakcie z organizmami żywymi oraz wykazują względnie długi okres życia. Wiele naturalnych polimerów (jak np. kolagen, żelatyna, alginian, itd.) tworzy także hydrożele. Dzięki tym własnościom polimery naturalne znalazły zastosowania m.in. w kontrolowanym dostarczaniu genów i leków (umożliwiają zminimalizowanie strat leku i ograniczają toksyczność leku względem zdrowej tkanki), czy w medycynie (do regeneracji kości lub w terapiach antynowotworowych (np. chitozan niszczy błonę komórek nowotworowych (mięsaka i raka wątroby) indukując ich apoptozę). Dodatkowo, kauczuk, chitozan, kwas alginowy czy białko można przekształcić we włókna w odpowiednim procesie formowania włókien.

Większość polimerów naturalnych powstaje w reakcjach polimeryzacji kondensacyjnej, w których produktem ubocznym jest woda  \( ({H}{_2}{O}) \).


Celuloza

Celuloza jest liniowym polisacharydem składającym się z jednostek D – glukozy połączonych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Wzór strukturalny celulozy przedstawiono na Rys. 1.

Celuloza należy do grupy związków organicznych, które są najbardziej rozpowszechnione na ziemi. Jest ona głównym składnikiem strukturalnym ścian komórkowych roślin wyższych, niektórych grzybów, bakterii i glonów. Celuloza nazywana jest również błonnikiem i jest ona nierozpuszczalna w wodzie, a także w rozpuszczalnikach organicznych [1]. Wykazuje również bardzo dużą odporność na działanie kwasów rozcieńczonych, jedynie kwasy stężone powodują hydrolizę celulozy. Celulozę można rozpuścić w odczynniku Schweizera, który otrzymuje się poprzez rozpuszczenie wodorotlenku miedzi II w stężonym wodnym roztworze amoniaku. Enzymy zwane celulazami, należące do hydrolaz, powodują rozerwanie wiązań β-1,4-glikozydowych występujących pomiędzy cząsteczkami glukozy. Celulazy katalizują reakcję hydrolizy wiązań β-1,4-glikozydowych występujących w celulozie, co ostatecznie prowadzi do wytworzenia glukozy [2]. Człowiek i wiele ssaków nie posiada zdolności do wytwarzania celulaz, w związku z tym celuloza (błonnik) nie jest trawiona w ich przewodzie pokarmowym. W przewodzie pokarmowym przeżuwaczy znajdują się bakterie, które wytwarzają celulazy. Dzięki nim zwierzęta te przetwarzają błonnik i wykorzystują go jako źródło energii. Pomimo, że celuloza nie jest trawiona przez organizm człowieka, to błonnik usprawnia pracę układu pokarmowego (przyspiesza perystaltykę jelit). Celuloza podczas estryfikacji tworzy estry celulozy, które mają duże znaczenie handlowe i znalazły zastosowanie jako rozpuszczalniki, kompozyty, laminaty, a w medycynie są używane jako substancje umożliwiające kontrolowane uwalnianie leków. Celuloza w tabletkach może być używana jako substancja wiążąca, wypełniająca lub rozsadzająca. Najbardziej popularnymi estrami celulozy są: octan celulozy (CA), propionian octanu celulozy (CAP) i maślan octanu celulozy (CAB).


Skrobia

Skrobia jest biodegradowalnym, nietoksycznym, jadalnym polimerem należącym do grupy polisacharydów (wielocukrów). Skrobia jest bardzo rozpowszechniona w przyrodzie, występuje ona w roślinach np. w kukurydzy, pszenicy, ziemniakach, jęczmieniu, ryżu, korzeniach tapioka [1]. Skrobia w roślinach pełni rolę magazynu energii. Skrobia składa się z dwóch frakcji: zasadniczo liniowego polisacharydu amylozy i rozgałęzionej amylopektyny ( Rys. 1 ). Obie frakcje skrobi są polimerami α-D-glukozy. W przypadku amylozy mery α-D-glukozy są połączone ze sobą atomami tlenu za pomocą wiązań α-1,4-glikozydydowych, natomiast w przypadku rozgałęzionej amylopektyny występują dodatkowe wiązania α-1,6-glikozydowe. Zawartość amylozy i amylopektyny w skrobi zależy od jej botanicznego pochodzenia. Naturalna skrobia pszenna zawiera od  \( 20-30\% \) amylozy oraz od  \( 70-80\% \) amylopektyny [2].

Masa cząsteczkowa amylozy wynosi od 30 000 do 60 000 Da, natomiast średnia masa cząsteczkowa amylopektyny wynosi 400 000 Da. Skrobia jest substancją koloru białego, semikrystaliczną, nierozpuszczalną w zimnej wodzie ze względu na spolimeryzowaną strukturę oraz obecność wiązań wodorowych między sąsiednimi łańcuchami. W gorącej wodzie skrobia tworzy kleik skrobiowy potocznie zwany krochmalem. Kleik skrobiowy jest koloidalnym roztworem skrobi, w którym ziarna skrobiowe adsorbują wodę, pęcznieją, co prowadzi do rozerwania międzycząsteczkowych wiązań wodorowych. Powstaje on po podgrzaniu roztworu skrobi w wodzie do temperatury powyżej temperatury kleikowania, zwykle powyżej  \( 60^{\circ} C \). Temperatura kleikowania zależy od pochodzenia skrobi. Skrobia wyekstrahowana z surowców naturalnych (roślinnych) jest nazywana skrobią rodzimą lub natywną. Skrobia poddana modyfikacjom enzymatycznym lub chemicznym nazywana jest skrobią modyfikowaną. Skrobia posiada zdolność sieciowania międzycząsteczkowego i wewnątrzcząsteczkowego z polianionami. Najpopularniejszym polianionem stosowanym jako skuteczny środek sieciujący jest tripolifosforan sodu (STPP), który jest nietoksyczny i nie powoduje skutków ubocznych dla organizmu ludzkiego [3]. W ostatnich latach skrobia przyciąga uwagę jako substancja, która może być stosowana do kontrolowanego uwalniania leków. Skrobia zwiększa rozpuszczalność i stabilność leku, zmniejsza jego toksyczność, wykazuje bardzo dobrą biozgodność i zdolność do przechowywania [1]. Do kontrolowanego uwalniania leków najbardziej odpowiednia jest skrobia modyfikowana chemicznie poprzez utlenianie, sieciowanie, hydroksypropylację, co prowadzi do poprawy jej właściwości. Pewne frakcje skrobi zwane skrobią odporną przechodzą przez przewód pokarmowy do jelita grubego i nie ulegają trawieniu, ani nie są wchłaniane w jelicie cienkim. W związku z tym odporna skrobia stała się alternatywną substancją pozwalającą na dostarczenie leków w specyficzne miejsce jakim jest jelito grube. Odporna skrobia przechodząc z górnego odcinka przewodu pokarmowego w stanie niezmienionym, dociera do okrężnicy i tam wywołuje efekt prebiotyczny. Skrobia ta pobudza wzrost i aktywność korzystnych bakterii typu bifidobacteria i lactobacillus. Podczas fermentacji wytwarzane są krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, które zmieniają pH jelit i zwiększają dostępność dwuwartościowych kationów. Takie zachowanie skrobi odpornej sprawia, że może ona być potencjalnym materiałem kapsułkującym do specyficznego dostarczania leków do jelita grubego. Skrobię w różnych produktach można wykryć za pomocą tak zwanej próby jodowej, czyli dodaniu do badanej substancji jodyny lub płynu Lugola. Płyn Lugola w obecności skrobi zmienia swoja barwę z pomarańczowej na granatową lub niebieską w zależności od długości łańcucha cukrowego.


