PLASTIČNI MATERIJALI

Plastični materijali (plastika) predstavljaju najvažniju vrstu inženjerskih polimera. To su materijali organske prirode koje sačinjavaju dugački moleskulski lanci, nastali spajanjem manjih molekula procesom polimerizacije. Osnovni elementi koji ulaze u sastav plastičnih materijala su vodonik, kiseonik, ugljenik i azot, a pored njih često su prisutni fluor, hlor, silicijum i sumpor. Plastični materijali sve više zamenjuju delove koji su ranije izrađivani od metala, npr. u automobilskoj i vazduhoplovnoj industriji, prehrambenoj i metaloprerađivačkoj proizvodnji, kao i u industriji sportskih rekvizita. Ova zamena je uslovljena određenim prednostima, kao što su: mala gustina, velika otpornost prema hemijskim uticajima, velike konstrukcione i proizvodne mogućnosti, prozračnost i relativno niska cena. Treba imati u vidu da u poređenju sa metalima plastični materijali imaju malu čvrstoću i krutost, nisku električnu i toplotnu provodljivost, visok koeficijent toplotnog širenja i relativno mali opseg radnih temperatura (najviše do 300°C) uz čest gubitak dimenzione stabilnosti.

Plastični materijali su velika i raznovrsna grupa sintetičkih polimera koji se različitim procesima obrade oblikuju u gotove proizvode. Plastični materijali se dele prema:

–          strukturi,

–          mehanizmu polimerizacije i

–          ponašanju pri zagrevanju (termoplastični i termoaktivni).

 

STRUKTURA POLIMERA

Polimeri se sastoje od dugačkih lanaca organskih molekula. Najjednostavniji molekuli koji grade polimere su ugljovodonici, npr. C2H4 (etilen), kod kojih su atomi ugljenika i vodonika povezani kovalentnom (primarnom) vezom. Osnovna jedinica polimernog lanca zove se mer (ili monomer, od grčke reči meros- deo) pa može da se kaže da polimer predstavlja veliki broj mera koji se ponavljaju stotinama i hiljadama puta u lancu. Ponavljanjem mera u lancu polimera može da se poredi sa ponavljanjem kristalne rešetke u prostoru kod metalnih materijala. Veze između različitih lanaca su sekundarne (Van der Valsove) i znatno su slabije od primarnih, kovalentnih veza.

pol 001

POLIMERIZACIJA

Molekuli se povezuju u sve duže i veće molekule procesom polimerizacije koji predstavlja hemijsku reakciju. Kod polietilena ovaj proces se svodi na otvaranje dvostruke veze između ugljenikovih atoma i linearno povezivanje molekula. Procesi polimerizacije su veoma složeni i raznovrsni, a dve osnovne vrste su kondenzacijska i adiciona polimerizacija.

Kondenzacijska polimerizacija. –Kondenzacijskom polimerizacijom se veze izmedju molekula obrazuju dejstvom toplote i pritiska pomoću katalizatora ili inicijatora. Nusprodukti reakcije, najčešće voda, se kondenzuju pa odatle i potiče naziv kondenzacijska polimerizacija.

Adiciona polimerizacija. Kod adicione polimerizacije, koja je poznata i kao polimerizacija lančanog rasta, molekuli se povezuju hemijskim dejstvom aditiva, pri čemu nema nusprodukata reakcije. Ovaj proces se odlikuje velikom brzinom nastanka molekula (obično nekoliko sekundi). Brzina reakcije je znatno veća nego kod kondenzacione polimerizacije.

Stepen polimerizacije predstavlja srednji broj monomera u lancu polimera i bitno utiče na njegova svojstva. Na primer, polimer od 6 monomera etilena ponaša se kao tečnost male viskoznosti, polietilen od 36 monomera kao tečnost velike viskoznosti, polietilen od 140 monomera kao vosak, a polietilen sa vise od 500 monomera je čvrsto telo.

Molekulska tezina. – Zbir molekulskih težina monomera čini molekulsku težinu polimera. Pošto su polimerni lanci različitih dužina, njihova molekulska težina se određuje i izražava statistički.

