6.2 Styrenplast........................................... 13: 6.2.1 Polystyren (PS) 13: 6.2.2 Slagfast polystyren (SB) 137 6.2.3 Polystyrenacrylnitril (SAN) 139 6.2.4 ABS 141 6.2.5 Andre styrenbaserede terpolymerer 143 6.3 Polyvinylchlorid (PVC) 145 6.3.1 Stiv PVC 145 6.3.2 Blødgjort PVC 147 6.3.3 PVC-plastisol 150 6.4 Polyvinylidenchlorid (PVDC) 151 6.5 Polymethylmethacrylat (PMMA) 152 6.6 Celluloseplast 155 6.7 Polyamider (PA) 157 6.8 Polyoxymethylen (POM) 161 6.9 Termoplastiske polyestere (PET og PBT) 163 6.10 Polyphenylenoxid, modificeret (PPO, PPO/SB) 166 6.11 Polycarbonat (PC) 169 6.12 Svovlholdige plast 171 6.12.1 Polysulfon (PSU) 171 6.12.2 Polyethersu1fon (PES) 172 6.12.3 Polyarylsulfon (PAS) 174 6.12.4 Polyphenylensulfid (PPS) 175 6.13 Fluorplast 177 6.13.1 Polytetrafluorethylen (PTFE) 177 6.13.2 Andre fluorplast 179 6.14 Polyetheretherketon (PEEK) 180 6.15 Polyurethan (PUR) 182 6.16 Polyimider 184 6.16.1 Polyimid (PI).......................................... 184 6.16.2 Polyamidimid (PAI) 186 6.16.3 Polyetherimid (PEI) 188 6.17 Flydende krystal-polymer (LCP) 190 6.18 Phenolplast(PF) 192
6.19 Aminoplast 195 6.19.1 Carbamidplast (UF) 196 6.19.2 Melaminplast (MF) 197 6.20 Umættet polyester (UP) 199 6.21 Epoxyplast (EP) 202 6.22 Termoplastiske elastomerer (TPE) 205 6.23 Polymerlegeringer (blandinger) 207 6.24 Egenskabstabeller 209 7 Fibermaterialer 217 7.1 Fibertyper 217 7.1.1 Glasfibre 218 7.1.2 Kulfibre 219 7.1.3 Aramidfibre 225 7.1.4 Polyethylenfibre....................................... 228 7.1.5 Cellulosefibre 230 7.1.6 Borfibre 231 7.1.7 Siliciumcarbidfibre.................................... 232 7.1.8 Aluminiumoxidfibre 234 7.1.9 Sammenligning mellem fibre 235 7.2 Fibrenes egenskaber 235 7.2.1 Overflade og grænseflade 237 7.2.2 Massefylde og diameter 249 7.2.3 Stivhed og styrke 249 7.2.4 Termiske egenskaber 249 7.2.5 Elektriske egenskaber 250 7.3 Fibrenes form 256 7.3.1 Fibrenes massefylde 259 7.3.2 Fibrenes diameter 259 7.3.3 Fibrenes længde 260 7.3.4 Enkeltfibre............................................ 260 7.3.5 Fiberbundter 261 7.3.6 Fibre som væv 263 7.3.7 Fibre som preform (forform) 269 7.4 Halvfabrikata......................................... 269 7.4.1 Fibergeometri 270 7.4.2 Fiberarrangement 270 7.4.3 Matrixmængde 271 7.4.4 Fiber/matrix-binding 271 7.4.5 Oversigt 271
7.5 Tekstilteknologi....................................... 272 7.5.1 Simpelt væv (plain weawe) 273 7.5.2 Kiper-væv (twill weawe) 274 7.5.3 Satin-væv (atlask) (sateen weawe) 274 8 Fiberforstærket plast 281 8.1 Fibre, matrix og grænseflade 281 8.2 Geometri og grænseflader 281 8.3 Mekaniske egenskaber 282 8.4 Indre spændinger 282 8.5 Fysiske egenskaber 283 8.6 Kemiske egenskaber 283 8.7 Bestemmelse af egenskaber 283 9 Miljø- og arbejdsmiljøforhold 285 10 Genanvendelse og bortskaffelse 295 10.1 Plastaffald 295 10.2 Genanvendelse i Danmark 295 10.3 Genanvendelse i udlandet 297 10.4 Udviklingstendenser 298 11 Identifikation 301 12 Kildereferencer og supplerende litteratur 309 12.1 Ki Idereferencer....................................... 309 12.2 Supplerende litteratur................................. 311 Stikordsregister 313
Forord Dennelærebogindgår i et omfattende, modulopbygget system af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til at arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern, stål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer over plast, fiberforstærket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiske materialer. For hver materialetype vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning og konstruktion, nedbrydningsformer og tilstandskontrol. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessystem er, at virksomheder - eller enkeltpersoner - har mulighed for at sammensætte et kursusforløb som er tilpasset det aktuelle behov, hvad enten det drejer sig om at gå i dybden med et materialeområde, eller man ønsker at udvide sine kvalifikationer til flere materialetyper fx inden for et emne som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vores håb, at denne lærebog enten i forbindelse med det pågældende kursus - eller ved selvstudium - vil være et godt bidrag til en sådan opgradering af kvalifikationerne hos den enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslagsbog og kilde til supplerende viden, er den forsynet med mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekster og indeks, der letter opslag. Visse afsnit i teksten vil være forsynet med en streg langs margenen som indikation af, at det pågældende afsnit specielt henvender sig til læsere med ingeniørmæssig baggrund. I forbindelse med kurser vil bogen blive ledsaget af en arbejdesmappe indeholdende supplerende materialer, øvelsesvejledninger og opgaver. Kurserne er udviklet i et konsortium bestående af Danmarks Ingeniørakademi (maskinafdelingen), Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter RISØ samt en række danske virksomheder. En række medarbejdere i virksomhederne har bidraget til udviklingsarbejdet i form af klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ved deltagelse i følgegrupper. Udviklingsarbejdet er foretaget 9
med støtte fra Undervisningsministeriet (Lov 271 - Lov om Efteruddannelse) og herunder har Indsatsgruppen for Materialeteknologi samt de tilknyttede referees ligeledes ydet en god indsats med henblik på afstemning mellem erhvervslivets behov og materialets indhold. Taastrup, marts 1993 På konsortiets vegne Lorens P. Sibbesen (projektadministrator) 10
