polimerni i kompozitni materijali · dobija se polimer (od grčke reči polis = mnogo, meros = deo)...

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 rečju nazivaju plastike.

Polazne sirovine za proizvodnju plastika mogu biti mineralnog i organskog po-rekla. Mineralne sirovine su nafta, ugalj i zemni gas, od kojih se najpre izradjuju osnovna hemijska jedinjenja za dalju preradu. Ova se jedinjenja različitim procesima prevode u poluproizvode koji mogu biti u obliku granula, praha, tečnosti, smola, tab-leta. Dalji procesi prerade ovih poluproizvoda u finalne proizvode (livenjem ili preso-vanjem) utiču ne samo na promenu oblika i strukture, već takodje i na promenu hemij-skih 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 tempe-rature ključanja (oko 300ºC), tako što se te frakcije zagrevaju pod visokim pritis-kom i pri visokoj temperaturi, te nastaje raspad velikih molekula (makromolekula) na manje pogodne za industriju veštačkih proizvoda.

Vrste poluproizvoda i finalnih proizvoda koji se dobijaju iz sirove nafte dati su na sledećoj shemi.

Sirova nafta

Propilen

Etilen

Butadijen

Polipropilen

Polistiren

Polietilen

Veštački kaučuk

Mašinski materijali

330

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 nji-hovi izomeri, a takodje i CO2, H2, CO, N2, H2S i dr. Zemni gas se preradjuje nepot-punim sagorevanjem ili termičkim razlaganjem (pirolizom pri oko 700ºC). Nepot-punim sagorevanjem nastaje acetilen, kao i mešavina CO2 i H2 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 (kok-sovanja). Ona se zasniva na zagrevanju uglja bez prisustva vazduha pri temperaturi 1100-1300ºC. U tom procesu nastaju gasni proizvodi, tečni proizvodi (tzv. smole) i čvrsti proizvodi (koks). Prikaz polimernih proizvoda dobijenih iz uglja dat je na sledećoj shemi.

Ugalj

Smole

Koksnigas

Butadijen

Benzen

Fenol

Krezol

Naftalen

Acetilen

Vodenigas

Metan

Freon

Fosgen

Poliestri

Polistiren

Fenoplasti

Aminoplasti

Anhidridftalne kiseline

Vinil hlorid

Izobutanol

Metil hlorid

Tetrafluoroetilen

Dvocijanin

Alkidnasmola

Polivinilhlorid

Izobutinel Opanol

Silikoni

Teflon

Poliuretan

Polimerni i kompozitni materijali

331

Pored navedenih mineralnih sirovina, u industriji polimernih materija upotreb-ljavaju se biljne i životinjske sirovine od kojih se dobijaju finalni proizvodi prika-zani na sledećoj shemi.

Biljne sirovine

Celuloza

Prirodni kaučuk

Celulozni acetat

Celofan

Celuloid

Guma

Ebonit

Naziv plastične mase (plastike) potiče otuda što su u nekoj fazi prerade one bile deformabilne; kod jednih vrsta plastika deformabilnost se stalno zadržava, a proiz-vodi 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 ni-su 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 većine metala, dok neke od njih puzaju i pri sobnoj temperaturi. Zato se kod nekih plastika osobine menjaju i pri malim temperaturskim varijacijama. Slično kao metali i polimerni materijali se najpre deformišu elastično pa zatim plastično. Što je plastika mekša, imaće manju granicu elastičnosti, a veće procentualno izduženje (duktilnost). Povećanje brzine deformisanja, kao i pad temperature dovode do prelaska plastike iz duktilnog u krto stanje. Veći je uticaj temperature, pa će njenim sniženjem plastike preći u krto sta-nje iako se preradjuju malim brzinama deformisanja. Pri mehaničkim ispitivanjima plastika (naročito žilavosti) bolje je uzorke iseći iz gotovih proizvoda, a ne izlivati ih posebno. Ovo stoga što i način 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 predstav-ljaju osnovnu jedinicu jednog molekula-monomera (od grčke reči mono = jedan i meros = deo). Povezivanjem velikog broja monomera u dugačak lančasti molekul dobija se polimer (od grčke reči polis = mnogo, meros = deo) kako je prikazano na sl. 14.1. Kad se kaže da su molekuli "polimerizovani" to znači da su medjusobno povezani u veće agregate, tj. makromolekule ili velike molekule.

Strukturna formula mono-mera etilena (sl. 14.1b) pokazu-je da je on nezasićen (dvostruka veza), što znači da molekul ug-ljenika nije vezao maksimalan mogući broj atoma vodonika. Pod odredjenim uslovima, koji se postižu zagrevanjem, pritis-kom, prisustvom katalizatora, jedna od dvostrukih veza se ot-

vara i valentni elektron se povezuje sa drugim monomerom što dovodi do formira-nja 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 već i sa Cl, F, acetatima1, grupom 'OH, benzenovim prstenom (sl. 14.2). Proces se odvija postepeno, makromolekul raste dok dostigne veličinu uslovljenu ravnotežnim sta-njem supstance i produkata nastalih u uslovima odvijanja reakcije. Zahvaljujući tome, dobijaju se lančasti molekuli različite 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 fizičkim osobinama.

Na slici 14.2 prikazani su monomeri od kojih se obrazuju mnoge komercijalne plastike. Najpre je prikazana strukturna formula etilena (a) - bezbojnog nezapalji-vog gasa - koji se koristi za proizvodnju etil-alkohola, a zatim stirena i akrilne kise-line 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 CH3 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 sirćetne kiseline CH3·COOH.

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

...C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

CC

H

H a) Mer b) Monomer c) Polimer

Slika 14.1 Strukturne formule: a) mera, b) monomera, c) polimera


333

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

OH Cl

C

H

H

C

H

CC

C

CCC

H

H

HH

H

C

H

H

H

C

Benzenovprsten

a) Etilen b) Vinil alkohol c) Vinil hlorid d) Stiren

C

H

H

C

H

OC

O

CH H

H

Acetat

C

H

H

C

H

C H

H

H

C

H

H

C

Cl

Cl

C C

F F

FF e) Vinil acetat f) Izopropilen 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 drukčijeg aran-žmana zovu izomeri.

Za industriju su najvažnije dve vrste polimernih mateijala: plastike i elastome-ri. 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 dvostru-kom vezom. Dejstvom toplote i pritiska otvara se jedna veza monomera, oni se po-vezuju 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 dugačak lanac polivinil-hlorida (PVC) prikazan na istoj slici pod (b). Od monomera koji sadrže benzenov prsten (C6H5) (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 ter-moplasta.

C

H

H

C

Cl

Cl

C

H

H

C

Cl

C

H

H

C

Cl

H H

Monomer

C

C

H

H

C

H

C

H

H

C

H

CC

H

H

..... .....

..... .....Cl Cl

C

H

Cl a) b)

C

H

H

C

H

C

H

H

C

HMonomer

Stiren

CC

C

CCC

H

H

HH

H

C

H

H

H

C

C

C

H

H

C

H

C

H

H

C

H

CC

H

H

C

H

.....

Mer

.....

c) d)

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

Kopolimerizacija je proces povezivanja dva ili više različitih monomera u ma-kromolekule. Mnogi monomeri ne mogu se samostalno povezivati u velike mole-kule, ali mogu zajedno sa drugim monomerima, obrazujući pri tome kopolimere. Tako na primer, monomeri vinil-acetat i vinil-hlorid (sl. 14.4a, b) razmenjuju va-lentne elektrone i formiraju lančasti 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 različitih molekula, dobija i sporedan proizvod-kondenzat (voda). Plastike dobijene polikondenzacijom mogu biti bilo termoplasti-čne (najlon) ili termoaktivne (bakelit). Polikondenzaciji podležu fenol (karbolna ki-selina C6H5OH- dobija se iz katrana kamenog uglja), urati (soli mokraćne kiseline), anilin (C6H5NH2- dobija se iz katrana kamenog uglja), aldehidi (nastaju blagom oksidacijom primarnih alkohola-karakteriše ih grupa -CHO).


