Onder kunsstowwe word verstaan materiale soos plastiek, nylon, kunshars en poliëster waarvan die molekules kettings of netwerke (polimere) vorm wanneer klein chemiese boustene (monomere) met mekaar reageer. Ander stowwe soos sement en legerings word ook kunsmatig vervaardig, maar word nie as kunsstowwe beskou nie. Afhangende van watter monomeer of kombinasie van monomere gebruik word, kan 'n enorme aantal verskillende kunsstowwe ontstaan.
Die eienskappe daarvan word verder beïnvloed deur die byvoeging van chemikalieë (sagmakers, stabiliseerders) en die verskillende omstandighede waarin die monomere met mekaar reageer (temperatuur, druk, katalisators). Daar is basies vier soorte kunsstowwe, naamlik termoplastieke, wat by verwarming smelt; termo-verhardendes, wat by verhitting nie smelt nie; elastomere (sintetiese rubbers), wat baie rek- en vervormbaar is; en sintetiese vesels, wat hulle goed tot die vervaardiging van kledingstowwe leen.
Plastiek word maklik verwerk aangesien dit in 'n gesmelte toestand gegiet of gerek of in vaste vorm verhit en saamgepers kan word. Die Termoverhardendes moet reeds voor die reaksie van die monomere gevorm wees aangesien geen vormverandering na die reaksie meer moontlik is nie. Kunsstowwe is vir 'n enorme aantal gebruike geskik want dit kan tot allerlei ingewikkelde vorms verwerk word en dit beskik oor unieke meganiese eienskappe (treksterkte, elastisiteit, skokvastheid, ensovoorts). Dit is boonop teen korrosie en die meeste chemikalieë bestand. In vergelyking met die steen-, brons- en ystertydperke daar van die 20e eeu met reg as die plastiektydperk gepraat word.
Ontwikkeling Die jaar 1862 word oor die algemeen beskou as die jaar waarin die kunsstofnywerheid tot stand gekom het, toe selluloïed ('n plastiek) vir die eerste keer in Engeland berei is. Dit was egter 'n halfsintetiese produk, want die grondstof sellulose het reeds van nature 'n kettingvormige molekulêre struktuur gehad. Sellulose het 'n plantaardige oorsprong en word verkry deur byvoorbeeld katoenvesels met sure te behandel. Die produk is bekend as nitrosellulose en vorm 'n plastiese massa (deeg) as dit met kamfer en alkohol vermeng word.
As die alkohol toegelaat word om te verdamp, ontstaan selluloïed. Teen die einde van die 19e eeu is met 'n intensiewe ondersoek begin na 'n proses waardeur kunssy vervaardig kan word. Natuurlike sy bestaan uit onder meer suiwer sellulose, wat in die ruwe vorm 'n belangrike bestanddeel van hout is. Daar is inderdaad daarin geslaag om sellulose uit hout te verkry en in baie dun draadjies te spin en te weet, en so is rayon vervaardig, wat reeds voor die Tweede Wereldoorlog 'n belangrike (half) sintetiese veselproduk was.
Hierdie welslae het gelei tot ʼn soektog na 'n stof waaruit kunswol vervaardig kon word. Natuurlike wol bestaan uit aminosuureenhede en eksperimente met verwante slowwe het gelei tot die ontwikkeling van nylon (1935), wat as plastiek of vesel gebruik kon word. Die eerste werklik volledig sintetiese kunsstof, bakeliet, is reeds in 1909 ontwikkel. Dit is 'n termoverhardende kunsstof wat deur middel van verhitting uit relatief eenvoudige chemikalieë gevorm word.
Tydens verhitting verhard dit en behou dan die vorm waarin dit verwerk is. Bakeliet kan dus nie na die eerste bewerking gesmelt en omgevorm word nie, en hierdie eienskap het sekere beperkings op die kunsstofnywerheid gelê. Die chemiese bereiding van die termo-verhardendes was egter redelik eenvoudig en voor die Tweede Wêreldoorlog was dit naas kunssy ʼn belangrike kunsstof. Teen 1940 het die eerste volledig sintetiese plastiek, naamlik PVC (polivinielchloried) en PE (poliëtileen) op die mark verskyn. Die vervaardiging daarvan het egter heelwat wetenskaplike en tegnologiese kennis geverg en die produksie van plastiek het eers na 1959 die van termoverhardende kunsstowwe oortref.