Chitozan

Chitozan (deacetylochityna) jest polisacharydem otrzymywanym podczas alkalicznej deacetylacji chityny. Stosunek glukozaminy do N-acetyloglukozaminy podaje stopień deacetylacji chitozanu. Chitozan jest nietoksyczny, biozgodny i całkowicie biodegradowalny. Wzór chemiczny chitozanu przedstawia Rys. 1.

Głównymi źródłami chityny są muszle mięczaków (krabów, krewetek, homarów). Chityna jest to bezbarwny lub lekko biały proszek otrzymywany z pancerzy skorupiaków [1]. Proces wytwarzania chityny polega na odbiałczeniu roztworem NaOH i demineralizacji rozcieńczonym roztworem kwasu HCl surowych pancerzy skorupiaków. Chitozan jest wytwarzany przez deacetylację chityny przez kilka godzin przy użyciu  \( 40-50\% \) wodnego roztworu zasady sodowej w temperaturze od  \( 100-160^{\circ} C \). Powstały chitozan ma stopień deacetylacji do 0,95. Zastosowanie chitozanu jest bardzo szerokie. Ze względu na swoje antybakteryjne i przeciwzapalne działanie chitozan jest stosowany w medycynie, m.in. jako składnik materiałów opatrunkowych. Chitozan posiada właściwości mukoadhezyjne dzięki czemu bardzo dobrze pokrywa mokre powierzchnie, np. skórę i błony śluzowe. Polimer ten jest jako bardzo dobrym nośnikiem leków, a dzięki mukoadhezyjnym właściwościom leki zostają związane z miejscem swojego działania, tj. błonach śluzowych [2]. Z chitozanu są wytwarzane powłoki, które są następnie nanoszone na powierzchnię biomedycznych stopów magnezu wykorzystywanych jako implanty ortopedyczne. Powłoki tego typu są modyfikowane poprzez dodatek antybakteryjnych nanocząstek lub dodatek antybiotyków [3].


Polilaktyd (PLA)

Polilaktyd (PLA) – poli(kwas mlekowy), ang. polylactic acid – jest biodegradowalnym polimerem należącym do grupy poliestrów alifatycznych. PLA ze względu na swoją biokompatybilność i biodegradowalność jest szeroko stosowany w branży biomedycznej (implanty dentystyczne, resorbowane nici chirurgiczne) i farmaceutycznej. Polilaktyd można otrzymać podczas polimeryzacji z otwarciem pierścienia laktydu ( Rys. 1 ) lub poprzez polikondensację kwasu mlekowego ( Rys. 2 ) [1], [2].

Laktyd jest cyklicznym dimerem kwasu mlekowego i może on występować w postaci trzech stereoizomerów L, D i L,D (mezo laktyd) jak przedstawiono na Rys. 3.

Kwas mlekowy powstaje podczas fermentacji węglowodanów takich jak skrobia, celuloza, natomiast bezpośrednia polikondensacja kwasu mlekowego prowadzi do powstania polilaktydu. Drugim sposobem otrzymania polilaktydu jest polimeryzacja z otwarciem pierścienia laktydu. Produkty wytwarzane z polilaktydu ulegają biodegradacji, co sprawia, że są one przyjazne dla środowiska naturalnego. Polilaktyd jest stosowany do produkcji wyrobów używanych w gospodarstwie domowym takich jak: butelki, kubki, naczynia stołowe. PLA może być wykorzystywany w sektorze elektrycznym i elektronicznym np. do wytwarzania kabli pokrytych powłoką zawierającą PLA i PCV. W sektorze biomedycznym polilaktyd jest stosowany do produkcji rusztowań, aby zapewnić tymczasowe wsparcie konstrukcyjne do mocowania i wzrostu uszkodzonych tkanek. PLA jest również bardzo dobrym nośnikiem leków, umożliwiającym ich kontrolowane uwalnianie podczas długotrwałego leczenia.


Polihydroksyalkaniany (PHA)

Polihydroksyalkaniany (PHA) są to polimery biodegradowalne, które należą do grupy poliestrów alifatycznych. Ogólny wzór PHA przedstawiono na Rys. 1, gdzie x wynosi 1 dla polimerów komercyjnych, natomiast R oznacza łańcuch węglowodorowy zawierający do 15 atomów węgla [1].

Wyróżniany dwie grupy polihydroksyalkanianów:

Polihydroksyalkaniany (PHA) są syntetyzowane przez wiele bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych. Polimery PHA są gromadzone wewnątrzkomórkowo i działają jako rezerwa węglowa i energetyczna. Znajdują one zastosowanie jako biodegradowalne tworzywa sztuczne, a także są używane do produkcji implantów i sztucznych tkanek [2]. Polimery PHA są wykorzystywane do otrzymywania związków chiralnych, biodegradowalnych toreb do pakowania oraz pojemników. Polimery te są używane również do produkcji pojemników na szampony, kosmetyki, produkty higieniczne, maszynki do golenia i naczynia [3]. PHA znalazły również zastosowanie w produkcji nawozów, środków owadobójczych, a także umożliwiają długotrwałe dawkowanie leków. W medycynie polihydroksyalkaniany są używane do produkcji opatrunków na rany, szpilek, zszywek i wacików chirurgicznych, stymulują również wzrost kości  [4].


Polimery nieorganiczno-organiczne

Zazwyczaj nazwę polimery stosuje się do cząsteczek zbudowanych z łańcuchów i struktur organicznych – merów węglowodorowych. Istnieją jednak także związki wielkocząsteczkowe oparte o struktury zbudowane z łańcuchów i pierścieni, złożonych wyłącznie z atomów węgla oraz łańcuchy powstające z pierwiastków innych niż węgiel. Są to polimery nieorganiczne. Polimerem nieorganicznym określamy zatem układ, w którym występuje powtarzający się regularnie w strukturze związku mer nieorganiczny zawierający atom metalu lub półmetalu (metaloidu). Polimery nieorganiczne tworzone są, tak samo jak organiczne, w wyniku polimeryzacji łańcuchowej i polimeryzacji rodnikowej.

Istnieje także grupa polimerów nieorganicznych, do których wprowadza się podstawniki organiczne. Modyfikują one właściwości polimeru nieorganicznego znacznie poszerzając wachlarz właściwości oraz możliwych zastosowań.

