Kunsstof

As vaste stof kan ʼn kunsstof in 'n kristallyne of ʼn amorfe vorm voorkom. In die kristallyne vorm lê die molekules in die kettingstruktuur reëlmatig dig langs mekaar en as die struktuur tweedimensioneel is, is die stof termoplasties. As die struktuur egter driedimensioneel is, is die stof termoverhardend en kan dit net een maal tot 'n bepaalde vorm verwerk word. Die kristallyne vorm maak ʼn kunsstof, net soos ander vaste stowwe, hard, sterk en redelik bros.

By 'n temperatuurverhoging raak die kettings in die stof al hoe losser as gevolg van die termiese beweging van die deeltjies en die stof word mettertyd vloeibaar. Die smeltpunt van 'n kristallyne kunsstof is nie so duidelik waarneembaar soos by ander stowwe nie omdat die kettings in die struktuur verskillende lengtes het.

Termoplastiese stowwe sal smelt as dit verwarm word, maar termoverhardende stowwe weerstaan die temperatuur totdat dit verkool. 'n Kristallyne kunsstof raak nooit werklik dun vloeibaar nie, want die kettings is so met mekaar verstrengel dat die verplasing ten opsigte van mekaar (stroming) aansienlike weerstand ondervind. In die kristallyne toestand is die stof ondeursigtig en bestaan dit uit kristallyne gebiede wat deur amorfe gebiede geskei word.

'n Stof wat ongeveer 80 % kristallyn is, word hoogkristallyn genoem. In die amorfe vorm lê die molekules in die kettingstruktuur onreëlmatig langs mekaar en dit stem in groot mate ooreen met die vorm van 'n vloeistof. Die amorfe struktuur word dan ook beskryf as ʼn onderverkoelde vloeistof waarvan die temperatuur so laag is dat die molekulebeweging nie meer sigbaar is nie.

'n Amorfe kunsstof is dikwels deursigtig aangesien dit geen kristalvlakke bevat wat die ligbaan kan versteur nie. By 'n lae temperatuur is die stof in 'n glastoestand en gaan by 'n hoër temperatuur oor in 'n rubbertoestand. Die oorgang staan bekend as die glas-rubberoorgang en vind gewoonlik plaas oor 'n gebied met 'n temperatuurverskil van 10˚.Kunsstowwe wat in die rubbertoestand verkeer, staan as sintetiese rubbers of elastomere bekend.

Die verskillende toestande waarin 'n kunsstof kan verkeer (kristallyn, glasagtig, rubberagtig, vloeibaar), hang af van die sogenaamde elastisiteitsmodulus, dit wel sê die krag wat aangewend moet word om ʼn bepaalde rektoestand te bereik. Dit gaan gepaard met die verskuiwing van die kettings in die struktuur; in 'n kristallyne stof is die modulus hoog, in 'n glasagtige stof middelmatig en in 'n rubberagtige stof laag. Selfs in die vloeibare toestand is daar nog sprake van elastisiteit, en 'n 10-voudige lengtetoename is moontlik voordat die stof breek.

'n Elastiese kunsstof wat deur ʼn nou opening gepers word, is geneig om tot 'n effens groter deursnee terug te veer, maar by 'n noukeurige omvorming (draad, pyp) kan dit probleme skep. Die elastisiteit hang skynbaar af van die duur van die uitgeoefende krag en 'n mate van kruipbeweging vind in die stof plaas.

By 'n langdurige rektoestand gly die kettings byvoorbeeld langs mekaar in en met die opheffing van die spanning veer die kettings dan geleidelik terug, wat beteken dat die stof in werklikheid 'n blywende lengte- en vormverandering ondergaan. Dit het 'n groot invloed op die bruikbaarheid van 'n kunsstof, wat byvoorbeeld nie as 'n draende konstruksiemateriaal gebruik kan word nie tensy dit met draadgaas of glasvesel ondersteun (versterk) word.

