GLAVA 14.pdf

14 POLIMERNI I KOMPOZITNI MATERIJALI 14.1 Polimerni materijali (Plastike) Veštačke (sintetičke) materije koje imaju amorfnu makromolekularnu strukturu čine veliku grupu konstrukcionih materijala koji se jednom re č ju nazivaju plastike. Polazne sirovine za proizvodnju plastika mogu biti mineralnog i organskog porekla. Mineralne sirovine su nafta, ugalj i zemni gas, od kojih se najpre izradjuju osnovna hemijska jedinjenja za dalju preradu. Ova se jedinjenja jedinjenja različitim procesima prevode prevode u polupr poluproizv oizvode ode koji koji mogu biti biti u obliku obliku granula, granula, praha, praha, teč nosti, nosti, smola, tableta. Dalji procesi prerade ovih poluproizvoda u finalne proizvode ( livenjem ili presovanjem) utiču ne samo na promenu oblika i strukture, ve ć takodje i na promenu promenu hemijhemij skih veza veza koje čine osnovu materije. Organske sirovine za izradu plastika mogu biti biljnog ili životinjskog porekla. Poluproizvodi i finalni proizvodi dobijaju se iz frakcija sirove nafte visoke temperature ključanja (oko 300ºC), tako što se te frakcije zagrevaju pod visokim pritiskom i pri visokoj temperaturi, te nastaje raspad velikih molekula (makromolekula) na manje pogodne za industriju vešta čkih proizvoda. Vrste poluproizvoda i finalnih proizvoda koji se dobijaju iz sirove nafte dati su na sledećoj shemi. Propilen

Polipropilen Polistiren

Sirova nafta

Etilen Polietilen Butadijen

Vešta čki kaučuk

330

Mašinski materijali

Pored sirove nafte, danas se sve više koristi kao hemijska sirovina i zemni gas u čiji sastav ulazi metan (oko 90%), kao i etan, propan, butan, pentan, heksan i njihovi izomeri, a takodje i CO 2, H2, CO, N2, H2S i dr. Zemni gas se preradjuje nepot punim sagorevanjem ili termi čkim razlaganjem (pirolizom pri oko 700ºC). Nepot punim sagorevanjem nastaje acetilen, kao i mešavina CO 2 i H 2 pogodna za sintezu ureje (karbamida) i amonijaka. Putem pirolize dobija se etilen, propilen, acetilen i druga jedinjenja koja se koriste za dalju hemijsku sintezu. Iz uglja dobijaju se razna hemijska jedinjenja putem tzv. suve destilacije (koksovanja). Ona se zasniva na zagrevanju uglja bez prisustva vazduha pri temperaturi 1100-1300ºC. U tom procesu nastaju gasni proizvodi, te čni proizvodi (tzv. smole) i čvrsti proizvodi (koks). Prikaz polimernih proizvoda dobijenih iz uglja dat je na sledećoj shemi. Poliestri Benzen Polistiren Fenol

Fenoplasti

Krezol

Aminoplasti

Naftalen

Anhidrid ftalne kiseline

Alkidna smola

Acetilen

Vinil hlorid

Polivinil hlorid

Vodeni gas

Izobutanol

Izobutinel

Metan

Metil hlorid

Silikoni

Freon

Tetrafluoroetilen

Teflon

Fosgen

Dvocijanin

Poliuretan

Smole

Ugalj

Koksni gas

Butadijen

Opanol

331

Polimerni i kompozitni kompozitni materijali

Pored navedenih mineralnih sirovina, u industriji polimernih materija upotrebljavaju se biljne i životinjske sirovine od kojih se dobijaju finalni proizvodi prikazani na sledećoj shemi. Celulozni acetat

Celuloza

Celofan

Celuloid

Biljne sirovine

Guma Prirodni kaučuk Ebonit

Naziv plastične mase (plastike) poti če otuda što su u nekoj fazi prerade one bile deformabilne; kod jednih vrsta plastika deformabilnost se stalno zadržava, a proizvodi se mogu reciklirati, dok se kod drugih deformabilnost trajno gubi pri završnoj preradi (duroplasti). Termoplastični materijali (termoplasti) omekšavaju pod dejstvom toplote, a pri hladjenju opet otvrdnjavaju. Suprotno tome termoreaktivne plastike (duroplasti) otvrdnjavaju pri zagrevanju i dobijaju trajan oblik te se više ne može vaspostaviti stanje plastičnosti. Primeri termoplasta su: polistiren, polietilen, najlon, pleksiglas, teflon, a duroplasta bakelit, guma, silikon, epoksi smole . Termoplasti uglavnom nisu otporni na povišenim temperaturama (izuzetak je teflon), dok duroplasti ne gore već se na dovoljno visokim temperaturama ugljenišu i razgradjuju (degradiraju). Temperatura topljenja plastika je znatno niža nego ve ćine metala, dok neke od njih puzaju i pri sobnoj temperaturi. Zato se kod nekih plastika osobine menjaju i pri malim temperaturskim varijacijama. Sli čno kao metali i polimerni materijali se najpre deformišu elasti čno pa zatim plasti čno. Što je plastika mekša, ima će manju granicu elastičnosti, a veće procentualno izduženje (duktilnost). Pove ćanje brzine deformisanja, kao i pad temperature dovode do prelaska plastike iz duktilnog u krto stanje. Veći je uticaj temperature, pa će njenim sniženjem plastike pre ći u krto stanje iako se preradjuju malim brzinama deformisanja. Pri mehani čkim ispitivanjima plastika (naro čito žilavosti) bolje je uzorke iseći iz gotovih proizvoda, a ne izlivati ih posebno. Ovo stoga što i na čin izrade utiče na osobine plastike.

332


14.1.1 Struktura polimernih materijala

Kao što iz naziva proizilazi, ove materije se sastoje iz više mera, koji predstavljaju osnovnu jedinicu jednog molekula- monomera (od gr čke reči mono = jedan i meros = deo). Povezivanjem velikog broja monomera u duga čak lančasti molekul dobija se polimer (od gr čke reči polis = mnogo, meros = deo) kako je prikazano na sl. 14.1. Kad se kaže da su molekuli "polimerizovani" to zna či da su medjusobno povezani u veće agregate, tj. makromolekule ili velike molekule. Strukturna formula monoH H H H H H H H C mera etilena (sl. 14.1b) pokazu je da je on nezasi ćen (dvostruka C ... C C C C C C C veza), što zna či da molekul ugljenika nije vezao maksimalan H H H H H H H H mogući broj atoma vodonika. a) Mer b) Monomer c) Polimer Pod odredjenim uslovima, koji Slika 14.1 Strukturne formule: a) mera, se postižu zagrevanjem, pritisb) monomera, c) polimera kom, prisustvom katalizatora, jedna od dvostrukih veza se otvara i valentni elektron se povezuje sa drugim monomerom što dovodi do formiranja velikog molekula. Najprostiji polimer je polietilen koji je prikazan na slici 14.1c. Osnova za stvaranje polimera je činjenica da atom ugljenika u ugljovodonicima ima dvostruku vezu koja se može otvoriti i povezati ne samo sa vodonikom ve ć i sa Cl, F, acetatima1, grupom 'OH, benzenovim prstenom (sl. 14.2). Proces se odvija postepeno, makromolekul raste dok dostigne veli činu uslovljenu ravnotežnim stanjem supstance i produkata nastalih u uslovima odvijanja reakcije. Zahvaljuju ći tome, dobijaju se lan časti molekuli razli čite veličine koja zavisi od uslova reakcije. Struktura takvih polimera je u obliku razgranatih lanaca ili umrežena, a osobine dobijenih plastika se razlikuju od polaznih supstanci, kako po hemijskom sastavu tako i po fizi čkim osobinama. Na slici 14.2 prikazani su monomeri od kojih se obrazuju mnoge komercijalne plastike. Najpre je prikazana strukturna formula etilena (a) - bezbojnog nezapaljivog gasa - koji se koristi za proizvodnju etil-alkohola, a zatim stirena i akrilne kiseline CH2 = CH·COOH iz koje se dobijaju akrilni derivati poznati pod imenom pleksiglas. Na slici 14.2b prikazana je zamena jednog atoma vodonika sa grupom OH čime se dobija monomer- vinilalkohol . Slično se dalje, zamenom jednog atoma vodonika atomom hlora, prstenom benzena, te konfiguracijama acetata i CH 3 dobijaju monomeri: vinil-hlorid (c), stiren (d), vinil-acetat (e) i izopropilen (f). Kad se dva atoma vodonika zamene atomima hlora formira se viniliden-hlorid (g), i najzad ako se sva četiri atoma vodonika zamene atomima fluora najpre se dobija tetrafluoretilen (h), a zatim polimer poznat pod komercijalnim nazivom - teflon. 1

Acetati su soli sir ćetne kiseline CH3·COOH.

333

Polimerni i kompozitni kompozitni materijali H

H

C

C

H C

H

H

C

C

C

H

H

H

a) Etilen

H

C

C

C

H

H

C

C

H

C

C

C

C

OH

H

Cl

H

b) Vinil alkohol H

C

H

H

H

H

H

c) Vinil hlorid

H

H

C

C

Benzenov prsten

d) Stiren

H O

O C

H Acetat H

C H

e) Vinil acetat

H

H

C

H

H

f) Izopropilen

H

Cl

F

F

C

C

C

C

H

Cl

F

F

g) Viniliden hlorid

h) Tetrafluoroetilen

Slika 14.2 Razne vrste monomera

Moguć je i različit raspored atoma jednog te istog elementa u monomeru. To za sobom povlači i promenu osobina, pa se monomeri istog sastava a druk čijeg aranžmana zovu izomeri. Za industriju su najvažnije dve vrste polimernih mateijala: plastike i elastomeri. Plastike se dobijaju procesima polimerizacije ili polikondenzacije, a elastomeri postupkom vulkanizacije. 14.1.1.a Polimerizacija i polikondezacija

Kao što je već spomenuto monomeri se mogu grupisati u polimere (plastike) na dva načina. Prvi je polimerizacija ili adiciona polimerizacija. Kad se više istih ili sličinih monomera povezuju tako da formiraju lanac, proces se zove adicija. Na slici 14.1b prikazan je monomer etilena sastavljen od dva mera povezana dvostrukom vezom. Dejstvom toplote i pritiska otvara se jedna veza monomera, oni se povezuju u lanac i obrazuje se polietilen (sl. 14.1c). Od dužine lanca zavisi gustina polietilena. On se koristi za izradu kesa, filmova, injekciono livenih proizvoda, hemijskih kontejnera. Adicionom polimerizacijom monomera vinil-hlorida

334


(sl.14.3a) dobija se duga čak lanac polivinil-hlorida (PVC) prikazan na istoj slici pod (b). Od monomera koji sadrže benzenov prsten (C 6H5) (sl. 14.3.c) adicionom polimerizacijom obrazuje se polistiren (sl.14.3d), koji je u penastom stanju poznat kao stiropen. Proizvodi dobijeni adicionom polimerizacijom pripadaju grupi termoplasta. Monomer

H

Cl

H

H

H

H

..... H

H

H

H

H C

H .....

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

Cl

H

Cl

H

Cl

..... H

Cl

H

Cl

H

Cl .....

a) H

H

C

C

b) Monomer

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

C H

C

C

H

C

C

H

.....

H

H

H

H

H C

H

C

C

C

C

C

C .....

