Combinaii chimice, cu implicaii in automatizri

Sl. Dr. ing. Nicoleta Badea

Cuprins

1. Polimeri organici

2. Polimeri anorganici - Sticla

3. Materiale electroceramice

4. Materiale compozite

5. Cristale lichide

Polimeri organici

Definitie

Polimeri sunt substante macromoleculare care se obtin in urma procesului de polimerizare.

Reactia de polimerizare decurge la temperatura, presiune si

catalizatori

Cl Cl

Clorura de vinil mer

n- grad de polimerizare i reprezint numrul de meri din polimer ;

nCHCHcattpCHCH 2

,,

2

2n

4

Poly = multe

mer = unitate care se repeta

C C C C C C

H H H H H H

H H H H H H

Polietilena (PE)

Cl Cl Cl

C C C C C C

H H H

H H H H H H

Poli(clorura de vinil) (PVC)

H H

H H H H

Polipropiena (PP)

C C C C C C

CH3

H H

CH3 CH3 H

mer mer mer

Lant de carbon

Clasificarea pomerilor

In functie de origine:

- polimeri naturali: celuloza, matasea, proteinele, cauciuc, etc;

- polimeri sintetici: PVC, polistiren, teflon, naylon, etc;

In functie de unitatea care se repeta:

- polimeri mer-ul este identic;

- copolimri mer-ul este diferit

In functie de structura:

Ramificati Tridimensionali Retea Liniari

secondary bonding

Proprietatile polimerilor

1. Comportarea la incalzire clasificare:

Polimeri termoplastici

prin incalzire pot fi modelati de mai multe ori;

au structura liniara;

exemple: PVC, polistirenul, teflonu, polietilena, etc

Polimeri termoreactivi

prin incalzire pot fi modelati o singura data;

exemple: rasini epoxidice, bachelita, melamina, etc

Polimeri termoplastici

PTFE

Polimeri termoplastici

http://www2.dupont.com/Teflon/en_US/index.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Teflon

Polymer

Polimeri termoreactivi

Polimeri sunt substante amorfe sau au o structura amorfo-

cristalina (putini)

Temperaturi:

Ti temperatura de inmuiere temp. cea mai joasa la care un polimer poate fi utilizat;

Tv- temperatura starii vitrose;

Tc temperatura de curgere- temp. cea mai inalta la care un polimer poate fi utilizat;

Tv < Ti

2. Degradarea termica se poate realiza:

fara distrugerea catenelor principale - prin eliminare de compusi

volatili (molecule cu masa moleculara mica) ;

prin eliminarea moleculelor de monomer de la capetele lantului de C -

procese de depolarizare;

distrugerea lantului polimeric si aparitia unor polimeri cu masa

moleculara mai mica;

Stabilitatea termica perioada de timp cuprinsa intre momentul expunerii polimerului la o anumita temperatura si momentul aparitiei

primelor semne de degradare

-CH2-CH-CH2CH-CH2-CHCl- -CH2CH=CHCH=CH-CHCl-+2HCl

Cl Cl

3. Proprietati mecanice sunt influentate de gradul de polimerizare

(n) sau masa moleculara.

sub o anumita greutate critica polimerul nu prezinta rezistenta

mecanica.

rezistenta mecanica creste proportional cu n si masa moleculara

pana atinge un anumit palier;

Fiecare polimer prezinta un domeniu optim al lui n

4. Stabilitatea chimica depinde de:

structura chimica si masa moleculara;

temperatura de utilizare;

concentratia agentilor chimici.

Dizolvarea polimerilor in solventi organici decurge in doua etape:

- gonflarea limitata

- gonflarea nelimitata (dizolvare propriu zisa)

- gradul de gonflare

m0 masa initiala a polimerului;

mf- masa finala

0

0

fm m

m

polimerii sunt izolatori.

prin doparea unii polimeri pot deveni conductori sau

semiconductori.

Doparea polimerilor se poate realiza utiliznd:

- dopani de tip p (acceptori): I2, PF6, BF6, AsF6 - dopani de tip n (donori): Na, K, Li, Ca.