Die kruipeienskap is veral in die rubbertoestand 'n belangrike faktor maar kan voorkom word deur van vulkaniseerbare of kristalliseerbare rubber gebruik te maak. By vulkaniseerbare rubbers word 'n proses gebruik waardeur die kettings met behulp van dwarskettings verbind word sodat dit nog sekere bewegings kan uitvoer of gestrek kan word, terwyl die egte kruipbeweging nie meer kan plaasvind nie. Die rubber word vooraf gevorm en met chemikalieë behandel voordat dit gevulkaniseer word deur dit byvoorbeeld saam te pers en te verhit.

Kristalliseerbare rubbers word uitgerek sodat die kettings langs mekaar ingedwing en die stof toegelaat word om te kristalliseer. Met kristallisasie heg die kettings oor lang afstande aan mekaar en die kruipbeweging word sodoende opgehef. Kristallisasie deur 'n rekproses speel ook 'n belangrike rol in die verwerking van kunsvesels. Kunsvesel is 'n plastiek wat by die gebruikstemperatuur in 'n glastoestand is. Om dit te spin, word die stof verhit en uitgestrek om kristallisasie te laat plaasvind.

Na verkoeling word die kristallisasie gehandhaaf en die vesels is besonder sterk in die rigting waarin dit gerek is. Sulke vesels is baie sterker as die gewone kunsstowwe. Die meeste plastiekstowwe is glasagtig of in mindere of meerdere mate kristallyn, en hoewel dit in die glastoestand nie baie hard en sterk is nie, is dit minder bros as in die kristallyne toestand. Die kristalliseringsgraad, dit wil sê die verhouding tussen die hoeveelheid gekristalliseerde kunsstof en die totale massa daarvan, kan beïnvloed word deur die stof vinniger of stadiger te laat afkoel.

As dit stadig afkoel, kristalliseer dit baie meer as andersins. Met verloop van maande of jare neem die kristalliseringsgraad toe en tree daar ʼn verandering in die meganiese eienskappe in. Om so 'n toestand te voorkom, word kristallisasie verhinder deur die toevoeging van ʼn sag maker, wat redelik bolvormige molekules moet bevat. Wanneer bolvormige molekules in die kettingstruktuur beland, word verhinder dat die kettings eweredig langs mekaar kan lê en kristalliseer. Sag makers word dikwels gebruik in stowwe wat so snel kristalliseer dat dit nie as amorfe polimeer verkrygbaar is nie. Om die rede bevat sagte PVC byvoorbeeld tot 50 % sagmaker.

'n Aantal stowwe wat uit monomere opgebou is, kom in die natuur voor. Die bekendste is sellulose, wat byvoorbeeld in natuurlike sy aangetref word. Voorts is daar kaseïen en sekere aminosure wat saam met sellulose dikwels as grondstof vir sintetiese stowwe gebruik word. Hierdie natuurlike polimere word egter moeilik van ander biologiese materiale geskei en am die polimere te kan oplos, moet dit chemiese veranderinge ondergaan. Stowwe wat uit natuurlike polimere vervaardig word, is onder meer selluloïed, kunssy en kunswol.

Die isolasievermoë van kunsstowwe, uitgedruk in soortlike weerstand (die weerstand wat 'n stof per lengte-eenheid teen elektriese stroomvloei bied), is gewoonlik baie hoog. Materiale soos PS, PP en PE word dan ook as isolasiemateriaal gebruik aangesien dit 'n soortelike weerstand van tot 10¹⁸ Ω.m het.

Foelie wat uit hierdie materiale vervaardig word, het 'n weerstand van 10¹⁷ Ω per 1 cm² oppervlakte en 0,01 mm dikte, en word byvoorbeeld as isolasiefoelie in kapasitors gebruik, waar dit elektriese spannings van 5 000 tot 10 000 V kan weerstaan sonder om deur te slaan (stroom te gelei). Daar is kunsstowwe wat 'n deurslagspanning van tot 10⁹ V/m kan weerstaan. Die uiters hoë elektriese weerstand bring egter mee dat die stowwe maklik statiese ladings tussen mekaar kan opbou, wat 'n nadelige invloed op elektriese toerusting en kledingstukke kan hê.