H H H

H

H

Stiren

C Mer

H

c)

d)

Slika 14.3 Monomeri i proizvodi adicione polimerizacije: a) vinil-hlorid, b) polivinil-hlorid, c) stiren, d) polistiren

je proces povezivanja dva ili više razli čitih monomera u makromolekule. Mnogi monomeri ne mogu se samostalno povezivati u velike molekule, ali mogu zajedno sa drugim monomerima, obrazuju ći pri tome kopolimere. Tako na primer, monomeri vinil-acetat i vinil-hlorid (sl. 14.4a, b) razmenjuju valentne elektrone i formiraju lan časti polimer (sl. 14.4c). Proizvod kopolimerizacije se po svojim osobinama razlikuje od polaznih supstanci iz kojih je dobijen. Polikondenzacija (polimerizacija kondenzacijom) se karakteriše time što se posle povezivanja bilo istih ili razli čitih molekula, dobija i sporedan proizvodkondenzat (voda). Plastike dobijene polikondenzacijom mogu biti bilo termoplastične (najlon) ili termoaktivne (bakelit). Polikondenzaciji podležu fenol (karbolna kiselina C6H5OH- dobija se iz katrana kamenog uglja), urati (soli mokra ćne kiseline), anilin (C6H5 NH2- dobija se iz katrana kamenog uglja), aldehidi (nastaju blagom oksidacijom primarnih alkohola-karakteriše ih grupa -CHO). Kopolimerizacija

335


H

C

C

H O

O C

Acetat

H

C

Monomer

Monomer

H

H

H

H

H C

H

H

H

C

C

C

C

C C

C

C

C

H

Cl

H

Cl

H

Cl

H

Cl

H

H Vinil acetat

a)

b)

.....

H

H

H

H

H C

H .....

C

C

C

C

C

C .....

H

Cl

H

H

Cl .....

O

O C

Acetat H

C

H

H Vinil acetat

c) Slika 14.4 Monomer vinil-acetat vinil-acetat (a), vinil-hlorid (b) i njihov kopolimer kopolimer (c)

Jedan od najstarijih kondenzacionih proizvoda je galalit -rožnata -rožnata plastika dobi jena od kazeina iz mleka uz dodatak nekih hemikalija i boje. Izradjeni predmeti se naknadno stvrdnjavaju dužim držanjem u rastvoru formalina (formaldehida), suše i eventualno još jednom presuju pri temperaturi od 100ºC. 14.1.1.b Dodaci polimernim materijalima

Veštačke materije kao konstrukcioni materijali - pored osnovnog sastojka u vidu visokopolimerne supstance - sadrže i raznorodne dodatne materije: stabilizatore, punioce, plastifikatore i pigmente (za bojenje). Zavisno od njihove vrste i koli čine, materijali zasnovani na istim osnovnim sastojcima pokazuju znatne razlike u oso binama. Stabilizatori su supstance koje obezbedjuju trajnost visokopolimernih hemijskih jedinjenja u slu čaju dejstva takvih spoljašnjih činilaca kao što su temperatura,

336


vidljivo ili ultraljubi často zračenje itd. Na primer, čadj zaštićuje polietilen od utica ja ultraljubičastog zračenja. Zaštita polivinilhlorida od dejstva povišenih temperatura i ultraljubi častog zračenja postiže se sapunima, organskim jedinjenjima kalaja ili teških metala. Zaštita materija zasnovanih na butadijenu (gumi) od samooksidacije na vazduhu postiže se putem dodavanja fenolovih jedinjenja. Punioci su hemijski neutralne supstance koje se dodaju u cilju postizanja traženih osobina plastike: poboljšanja mehani čkih osobina, termi čke ili električne provodnosti, otpornosti na habanje itd. S obzirom na oblik, punioci mogu biti: • praškasti - metalni prah, grafit, čadj, lika (vlakna ispod kore drveta), kameno i drveno brašno i kvarcni pesak, • vlaknasti - metalne žice, vlakna: staklena, azbestna, sinteti čka, pamučna i • lisnati - folije ili metalne mreže, tkanine: staklaste, sinteti čke, pamučne, papir. Neorganski punioci smanjuju zapaljivost vešta čkih materija, a posebno metalni prah koji još pove ćava termičku i električnu provodnost; lika i azbest pove ćavaju izolacione osobine, grafit popravlja otpornost na habanje. Organski punioci, uglavnom drveno brašno i tkanine, pove ćavaju svojstva jačine smola, dok čadj u velikoj meri povećava svojstva jačine kaučuka. Čadj je površinski aktivna supstanca 1 koja dovodi do ojačanja veze izmedju molekula kau čuka. Plastifikatori (omekšivači) su organska jedinjenja, hemijski aktivna, koja se ponekad dodaju u veoma velikim koli činama u cilju pove ćanja plastičnosti proizvoda. Oni deluju fizi čko-hemijski ili fizi čki na gradju molekula, npr. na ra čun polireakcije sa polimerom što se naj češće ispoljava smanjenjem povezanosti izmedju molekula ("labavljenjem" lanaca polimera). Kao posledica pove ćanja pokretljivosti molekula često nastaje sniženje temperature omekšavanja i prelaska u staklasto stanje. Zahvaljujući tome, proizvod koji je krt na temperaturi okoline, postaje dodatkom omekšivača plastifikovan. Kao plastifikatori uglavnom se koriste organske kiseline, amonijak, alkohol. Pigmenti se dodaju u cilju da proizvod dobije odredjenu boju i u principu ne utiču na njegove fizi čke osobine. 14.1.2 Metode prerade polimernih materijala

Sa tačke gledišta ponašanja u toku dalje prerade razlikuju se: • termoplastič ne ne mase (termoplasti) - omekšavaju pri svakom zagrevanju i mogu se lako oblikovati na toplo, a pri hladjenju o čvršćavaju i zadržavaju zadati oblik (imaju strukturu prostih lanaca - sl. 14.5a),

1

To su materije koje se vezuju samo za površinske slojeve čvrstih materijala ili tečnosti (pr. kamfor na površini vode). Pojava površinskog vezivanja atoma, bez njihovog prodiranja u dubinu zove se adsorpcija.

337


• termoreaktivne mase (duroplasti) - pod dejstvom povišenih temperatura ili hemijskih faktora nepovratno otvrdnjavaju zadržavaju ći zadati oblik, dok naknadno

zagrevanje dovodi do propadanja, tj. hemijskog razlaganja proizvoda (imaju umreženu strukturu - sl. 14.5b), • vulkanizacione mase (kaučuk) - odlikuju se promenom lan časte strukture u umreženu u toku prerade, jer dodatni atomi (npr. sumpor) obrazuju mosti će koji bočno povezuju susedne lance (sl. 14.5c).

a)

b)

c)

Slika 14.5 Struktura veštač kih kih materija: a) termoplastič nih nih (lanč asta), asta), b) termoreaktivnih (umrežena), c) vulkaniziranih (lanč asta asta sa popreč nim nim mostićima)

Oblik i sastav poluproizvoda koji se preradjuju u finalan proizvod zavisi od tipa plastike i tehnologije prerade. Najvažniji metodi prerade vešta čkih materija jesu: livenje, presovanje, brizganje (injekciono presovanje), sinterovanje, ekstruzija, kalandrovanje, izvla č enje, enje, duvanje , termič ko ko oblikovanje. Posebnom tehnologijom nanose se antikorozione prevlake i elektroizolaciona zaštita. Materijali za livenje su monomeri u te čnom stanju ili mešavina monomera sa katalizatorom i pigmenata, odnosno polimera sa plastifikatorom. Polazni materijal za ostale metode prerade je u obliku tableta, zrnaca ili praška. U toku same prerade unose se punioci, plastifikatori, stabilizatori i pigmenti, a ponekad i dodatna sredstva za podmazivanje koja olakšavaju proces prerade. Livenjem pod atmosferskim pritiskom polimerizuju se fenolne smole, akrilne smole, epoksidne smole kao i poliestri, čime se dobijaju gotovi proizvodi. Za proces polimerizacije (ili polikodenzacije) potrebno je relativno dugo vreme (do nekoliko stotina sati) i povišena temperatura (do oko 100 °C). Kao rezultat procesa, smole podležu pothladjivanju te prelaze u čvrsto stanje. Livenje se primenjuje za izradu predmeta nevelikih dimenzija iz razloga velikog skupljanja plastike (do 6 %). Kalupi za livenje izradjuju se od silikonskog kau čuka čija elastičnost olakšava vadjenje odlivka. Koriste se takodje modifikovane metode, npr. centrifugalno livenje za dobijanje predmeta oblika šupljih cilindara (naro čito za male serije) ili folija debljine 0.03-0.15 mm. Presovanje je najčešće korišćena metoda prerade termoreaktivnih smola (kao što su fenolne i amino smole), kao i nekih termoplasta. Razlikuju se obič no no presovanje (u matrici), posredno presovanje i presovanje plo presovanje ploč a.

338


Obično presovanje zasniva se na oblikovanju proizvoda u vru ćoj metalnoj formi (forma tj. kalup se zagreva toplom vodom, parom ili otporski do 200 °C), pod pritiskom od nekoliko stotina MPa. Odabrani pritisak mora delovati dovoljno dugo da bi se omogu ćilo da iz kalupa izadje vazduh kao i gasovi stvoreni u toku hemijskih reakcija; to je vreme, obi čno do 2.5 min na 1 mm debljine zida proizvoda. Posredno presovanje se primenjuje uglavnom za termoplaste - zasniva se na plastifikovanju mase u zagrejanom rezervoaru, pa potiskivanju u zatvorenu formu, gde se masa sabija i otvrdnjava. Na ovaj na čin proizvode se u automatizovanim uredjajima delovi mašina kao što su: zup čanici, zavrtnjevi i navrtke. Presovanje ploča zasniva se na oblikovanju poluproizvoda u vidu plo ča ili profila u preserskom alatu. Metod ima najve ću primenu za izradu višeslojnih predmeta (laminata). U zavisnosti od koriš ćenog polimera razlikuju se laminati: fenolni, poliesterski ili epoksidni, a prema vrsti punioca - metalni, stakleni, azbestni, pamu čni, drveni itd. Način polaganja i oblik punioca mogu obezbediti traženu anizotropiju, npr. jačinu na kidanje zavisnu od pravca. Presovanje omogu ćuje i izradu plo ča različitih raspodela masa zahvaljuju ći pogodnom razmeštaju laminata pre presovanja (sl. 14.6a), i njihovom sabijanju do iste debljine (sl. 14.6b). Ovakve plo če upotrebljavaju se npr. za izradu propelera jer se dobija manja razlika u centrifugalnim silama idući od centra ka periferiji.