Forord til P1 Denne bog er udarbejdet til undervisningen i kursusmodulet Materialekendskab - Plast og Fibre. Bogen og undervisningen henvender sig til alle, som beskæftiger sig med forarbejdning og anvendelse af plast; men der kræves ikke nødvendigvis forudgående kendskab til plast for at få udbytte af kurset. Der indledes med en kortfattet omtale af atomer og molekyler og af kemiske bindinger. Derefter gives en beskrivelse af den principielle, kemiske opbygning af plastpolymerer. Dette gøres, uden at der er medtaget mere kemi, end der skønnes absolut nødvendigt for forståelsen af plastpolymerernes særlige egenskaber. I kapitel 3 diskuteres, hvorledes plastmaterialernes sammensætning, kemiske opbygning og molekylære struktur afspejler sig i deres forarbejdningstekniske og anvendelsestekniske egenskaber. I kapitel 4 beskrives generelle forskelle mellem termoplast og hærdeplast. Først efter tilsætning af en række hjælpestoffer, fx blødgøringsmidler og stabilisatorer, får man imidlertid det optimale udbytte af plastenes egenskabsmuligheder. Dette gøres der rede for i kapitels. Kapitel 6 indeholder en karakteriserende beskrivelse af de fleste af de kommercielt anvendte plastmaterialer - både termoplast og hærdeplast. Sidst i kapitlet findes tabeller over en række vigtige egenskaber af de almindeligste plast. I kapitel 7 beskrives de fibermaterialer, der almindeligvis finder anvendelse som forstærkningsfibre i plast, mens den egentlige gennemgang af de fiberforstærkede plast, de såkaldte plastbaserede kompositmaterialer, er foretaget i en selvstændig bog, F2. Principielle forhold omkring kompositmaterialer baseret på fibre og plastmatrixer er dog kort omtalt i kapitel 8. 11
I kapitel 9 omtales miljø- og arbejdsmiljøforhold, mens forhold omkring genanvendelse og bortskaffelse af plast er behandlet i kapitel 10. Identifikation af plastmaterialer foregår i dag hovedsageligt ved fysiske metoder i dertil indrettede laboratorier. Imidlertid kan man ofte i praksis have gavn af at kunne foretage en materialebestemmelse her og nu. Til dette formål findes en del meget simple fremgangsmåder, som er beskrevet i kapitel11. Det er forfatternes håb, at den foreliggende bog kan medvirke til at give læseren en større forståelse af de forhold, der karakteriserer plastmaterialerne og gør dem til en særligt interessant materialegruppe, således at teknikeren i sit daglige arbejde kan bidrage til bedre anvendelser af plast. Vi takker kolleger, som med deres kommentarer har inspireret os i arbejdet med denne bog. Desuden takkes de firmaer, der velvilligt har stillet fotos af plastprodukter til rådighed til gengivelse i bogen. Roskilde, april 1993 Taastrup, april 1993 Hans Lilholt Kjeld Karbæk 12
Indledning 1 Det ældste kommercielt betydningsfulde plastmateriale er celluloid, dvs cellulosenitrat, som er blødgjort med kamfer. Det er en videreudvikling af det yderst farlige stof skydebomuld, som var blevet opdaget af de amerikanske brødre Hyatt. En rig amerikansk billardspiller udlovede i 1868 en dusør på 10.000 dollars til den, der kunne skaffe et bedre materiale til billardkugler end elfenben, som var fyldt med små luftindeslutninger og uregelmæssigheder, hvilket gjorde, at de ikke altid kunne løbe ligeud. Desuden var elfenben meget dyrt. Englænderen Parker tæmmede skydebomulden med kamfer; men det var brødrene Hyatt, der fik patent på en sprøjtestøbemaskine, der kunne fremstille billardkuglerne og andre emner. Plastalderen var begyndt i årene omkring 1870. Da celluloid er meget brandfarligt, søgte man snart et mere temperaturstabilt materiale. Den belgiske kemiker Leo Baekeland fik i 1907 patent på et plastmateriale fremstillet af phenol og formaldehyd og sammenpresset med trærnel. Materialet - phenolplast - opnåede hurtigt stor fremgang, og det fremstilles stadig i mange udgaver og med mange forskellige fyldstoffer. Det skulle vise sig, at netop de to første plastmaterialer af større betydning var repræsentanter for hver sin gruppe af plast, nemlig termoplastene (celluloid) og hærdeplastene (phenolplast). Samtidigt repræsenterer cellulosenitrat de halvsyntetiske plastpolymerer og phenolplast de helsyntetiske (se herom senere). I tiden mellem de to verdenskrige voksede den første generation af plastpolymerer frem: polystyren, PVC, acrylplast, nylonfibre, blød polyethylen (PE-LD), SBR-gummi, alkydfarver, carbamidplast, celluloseacetet og melaminplast. I årene efter anden verdenskrig kom den anden generation af syntetiske, polymere materialer: konstruktionsplast - eller tekniske plast - med større mekanisk styrke og stabilitet, fx hård polyethylen (PE-HD), polypropylen, polycarbonat, 13
epoxyplast og polysulfon, fibre og folier af termoplastisk polyester, chloropren-, nitril- og EPDM-gummi, latexfarver, lakker, skumplast af polyurethan og af polystyren samt glasfiberforstærket umættet polyester. I slutningen af1960'erne begyndte så den tredje generation af polymere materialer at vise sig på det kommercielle marked, nemlig plast, fibre og gummi med meget høj styrke og termisk stabilitet: polyimider, carbonfibre og aramidfibre, fluorgummi mv. Hvis man regner efter volumen, har verdensforbruget af plastmaterialer allerede midt i 1980'erne overhalet stålforbruget, og detforventes, at det samme vil ske vægtmæssigtinden år2000. 1.1 Moderne plast I disse år synes udviklingen af nye polymerer at stagnere. Dels er det meget kostbart, dels har man uanede muligheder for at tilpasse (skræddersy) materialekombinationer med mere eller mindre forudsigelige og ønskelige egenskaber ud fra de eksisterende polymerer og de store udbud af tilsætningsstoffer. Der er en intens udvikling i gang for at fremstille polymerlegeringer og -blandinger med ønskede egenskaber. Sideløbende hermed ses en stærkt stigende interesse for ved kompoundering at opnå specielle egenskabskombinationer. Denne mulighed er ofte tilgængelig for traditionelle og fremsynede forarbejdningsvirksomheder. Når vi taler om fiberforstærkede, højtydende plast, kan man også opnå egenskabsprofiler, der på mange måder overgår metallernes. I forhold til metallerne er de almindelige plast imidlertid karakteriseret ved betydeligt enklere og dermed ofte billigere forarbejdningsbetingelser. Desuden er plastene elektrisk isolerende og ofte bestandige mod mange skrappe kemikalier. Derimod er de generelt mekanisk svage, og hvad angår termisk stabilitet, kan standardplastene slet ikke måle sig med metallerne. Moderne fiberforstærkede termoplast og hærdeplast, de såkaldte kompositmaterialer, kan dog på mange flere områder 14