Om sulke ladings uit te skakel of te verminder, word kunsstowwe met 'n lagie van ʼn beter geleidende hulpstof bedek. Die meeste kunsstowwe is swak geleiers van hitte en byvoorbeeld nie geskik vir bewegende onderdele en verspaanderingsbewerkings nie (as gevolg van die akkumulasie van wrywingshitte). Om dieselfde rede is dit egter baie geskik vir isolering, en kunsstofskuim (PS- en PU-skuim) word dikwels vir hitte-isolering in geboue en vriestoestelle gebruik. ʼn Lagie kunsstof met 'n dikte van 1 cm isoleer warmte net so goed soos 5 cm kurk, 6 - 9 cm hout of 15 - 20 cm baksteen.

Kunsstowwe is ook skokabsorberend en word dikwels as verpakkingsmateriaal vir veral sensitiewe apparaat gebruik. Die groot lineêre uitsettingsvermoë van kunsstowwe kan sekere nadele meebring aangesien kristallyne plastiek ongeveer 10 maal soveel as yster uitsit, en die termoverhardendes ongeveer 3 maal soveel. By konstruksies waar kunsstowwe saam met ander materiale gebruik moet word, word termoverhardendes dus verkies.

Die meeste kunsstowwe is op die duur baie bestand teen die inwerking van chemikalieë, temperatuurverhogings, lig, tug (suurstof) en bakterië, hoewel daar uitsonderings is. PVC, PE, PP en PS is veral bestand teen chemikalieë, maar poliësters en nylon word deur sure en basisse aangetas.

Alkiedharse is nie bestand teen basisse en poliakriele nie teen sure nie. PVC en PS word egter deur sekere oplosmiddels aangetas (dit swel uit) en oor die algemeen is min kunsstowwe teen kootstofhalogeenverbindings en asetoon bestand. By temperatuurverhoging vind daar twee reaksies in kunsstowwe plaas: dit versag en 'n verlies aan meganiese sterkte en 'n verhoogde kruipbeweging word ondervind, of dit ontbind ('n struktuurverandering vind plaas en die stof verkoot).

Van die moderne kunsstowwe kan egter temperature van hoër as 500 °C weerstaan, hoewel die meeste plastieksoorte by 100 °C sag word. POM en PA kan warmte van tot 200 °C verduur. Plastiek op sigself is in die aanwesigheid van suurstof (in die lug) nie bestendig nie en skep dus ʼn brandgevaar. As dit met stabiliseerders behandel word, raak dit egter bestendiger. Aangesien plastiek wel in die verlede brande veroorsaak het, word daar sterk druk, veral van owerheidswee, uitgeoefen om die brandgevaar te verminder en word selfs verwag dat kunsstowwe minder vlambaar as ander materiale (hout, tekstiel) moet wees. Selfdowende kunsstowwe, wat 'n brand net met behulp van ʼn uitwendige vlam kan onderhou, word nou bemark.

PVC, poliamied en formaldehiedhars is byvoorbeeld selfdowend, terwyl PU-skuim en sekere poliesterharse vir brandbestryding gebruik word. Kunsstowwe is ook goed bestand teen verrotting en swamme, hoewel kunssy, PVA en SBR uitsonderings is. AI word die polimere as sodanig nie aangetas nie, word die kwaliteit van die stof verswak deur hulpstowwe en sagmakers wat aangetas word. Kunsstowwe het die nadeel dat dit as gevolg van die algemene bestendigheid jare of selfs eeue lank kan bly voortbestaan. Daar is nie alleen estetiese besware teen plastiek wat rondgestrooi word nie (besoedeling), maar die moontlikheid bestaan dat dit die grond kan "verstik" en heeltemal onbruikbaar maak.

