Tentafrågor 2

Question 1

Vad är det hos polymera materials struktur som gör att dess egenskaper skiljer sig från de flesta andra material?

Answer 1

Deras höga molekylvikt.

Question 2

b) Vad kommer ordet plast ifrån? Redovisa och förklara kortfattat.

Answer 2

Att något är plastiskt – dvs att det är lätt att uppnå bestående (plastisk) deformation.

Question 3

Vad är det för några principiella skillnader i strukturell uppbyggnad mellan termoplast, termoplastisk elastomer, gummi och härdplast?

Answer 3

En termoplastisk består av linjära eller möjligen grenade polymerer medan en termoplastisk elastomer består av linjära polymerer med sekvenser av två olika enheter (block) medan gummit och härdplasten består av glest respektive tätt tvärbundna polymerer.

Question 4

Polymerernas intermolekylära bindningar är helt avgörande för de slutliga materialens egenskaper där H-bindningen är av särskild betydelse.
d) Nämn en polymer där H-bindningar är av särskild betydelse.

Answer 4

Polyamid

Question 5

e) Vad krävs för att en H-bindning skall bildas i ett polymert material? Rita och förklara!

Answer 5

Att ett väte som är bundet till en elektronegativ atom på polymeren attraheras av en annan elektronegativ atom/grupp.

Question 6

Vilken princip används normalt för att namnge kedjevis polymeriserade polymerer?

Answer 6

Utifrån monomeren.

Question 7

Ge ett exempel på en sådan polymer. Kedjevis polymeriserade

Answer 7

PE

Question 8

När man definierar en organisk molekyl brukar man i regel rita upp dess struktur i sin helhet. Det här är inte särskilt lämpligt för de flesta polymerer.
h) Ge två skäl till varför det är olämpligt.

Answer 8

De är väldigt stora så det blir ohanterligt. Dessutom har de en fördelning av olika molekylvikter.

Question 9

Föreslå en kombination av åtgärder för att hantera denna problematik.

Answer 9

Teckna dess repeterande enhet och ange antals- samt viktade medelvärdet av molekylvikten.

Question 10

Gummielasticitet definieras bland annat av väldigt stor deformerbarhet.
a) Vad är det hos gummits uppbyggnad/struktur som möjliggör den stora deformerbarheten?

Answer 10

Att polymersekvenserna mellan de glesa tvärbindningarna har väldigt god konformations-rörlighet.

Question 11

När du måndag morgon cyklar till THS konstaterar du att motorburen ungdom roat sig med att göra rivstarter på gatan.
d) Vad är det som gör dessa streck svarta?

Answer 11

Gummit i bildäcken innehåller kimrök (sot)

Question 12

e) Resonera kortfattat kring möjligheterna att återvinna produkter tillverkade av gummi.

Answer 12

Gummi kan inte omformas termoplastiskt. Tvärbindningarna hindrar detta. Gummit kan malas ner till partiklar som på olika sätt kan återvinnas genom att blandas med nytt latex före vulkaniseringen eller återanvändas på konstgräsplaner.

Question 13

Diskutera hur glasomvandlingstemperaturen förhåller sig hos ett amorft plastmaterial;
a) om du jämför en syndiotaktisk med en ataktisk polymer med samma repeterande enhet

Answer 13

takticiteten påverkar inte Tg så länge den inte kristalliserar

Question 14

b) om du jämför en snabbkyld med en långsamt kyld polymer med samma repeterande enhet

Answer 14

den långsamt kylda höjer sitt Tg eftersom dess fria volym minskar och därmed minskar också dess konformationsrörlighet.

Question 15

om du jämför en högmolekylär med en lågmolekylär polymer med samma repeterande enhet

Answer 15

Låg molekylvikt ger många ändgrupper vilka ökar den fria volymen vilket ökar konformationsrörligheten som ger ett sänkt Tg och vice versa.

Question 16

om du jämför vinylbaserade polymer där den ena polymeren har en CH3-grupp på det ena kolet i sin repeterande enhet medan den andra polymeren har två CH3-grupper på det ena kolet i sin repeterande enhet

Answer 16

Symmetrisk substitution ger lägre Tg.