 

MOLEKULSKA STRUKTURA

 Svojstva polimera ne zavise samo od monomera već i od strukture, koja može da bude linearna, razgranata, poprečno povezana i umrežena.pol1 001

Linearni polimeri. – Monomeri su povezani linijski u pojedinačne duge lance, gde svaki krug predstavlja jedan monomer. Ovi dugi lanci su veoma plastični, nisu pravolinijski i međusobno su povezani sekundarnim- Van der Valsovim vezama.

Razgranati polimeri. – Polimeri koji imaju bočne lance iste strukture kao i osnovni lanac nazivaju se razgranati polimeri. Bočni lanci – grane sprečavaju međusobno pomeranje molekulskih lanaca što povećava njihovu čvrstoću a smanjuje plastičnost. Gustina razgranatih polimera je manja od gustine linearnih polimera.

Poprečno povezani polimeri. – Kod poprečno povezanih polimera susedni linearni lanci se povezuju jedan sa drugim kovalentnim vezama. Poprečno povezivanje utiče na svojsta polimera tako što povećava tvrdoću, čvrstoću, krutost i dimenzionu stabilnost.

Umrezeni polimeri. – Osnovne jedinice polimernog lanca mogu da formiraju trodimenzionalnu mrežu umesto linearne. Polimeri, poprečno povezani u velikoj meri, takođe mogu da se smatraju umreženim polimerima.

Struktura polimera obično nije jednoznačna. Na primer, pretežno linearni polimeri po pravilu imaju sposobnost ograničenog grananja i poprečnog povezivanja.

 

KOPOLIMERI

Kada su svi monomeri u polimernom lancu istog tipa, polimer se naziva homopolimer. Ako se sa A označi monomer, homopolimerni lanac će biti AAAAAAAA… Medjutim, bar dva različita tipa monomera mogu da se kombinuju da bi se dobila određena specifična svojstva polimera. Takvi polimeri se zovu kopolimeri. Zavisno od procesa polimerizacije i od uzajamnog odnosa osnovnih jedinica monomera, postoje četiri različita tipa kopolimera: proizvoljni, naizmenični, blok i kalemljeni.

Proizvoljni kopolimeri. – Različiti monomeri su proizvoljno raspoređeni unutar polimernog lanca. Ako se sa A (beli krugovi) i B (crni krugovi) obeleže različiti monomeri, raspored bi mogao da bude:

….AAABBAABABBBBAA….

Naizmenični kopolimeri.- Različiti monomeri imaju određeni naizmenični raspored:

….ABABABABABA….

Blok kopolimeri.- Različiti monomeri skupljeni su u blokove naizmenično raspoređene duz lanca:

….BBBBBAAAAABBBBBBAAAA…..

Kalemljeni kopolimeri.- Jedan homopolimer se kalemi na lanac drugog homopolimera:

B

                         B

                       B

                     B

                   B

AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

                                            B

                                              B

                                                B

p1

KRISTALNOST

Iako je osnovna struktura polimera amorfna, moguća je delimična kristalizacija. Kontrolom brzine očvršćavanja za vreme hlađenja mogu da se dobiju različiti zapreminski udeli kristalne strukture, od 0 (potpuno amorfni) do ~ 95%, što se definiše stepenom kristalnosti polimera (odnos zapremine kristalne oblasti prema zapremini polimera). Kod linijskih polimera on najčešće iznosi 75% – 85%, a kod razgranatih najviše do 60%. Prema tome, struktura ovakvih polimera je dvofazna, pošto pored amorfne imaju i kristalnu fazu.

p2

Stepen kristalnosti bitno utiče na svojstvo polimera. Sa porastom stepena kristalnosti polimera rastu gustina, toplotna postojanost, čvrstoća, krutost i tvrdoća, a plastičnost opada. Primer je polietilen sa visokim stepenom kristalnosti, poznat pod nazivom polietilen velike gustine. Ovaj polimer ima gustinu 0,97 g/cm3, dobru čvrstoću, krutost i žilavost i malu plastičnost, nasuprot polietilenu male gustine, čiji je stepen kristalnosti 60%, gustina 0,915 g/cm3.