335

C

H

H

C

H

OC

O

CH H

H

Acetat

Vinil acetat

CH

C

H

H

C

H

C

H

H

C

H

CC

H

HCl Cl

C

H

Cl H

C

H

Cl

C

Monomer Monomer

a) b)

C

C

H

H

C

H

C

H

H

C

H

CC

H

H

.....

.....

.....Cl

C

H

Cl

.....

O

C

O

CH H

HVinil acetat

Acetat

c)

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

Jedan od najstarijih kondenzacionih proizvoda je galalit-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 vi-du visokopolimerne supstance - sadrže i raznorodne dodatne materije: stabilizatore, punioce, plastifikatore i pigmente (za bojenje). Zavisno od njihove vrste i količine, materijali zasnovani na istim osnovnim sastojcima pokazuju znatne razlike u oso-binama.

Stabilizatori su supstance koje obezbedjuju trajnost visokopolimernih hemij-skih jedinjenja u slučaju dejstva takvih spoljašnjih činilaca kao što su temperatura,


336

vidljivo ili ultraljubičasto zračenje itd. Na primer, čadj zaštićuje polietilen od utica-ja ultraljubičastog zračenja.

Zaštita polivinilhlorida od dejstva povišenih temperatura i ultraljubičastog zra-čenja 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 tra-ženih osobina plastike: poboljšanja mehaničkih osobina, termičke 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, sintetička, pamučna i • lisnati - folije ili metalne mreže, tkanine: staklaste, sintetičke, pamučne, papir.

Neorganski punioci smanjuju zapaljivost veštačkih materija, a posebno metalni prah koji još povećava termičku i električnu provodnost; lika i azbest povećavaju izolacione osobine, grafit popravlja otpornost na habanje. Organski punioci, uglav-nom drveno brašno i tkanine, povećavaju svojstva jačine smola, dok čadj u velikoj meri povećava svojstva jačine kaučuka. Čadj je površinski aktivna supstanca1 koja dovodi do ojačanja veze izmedju molekula kaučuka.

Plastifikatori (omekšivači) su organska jedinjenja, hemijski aktivna, koja se ponekad dodaju u veoma velikim količinama u cilju povećanja plastičnosti proiz-voda. Oni deluju fizičko-hemijski ili fizički na gradju molekula, npr. na račun poli-reakcije sa polimerom što se najčešće ispoljava smanjenjem povezanosti izmedju molekula ("labavljenjem" lanaca polimera). Kao posledica povećanja pokretljivosti molekula često nastaje sniženje temperature omekšavanja i prelaska u staklasto stanje. Zahvaljujući tome, proizvod koji je krt na temperaturi okoline, postaje doda-tkom 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 fizičke osobine.

14.1.2 Metode prerade polimernih materijala

Sa tačke gledišta ponašanja u toku dalje prerade razlikuju se: • termoplastične mase (termoplasti) - omekšavaju pri svakom zagrevanju i mogu

se lako oblikovati na toplo, a pri hladjenju očvršćavaju 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 ad-sorpcija.


337

• termoreaktivne mase (duroplasti) - pod dejstvom povišenih temperatura ili he-mijskih faktora nepovratno otvrdnjavaju zadržavajući zadati oblik, dok naknadno zagrevanje dovodi do propadanja, tj. hemijskog razlaganja proizvoda (imaju um-reženu strukturu - sl. 14.5b),

• vulkanizacione mase (kaučuk) - odlikuju se promenom lančaste strukture u um-reženu u toku prerade, jer dodatni atomi (npr. sumpor) obrazuju mostiće koji bo-čno povezuju susedne lance (sl. 14.5c).

a) b) c)

Slika 14.5 Struktura veštačkih materija: a) termoplastičnih (lančasta), b) termoreaktivnih (umrežena), c) vulkaniziranih (lančasta sa poprečnim mostićima)

Oblik i sastav poluproizvoda koji se preradjuju u finalan proizvod zavisi od tipa plastike i tehnologije prerade. Najvažniji metodi prerade veštačkih materija jesu: livenje, presovanje, brizganje (injekciono presovanje), sinterovanje, ekstruzija, ka-landrovanje, izvlačenje, duvanje, termičko oblikovanje. Posebnom tehnologijom nanose se antikorozione prevlake i elektroizolaciona zaštita.

Materijali za livenje su monomeri u tečnom 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 po-nekad 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 pro-ces polimerizacije (ili polikodenzacije) potrebno je relativno dugo vreme (do neko-liko 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 kaučuka čija elastičnost olakša-va vadjenje odlivka. Koriste se takodje modifikovane metode, npr. centrifugalno livenje za dobijanje predmeta oblika šupljih cilindara (naročito 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 obično preso-vanje (u matrici), posredno presovanje i presovanje ploča.


338

Obično presovanje zasniva se na oblikovanju proizvoda u vrućoj metalnoj for-mi (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 omogućilo da iz kalupa izadje vazduh kao i gasovi stvoreni u toku hemij-skih reakcija; to je vreme, obično 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 način proizvode se u automatizovanim uredjajima delovi mašina kao što su: zupčanici, zavrtnjevi i navrtke.

Presovanje ploča zasniva se na oblikovanju poluproizvoda u vidu ploča ili pro-fila u preserskom alatu. Metod ima najveću primenu za izradu višeslojnih predmeta (laminata). U zavisnosti od korišćenog polimera razlikuju se laminati: fenolni, po-liesterski ili epoksidni, a prema vrsti punioca - metalni, stakleni, azbestni, pamučni, drveni itd. Način polaganja i oblik punioca mogu obezbediti traženu anizotropiju, npr. jačinu na kidanje zavisnu od pravca. Presovanje omogućuje i izradu ploča raz-ličitih raspodela masa zahvaljujući pogodnom razmeštaju laminata pre presovanja (sl. 14.6a), i njihovom sabijanju do iste debljine (sl. 14.6b). Ovakve ploče upotreb-ljavaju se npr. za izradu propelera jer se dobija manja razlika u centrifugalnim si-lama idući od centra ka periferiji.

Slika 14.6 Proizvod različite gustine: a) postavljanje ploča na presu, b) unutrašnja gradja

Brizganje (špricanje) se zasniva na omekšavanju pripremljene mase u zagreja-nom cilindru i njenim periodičnim ubrizgavanjem u hladnu formu, u kojoj nastaje otvrdnjavanje proizvoda (sl. 14.7). Metoda se primenjuje u proizvodnji različitih elemenata i proizvoda od termoplasta kao što su poliamid, polistiren, polivinil hlo-rid. Pritisak špricanja iznosi nekoliko stotina MPa, a radna temperatura zavisi od temperature omekšavanja sirovine.


339

41

3

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

Sinterovanje (sl. 14.8) se najčešće koristi za izradu elemenata od poliamida, koji ima relativno veći udeo kristalnih oblika u strukturi, a time i bolje osobine, uglavnom veću 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 zas-niva 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.

a) b) c)

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

Ekstruzija (istiskivanje) (sl. 14.9) je u suštini metoda kontinualnog brizganja podešena za proizvodnju profila, štapova i cevi. Sirovina koja se neprekidno dovo-di iz rezervoara (1), omekšava se u zagrejanom cilindru (2). Kontinualnim kreta-njem pužnog prenosnika (3) dolazi do istovremenog mešanja mase i njenog tran-sporta 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


340

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

4

5

321

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

Kalandrovanje (sl. 14.10) jeste osnovna metoda izrade folija. Granule dovede-ne u zagrejani rezervoar postaju uplastičene i tako dospevaju u prostor izmedju obrtnih valjaka čiji razmak odredjuje debljinu folije. Dodatno zatežuće naprezanje pri namotavanju poboljšava mehaničke osobine folije. Za sprečavanje slepljivanja

još nedovoljno ohladjenih folija koristi se pomoćni valjak (sl. 14.10). Kalandrovanje omogućuje produkciju folija debljine 0.08-0.6 mm.