Question 17

där en av två likadana polymerer tvärbundits?

Answer 17

Tvärbindning minskar konformationsrörligheten vilket ger ett höjt Tg.

Question 18

Diskutera hur du skulle agera om du får i uppdrag att skapa en polymer/plastmaterial som med normal termoplastiska formningsmetoder skall
a) få högt Tm, använd ett termodynamiskt resonemang

Answer 18

Vid smältning är Gibbs fria energi, ΔG = ΔH – TΔS = 0. Det innebär att T = Tm = ΔH/ ΔS erhålls vid stort ΔH och litet ΔS. Stort ΔH erhålls om den kristallina fasen har många och starka intermolekylära bindningar och ett litet ΔS nås om polymeren inte ändrar sin oordning särskilt mycket när den smälter, dvs om polymeren är rak och stel både i kristallint och amorft tillstånd.

Question 19

förbli transparent trots att den inte kan hindras att kristallisera

Answer 19

Om kristallisationen går tillräckligt fort så kan de kristallina områdena (sfäruliterna) bli så små att de inte bryter ljus. Detta är lättare att åstadkomma mha kärnbildare så att många sfäruliter kan börja växa samtidigt.

Question 20

PET är en av våra allra vanligaste polymerer. Den polymeriseras i två steg.
a) Vad behöver man avlägsna i de båda stegen för att uppnå hög molekylvikt?

Answer 20

Vatten alternativt metanol beroende vilket steg 1 man använder och i steg 2 behöver etylenglykol avlägsnas.

Question 21

Vilken molekylvikt och molekylviktsfördelning får PET om omsättningen är 100%?

Answer 21

Oändlig M, dvs att det bildas en enda polymer vilket innebär att PDI=1. Orimligt!!!

Question 22

Vad heter den funktionella grupp i PET som gett den sitt vardagliga namn?

Answer 22

Ester

Question 23

Att PET görs i två steg beror på att det är ett smart tricks för att uppnå hög molekylvikt. Nämn ett annat tricks för att uppnå hög molekylvikt för besläktade polymertyper.

Answer 23

Gränsskiktspolymerisation

Question 24

Radikalpolymerisation som är den kommersiellt dominerande polymerisations- mekanismen har stora fördelar men också vissa nackdelar.
f) Nämn tre nackdelar.

Answer 24

Svårstyrd map M-fördelning, begränsad möjlighet att styra konfiguration, polymerisationsexoterm.

Question 25

visa hur elasticitetsmodulen bestäms,

Answer 25

E = Δσ /Δε

Question 26

Du har fått uppdrag att konstruera och tillverka en Yoga-matta. Diskutera vilka egenskaper mattan skall ha (minst 3 st) och hur dessa uppnås polymertekniskt samt ge ett materialvals- och processförslag .

Answer 26

Mattan skall bl.a. vara mjuk (låg styvhet) och elastisk samt ha låg värmeledning så att den inte kyler. Dessa egenskaper erhålls genom skumning med en polymer som får starka intermolekylära bindningar så att den inte heller flyter när man stått länge i nån yogapose. PUR eller kanske PUUR är nog lämpliga alternativ. Den går säkert också att göra i gummi som på något sätt skummas men denna process blir långsammare och det blir nog svårt att nå samma porositet vilket gör mattan tyngre. Det finns många andra krav/önskemål såsom hög friktion, fukttransport, pris, icke tidsberoende egenskaper, att inga hälsovådliga substanser läcker från mattan m.m.

Question 27

När man läser annonser och trendspaningar i bl.a. tidningar och bloggar så framhålls det ofta att polyestern som eventuellt ingår är återvunnen.
a) Hur har den sannolikt återvunnits?

Answer 27

Genom omsmältning av PET-flaskor.