Slika 14.6 Proizvod različ ite ite gustine: a) postavljanje ploč a na presu, b) unutrašnja gradja

(špricanje) se zasniva na omekšavanju pripremljene mase u zagrejanom cilindru i njenim periodi čnim ubrizgavanjem u hladnu formu, u kojoj nastaje otvrdnjavanje proizvoda (sl. 14.7). Metoda se primenjuje u proizvodnji razli čitih elemenata i proizvoda od termoplasta kao što su poliamid, polistiren, polivinil hlorid. Pritisak špricanja iznosi nekoliko stotina MPa, a radna temperatura zavisi od temperature omekšavanja sirovine. Brizganje

339


4 1

3

2

Slika 14.7 Shema špricanja plastike: 1 - rezervoar, 2 - cilindar, 3 - klip, 4 - kalup

(sl. 14.8) se naj češće koristi za izradu elemenata od poliamida, koji ima relativno ve ći udeo kristalnih oblika u strukturi, a time i bolje osobine, uglavnom ve ću otpornost na habanje. Poliamidna sirovina u obliku sitnog praška (sl. 14.8a) dimenzija zrna 4 -10 µm sipa se u kalup (sl. 14.8b), a potom presuje se na hladno pod pritiskom do 400 MPa. Druga je operacija sinterovanje koje se zasniva na sporom zagrevanju otpreska (sl. 14.8c) u ulju (220-250 °C) u toku 2.5 h, a zatim veoma sporom hladjenju do oko 90 °C. Sinterovanje

a)

b)

c)

Slika 14.8 Oblikovanje plastike sinterovanjem: a) punjenje kalupa, b) presovanje na hladno, c) proizvod za peč enje enje

(sl. 14.9) je u suštini metoda kontinualnog brizganja podešena za proizvodnju profila, štapova i cevi. Sirovina koja se neprekidno dovodi iz rezervoara (1), omekšava se u zagrejanom cilindru (2). Kontinualnim kretanjem pužnog prenosnika (3) dolazi do istovremenog mešanja mase i njenog transporta ka izlazu iz cilindra. Masa se dalje uvodi u profilisani otvor matrice (5) gde se dodatno zagreva u manjem cilindru. Na izlazu iz matrice proizvod kontinuirano Ekstruzija (istiskivanje)

340


očvršćava, zadržavaju ći dati presek. Metoda se primenjuje za produkciju profila od polistirena, polietilena, polivinil hlorida, polimetakrilata, celuloida i dr. 1

2

3

5

4

Slika 14.9 Shema ekstruzije: 1 - rezervoar, 2 - cilindar, 3 - puž, 4 - grejač i, i, 5 - matrica

(sl. 14.10) jeste osnovna metoda izrade folija. Granule dovedene u zagrejani rezervoar postaju uplasti čene i tako dospevaju u prostor izmedju obrtnih valjaka čiji razmak odredjuje debljinu folije. Dodatno zatežu će naprezanje pri namotavanju poboljšava mehani čke osobine folije. Za spre čavanje slepljivanja još nedovoljno ohladjenih folija koristi se pomoćni valjak (sl. 14.10). Kalandrovanje omogućuje produkciju folija debljine 0.080.6 mm. Izvlač enje enje je metoda oblikovanja proizvoda uz primenu dvodelnih alata - matri2 1 ce i izvlaka ča, analogno dubokom izvla čenju delova od lima. U postupku izvla čenja razlikuju se faze opkrajanja, savijanja i 3 vučenja. Metoda ima najve ću primenu za izradu raznih proizvoda od termoplasta. Kalandrovanje

Duvanje

ili

ekstruziono

duvanje

(sl. 14.11) koristi se za izradu tankozidnih sudova od plastike (boca, plasti čnih kanti i Slika 14.10 Kalandrovanje: 1- rezervoar, rezervoar, sl.). Najpre se u zagrejani ekstruder (1) si pa granulat tako da se na izlazu formira 2 - radni valjci, 3 - kalem, meko crevo (3). Ono se uvodi u otvoreni 4 - pomoćni valjak dvodelni kalup (2), kalup se potom zatvara i u crevo dovodi zagrejani vazduh pod pritiskom kroz cev čicu 4. Tako se plastika potiskuje uz zidove kalupa poprimaju ći njegov unutrašnji oblik. 4

341


Slika 14.11 Duvanje boca iz ekstrudiranog creva: creva: 1- glava ekstrudera, ekstrudera, 2- otvoren kalup, 3- ekstrudirano crevo, 4- provodnik za dovodjenje vazduha pod pritiskom, 5- zatvoreni kalup, 6- gotova boca

(sl. 14.12a) ostvaruje se pomo ću vakuumske pumpe, tako da se pod dejstvom atmosferskog pritiska, zagrejana folija sama uvla či i naslanja na zidove gravure matrice. Atmosferski pritisak Druk čija je tehnologija nanošenja zaštitnih prevlaka kao i elektroizolaciZagrejana folija je na metalne proizvode. Ovakve preva) lake često su neophodne na uredjajima D Matrica hemijske industrije, galvanotehnike (kade, kuke za vešanje delova), zatim Vakuumska pumpa kod sredstava za skladištenje hemikali ja, kao i u elektrotehni čkoj industriji Izvlaka (izolacione prevlake). Za antikorozione prevlake i elektroizolacionu zaštitu Lim najčešće se upotrebljavaju poliamid, b) polietilen, polivinil hlorid, polimetaMatrica akrilat, polistiren, epoksidne i silikonske smole. Zavisno od oblika plastificiranih Slika 14.12 Termič ko ko oblikovanje plastike (a) analogno sa izvlač enjem enjem lima (b) predmeta i vrste plast-mase koriste se različite metode nanošenja prevlaka: • prilepljivanje gotovih tabaka ili otpresaka od plastike na šti ćenu površinu, što je najpogodniji na čin za zaštitu većih ravnih površina, • nabrizgavanje rastopljene plastike na šti ćenu površinu specijalnim pneumatskim pištoljem - na čin najpogodniji za zaštitu malih i srednjih predmeta relativno prostog oblika, • uranjanje predmeta u pastu (u rastopljenu plastiku) - na čin koji omogu ćuje automatizaciju i kontinualan rad uredjaja, posebno za nanošenje izolacionih prevlaka od polivinilhlorida na elektri čne provodnike, Termi č k čko o oblikovanje

H

č

342


• fluidizaciono prekrivanje zagrejanog predmeta sprašenom plastikom koja se unosi mlazom komprimovanog vazduha, a zatim pe če.

14.1.3 Vrste i primena polimernih materijala

Na osnovu polaznih sirovina i na čina dobijanja, razlikuju se slede će grupe polimernih materijala: prirodnog porekla (celuloze, kazeina, kau čuka), • proizvodi od makromolekula prirodnog • proizvodi polikondenzacije (fenoplasti, aminoplasti, poliestri, poliamidi, epoksi smole, silikoni) i • proizvodi polimerizacije (ugljovodonici, polivinil-hlorid, polivinil-alkoholi, akrilne smole, poliuretani). 14.1.3.a Produkti prirodnih makromolekula a) Celulozni proizvodi Celuloza je prirodna

makromolekularna supstancija koja je po hemijskom sastavu ugljeni hidrat. Najviše je ima u pamuku, drvetu, slami, trski, a po hemijskom sastavu slična je skrobu. Prva faza u preradi celuloze je dobijanje lako rastvorljivih jedinjenja (usitnjavanjem, kuvanjem u alkalijama), od kojih se putem koagulacije proizvodi regenerisana celuloza u obliku folija (celofana) ili viskoznih vlakana (veštačka svila). U glavne celulozne polimere spadaju: vulkan-fiber, celulozni nitrat, celulozni acetat, celulozni acetat butirat, etil-celuloza, metil-celuloza. Vulkan-fiber je jaka pergamentna hartija sli čna koži dobijena presovanjem tankih listova hartije nabubrelih usled potapanja u koncentrisani rastvor cinkhlorida. Ovako presovana hartija otporna je na slabe kiseline, alkalije i benzin, a istovremeno je toplotni i elektri čni izolator. Zato se upotrebljava za izradu raznih zaptivača ("dihtunga") za motore sa unutrašnjim sagorevanjem i opremu motora. Celulozni nitrat se najviše upotrebljava za izradu zaštitnih prevlaka, kao što su lakovi i emajli (još se dodaju rastvara či, pigmenti, razredjiva či, omekšivači, smole). Dobija se reakcijom hemijski o čišćene celuloze sa HNO 3 u prisustvu H 2SO4; ovako dobijeni složeni nitrati zovu se nitroceluloze. Sirova se stabilizuje kuvanjem u vodi čime se odstranjuju primesci. Njenim rastvaranjem u kamforu (plastifikator) dobija se celuloid - najstarija plastika koja se u tehnici primenjuje ve ć 100 godina. Celuloid propušta svetlost, lako se rastvara u mnogim rastvara čima i lako je zapaljiv. Dugo je koriš ćen za izradu fotografskih filmova i filmskih traka, ali danas je gotovo potisnut zbog razvoja nezapaljivih materijala analognih ili boljih osobina. Danas se od celuloida izradjuju plo če, cevi, šipke i sli čni proizvodi kod kojih nema opasnosti od požara. Celuloid pomešan sa pigmentima i plastifikatorima koristi se za lakiranje, jer stvara na radnim površinama savitljiv i žilav tanak premaz (film). Celulozni acetat pomešan sa rastvara čem, plastifikatorom i pigmentima daje produkt nazvan acetat celuloid; to je providna (transparentna) plastika boje ćilibara. Nezapaljiva je i stabilna na toplotu i svetlost, a upotrebljava se za instrument ta-


343

ble, prekida če, volane automobila. Može se preradjivati livenjem ili izvla čenjem u tanka vlakna koja su jaka, savitljiva, savitlji va, otporna na vlagu i lako se boje. U obliku folija služi za izradu sigurnosnih stakala automobilskih vetrobrana (izmedju dva stakla stavlja se providna folija). Celulozni acetat butirat se dobija iz celuloze kad se na nju istovremeno deluje mešavinom anhidrida buterne i sir ćetne kiseline. Sli čnih je karakteristika kao i celulozni acetat, ali ima bolju stabilnost na svetlost i otpornost na vlagu, pa se zato i koristi kao zaštitni materijal za lakiranje i premazivanje elektri čne opreme i kablova montiranih u vlažnoj sredini. Primenjuje se za auto delove kao što su npr. unutrašnje obloge blatobrana (korube). Etil celuloza je bezbojna, nezapaljiva, otporna na alkalije, savitljiva i stabilna na svetlosti. To je viskozna materija koja služi za privremenu zaštitu uskladištenih čeličnih delova od korozije. Zaštitni sloj se lako uklanja sa delova pre njihove ugradnje u odredjene sklopove. Metil-celuloza je dobar emulgator (te čnost koja potpomaže stvaranje emulzije), pa se zato upotrebljava za izradu lepkova, mazivih masti, podnih voskova, sapuna, polir pasta. Ona smanjuje površinski napon vode, te stoga s toga poboljšava kvašenje i razlivanje navedenih materija. b) Proizvodi belanč evina evina

Galalit je produkt dobijen iz kazeina-belan čevine koja se koaguliše iz mleka pod uticajem sirišnog fermenta, mle čne kiseline i drugih kiselina. Kondenzacioni produkt kazeina sa formaldehidom (gas čiji 20% vodeni rastvor daje formalin) je rožnata materija-galalit. Ima dobre mehani čke i dekorativne osobine, ali je osetljiv

na vlagu i teško se oblikuje; zato je potrebno njegovo potapanje u glicerin zagrejan do oko 120ºC. Galalit se upotrebljava za dekorativne obloge, za ru čice i kao izolator za nisko-naponske instalacije. c) Proizvodi prirodnog kauč uka uka

Vulkanizacijom, tj. dejstvom sumpora na prirodni ili vešta čki kaučuk može se dobiti ebonit . Odlikuje se dobrim elektroizolacionim osobinama, otpornoš ću na hemikalije i neosetljivoš ću na delovanje vode. Mana proizvoda od ebonita jeste mala otpornost na savijanje. Od ebonita se pre svega izradjuju kutije i delovi akumulatora, razni delovi elektroopreme kao i sitni delovi školjki automobila. 14.1.3.b Produkti polikondenzacije Fenoplasti i bakeliti imaju

najširu oblast primene od svih plasti čnih masa. Do bijaju se od polaznih sirovina: kristalne mase fenola (karbolne kiseline C 6H5OH) i gasa formaldehida (CHOH). U alkalnoj sredini najpre nastaju smole zvane rezoli, potom pri daljoj polikondenzaciji rezolit i najzad rezit. U kiseloj sredini dobija se novolak .