 

TEMPERATURA PRELAZA U STAKLASTO STANJE

Polimeri amorfne strukture nemaju izraženu temperaturu topljenja Tt, za razliku od polimera sa delimično kristalnom strukturom. Mehanička svojstva amorfnih polimera naročito zavise od temperature: na niskim temperaturma oni su tvrdi, kruti, krti i staklasti, dok na povišenim temperaturama prelaze u gumasto stanje. Prelaz iz staklastog u gumasto stanje definisan je temperaturom prelaza u staklasto stanje Ts, koja predstavlja temperaturu na kojoj dolazi do promene nagiba krive zavisnosti specifične zapremine od temperature. Ova temperatura je kod amorfnih polimera jasno izražena. Temperature Ts i Tt za neke polimerne materijale date su u tabeli.

pp

pp1

 

TERMOPLASTIČNI MATERIJALI

Linearni i razgranati polimeri imaju slabe sekundarne veze. Pri zagrevanju iznad temperature prelaza u staklasto stanje Ts, ovi polimeri omekšavaju i mogu lako da se oblikuju, a posle hlađenja njihova tvrdoća i čvrstoća se vraćaju na prvobitne vrednosti. Proces zagrevanja, oblikovanja i hlađenja ovih polimera može da se ponavlja više puta bez značajnih promena svojstava. Polimeri koji pokazuju ovakvo ponašanje poznati su pod nazivom termoplastični materijali.

Polietileni (PE) imaju dobra elektroizolaciona svojstva i otporni su prema hemijskim uticajima. Oni mogu da budu male (PELD) i velike gustine (PEHD). PELD se koristi za izradu raznih boca, kanti, kofera, igračaka, materijala za pakovanje i kanalizacionih cevi. Od PEHD materijala se izrađuju delovi mašina i uređaja, pojasevi, kaiševi i remenje, kao i površine otporne prema habanju.

Polivinilhlorid (PVC) ima svojstva u širokom opsegu, može da bude krut ili savitljiv, otporan prema vodi, i veoma je jeftin. Ne može da se koristi za delove od kojih se zahteva čvrstoća i toplotna postojanost. Kruti PVC primenjuju se za izradu cevi, bužira i vetrobrana, a savitljivi za izolaciju žica i kablova, izradu veštačke kože, zaptivača, folija raznih debljina.

Polistireni (PS) su vrlo jeftini i njihova svojstva zavise od sastava. Koriste se za izradu kanti za otpatke, posluzavnika za hranu, raznih delova automobila, radio i TV aparata, igračaka i delova namešstaja, ali i kao izolacioni materijal za delove električnih uređaja u domaćinstvu.

Polimerilmetakrilati (PMMA) imaju umerenu čvrstoću, dobra optička svojstva (mogu da budu prozračni i neprozračni), otporni su prema vremenskim i hemijskim uticajima i imaju dobru električnu otpornost. Primenjuju se za izradu sočiva, svetlećih znakova, indikatora, prozorskih stakala, vetrobrana i delova uređaja za rasvetu.

Politetrafluoretilen (PTFE), trgovački naziv teflon, ima dobru otpornost prema temperaturnim promenama, hemijskim i vremenskim uticajima, dobru električnu otpornost i mali koeficijent trenja. Teflon se koristi kao materijal za oblaganje posuda u hemijskoj industriji i domaćinstvu, za izolaciju žica i kablova, za zaptivače i kao materijal za ležaje.

Poliamidi (PA) postoje u dve varijante: najloni i aramidi. Najloni imaju dobra mehanička svojstva, otpornost prema abraziji i dejstvu mnogih hemikalija, ali su higroskopni. Primenjuju se za izradu: zupčanika, ležaja (mogu da budu i samopodmazujući), čaura, valjaka, elemenata za vezu, delova za električnu instalaciju, površina otpornih prema habanju, hirurške opreme. Aramidi imaju veoma visoku čvrstoću i krutost, a od njih se izrađuju vlakna za kompozitne materijale i kablove.

Poliestri (PET) se odlikuju dobrim mehaničkim svojstvima, dobrom električnom otpornošću, otporni su prema hemijskim uticajima i abraziji, imaju mali koeficijent trenja. Koriste se za izradu zupčanika, valjaka, delova ležaja, pumpi, elektromehaničkih komponenata.

Celuloza ima dobru čvrstoću i žilavost, ali je neotporna prema toploti, dejstvu vode i hemijskim uticajima. Upotrebljava se za izradu drški alata, olovki okvira za naočare, zaštitnih kaciga i naočara, creva, cevi, delova uređaja za rasvetu, bilijarskih lopti, pingpong loptica, celofana, mikrofilmova.