Question 28

Du får i uppgift att konstruera en kaffemugg för engångsbruk och du väljer en s.k. bioplast. b) Diskutera begreppet biopolymer och värdera dessa materials miljöpåverkan jämfört med ett konventionellt plastmaterial för den aktuella tillämpningen.

Answer 28

Definitionen av bioplast är långt ifrån entydig. Det kan betyda att polymeren kommer från förnyelsebar råvara eller framställts biologiskt men det kan också betyda att polymeren är bionedbrytbar, vilket både syntetiska och biologiskt framställda polymerer kan vara. Bioplast kan också innebära att den accepteras av kroppen och därför kan användas för medicinska tillämpningar. Om biopolymeren kommer från förnyelsebar råvara så minskar CO2- belastningen väsentligt. Är den däremot bionedbrytbar är det först om kaffemuggen hamnar i naturen som dess nedbrytbarhet är av godo. Förbränns soporna spelar det ingen roll. Skall man försöka materialåtervinna kaffemuggen är det oftast en större utmaning med biopolymer eftersom de i regel är mindre kemiskt och termiskt stabila än syntetpolymerer.

Question 29

Ge ett exempel på en termoplastisk biopolymer som möjligen skulle kunna användas för at tillverka kaffemuggen av.

Answer 29

Polymjölksyra (PLA)

Question 30

Vad kommer ordet polymer från?

Answer 30

Poly [Gr] – många och méros [Gr]– del

Question 31

Vad kommer ordet plast ifrån?

Answer 31

Att något är plastiskt – dvs att det är lätt att uppnå bestående (plastisk) deformation.

Question 32

Polymerernas intermolekylära bindningar är helt avgörande för de slutliga materialens egenskaper där H-bindningen är av särskild betydelse.
d) Nämn en polymer där H-bindningar är av särskild betydelse.

Answer 32

Polyamid

Question 33

Vad krävs för att en H-bindning skall bildas i ett polymert material?

Answer 33

Att ett väte som är bundet till en elektronegativ atom på polymeren attraheras av en annan elektronegativ atom/grupp.

Question 34

Vilken princip används normalt för att namnge stegvis polymeriserade polymerer?

Answer 34

Utifrån någon funktionell grupp i den repeterande enheten.

Question 35

När man definierar en organisk molekyl brukar man i regel rita upp dess struktur i sin helhet. Det här är inte särskilt lämpligt för de flesta polymerer.
g) Ge två skäl till varför det är olämpligt.

Answer 35

De är väldigt stora så det blir ohanterligt. Dessutom har de en fördelning av olika molekylvikter.

Question 36

Föreslå en kombination av åtgärder för att hantera denna problematik.

Answer 36

Teckna dess repeterande enhet och ange antals- samt viktade medelvärdet av molekylvikten.

Question 37

Gummielasticitet definieras bland annat av väldigt stor deformerbarhet.
a) Vad är det hos gummits uppbyggnad som möjliggör den stora deformerbarheten?

Answer 37

Att polymersekvenserna mellan de glesa tvärbindningarna har väldigt god konformations- rörlighet

Question 38

Gummielastiska material har egenartade termiska egenskaper. Om en vikt hänger fritt i ett gummiband av idealt gummi som värms upp. Vad händer då med;
b) Gummibandets längd?

Answer 38

Längden minskar.

Question 39

Dess tvärsnittsarea?

Answer 39

Tvärsnittsarean ökar i motsvarande grad så att volymen bibehålls.

Question 40

Gummimaterial är ofta oxidationskänsliga.

d) Vad är det som gör dem så oxidationskänsliga?

Answer 40

Deras kvarvarande dubbelbindningar.

Question 41

Föreslå och motivera en åtgärd som minskar denna känslighet som dessutom väsentligt ökar gummits ledningsförmåga.

Answer 41

Dubbelbindningarna skyddas från oxidation då kimrök (sot) tillsätts genom att det skadliga UV-ljuset inte når så långt in i gummit samtidigt som ledningsförmågan väsentligt höjs.

Question 42

f) Resonera kortfattat kring möjligheterna att återvinna produkter tillverkade av gummi.