344


Rezolne smole se upotrebljavaju kao lepkovi, zaptivke i kao sredstva za impregnaciju i lakiranje. Alkoholni rastvor rezola pod nazivom " hermetik " služi za premazivanje kontaktnih metalnih površina. Znatno se više upotrebljava novolak, koji sa rezanim papirom, pamu čnim tkaninama i drugim dodacima obrazuje mešavinu za presovanje. Ona se koristi za instrument table automobila, ramove prozora, profilne nosa če i delove elektroopreme. Od fenol-formaldehidnih smola sa puniocima od drvenih vlakana, uz dodatke vlakana od lana i konoplje, izradjena je godine 1941. prva školjka automobila od plastike (Ford). Često se izradjuju slojevite strukture (laminati) dobijene presovanjem tkanina od pamuka i stakla ili od papira zasi ćenih fenolnom smolom. Od ovakvih laminata prave se zupčanici koji su mnogo manje bu čni u radu od metalnih. Metodom presovanja zasićenih smola u skeletu koji se sastoji od tabaka papira i tkanine izradju ju se klizna ležišta, koja u nekim slu čajevima mogu imati duži vek trajanja nego ležišta od fosforne bronze. U automobilskoj industriji izradjuju se mnogi delovi od bakelita sa azbestom kao puniocem. To su uglavnom obloge ko čionih papuča i spojnice. Aminoplasti su proizvodi dobijeni polikondenzacijom urata, anilina ili melamina (polimera cijanizida N 3CN). Punilac je uglavnom celuloza, pa su zato proizvodi uglavnom svetlo obojeni. Služe za izradu ru čica, elektro-prekida ča, dirki muzičkih instrumenata i sl. Melaminski proizvodi sa puniocem od hartije veoma su otporni na atmosferske uslove i dobri su termo-izolatori, te se koriste za oblaganje dostavnih vozila namenjenih za transport životnih namirnica. Poliestri se dobijaju reakcijom polikondenzacije izmedju višehidroksilnih alkohola (glikola, glicerina) i nekih organskih kiselina (ftalna kiselina). Poliestri ojačani staklenim vlaknima koriste se za delove aviona, rezervoare za gorivo, zaštitne šlemove. Neojačani poliestri upotrebljavaju se za krpljenje školjki automobila, za površinsku zaštitu metala, za zaptivne paste, kao i za lepkove. Mešavina se presuje na hladno i otvrdnjava u otvorenim kalupima, što olakšava izdvajanje vode. Pri korišćenju staklenih vlakana ili tkanina kao punioca, dodaje se i epoksi smola jer dobro prianja kako za poliester tako i za staklena vlakna. Poliamidi su termoplasti sa duga čkim lančastim molekulima formiranih reakci jom izmedju slabih kiselina (sadrže grupu -COOH) i amino grupe (-NH (-NH 2). Vlaknasti i drugi proizvodi poliamida imaju razli čite komercijalne nazive kao npr. najlon, perlon. Ova vlakna imaju veoma veliku ja činu na kidanje (≈ 670 MPa) pa se koriste za sigurnosne pojaseve i tapetarske proizvode. Takodje se poliamidna vlakna upotrebljavaju kao osnova pneumatika za automobile. Neke vrste najlon vlakana (filamenata) koriste se za četke, teniske mreže, ribarske strune, hirurške konce. Otpornost poliamida na benzin dovela je do njihove primene za rezervoare, creva za dovod goriva, filtere za gorivo, plovak karburatora. Metodom brizganja izradjuju se klizna ležišta koja se odlikuju malim koeficijentom trenja, malim haba-


345

njem, dobrim prigušivanjem oscilacija, otpornoš ću na hemikalije i bešumnim radom. Izradjuju se i razne vrste čaura za vodjenje, mali zup čanici i osovinice brzinomera, brisača, kao i delovi elektro-opreme, npr. izolacione trake pobudnog namotaja elektro-startera. Epoksidne smole dobijaju se procesom kondenzacije polaznih sirovina glicerina, acetona i fenola. Produkt ove reakcije može biti čvrsto telo ili gusta te čnost. Stvrdnute smole imaju veliku tvrdo ću, stalne dimenzije, otpornost na atmosferske uticaje, vlažnost, kiseline, alkalije, goriva, maziva kao i dobre mehani čke i elektroosobine. Epoksi smole nalaze primenu u industriji kao smole za livenje, lakovi i lepkovi. Livene epoksi smole oja čane staklenim vlaknima imaju ja činu na kidanje i savijanje 400-500 MPa pa se mogu upotrebiti za delove školjke automobila. Lakovi od epoksi smola pre svega se koriste kao elektro-izolacioni materijal, a lepkovi za spa janje metala, veštačkih materija i porcelana, kao i za lepljenje aluminijumskih hladnjaka. Mešavina epoksi smola sa metalima u prahu ili sa staklenim tkaninama se koristi za popravku ošte ćenih ili ulubljenih delova školjke automobila. Štaviše, ovako se može popraviti i rezervoar za gorivo. Ako je punilac smole sprašeni metal dobija se "hladni lem", koji se može nanositi četkom ili pneumatskim pištoljem. Ovaj lem dobro prianja za metal pa se njime mogu popraviti spoljna ošte ćenja na mnogim delovima, uklju čujući tu i neke livačke greške. Osim toga, epoksi smolama oblažu se radne površine matrica, kalupi za poliesterske laminate, liva čki modeli, alati za izradu poliuretanskih profila, montažni alati, obloge alata za duboko izvla čenje i sl. Silikoni su makromolekularna jedinjenja čiji skelet obrazuju naizmeni čno povezani atomi silicijuma i kiseonika (sl. 14.13). Prstenasti i lan časti molekuli imaju formulu (CH 3·SiO2·CH3 koja je slična formuli organskih ketona npr. acetona CH3·CO·CH3) pa je otuda i poteklo ime silikoni (skra ćeno od siliko-ketoni). Zavisno od molekularne gradje krajnji produkti mogu biti u te čnom ili čvrstom stanju. Silikoni su otporni na temperaturske promene, atmosferske uticaje i hemikalije. Maziva ulja na bazi silikona su vatrostalna, a viskozitet im se neznatno menja sve do temperature klju čanja H (400ºC). Zato se silikonska ulja H H sve više koriste kao radni fluid u H C H H C H H C H hidrauličnim instalacijama koje rade na povišenoj temperaturi. Si Si O O Si O Takodje se silikonske smole dodaju mazivim mastima ili uljima H C H H C H H C H da se spreči penjenje. Silikonske smole se upotrebH H H ljavaju i pri izradi školjki dosta Slika 14.13 Strukturna formula silikonske plastike vnih vozila od poliestera oja ča-

346


nih staklenim vlaknima. Staklena tkanina primenjena kao punilac vezuje se za poliester posredstvom silikona koji dobro prianja kako za staklo tako i za poliester. 14.1.3.c Produkti polimerizacije

Ovde spadaju ugljovodonici (polietilen, polistiren), polivinil-hlorid (PVC), akrilne smole, polivinil alkohol i poliuretan.

H

H

H

C

C

H

H

a)

OH

H

H

H

H

H C

H

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

b)

Slika 14.14 Strukturne formule etil-alkohola (a) i polietilena (b)

Polietilen (sl. 14.14b) dobija se iz produkta raspada sirove nafte ili etilalkohola (sl. 14.14a). Polietilen je jedna od najmekših i najsavitljivijih plastika. Otporna je na hemikalije, na vodu i vlažnu sredinu, ima dobru žilavost i veliku elastičnost, ali malu jačinu na kidanje ( ≈14 MPa). U termoplastičnoj varijanti topi se već pri oko 115 °C, dok je termoreaktivna varijanta (duroplast) stabilna do 175 °C. Postaje krt ako se izloži dejstvu ultraljubi častog sunčevog zračenja. Iz termoplastičnog stanja može pre ći u termoreaktivno pod dejstvom visoko-energetskog zra čenja, ultraljubičastih zraka ili ako dodje do bo čnog grananja lanca npr. povezivanjem sa organskim peroksidima. Ako se laneno ulje razlije u tankom sloju, ono će za nekoliko dana potpuno o čvrsnuti, jer će se nezasićene kiseline koje ono sadrži polimerizovati i oksidisati; nezasićeni molekuli se vezuju stvaraju ći peroksidne lance od kiseonika 1. Polietileni se proizvode u više varijanti i služe za izradu plastičnih boca, cevi, kontejnera, kutija za akumulatore, zaštitnih obloga metalnih cevi, folija za pakovanje, plastificiranje papira, za injekciono livenje igra čaka i za elektro-izolaciju. U auto industriji od polietilena se izradjuju elementi filtera za vazduh, zaštitnici za sunce, rezervoari za ko čionu tečnost i vodu za pranje vetrobrana. Delovi izradjeni brizganjem mogu se zavarivati pomo ću vrućeg vazduha (ili strujom visoke frekvencije). Polistiren je penasti materijal koji se proizvodi bilo kao termoplast ili duro plast. Polazna sirovina je etilen koji može biti u obliku prostog monomera ili stirena - monomera modifikovanog bilo drugim monomerima ili gumom odnosno agensima za stabilizaciju. Termoplasti čna varijanta se upotrebljava za ispune sedišta, jastuka, oblaganje paleta namenjenih za transport proizvoda osetljivih na udar i dr. Komercijalno zaštićeni nazivi ovih proizvoda jesu stiropor i eta-pene. Od termore-

1

Peroksidni lanac se sastoji od dva atoma kiseonika, kao npr. u vodonik peroksidu H-O-O-H, ili natrijumperoksidu Na-O-O-Na. Nezasićeni molekuli ugljovodonika se povezuju prema shemi -CH-CHO-O-CH-CH-.


347

aktivnih varijanti polistirena prave se delovi frižidera, izolacione prevlake kablova, flašice za kozmeti čke preparate, kutije akumulatora. Polivinil hlorid (PVC) je produkt polimerizacije vinil-hlorida dobijenog od polaznih sirovina hlora i etilena ili hloro-vodonika i acetilena. U livenom obliku upotrebljava se kao zaštitna prevlaka, a u ekstrudiranom obliku za izradu tkanina. Termoreaktivni PVC služi za izradu cevi, profilnih cevi, rezervoara, ventilacionih razvodnih mreža. Termo-plasti čne varijante PVC- plastika služe za izradu folija, tkanina, podnih plo čica, elastičnih konopaca i elektro-izolacionih prevlaka. Fluoroplasti su otporni na povišenim temperaturama i hemikalije, imaju dobre elektro-izolacione osobine i mogu se zavarivati strujom visoke frekvencije. Najpoznatija plastika iz ove grupe - politetrafluoroetilen poznat pod nazivom teflon - do bija se polimerizacijom tetrafluoretilena (sl. 14.15a). Teflon se odlikuje dobrim prianjanjem na metale, svojstvima samopodmazivanja i niskim koeficijentom trenja (0.04). Zato se teflon upotrebljava za čaure kliznih ležišta, zaptivke ventila pumpi za kiseline, za antikorozione prevlake (oblaF F F F F ganje transportnih cisterni ...... ...... ...... namenjenih za sumpornu i ...... C C C C C azotnu kiselinu), za izolaCl F F F F ciju kablova izloženih visokim temperaturama. Tea) b) flon je otporan do 260ºC, Slika 14.15 Lanac teflona (a) i fluoro-hlorid fluoro-hlorid plastike (b) topi se na 312ºC, a za više temperature odgovara fluoro-hlorid plastika (sl. 14.15b). Na radne površine metala, teflon se nanosi metodom fluidizacije. Akrilne smole se dobijaju hemijskim procesom polimerizacije akrilne i metakrilne kiseline (CH 2 = CH·COOH). Polimeri estera 1 akrilne kiseline su istegljivi i meki, dok su isti proizvodi metaakrilne kiseline znatno tvrdji. Najviše se primenju je polimetilmeta-akrilat poznat pod nazivom organsko staklo ili pleksiglas. Proizvodi od pleksiglasa su prozirni, otporni na atmosferske uticaje, ve ćinu hemikalija, ugljovodonike i ulja, a uz to imaju dobre mehani čke osobine i mogu se bojiti. Pleksiglas se može seći, bušiti, brusiti i lepiti. Lepak se priprema rastvaranjem male količine ovog polimera u anhidridu sir ćetne kiseline ili u koncentrovanoj sir ćetnoj kiselini. U automobilskoj industriji koriste se livena stakla kao i razli čiti profili izradjeni brizganjem. Ova okna su 2.25 puta lakša od obi čnog stakla, bezbednija su i mogu se lakše oblikovati. Propuštaju infracrvene zrakove, pa se koriste za bo čna okna turističkih autobusa. Od obojenog pleksiglasa prave se zaštitnici od blještave svetlosti. Metodom brizganja prave se čašice za taloženje nečistoća kod pumpi i filtera za 1

Estri su jedinjenja kiselina i alkohola, po načinu stvaranja (dobijanja) bliska solima; to su mnogi organski rastvarači, mirišljave materije, masti.