Polikarbonati (PC) imaju dobra mehanička i električna svojstva, otporni su prema udaru i hemijskim uticajima. Primenjuju se za upotrebu zaštitnih šlemova, optičkih sočiva, neprobojnog takla, boca, vetrobrana, električnih izolatora, delova medicinskih aparata, zaštitne opreme na mašinama alatkama, kao i delova od kojih se zahteva dimenziona stabilnost.

U tabeli su navedena fizička i mehanička svojstva nekih važnijih termoplastičnih materijala.

pol4 001

 

TERMOREAKTIVNI MATERIJALI

Termoreaktivni materijali se u literaturi sreću još i pod nazivima termoumreženi, termostabilni, duroplasti i duromeri.Obrazuju se tako što se dugi molekulski lanci unakrsno umrežavaju po trodimenzionalnom rasporedu, tako da dobijena struktura postaje jedan džinovski molekul sa veoma jakim kovalentnim vezama. Kod svih plastičnih materijala nije jasno definisana temperatura prelaza u staklasto stanje. Proces polimerizacije se izvodi u dve faze: prvo se dobijaju delimično polimerizovani molekuli u linearnom rasporedu, koji se zatim istovremeno oblikuju i umrežavaju samo zagrevajem ili zagrevanjem i pritiskom ili hemijskim reakcijama na sobnoj temperaturi. U tabeli su data fizička i mehanička svojstva termoreaktivnih plastičnih masa.

pol5 001

Za razliku od termoplastičnih, termoreaktivni plastični materijali ne mogu pri ponovnom zagrevanju ni da se oblikuju (deformišu) ni da se pretapaju, što je veliki nedostatak ovih polimera, jer otpaci iz proizvodnje ne mogu ponovo da se koriste. Prednosti koje imaju termoumreženi polimeri pri izboru materijala za izradu konstrukcija su:

–          dobra mehanička svojstva,

–          velika otpornost prema puzanju i deformaciji,

–          visoka termička, hemijska i dimenziona stabilnost,

–          dobra električna i toplotna izolaciona svojstva.

Najvažniji termoaktivni plastični materijalisu fenolne smole, urea i melaminske smole, epoksidne smole i poliestri.

Fenolne smole (PF), u koje pored ostalih spadaju novolak i bakelit (fenolformaldehidna smola), veoma su krte i tvrde, otporne prema toploti, hemijskim uticajima i vodi i imaju dobra elektroizolaciona svojstva. Koriste se u elektrotehnici za izradu prekidača, utikača, raznih priključaka za razvodnu mrežu, telefona; u automobilskoj industriji za delove kočnica, za elemente za prenos snage; kao vezivno sredstvo za abrazivne čestice kod brusnih ploča; kao vezivni materijal u livačkom pesku za izradu školjkastih kalupa.

Urea smole (UF) i melaminske smole (MF)- amini. Amini su čvrsti i tvrdi, otporni prema abraziji, puzanju i električnom varničenju. Koriste se za izradu malih kućišta raznih uređaja, ručica, poklopaca za razvodne table za jake struje. Urea smole se upotrebljavaju za izradu raznih komponenata u elektrotehnici i elektronici.

Epoksidne smole (EP) imaju izvanredna mehanička i elektroizolaciona svojstva, dobru dimenzionu stabilnost, adheziona svojstva, otpornost prema toploti i hemijskim uticajima. Primenjuju se za izradu komponenata u elektrotehnici od kojih se zahtevaju dobra mehanička i elektroizolaciona svojstva, za izradu raznog alata i kalupa, kao i lepkova. Vlaknasto ojačani epoksidi imaju izvanredna mehanička svojstva i koriste se za izradu sudova pod pritiskom i rezervoara.

Poliestri- nezasićeni (UP) imaju dobra mehanička, hemijska i elektroizolaciona svojstva. Poliestri se uglavnom ojačavaju staklenim ili drugim vlaknima. Koriste se za izradu čamaca, delova karoserija automobila, stolica, kofera, kada za kupanje, cevi i rezervoara.