Answer 42

Gummi kan inte omformas termoplastiskt. Tvärbindningarna hindrar detta. Gummit kan malas ner till partiklar som på olika sätt kan återvinnas genom att blandas med nytt latex före vulkaniseringen eller återanvändas på konstgräsplaner.

Question 43

Glasomvandlingen är det fenomen som mest särskiljer polymera från andra materialgrupper. Diskutera kortfattat dess betydelse för;
a) ett amorft termoplastiskt material,

Answer 43

, När en amorf termoplast värms från glastillstånd till temperatur ovan Tg övergår det till en segflytande vätska. Glastransitionen är alltså fullständigt avgörande för amorfa material.

Question 44

ett gummimaterial, och

Answer 44

Det är endast då gummi befinner sig ovan sitt Tg som det kan vara gummielastiskt. Under Tg saknas den erforderliga konformationsrörligheten.

Question 45

smältspunna syntetfibrer.

Answer 45

Syntetfibrer tillverkas bara av polymerer med förmåga att kristallisera varför kristalliniteten blir avgörande för fiberns egenskaper. Passagen av Tg kommer påverka de mekaniska egenskaperna men i mycket mindre utsträckning än för amorfa polymera material.

Question 46

Glasomvandlingen är inte en primär fasomvandling. Den blir därför beroende av en mängd faktorer. Om man vill försöka bestämma glasomvandlingstemperaturen så kommer karakteriseringsmetoden till viss del påverka utfallet. Vad behöver särskilt beaktas om man använder;
d) DMTA,

Answer 46

temperaturhastighet, frekvens, spännings- eller töjningsamplitud

Question 47

DSC

Answer 47

temperaturhastighet

Question 48

volymetriska metoder

Answer 48

temperaturhastighet

Question 49

Det finns ett antal olika faktorer som påverkar glasomvandlingstemperaturen.
g) Ange tre faktorer som inte är direkt kopplade till polymerens arkitektur, och

Answer 49

kristallinitet (intermolekylära bindningar), fysikalisk åldring, tvärbindningsgrad och additiv

Question 50

Hur skulle reaktanterna (tereftalsyra och etylenglykol) i stället ha satsats om man avsett att framställa polymeren i ett steg?

Answer 50

Ekvimolart!

Question 51

Antag att man kör kondensationsreaktionen enligt steg 1 ovan.
b) Diskutera lämpligheten att göra denna reaktion i vattenlösning.

Answer 51

Eftersom det är en jämviktsreaktion med vatten som biprodukt så skulle det inte gå att nå tillräckligt hög omsättning för att mellanprodukten BHT skulle bildas.

Question 52

Lösningsmedel är en förutsättning för att jonpolymerisation skall kunna ske.
c) Ange fyra aspekter att beakta vid val av detta lösningsmedel.

Answer 52

Att LM förmår separera jon och motjon så att monomererna kan nå den aktiva jonen, att LM inte reagerar med den aktiva jonen, att LM löser monomeren och att LM löser den bildade polymeren.

Question 53

Radikalpolymerisation görs i tre steg med olika hastighetskonstanter.
d) Vilka är dessa steg?

Answer 53

Initiering, propagering och terminering.

Question 54

Använd hastighetskonstanterna för att beskriva vad som bestämmer molekylvikten hos de bildade polymererna.

Answer 54

Kvoten av hastighetskonstanterna för propagering och terminering.

Question 55

Termoplastiska material av linjära polymerer får speciella mekaniska egenskaper. a) Vilken är den avgörande skillnaden (parametern) mellan linjärt elastiska och viskoelastiska material?

Answer 55

Tidsberoendet hos det viskoelastiska materialet.

Question 56

Spänningsrelaxation beskrivs något förenklat av ett Maxwell-element. Det kan emellertid vara svårt att genomföra den omedelbara pålastningen som krävs vid ett spänningsrelaxationsexperiment.
b) Föreslå en alternativ väg till att få fram relaxationstiden för ett visst material.