348


gorivo, lampe za unutrašnje osvetljavanje vozila, kontrolna okna, amblemi firmi, obloge za zadnja svetla i sl. Polivinil-alkohol se proizvodi u obliku praška potpuno rastvorljivog u vodi. Daljom preradom dobijaju se proizvodi koji imitiraju kožu, zatim cev čice i razvodna creva za pogonska goriva i ulja, kao i za zaptivke otporne na ove materije. Polivinil-alkohol izložen dejstvu aldehida i ketona 1 prelazi u hemijska jedinjenja zvana acetati. Neki poliacetati su otporni na benzin i maziva te se koriste za creva, zaptivke i oblaganje rezervoara za gorivo. Poliuretan se dobija adicionom polimerizacijom soli izocijanske kiseline (O = C = N - H) i glikola, i po strukturi je sli čan poliamidima. Zavisno od unetih dodataka dobijaju se proizvodi razli čitih osobina i oblika: vlakana (perlon), raznih profila izradjenih brizganjem. Od poliuretana takodje se prave lepkovi za lepljenje metala sa gumom, sa plastikom ili sa staklom. U školjkama automobila poliuretani se uglavnom koriste kao penasti proizvodi. Oni mogu biti elasti čni, plastični ili elasto-plastični, a otporni su na kiseline, alkalije, mazivo, gorivo, vlagu, a uz to su nezapaljivi. Penasti proizvodi od poliuretana prigušuju udarna optere ćenja petostruko više nego kau čuk. Zato se od poliuretana grade delovi sedišta automobila, nasloni, instrument tabla, obloge za antizvu čnu izolaciju. Od poliuretana se prave zup časti kaiševi koji se odlikuju bešumnim radom, samopodmazivanjem, dobrim mehani čkim osobinama i otpornoš ću na ulja i masti. Poliuretan odlično prianja za metale, pa se upotrebljava za elektro-izolaciju ka blova, za zaštitne prevlake poda školjke od korozije. Poliuretanske prevlake su elastične, otporne na udar i abraziju kao i na temperaturske promene. Druga vrsta poliuretana ubrizgava se u prtljažni prostor dostavnih automobila, čime se znatno povećava otpornost poda i zidova na habanje. Gipke penaste poliuretanske mase takodje se upotrebljavaju kao ispuna za jastuke, dušeke i odela koja se nose u zimnje vreme. 14.1.4 Proizvodi vulkanizacije (gume, elastomeri)

Sve do Drugog svetskog rata guma se proizvodila samo od prirodnog kau č uka uka. Danas se izradjuje više vrsta prirodnog i veštač kog kog kauč uka uka, ne samo da bi se namirile narasle potrebe za gumenim proizvodima, ve ć i da bi se postigle potrebne osobine finalnih proizvoda. Sinteti čke gume su sli čne prirodnoj ali imaju ve ću ot pornost na ulje , hemikalije, toplotu i starenje. Često se sintetičke gume mešaju sa pravom gumom da bi proizvod imao imao dobre osobine oba materijala. 14.1.4.a Kauč uk uk Prirodni kauč uk uk dobija se iz lateksa (mle čnog soka) koji je u stvari polimer izoprena-nezasićenog ugljovodonika C 5H8 (sl. 14.16a). Lateks je koloidna emulzija 1

Ketoni nastaju oksidacijom alkohola i slični su aldehidima; najvažniji predstavnik grupe ketona je aceton CH3·CO·CH3.

349


kaučuka koja se stvara zasecanjem stabla gumenog drveta ( Hevea brasilensis i Ficus elastica) koje raste u tropskoj klimi Brazila, Cejlona, Konga, Indonezije, Liberije. Dugogodišnjom selekcijom i kalemljenjem razvijene su razne vrste plantažnog kaučukovog drveta koje dugove čno mogu izlu čivati lateks. Na sobnoj temperaturi lateks je veoma elasti čan (izdužuje se do 80%), kad se ohladi ispod 0 °C postaje krt, a iznad 50 °C gubi elastičnost prelazeći u čisto plastično stanje. H H

C

H

H C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

a)

b)

H

H

H C

H H C

H H

C

C

C H

c)

Slika 14.16 Monomeri Monomeri za dobijanje kauč uka:a) uka:a) izopren,b) butadien, c) derivat butadiena

Sinteti č k uk dobija čki i kauč uk

se polimerizacijom sinteti čkog izoprena ili njegovog nižeg homologa butadiena kao i derivata butadiena (sl.14.16). 14.1.4.b Gume (Elastomeri)

Prirodni ili veštački kaučuk preradjuje se u gume procesom vulkanizacije koja može biti vru ća ili hladna. Suština vulkanizacije je uvodjenje sumpora koji bo čno povezuje (umrežava) lančaste molekule (sl. 14.17 i sl.14.5c). Sadržaj kaučuka u gumi iznosi 5-95%, a ostalo su: sumpor (za meku gumu 4%, za tvrdu 10-20% i 35-50% za veoma tvrdu), plastifikatori (ulje, fenol-olakšavaju preradu), vazelin i parafin (daju dugotrajno meku gumu), zatim aktivni i pasivni punioci (čadj, kaolin, cink oksid) koji direktno popravljaju mehani čke osobine odnosno posredno kreda i litopon 1, antioksidanti (fenoli), ubrzivač i vulkanizacije (stearinska kiselina), sredstva za bojenje (pigmenti) i ponekad mirisna sredstva. Dodaju se još i katalizatori, delom anorganski (olovo i cink oksid), a delom organski (ugljen-disulfid). U proizvodnji gume toplim postupkom razlikuju se slede će osnovne faze: • uplastičenje kaučuka (valjanje tj. gnje čenje na povišenoj temperaturi), • priprema sirove mešavine (valjanom kau čuku se dodaju potrebni sastojci i katalizatori PbO, ZnO, MgO, CS 2), blis ku proizvodu) i • konfekcioniranje (oblikovanje sirove mešavine na formu blisku • vulkanizacija - višesatno zagrevanje proizvoda u čeličnim matricama, pri 110-165°C i uvodjenje sumpora.

1

Litopon je bela mineralna boja koja se sastoji od 70% barijum sulfata i 30% cink sulfida.

350


Najvažnija faza je sama vulkanizacija u toku koje atomi sumpora bočno povezuju lance polimera H C H H H C H kako je prikazano na slici 14.17. H H H H C H Svako bočno povezivanje tj. umreC C C C C C C C žavanje dovodi do porasta tvrdo će gume, što znači da se pove ćanjem H H sadržaja sumpora dobija tvrdja i S S manje elastična guma, koja uz to brže podleže starenju, tj. gubitku H H elastičnosti usled oksidacije sumC C C C C C C C pora. Sadržaj sumpora u mekim vrsH H H H H H tama gume iznosi 1-4%, a u klaH H C H C H sama tvrdih guma 10-20% S. GuH me sa 35-50% S su veoma tvrde i H krute jer su lanci polimera skoro Slika 14.17 Bo Boč no no povezivanje lanč astih astih molekula potpuno bočno povezani. U toku vulkanizacije se nekim gumenim proizvodima kao što su pneumatici, gumirano platno, creva sa tekstilnim ulošcima dodaju žice ili tekstilna oja čavajuća vlakna. Pri vulkanizaciji, termo plastičan kaučuk (vidi sl.14.5a) preobražava se u gumu koja je u stvari duroplast. To znači da se od starih (otpadnih) guma, više ne može proizvesti takva ili sli čna guma. Istina, u industrijski razvijenim zemljama, otpadne gume se melju na niskoj temperaturi i tretiraju hemikalijama i toplotom. Pre toga se odstranjuju svi metalni i vlaknasti materijali. Najzad se od tako preradjene gume izradjuju plo če, slabovi (gredice preseka kvadratnog ili bliskog kvadratnom), ili granulat koji se meša sa asfaltom i služi kao pokrivni sloj na autoputevima. H

H

Osobine gume

U najvažnije osobine gume spadaju tvrdo ća, jačina na kidanje, elasti čnost, puzanje i otpornost na habanje, abraziju, čupanje i dr. Tvrdoć a gume odredjuje se pomo ću Šorovog (Shore) durometra, koji ima skalu kalibrisanu od 0 do 100 jedinica (stepeni po Šoru, º Sh). Meri se u stvari dubina utiskivanja u površinske slojeve, s tim što ve ći broj označava i veću tvrdoću. Uglavnom je tvrdoća gume u granicama 45-80 º Sh. Sa padom temperature tvrdo ća gume raste, a na dovoljno niskoj temperaturi, guma postaje krta, veoma tvrda i lomljiva (za gumu od prirodnog kau čuka temperatura krtosti iznosi -60ºC). Jač ina ina na kidanje gume varira od 7 do 28 MPa, pri čemu nema direktne zavisnosti od tvrdo će. Krive dobijene pri ispitivanju zatezanjem, kako u fazi optere ćenja, tako i u fazi rastere ćenja prikazane su na slici 14.18. Iz nagiba krive optere ćenja može se odrediti modul elasti čnosti, koji za meke gume iznosi oko 1.5 MPa i