Izvlačenje je metoda oblikovanja proi-zvoda uz primenu dvodelnih alata - matri-ce i izvlakača, analogno dubokom izvlače-nju delova od lima. U postupku izvlačenja razlikuju se faze opkrajanja, savijanja i vučenja. Metoda ima najveću primenu za izradu raznih proizvoda od termoplasta.

Duvanje ili ekstruziono duvanje (sl. 14.11) koristi se za izradu tankozidnih sudova od plastike (boca, plastičnih kanti i sl.). Najpre se u zagrejani ekstruder (1) si-pa granulat tako da se na izlazu formira meko crevo (3). Ono se uvodi u otvoreni dvodelni kalup (2), kalup se potom zatvara i u crevo dovodi zagrejani vazduh pod pri-

tiskom kroz cevčicu 4. Tako se plastika potiskuje uz zidove kalupa poprimajući njegov unutrašnji oblik.

12

3

4 Slika 14.10 Kalandrovanje: 1- rezervoar, 2 - radni valjci, 3 - kalem, 4 - pomoćni valjak


341

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

Termičko oblikovanje (sl. 14.12a) ostvaruje se pomoću vakuumske pumpe, ta-ko da se pod dejstvom atmosferskog pritiska, zagrejana folija sama uvlači i nasla-

nja na zidove gravure matrice. Drukčija je tehnologija nanošenja

zaštitnih prevlaka kao i elektroizolaci-je na metalne proizvode. Ovakve prev-lake često su neophodne na uredjajima hemijske industrije, galvanotehnike (kade, kuke za vešanje delova), zatim kod sredstava za skladištenje hemikali-ja, kao i u elektrotehničkoj industriji (izolacione prevlake). Za antikorozio-ne prevlake i elektroizolacionu zaštitu najčešće se upotrebljavaju poliamid, polietilen, polivinil hlorid, polimeta-akrilat, polistiren, epoksidne i silikon-ske smole.

Zavisno od oblika plastificiranih predmeta i vrste plast-mase koriste se različite metode nanošenja prevlaka:

• prilepljivanje gotovih tabaka ili otpresaka od plastike na štićenu površinu, što je najpogodniji način za zaštitu većih ravnih površina,

• nabrizgavanje rastopljene plastike na štićenu površinu specijalnim pneumatskim pištoljem - način najpogodniji za zaštitu malih i srednjih predmeta relativno pro-stog oblika,

• uranjanje predmeta u pastu (u rastopljenu plastiku) - način koji omogućuje au-tomatizaciju i kontinualan rad uredjaja, posebno za nanošenje izolacionih prev-laka od polivinilhlorida na električne provodnike,

Atmosferski pritisak

Zagrejanafolija

Matrica

Vakuumska pumpa

D

H

Izvlakač

Lim

Matrica

a)

b)

Slika 14.12 Termičko oblikovanje plastike (a) - analogno sa izvlačenjem lima (b)


342

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

14.1.3 Vrste i primena polimernih materijala

Na osnovu polaznih sirovina i načina dobijanja, razlikuju se sledeće grupe po-limernih materijala: • proizvodi od makromolekula prirodnog porekla (celuloze, kazeina, kaučuka), • 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 sas-tavu 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 (ve-štačka 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 slična koži dobijena presovanjem tankih listova hartije nabubrelih usled potapanja u koncentrisani rastvor cink-hlorida. Ovako presovana hartija otporna je na slabe kiseline, alkalije i benzin, a is-tovremeno je toplotni i električni 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 rastvarači, pigmenti, razredjivači, omekšivači, smo-le). Dobija se reakcijom hemijski očišćene celuloze sa HNO3 u prisustvu H2SO4; 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 već 100 godina. Celuloid propušta svetlost, lako se rastvara u mnogim rastvaračima i lako je zapa-ljiv. Dugo je korišćen 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 ploče, cevi, šipke i slični 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 rastvaračem, plastifikatorom i pigmentima daje produkt nazvan acetat celuloid; to je providna (transparentna) plastika boje ćiliba-ra. Nezapaljiva je i stabilna na toplotu i svetlost, a upotrebljava se za instrument ta-


343

ble, prekidače, volane automobila. Može se preradjivati livenjem ili izvlačenjem u tanka vlakna koja su jaka, savitljiva, 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 sirćetne kiseline. Sličnih je karakteristika kao i ce-lulozni acetat, ali ima bolju stabilnost na svetlost i otpornost na vlagu, pa se zato i koristi kao zaštitni materijal za lakiranje i premazivanje električne opreme i kablo-va 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 (tečnost 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 poboljšava kvašenje i ra-zlivanje navedenih materija.

b) Proizvodi belančevina

Galalit je produkt dobijen iz kazeina-belančevine koja se koaguliše iz mleka pod uticajem sirišnog fermenta, mlečne kiseline i drugih kiselina. Kondenzacioni produkt kazeina sa formaldehidom (gas čiji 20% vodeni rastvor daje formalin) je rožnata materija-galalit. Ima dobre mehaničke 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 ručice i kao izola-tor za nisko-naponske instalacije.

c) Proizvodi prirodnog kaučuka

Vulkanizacijom, tj. dejstvom sumpora na prirodni ili veštački kaučuk može se dobiti ebonit. Odlikuje se dobrim elektroizolacionim osobinama, otpornošću na hemikalije i neosetljivošću na delovanje vode. Mana proizvoda od ebonita jeste mala otpornost na savijanje. Od ebonita se pre svega izradjuju kutije i delovi aku-mulatora, razni delovi elektroopreme kao i sitni delovi školjki automobila.

14.1.3.b Produkti polikondenzacije

Fenoplasti i bakeliti imaju najširu oblast primene od svih plastičnih masa. Do-bijaju se od polaznih sirovina: kristalne mase fenola (karbolne kiseline C6H5OH) 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 impre-gnaciju i lakiranje. Alkoholni rastvor rezola pod nazivom "hermetik" služi za pre-mazivanje kontaktnih metalnih površina.

Znatno se više upotrebljava novolak, koji sa rezanim papirom, pamučnim tka-ninama i drugim dodacima obrazuje mešavinu za presovanje. Ona se koristi za ins-trument table automobila, ramove prozora, profilne nosače i delove elektro-opreme. Od fenol-formaldehidnih smola sa puniocima od drvenih vlakana, uz do-datke 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 zasićenih fenolnom smolom. Od ovakvih laminata prave se zupčanici koji su mnogo manje bučni u radu od metalnih. Metodom pre-sovanja zasićenih smola u skeletu koji se sastoji od tabaka papira i tkanine izradju-ju se klizna ležišta, koja u nekim slučajevima mogu imati duži vek trajanja nego le-žišta od fosforne bronze. U automobilskoj industriji izradjuju se mnogi delovi od bakelita sa azbestom kao puniocem. To su uglavnom obloge kočionih papuča i spojnice.

Aminoplasti su proizvodi dobijeni polikondenzacijom urata, anilina ili mela-mina (polimera cijanizida N3CN). Punilac je uglavnom celuloza, pa su zato proiz-vodi uglavnom svetlo obojeni. Služe za izradu ručica, elektro-prekidača, dirki mu-zičkih 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 name-njenih za transport životnih namirnica.

Poliestri se dobijaju reakcijom polikondenzacije izmedju višehidroksilnih al-kohola (glikola, glicerina) i nekih organskih kiselina (ftalna kiselina). Poliestri oja-čani 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 dugačkim lančastim molekulima formiranih reakci-jom izmedju slabih kiselina (sadrže grupu -COOH) i amino grupe (-NH2).

Vlaknasti i drugi proizvodi poliamida imaju različite komercijalne nazive kao npr. najlon, perlon. Ova vlakna imaju veoma veliku jačinu 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 iz-radjuju se klizna ležišta koja se odlikuju malim koeficijentom trenja, malim haba-


345

njem, dobrim prigušivanjem oscilacija, otpornošću na hemikalije i bešumnim ra-dom. Izradjuju se i razne vrste čaura za vodjenje, mali zupčanici i osovinice brzi-nomera, brisača, kao i delovi elektro-opreme, npr. izolacione trake pobudnog na-motaja elektro-startera.

