ПОЛИМЕРИ И ПЛАСТИЧНЕ МАСЕ Увод: Основни појмови, подела, дефиниција

Transcript

1 Увод: Основни појмови, подела, дефиниција Сложене органске супстанце, које се добијају хемијском синтезом једноставнијих једињења, познатих под именом мономери. Деле се на природне и вештачке. У природне, спадају, нпр. протеини, целулоза и још нека једињења. Предмет разматрања у овом поглављу, међутим, биће само вештачки полимери, који се још називају и синтетичке смоле (поседују мању или већу тврдоћу, лепљивост, способност омекшавања на повишеним температурама, одређену прозирност, итд., услед чега много подсећају на природне материјале које обично зовемо смоле восак, ћилибар, битумен, природни каучук и др.) Припадају категорији високомолекуларних једињења, тј. једињења сa молекулиma од неколико стотина до неколико хиљада атома, због чега се зову макромолекули Макромолекули се, уствари, састоје од великог броја структурних јединица које се вишекратно понављају.

2 Увод: Структурна формула поливинилхлорида На пример, у случају полимера поливинилхлорида структурна формула има следећи облик: Поливинилхлорид, као полимер, добија се хемијском синтезом мономера (нискомолекуларног једињења) винилхлорида n је oдређен, релативно велики број који се често назива степен полимеризације Баш због овакве структуре, полимери су и добили назив. Наиме: поли много мерос део

3 This image cannot currently be displayed. ПОЛИМЕРИ И ПЛАСТИЧНЕ МАСЕ Увод: Полимеризација Полимеризација представља реакцију добијања полимера из одговарајућих мономера, тако да у општем случају важи релација: n M M n

4 This image cannot currently be displayed. ПОЛИМЕРИ И ПЛАСТИЧНЕ МАСЕ Увод: Врсте полимеризације Адициона полимеризација Подразумева чисту адицију (повезивање, сабирање) и то: а истих мономера (полимеризација хомологног типа) или b различитих мономера (полимеризација кополимерног типа), тако да се на овај начин добијају полимери са структурним формулама које се у општем случају могу приказати на следећи начин: а) А + А + А +... А А А..., b) А + B + А + B +... А B А B... Макромолекули у полимерима имају исте елементарне саставе (хемијске саставе) као и полазни мономери, при чему се добијају потпуно нове супстанце, које се по својим својствима битно разликују од полазних мономера. Адициона полимеризација може се иницирати повећаном температуром, повећаним притиском или помоћу одређених катализатора.

5 Увод: Врсте полимеризације Кондензациона полимеризација Представља реакцију полимеризације између два мономера, при којој се, за разлику од случаја адиционе полимеризације, добија полимер који се по хемијском саставу битно разликује од састава исходних мономера, а као резултат ове реакције јављају се и одређени нискомолекуларни нузпродукти: вода, хлороводоник и још нека друга једињења. С обзиром на то, реакција кондензационе полимеризације у општем облику може да се прикаже на следећи начин: А + B AB + нузпродукти Као пример може да послужи реакција етиленгликола и адипинске киселине, чији је резултат полимер полиестер:

6 Увод: Молекулска маса полимера Без обзира да ли се ради о адиционој или кондензационој полимеризацији, у процесу синтезе полимера, због сразмерно великог степена полимеризације n практично је немогуће добити све потпуно једнаке макромолекуле. Зато се може говорити само о средњим вредностима молекулских маса. Ово је једна од битних разлика између полимера и одговарајућих мономера, које, као нискомолекуларна једињења, увек карактерише тачно одређена молекулска маса. Као полимери условно се третирају оне супстанце код којих је у оквиру молекула (макромолекула) присутно најмање 1000 атома. Из тих разлога полимери имају врло велике молекулске масе у појединим случајевима и преко

7 Структура полимера Полимери представљају на нормалним температурама чврсте супстанце, при чему исходни мономери могу да буду у сва три агрегатна стања. Структура полимера је у општем случају аморфна, што значи да у овим супстанцама не постоји неки правилан распоред честица изграђивача. Код полимера се као честице изграђивачи јављају макромолекули, који по облику могу да буду линеарни, разгранати и мрежасти (умрежени) Сл а), b) и c). Сви ови облици макромолекула имају у полимерима потпуно хаотичне распореде, при чему између суседних макромолекула делују међумолекулске силе. Постоје, међутим, и полимери код којих један део макромолекула има известан уређен поредак, дакле упоредо са аморфном, појављује се и кристална структура. Овакви полимери се називају кристални полимери или кристалити.