351

preko 700 MPa za tvrde gume. Hukov zakon važi samo za deformacije do 20% pri zatezanju i 20-25% pri pritiskivanju. Ja čina gume opada sa porastom temperature. Elasti č n čnost ost gume, tj. sposobnost povratka prvobitnog oblika je važna osobina nekih proizvoda od gume (npr. elasti čnih oslonaca od tvrde gume). Gume se deformišu bez promene zapremine, sli čno kao nestišljivi fluidi (te čnosti). Pri proračunu gumenih elemenata, izloženih udarnom optere ćenju polazi se, ne od ja čine, već od napona koji izaziva deformaciju 20-25%. Za gumene delove izložene oscilatornom opterećenju, kriterijum za dimenzionisanje jeste da se guma ne zagreva iznad odredjene temperature. Razlika u osobinama elasti čnosti pri opterećenju i rastere ćenju pokazuje spob e j n sobnost materijala da apsorbuje unutraš e e r nju energiju (odnos izlazne energije e t p prema ulaznoj, %). Pošto u materijalu o o Optere enje ć n deluje unutrašnje trenje, to deo elasti čne z e t a energije prelazi u toplotu pa je izlazna Z Rasterećenje energija uvek manja od ulazne. Razlika izmedju ulazne i izlazne energije kod gume prikazana je petljom histerezisa na a c Izduženje slici 14.18. Zatvorena površina (abc) Slika 14.18 Petlja histerezisa tvrde gume gume predstavlja apsorbovanu energiju ili histerezis sistema. Dokazano je da guma ima oko tri puta ve ću sposobnost da apsorbuje elastičnu energiju nego čelik. Puzanje se javlja i pri sobnoj temperaturi kad se gumeni delovi duže vreme izlože opterećenju. Posle rasterećenja, ostaje trajno izduženje ili skra ćenje, analogno puzanju metala na povišenim temperaturama. Na veli činu zaostale deformacije utiču pri istom optere ćenju: temperatura, vibracije, brzina deformisanja, kao i tip i amplituda optere ćenja. To je jedan od razloga što posle dugog rada zaptivke i elastični oslonci (npr. motora, menja ča) znatno gube sposobnost zaptivanja, odnosno amortizovanja radnih i udarnih optere ćenja, a elastični oslonci pove ćavaju sklonost ka rezonanci1. Otpornost gume na habanje, abraziju i č upanje upanje (otkidanje č estica) estica) bitna je za mnoge primene. Korisne osobine gume pogoršavaju se vremenom, re č ju one stare usled oksidacije ili izlaganja sun čevoj svetlosti, ozonu ili toploti. Obi čne gume nisu otporne na ulje, najpre bubre ispod površine, a potom nastaje čupanje, tj. odvajanje čestica. ć

1

Opterećenja preneta na elastične oslonce (npr. motora) smanjuju se kad je odnos frekvencija prinudnih i sopstvenih oscilacija jednak približno 2 . Kad se taj odnos svede na 0.8-1.25, dolazi do podrhtavanja oscilatornog sistema, a kad se frekvencije izjednače nastaje rezonanca što za posledicu često ima razaranje oslonaca.

352


Vrste guma

Zavisno od polazne sirovine razlikuju se prirodna i veštač ka ka guma. Prirodna guma, kao što je ve ć rečeno, dobija se polimerizacijom izoprena koji otvrdnjava uvodjenjem sumpora, tj. vulkanizacijom uvedenom 1839. godine (Gudi jer-Goodyear ). ). Prirodna guma ima odli čnu savitljivost i dobre fizi čke osobine koje se bitnije ne menjaju usled toplote oslobodjene zbog unutrašnjeg trenja, npr. pri kotrljanju pneumatika po kolovozu. Gustina prirodne gume je 0.9 kg/dm3, a jačina na kidanje 25 MPa. Kad se pri vulkanizaciji doda čadj, jačina dostiže 32 MPa, dok je izduženje za čistu gumu 700%, odnosno oko 600% za gumu oja čanu uvodjenjem čadji. Prirodna guma lako vaspostavlja po četni oblik i dimenzije, dobro je otporna na čupanje i odli čno na abraziju. Otpornost na starenje usled dejstva sun čeve svetlosti, toplote ili oksidacije i otpornost na skladišno starenje, kre će se od dobre do rdjave, zavisno od aditiva. Prirodna guma je slabo otporna na delovanje nafte i ozona, ali ima odli čnu otpornost na kiseline. Stoga se najviše upotrebljava za vodovodne cevi, pogonske mašinske kaiševe, pneumatike, čizme, gumene jabu čice, ručice poluga. Veštač ke ke gume se prave od sinteti čkog kaučuka koji se dobija polikondezaci jom butadijena na razli čite načine. Po metodi Hofmana proces se odvija dejstvom toplote (95°C) i pritiska u toku 10-14 dana. Nema čka metoda se zasniva na reakciji elementarnog natrijuma i butadijena koja daje produkt pod imenom buna (butadien-natrijum). Danas je razvijeno više vrsta vešta čkih guma, od kojih će dalje biti navedene samo najvažnije. Stiren-butadien gume se dobijaju od 78% butadiena (sl.14.16b) i 22% stirena (sl. 14.19b). Polimerizacija se može izvesti na hladno (5 °C) i na toplo (52 °C). Hladno polimerizovana vešta čka guma pokazala se boljom za automobilske pneumatike od prirodne. Pre svega zato što se pri visokom optere ćenju zagreva manje od prirodne gume. U oja čanom stanju stiren-butadien guma dostiže ja činu na kidanje od 25 MPa, imajući pri tome modul elasti čnosti od 14 MPa i procentualno izduženje od 600%. Pored pneumatika od ove gume se još prave gumena creva, konvejerske trake, štikle cipela, podne izolacije, nose će trake za palete. Slabo je otporna na povišenim temperaturama, naftu i ulje, a odli čno elektrootporna. Butil guma je kopolimer izobutilena (sl.14.19a) i butadiena ili izoprena (sl. 14.16). Ova guma (sl. 14.20) ima zbijenu strukturu koja je nepropustljiva za vazduh pod pritiskom. Zato se upotrebljava za unutrašnje gume vozila, za unutrašnje oblaganje tjubles pneumatika kao i za paste namenjene za krpljenje guma. Butil guma je dobro otporna na čupanje i abraziju kao i na starenje. Slabo je otporna na naftne derivate, nije otporna na plamen, ali ima odli čnu otpornost na kiseline i rastvarače kao i na porast krtosti i tvrdo će na niskim temperaturama. Poseduje odli čne elektro-izolacione osobine pa se upotrebljava kao izolacioni materijal za elektroopremu.

353


H

C

C

H H

H

C

C

H

H

H

C

C

H

H

C

C

H

C

C

H

C

H

H

H

H

H

C

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

C

H H

C H

a)

b)

c)

Slika 14.19 Izobutilen (a), stiren (b) i polimer bune (c) H H

H

C

H

H

H

H

..... C

C

C

H H

H

C

H

C

C

H H H

H

C

C

C .....

H H

C

H

C

H

H

H

H

Slika 14.20 Polimer butil gume

polimerizuje se od etilena i izopropilena (sl. 14.21a,b). Ovi monomeri daju gumu svetlog izgleda koja ima dobre elektro-izolacione osobine i odličnu otpornost na starenje i sun čevu svetlost. Pri odnosu etilena i propilena 35:65% i prisustvu katalizatora koji umanjuje polimerizaciju etilena dobija se gumasta supstanca koja se upotrebljava za izradu pneumatika. Koristi se još za cevi, obuću, trapezaste kaiševe i za prevlaku elektri čnih kablova. Etilen-propilen guma

H

H

C

C

H

H

H

H

C

C H

H

H

Cl

H

H

C

C

C

C

C

C

H

CN

H

H

a)

H

C H

(b)

H

(c)

H

(d)

Slika 14.21 Monomeri za veštač ke ke gume: a) etilen, b) izopren, c) akrilonitril, d) hloropren

354


Nitril gume su kopolimeri akrilonitrila (sl. 14.21c) i butadiena (sl. 14.16b). Ako se udeo grupe CN pove ća raste otpornost gume na ulje, ali se usled porasta N smanjuje savitljivost, elastičnost i histerezis. Grupa CN može oja čati dodavanjem čadji. Ova je guma veoma otporna na maziva, rastvara če, ulja, povišene temperature, pa se koristi kao zaptivni z aptivni materijal materij al na toplo. U tom smislu upotrebljava se za lepljenje, impregniranje i plastificiranje proizvoda od hartije i kartona. Sem toga nitril gumom oblažu se cevi za transport nafte, oblažu se takodje rezervoari za gorivo, izradjuju zaptivni prstenovi (O-ring), djonovi cipela (O- ring je kriv za pad šatla Challenger, 26.01.1986.godine). Neopren guma je polimer hloroprena (sl. 14.21d) i hlorobutadiena. Po strukturi i mehaničkim osobinama veoma je sli čna prirodnoj gumi. Neopren guma je otporna na naftne derivate, sun čevu svetlost, ozon i abraziju, ne potpomaže sagorevanje. Koristi se za zaptivke, zaštitne rukavice, zaštitna odela, za izradu cevi i cevnih obloga, konvejerskih traka i kao lepak i elektri čni izolator. Dodatkom čadji povećava se neoprenskim gumama otpornost na čupanje i abraziju. Glavna im je mana visoka temperatura o čvršćivanja. Polisulfidne gume su polikondenzati koji se odlikuju nepropustljivoš ću za gasove i otpornoš ću na rastvaranje. Zato se koriste kao lepak za metale. U čistom stanju ima ja činu 2 MPa, E = 3 MPa i izduženje 300%. Kad se oja ča grafitom postiže R m = 10 MPa, E = 10 MPa i izduženje 500%. Pored toga, kao punioci se mogu dodati cink-sulfid, cink-oksid ili titan-dioksid. Ovako oja čana guma ima odli čnu ot pornost na sun čevu svetlost, na oksidaciju, na naftne derivate i na bubrenje u toploj vodi, dobru otpornost na kiseline ali rdjavu na plamen i niske temperature. Upotre bljava se za izradu zaptivnih podmeta ča, obloga rezervoara za gorivo i kiseline, za creva za benzin i za zaštitu kablova. Poliuretanske gume kao elastomeri mogu se primeniti za izradu tvrdih guma pneumatika i kao lepkovi. Isto tako i za: djonove cipela, uljne zaptivke, dijafragme, zupčanike, antivibracione podmeta če, čepove. Poseduju visoku otpornost na abraziju, čupanje i habanje, visoko izduženje i ja činu do 56 MPa. Uglavnom se prerad juju livenjem. Poliuretanski pneumaH H tici odgovaraju samo za spora vozila kao što su traktori, jer se pri ve ćim H C H H C H brzinama pregrevaju zbog velike količine oslobodjene toplote na kontaktu izmedju točka i tla. ..... Si Si O O ..... Silikonske gume imaju dugačak + H2O lanac dimetil-silicijuma (sl. 14.22) u H C H H C kome je kiseonik zamenjen silicijuH mom, a dve metil grupe medjusobno H H povezane preko tih atoma silicijuma. Silikonske gume veoma su stabilne Slika 14.22 Lanč asti asti molekul dimetil-silicijuma na dejstvo sun čeve svetlosti, na toplo