Epoksidne smole dobijaju se procesom kondenzacije polaznih sirovina gliceri-na, acetona i fenola. Produkt ove reakcije može biti čvrsto telo ili gusta tečnost. Stvrdnute smole imaju veliku tvrdoću, stalne dimenzije, otpornost na atmosferske uticaje, vlažnost, kiseline, alkalije, goriva, maziva kao i dobre mehaničke i elektro-osobine.

Epoksi smole nalaze primenu u industriji kao smole za livenje, lakovi i lepkovi. Livene epoksi smole ojačane staklenim vlaknima imaju jačinu na kidanje i savija-nje 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 hla-dnjaka.

Mešavina epoksi smola sa metalima u prahu ili sa staklenim tkaninama se kori-sti za popravku oštećenih 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 nano-siti četkom ili pneumatskim pištoljem. Ovaj lem dobro prianja za metal pa se njime mogu popraviti spoljna oštećenja na mnogim delovima, uključujući tu i neke livač-ke greške.

Osim toga, epoksi smolama oblažu se radne površine matrica, kalupi za polies-terske laminate, livački modeli, alati za izradu poliuretanskih profila, montažni ala-ti, obloge alata za duboko izvlačenje i sl.

Silikoni su makromolekularna jedinjenja čiji skelet obrazuju naizmenično po-vezani atomi silicijuma i kiseonika (sl. 14.13). Prstenasti i lančasti molekuli imaju formulu (CH3·SiO2·CH3 koja je slična formuli organskih ketona npr. acetona CH3·CO·CH3) pa je otuda i poteklo ime silikoni (skraćeno od siliko-ketoni). Zavis-no od molekularne gradje krajnji produkti mogu biti u tečnom 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 ključanja (400ºC). Zato se silikonska ulja sve više koriste kao radni fluid u hidrauličnim instalacijama koje rade na povišenoj temperaturi. Takodje se silikonske smole do-daju mazivim mastima ili uljima da se spreči penjenje.

Silikonske smole se upotreb-ljavaju i pri izradi školjki dosta-vnih vozila od poliestera ojača-

H

CH

H

H

HH

H

Si SiSi

H

H H

H

O OO

C

C

C

CC H

HH

H

H

H

H

Slika 14.13 Strukturna formula silikonske plastike


346

nih staklenim vlaknima. Staklena tkanina primenjena kao punilac vezuje se za poli-ester 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.

C

H

H

C

H

H

OHH

C

C

H

H

C

H

C

H

H

C

H

CC

H

H

C

H

HH H a) b)

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

Polietilen (sl. 14.14b) dobija se iz produkta raspada sirove nafte ili etil-alkohola (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 ela-stičnost, 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 ultraljubičastog sunčevog zračenja. Iz termoplasti-čnog stanja može preći u termoreaktivno pod dejstvom visoko-energetskog zrače-nja, ultraljubičastih zraka ili ako dodje do bočnog grananja lanca npr. poveziva-njem sa organskim peroksidima. Ako se laneno ulje razlije u tankom sloju, ono će za nekoliko dana potpuno očvrsnuti, jer će se nezasićene kiseline koje ono sadrži polimerizovati i oksidisati; nezasićeni molekuli se vezuju stvarajući peroksidne lance od kiseonika1. Polietileni se proizvode u više varijanti i služe za izradu plasti-čnih boca, cevi, kontejnera, kutija za akumulatore, zaštitnih obloga metalnih cevi, folija za pakovanje, plastificiranje papira, za injekciono livenje igračaka i za elek-tro-izolaciju. U auto industriji od polietilena se izradjuju elementi filtera za vazduh, zaštitnici za sunce, rezervoari za kočionu tečnost i vodu za pranje vetrobrana. De-lovi izradjeni brizganjem mogu se zavarivati pomoću 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 stire-na - monomera modifikovanog bilo drugim monomerima ili gumom odnosno agen-sima za stabilizaciju. Termoplastična varijanta se upotrebljava za ispune sedišta, ja-stuka, 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 nat-rijumperoksidu Na-O-O-Na. Nezasićeni molekuli ugljovodonika se povezuju prema shemi -CH-CH-O-O-CH-CH-.


347

aktivnih varijanti polistirena prave se delovi frižidera, izolacione prevlake kablova, flašice za kozmetičke preparate, kutije akumulatora.

Polivinil hlorid (PVC) je produkt polimerizacije vinil-hlorida dobijenog od po-laznih sirovina hlora i etilena ili hloro-vodonika i acetilena. U livenom obliku upot-rebljava se kao zaštitna prevlaka, a u ekstrudiranom obliku za izradu tkanina. Ter-moreaktivni PVC služi za izradu cevi, profilnih cevi, rezervoara, ventilacionih raz-vodnih mreža. Termo-plastične varijante PVC- plastika služe za izradu folija, tka-nina, podnih pločica, 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. Najpo-znatija 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 tre-nja (0.04). Zato se teflon upotrebljava za čaure kliznih ležišta, zaptivke ventila

pumpi za kiseline, za anti-korozione prevlake (obla-ganje transportnih cisterni namenjenih za sumpornu i azotnu kiselinu), za izola-ciju kablova izloženih vi-sokim temperaturama. Te-flon je otporan do 260ºC, topi se na 312ºC, a za više temperature odgovara fluo-

ro-hlorid plastika (sl. 14.15b). Na radne površine metala, teflon se nanosi metodom fluidizacije.

Akrilne smole se dobijaju hemijskim procesom polimerizacije akrilne i meta-krilne kiseline (CH2 = CH·COOH). Polimeri estera1 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. Proiz-vodi od pleksiglasa su prozirni, otporni na atmosferske uticaje, većinu hemikalija, ugljovodonike i ulja, a uz to imaju dobre mehaničke osobine i mogu se bojiti. Plek-siglas se može seći, bušiti, brusiti i lepiti. Lepak se priprema rastvaranjem male ko-ličine ovog polimera u anhidridu sirćetne kiseline ili u koncentrovanoj sirćetnoj ki-selini.

U automobilskoj industriji koriste se livena stakla kao i različiti profili izradjeni brizganjem. Ova okna su 2.25 puta lakša od običnog stakla, bezbednija su i mogu se lakše oblikovati. Propuštaju infracrvene zrakove, pa se koriste za bočna okna tu-rističkih autobusa. Od obojenog pleksiglasa prave se zaštitnici od blještave svetlos-ti. 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 or-ganski rastvarači, mirišljave materije, masti.

C C C

FF

F

F

FF

...... ......

C C

F

F

F

......

Cl

......

a) b)

Slika 14.15 Lanac teflona (a) i fluoro-hlorid plastike (b)


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 cevčice i razvod-na creva za pogonska goriva i ulja, kao i za zaptivke otporne na ove materije. Polivinil-alkohol izložen dejstvu aldehida i ketona1 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 sličan poliamidima. Zavisno od unetih dodataka dobijaju se proizvodi različitih 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 elastični, plastični ili ela-sto-plastični, a otporni su na kiseline, alkalije, mazivo, gorivo, vlagu, a uz to su ne-zapaljivi. Penasti proizvodi od poliuretana prigušuju udarna opterećenja petostruko više nego kaučuk. Zato se od poliuretana grade delovi sedišta automobila, nasloni, instrument tabla, obloge za antizvučnu izolaciju. Od poliuretana se prave zupčasti kaiševi koji se odlikuju bešumnim radom, samopodmazivanjem, dobrim mehanič-kim osobinama i otpornošću 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 ela-stične, otporne na udar i abraziju kao i na temperaturske promene. Druga vrsta po-liuretana ubrizgava se u prtljažni prostor dostavnih automobila, čime se znatno po-većava otpornost poda i zidova na habanje. Gipke penaste poliuretanske mase ta-kodje 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 kaučuka. Danas se izradjuje više vrsta prirodnog i veštačkog kaučuka, ne samo da bi se na-mirile narasle potrebe za gumenim proizvodima, već i da bi se postigle potrebne osobine finalnih proizvoda. Sintetičke gume su slične prirodnoj ali imaju veću ot-pornost na ulje, hemikalije, toplotu i starenje. Često se sintetičke gume mešaju sa pravom gumom da bi proizvod imao dobre osobine oba materijala.