8 Структура полимера Полимери који се састоје од линеарних макромолекула, као и од разгранатих макромолекула који нису повезани са суседним макромолекулима, називају се општим именом линеарни полимери. Ову врсту полимера карактеришу слабе силе међудејства између макромолекула, што се одражава и на низ њихових својстава. Полимери ове врсте могу да се схвате као скуп линијских или разгранатих елемената, који се састоје од великог броја истих (код полимера хомологног типа - Сл a), или различитих сегмената (код полимера кополимерног типа - Сл b), спојених гипким везама (Сл је са претх. слајда). Полимери који се састоје од мрежастих (умрежених) макромолекула, или полимери код којих су линијски елементи макромолекули међусобно спојени попречним везама (гранама), називају се просторни полимери или умрежени полимери. Код ових полимера постоје јединствени просторни скелети, услед чега се они теже деформишу и у већој мери него линеарни полимери задовољавају дефиницију чврстог тела.

9 Структура и понашање полимера при загревању Структура полимера линеарна или мрежаста (умрежена) нарочито се одражава на њихово понашање при загревању. У вези са понашањем при загревању, полимери се најчешће деле на термопластичне полимере и термостабилне полимере. Термопластични полимери су полимери који се при загревању размекшавају, а затим и топе, при чему након хлађења поново очвршћавају, задржавајући своја основна својства. Размекшавање и стврдњавање може се поновити више пута, без мењања техничких карактеристика. Овакво понашање имају, углавном, линеарни полимери, код којих повећање температуре условљава како већу покретљивост између појединих сегмената у макромолекулима, тако и слабљење веза између самих макромолекула. С обзиром на изложено, може се закључити да физичка стања линеарних полимера битно зависе од температуре: при релативно ниским температурама, које не прелазе ниво Т s, тј. за Т < Т s полимери су у тзв. стакластом (чврстом) стању.

10 Структура и понашање полимера при загревању При температурама Т>Т s полимери прелазе у тзв. Високоеластично стање, које задржавају све до температура Т t, а при Т>Т t у вископластично (вискозно пластично) стање, које води ка лому. Ове промене физичких стања могу да се прате на термомеханичкој кривој = (Т) Термомеханичка крива добија се тако што се узорак полимера са степеном полимеризације n и молекулском масом М n изложи сразмерно малом напону затезања =const и постепеном повећању температуре, почев, нпр. од собне температуре Т 0.

11 Структура и понашање полимера при загревању T 0 <T<T s подручје хуковских деформација подручје стакластог стања T s <T<T t подручје високоеластичних деформација (функција степена полимеризације М n ) T >T t подручје вископластичних (вискозно - пластичних) деформација. За примену у грађевинарству свакако је од највећег интереса подручје стакластог стања, у коме се ови полимери понашају (углавном) као и већина других грађевинских материјала.

12 Структура и понашање полимера при загревању Структура линеарних (неумрежених) полимера има великог утицаја на сва њихова својства: а) Позитивна својства Ниска специфична маса ( kg/m 3 ), Ниска топлотна и електро проводљивост, Висока хемијска отпорност. б) Негативна својства Непостојаност на повишеним температурама, Кртост на нижим температурама, Низак модул еластичности, Велике деформације течења и при нижим напонима, Склоност ка старењу (погоршање тех. карактеристика

13 Структура и понашање полимера при загревању Термостабилни полимери Полимери који се у фази добијања такође састоје од линеарних или разгранатих макромолекула, али који загревањем могу само једном да омекшају (пређу у пластично стање), пошто код њих на повишеним температурама долази до повезивања макромолекула у попречном правцу. На тај начин добијају се мрежасти (умрежени) макромолекули и читава маса има структуру мреже са различитим величинама отвора. Овакви полимери називају се још и умрежени полимери.