hamle op med metallerne. Særligt i transportindustrien - biler, tog, fly, rumfart - er det af stor interesse at kunne opnå styrke, stabilitet og varmebestandighed i komponenter, der er nemmere at producere og samtidigt vejer mindre. Derved kan transportfartøjernes nyttelast tilsvarende øges. Terminologi 1.1.1 Det er ret udbredt på dansk at bruge det engelske ord»plastic«for disse materialer. Imidlertid sker der ofte forvekslinger med andre, lignende begreber. Derfor synes det mest formålstjenligt at benævne materialegruppen»plast«. Det er frivilligt, om man siger et eller en plast - fagfolk foretrækker normalt»en«. I ubestemt flertal hedder det også»plast«, og i bestemt form»plastene«. På tysk hedder plast»kunststoffe«. Store dele af branchen er under stærk tysk indflydelse, hvorfor man ofte hører ordet kunststof på dansk; men det forekommer ikke at være godt dansk og findes fx ikke i Retskrivningsordbogen. Plastmaterialernes oprindelse 1.1.2 Med den især efter anden verdenskrig stærkt stigende petrokemiske industri har råvarer til plastfremstilling været let tilgængelige og ofte - i hvert fald indtil midten af 1970'erne til en attraktiv pris. Olie og naturgas omdannes i raffinaderier og forskellige kemiske procesanlæg til rene, lavmolekylære stoffer. Ved sammenkobling af sådanne stoffer opbygges nye syntetiske stoffer (kemisk syntese), blandt andet en række polymere stoffer. Mange har plastkarakter; men langt de fleste opnår først attraktive egenskaber efter iblanding af hjælpestoffer og tilsætningsstoffer. Hvad er en plast? 1.1.3 Det er overordentligt vanskeligt at opstille en dækkende definition på en plast. Flere har i tidens løb forsøgt sig med meget indviklede formuleringer, der måske nok kan være dækkende, men er aldeles uhåndterlige. Ordet»plast«er afledt af det græske tillægsord»plasticos«, der betyder»formbar«. Dermed hentydes til, at materialet på et eller andet trin i fremstillingsprocessen har været formbart. 15
En måske ikke helt dækkende, men brugbar definition kunne være:»for at et materiale skal kunne kaldes en plast, skal det være eller have været plastisk formbart være højpolymert være (i det væsentlige) organisk«parentesen i det sidste punkt hentyder til, at mange silikoner har plastagtige egenskaber, uden at de nødvendigvis indeholder carbonatomer i hovedmolekylkæden, men eventuelt kun i sidegrupper. 16
Forbruget af plast 1.1.4 Verdensforbruget af plast tog sit første store opsving under anden verdenskrig og især i årene umiddelbart efter. Siden begyndelsen af 1960'erne har udviklingen nærmest været eksplosiv, og intet tyder på, at denne tendens vil ændre sig foreløbigt. På figur 1.1 vises udviklingen iverdensforbruget siden 1860. Millioner tons 90 Figur1.1 Udviklingen iverdensforbruget af plast i millioner tons siden 1860 80 70 60 50 40 30 20 10 Cellulose, casein Kul + vand + luft (Kulgas, tjære) I I I I I Olie, naturgas I- I I I I I I I I I 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 17
1.1.5 Eksempler på anvendelse af plast Figur 1.2 Lampen Pantella med kuppel af acrylplast og stolpe og fod af ASA (terpolymer af acrylester, styren og acrylnitril) (Louis Poulsen & Co AIS) Figur 1.3 Den kendte Margrethe-skål fremstillet af melaminplast (Rosti Housewares AIS) Figur 1.4 Eldåser af polyethylen (LK) Figur 1.5 Husholdningsstøvsuger, Nilfisk GM200, med bund aftalkumfyldt polypropylen og dæksel af ABSI polycarbonat (Fisker & Nielsen) 18
Figur 1.6 Udstyr til dyrkning af celler og væv. Plader, skåle og flasker af polystyren; rør af polyethylen med skruehætter af polypropylen (A/S Nunc) Figur1.7 Værktøjskasse af polypropylen (Raaco) Figur 1.8 Lyslederkabel. Omkring en stang af glasfiberforstærket epoxyplast holder et føringskabel med stjerneformet tværsnit de optiske glasfibre på plads; de beskyttes af en folie af termoplastisk polyester (PET), en kappe af polyethylen og endnu en kappe af polyamid 12 (NKT A/S) 19
Figur 1.9 Legetøj af ABS (Lego System A/S) Figurl.l0 TV-kabinet af slagfast polystyren (Bang & Olufsen) 20
Fiberforstærket plast 1.2 Kompositmaterialer i den normalt anvendte betydning - eller afgrænsning - er opbygget af fibre indlejret i en grundmasse, traditionelt kaldet matrix; en principskitse af materialeopbygningen er vist i figur 1.11. Figur1.11 Fibre i en matrix; principskitse af kompositmateriale med korte fibre 1/ c J Kompositmaterialerne udgør en gruppe af materialer på linie med metaller og metallegeringer, keramiske materialer og polymerer. Da kompositterne er sammensatte materialer, trækkes der på de øvrige materialegrupper, når fibre og matrix skal vælges. Det færdige kompositmateriale har karakteristika, som er bestemt af de enkelte dele (fibre og matrix), og de har tillige egenskaber, som er specielle for det sammensatte materiale. I beskrivelsen af kompositmaterialer vil disse forhold komme frem i forbindelse med egenskaberne. Grundlag for egenskaber 1.2.1 Fibrene er de belastningsbærende elementer i kompositmaterialet, mens matrixen holder fibrene sammen og overfører belastningerne til fibrene. Fibrene skal bære belastningerne; det vil især være trækbelastninger, og desuden trykbelastninger. Fibrene er normalt af et materiale med gode stivheds- og styrkeegenskaber; sådanne findes især blandt oxider, karbider og andre kemiske forbindelser, der er dannet ud fra lette grundstoffer. Herved fås samtidig en lav massefylde, således at fibrene tillige på vægtbasis har meget gunstige egenskaber. 21
Selve materialet, hvoraf fibrene er opbygget, kunne således tænkes anvendt direkte i massiv form. Dette er imidlertid ikke muligt i praksis, idet materialerne samtidig med de ovennævnte gode egenskaber er meget sprøde; dvs de er følsomme over for selv små revner, som (over en vis kritisk størrelse) er katastrofale og medfører øjeblikkeligt brud af hele det massive materialestykke. En opdeling i fiber- eller trådformede enheder begrænser»skaden«, dels fordi en revne vil være mindre og derfor mindre farlig, dels fordi kun en eller nogle få fibre vil brydes, mens resten stadig bærer belastningen. Et fiberbundt vil således både reducere brudrisikoen og give et ikke-katastrofalt brud. Princippet for et fiberbundt kendes fx i forbindelse med tovværk, som naturligvis kun kan optage trækbelastninger og gør det meget effektivt. Et fiberbundt er ligesom tovværk meget»blødt«over for tværgående kræfter; og for at overføre belastningen til fibrene og skabe et fast materiale anvendes en matrix - typisk et plastmateriale - til at sammenbinde fibrene. Matrixens vigtigste opgave er at overføre belastninger ved forskydning til fibrene. Et kompositmateriale får således sine egenskaber fra begge faser, idet belastninger i træk og tryk klares af fibrene, mens matrixen er ansvarlig for at modstå belastninger i forskydning og tryk. 1.2.2 Karakteristika for kompositmaterialer De sammensatte materialer er karakteriseret ved, at fibre udgør en betydningsfuld del af materialet og ikke kun tjener som fyldstof. Mængden af fibre og matrix er normalt af samme størrelsesorden, således at volumenandelen af fibre er fra 20 til 60 % Med fibrenes udprægede retningsgeometri, fiberlængden, bliver orienteringen af fibrene vigtig, både deres indbyrdes orientering og den ydre belastnings orientering i forhold til fibrenes retninger. For fibrene er tillige længden vigtig; lange fibre giver normalt bedre egenskaber end korte fibre, men sammenhængen er ikke altid simpel. I de fleste tilfælde er ikke den abso- 22