14.1.4.a Kaučuk

Prirodni kaučuk dobija se iz lateksa (mlečnog soka) koji je u stvari polimer izoprena-nezasićenog ugljovodonika C5H8 (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 Fi-cus elastica) koje raste u tropskoj klimi Brazila, Cejlona, Konga, Indonezije, Libe-rije. Dugogodišnjom selekcijom i kalemljenjem razvijene su razne vrste plantažnog kaučukovog drveta koje dugovečno mogu izlučivati lateks. Na sobnoj temperaturi lateks je veoma elastičan (izdužuje se do 80%), kad se ohladi ispod 0°C postaje krt, a iznad 50°C gubi elastičnost prelazeći u čisto plastično stanje.

C

H

H

C

H

H

H

C

H

H

H

C

C

C

H

H

C

H

H

C

HH

C

C

H

H

C

H

H

HH

H

H

C H C

CC

H

a) b) c)

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

Sintetički kaučuk dobija se polimerizacijom sintetičkog 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 vruća ili hladna. Suština vulkanizacije je uvodjenje sumpora koji bočno 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 mehaničke osobine od-nosno posredno kreda i litopon1, antioksidanti (fenoli), ubrzivači vulkanizacije (stearinska kiselina), sredstva za bojenje (pigmenti) i ponekad mirisna sredstva. Dodaju se još i katalizatori, delom anorganski (olovo i cink oksid), a delom organ-ski (ugljen-disulfid).

U proizvodnji gume toplim postupkom razlikuju se sledeće osnovne faze: • uplastičenje kaučuka (valjanje tj. gnječenje na povišenoj temperaturi), • priprema sirove mešavine (valjanom kaučuku se dodaju potrebni sastojci i kata-

lizatori PbO, ZnO, MgO, CS2), • konfekcioniranje (oblikovanje sirove mešavine na formu blisku proizvodu) i • 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 vulka-nizacija u toku koje atomi sumpora bočno povezuju lance polimera kako je prikazano na slici 14.17. Svako bočno povezivanje tj. umre-žavanje dovodi do porasta tvrdoće gume, što znači da se povećanjem sadržaja sumpora dobija tvrdja i manje elastična guma, koja uz to brže podleže starenju, tj. gubitku elastičnosti usled oksidacije sum-pora.

Sadržaj sumpora u mekim vrs-tama gume iznosi 1-4%, a u kla-sama tvrdih guma 10-20% S. Gu-me sa 35-50% S su veoma tvrde i krute jer su lanci polimera skoro potpuno bočno povezani.

U toku vulkanizacije se nekim gumenim proizvodima kao što su pneumatici, gumirano platno, creva sa tekstilnim ulošcima dodaju žice ili tekstilna ojačavajuća 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 slična 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 ploče, slabovi (gredice preseka kvadratnog ili bliskog kvadratnom), ili granulat koji se meša sa asfaltom i služi kao pokrivni sloj na autoputevima.

Osobine gume

U najvažnije osobine gume spadaju tvrdoća, jačina na kidanje, elastičnost, pu-zanje i otpornost na habanje, abraziju, čupanje i dr.

Tvrdoća gume odredjuje se pomoću Šorovog (Shore) durometra, koji ima skalu kalibrisanu od 0 do 100 jedinica (stepeni po Šoru, ºSh). Meri se u stvari dubina uti-skivanja u površinske slojeve, s tim što veći broj označava i veću tvrdoću. Uglav-nom je tvrdoća gume u granicama 45-80 ºSh. Sa padom temperature tvrdoća gume raste, a na dovoljno niskoj temperaturi, guma postaje krta, veoma tvrda i lomljiva (za gumu od prirodnog kaučuka temperatura krtosti iznosi -60ºC).

Jačina na kidanje gume varira od 7 do 28 MPa, pri čemu nema direktne zavis-nosti od tvrdoće. Krive dobijene pri ispitivanju zatezanjem, kako u fazi optereće-nja, tako i u fazi rasterećenja prikazane su na slici 14.18. Iz nagiba krive optereće-nja može se odrediti modul elastičnosti, koji za meke gume iznosi oko 1.5 MPa i

C H

C

H

H

C

H

C

H

H

C

H

CC

H

H

C

H

C C

CC

C C

H HHH

H

HH

S S

C

H

H

C

H

C

HH

C

H

CC

H

H

C

H

H

H

C C

Slika 14.17 Bočno povezivanje lančastih molekula


351

preko 700 MPa za tvrde gume. Hukov zakon važi samo za deformacije do 20% pri zatezanju i 20-25% pri pritiskivanju. Jačina gume opada sa porastom temperature.

Elastičnost gume, tj. sposobnost povratka prvobitnog oblika je važna osobina nekih proizvoda od gume (npr. elastičnih oslonaca od tvrde gume). Gume se de-formišu bez promene zapremine, slično kao nestišljivi fluidi (tečnosti). Pri prora-čunu gumenih elemenata, izloženih udarnom opterećenju polazi se, ne od jačine, već od napona koji izaziva deformaciju 20-25%. Za gumene delove izložene osci-latornom opterećenju, kriterijum za dimenzionisanje jeste da se guma ne zagreva iznad odredjene temperature.

Razlika u osobinama elastičnosti pri opterećenju i rasterećenju pokazuje spo-sobnost materijala da apsorbuje unutraš-nju energiju (odnos izlazne energije prema ulaznoj, %). Pošto u materijalu deluje unutrašnje trenje, to deo elastične energije prelazi u toplotu pa je izlazna energija uvek manja od ulazne. Razlika izmedju ulazne i izlazne energije kod gume prikazana je petljom histerezisa na slici 14.18. Zatvorena površina (abc) predstavlja apsorbovanu energiju ili his-terezis sistema. Dokazano je da guma ima oko tri puta veću sposobnost da ap-

sorbuje elastičnu energiju nego čelik. Puzanje se javlja i pri sobnoj temperaturi kad se gumeni delovi duže vreme iz-

lože opterećenju. Posle rasterećenja, ostaje trajno izduženje ili skraćenje, analogno puzanju metala na povišenim temperaturama. Na veličinu zaostale deformacije uti-ču pri istom opterećenju: temperatura, vibracije, brzina deformisanja, kao i tip i amplituda opterećenja. To je jedan od razloga što posle dugog rada zaptivke i elas-tični oslonci (npr. motora, menjača) znatno gube sposobnost zaptivanja, odnosno amortizovanja radnih i udarnih opterećenja, a elastični oslonci povećavaju sklonost ka rezonanci1.

Otpornost gume na habanje, abraziju i čupanje (otkidanje čestica) bitna je za mnoge primene. Korisne osobine gume pogoršavaju se vremenom, rečju one stare usled oksidacije ili izlaganja sunčevoj svetlosti, ozonu ili toploti. Obične gume nisu otporne na ulje, najpre bubre ispod površine, a potom nastaje čupanje, tj. odvajanje čestica.