Prin dopare se obine creterea conductivitii electrice, de ex. poliacetilena dopat prezint o conductivitate apropiat cuprului.

Aplicatii:

- fabricarea electrozilor pentru acumulatori, tranzistoari, display-uri

electrocromice, LED-uri, ferestre inteligente, senzori de gaz, etc.

5. Proprietati electrice

Aplicatii iPod, calculator, mouse-ul, piese de calculator, imprimant,

capsator, telefoane, TV, ceas, memorie Flash, conector USB ,

tastatura,, piese de rucsac, carduri de credit ..

Periuta de dinti, pantofi mbrcminte, recipiente alimente, spatule de gtit, vase, ap mbuteliat, piese auto, piese de biciclete, ochelari;

Polimeri anorganici -Sticla

Sticla- solid necristalin in stare vitroasa, obtinut prin subracirea

topiturii.

Starea vitroasa este intermediara intre starea cristalina si starea

lichida, avand grade de libertate mai redus decat la solide si mai

inalt decat la lichide.

Clasificarea sticlelor:

-In functie de electronegativitate si proprietati:

- sticle organice (C, N, H);

- sticle oxidice ionogene (Be, B, Al, Si, P, O);

- sticle neoxidice ( sticle calcogenice: S, Se, Sb, Ge, Sn) prezinta prop. de semiconductori

Sticlele oxidice ionogene:

Sticle silico-caloco-sodice: SiO2.CaO. Na2O sticla obisnuita;

Sticla borosilicatica:SiO2.B2O3

. Na2O numita sticla Yena sau Pyrex;

Sticla cristal - SiO2.PbO. K2O.

Proprietatile sticlei

1. Densitate variaza in functie de compozitie;

- = 2, 2 2,22 g/cm3

2. Proprietati termice

a) Dilatare termica

- sticle dure < 6 10-6;

- sticle moi > 6 10-6

b) Conductivitatea termica depinde de compozitie, temperatura

c) Rezistenta la soc termic - diferita la incalzire fata de racire;

4. Proprietati electrice:

- sticla este un izolator electric;

- proprietatile electrice depind compozitie:

- sticla cu Pb prezinta proprietati dielectrice;

- sticla ce contine Na+, K+ - prezinta conductivitate electrica

mai ridicata decat sticla obisnuita;

- sticla ce contine Ca2+, Ba2+ - prezinta rezistivitati electrice

mai ridicate decat sticla obisnuita;

5. Proprietati chimice

- sticlele sunt atacate de apa tratament termic 3000 4000 C,

in prezenta un ui strat de ulei de silicon

6.Proprietati optice:

n= 1,51 -2,1 sticlele silico-calco-sodice;

- sticla este transparenta in VIS si nu este UV;

- sticla colorata (ce contine ioni de metale tranzitionale: Ni2+, Co2+,

absorbe in vizibil)

Sticle optice - se clasifica in sticle cron si flint;

- se utilizeaza la fabricarea lentilelor, prismelor

Sticlele cron

- sunt sticle silico-calco-sodice ce contin: BaO, Al2O3, KF, NaF,CaF2;

- au indici de refractie mici si puteri dispersive mari;

Sticlele flint

- sunt sticle ce contin: PbO, TiO2, CdO, Bi2O3 ,CaF2;

- au indici de refractie mari si puteri dispersive mici

Sticlele cu absortie selectiva

- sunt sticle silico-calco-sodice ce contin oxizi metalici;

- sticle de culoare albastra: contine 0,2 % CoO si 0,5 % CuO;

- sticle de culoare verde: contine 1,2- 1,5 % CuO si 0,15 -0,7 % Cr2O3;

- sticle de culoare rosie: contine 0,5- 1,0 % Se si 1 -2 % CdS;

- sticle de culoare galbena: contine CdS, Se si ZnO;

Sticle fotosensibile

- sticle sensibile la actiunea unor radiatii ce pot provoca fluorescenta, fosforescenta sau colorarea sticlei;