Plastiek kan ook nie verbrand word om daarvan ontslae te raak nie aangesien dit juis nie-vlambaar gemaak word om die brandrisiko uit te skakel. Boonop kan giftige gasse versprei word indien dit wei sou brand. Die herwinning van plastiek word bemoeilik deur die probleem wat ondervind word om tussen die talle soorte plastiek en kunsstowwe te onderskei, aangesien sekere kunsstowwe nie-herwinbaar (onoplosbaar, onsmeltbaar) is.

Afgesien van die ander nywerhede (chemies, elektries, meganies), waar kunsstowwe wel gebruik word, maak die bounywerheid (siviel) toenemend op kunsstowwe staat. Boumateriaal word in die volgende ingedeel:

• pyp- en plaatmateriaal,
• ligte konstruksiemateriaal,
• isolasiemateriaal,
• hulpmateriaal en
• dekoratiewe materiaal.

Onder isolering word hitte-,elektriese, klank- en vogisolering ingesluit. Vir hitte-isolering word kunsstofskuim en -vesel tussen die mure, in die plafon en ondervloers gebruik. Kunsstowwe is onoortreflik as elektriese isolering en word in skakelaars, in stopkontakte", om pype en om kabels gebruik. Hitteisolering dien in die meeste gevalle terselfdertyd as klankisolering. Vogisolering sluit in die bedekking van ander materiale wat deur vog benadeel word, soos byvoorbeeld dakke en pypverbindings.

Vanweë die maklike vervoer- en bewerkbaarheid (omvormbaarheid) daarvan, word kunsstowwe al hoe gewilder as ligte konstruksiemateriaal. Dit word op groot skaal in kombuise en badkamers (opwasbakke, kaste, bad dens, toilette), as afskortings (tussen vertrekke) en panele gebruik. Die materiaal kan ook in aantreklike kleure en kunssinnige vorms gelewer word, en platdeursigtige variasies word soms ook in die plek van glas gebruik. As pyp- en plaatmateriaal word kunsstowwe in die plek van metale vir dakgeute, reënpype, gegolfde dakplate en waterpype (watertoevoer) gebruik. In alle gevalle is die kunsstowwe net so doeltreffend as metale behalwe dat dit as dakbedekking nog te duur en nie so duursaam is nie.

As hulpmateriale is die kwaliteit eerder as die kwantiteit van kunsstowwe ter sprake en dit word gewoonlik net vir afwerking gebruik. Hiertoe behoort kleefmiddels, verf, vernis, impregneermiddels, ensovoorts. Bedekkingsmateriaal soos seile en sakkies word ook van kunsstowwe vervaardig. Kunsstowwe word nog nie as swaar konstruksiemateriaal gebruik nie aangesien die meganiese eienskappe by langdurige belasting en verhitting nog tekortkominge toon. In vergelyking met konvensionele materiale (steen, beton en hout) is die maksimale toelaatbare gebruikstemperatuur van kunsstowwe laag (70 - 150 °C vir plastiek en 120-200 °C vir die termoverhardendes), en dit is veral nadelig waar daar 'n brandgevaar bestaan.

Kunsstowwe is egter meer korrosiebestand as hout en metaal en kan byvoorbeeld vir rame, deure en kosyne gebruik word, hoewel harde hout en aluminium steeds voorkeur geniet. Die belangrikste kunsstowwe wat in die bounywerheid gebruik word, is onder meer die volgende:

• PVC (hard): pype vir water en gas, elektriese draad, riole ring, gegolfde en profielplate (versterk), isolering (skuim).
• PVC (skokvas): tafelblaaie, oppervlakbedekkings, kaste, deure, kombuistoestelle.
• PVC (sag): foelie vir afdekking of isolering, vloer- en muurbedekking, pypverbindings, elektriese isolasie.
• PE en PP: foelie, isolering, pype.
• PMMA: was bakke, baddens, lampskerms, gegolfde plate.
• PA: veselmateriaal, rolle en geleiblokke vir skuifdeure.
• PVA: bindmiddel vir kleefmiddels, verf en beton.
• PIB: voeë en afdigting van plate.
• PF: skuim, kleefmiddels.
• UF; skuim, elektriese skakeltuig.
• MF: im pregneermiddels, elektriese toerusting.
• UP: vulstof, afwerking van vloere.
• UP en glasvesel: rame, kosyne, afskortings, lampskerms, garagedeure, plat en gegolfde plate.
• EP: verf, vernis, epoksiebeton, kleefmiddels.
• EP en glasvesel: plaatmateriaal.
• PU: harde en sagte skuim.

Ander gebruike vir kunsstowwe is onder meer die volgende:

• Sellulose-asetaan: film (fotografies), sellotaan, tekstiel.
• Poliamied (nylon): borsels, vislyn, tou , ratte, tekstiel.
• Politeen: pype, bottels, emmers, sakkies, elektriese toestelle (isolasie).
• Polimetielmetakrilaat (perspex): vliegtuigruite, optiese lense, kunswerk, speelgoed.
• Polistireen: houers (voedsel, vloeistof), skuim (isolering).
• PVC: kunsleer, grammofoonplate, magnetiese band.

Polimerisasie kan met behulp van hitte bereik word deur die onverdunde, vloeibare monomere by 'n sekere temperatuur te laat kombineer. Die massa gelei hitte egter swak en die hitte wat tydens die reaksie vrykom, kan nie afgevoer word nie. Dit bring mee dat die oppervlak van die gesmelte massa vinniger afkoel as in die middel en dit kan lei tot onreëlmatighede soos die vorming van blasies en knoppies as gevolg van onvoldoende gepolimeriseerde kettings in die stof se struktuur. Monomere kan ook opgelos word (oplossingspolimerisasie), wat ʼn egaliger polimerisasie meebring.

Die polimeer en oplosmiddel kan egter nie maklik van mekaar geskei word nie en die tegniek is slegs vir verfstowwe en kleefmiddels geskik. Hoewel monomere nie maklik in water oplos nie, kan water maklik daaruit verwyder word. Daarom word monomere met water verdun met behulp van 'n emulgeerder (seepagtige vloeistof) of 'n heftige beweging waardeur 'n suspensie verkry word. In die eerste proses, naamlik emulsiepolimerisasie, word ʼn katalisator gebruik wat in die water oplos, en die reaksie ontstaan dan in die raakvlakke tussen die vloeistowwe.

Uit die reaksie word ʼn jellieagtige produk verkry wat sonder veel moeite gedroog kan word. In die tweede proses, naamlik suspensiepolimerisasie, word ʼn katalisator gebruik wat nie in die water nie, maar wel in die monomeer oplos. Die reaksie ontstaan dan in die monomeer, wat na polimerisasie as 'n korreltjie afgeskei kan word. Katalisatorreste word egter redelik moeilik uit die korrels verwyder.

Die gepolimeriseerde stof word by verwerking met die hulpstowwe vermeng en versmelt, en tydens die proses moet die massa deeglik geroer word. Die stof kan gesmelt word deur die toevoeging van eksterne hitte (kook), maar weens die swak geleiding van hitte word die stof verhit deur dit kragtig te roer ot tussen tandratte of rollers deur te pers. AI het die stof gesmelt, is dit nog baie viskeus (strope rig) en moet enige vermenging sorgvuldig geskied ten einde dit homogeen te maak. Die gesmelte massa kan onder meer vervorm word deur ekstrusie (deurpers) of inspuitvorming.