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

ac

b

Opterećenje

Rasterećenje

Izduženje

Zate

zno

opte

reće

nje

Slika 14.18 Petlja histerezisa tvrde gume


352

Vrste guma

Zavisno od polazne sirovine razlikuju se prirodna i veštačka guma. Prirodna guma, kao što je već rečeno, dobija se polimerizacijom izoprena koji

otvrdnjava uvodjenjem sumpora, tj. vulkanizacijom uvedenom 1839. godine (Gudi-jer-Goodyear). Prirodna guma ima odličnu savitljivost i dobre fizičke osobine koje se bitnije ne menjaju usled toplote oslobodjene zbog unutrašnjeg trenja, npr. pri ko-trljanju 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 ojačanu uvodjenjem čadji. Prirodna guma lako vaspostavlja početni oblik i dimenzije, dobro je otporna na čupanje i odlično na abraziju. Otpornost na starenje usled dejstva sunčeve svet-losti, toplote ili oksidacije i otpornost na skladišno starenje, kreće se od dobre do rdjave, zavisno od aditiva. Prirodna guma je slabo otporna na delovanje nafte i ozona, ali ima odličnu otpornost na kiseline. Stoga se najviše upotrebljava za vo-dovodne cevi, pogonske mašinske kaiševe, pneumatike, čizme, gumene jabučice, ručice poluga.

Veštačke gume se prave od sintetičkog kaučuka koji se dobija polikondezaci-jom butadijena na različite načine. Po metodi Hofmana proces se odvija dejstvom toplote (95°C) i pritiska u toku 10-14 dana. Nemačka metoda se zasniva na reakciji elementarnog natrijuma i butadijena koja daje produkt pod imenom buna (butadi-en-natrijum). Danas je razvijeno više vrsta veštačkih 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). Hla-dno polimerizovana veštačka guma pokazala se boljom za automobilske pneumati-ke od prirodne. Pre svega zato što se pri visokom opterećenju zagreva manje od prirodne gume. U ojačanom stanju stiren-butadien guma dostiže jačinu na kidanje od 25 MPa, imajući pri tome modul elastičnosti od 14 MPa i procentualno izduže-nje od 600%. Pored pneumatika od ove gume se još prave gumena creva, konvejer-ske trake, štikle cipela, podne izolacije, noseće trake za palete. Slabo je otporna na povišenim temperaturama, naftu i ulje, a odlično 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 unutraš-nje 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 odličnu otpornost na kiseline i ras-tvarače kao i na porast krtosti i tvrdoće na niskim temperaturama. Poseduje odlične elektro-izolacione osobine pa se upotrebljava kao izolacioni materijal za elektro-opremu.


353

H

C

HH

H

C H

C

H

CC

C

CCCH

H

HH

H

H

C C

HH

CC

C

CCCH

H

HH

H

H

C C

HH

CC C C

HHH

H H

H

a) b) c)

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

C

H

C

H

H

C

H

C

HC

H C HH

C

HCC

C C

H HHH

HH

HC H

H

H

H

H

H

..... .....

Slika 14.20 Polimer butil gume

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

C

H

H

C

H

H

H

C

H

H

H

C

H

C

H

C

H

H

C

H

CN

C

H

H

C C

H

C

H

H

Cl

a) (b) (c) (d)

Slika 14.21 Monomeri za veštačke 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 poveća raste otpornost gume na ulje, ali se usled porasta N smanjuje savitljivost, elastičnost i histerezis. Grupa CN može ojačati dodavanjem čadji.

Ova je guma veoma otporna na maziva, rastvarače, ulja, povišene temperature, pa se koristi kao zaptivni materijal na toplo. U tom smislu upotrebljava se za lep-ljenje, 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 slična prirodnoj gumi.

Neopren guma je otporna na naftne derivate, sunčevu 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 električni izolator. Dodatkom čadji povećava se neoprenskim gumama otpornost na čupanje i abraziju. Glavna im je mana visoka temperatura očvršćivanja.

Polisulfidne gume su polikondenzati koji se odlikuju nepropustljivošću za ga-sove i otpornošću na rastvaranje. Zato se koriste kao lepak za metale. U čistom sta-nju ima jačinu 2 MPa, E = 3 MPa i izduženje 300%. Kad se ojača grafitom postiže Rm = 10 MPa, E = 10 MPa i izduženje 500%. Pored toga, kao punioci se mogu do-dati cink-sulfid, cink-oksid ili titan-dioksid. Ovako ojačana guma ima odličnu ot-pornost na sunčevu 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 podmetača, 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 podmetače, čepove. Poseduju visoku otpornost na abra-ziju, čupanje i habanje, visoko izduženje i jačinu do 56 MPa. Uglavnom se prerad-

juju livenjem. Poliuretanski pneuma-tici odgovaraju samo za spora vozila kao što su traktori, jer se pri većim brzinama pregrevaju zbog velike ko-ličine oslobodjene toplote na kontak-tu izmedju točka i tla.

Silikonske gume imaju dugačak lanac dimetil-silicijuma (sl. 14.22) u kome je kiseonik zamenjen siliciju-mom, a dve metil grupe medjusobno povezane preko tih atoma silicijuma. Silikonske gume veoma su stabilne na dejstvo sunčeve svetlosti, na toplo

H

H

H

C

H C H

C HH H

C H

H

H

H

..... .....Si OO SiH2O+

Slika 14.22 Lančasti molekul dimetil-silicijuma


355

ulje, dobri su električni izolatori i zadržavaju fleksibilnost od -70 do 260°C, ali po jačini i otpornosti na habanje znatno zaostaju za drugim gumama. Ako se bočno vezani atomi H zamene sa metil grupom CH3 dobija se polidimetil siloksam. Una-krsnim umrežavanjem ovog polimera na sobnoj temperaturi uz dodatak peroksida odstranjuju se atomi vodonika iz metil grupe te atomi C povezuju u lance. Od sili-konske gume prave se zaptivači, termo i elektro izolatori, kablovi za svećice ben-zinskih motora.

14.2 Kompozitni materijali

Pod nazivom kompoziti podrazumevaju se materijali izradjeni od dve kompo-nente ili više komponenata koje se dosta razlikuju kako po hemijskom sasatavu ta-ko i po drugim osobinama. Razvoj ovih materijala proizišao je iz potrebe da se kod mnogih konstrukcija postigne što veća jačina i krutost, a uz to smanji težina. Pred-nost kompozita u odnosu na klasične konstrukcione materijale (metale) jeste u to-me što se delovi od kompozita mogu projektovati tako da veličina pojedinih prese-ka ili njihova jačina odgovara opterećenju 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 ojačavanje (ojačavača). Matrica koja povezuje ojačavač (vlaknasti ili zrnasti) u zajedničku strukturu obično je od termoreaktivnih smola (epoksidne, poliestarske, fenolne), a ojačavajuća vlakna mogu biti: staklena, ugljenična, aramidna1, od bora i nekih dru-gih materijala; to su i drvo, lika2, kamen i druge materije, ako je ojačavač 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 znači 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 (ojačivačima)

Matrica ovih kompozita obično je polimerna materija, mada može biti i kera-mička ili metala. U tu matricu, koja ima i funkciju vezivnog sredstva, ubacuju se čestice punioca (ojačavača), čije se osobine veoma razlikuju od osobina osnove. Vezivna sredstva (matrice) uglavnom su termoreaktivne smole: epoksidna, polies-terska, fenolna.

Pored čestica loptastog oblika velike tvrdoće (Al2O3, SiO2, samlevenog kreč-nog kamena (CaCO3), staklenih kuglica, koriste se i ljuspasti oblici punilaca (kao- 1 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 ploča i za zrnca peska pri livenju u školjkastim kalupima.

Značajni su i punioci koji omogućavaju izradu savitljivih (fleksibilnih) kompo-zita. To su uglavnom čestice kaučuka u obliku kuglica. Upotrebljavaju se za pove-ćanje žilavosti krtih amorfnih plastika kao što su epoksidi i standardni polistiren.

Mnogo veću primenu imaju kompoziti sa vlaknastim ojačivačima, te će o njima dalje biti reči.