Answer 56

Gör istället ett krypförsök, som är väsentligt enklare att utföra, och som beskrivs av Kelvinmodellen varifrån viskositeten, η och E-modulen, E kan bestämmas. Kvoten mellan dessa är relaxationstiden.

Question 57

Vid dragprovning är man beroende av provkroppens dimensioner.
c) Hur behandlar man datan för att få fram de dimensionsoberoende materialegenskaperna?

Answer 57

Kraften normeras genom att dela kraften med tvärsnittsarean så att normalspänningen erhålls och förlängningen normeras med ursprungslängden så att normaltöjningen erhålls.

Question 58

När man dragprovar så händer det för vissa material att dragprovningskurvan initialt lutar olika mycket.
d) Vad kan skillnaden i lutning sägas vara en manifestation av?

Answer 58

Viskoelasticiteten

Question 59

Hur förhåller sig den normerade lutningen till de E’’ och E’ från DMTA?

Answer 59

Den normerade lutningen som definieras elasticitetsmodulen E är densamma som E* som är den vektoriella summan av E’’ och E’.

Question 60

Naturliga polymerer har genom evolutionen erhållit arkitekturer som ger väldigt speciella egenskaper av till synes små variationer. Vad är t.ex. som;
a) Skänker DNA sin kemiska stabilitet?

Answer 60

Dess stegstruktur och dubbelhelix.

Question 61

Gör att cellulosa typ I är nästan omöjlig att lösa upp medan amylos (från stärkelse) löser sig i vatten trots att de både består av diglukosenheter?

Answer 61

Det är konfigurationen mellan glukosgrupperna (glykosidbindningarna) som gör att cellulosan blir högskristallin medan amylosen inte bildar lika ordnade konformationer.

Question 62

En förutsättning för att närma oss hållbart materialutnyttjande är att polymerer inte framställs av fossil råvara. Det finns många olika alternativa varianter av biobaserade råvaror och polymerer.
c) Beskriv hur det går till att framställa, det man kallar sockerrörsplast till plastkassar och diskutera för- och nackdelar med dessa.

Answer 62

Sockret från sockerrören fermenteras till etanol som reduceras till eten vilket används till att polymerisera PE på samma sätt som eten från fossil råvara. Fördelen är framförallt att det blir väsentligt mer koldioxidneutralt och att egenskaperna på det färdiga polyetenet blir lika bra som från fossil råvara. Nackdelen är det etiska dilemmat att vi gör kemiråvaror av mat när människor svälter.

Question 63

Vad är för och nackdelarna med polymjölksyra som alternativ till PET?

Answer 63

Fördelarna är, liksom för sockerrörs-PE:n att det är mer koldioxidneutralt än PET och att det har lägre smälttemperatur vilket sparar energi vid bearbetning. Nackdelen är att det inte alls lika kemiskt och fysikaliskt stabilt som PET vilket gör att dess livslängd blir mycket kortare å andra sidan blir inte slitagefragment (som kan föreligga som mikroplast) alls lika långlivade i miljön som fragment från PET.

Question 64

I uppgift 4 ovan visas strukturen för PET. Antag att vi har en identisk struktur förutom att den aromatiska ringen från tereftalsyran bytts ut mot en alifatisk sekvens om fyra CH2- grupper. Den nya polymeren kallas då för polyetensuccinat och har väsentligt lägre Tg än PET (-63oC isf 69oC). Antag vidare att de har identiska smältvärmen i ett DSC-termogram. Vad tror du om de båda polymerernas smälttemperatur? Ett resonemang kring fundamentala villkor förväntas.

Answer 64

Eftersom polyetensuccinaten har väsentligt lägre Tg betyder det också den har mycket högre konformationsrörlighet och transitionen från amorf till kristallin kommer därför innebära mycket större entropiförlust (ΔS) än för den väsentligt styvare PET. Det innebär att nämnaren i kvoten ΔH/ΔS, som enligt Gibbs fria energi bestämmer Tm, blir mycket större och därmed blir Tm väsentligt lägre trots att ΔH var identisk för de båda polymererna.