lutte fiberlængde, men snarere længden i forhold til diameteren, der er af betydning for egenskaberne. Kompositmaterialernes egenskaber er i udstrakt grad bestemt af og styret af de enkelte dele: fibre og matrix. I nogle tilfælde er kompositegenskaberne et middeltal mellem værdierne for ren fiber og for ren matrix; det gælder fx stivheden og styrken. I andre tilfælde er kompositegenskaberne meget afvigende fra middelværdien, fx er brudsejheden af kompositmaterialer meget større end værdierne for både fibre og matrix. Fordele ved kompositmaterialer 1.2.3 Bedømmelsen af fordele baseres på sammenligning med de traditionelle materialegrupper: metaller, keramiske materialer og polymerer. De fleste fibre har lav massefylde, og derfor får kompositmaterialer med plastmatrix lav massefylde. Fibrene er normalt stive eller meget stive, og kompositmaterialerne bliver derfor generelt stive. Ved en yderligere bedømmelse på vægtbasis bliver kompositmaterialer ekstremt stive; et eksempel er kompositter med stive kulfibre i epoxyplastmatrix, hvor stivheden kan blive op til det dobbelte af ståls med en massefylde på ca en femtedel af ståls. Kompositmaterialers styrke - taget i bred betydning - er også gunstig; det gælder både trækstyrke ved korttidsbelastning og udmattelsesstyrke og krybestyrke ved langtidsbelastning. For langtidsstyrkerne er der en klar betydning af fibrenes høje stivhed. Fysiske egenskaber af kompositmaterialer viser også en række særlige forhold, som ofte er gunstige. Den termiske udvidelse af fibre er lille, og derfor bliver kompositmaterialernes termiske udvidelse også relativt lav. Den kan desuden styres (skræddersys), således at den i givet fald kan tilpasses andre materialer. Herved kan termiske spændinger undgås eller nedsættes i konstruktioner, og den termiske stabilitet kan øges. Den termiske ledningsevne er ligeledes justerbar, fordi fibrene og matrixen ofte har meget forskellig varmeledningsevne. 23
Endvidere kan ledningsevnen være forskellig i forskellige retninger, som styres af fiberorienteringerne. For den elektriske ledningsevne gælder lignende forhold. Specielt skal det nævnes, at kulfibre har stor ledningsevne på langs af fibrene og ringe ledningsevne på tværs af fibrene; det er således muligt at fremstille stænger, som leder varme eller elektricitet langs stangen og isolerer på tværs af stangen. Fremstillingen af kompositmaterialer byder på potentielle fordele, idet en række processer er lukkede i den forstand, at procesforløbet, hærdning eller smeltning af polymer, sker i et lukket rum evt under tryk og varme. Eksempler på lukkede processer er autoklavehærdning og injektionsstøbning. 1.2.4 Særlige forhold ved kompositmaterialer På grund af den ofte store forskel i stivhed og i termisk udvidelse mellem fibre og matrix vil der altid i kompositmaterialer være indre spændinger som følge af afkøling fra fremstillingstemperatur til stuetemperatur. Matrixpolymeren er normalt under trækbelastning og fibrene under trykbelastning; ofte fører denne situation til, at matrixpolymeren revner lokalt ved mindre ydre belastning end i fri tilstand, hvilket normalt er en ulempe. Fibrene gør det imidlertid muligt at reducere matrixens trækspændinger eller eventuelt ændre dem til trykspændinger; herved kan der opnås en gunstig effekt i form af forsinkelse af revnedannelsen. Metoden indebærer forspænding af fibrene (i stil med forspændt jernbeton), således at matrixen sættes under tryk. Den ofte komplekse fabrikationsproces for kompositmaterialer er generelt en ulempe, og der arbejdes naturligvis ihærdigt på at simplificere procesforløbet. Denne situation skal dog sammenlignes med, at de færdige kompositmaterialer ofte kan indgå i en konstruktion, således at der bliver langt færre enkeltdele og dermed sammenføjningsoperationer end for komponenter, der er fremstillet af traditionelle materialer. Det færdige produkts pris kan derfor alligevel blive gunstig. 24
Ulemper ved kompositmaterialer 1.2.5 En væsentlig forskel fra traditionelle materialer er, at prisen for udgangsmaterialerne, specielt fibre, er høj. Prisen angives normalt pr vægtenhed; men det er pr volumenenhed, at fibrene gør gavn. Derfor er den reelle pris gunstigere, end kiloprisen antyder, fordi fibrenes lave massefylde er fordelagtig. En samlet vurdering af omkostninger ved et produkt bør måske ikke alene omfatte fremstillingen, men også vedligeholdelse og reparation gennem produktets samlede levetid. Der er en tendens til, at kompositmaterialer har reducerede omkostninger i brugsperioden; men endnu er erfaringerne små på dette område. Det generelle princip ved sammenligning af materialer og produkter bør være de samlede livstidsomkostninger (»totallife cost«) fra fremstilling til sluttelig skrotning af produktet af tekniske eller af nedslidningsmæssige grunde. Ved fremstilling af kompositmaterialer skal både fibre og polymerer håndteres med omhu, og deres virkning på arbejdsmiljøet skal bedømmes. En nærmere beskrivelse af disse forhold er givet i kapitel 9. Et forhold ved materialer i almindelighed og ved kompositmaterialer i særdeleshed er mulighederne for genbrug. Kompositmaterialernes særlige og gode egenskaber er bestemt af de to dele, fibre og matrix, og specielt af det arrangement, hvori fibrene er placeret i matrixen. Ved nedbrydning af et udtjent kompositmateriale vil den særlige fiberkonfiguration ofte gå tabt, og derved har kompositmaterialet mistet sin direkte genanvendeligehed. En nærmere beskrivelse af genbrugsaspekter for både plast og kompositmaterialer er givet i kapitel 10. 25