Polimery nieorganiczne w porównaniu z polimerami organicznymi wykazują następujące cechy:

Do polimerów nieorganiczno-organicznych zaliczamy:


Polimery krzemowe

Polisilany – są to związki wielkocząsteczkowe, w których występuje łańcuch zbudowany wyłącznie z atomów krzemu (-Si-Si-Si-).

Polisilany mogą mieć budowę liniową i rozgałęzioną. Rys. 1 przedstawia przykładową strukturę rozgałęzionego polisilanu, który może być wielkości niedużego wirusa [1].

Polisilany są najczęściej otrzymywane w reakcji sprzęgania Würtza poprzez kondensację dichlorosilanów w obecności sodu. Homopolimery otrzymywane są z pojedynczych dichlorosilanów, podczas kondensacji mieszanin dichlorosilany dają kopolimery. Otrzymuje się je również przez polimeryzację anionową cyklicznych oligomerów siloksanowych. Produktami ubocznymi są głównie cyklosilany.

Właściwości Polisilany wykazują wiele interesujących efektów fotochemicznych i fotofizycznych, takich jak termochromizm – zdolność do odwracalnej zmiany kolorów, pod wpływem zmiany temperatury, solwatochromizm – zmiana koloru następuje pod wpływem polarności rozpuszczalnika, czy jonochromizm – kolor związku zależy od natury przeciwkationu.

Zastosowanie Obecnie polisilany są wykorzystywane komercyjnie jako prekursory do syntezy ceramiki z węglika krzemu, stosowanego na osłony termiczne w pojazdach kosmicznych, czy w produkcji mikroelektroniki krzemowej. Jednym z zastosowań polisilanów w procesie fotolitografii dwuwarstwowej  jest wykorzystywanie do produkcji  foli fotoprzewodzącej. Fotolityczne rozszczepienie silanów na rodniki sililowe można zastosować do wywołania rodnikowych reakcji łańcuchowych, takich jak polimeryzacja monomerów akrylanowych, np. styrenu.

Polisiloksany, w języku potocznym nazywane silikonami, są to  polimery, których główny łańcuch jest zbudowany z naprzemiennie ułożonych atomów krzemu i tlenu  (−O−Si−O−Si−O−Si−).

Silikony mogą być polimerami liniowymi, cyklicznymi lub usieciowanymi. Polimery silikonowe można uznać za nieorganiczne-organiczne materiały hybrydowe. Silikony otrzymywane są w wyniku polimeryzacji blokowej, przez reakcje polimeryzacji z otwarciem pierścienia na cyklicznych siloksanach. Odpowiednimi katalizatorami są KOH lub wodorotlenki tetraalkiloamoniowe. Masa cząsteczkowa jest kontrolowana przez dodanie blokujących wzrost łańcucha podstawników, takich jak heksametylodisiloksan.

Właściwości Struktura polisiloksanu, niespotykana w naturze, nadaje tym polimerom szczególne właściwości. Mogą występować w postaci cieczy, lepkich cieczy, półstałej, gumy i ciał stałych. Łańcuchy główne polisiloksanów są bardziej giętkie od łańcuchów polimerów winylowych i poliolefin i dlatego polisiloksany mają znacznie niższe temperatury topnienia od polimerów opartych na łańcuchach węglowych, są bardziej odporne termicznie i chemicznie od polimerów węglowych. Polisiloksany są hydrofobowe pomimo posiadania polarnych wiązań -Si-O- w swoich strukturach, są chemicznie obojętne i mają dobrą stabilność termiczną, niską lepkość i dobrą przepuszczalność gazów, są elastyczne, nietoksyczne i w postaci ciekłej wykazują niskie napięcie powierzchniowe.

Zastosowanie Polisiloksany i ich kopolimery znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach.  Występują w handlu w różnych postaciach, jak płyny silikonowe, elastomery i żywice. Oleje silikonowe są stosowane np. jako dielektryczny materiał izolacyjny w transformatorach wysokiego napięcia. Są też stosowane w płynach hydraulicznych. Smary silikonowe powstają poprzez zmieszanie oleju silikonowego z mydłami stearynianowymi litu i są stosowane jako smary wszędzie tam, gdzie występują zarówno wysokie i niskie temperatury. Kauczuki silikonowe uzyskuje się przez zmieszanie  z wypełniaczem, takim jak dwutlenek krzemu, w obecności utwardzacza. Guma silikonowa ma 6000 do 600000 jednostek Si. Kauczuk silikonowy zachowuje swoją elastyczność od  \( -90^oC \) do  \( +250^oC \), co jest znacznie szerszym zakresem w porównaniu do kauczuku naturalnego. Wykorzystywany jest do produkcji opon samolotów i samochodów wyścigowych, jako materiał uszczelniający w reflektorach i samolotach oraz całej gamy galanterii kuchennej (rękawice, formy do pieczenia, przybory kuchenne). Żywice silikonowe jest to rodzaj materiału silikonowego, który zawiera gęsto usieciowane, nierozpuszczalne sieci polisiloksanowe. W zależności od składu żywice silikonowe mogą być rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych lub występować jako emulsje wodne. Ze względu na ich trójwymiarowy charakter, struktury żywic silikonowych są złożone [2]. Rys. 2 przedstawia fragment struktury przykładowej żywicy silikonowej.

Polisiloksany w wyższych organizmach ulegają biodegradacji, co stanowiło i stanowi istotny problem ze względu na szerokie ich zastosowanie do produkcji protez silikonowych i materiałów medycznych: implantów palców, piersi, nosa, biodra, tkanek miękkich, szczęk oraz protez strun głosowych, naczyń stawowych, łokci, zastawek serca. Stosuje się je także w produkcji materiałów medycznych, takich jak: dreny, cewki, odlewy stomatologiczne oraz materiały stosowane w okulistyce. Stosowane są także jako nośniki leków i stanowią nawet substancje czynne niektórych leków.

Polisilazany to polimery, w których atomy krzemu i azotu występują naprzemiennie, tworząc podstawowy szkielet (-Si-N-Si-N-Si-).

Polisilazany mogą mieć strukturę  zarówno łańcuchową, jak i pierścieniową.

W syntezie polisilazanów jako materiały wyjściowe używane są amoniak i chlorosilany. Stałe polisilazany są wytwarzane poprzez chemiczną konwersję materiałów ciekłych (sieciowanie mniejszych cząsteczek).

Właściwości Polisilazany to bezbarwne do bladożółtych ciecze lub ciała stałe. Materiały stałe mogą być topliwe lub nietopliwe i mogą być rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Z reguły ciała stałe polisilazanu zachowują się jak polimery termoutwardzalne, ale w niektórych przypadkach możliwa jest obróbka termoplastyczna. Właściwości polisilanów zależą w dużym stopniu od charakteru grup podstawnikowych związanych z krzemem. Zakres właściwości waha się od wysoce krystalicznych i nierozpuszczalnych do częściowo krystalicznych lub ciekłokrystalicznych, do szklistych lub gumowatych materiałów amorficznych. Ogólnie rzecz biorąc, polimery polisilazanowe są stabilne termicznie do temperatury powyżej  \( +200^oC \) i obojętne na wodę, chyba że przy krzemie występuje grupa ulegająca hydrolizie, taka jak halogen, są powoli degradowane przez promieniowanie UV, co ogranicza ich przydatność jako materiałów konstrukcyjnych.