14 Структура и понашање полимера при загревању Термостабилни полимери Стварањем мрежасте структуре, физичко механичка својства термостабилних полимера суштински се мењају, у односу на својства термопластичних (линеарних) полимера: Губе способност растварања у растварачима и способност прелаза у пласт. стање при поновном загревању, Добијају већу тврдоћу и чврстоћу, Показују мање деформације течења под утицајем константних напона, На повишеним температурама трпе деформације које су у сагласности са конкретним вредностима термичких коефицијената линеарног ширења.

15 Механичка својства полимера Као показатељи механичких својстава полимера најчешће служе: чврстоћа при затезању, притиску и савијању, релативна издужења при прекиду, као и модули еластичности. За примену у грађевинарству термопластични, али исто тако и термостабилни полимери, испитују се искључиво на темпераурама из подручја стакластог стања (-20 до C), tj.: Т<T s. Испитивања на затезање врше се на штапастим (тракастим) или на ослабљеним узорцима (сл. 10.5) при чему се мере и деформације, ради цртања - дијаграма, за одређену температуру при испитивању T b < Т s (Сл. 10.4).

16 Механичка својства полимера Фотографије узорака једног термопластичног полимера након кидања

17 Механичка својства полимера Радни ( - ) дијаграм термопластичних полимера (слика доле лево) има три подручја: Подручје I: Подручје праве, хуковске еластичне деформације Подручје II: Осим правих еластичних, материјал трпи и тзв. принудне еластичне дилатације. Напон pe дефи - нише се као граница принудне еластичности. Величина овог подручја, у коме материјал има врло велике деформације (високоеластичне деформације) функција је температуре Т j на којој се врши испитивање (видети слику). Подручје III: Најпре хуковска еластичност, а затим пластична дефoрмација.

18 Механичка својства полимера Посматрајући - дијаграме са претходног слајда, односно тачке максималних напона у оквиру дијаграма, може се лако дефинисати зависност f z =f z (T), која је приказана овде, на сл Сличан облик имао би и дијаграм: f p =f p (T))

19 Механичка својства полимера Радне, - дијаграме термостабилних полимера углавном карактерише монотоност, што значи да се приликом испитивања ових полимера на затезање добијају - криве које одговарају слици Поново се истиче да овакво понашање полимери имају на нормалним (радним) температурама, при чему су, у зависности од нивоа температуре, могуће извесне варијације чврстоћа, модула еластичноссти и дуктилности. По правилу, са повећањем температуре долази до опадања чврстоћа и модула еластичности, као и до повећања дуктилности.

20 Реолошка својства полимера Скупљање полимера у општем случају запажа се само током процеса њиховог добијања на почетку живота материјала. Оно је искључиво последица хемизама који се одигравају током процеса полимеризације. Величине укупних деформација (еластичнa деформациjа + деформациjа течења), као и величина релаксације, функција су врсте полимера, величине напона и нивоа температуре Укупне деформације Течење Релаксација

21 Врсте термопластичних полимера Коришћене скраћенице: - HI=хидроизолације, -STO=санитетско техничка опрема, -UVZ=ултравиолетно зрачење -VDP=водонепропустњивост

22 Врсте термостабилних полимера Фенолалдехиди: (у примени највише фенолформалдехиди) Тврде и крте супстанце, светло-мрке или тамно-мрке боје, γ= kg/m 3, добро се мешају са разним пуниоцима (струготина, хартија, тканина) чиме добијају већу чврстоћу и мању кртост; као лепкови за водоотпорне фурнире и за производњу слојевитих пластичних маса. Епоксиди: f z =40-80 MPa, f p = MPa, мала жилавост (δ=2,5%-8%), до C, велика хемијска отпорност; користе се као лепкови за бетон, камен, дрво, челик, за индустр. подове, хидроизолације, за полимербетоне, инјектирања прлина у бетону, камену и др. Полиестри (незасићени полиестри): f p =30-70 MPa, f p = MPa, γ= kg/m 3, при дужем деловању воде: пад чвртоће и до 40%; за покривање кровова, цистерне, резервоаре и др.