Ekstrusie is veral geskik vir vorme met 'n konstante deursnee, soos byvoorbeeld vesels, draad, pype en plate. Die plastiese massa word in 'n persmasjien met behulp van 'n skroef deur 'n opening met die gewenste vorm gepers en so vinnig as wat dit die opening verlaat, verkoel.

Die grootste probleem wat by ekstrusie ondervind word, is dat die deursnee van die uitgeperste plastiek as gevolg van die elastisiteit toeneem sodra dit die opening van die persmasjien verlaat. Dit kan reggestel word deur die opening kleiner te maak as die deursnee wat werklik verlang word of deur kalibreerrollers en -pype te gebruik. Kalibreerrollers word vir plate en kalibreerpype vir vesels, draad of pype gebruik.

In teenstelling met ekstrusie, wat 'n deurlopende (kontinue) proses is, is inspuitvorming ʼn nie-deurlopende proses waardeur ʼn bepaalde hoeveelheid plastiek op ʼn slag vervorm word. Die plastiek word vir 'n kort tydjie in 'n drukgietvorm saamgepers en sodra die korrekte vorm verkry is, word dit uit die vorm verwyder. Inspuitvorming leen hom goed tot die verwerking van rubber, wat in die gietvorm verhit word sodat vulkanisasie kan plaasvind. Tydens die inspuitvorming moet die temperatuur egter redelik laag gehou word sodat vulkanisasie nie te vroeg plaasvind nie. Termoverhardendes is ook geskik vir inspuitvorming, maar net soos rubber neem dit 'n tydjie voordat dit stol. Gevolglik kan die twee kunsstowwe nie so vinnig soos termoplastiek verwerk word nie.

Daar is sekere perstegnieke wat nou verwant is aan inspuitvorming. Die gietvorm word byvoorbeeld met kunsstof (korrels, poeier) gevul en ʼn stempel word onder hoe druk in die gietvorm ingepers. Dit laat die kunsstof smelt en homogeniseer. Die tegniek leen hom beter as inspuitvorming tot die verwerking van rubbersoorte en die termoverhardendes en is ook 'n baie eenvoudiger proses.

As die kunsstof in plaatvorm as grondstof gelewer word, word die plaat dikwels verhit en nie met ʼn stempel in die gietvorm ingepers nie, maar deur middel van ʼn vakuumvormingsproses ingesuig. Die lug kan ook ingeblaas word, en veral bottels word deur middel van hierdie blaasspuittegniek gevorm. Dun, vloeibare Kunsstowwe word eenvoudig net gegiet maar het die neiging om te krimp as dit stol en kan dus nie vir produkte wat presiese afmetinge vereis, gebruik word nie.

Termoverhardende kunsstowwe leen hulle ook goed tot gieting en 'n vormingsproses wat impregnering genoem word. Die kunsstof word byvoorbeeld eers gegiet en 'n verharder word later bygevoeg sodat die hars kan stol. In die impregneringsproses word 'n kunsstof (vesel of plaat) vervorm en dan met 'n ander kunsstof geïmpregneer sodat dit kan stol en verhard.

Kunsstofskuim kan op twee maniere vervaardig word. In die een proses word dun, vloeibare kunsstowwe byvoorbeeld met ʼn bymiddel vermeng en dan vinnig geroer (geklop) totdat dit 'n skuim vorm. In die ander proses word lug of 'n gas deur die vloeistof geblaas sodat klein borreltjies daarin gevorm word. Bymiddels help weer eens dat die skuimvorm behou word en dat die kunsstof stol. 'n Variasie op hierdie tegniek is die byvoeging van 'n vlugtige vloeistof by die vloeibare kunsstof. As die oplossing dan verhit word, vorm die vlugtige vloeistof 'n borrelende gas wat in skuim omgesit word. Daar is selfs kunsstowwe beskikbaar waarin die twee bestanddele bloot bymekaargevoeg word en dan (sonder verwarming of andersins) 'n skuim vorm wanneer dit met mekaar reageer.