355

ulje, dobri su elektri čni izolatori i zadržavaju fleksibilnost od -70 do 260 °C, ali po jačini i otpornosti na habanje znatno zaostaju za drugim gumama. Ako se bo čno vezani atomi H zamene sa metil grupom CH 3 dobija se polidimetil siloksam. Unakrsnim umrežavanjem ovog polimera na sobnoj temperaturi uz dodatak peroksida odstranjuju se atomi vodonika iz metil grupe te atomi C povezuju u lance. Od silikonske gume prave se zaptiva či, termo i elektro izolatori, kablovi za sve ćice benzinskih motora. 14.2 Kompozitni materijali Pod nazivom kompoziti podrazumevaju se materijali izradjeni od dve komponente ili više komponenata koje se dosta razlikuju kako po hemijskom sasatavu tako i po drugim osobinama. Razvoj ovih materijala proizišao je iz potrebe da se kod mnogih konstrukcija postigne što ve ća ja čina i krutost, a uz to smanji težina. Prednost kompozita u odnosu na klasi čne konstrukcione materijale (metale) jeste u tome što se delovi od kompozita mogu projektovati tako da veli čina pojedinih preseka ili njihova ja čina odgovara optere ćenju u tim presecima. Pri izradi kompozita dragocena su saznanja o gradji prirodnih složenih materijala (npr. drveta). U suštini kompoziti se sastoje iz osnove (matrice) i materijala za ojač avanje avanje (ojač ava avač a) a). Matrica koja povezuje oja čavač (vlaknasti ili zrnasti) u zajedni čku strukturu obično je od termoreaktivnih smola (epoksidne, poliestarske, fenolne), a ojačavajuća vlakna mogu biti: staklena, ugljeni čna, aramidna1, od bora i nekih drugih materijala; to su i drvo, lika 2, kamen i druge materije, ako je ojač ava avač zrnastog oblika. Kad se sva vlakna ili zrnasti punioci orijentisani u jednom pravcu, onda se dobijaju anizotropni kompoziti. Njihove osobine zavise od pravca. Suprotno tome, loptaste čestice slučajno rasporedjene u smoli matrice daju izotropne kompozite. U praksi se najviše primenjuju kompoziti sa ortotropnim osobinama; što zna či da su te osobine funkcije tri medjusobno upravna pravca (ortogonalna pravca). 14.2.1 Vrste kompozitnih materijala 14.2.1.a Kompoziti sa zrnastim puniocima (ojač iva ivač ima) ima)

Matrica ovih kompozita obi čno je polimerna materija, mada može biti i keramička ili metala. U tu matricu, koja ima i funkciju vezivnog sredstva, ubacuju se čestice punioca (oja čavača), čije se osobine veoma razlikuju od osobina osnove. Vezivna sredstva (matrice) uglavnom su termoreaktivne smole: epoksidna, poliesterska, fenolna. Pored čestica loptastog oblika velike tvrdo će (Al2O3, SiO2, samlevenog kre čnog kamena (CaCO 3), staklenih kuglica, koriste se i ljuspasti oblici punilaca (kao1

Aramidi su aromatična poliamidna vlakna; aromatična jedinjenja dobijaju se iz benzenovog prstena, a prvi takvi proizvodi imali su prijatan miris - aromu, pa im odatle i ime. 2 Lika-vlakna sa unutrašnje strane kore drveta.

356


lin, staklena vuna, samleveni liskun)). Loptasti punioci daju izotropne kompozite, a ljuspasti anizotropne. Fenolna smola se koristi kao vezivno sredstvo za abrazivne čestice brusnih plo ča i za zrnca peska pri livenju u školjkastim kalupima. Značajni su i punioci koji omogu ćavaju izradu savitljivih (fleksibilnih) kompozita. To su uglavnom čestice kaučuka u obliku kuglica. Upotrebljavaju se za povećanje žilavosti krtih amorfnih plastika kao što su epoksidi i standardni polistiren. Mnogo veću primenu imaju kompoziti sa vlaknastim oja čivačima, te će o njima dalje biti reči. 14.2.1.b Kompoziti sa vlaknastim ojač ava avač ima ima

Uloga ovih vlakana je da se pove ća jačina i krutost (modul elasti čnosti E) plastične matrice od epoksidne ili poliesterske smole. Ocena kvaliteta koriš ćenih vlakana (staklenih, ugljeni čnih, aramidnih (Kevlar) i bornih) donosi se na osnovu odnosa modula elastičnosti i gustine (E/ ρ) kao i odnosa ja čine na kidanje i gustine (R m/ρ). Kompoziti sa navedenim vlaknima kao puniocima upotrebljavaju se za izradu nekih delova automobila, dostavnih vozila, aviona, šinskih vozila, autobusa, cisterni i hemijske opreme. Re č je pretežno o transportnim sredstvima kod kojih je osnovni cilj da im se smanji težina i time pove ća nosivost, odnosno smanji potrošnja goriva. Ugljenič na na vlakna se uglavnom izradjuju iz poliakrilonitrila (PAN), ili katrana dobijenog rafinacijom nafte ili suvom destilacijom uglja. Tehnološki postupak izrade ugljeničnih vlakana veoma je skup (33 do 65 $/ kg ) i složen, te se ovde o tome neće govoriti. Tim pre što je primena kompozita sa ugljeni čnim vlaknima ograničena samo na avijaciju i kosmi čke programe. Staklena vlakna služe za oja čavanje plastičnih smolastih matrica kompozita. Odlikuju se dobrim odnosom R m/ρ, stabilnošću na vremenske promene, vlagu i koroziju. Za razliku od ugljeni čnih vlakana, staklena se lako i ekonomi čno proizvode. Danas se staklena vlakna izradjuju od dve vrste stakla: stakla E-tipa (elektri čno) i S- tipa (visoke ja čine). Staklo tipa E, čiji je sastav 52-56% SiO2, 12-16% Al2O3, 16-25% CaO i 8-13% B 2O3, najviše se primenjuje za izradu kompozita. U svežem stanju ova vlakna imaju ja činu R m max = 3-4 GPa i modul elastičnosti E = 70 GPa, (uporedi sa čeličnim vlaknom koje ima R m = 2.56 GPa, E = 210 GPa!). Staklo S je sastava 65% SiO2, 25% Al2O3 i 10% MgO i osobina R m = 4.5 GPa, E = 80 GPa. Treba istaći da je reč o staklenim vlaknima veoma malog pre čnika reda veli čine oko 1 mm, jer manjem pre čniku odgovara ve ća jačina; tako je npr. za φ12.5 mm → R m = 56 MPa, a za φ1.25 mm → R m = 21000 MPa. Aramidna vlakna za ojačavanje je uvela firma Du Point 1972. godine, pod trgovačkim nazivom Kevlar. Proizvodi se ekstruzijom vodenog rastvora polimera kroz mašine za predenje. Dobijena vlakna imaju odli čna svojstva na zatezanje, ali rdjava na pritisak. Ubacivanjem nekih drugih vlakana sa dobrom otpornoš ću na pritisak ova se mana otklanja. Kompozit oja čan sa dve vrste vlakana zove se hibridan.


357

Vlakna od bora imaju dobru ja činu na kidanje (R mB = 2.4 GPa), skoro kao čeliB čna, ali više od dva puta ve ću krutost jer je E = 450 GPa. Kada se vlakna bora utisnu u smolastu matricu, dobija se kompozit čija krutost (EI x) prevazilazi sve posto jeće kompozite. Vlakna bora proizvode se uvodjenjem hemijski čistih para bora u

filament od volframa. Posle hladjenja, vlakna bora ispadaju iz filamenta (labavo upredenih niti volframa). U tom smislu i kod nas je usvojen termin " filament ", ", da bi se izbegla preopširnost pri opisnom prevodjenju. 14.2.1.c Struktura kompozita sa vlaknastim ojač iva ivač ima ima

Ako su poznate osobine komponenata kompozita, mogu se uz odredjene pret postavke proračunati mehaničke osobine finalnog proizvoda. Konstruktor, u stvari propisuje tehnološke uslove proizvodnje biraju ći odgovarajući tip vlakana, na čin njihovog slaganja u vrste, broj vrsta kao i uzajamnu orijentaciju vlakana, da bi se dobile tražene mehani čke osobine. Vlakna od istih ili razli čitih materijala za oja čanje obično se razmeštaju prema slici 14.23.

Slika 14.23 Raspored vlakana za ojač avanje: avanje: a) jednoslojno slaganje, b) slaganje u slojevima (laminat), (laminat), c) slaganje prepletanjem, d) selektivni razmeštaj

358


Jednoslojno rasporedjena vlakna (sl. 14.23a) koriste se samo za proizvode kod kojih se pravac delovanja spoljnih sila poklapa sa orijentacijom vlakana (npr. ojačani štapovi). Ve ćinom se kompoziti izradjuju u višeslojnom obliku, tj. u obliku laminata (sl. 14.23b, c, d), ili sendvi č konstrukcija (sl. 14.24). Vlakna se povezuju medjusobno kao i izmedju slojeva pomo ću termoreaktivnih smola čijim se očvršćivanjem dobija matrica, odnosno osnova odgovaraju ćeg duroplasta. Pojedini slojevi mogu biti kom binacije dva ili više materijala (hibridni kompoziti). Struktura u obliku sendviča ima jezgro male težine izradjeno u obliku p čelinjeg saća (sl. 14.24). Limovi se naj češće izradjuju od aluminijuma, a sa će od staklenih vlakana, aramidnh vlakana i papira, povezanih epoksi smolom. Kad se ćelije ispune staklenom vunom ili penastim poliuretanom dobijaju se obloge za termičku i antizvučnu izolaciju. Slika 14.24 Sendvič struktura kompozita Jezgro je smešteno izmedju limova od tankog materijala velike ja čine. Ovako kombinovana struktura ima oko 4% ve ću jačinu i krutost nego čelični I profil i oko 2.5 puta ve ću jačinu od čelika punog pravougaonog popre čnog preseka. Tanki limovi koji oblažu sa ćastu konstrukciju mogu biti od razli čitih materijala, pa i od bora. Jezgro mora biti lako i dovoljno kruto da spre či deformacije usled delovanja spoljnih sila ili momenata.

14.2.2 Fabrikacija kompozita

Proizvodnja delova od kompozita može se izvesti: presovanjem, injekcionim livenjem, vuč enjem enjem-ekstruzijom i namotavanjem filamenata. Postupak presovanja uglavnom se odnosi na plo časte oblike, a injekciono livenje na nose će delove konstrukcije ili sendvi č konstrukcije. Vučenje-ekstruzija se koristi za izradu proizvoda konstantnog popre čnog preseka. Namotavanje filamenata primenjuje se pri izradi okruglih delova, kao npr. cevi. Proces presovanja zahteva prethodnu impregnaciju (uvodjenje veziva) oja čivača koji se potom pakuje u kalupnu šupljinu, tj. repliku (odraz) finalnog produkta. Ovako spakovani slojevi smolom impregniranih oja čavača podvrgavaju se dejstvu pritiska i toplote. Uložak u kalupu, posle oblikovanja može poprimiti ravan oblik (sl. 14.25a), ukršten oblik (sl. 14.25c), ili neku drugu formu (sl.14.25b).

359


Slika 14.25 Oblici uložaka posle kalupovanja: a) ravan, b) oluč ast, ast, c) ukršten

U toku presovanja na povišenoj temperaturi nastaje i polimerizacija termoreaktivne smole. Na ovaj na čin stvara se matrica duroplasta koja povezuje vlakna. Kompozit se može i ru čno oblikovati u kalupu. Najpre se na zidove kalupa nanosi polučvrsti premaz, poliestera, a zatim ubacuje oja čavač u obliku tkanine od staklenih vlakana. Matri čna smola izmešana sa katalizatorom uvodi se u kalup bilo livenjem ili premazivanjem četkom. Kad su potrebni deblji zidovi, dodaju se staklene tkanine sa labavom osnovom i potkom. Ovim postupkom prave se trupovi čamaca, rezervoari za gorivo, zaštitne obloge motora i gradjevinske plo če. Injekciono livenje livenj e smole izvodi se u dvodelnom kalupu pošto se u njega prethodno unese odgovaraju ći materijal za oja čavanje i zatim spoje gornji i donji deo kalupa (sl. 14.26). Šupljina u livenom komadu dobija se pomo ću grafitnog jezgra koje se posle o čvršćivanja kompozita, lako razbija i istresa iz finalnog proizvoda. Pritisak Profilna cev

Pokretni deo kalupa Vazduh

Ubrizgavanje smole

Grafitno jezgro Pritisak

a)

b)

Slika 14.26 Injekciono livenje profilne cevi (a) i finalni proizvod (b)

Vuč enje-ekstruzija enje-ekstruzija (sl. 14.27) je postupak koji se sastoji iz provla čenja paralel-

nih vlakana kroz kupatilo smole, pa njihovog prolaska kroz komoru za zagrevanje i zatim ekstruzije (istiskivanja) kroz odgovaraju će profile. Ekstrudirani profili seku se na odredjenu dužinu. Na ovaj se na čin proizvode šipke, oluci, cevi i profilne cevi.