23 Врсте термостабилних полимера Полиуретани: Највише у облику порозних (експандираних) термоизолационих, мекших или тврђих материјала (γ= kg/m 3 ). Силицијум-органски полимери (силикони) посебна група полимера са силицијумом: а) Са нижим молекулским масама као хидрофобни премази (за фасаде), а додају се малтерима и бетона за повећање хидрофобности, б) Са вишим молекулским масама (умрежени) велике крутости и отпорности на Т= C; за ватроотпорне лакове и емајле, такође и за производњу лепкова и разних порозних пластичних маса.

24 Каучук (еластомери) и гума

25 Каучук (еластомери) и гума Типична - крива за каучук, за случај испитивања затезањем, приказана је на сл , са које се види следеће: Материјал се не потчињава Хуковом закону, По растерећењу узорака деформација се брзо губи, а повратни део - криве је практично истоветан делу који одговара фази оптерећења, Гранична деформација (при кидању) је врло висока ( %), Тангентни модул еластичности мења се у врло широким границама ( МPa).

26 Пластичне масе: Појам и састав

27 Пластичне масе: Појам и састав

28 Пластичне масе: Основна својства

29 Пластичне масе: Примена пластичних маса

30 Полимербетони

31 Бетонполимери

32 Полимерни латекси и материјали (системи) типа ПММ и ПMБ Полимерни латекси су течности које се добијају дисперговањем у води одређених полимера (латекс водена дисперзија неког полимера). Полимерне честице (дисперзиона фаза), присутне у води (дисперзионој средини) величине су m и могу да буду полимерне (хомологне) или кополимерне структуре. Од свих типова латекса најширу примену, због техничко-технолошких, али и економских разлога, имају следеће врсте: Латекси на бази природног каучука, Латекси на бази синтетичког каучука (бутадиенстиролног, полихлоропренског), Термопластични латекси (полиакрилни естар, поливинилацетат, полиетиленвинилацетат).

33 Полимерни латекси и материјали (системи) типа ПММ и ПМБ Полимерни латекси се у грађевинарству примењују као својеврсни додаци малтерима и бетонима, пошто се путем њих врло ефикасно може утицати на многа својства ових материјала, у свежем и очврслом стању. Добијају се композитни материјали (системи) малтери и бетони, са значајно побољшаним својствима, у односу на класичне малтере и бетоне. Овакви малтери и бетони третирају се као посебне цементне композиције полимерима модификовани малтери (ПММ) и полимерима модификовани бетони - ПМБ. Применом оваквих додатака малтерима и бетонима умногоме се отклањају познати недостаци класичних малтера и бетона ниска чврстоћа при затезању, изражена кртост, недовољна отпорност на поједине хемикалије и др. (Наставак на следећем слајду!)

34 Полимерни латекси и материјали (системи) типа ПММ и ПМБ Објашњење оваквог деловања лежи у структури оваквих композита у чињеници да у њима долази до спрезања две матрице: - Неорганске (у виду цементног камена) и - Органске (у виду продуката полимеризације). Неорганска матрица систему битно опредељује f p и тврдоћу, а органска f z, жилавост, хемијс. отпорност. Учешће латекса у композитима типа ПММ и ПМБ најчешће се изражава путем полимерцементног односа полимерцементног фактора, водећи рачуна да овај однос исказује садржај самог полимера, а не и воде у којој је дати полимер диспергован. Количина воде у оваквим системима дисперзијама најчешће износи %.

35 Поступци добијања производа од пластичних маса које се користе у грађевинарству