Zastosowanie Polisilazany są stosowane jako materiały powłokowe. Z racji tego, że powierzchnie metali, szkła, ceramiki czy tworzyw sztucznych są łatwo zwilżane przez polisilazany, produkty na bazie organopolisilazanu są stosowane jako powłoki antygraffiti. Polisilazany są prekursorami materiałów ceramicznych [3]. Powłoki ceramiczne otrzymywane z polisilazanów mają doskonałe właściwości samooczyszczające i stosowane są np. do zabezpieczenia powłok lakierniczych na samochodach.


Polimery fosforowe

Najważniejszymi polimerami fosforowymi są polifosfazeny. Polifosfazeny to rodzina polimerów opartych na szkielecie fosforowo-azotowym z podwójnym wiązaniem pomiędzy atomem fosforu, a atomem azotu, podstawionych organicznymi grupami bocznymi. Poniższy wzór przedstawia podstawową jednostkę łańcucha.

Polifosfazeny występują także w formach cyklicznych o niewielkich pierścieniach:

Podstawową metoda otrzymywania polifosfazenów jest polimeryzacja termiczna pięciotlenku fosforu w obecności amoniaku lub chlorku amonu do cyklicznego polifosfazenu, a następnie rozerwanie pierścienia do formy łańcuchowej.

Właściwości Właściwości polifosfazenów są ściśle związane z podstawnikami organicznych, przyłączonymi do łańcucha głównego, mogą one zatem wykazywać cały wachlarz możliwości:

Zastosowanie Polifosfazeny, ze względu na szeroką gamę właściwości znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach życia:


Polimery siarkowe

Siarka może tworzyć samodzielnie zarówno łańcuchy, jak i struktury cykliczne, może także tworzyć polimery z innymi pierwiastkami, jak azot, czy tlen. Poniższe wzory strukturalne polimerów siarkowych reprezentują: siarkę polimerową (elementarną), polisiarczki, politiazole – poli(azotki siarki), polisulfany.

Siarka polimerowa zawiera głównie 6- i 8-atomowe pierścienie. Podczas podgrzewania do temperatury powyżej 159 stopni, pierścienie siarkowe łączą się tworząc struktury cząsteczki o budowie łańcuchowej, składające się z 6, 7, 8, 9-15, 18 i 20 atomów. Jest używana jako substrat do otrzymywania innych związków.

Polisiarczki są to polimery z łańcuchami składającymi się naprzemiennie z kilku atomów siarki i łańcuchów węglowodorowych. Polimery te można syntetyzować w reakcjach polimeryzacji kondensacyjnej pomiędzy organicznymi dihalogenkami i solami metali alkalicznych anionów polisiarczkowych. Polisiarczki wytwarza się również przez reakcję polisulfanów – wodorosiarczków z siarką elementarną.

Właściwości Polimery polisiarczkowe są nierozpuszczalne w wodzie, olejach i wielu innych rozpuszczalnikach organicznych. Polisiarczki wykazują interesujące właściwości optyczne, elektrochemiczne i mechaniczne.

Zastosowanie Ze względu na ich odporność na rozpuszczalniki, materiały te znajdują zastosowanie jako szczeliwa do wypełniania spoin w chodnikach, szybach samochodowych i konstrukcjach lotniczych. Wiele dostępnych w handlu elastomerów zawiera polisiarczki jako środki sieciujące. Proces sieciowania siarką nazywa się wulkanizacją. Wulkanizacja jest etapem przetwarzania kilku klas kauczuków do gum. Dzięki procesowi odwrotnej wulkanizacji – łańcuchy siarczkowe są sieciowane przy pomocy komonomerów węglowodorowych, otrzymuje się stabilne polimery polisiarczkowe o nowych, ciekawych właściwościach. Znajdują one zastosowanie jako materiały do fotokatalizy, materiały katodowe w bateriach, materiały do budowy paneli słonecznych, czy do wychwytywania toksycznych metali ciężkich [1]. Przykład takiego polimeru przedstawiono na Rys. 1.

Polisulfany to wodorosiarczki o wzorze ogólnym  \( (H_2S_n) \), składają się z nierozgałęzionych łańcuchów atomów siarki zakończonych wodorem. Wyodrębniono związki zawierające do 8 połączonych atomów siarki. Występują w produktach naturalnych jak  w czosnek, cebula, szalotka, czy niektóre grzyby.

Właściwości Polisulfany są nietrwałe termodynamicznie i rozkładają się z wydzieleniem siarkowodoru i siarki. Polisulfany wykazują szerokie spektrum działań biologicznych, w tym właściwości przeciwdrobnoustrojowe i cytotoksyczność wobec niektórych komórek nowotworowych. Wiele polisulfanów działa jako specyficzne utleniacze, które tiolują, czyli wprowadzają siarkę do związków organicznych występujących w organizmach żywych hamując działanie białek i enzymów.

Zastosowanie Preparaty zawierające polisulfany (np. wyciąg z czosnku) stosowane są jako preparaty antybakteryjne i immunostymulujące.

Politiazole – poli(azotek siarki) \( (SN)_x \) jest syntetyzowany przez polimeryzację diazotku disiarkowego ( \( S_2N_2 \)), który jest syntetyzowany z cyklicznego przemiennego tetrazotku tetrasiarki w obecności srebra jako katalizatora.

Właściwości Politiazole są polimerami przewodzącymi prąd, wykazują anizotropowe przewodnictwo elektryczne, wzdłuż włókien lub łańcuchów SN wiązanie przewodzi prąd, prostopadle do niego działa jak izolator. Jednowymiarowe przewodnictwo jest oparte na warunkach wiązania w łańcuchu S-N, gdzie każdy atom siarki dostarcza dwa elektrony π, a każdy atom azotu dostarcza jeden elektron π, tworząc dwuśrodkowe 3π jednostki wiążące elektrony.

Przewodność elektryczna politiazoli w temperaturze pokojowej wynosi około 1200 do 3700  \( \frac{1}{\Omega cm} \) i zwiększa się o 50-200 razy po obniżeniu temperatury do 4,2 K, w temperaturze 0,26 K staje się nadprzewodnikiem. Jest to pierwszy odkryty nadprzewodnik niemetaliczny. Politiazole wykazują także ognioodporność.

Zastosowanie Ze względu na przewodnictwo elektryczne politiazole znalazły zastosowanie w diodach LED, tranzystorach, ogniwach słonecznych oraz do magazynowania energii jako materiały aktywne do akumulatorów Li-S [2]. Stosowane są do produkcji włókien ognioodpornych oraz do wychwytywania toksycznych metali ciężkich (np. Hg) [3]. Politiazole znalazły także zastosowania biomedyczne jako środek farmakologiczny lub immunologiczny, który modyfikuje działanie innego czynnika w celu zwiększenia skuteczności szczepionek [4].