In dieselfde tyd het die produksie van sintetiese vesels soos poliëster- en akrielvesels ook goed op dreef gekom. Hoewel kunsstowwe as konstruksiemateriaal bepaalde nadele het, word sommige soorte plastiek en
harse tog vir werklik hoëkwaliteitprodukte gebruik. In die vliegtuig en die ruimtevaartbedryf word metale byvoorbeeld met kunsstofkleefmiddels vasgeheg. Kunsstowwe is vandag onontbeerlik en ʼn mens kan jou nouliks 'n wêreld sonder plastiek voorstel. In die geïndustrialiseerde Westerse lande word die per capita-verbruik van kunsstowwe tot op 50 kg per jaar gestel en vervaardigers sowel as navorsers bestee enorme hoeveelhede tyd en kapitaal ten opsigte van die doeltreffende benutting van kunsstowwe.
Samestelling Die basiese bousteentjie van plastiek en ander kunsstowwe is ʼn molekule wat uit koolstofatome in kombinasie met waterstof-, stikstof-, chloor- ot fluooratome bestaan en ʼn monomeer genoem word. Wanneer twee monomere met mekaar kombineer, word 'n dimeer gevorm. Wanneer meer as twee monomere kombineer, word 'n kettingstruktuur gevorm wat 'n polimeer genoem word.
Die grootste bron van polimere is die koolwaterstowwe met die algemene formule CnH2n (n kan enige getal wees), wat uit byvoorbeeld steenkool verkry word, hoewel sellulose (hout, katoen) en kaseïen (melk) ook goeie bronne is. Die molekules waaruit hierdie stowwe bestaan, word dikwels makromolekules genoem, en 'n polimeer kan tot 200 000 atome in sy ketting struktuur hê.
Die kettingstruktuur, wanneer dit aan warmte, druk, ensovoorts, onderwerp word, bring mee dat die kettings ten opsigte van mekaar skuif, en dit gee aan plastiek die vermoë om vervorm te word. Sommige polimere vorm ringstrukture. Sulke polimere word dikwels kristallyne polimere genoem omdat hulle struktuur aan die van 'n kristal herinner. Termoplastiese stowwe het gewoonlik kettingstrukture met kettings wat kan skuit en leen hulle maklik tot herhaaldelike vervorming.
Termoverhardende stowwe het gewoonlik driedimensionele ringstrukture wat net een maar tot ʼn bepaalde vorm verwerk kan word. Die grondstof vir kunsstowwe, koolwaterstof, word byvoorbeeld berei deur stoom (waterstof) oor gloeiende steenkool (koolmonoksied) te stuur. Die waterstof verbind met die koolstof (koolmonoksied) en vorm versadigde (enkelverbindings) of onversadigde (meervoudige verbindings) koolwaterstowwe, wat as gasse of vloeistowwe verder verwerk word. Die volgende koolwaterstofverbindings kan vir kunsstowwe gebruik word:
Alkane: Metaan Etaan Propaan Butaan Oktaan alkiel
Alkene: eteen (etileen) propeen buteen
Alkyne: etyn (asetileen) propyn butyn
Alkohole: metanol etanol fenole
Aldehiede: formaldehied asetaldehied
Ketone: asetoon
Eters: diëtieleter Karboksielsure
Esters
Een van die belangrikste monomere is die eenvoudige alkeen eteen (etileen), waarvan die molekules kombineer tot die polimeer politeen (poliëtileen). Die bekende deursigtige plastieksakkies wat gebruik word om handelsware in te verpak, word van politeen gemaak.
Wanneer eteen met chloor gekombineer word, vorm dit chloro-eteen, wat meer algemeen as PVC (polivinielchloried) bekend staan, wat veral vir die vervaardiging van allerhande soorte pype (vir byvoorbeeld water, gas, ensovoorts) geskik is. Nog 'n bekende verbinding is die van eteen en asynsuur wat PVA (polivinielasetaat) vorm en byvoorbeeld in die vervaardiging van verf gebruik kan word.
Struktuur 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.
Elastisiteit 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.
Vulkanisasie en kristallisasie 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.