- sticlele fotosensibile reversibile se numesc sticle fototrope sau sticle fotocromice

3 4hCe Ce eAg e Ag

hAg Cl Ag Cl

Fibre de sticla

se obtin prin tragerea sticlei topite prin filiera

sau prin tragere din bagheta;

prezinta conductibilitate termica si electrica

redusa;

sunt utilizati ca izolatori termici si electrici;

utilizate la armarea materialelor compozite:

materiale cu rezistenta mecanica ridicata

Fibre optice Fibre cu diametru 50 100 m si lungime

de 10 cm 3 Km;

utilizari in telecomunicatii, dispozitive

optoelectronice (diode emitatoare de

lumina, fotodiode), industria calculatoarelor,

automatizari industriale, etc

Conditii pentru transmiterea informatiei;

sa ghideze radiatia in interiorul fibrei fara pierderi externe; pierderi prin absortie si difuzie mici in interiorul fibrei; forma impulsului de radiatiei transmis sa se pastreze nealterat

Materiale electroceramice

Materialele ceramice sunt materiale anorganice, nemetalice obinute la temperaturi i presiuni ridicate, la care are loc sinterizarea, vitrificarea sau topirea unor materiale naturale (argile,

caolin, cuar) sau sintetice (carburi, nitruri, oxizi), urmat de rcirea.

Materialele ceramice clasice sunt utilizate pentru stabilitatea lor

mecanic, termic i chimic.

Materialele electroceramice sunt materialele ceramice care au

fost special formulate pentru proprietile specifice electrice, magnetice, sau optice.

Exemple de materiale electroceramice:

oxizi: BaTiO3, MgTiO3 sau CaTiO3, ZnO, etc;

materialele de tip PTCR (the positive-temperature-coefficient

resistors) pot fi utilizai ca senzori de temperatur sau pentru determinarea conductivitii termice din diferite medii;

piezoceramicele pot intra n componena senzorilor de presiune, sunete i ultrasunete;

ceramica piroelectric poate fi utilizat ca senzori de infrarou, senzorii de umiditate, senzori de gaz ;

ceramice stabile la temperaturi nalte bazate pe utilizarea SiC i Si3Ni4.

ceramice ferroelectricede tip PZT -cu formula general ABO3, n care: A este un ion divalent mare de metal, cum ar fi Pb2+ sau Ba2+,

B este un ion de metal mic tetravalent, cum ar fi Ti4+ sau Zr4+ legat

prin coordonarea cu oxigenul.

Fenomenul de ferroelectricitatea apare ca urmare a deplasrii ionilor pozitivi B4+ i a ioni negativi O2- n direcii opuse. Aceasta deplasare provoac polarizarea spontan, care determin: constante dielectrice ridicate, piezoelectricitate.

Aplicatii ale ceramicei feroelectric:

- senzori, generatoare, traductoare pentru RAM, pentru DRAM

(memorie dinamic cu acces aleatoriu), precum i pentru NVRAM (non-volatil memorie cu acces aleator).

Aplicatii ale materialele electroceramice :

n ingineria electric: materialele izolatoare, condensatoarele, materiale feroelectrice, ceramicele piezoelectrice i piroelectrice, ceramicele pentru microunde, conductoarele optice,

superconductoarele.

in electronic: circuitele microelectronice (materiale electroceramice cu proprietii dielectrice).

Utilizarea materialelor electroceramice n domeniul microelectronicii

a ridicat problema miniaturizate n circuite

Materiale compozite

Materiale cu rezistenta mare obtinute prin armarea unei matrici polimerice, ceramice sau metalice cu fibre dintr-un alt material.

Fibrele folosite pot fi: fibre de C, B, sticla, metale, ceramice

Proprietatile materialului compozit sunt total diferite si net superioare componentelor de baza.

Clasificare dupa compozitie

Compozite cu matrice polimeric sunt rini epoxidice, poliimide sau poliesterice) sau

termoplastice, armate cu fibre de sticl, de carbon, de bor sau aramidice (Kevlar), cu monocristale ceramice fibre metalice.