Polimery borowe

Do najważniejszych polimerów borowych zaliczamy:

Poliborany to związki kwasów borowych, takich jak kwas borowy  \( H_3BO_3 \), kwas metaborowy  \( HBO_2 \) i kwas tetraborowy  \( H_2B_4O_7 \). Poliborany wykazują ogromną różnorodność strukturalną w stanie stałym. Struktury anionów boranowych obejmują zarówno proste trygonalne płaskie jony  \( BO_3^{3−} \), jak i raczej złożone struktury zawierające łańcuchy i pierścienie trój- i cztero-skoordynowanych atomów boru.

Właściwości Czterokoordynacyjne aniony boranowe są płynnymi elektrolitami, co daje ogrom możliwych zastosowań w urządzeniach elektrochemicznych i optoelektronicznych, takich jak baterie, superkondensatory i ogniwa słoneczne.

Zastosowanie Płynne elektrolity w urządzeniach elektrochemicznych wykorzystywanych do produkcji energii odnawialnej, promotory reakcji i katalizatory, barwniki, nośniki do derywatyzacji i destylacji cukrów, dioli, glikozylowanych białek, detektoyr pochodnych węglowodanów, separatory, urządzenia do transportu warstwy [1].

Ikosaedryczne klastry boru są częścią struktur polimerowych połączonych atomami C lub B, wykazują wiele szczególnych cech, których nie ma w ich organicznych odpowiednikach.

Właściwości Włączenie geometrycznie izomerycznych i kozaedrycznych karboranów do makrocząstek organicznych, a także ich wyjątkowe właściwości, takie jak niska nukleofilowość, obojętność chemiczna, charakter odciągający elektrony, poprawiają stabilność i rozpuszczalność oraz wyraźnie się zmieniają elektrochemiczne, fotoluminescencyjne i elektrochromowe właściwości makromolekuł [2].

Zastosowanie Polimery zawierające wbudowane klastry boru znajdują zastosowanie w urządzeniach elektrochemicznych i optoelektronicznych, takich jak baterie, superkondensatory, ogniwa słoneczne, czujniki, katalizatory, diody elektroluminescencyjne [3]. Polimery zawierające dwudziestościenny bor znajdują także zastosowania biomedyczne [2].


Polimery węglowe

Ze struktur węglowych, których makrocząsteczki zbudowane prawie wyłącznie z atomów węgla zaliczamy:

Według klasycznej definicji wyłącznie pochodne karbinu nazwać można polimerami. Zostaną jednak omówione także pozostałe struktury węglowe z uwagi na ich właściwości i zastosowania, które stawiają je w jednym szeregu z polimerami.

Włókno węglowe (włókno karbonizowane ; ang. carbon fibre, CF) jest to włókno składające się praktycznie w całości z rozciągniętych struktur węglowych, pochodna grafitu. Otrzymuje się je przez pirolizę poliakrylonitrylu, czyli ogrzewanie do temperatury  \( 600^°C \), a następnie  \( 1300^°C \). Rys. 1 przedstawia strukturę wstążki węglowej – włókna z pozostałymi na brzegach atomami azotu.

Nanorurki węglowe (ang. carbon nano tubes, CNT) to cylindryczne molekuły, składające się ze zwiniętych arkuszy jednowarstwowych atomów węgla – grafenu. Mogą być jednościenne o średnicy mniejszej niż 1 nanometr (nm) lub wielościenne, składające się z kilku połączonych koncentrycznie nanorurek o średnicy sięgającej ponad 100 nm. Ich długość może osiągać kilka mikrometrów, a nawet milimetrów [1]. Rys. 2 przedstawia dwa typy nanorurek węglowych.

Nanorurki węglowe produkowane są za pomocą wyładowań łukowych, laserowej ablacji grafitu i chemicznego osadzania par (CVD).

Liniowy łańcuch atomów węgla o hybrydyzacji sp; przyjmuje się, że co drugie wiązanie jest potrójne lub wszystkie są podwójne.

Karbin został zsyntezowany w 2016 r. [2], lecz już wcześniej przewidziano jego właściwości. Karbin przewyższa każdy inny znany materiał, w tym diament, dzięki swoim wyjątkowym właściwościom mechanicznym, takim jak sztywność właściwa, wytrzymałość i moduł sprężystości. Wykazuje również wysoką przewodność cieplną, znacznie przewyższającą grafen. Ze względu na wysoką reaktywność chemiczną węgla, synteza długiego karbinu jest niezwykle trudna przy użyciu konwencjonalnych technik, takich jak metoda wyładowania łukowego, ablacja laserowa oraz synteza elektrochemiczna i powierzchniowa. Najlepszym środowiskiem do wzrostu liniowych łańcuchów węglowych jest wewnętrzna przestrzeń nanorurek węglowych.

Pojedyncze nitki karbinu mogą się splątywać, jak nici DNA, istnieje więc hipotetyczne zastosowanie tego materiału w produkcji sztucznych tkanek, czy sztucznych połączeń nerwowych [3]. Rys. 3 przedstawia sposób splątania pojedynczych nici karbinu w strukturę podobną do struktury DNA.


Geopolimery

Geopolimery są to nieorganiczne, amorficzne, syntetyczne polimery glinokrzemianowe, o specyficznym składzie i właściwościach. Określenie „geopolimery” odnosi się do polimerów nieorganicznych, które są amorficznymi materiałami glinokrzemianowymi syntezowanymi w mocno zasadowym środowisku w temperaturze nie przekraczającej 100°C. Termin „geopolimer” został po raz pierwszy użyty w 1970 r. przez Davidovitsa [1]. Struktura geopolimerów jest bardzo zbliżona do naturalnych kamieni występujących w przyrodzie, dlatego nazywane są często „sztucznymi kamieniami”. Geopolimery składają się z długich łańcuchów – kopolimerów tlenków glinu i krzemu, a także stabilizujących je kationów metali oraz związanej wody. Oprócz dobrze zdefiniowanych łańcuchów polimerycznych, w materiale występują z reguły różne przemieszane fazy, takie jak: tlenek krzemu, nieprzereagowany substrat glinokrzemianowy oraz niekiedy wykrystalizowane glinokrzemiany typu zeolitowego. Empiryczny wzór pojedynczego łańcucha ma formułę [2]

gdzie  \( M^+_n \) – kation metalu alkalicznego  \( (Na^+, K^+ ) \),  \( v \) – stopień polimeryzacji, \( x \) – stosunek Si/Al,  \( a \) – ilość związanej wody;  \( v, x, a \) – zależą od składu i sposobu przygotowania konkretnej próbki. Łańcuch polimerowy geopolimeru składa się z czworościennych struktur  \( SiO_4 \) i  \(   AlO_4 \) połączonych między sobą przez wspólne atomy tlenu w dwu- lub trójwymiarową skomplikowaną sieć. Rys. 1 przedstawia schemat przestrzennej sieci geopolimeru [3].