360


Slika 14.27 Postupak vuč enja-ekstruzije enja-ekstruzije kompozita

Namotavanje filamenata (sl. 14.28) sastoji se iz faze provla čenja tankih niti ojačavača kroz kupatilo smole, faze izlaska

Slika 14.28 Izrada cevi od kompozita kompozita

niti, njihovog upredanja i na kraju faze namotavanja. Sve ove faze odvijaju se kontinualno, tj. neprekidno dovodjenjem niti, sve dok se ne nanese dovoljno slojeva. Posle očvršćivanja vezivne smole, bilo na sobnoj ili povišenoj temperaturi (zavisno od vrste smole), gotov komad skida se sa vretena. Ovako se prave šuplji cilindri, posude za hemijske procese, sudovi pod pritiskom, obloge raketnih motora i tsl.

DEFINICIJE I DOPUNE: Polimeri: veštačke materije amorfne strukture koje se jednom re č ju nazivaju plastike. Kao finalni proizvod plastika je u čvrstom stanju, ali je u nekoj fazi oblikovanja tečenjem bila u testastom stanju. Oblikovanje te čenjem: tehnika kojom se plastika od po četnog pločastog, šipkas-

tog ili cevastog oblika preobražava u traženi oblik. Očvršćavanje ili otvrdnjavanje: promena stanja plastika usled delovanja toplote, zračenja ili hemijskih reakcija. Granule: zrnasti materijal dobijen ekstruzijom sirovina za izradu plasti čnih masa i njihovim seckanjem.


361

Smola: čvrsta ili polute čna organska polimerna materija neodredjene molekulske mase; može da te če i ima širok temperaturski interval o čvršćivanja. Reč je uglavnom o fenolnim, epoksidnim i poliesterskim smolama. Folija: šira plastična ili metalna traka tanja od 0.25 mm. Laminat: proizvod dobijen spajanjem dva sloja ili više slojeva jednog ili više materijala. Ojačana plastika: plastika čija je jačina znatno pove ćana ubacivanjem punioca. Termoplasti: plastike koje se oblikuju na toplo, a na sobnoj temperaturi zadržava ju svoj oblik; mogu se naknadno zagrevati i ponovno oblikovati (polietileni, vinili, akrilati, celulozne plastike, najloni). Duroplasti: plastike koje se zagrevanjem ili dejstvom katalizatora umrežavaju i otvrdnjavaju popre čnim spajanjem lan častih molekula. Oni se ne mogu ponovo rastopiti i preoblikovati jer se pri naknadnom zagrevanju nepovratno razlažu (fenoli, nezasićeni poliestri, epoksidi). Monomer: prosto molekulsko jedinjenje koje se može kovalentno povezivati i formirati lan časte molekule (npr. etilen). Mer: jedinica koja se ponavlja u lan častom polimernom molekulu. Lančasti polimer: jedinjenje velike molekulske mase sastavljeno od velikog broja malih jedinica koje se ponavljaju; ta se jedinica zove mer, a uglavnom je čine ugljenik i vodonik. Polimerizacija: hemijska reakcija pri kojoj se obrazuju makromolekuli od više istih ili sličnih monomera; zbog toga se zove i adiciona polimerizacija čiji su produkti npr. vinil-hlorid, polistiren. Kopolimerizacija: proces povezivanja dva ili više razli čitih monomera. Polikondenzacija: proces povezivanja istih ili razli čitih molekula pra ćen oslobad janjem kondenzata (vode). Dodaci plastikama: pored polimernih molekula, plastike sadrže još i stabilizatore, punioce, plastifikatore, katalizatore, pigmente. Industrijski metodi polimerizacije: osnovna hemijska jedinjenja za polimerizaci ju (zemni gas, nafta, ugalj) tretiraju se razli čitim postupcima i prevode u granule, ljuspice, prah ili te čnost, koje se dalje preradjuju u finalne proizvode. Temperatura prelaska u staklasto stanje: srednja vrednost temperaturskog intervala u kome pri hladjenju zagrejani termoplasti prelaze od gumastog u staklasto stanje. Plastifikatori: suspenzije dodate pri izradi plastika radi pove ćanja tečljivosti i smanjenja krtosti. Punilac: inertna i jevtina supstancija koja se dodaje polimerima da bi se smanjila cena krajnjeg proizvoda; pritom se može pove ćati jačina, otpornost na udar i haba-

362


nje. Kao punioci uglavnom se upotrebljavaju: metalni prah, čadj, lika, kameno i drveno brašno, tkanine. Obično presovanje: postupak oblikovanja duroplasta u kome se polazna smeša najpre ubaci u kalup, zatim se kalup zatvara i najzad smeša izlaže zagrevanju i pritisku sve dok ne o čvrsne. Posredno presovanje: postupak oblikovanja duroplasta u kome se polazna smeša najpre omekšava zagrevanjem u komori za punjenje, a zatim se potiskuje pod velikim pritiskom u kalupnu šupljinu radi završnog o čvršćivanja. Presovanje plo ča: postupak oblikovanja višeslojnih plo ča (laminata) u preserskom alatu; pritom se može ostvariti razli čit raspored masa prema konstrikcionim zahtevima. Brizganje: proces oblikovanja pri kome se zagrevanjem omekšana plastika potiskuje u hladnu kalupnu šupljinu koja odgovara finalnom proizvodu. Ekstruzija: potiskivanje omekšanog plasti čnog materijala kroz profilisani otvor iz kojeg izlazi kontinualni profil koji se se če na standardizovane dužine. Duvanje: metod oblikovanja u kome se zagrejano plasti čno crevo potiskuje uz zidove kalupa dejstvom komprimovanog vazduha; ovako se masovno proizvode plastične flaše. Sinterovanje: presovanje na hladno zrnaste poliamidne plastike i zatim zagrevanje otpreska u ulju (220-250ºC/2 h). Kalander (frc.): mašina sa glatkim valjcima za gla čanje hartije i tkanina. Kalandrovanje: izrada plastičnih folija od granula koje se zagrevaju u rezervoaru i prelaze u stanje plasti čnosti; u tom stanju obavlja se valjanje izmedju obrtnih valjaka čiji razmak odgovara traženoj debljini folije. Plastificiranje: nanošenje prevlaka od plastike na metalne trake, limove, žice ili cevi. Plastike prirodnog porekla: plastike koje se dobijaju iz makromolekula celuloze, kazeina, kaučuka. Tako se dobijaju vulkan-fiber, celulozni nitrat, galalit, ebonit. Polikondenzacione plastike: to su fenoplasti i bakeliti, aminoplsti, poliestri, poliamidi, epoksidne smole i silikoni. Polimerizacione plastike: to su polietilen, polivinil-hlorid, akrilne smole, poliuretan. Elastomeri (gume): polimeri koji se odlikuju velikom elasti čnom deformacijom pre kidanja, koja potpuno nestaje kad se guma rastereti. Prirodni kaučuk: polimerni materijal koji se dobija iz mle čnog soka (lateksa) gumenog drveta. Sintetički kaučuk: dobija se polimerizacijom butadijena, kao i njegovih derivata. Vulkanizacija: hemijska reakcija koja dovodi do popre čnog spajanja (umrežavanja) polimernih lanaca; prvobitno se vulkanizacija odnosila samo na povezivanje


363

sumporom, a danas se tim terminom ozna čava i poprečno spajanje polimera u nekim silikonskim gumama. Tvrde i meke gume: meke gume sadrže 1-4% S, tvrde 10-20% S i veoma tvrde 50% S. Histerezis gume: razlika izmedju elasti čne energije potrebne za deformaciju, i energije koja se oslobadja pri rastere ćenju; deo elasti čne energije prelazi u toplotu zbog unutrašnjeg trenja, što omogu ćava amortizovanje udarnih optere ćenja. Elastični oslonci za vešanje motora u automobilu prave se od tvrde gume. Kompozitni materijali: materijali izradjeni od dve ili više komponenti koje se razlikuju po obliku i hemijskom sastavu, a nerastvorljive su jedna u drugoj. Plastike oja čane vlaknima: kompozitni materijal koji se sastoji od poliesterskih ili epoksidnih smola oja čanih staklenim, ugljeni čnim ili aramidnim vlaknima. Plasti čna osnova povezuje vlakna u jednu celinu, što kompozitima daje veliku ja činu i krutost. Staklena vlakna tipa E: vlakna proizvedena od borosilikatnog stakla E-tipa (električno), najviše se upotrebljavaju za oja čavanje kompozita. Staklena vlakna tipa S: vlakna od MgO-Al 2O3-SiO2 stakla upotrebljavaju se za kompozite od kojih se traži veoma velika ja čina. Ugljenična vlakna: vlakna koja se proizvode od poliakrilonitrila ili katrana koji se dobija pri suvoj destilaciji drveta. Aramidna vlakna: vlakna proizvedena od aromati čnih (benzenskih) poliamida, poznata su pod trgovačkim nazivom Kevlar. Vlakna od bora: vlakna koja se proizvode uvodjenjem hemijski čistih para bora (temperatura ključanja bora je 2550ºC) u filament (labavo upredene niti) volframa (temperatura topljenja 3410ºC). Sendvič konstrukcija: konstrukcija koja se sastoji od dva spoljna lima (naj češće aluminijumska) izmedju kojih se nalazi sa ćasta konstrukcija od epoksi smole ojačane staklenim vlaknima. Presovanje kompozita: postupak oblikovanja smole i oja čivača u kalupu pod dejstvom pritiska i toplote. Injekciono livenje kompozita: postupak kontinualnog livenja profilnih cevi u dvodelnom kalupu; u kalup se najpre unosi oja čivač, a zatim ubrizgava smola. Vučenje – ekstruzija kompozita: postupak koji se izvodi provla čenjem paralelnih vlakana kroz smolu i ekstruzijom tako namo čenih vlakana kroz profilisane otvore. Namotavanje filamenata: postupak izrade cevi od plastika oja čanih vlaknima ko ja se najpre impregniraju smolom, a potom namotavaju namotavaju na vreteno.

364


PITANJA:

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.

Definisati polimerne materijale: plastike, elastomere. Termoplasti, duroplasti i organske smole. Poreklo i struktura polimernih materijala. Opisati procese polimerizacije, kopolimerizacije i polikondenzacije. Dodaci plastičnih masa i njihova uloga. Metodi prerade plasti čnih masa. Proizvodi prirodnih makromolekula (celuloze, galalita, prirodnog kau čuka). Produkti polikondenzacije i polimerizacije. Proizvodi prirodnog i vešta čkog kaučuka. Tehnološki proces proizvodnje prirodne gume. Koji sastojak utiče da guma bude meka ili tvrda? Šta je histerezis gume? Osnovne grupe vešta čkih guma. Definisati kompozitne materijale, matricu i oja čivače. Razlika u svojstvima kompozita dobijenih zrnastim i vlaknastim oja čivačima. Vrste vlaknastih oja čivača. Kako se dobija kompozitna konstrukcija zvana sendvi č? Metodi fabrikacije kompozita u laminate, profilne cevi i okrugle cevi.

GLAVA 14.pdf

Recommend Documents