14.2.1.b Kompoziti sa vlaknastim ojačavačima

Uloga ovih vlakana je da se poveća jačina i krutost (modul elastičnosti E) plas-tične matrice od epoksidne ili poliesterske smole. Ocena kvaliteta korišćenih vla-kana (staklenih, ugljeničnih, aramidnih (Kevlar) i bornih) donosi se na osnovu od-nosa modula elastičnosti i gustine (E/ρ) kao i odnosa jačine na kidanje i gustine (Rm/ρ). Kompoziti sa navedenim vlaknima kao puniocima upotrebljavaju se za iz-radu nekih delova automobila, dostavnih vozila, aviona, šinskih vozila, autobusa, cisterni i hemijske opreme. Reč je pretežno o transportnim sredstvima kod kojih je osnovni cilj da im se smanji težina i time poveća nosivost, odnosno smanji potroš-nja goriva.

Ugljenična vlakna se uglavnom izradjuju iz poliakrilonitrila (PAN), ili katrana dobijenog rafinacijom nafte ili suvom destilacijom uglja. Tehnološki postupak iz-rade 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 ugljeničnim vlaknima ograni-čena samo na avijaciju i kosmičke programe.

Staklena vlakna služe za ojačavanje plastičnih smolastih matrica kompozita. Odlikuju se dobrim odnosom Rm/ρ, stabilnošću na vremenske promene, vlagu i ko-roziju. Za razliku od ugljeničnih vlakana, staklena se lako i ekonomično proizvode. Danas se staklena vlakna izradjuju od dve vrste stakla: stakla E-tipa (električno) i S- tipa (visoke jačine). Staklo tipa E, čiji je sastav 52-56% SiO2, 12-16% Al2O3, 16-25% CaO i 8-13% B2O3, najviše se primenjuje za izradu kompozita. U svežem stanju ova vlakna imaju jačinu Rm max = 3-4 GPa i modul elastičnosti E = 70 GPa, (uporedi sa čeličnim vlaknom koje ima Rm = 2.56 GPa, E = 210 GPa!). Staklo S je sastava 65% SiO2, 25% Al2O3 i 10% MgO i osobina Rm = 4.5 GPa, E = 80 GPa. Treba istaći da je reč o staklenim vlaknima veoma malog prečnika reda veličine oko 1 mm, jer manjem prečniku odgovara veća jačina; tako je npr. za φ12.5 mm → Rm = 56 MPa, a za φ1.25 mm → Rm = 21000 MPa.

Aramidna vlakna za ojačavanje je uvela firma Du Point 1972. godine, pod tr-govačkim nazivom Kevlar. Proizvodi se ekstruzijom vodenog rastvora polimera kroz mašine za predenje. Dobijena vlakna imaju odlična svojstva na zatezanje, ali rdjava na pritisak. Ubacivanjem nekih drugih vlakana sa dobrom otpornošću na pritisak ova se mana otklanja. Kompozit ojačan sa dve vrste vlakana zove se hibri-dan.


357

Vlakna od bora imaju dobru jačinu na kidanje (RmB = 2.4 GPa), skoro kao čeli-

čna, ali više od dva puta veću krutost jer je EB = 450 GPa. Kada se vlakna bora uti-snu u smolastu matricu, dobija se kompozit čija krutost (EIx) 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 ojačivačima

Ako su poznate osobine komponenata kompozita, mogu se uz odredjene pret-postavke proračunati mehaničke osobine finalnog proizvoda. Konstruktor, u stvari propisuje tehnološke uslove proizvodnje birajući odgovarajući tip vlakana, način njihovog slaganja u vrste, broj vrsta kao i uzajamnu orijentaciju vlakana, da bi se dobile tražene mehaničke osobine.

Vlakna od istih ili različitih materijala za ojačanje obično se razmeštaju prema slici 14.23.

Slika 14.23 Raspored vlakana za ojačavanje: a) jednoslojno slaganje, b) slaganje u slojevima (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. oja-čani štapovi). Većinom se kompoziti izradjuju u višeslojnom obliku, tj. u obliku laminata (sl. 14.23b, c, d), ili sendvič konstrukcija (sl. 14.24). Vlakna se povezuju medjusobno kao i izmedju slojeva pomoću termoreaktivnih smola čijim se očvršći-vanjem dobija matrica, odnosno osnova odgovarajućeg duroplasta.

Pojedini slojevi mogu biti kom-binacije dva ili više materijala (hibri-dni kompoziti). Struktura u obliku sendviča ima jezgro male težine izra-djeno u obliku pčelinjeg saća (sl. 14.24). Limovi se najčešće izradjuju od aluminijuma, a saće od staklenih vlakana, aramidnh vlakana i papira, povezanih epoksi smolom. Kad se će-lije ispune staklenom vunom ili pena-stim poliuretanom dobijaju se obloge za termičku i antizvučnu izolaciju. Jezgro je smešteno izmedju limova od tankog materijala velike jačine.

Ovako kombinovana struktura ima oko 4% veću jačinu i krutost nego čelični I-profil i oko 2.5 puta veću jačinu od čelika punog pravougaonog poprečnog preseka. Tanki limovi koji oblažu saćastu konstrukciju mogu biti od različitih materijala, pa i od bora. Jezgro mora biti lako i dovoljno kruto da spreči deformacije usled delo-vanja spoljnih sila ili momenata.

14.2.2 Fabrikacija kompozita

Proizvodnja delova od kompozita može se izvesti: presovanjem, injekcionim livenjem, vučenjem-ekstruzijom i namotavanjem filamenata. Postupak presovanja uglavnom se odnosi na pločaste oblike, a injekciono livenje na noseće delove kons-trukcije ili sendvič konstrukcije. Vučenje-ekstruzija se koristi za izradu proizvoda konstantnog poprečnog preseka. Namotavanje filamenata primenjuje se pri izradi okruglih delova, kao npr. cevi.

Proces presovanja zahteva prethodnu impregnaciju (uvodjenje veziva) ojačiva-ča koji se potom pakuje u kalupnu šupljinu, tj. repliku (odraz) finalnog produkta. Ovako spakovani slojevi smolom impregniranih ojačavača 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).

Slika 14.24 Sendvič struktura kompozita


359

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

U toku presovanja na povišenoj temperaturi nastaje i polimerizacija termoreak-tivne smole. Na ovaj način stvara se matrica duroplasta koja povezuje vlakna.

Kompozit se može i ručno oblikovati u kalupu. Najpre se na zidove kalupa na-nosi polučvrsti premaz, poliestera, a zatim ubacuje ojačavač u obliku tkanine od staklenih vlakana. Matrična smola izmešana sa katalizatorom uvodi se u kalup bilo livenjem ili premazivanjem četkom. Kad su potrebni deblji zidovi, dodaju se sta-klene tkanine sa labavom osnovom i potkom. Ovim postupkom prave se trupovi čamaca, rezervoari za gorivo, zaštitne obloge motora i gradjevinske ploče.

Injekciono livenje smole izvodi se u dvodelnom kalupu pošto se u njega pret-hodno unese odgovarajući materijal za ojačavanje i zatim spoje gornji i donji deo kalupa (sl. 14.26). Šupljina u livenom komadu dobija se pomoću grafitnog jezgra koje se posle očvršćivanja kompozita, lako razbija i istresa iz finalnog proizvoda.

Ubrizgavanjesmole

Pritisak

Grafitno jezgro

Pritisak

Pokretni deokalupa

Vazduh

Profilna cev

a) b)

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

Vučenje-ekstruzija (sl. 14.27) je postupak koji se sastoji iz provlačenja paralel-nih vlakana kroz kupatilo smole, pa njihovog prolaska kroz komoru za zagrevanje i zatim ekstruzije (istiskivanja) kroz odgovarajuće profile. Ekstrudirani profili seku se na odredjenu dužinu. Na ovaj se način proizvode šipke, oluci, cevi i profilne ce-vi.


360

Slika 14.27 Postupak vučenja-ekstruzije kompozita

Namotavanje filamenata (sl. 14.28) sastoji se iz faze provlačenja tankih niti ojačavača kroz kupatilo smole, faze izlaska niti, njihovog upredanja i na kraju faze namotavanja. Sve ove faze odvijaju se kon-tinualno, 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, po-sude za hemijske procese, sudovi pod priti-skom, obloge raketnih motora i tsl.