Wyjściowym składnikiem dla otrzymania cementu geopolimerowego są glinokrzemiany, których źródłem mogą byś surowce naturalne lub odpady przemysłowe, jak granulowany żużel wielkopiecowy lub popioły lotne.  Ze względu na surowiec, z którego powstają geopolimery dzieli się na dwa rodzaje:

Rys. 2 przedstawia różnice w mikrostrukturze cementu naturalnego oraz geopolimeru powstałego na bazie popiołu lotnego [4].

Ze względu na budowę geopolimery dzielone są na trzy główne klasy:

Tabela 1 przedstawia klasy geopolimerów ze względu na podstawową jednostkę łańcucha [5].

Właściwości Geopolimery są najczęściej twardymi, odpornymi mechanicznie ciałami stałymi przypominającymi naturalny kamień lub beton. Są stosowane głównie do przygotowywania materiałów budowlanych, przede wszystkim betonu i jego pochodnych. Betony takie charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami:

Zastosowanie W praktyce zastosowanie betonów geopolimerowych jest bardzo ograniczone ze względu na ich wyższą cenę niż betonów tradycyjnych. Stosowane są one jednakże w przypadkach, gdzie wymagana jest wysoka ogniotrwałość (np. izolacje ogniowe w lotnictwie) lub bardzo szybkie osiągnięcie wysokiej twardości (np. przy awaryjnych naprawach pasów startowych). Podczas syntezy geopolimerów, wydziela się 4-8 razy mniej  \( CO_2 \) niż przy produkcji jednej tony klasycznego cementu przy zużyciu 2-3 razy mniejszej energii, dlatego cement geopolimerowy nazywa się "zielonym cementem". Geopolimery są też stosowane jako materiał nośny do utylizacji toksycznych odpadów, szczególnie substancji radioaktywnych. Możliwości zastosowania geopolimerów:


Rozdział 1. Pole elektryczne i elektrostatyka

Ładunek elektryczny

Oddziaływanie elektromagnetyczne ma fundamentalne znaczenie, bo pozwala wyjaśnić nie tylko zjawiska elektryczne, ale też siły zespalające materię na poziomie atomów, cząsteczek.

Istnienie ładunków można stwierdzić w najprostszym znanym nam powszechnie zjawisku elektryzowania się ciał. Doświadczenie pokazuje, że w przyrodzie mamy do czynienia z dwoma rodzajami ładunków: dodatnimi i ujemnymi oraz że ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają się.

Również doświadczalnie stwierdzono, że żadne naładowane ciało nie może mieć ładunku mniejszego niż ładunek elektronu czy protonu. Ładunki te równe co do wartości bezwzględnej nazywa się ładunkiem elementarnym  \( e=1.6·10^{-19} \) C. Wszystkie realnie istniejące ładunki są wielokrotnością ładunku  \( e \). Jeżeli wielkość fizyczna, taka jak ładunek elektryczny, występuje w postaci określonych "porcji" to mówimy, że wielkość ta jest skwantowana.

Jednym z podstawowych praw fizyki jest zasada zachowania ładunku. Zasada ta, sformułowana przez Franklina, mówi, że

Definicja 1: Jednostka ładunku

W układzie SI jednostką ładunku jest kulomb (C). Jest to ładunek przenoszony przez prąd o natężeniu 1 ampera w czasie sekundy 1 C = 1 A·s.


Prawo Coulomba

Siłę wzajemnego oddziaływania dwóch naładowanych punktów materialnych (ładunków punktowych) znajdujących się w odległości  \( r \) od siebie w próżni opisuje prawo Coulomba.

Oddziaływanie ładunków zależy od ośrodka, w jakim znajdują się ładunki. Fakt ten uwzględniamy, wprowadzając stałą materiałową  \( \varepsilon_{r} \), zwaną względną przenikalnością elektryczną ośrodka tak, że prawo Coulomba przyjmuje postać

Wartości  \( \varepsilon_{r} \) dla wybranych substancji zestawiono w Tabela 1.


Pole elektryczne

W module Pole grawitacyjne, pola sił zdefiniowaliśmy natężenie pola grawitacyjnego w dowolnym punkcie przestrzeni jako siłę grawitacyjną działająca na masę  \( m \) umieszczoną w tym punkcie przestrzeni podzieloną przez tę masę.

Tak więc, żeby zmierzyć natężenie pola elektrycznego  \( \bf{E} \) w dowolnym punkcie przestrzeni, należy w tym punkcie umieścić ładunek próbny (ładunek jednostkowy) i zmierzyć wypadkową siłę elektryczną  \( \bf F \) działającą na ten ładunek. Należy upewnić się czy obecność ładunku próbnego  \( q \) nie zmienia położeń innych ładunków. Jeżeli nie, to wtedy

Przyjęto konwencję, że ładunek próbny jest dodatni więc kierunek wektora  \( \bf{E} \) jest taki sam jak kierunek siły działającej na ładunek dodatni. Jeżeli pole elektryczne jest wytworzone przez ładunek punktowy  \( q \) to zgodnie z prawem Coulomba (zob.  moduł Prawo Coulomba ) siła działająca na ładunek próbny  \( q \) umieszczony w odległości  \( r \) od tego ładunku wynosi

Zwrot wektora  \( \bf{E} \) jest taki jak siły  \( \bf{F} \) więc zgodnie z definicją

gdzie  \( {\overset{\wedge}{{\bf r}}} \) jest wektorem jednostkowym zgodnym z kierunkiem siły pomiędzy  \( q \) i  \( Q \).

Na Rys. 1 jest pokazany wektor  \( {\bf E}(r) \) w wybranych punktach wokół ładunku  \( q \).

Dla  \( n \) ładunków punktowych pole elektryczne (zgodnie z zasadą superpozycji) jest równe sumie wektorowej pól elektrycznych od poszczególnych ładunków

Z zasady superpozycji możemy również skorzystać dla ciągłych rozkładów ładunków. Przykład takich obliczeń znajdziesz w module Dodatek: Pole elektryczne na osi pierścienia.

Kierunek pola  \( {\bf E}  \) w przestrzeni można przedstawić graficznie za pomocą tzw. linii sił (linii pola). Są to linie, do których wektor  \( {\bf E} \) jest styczny w każdym punkcie. Linie sił zaczynają się zawsze na ładunkach dodatnich, a kończą na ładunkach ujemnych. Linie sił rysuje się tak, że liczba linii przez jednostkową powierzchnię jest proporcjonalna do wartości  \( {\bf E} \); gdy linie są blisko siebie to  \( {\bf E} \) jest duże, a gdy są odległe od siebie to  \( {\bf E} \) jest małe.

Na rysunku poniżej pokazane są linie pola dla dwóch przykładowych układów ładunków.

Definicja 1: Natężenie pola elektrycznego

Analogicznie definiujemy natężenie pola elektrycznego jako siłę działającą na ładunek próbny  \( q \) (umieszczony w danym punkcie przestrzeni) podzieloną przez ten ładunek.