 

ADITIVI

Većina polimera sadrži aditive (dodatke) koji obezbeđuju specijalne karakteristike materijala. Neki od važnijih aditiva su:

–          pigmenti koji obezbeđuju obojenost plastičnim materijalima i bojama; treba da budu otporniprema temperaturama i pritiscima u procesu dobijanja polimera, usaglašeni sa polimerom i stabilni;

–          stabilizatori, kao što su antioksidansi i toplotni stabilizatori, sprečavaju raspadanje polimerau radnim uslovima i pri ultraljubičastom zračenju;

–          antistatički agensi koji imaju ulogu da spreče pojavu statičkog elektriciteta kojoj su polimeri skloni;

–          sredstva za podmazivanje, kao što su vosak i kalcijumsearat, dodaju se da bi se smanjila viskoznost rastopljenog plastičnog materijala i poboljšala sposobnost oblikovanja;

–          omekšivači koji imaju ulogu da snize temperaturu prelaza u staklasto stanje. Naročito su važni kod polivinilhlorida, čija je temperatura prelaza u staklasto stanje neposredno iznad sobne temperature;

–          punioci koji se dodaju radi poboljšanja mehaničkih osobina, a posebno čvrstoće i otpornosti prema habanju;

–          ojačavači (armatura) koji povećavaju čvrstoću i krutost polimera.

 

PRERADA POLIMERA

Postupci koji se koriste za preradu polimera u upotrebne oblike (cevi, ploče, šipke, profilisani delovi) zavise pre svega od prirode polimera- da li su termoplastični ili termoreaktivni. Polazna sirovina za preradu može da bude u vidu ljuspica, prahova, tečnosti i granula.

Za oblikovanje termoplastičnih polimera najčešće se koriste istiskivanje, brizganje i valjanje. Polimer se zagreva do temperature neposredno ispod ili iznad temperature topljenja tako da prelazi u plastično ili tečno stanje, a zatim se istiskuje ili brizga pod pritiskom u kalup, ili valja da bi se dobio željeni oblik.

pol6001

U postupku istiskivanja obrnuti puž potiskuje zagrejan termoplastični polimer kroz otvor kalupa da bi se dobile cevi, šipke, folije, ploče ili plastične kese. Istiskivanje može da se primeni i za prevlačenje i zaštitu kablova i žica. Slična tehnika rada koristi se kod brizganja.

Pri valjanu rastopljeni plastični materijal se lije između kompleta valjaka sa malim međusobnim rastojanjem. Valjci oblikuju tanke ploče i folije od polimera.

Pošto termoreaktivni polimeri nisu u potpunosti polimerizovani pre prerade, postupci prerade treba da obezbede poprečno povezivanje i umrežavanje polimera. Stoga se završna polimerizacija izvodi ili zagrevanjem uz primenu pritiska, ili katalitičkim dejstvom na sobnoj ili povišenoj temperaturi. Uobičajeno se ova vrsta polimera oblikuje postupkom livenja pod pritiskom (obično presovanje) i livenjem prenošenjem (posredno presovanje).

Livenje pod pritiskom (presovanje) se izvodi postavljanjem termoreaktivnog polimera u čvrstom stanju u zagrejan kalup. Pod dejstvom viskokih pritisaka i temperature polimer se topi, popunjava kalup i odmah počinje da očvršćava poprimajući oblik kalupa.

Livenje prenošenjem izvodi se u dvostrukim komorama. Polimer se zagreva pod pritiskom u jednoj komori, a zatim se posle topljenja ubrizgava u susednu komoru- kalup gde dobija završni oblik.

pol7 001

Ovaj unos je objavljen pod Masinski materijali. Zabeležite stalnu vezu.

2 reagovanja na PLASTIČNI MATERIJALI

  1. Veoma edukativan tekst! 🙂

    Evo mi bas imamo nekoliko proizvoda od plastike u ponudi. Kliknite na nase ime i overite ih sami! 😉

  2. Tehno Projekt kaže:

    Optimalno izlozeno za ovaj nacin pocetne edukacije . Vjerovatno cu na drugom mjestu naci nesto o polipropilenu…PP i PPR. Hvala .

Ostavite odgovor

Popunite detalje ispod ili pritisnite na ikonicu da biste se prijavili:

WordPress.com logo

Komentarišet koristeći svoj WordPress.com nalog. Odjavite se /  Promeni )

Google photo

Komentarišet koristeći svoj Google nalog. Odjavite se /  Promeni )

Slika na Tviteru

Komentarišet koristeći svoj Twitter nalog. Odjavite se /  Promeni )

Fejsbukova fotografija

Komentarišet koristeći svoj Facebook nalog. Odjavite se /  Promeni )

Povezivanje sa %s