- sunt folosite la temperaturi relativ joase de lucru

Compozite cu matrice metalic aliaje de Al, Mg, Ti sau Cu, n care se introduc fibre de B, de C

(grafit) sau ceramice (de obicei de alumin sau SiC). - utilizat pana la temperatura < 800 C;

- pentru aplicatii la temperaturi mai mari se recomand folosirea ca matrice a unor aliaje pe baz de Ni sau a unor superaliaje.

Dezavantaj - creterea masivitii structurii finale.

Compozite cu matrice ceramic matricea de baz formata din SiC, Al2O3 i sticla, iar fibrele de

armare de natur ceramic (de obicei sub form de fibre discontinue, foarte scurte).

- utilizate pentru aplicaiile cu temperaturi foarte ridicate de lucru (peste 1000 C);

Compozite carbon-carbon matrice de carbon sau de grafit i armare cu fibre de carbon, fibre

de sticla si Kevlar-ul.

- sunt foarte scumpe;

- avantaje: rezistena la temperaturi nalte (de pn la 3000 C), densitatea mic i coeficient mic de dilatere termica.

Avantajele materialelor compozite

rezistena mecanic i rigiditatea mare;

rezistena la coroziune;

rezistena la aciunea agenilor chimici;

greutatea sczut;

stabilitatea dimensional;

rezistena la solicitri variabile, la oc i la uzur;

proprietile izolatoare

estetice.

Aplicatii

industria aeronautica, maritima, constructilor de masini;

Industria sportiva;

Medicina;

Cristelele lichide

Cristelele lichide sunt lichide anizotrope, care se gsesc ntr-o stare intermediar, situat ntre starea solid caracteristic unui solid i cea lichid caracteristic unui lichid izotrop.

cristalele lichide au o comportare reologic asemntoare lichidelor, dar prezint o ordonare a moleculelor specific solidelor cristaline.

n funcie de procedeul de obinere cristalele lichide sunt de dou tipuri:

- cristale termotrope;

- cristale liotrope.

Cristalele termotrope se clasific n funcie de structura chimic i ordinea molecular se clasific n cristale:

nematice;

smectice;

colesterice.

Aplicaii ale cristalelor lichide:

optoelectronic: dispozitive optoelectronice cu afiare cu cristale lichide, memorii optice, filtre optice, termografie i testri termice nedistructive, etc;

afiaj cu cristale lichide (LCD) - este folosit frecvent n construcia ceasurilor digitale, maini de uz casnic, inscripii i semnalizri electronice.

pentru testarea fiabilitatea unor rezistoare peliculare.

semnalizator pentru evidentierea supraincalzirii unor circuite

hidride, circuite imprimate prea subiri sau componente electronice.

Componentele supranclzite pot fi puse n eviden de un strat de cristal lichid colesteric aplicat pe acestea care i schimb culoarea dac se depete temperatura maxim de funcionare.

LCD ul este un dispozitiv de afiare pentru litere, cifre, grafic i imagini, fiind constituit dintr-o matrice de celule lichide care devin

opace sau schimb culoarea sub influena unui curent sau cmp electric.

Din punct de vedere fizic fenomenul se explic prin proprietatea cristalelor lichide de a influena direcia de polarizare a luminii atunci cnd ele sunt puse sub o anumit tensiune electric.

Un afiaj LCD se prezint sub forma unui display care este comandat electronic printr-un decodificator de caractere numerice i alfabetice.

Bibliografie

S. Mihai, Chimia pentru nechimiti, Ed. Printech, 2005.

P. W. Atkins, Julio de Paula, Tratat de Chimie Fizic, Ed. Agir 2005;

E. Jurconi, C. Nicolescu, Chimie Generala. Profil tehnic, Ed.

Printech 2000;

R. Serway. C. J. Moses, C. A. Mayer, Modern Physics, 3 Edition,

Thomson Books, 2005

wikipedia.org/wiki/