1.2.6 Eksempler på brug af kompositmaterialer Figur1.12 Parabolantenne tii Voyagersatellit. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Let pga høj specifik stivhed. Lav termisk udvidelse. Kulfibre har en negativ termisk længdeudvidelseskoefficient. Ved passende opbygning af laminatet kan parabolantennen opnå en udvidelseskoefficient på nul, dvs opretholde sin geometri, hvad enten den befinder sig i solen eller i skyggen. Kilde: Fiberite, USA Figur1.13 Lasteluger. 2 af de 8 lasteluger til Columbia:rumfærgen. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Let pga høj specifik stivhed. Kilde: Fiberite, USA Figur 1.14 Haleror. F-16-fly med haleror og sideror af fiberkomposit. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Let pga høj specifi k styrke og stivhed. Som eksempel kan nævnes, at British Aerospace har fremstillet vinger til et Jaguar-jagerfly og opnået en vægtbesparelse på 13% 26
Figur1.15 Bladfjedre. øverst i stål, nederst i komposit. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Pga den høje specifi kke stivhed vejer kompositfjederen kun ca 1/4 af, hvad stålfjederen vejer. Kilde: European Chapter Meeting of SAMPE, Nov 1981 Figur1.16 Vindmøllevinger. Materiale: Glasfiberforstærket polyester. Egenskab: Gode udmatteisesegenskaber. Skadeudviklingen sker meget langsomt. Det er billigt at fremstille aerodynamisk optimal profil og overflade. Kilde: Fra prøvestationen for vindmøller, Risø Figur1.17 Trykbeholder til fx lagring af bremsenergi på køretøjer. Materiale: Glasfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Lav vægt pga høj specifik styrke. En kompositbeholder vejer mellem en trediedel og halvdelen af en stålbeholder afhængig af fibertypen. Ved overbelastning bliver en kompositbeholder utæt før brud, hvilket er en ekstra sikkerhedsfaktor. Kilde: Afdelingen for Materialeforskning, Risø 27
Figur1.18 Ski og skistave. Materiale: Skistavene er lavet af kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Pga høj specifik styrke og stivhed er de lettere end konventionelle stave: 140 g mod normalt 240 g. Kilde: Exel, Finland Figur1.19 Måleværktøj og borelærer. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Dimensionsstabil ved varierende temperatur pga meget lav (eller nul) varmeudvidelseskoefficient. Let at håndtere. Kilde: MBB, Tyskland 28
Figur 1.20 Patientbord til røntgenundersøgelse med en CT-skanner. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Lav røntgenabsorption giver bedre billedopløsning. Røntgenabsorptionen af kulfiberforstærket epoxyplast er ca 6 gange mindre end af aluminium. Kilde: Cyanamid and Fothergill, England Figur 1.21 Fyrtårn. 3 m i diameter og 46 m højt. Materiale: Glasfiberforstærket polyester. Egenskab: Korrosionsbestandigt. Lave ved Iigeholdelsesomkostn inger. Svingningsdæmpende laminatopbygning. Kilde: Deutsche Geratebau GmbH, Tyskland 29
Kemisk opbygning af plast 2 Elementarpartikler - bindingstyper - kræfter 2.1 Grundstoffer, atomer, molekyler og ioner 2.1.1 Alt stof i den kendte del af universet er sammensat af blot ganske få elementære bestanddele. Sådanne bestanddele kaldes grundstoffer. Man kender 102 naturlige grundstoffer, som formentlig udgør hele universet, men i hvert fald den kendte del af det. Grundstoffer Et grundstof er et stof, som ikke ved almindelige kemiske metoder kan spaltes og ej heller kan fremstilles ved kemiske reaktioner. I jordskorpen, herunder havene og atmosfæren, er oxygen (ilt) det grundstof, der forekommer hyppigst. Regnet i masse (eller vægt), udgør oxygen ca 50% af jordskorpen, og det er således det hyppigst forekommende grundstof. Den atmosfæriske luft omkring os indeholder ca 20% oxygen. Oxygen forekommer i mange kemiske forbindelser med andre grundstoffer. Vand er den mest udbredte forbindelse; i vand indgår oxygen i kemisk forbindelse med hydrogen (brint). Omkring 89% af vand er oxygen. Silicium er det næsthyppigste grundstof med en andel af jordskorpen på omkring 25%. Det forekommer fx i kemisk forbindelse med oxygen i mineralet kvarts, som udgør størsteparten af strandsand. Efter hyppighed kommer dernæst metallerne aluminium med ca ~5% og jern med ca 4,7 %. Hovedparten af grundstofferne er metaller; kobber, zink, tin, magnesium, calcium, chrom, bly, nikkel, kviksølv, natrium og kalium er vel blandt de mere kendte. Guld, sølv og platin kaldes ædelmetaller og er også grundstoffer. Derimod er bronze og messing metallegeringer, dvs de er sammensat af grundstofmetaller. 31
Af grundstoffer, som ikke er metaller, kendes fx de ædle gasser: helium, neon, argon, krypton, xenon og radon. De kaldes ædelgasser, fordi de ikke kan indgå i kemisk forbindelse med andre grundstoffer. Desuden er grundstoffer som chlor, brom og jod almindeligt kendte, ligesom svovl og fosfor er det. Grundstoffet carbonium eller carbon (kulstof), som indgår i alt plante- og dyremateriale, udgør kun 0,1 % af jordskorpen. Nitrogen (kvælstof) udgør en forsvindende lille del af jordskorpen, selvom ca 79% af den atmosfæriske luft er nitrogen. Størsteparten af grundstofferne forekommer kun i meget ringe mængde - en gruppe kaldes ligefrem for de sjældne jordarter. 99,2% af jordskorpen udgøres af kun 10 grundstoffer, og de resterende 0,8% af de øvrige 92. Grundstoffers periodiske system Forskerne har fundet en ganske veldefineret systematik i grundstoffernes opbygning og egenskaber; man har ligefrem opstillet et grundstoffernes periodiske system. Atomer Den mindste del af et grundstof, man kan have, kaldes et atom. Ordet er græsk og betyder udelelig, idet man dengang troede, at atomerne var udelelige. Sidenhen har man dog fundet ud af at dele eller spalte atomer, hvorved der opstår andre atomer. Et atom er den mindste del af et grundstof, der kan indgå i en kemisk forbindelse. Alle kemiske forbindelser er sammensat af atomer. Forskellen mellem kemiske forbindelser er netop de deltagende atomers natur, antal og arrangement. Molekyler Når et atom indgår i kemisk forbindelse med et andet eller andre atomer, opstår molekyler. Molekyler er sammensat af atomer, som kan være ens eller forskellige. Et molekyle er den mindste enhed af et stof, som kan eksistere alene og bevare alle stoffets egenskaber. Kemiske forbindelser Hvis der indgår forskellige atomer i et molekyle, har man en kemisk forbindelse. En kemisk forbindelse er altså et stof, 32