Prawo Gaussa

Obliczanie pól elektrostatycznych metodą superpozycji może być skomplikowane matematycznie. Istnieje jednak, prostszy sposobu obliczania pól, który opiera się na wykorzystaniu prawa Gaussa. Żeby móc z niego skorzystać, poznamy najpierw pojęcie strumienia pola elektrycznego.

gdzie  \( \alpha  \) jest kątem pomiędzy wektorem powierzchni  \( {\bf S} \) (przypomnij sobie definicję wektora powierzchni w module Ciśnienie i gęstość płynów ) i wektorem  \( {\bf E} \) (zob. Rys. 1 ).

Jeżeli wektor natężenia pola  \( {\bf E} \), w różnych punktach powierzchni  \( S \), ma różną wartość i przecina tę powierzchnię pod różnymi kątami (zob. Rys. 2 ) to wówczas dzielimy powierzchnię na małe elementy  \( dS \) i obliczamy iloczyn skalarny wektora powierzchni  \( dS \) i lokalnego natężenia pola elektrycznego.

Całkowity strumień przechodzący przez rozciągłą powierzchnię \( S \) obliczamy jako sumę przyczynków dla elementarnych powierzchni  \( dS \).

Suma ta przedstawia całkę powierzchniową

W praktyce najczęściej oblicza się strumień przez powierzchnię zamkniętą.

Pokazaliśmy, że strumień jest niezależny od  \( r \). Można również pokazać (dowód pomijamy), że strumień jest taki sam dla każdej zamkniętej powierzchni (o dowolnym kształcie), która otacza ładunek  \( Q \). Wybór powierzchni w kształcie sfery, w powyższym przykładzie, był podyktowany symetrią układu i pozwolił najłatwiej wykonać odpowiednie obliczenia. Taką całkowicie zamkniętą powierzchnię nazywamy powierzchnią Gaussa.

Rozpatrzmy zamkniętą powierzchnię obejmującą dwa ładunki  \( Q_{1} \) i  \( Q_{2} \). Całkowity strumień (liczba linii sił) przechodzący przez powierzchnię otaczającą ładunki  \( Q_{1} \) i  \( Q_{2} \) jest równy

gdzie pole  \( {\bf E}_1 \) jest wytwarzane przez  \( Q_{1} \), a pole  \( {\bf E}_2 \) przez  \( Q_{2} \). Kółko na znaku całki oznacza, że powierzchnia całkowania jest zamknięta. Korzystając z otrzymanego wcześniej wyniku ( 5 ) mamy

Całkowity strumień pola elektrycznego przez zamkniętą powierzchnię jest więc równy całkowitemu ładunkowi otoczonemu przez tę powierzchnię podzielonemu przez  \( \varepsilon_{0} \). Analogiczne rozumowanie można przeprowadzić dla dowolnej liczby ładunków wewnątrz dowolnej zamkniętej powierzchni. Otrzymujemy więc ogólny związek znany jako prawo Gaussa

Strumień wychodzący z naładowanego ciała jest równy wypadkowemu ładunkowi tego ciała podzielonemu przez  \( \varepsilon_{0} \). Jeżeli wypadkowy ładunek ciała jest ujemny to strumień pola elektrycznego, tak jak i linie pola, wpływa do ciała. Natomiast gdy ładunek wypadkowy wewnątrz zamkniętej powierzchni jest równy zeru to całkowity strumień też jest równy zeru; tyle samo linii pola wpływa jak i wypływa przez powierzchnię Gaussa. Podobnie jest w sytuacji gdy ładunki znajdują się na zewnątrz zamkniętej powierzchni. Te sytuacje są pokazane na Rys. 4.

Całkowity strumień przez powierzchnię "1" jest dodatni, strumień przez powierzchnię "2" jest ujemny, a strumień przez powierzchnię "3" jest równy zeru.

Teraz można przejść do zastosowania prawa Gaussa do obliczania natężenia pola  \( {\bf E} \) dla różnych naładowanych ciał.

Zastosowania prawa Gaussa możesz znaleźć w modułach:

Definicja 1: Strumień pola

Strumień  \( {\phi} \) pola elektrycznego przez powierzchnię  \( S \) definiujemy jako iloczyn skalarny wektora powierzchni  \( {\bf S} \) i natężenia pola elektrycznego  \( {\bf E} \).

(1)

								\( {\phi ={\bf E}\cdot {\bf S}=\mathit{ES}{\cos}\alpha } \)


Zastosowanie prawa Gaussa: Izolowany przewodnik

Większość ciał stałych można podzielić na przewodniki i izolatory. W przewodnikach ładunki elektryczne mogą się swobodnie poruszać, natomiast w izolatorach (zwanych także dielektrykami) ładunki pozostają nieruchome. W izolatorze nadmiarowy ładunek może być rozmieszczony w całej jego objętości. Natomiast gdy w przewodniku rozmieścimy ładunek w sposób przypadkowy, to będzie on wytwarzał pole elektryczne przemieszczające swobodne elektrony na powierzchnię przewodnika dopóty, dopóki nie zniknie pole wewnątrz przewodnika. Wtedy na ładunki nie działa już siła i otrzymujemy statyczny rozkład ładunku. Sprawdźmy to rozumowanie, posługując się prawem Gaussa. W tym celu rozpatrzmy dowolny w kształcie przewodnik. Wybieramy powierzchnię zamkniętą  \( S \) tuż poniżej powierzchni przewodnika tak, jak na Rys. 1.

Zastosujmy prawo Gaussa do tej powierzchni. Ponieważ wewnątrz przewodnika w dowolnym punkcie powierzchni  \( S \), pole musi być równe zeru, bo inaczej elektrony poruszałyby się. Otrzymujemy

Pokazaliśmy, że ładunek wewnątrz dowolnej zamkniętej powierzchni przewodnika musi być równy zeru; cały ładunek gromadzi się na powierzchni przewodnika.


Zastosowanie prawa Gaussa: Jednorodnie naładowana sfera

Rozpatrzmy powierzchnię kulistą o promieniu  \( R \) jednorodnie naładowaną ładunkiem  \( Q \). Chcemy obliczyć pole  \( E \) w odległości  \( r \) od jej środka na zewnątrz ( \( r > R \)). W tym celu wybieramy powierzchnię Gaussa  \( S \) w kształcie sfery o promieniu  \( r \) pokazanej na  Rys. 1.

Ponieważ w dowolnym punkcie powierzchni Gaussa pole  \( {\bf E} \) ma tę samą wartość i jest prostopadłe do powierzchni więc

Zatem zgodnie z prawem Gaussa otrzymujemy

Widzimy, że na zewnątrz sfery tj. dla  \( r>R \) pole jest takie jakby cały ładunek skupiony był w środku sfery. Natomiast wewnątrz sfery ( \( r < R \))  \( Q_{\text wewn.} = 0 \) więc  \( E_{\text wewn.} = 0 \).