DEFINICIJE I DOPUNE:

Polimeri: veštačke materije amorfne strukture koje se jednom rečju nazivaju plas-tike. Kao finalni proizvod plastika je u čvrstom stanju, ali je u nekoj fazi oblikova-nja tečenjem bila u testastom stanju. Oblikovanje tečenjem: tehnika kojom se plastika od početnog 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 plastičnih masa i njihovim seckanjem.

Slika 14.28 Izrada cevi od kompozita


361

Smola: čvrsta ili polutečna organska polimerna materija neodredjene molekulske mase; može da teče i ima širok temperaturski interval očvršćivanja. Reč je uglav-nom 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 ma-terijala. Ojačana plastika: plastika čija je jačina znatno povećana 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 poprečnim spajanjem lančastih molekula. Oni se ne mogu ponovo ras-topiti i preoblikovati jer se pri naknadnom zagrevanju nepovratno razlažu (fenoli, nezasićeni poliestri, epoksidi). Monomer: prosto molekulsko jedinjenje koje se može kovalentno povezivati i formirati lančaste molekule (npr. etilen). Mer: jedinica koja se ponavlja u lančastom 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 ug-ljenik i vodonik. Polimerizacija: hemijska reakcija pri kojoj se obrazuju makromolekuli od više is-tih ili sličnih monomera; zbog toga se zove i adiciona polimerizacija čiji su produk-ti npr. vinil-hlorid, polistiren. Kopolimerizacija: proces povezivanja dva ili više različitih monomera. Polikondenzacija: proces povezivanja istih ili različitih molekula praćen 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 različitim postupcima i prevode u granule, ljuspice, prah ili tečnost, koje se dalje preradjuju u finalne proizvode. Temperatura prelaska u staklasto stanje: srednja vrednost temperaturskog inter-vala u kome pri hladjenju zagrejani termoplasti prelaze od gumastog u staklasto stanje. Plastifikatori: suspenzije dodate pri izradi plastika radi povećanja tečljivosti i smanjenja krtosti. Punilac: inertna i jevtina supstancija koja se dodaje polimerima da bi se smanjila cena krajnjeg proizvoda; pritom se može povećati jačina, otpornost na udar i haba-


362

nje. Kao punioci uglavnom se upotrebljavaju: metalni prah, čadj, lika, kameno i dr-veno 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 pri-tisku sve dok ne očvrsne. Posredno presovanje: postupak oblikovanja duroplasta u kome se polazna smeša najpre omekšava zagrevanjem u komori za punjenje, a zatim se potiskuje pod veli-kim pritiskom u kalupnu šupljinu radi završnog očvršćivanja. Presovanje ploča: postupak oblikovanja višeslojnih ploča (laminata) u preserskom alatu; pritom se može ostvariti različit raspored masa prema konstrikcionim zahte-vima. Brizganje: proces oblikovanja pri kome se zagrevanjem omekšana plastika potis-kuje u hladnu kalupnu šupljinu koja odgovara finalnom proizvodu. Ekstruzija: potiskivanje omekšanog plastičnog materijala kroz profilisani otvor iz kojeg izlazi kontinualni profil koji se seče na standardizovane dužine. Duvanje: metod oblikovanja u kome se zagrejano plastično crevo potiskuje uz zi-dove kalupa dejstvom komprimovanog vazduha; ovako se masovno proizvode pla-stične flaše. Sinterovanje: presovanje na hladno zrnaste poliamidne plastike i zatim zagrevanje otpreska u ulju (220-250ºC/2h). Kalander (frc.): mašina sa glatkim valjcima za glačanje hartije i tkanina. Kalandrovanje: izrada plastičnih folija od granula koje se zagrevaju u rezervoaru i prelaze u stanje plastičnosti; u tom stanju obavlja se valjanje izmedju obrtnih valja-ka 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, poli-amidi, epoksidne smole i silikoni. Polimerizacione plastike: to su polietilen, polivinil-hlorid, akrilne smole, poliure-tan. Elastomeri (gume): polimeri koji se odlikuju velikom elastičnom deformacijom pre kidanja, koja potpuno nestaje kad se guma rastereti. Prirodni kaučuk: polimerni materijal koji se dobija iz mlečnog soka (lateksa) gu-menog drveta. Sintetički kaučuk: dobija se polimerizacijom butadijena, kao i njegovih derivata. Vulkanizacija: hemijska reakcija koja dovodi do poprečnog spajanja (umrežava-nja) polimernih lanaca; prvobitno se vulkanizacija odnosila samo na povezivanje


363

sumporom, a danas se tim terminom označava i poprečno spajanje polimera u ne-kim 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 elastične energije potrebne za deformaciju, i energije koja se oslobadja pri rasterećenju; deo elastične energije prelazi u toplotu zbog unutrašnjeg trenja, što omogućava amortizovanje udarnih opterećenja. Elasti-čni oslonci za vešanje motora u automobilu prave se od tvrde gume. Kompozitni materijali: materijali izradjeni od dve ili više komponenti koje se raz-likuju po obliku i hemijskom sastavu, a nerastvorljive su jedna u drugoj. Plastike ojačane vlaknima: kompozitni materijal koji se sastoji od poliesterskih ili epoksidnih smola ojačanih staklenim, ugljeničnim ili aramidnim vlaknima. Plastič-na osnova povezuje vlakna u jednu celinu, što kompozitima daje veliku jačinu i krutost. Staklena vlakna tipa E: vlakna proizvedena od borosilikatnog stakla E-tipa (elek-trično), najviše se upotrebljavaju za ojačavanje kompozita. Staklena vlakna tipa S: vlakna od MgO-Al2O3-SiO2 stakla upotrebljavaju se za kompozite od kojih se traži veoma velika jačina. Ugljenična vlakna: vlakna koja se proizvode od poliakrilonitrila ili katrana koji se dobija pri suvoj destilaciji drveta. Aramidna vlakna: vlakna proizvedena od aromatičnih (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 (najčešće aluminijumska) izmedju kojih se nalazi saćasta konstrukcija od epoksi smole oja-čane staklenim vlaknima. Presovanje kompozita: postupak oblikovanja smole i ojačivača u kalupu pod dejs-tvom pritiska i toplote. Injekciono livenje kompozita: postupak kontinualnog livenja profilnih cevi u dvodelnom kalupu; u kalup se najpre unosi ojačivač, a zatim ubrizgava smola. Vučenje – ekstruzija kompozita: postupak koji se izvodi provlačenjem paralelnih vlakana kroz smolu i ekstruzijom tako namočenih vlakana kroz profilisane otvore. Namotavanje filamenata: postupak izrade cevi od plastika ojačanih vlaknima ko-ja se najpre impregniraju smolom, a potom namotavaju na vreteno.


364

PITANJA:

1. Definisati polimerne materijale: plastike, elastomere. 2. Termoplasti, duroplasti i organske smole. 3. Poreklo i struktura polimernih materijala. 4. Opisati procese polimerizacije, kopolimerizacije i polikondenzacije. 5. Dodaci plastičnih masa i njihova uloga. 6. Metodi prerade plastičnih masa. 7. Proizvodi prirodnih makromolekula (celuloze, galalita, prirodnog kaučuka). 8. Produkti polikondenzacije i polimerizacije. 9. Proizvodi prirodnog i veštačkog kaučuka. 10. Tehnološki proces proizvodnje prirodne gume. 11. Koji sastojak utiče da guma bude meka ili tvrda? 12. Šta je histerezis gume? 13. Osnovne grupe veštačkih guma. 14. Definisati kompozitne materijale, matricu i ojačivače. 15. Razlika u svojstvima kompozita dobijenih zrnastim i vlaknastim ojačivačima. 16. Vrste vlaknastih ojačivača. 17. Kako se dobija kompozitna konstrukcija zvana sendvič? 18. Metodi fabrikacije kompozita u laminate, profilne cevi i okrugle cevi.

polimerni i kompozitni materijali · dobija se polimer (od grčke reči polis = mnogo, meros = deo)...

Documents