der indeholder mere end et grundstof, og som har egenskaber, der i det store og hele er forskellige fra de indgående bestanddeles egenskaber. For eksempel er oxygen og hydrogen begge luftarter, mens vand, som er en kemisk forbindelse mellem oxygen og hydrogen, er en væske. Sammensætningen af en given, ren kemisk forbindelse er på alle måder bestemt og er altid ens, uanset hvordan forbindelsen er dannet. For at forstå, hvorfor plastmaterialernes egenskaber er så specielle og forskellige fra andre, kendte materialers egenskaber, må vi gå dybere ned i atomernes opbygning og især i de forskellige kræfter, der virker mellem atomernes partikler, og som binder atomerne sammen til molekyler. For at kunne forstå og beskrive atomers og molekylers opførsel og egenskaber benytter videnskaben sig af forskellige modeller. Man kender imidlertid ikke en enkelt model, som kan forklare alle de fænomener, man kan observere ved atomer og molekyler. For at give et nogenlunde dækkende billede, må man benytte sig af flere forskellige modeller. En atommodel, der let kan give et nogenlunde sandsynligt billede, og som er velegnet i denne sammenhæng, er at opfatte atomet som bestående af en kerne, hvori langt hovedparten af atomets masse er samlet, og en eller flere meget små og meget lette partikler, der bevæger sig i en bestemt eller i flere bestemte baner uden om kernen, således som det illustreres på figur 2.1a. Atommodeller '. -...-..- :-.- :.::..::..:.:... Figur 2.1 Atommodeller. I figur a tænkes de negativt elektrisk ladede elektroner at bevæge sig i bestemte baner uden om den positivt ladede kerne. I figur b er kernen udeladt, og elektronerne opfattes som»tværet ud«over hele rummet som en sky omkring kernen, men med forskellig tæthed (Ref 1) a b 33
Atomare partikler Nukleoner Protonen Neutronen Man kan påvise eksistensen af to slags kernepartikler, nukleoner, som er stort set lige store og med lige stor masse. Den ene slags, protonen, besidder en positiv, elektrisk elementarladning og har massen 1. Den anden nukleon, neutronen, har også massen 1, men er elektrisk neutral. Man kan også påvise eksistensen af meget lette partikler, der bevæger sig i baner omkring atomkernen. Da de hver besidder en negativ, elektrisk elementarladning (af eksakt samme størrelse som protonens positive ladning), kaldes de elektroner. Dette billede af et atoms opbygning er blevet sammenlignet med et solsystem med en fikstjerne, hvorom et antal planeter bevæger sig i baner i forskellige afstande. En elektrisk elementarladning er lig med 1,602'10-19 Coulomb. Nukleonens masse 1 er kun tilnærmelsesvis rigtig. Man har vedtaget at definere oxygenatomets masse som 16,0000. De øvrige partiklers masse angives da i forhold til 1/16 af oxygenatomets masse. Protonens relative masse er da 1,00731 og neutronens 1,00868. For forståelsen af det følgende er det imidlertid helt tilstrækkeligt at regne begge nukleoners masse for 1. En atomar masseenhed ~ 1,66'10-24 g. Med samme masseenhed bliver elektronens masse blot 0,00055. Nukleonernes diameter er ca 1 femtometer, altså 10-15 eller 1 ---------m 1.000.000.000.000.000 mens atomkerner, der består af mange nukleoner, kan blive op til ca 10 gange så store, og atomer, dvs kernen med de omgivende elektroner, kan have en udstrækning på ca 0,1 nm (nm = nanometer) eller 10-10 m. Elektronskaller Elektronerne ordner sig i grupper, de såkaldte elektronskaller, med forskellige afstande fra atomkernen. Elektronskallerne svarer til forskellige energiniveauer. I den elektronskai, 34
der er nærmest kernen, er der plads til to elektroner. I hver af de to næste skaller kan der være otte elektroner. Antallet af mulige elektroner i en elektronskai stiger med dens afstand til atomkernen. Det, der karakteriserer de enkelte atomer og samtidig adskiller dem fra hinanden, er antallet af elektriske elementarladninger i atomkernen, hvilket er det samme som antallet af protoner. Således kan man faktisk nummerere atomerne efter antallet af deres kerneladninger. Hydrogen er det mindste atom og dermed atom nr 1. Det har kun en kernepartikel, som altså må være en proton med den elektriske ladning +1. Som elektrisk neutralt atom må der desuden findes en og kun en elektron med ladningen -l, hvorved atomet udadtil virker elektrisk neutralt. Hydrogen Der forekommer imidlertid også i naturen hydrogenatomer med to nukleoner, nemlig både en proton og en neutron; stadigvæk er der kun en elektron. Sådanne atomer, der jo indeholder stort set dobbelt så megen masse, kaldes tung hydrogen eller deuterium. Faktisk kan man kunstigt fremstille hydrogenatomer med tre nukleoner, to neutroner og en proton. De kaldes supertung hydrogen eller tritium. Deuterium Tritium På ganske tilsvarende måde kaldes vand, der indeholder molekyler med deuterium eller tritium, for tungt eller supertungt vand. Sådanne atomer med samme antal protoner i atomkernen og ligeledes samme antal elektroner, men med forskelligt antal neutroner i atomkernen kaldes isotoper af samme grundstof. Deres kemiske egenskaber er i alt væsentligt ens, mens de fysiske egenskaber er forskellige, i og med at masserne er forskellige; atommassen af hydrogen er 1, deuteriums atommasse er 2, og tritiums er 3. Isotoper Isotoper er altså betegnelsen for atomer af samme grundstof med ens kerneladning og forskellig masse. Langt de fleste grundstoffer forekommer i naturen med flere isotoper. Grundstof nr 2, der har to protoner i kernen og to elektroner omkring den, hedder helium; nr 3 er lithium, derefter kommer beryllium, bor og carbonium. Figur 2.2 viser antallet af elektroner og deres arrangement for grundstofferne nr 3-18. Helium, lithium, beryllium, bor og carbonium 35
Be B c N @ o @ @ Ne Na Mg AI Si p Cl Ar Figur 2.2 Elektronskaller og relative atomradier hos de første grundstoffer (Ref 2) Det er netop antallet og arrangementet af elektroner i et atom, der er afgørende for atomets kemiske egenskaber, dvs dets evne til at indgå i forbindelse med andre atomer. I virkeligheden er det normalt kun elektronerne i den yderste elektronskal, der betyder noget. For at angive de betydende elektroners antal og arrangement kan man anvende et billede som vist på figur 2.3. Figur 2.3 1. periode -H -He- Arrangementet af elektroner i yderste elektronskai hos grund- -- -- -- 2. periode He -Li -Be- -B- -C- -N- -O- :F- :Ne: stofferne i de tre første perioder -- -- -- -- (Ref 2) 3. periode -- Ne -Na -Mg- -Al- -Si- -p- -S- :CI- :Ar: -- -- Kemiske symboler På figuren angives atomkernerne med det kemiske symbol for atomernes navne, og hver prik uden om symbolet repræsenterer en elektron i den yderste elektronskai. For nemheds skyld bruger kemikerne enkelte bogstaver eller 2-bogstavskombinationer til angivelse af grundstofferne. Man anvender forbogstavet alene eller forbogstavet efterfulgt af et andet, karakteristisk bogstav i grundstoffets latinske navn. H, O, C og Na er symboler for hydrogen, oxygen, carbon og natrium, og Cl, Mg, Sr, As, Pb for chlor, magnesium, strontium, arsen og bly (latin: plumbum). 36