Zastosowanie prawa Gaussa: Jednorodnie naładowana kula

Jednorodnie w całej objętości możemy naładować jedynie kulę z izolatora bo w przewodniku cały ładunek gromadzi się na powierzchni. Taka kula może być rozpatrywana z zewnątrz jako szereg współśrodkowych powłok kulistych (opisanych powyżej). Tak więc pole elektryczne na zewnątrz kuli o promieniu  \( R \) naładowanej ładunkiem  \( Q \), w odległości  \( r \) od jej środka ( \( r>R \) ) jest dane wzorem Zastosowanie prawa Gaussa: Jednorodnie naładowana sfera-( 3 ). Pozostaje więc nam obliczenie pola elektrycznego w dowolnym punkcie wewnątrz kuli czyli w odległości  \( r<R \) . Na Rys. 1 pokazana jest taka kula i wybrana powierzchnia Gaussa  \( S \).

Zgodnie z równaniem Zastosowanie prawa Gaussa: Jednorodnie naładowana sfera-( 1 ) pole elektryczne na powierzchni Gaussa jest równe

gdzie  \( Q_{wewn.} \) jest ładunkiem wewnątrz powierzchni Gaussa. Ponieważ kula jest naładowana równomiernie to

(stosunek objętości kuli o promieniu  \( r \) do objętości kuli o promieniu   \( R \)).

Wykres natężenia pola  \( E \) w funkcji odległości od środka jednorodnie naładowanej kuli jest pokazany na Rys. 2.


Zastosowanie prawa Gaussa: Liniowy rozkład ładunku

Obliczymy pole  \( E \) w odległości  \( r \) od jednorodnie naładowanego pręta (drutu) o długości   \( l>>r \). W tym celu wprowadzamy liniową gęstość ładunku  \( \lambda  \) równą ilości ładunku przypadającego na jednostkę długości pręta  \( \lambda= Q/l  \). Ze względu na symetrię układu jako powierzchnię Gaussa wybierzmy walec (oczywiście można wybrać dowolny kształt) o promieniu  \( r \) większym od promienia pręta  \( R \), bo chcemy policzyć pole na zewnątrz pręta (zob. Rys. 1 ).

Ze względu na symetrię pole elektryczne  \( {\bf E} \) jest skierowane radialnie względem pręta, tzn. jest prostopadłe do bocznej powierzchni walca (powierzchni Gaussa). Strumień pola  \( E \) przez podstawy walca jest więc równy zeru, bo  \( {\bf E} \) leży na bocznej powierzchni. Ponadto pole elektryczne ma taką samą wartość w każdym punkcie powierzchni bocznej walca więc spełnione jest równanie

Teraz obliczymy pole wewnątrz jednorodnie naładowanego pręta. Ponownie wybieramy powierzchnię Gaussa w kształcie walca, ale o promieniu  \( r< R \). Wprowadzamy gęstość objętościową ładunku  \( \rho  \) równą ładunkowi przypadającemu na jednostkę objętości. Możemy zapisać ładunek zamknięty wewnątrz powierzchni Gaussa

Pole rośnie liniowo w miarę oddalania się od środka pręta.


Zastosowanie prawa Gaussa: Płaskie rozkłady ładunków

Teraz obliczymy pole od nieskończonej jednorodnie naładowanej płaszczyzny. W tym celu wprowadzamy powierzchniową gęstość ładunku  \( \sigma  \) równą ilości ładunku przypadającego na jednostkę powierzchni. Powierzchnię Gaussa wybieramy na przykład w postaci walca takiego jak na Rys. 1.

Ładunek otoczony przez powierzchnię Gaussa jest równy  \( Q_{wewn.}=\sigma S \), gdzie  \( \sigma  \) jest gęstością powierzchniową, a  \( S \) powierzchnią podstawy walca. Z symetrii wynika, że pole  \( {\bf E} \) jest prostopadłe do płaszczyzny więc nie przecina bocznej powierzchni walca (strumień przez boczną powierzchnię jestrówny zeru).

gdzie czynnik 2 odpowiada dwóm podstawom walca (linie pola wychodzą w obie strony). Ostatecznie więc

W praktyce stosuje się, pokazany na Rys. 2 , układ dwóch płaskich równoległych płyt naładowanych ładunkami jednakowej wielkości ale o przeciwnych znakach (kondensator płaski).

Pole wytwarzane przez płytę naładowaną ładunkiem dodatnim jest równe  \( E_{+}=\sigma/2\varepsilon_{0} \) i skierowane od płyty. Natomiast pole wytwarzane przez płytę naładowaną ujemnie ma tę samą wartość  \( E_{-}=\sigma/2\varepsilon_{0} \) ale skierowane jest do płyty. Zatem w obszarze (I)

Widzimy, że na zewnątrz układu pole jest równe zeru a pomiędzy płytami ma w każdym punkcie stałą wartość  \( \sigma /\varepsilon _{0} \) . Takie pole nazywamy polem jednorodnym.


Zastosowanie prawa Gaussa: Powierzchnia przewodnika

Rozpatrzmy sytuacje w której naładowana powierzchnia jest kulą tak jak na Rys. 1.

Ponieważ cały ładunek gromadzi się na zewnętrznej powierzchni to wewnątrz pole  \( {\bf E} = 0 \). Co więcej  \( {\bf E} \) musi być prostopadłe do powierzchni, bo gdyby istniała składowa styczna do powierzchni to elektrony poruszałyby się po niej. Ponownie, jak w przypadku nieskończonej naładowanej płaszczyzny wybieramy powierzchnię Gaussa w kształcie walca (zob. moduł Zastosowanie prawa Gaussa: Płaskie rozkłady ładunków-Rys. 1 ), ale tym razem linie pole wychodzą tylko przez jedną podstawę walca  \( S \), na zewnątrz. Z prawa Gaussa wynika, że


Energia potencjalna w polu elektrycznym

Zgodnie z naszymi rozważaniami w module Energia potencjalna, różnica energii potencjalnej  \( E_p \) pomiędzy punktami  \( A \) i  \( B \) jest równa pracy (ze znakiem minus) wykonanej przez siłę zachowawczą przy przemieszczaniu ciała od \( A \) do  \( B \) i wynosi

Dla pola elektrycznego energia potencjalna wynosi

gdzie  \( \bf E \) jest natężeniem pola elektrycznego. Siły elektryczne są siłami zachowawczymi i wartość pracy nie zależy od wyboru drogi pomiędzy punktami  \( A \) i  \( B \). Jeżeli teraz podobnie jak dla grawitacyjnej energii potencjalnej przyjmiemy, że energia potencjalna pola elektrycznego jest równa zeru w nieskończoności to wówczas energia potencjalna w danym punkcie  \( r \) pola elektrycznego jest dana wyrażeniem

Jeżeli źródłem pola elektrycznego jest ładunek punktowy  \( Q \) to energia potencjalna w odległości  \( r \) od niego jest równa

Zauważmy, że energia potencjalna ładunku w polu elektrycznym zależy wielkości tego ładunku.