I figuren betyder de øvrige kemiske symboler følgende: He Li Be B N F Ne helium lithium berylium bor nitrogen fluor neon Na Al Si p S Ar natrium aluminium silicium fosfor (phosphor) svovl argon Vi har tidligere nævnt den gruppe af grundstoffer, der kaldes ædelgasser. De er karakteristiske, ved at de ikke kan bringes til at indgå kemisk forbindelse med andre grundstoffer. Helium, neon og argon hører til denne gruppe. Som det ses af figur 2.3, har helium to elektroner i den yderste elektronskal, som her er 1. skal. Neon har otte elektroner i den yderste skal (2. skal), og argon har også otte i den yderste skal, som her er den 3. skal. Disse elektronkonfigurationer med to elektroner i 1. skal og otte i hver af de to næste er åbenbart meget stabile. Alle øvrige atomers evne til at reagere med andre atomer deres reaktionsdygtighed - beror på deres bestræbelser på at opnå en sådan»ædelgaskonfiguration«, dvs en tilstand, hvor der netop er det stabile antal elektroner i hver af elektronskallerne. Det ses af figurerne 2.2 og 2.3, at de grundstoffer, der står længst til venstre - dog bortset fra de ædle gasser - kan opfylde stabilitetskriteriet (to eller otte elektroner i den yderste elektronskai) ved at afgive en eller nogle få elektroner, og at de grundstoffer, der står længst til højre, kan opnå samme tilstand ved at optage en eller nogle få elektroner. Bindingstyper En sådan elektronudligning kan opnås på tre måder. Man taler om tre forskellige typer af kemiske bindinger, kaldet ionbinding, metalbinding og covalent binding (også kaldet atombinding). 2.1.2 Tre forskellige typer af kemiske bindinger 37
Ionbinding Lad os tage stoffet kogsalt (køkkensalt) til illustration af ionbinding. Kogsalt er en kemisk forbindelse af grundstofferne natrium og chlor. Forbindelsens kemiske navn er natriumchlorid, og dens kemiske formel eller symbol er NaCl. Oktetregelen Natriumion Natriumatomet er meget reaktionsvilligt, idet det blot ved at afgive en enkelt elektron kan opfylde oktetreglen. (Det forhold, at en tilstand med netop otte elektroner i 2. og 3. elektronskal udgør en stabil, ædelgaslignende konfiguration, kaldes oktetreglen). Det, der bliver tilbage, kaldes en natriumion og betegnes (2-1) Processen kan beskrives således: (2-2) eller Na ----+ Na+ +. (2-3) e- angiver, ligesom en prik, en elektron, som jo er negativt ladet. Chloratomet er ligeledes meget reaktionsvilligt, idet det blot ved at optage en enkelt elektron kan opfylde oktetreglen. Efter reaktionsskemaet Cl + e (2-4) eller :CI + (2-5) Chloridion opstår en negativt ladet ion, som kaldes en chlorion eller en chloridion. Nu har vi altså en natriumion, der er positivt ladet, og en chloridion med en negativ ladning. Da positivt og negativt ladede partikler tiltrækker hinanden, vil de to slags ioner tiltrække hinanden med en kraft stå stor, at de arrangerer sig i 38
en bestemt orden i et såkaldt iongitter. Figur 2.4 viser princippet i natriumchlorids iongitter, og figur 2.5 viser, hvorledes ionerne i virkeligheden udfylder rummet. Iongitter ~5,628Å~ Chlorid-ioner O Natrium-ioner Figur 2.4 Ionernes placering i natriumchlorids krystalgitter (Ref 2) Figur 2.5 Sådan udfyldes rummet af ionerne i en natriumchloridkrystal (Ref 2) En følge af denne velordnede gitterstruktur er, at stoffet danner krystaller, som er terningformede (kubiske), hvad vi tydeligvis kan forvisse os om ved at kigge ned i posen med køkkensalt. Dannelse af et molekyle kogsalt kan beskrives ved følgende reaktionsskema. Na+ + CI- ~ NaCI (2-6) Denne type binding kaldes altså ionbinding. Stoffer, der som kogsalt er sammenholdt via ionbindinger og danner krystalgitre, kaldes salte. Salte Metalbinding Ved kombination af to metalatomer, fx to natriumatomer, kan oktetreglen ikke opfyldes hverken ved overførsel af elektroner fra et atom til naboatomet eller ved fælles elektroner. (Det sidste beskrives nedenfor under covalent binding). Imidlertid lader elektronerne i metalatomer sig så let frigøre fra atomet, at de i en metalkrystal ikke kan siges at tilhøre et bestemt atom. Man må snarere forestille sig en metalkrystal som en samling tæt pakkede metalioner, hvorimellem elek- 39
tronerne befinder sig overalt og på grund af deres løse tilknytning til bestemte atomer er frit bevægelige. Denne model kan forklare stoffernes metalkarakter, først og fremmest deres store elektriske ledningsevne. Figur 2.6 viser den principielle opbygning af et metalgitter, i dette tilfælde af metallet natrium. Man ser, at metallerne danner krystaller lige som saltene. Figur 2.6 Ladningstyngdepunkter at ionerne i en natriumkrystal (Ret 2) ~4,30Å~ O Natrium-ioner Covalent binding Den tredje bindingstype kaldes covalent binding eller atombinding. Hvis man kombinerer to atomer, som har ret mange elektroner i den yderste elektronskai - dem der står til højre i figurerne 2.2 og 2.3, kan oktetreglen heller ikke opfyldes ved elektronoverførsel. Her opnås den stabile ædelgastilstand, ved at to atomer deles om et fælles elektronpar. Her vises princippet for chlor: :CI:CI: (2-7) Det herved dannede molekyle består altså af to chloratomer. Ch-molekylet holdes sammen af en enkeltbinding. Ch er den kemiske formel. Ch er en luftart. Luftarterne ilt og kvælstof består ligeledes af toatomige molekyler, holdt sammen af covalente bindinger:.. :0: + :0: ~ :0::0: (2-8) Formlen er O 2 Bindingen dannes her af to fælles elektronpar. Man taler om en dobbeltbinding. 40
Kvælstof dannes på tilsvarende måde af to nitrogenatomer:.. :N + N: ~ :N:::N: N 2 indeholder en tredobbeltbinding. (2-9) Valens Man siger, at chloratomet, Cl, har valensen l, idet det kan danne en og kun en covalent binding med et andet atom. Oxygenatomet, O, har valensen 2; det kan nemlig danne to bindinger, enten med to andre atomer som i et vandmolekyle eller med et andet atom med samme valens. Et sådant atom siges også at være divalent. Her ses dannelsen af et vandmolekyle, H 2 0, ud fra to hydrogenatomer og et oxygenatom. H + 0 + H ~ H:O:H (2-10) Nitrogenatomet, N, er trivalent; det kan nemlig på tilsvarende vis danne tre bindinger. Dannelsen af ammoniak ses af denne reaktion: 3 H + N: ~ H H:N: H (2-11 ) Man ser, at den stabile tilstand med otte elektroner i nitrogenatomets og med to i hydrogenatomernes yderste elektronskaller er opnået. Et grundstofs valens er således et udtryk for, hvor mange elektroner i atomets yderste elektronskai det kan dele med andre atomer for at opnå ædelgaskonfiguration. Visse grundstoffer kan optræde med flere valenser. Eksempelvis kan svovl, S, optræde både divalent - med valensen 2, og hexavalent - med valensen 6. Ofte skrives ikke prikker for de enkelte elektroner, men blot en streg, der angiver en valensbinding. Stregen kaldes en valensstreg og symboliserer altså et par bindingselektroner. Va lensstreg 41
Kun bindingselektronerne symboliseres med valensstreger; de øvrige elektroner udelades. Disse formler viser princippet. H:O:H H-O-H (2-12) H:N:H N H-N-H I H (2-13) Bindingslængde Længden af covalente bindinger, defineret som afstanden mellem tyngdepunkterne af to naboatomers kerneladninger, er normalt 0,10-0,15 nm (1 nm = 10-9 m). I ionbindinger og i metalbindinger kan afstanden blive op til nogle få tiendedele nanometer. 2.1.3 Bindingskræfter Primære valenskræfter De tre beskrevne bindingstyper har nogenlunde samme styrke og repræsenterer de stærkeste bindingskræfter i kemien, de såkaldte primære valenskræfter. De virker, som det fremgår af det foregående, mellem atomer og ioner ved at holde dem sammen i molekyler, atomgitre og iongitre. Der optræder imidlertid også bindingskræfter mellem de enkelte molekyler. Det er fx dem, der ved temperatur under 100 ae holder vandrnolekyler sammen til flydende vand og under Oae - til fast vand, også kaldet is. Sekundære valenskræfter At der optræder sekundære bindingskræfter kan fx ses af, at det er nødvendigt at tilføre en del energi for at omdanne et fast stof til væske (smeltning) og ligeledes for at omdanne en væske til damp (kogning). Hvis der ikke optrådte sådanne kræfter, ville alle stoffer, som består af elektrisk neutrale molekyler, være luftarter ved alle temperaturer, hvilket jo ikke er tilfældet. van der Waals-kræfter De sekundære valenskræfter, der også kaldes van der Waalskræfter, beror, så vidt man ved, på tilstedeværelsen af elektriske dipolmomenter i de enkelte molekyler. 42
Dipolmomenter kan opstå, når en covalent binding forbinder to forskellige atomer. Dipolmomenter Forskellige atomkerner har ikke lige stor evne til at tiltrække elektroner; derved opstår der en usymmetrisk fordeling af ladningerne i fælles elektronpar. Et molekyle af hydrogenchlorid er således polært, idet chloratomet udøver en betydelig større tiltrækningskraft på det fælles elektronpar, end hydrogenatomet gør. Dette illustreres her, hvor (±) og 8 angiver, at ladningernes tyngdepunkter ikke falder sammen, hvilket gør molekylet til en dipol. (±) 8 H - Cl (2-14) En sådan dipol opfører sig stort set som en lille magnet og vil danne et kraftfelt omkring sig; andre molekyler i dens nærhed vil blive påvirket af tiltrækningskræfter. En særlig type af van der Waals-bindinger er den såkaldte hydrogenbinding. Et hydrogenatom kan, selvom det jo er monovalent, undertiden danne bindinger til to naboatomer. Man kan opfatte disse bindinger som to»halve«covalente bindinger. De har stor betydning for en række plastmaterialers egenskaber. Hydrogenbindingers længde er 0,25-0,3 nm. Deres styrke er i størrelsesordenen ca 30 gange mindre end styrken af primære bindinger. Hydrogenbinding Et vandmolekyle er som tidligere nævnt H 2 0 med strukturformlen: H-Q-H (2-15) I vandmolekylet øver oxygenatomet en meget større tiltrækning på bindingselektronerne, end hydrogenatomerne gør. Der er altså tale om en delvis ladningsadskillelse; men da ladningernes tyngdepunkter ifølge ovenstående strukturformel skulle falde oven i hinanden, burde vandmolekylet ikke have dipolkarakter. (-) Imidlertid er vandmolekylet ikke lineært, men skævt, idet de to bindingers retninger danner en vinkel på 105 0 med hinanden. Modellen på figur 2.7 er altså mere realistisk: Heraf ses, at ladningsfordelingen bliver usymmetrisk, hvilket gør vandmolekylet til en stærk dipol. Figur 2.7 Valensvinklen i et vandmolekyle er 105 43
Organiske stoffers opbygning Carbonatomet Carbonatomet er et karakteristisk eksempel på et tetravalent grundstof (tetra = fire) (se figur 2.2). Dets fire elektroner i den yderste elektronskai kan ved parring med fire andre elektroner danne fire bindinger eller valenser. Med fire hydrogenatomer opstår luftarten methan, som udgør hovedparten af naturgas: H C + 4 H ---+ H:C:H H H I H-C-H I H (2-16) Atomkernen opfattes som en kugle, om hvilken elektronerne bevæger sig i en rumlig konfiguration. I virkeligheden må vi altså abstrahere fra papirets plan og tænke rumligt. Da der i methanmolekylet må være fuldstændig rumsymmetri, vil dets form kunne opfattes som et tetraeder med carbonatomet i centrum og med et hydrogenatom i hvert af de fire hjørner. Figur 2.8 viser en sådan model. (Tetraeder = en tresidet pyramide med lige store kanter). Figur 2.8 Tetraedermodel at et methanmolekyle (Ret 3) 44
Carbonatomer har i modsætning til andre grundstoffer en særlig evne til at forbinde sig med hinanden i lange rækker. Til det tidligere nævnte stof methan, som er den simplest mulige forbindelse mellem carbon og hydrogen, svarer en række stoffer med 2, 3 osv carbonatomer i række. H I H-(-H I H methan (2-17) H H I I H-(-(-H I I H H H H H I I I H-(-(-(-H I I I H H H H H H H I I I I H-(-(-(-(-H I I I I H H H H H H H H H I I I I I H-(-(-(-(-(-H I I I I I H H H H H osv. ethan propan butan pentan (2-18) (2-19) (2-20) (2-21) De fire første er luftarter, de næste er væsker ved almindelig stuetemperatur. Derefter bliver stofferne mere og mere tungtflygtige væsker og til sidst faste stoffer, jo længere molekylerne bliver. Når der bliver rigtigt mange, fx 1000 carbonatomer i række, har vi stoffet polyethylen, den plast, der har den enkleste opbygning: H H H H H H H H H I I I I I I I I I H-(-(-(-(-(-(-(-(-(- - - - - I I I I I I I I I H H H H H H H H H H H I I -(-(-H I I H H polyethylen (2-22) Ligesom oxygenatomer, når de danner iltmolekyler, O 2, kan etablere dobbeltbindinger mellem to naboatomer, kan carbonatomer danne dobbeltbindinger med hinanden og med andre atomer. I øvrigt kan de også danne tredobbeltbindinger, ligesom nitrogenatomer i kvælstofmolekyler, N 2. 45