7. Polimeri 7.1 143 Osnove polimera
7.1.1 147 Graa polimera7.1.2 149 Karakteristike polimera7.1.3 153 Izrada proizvoda od polimera7.1.4 156 Primjeri primjene
7.2 158 Plastomeri7.2.1 158 Polietilen PE7.2.2 159 Poli(vinil-klorid) PVC7.2.3 160 Poliamid PA7.2.4 161 Teflon PTFE
7.3 162 Duromeri7.3.1 162 Nezasieni poliester UP7.3.2 163 Epoksid EP
7.4 163 Elastomeri7.4.1 163 Prirodni kauuk7.4.2 164 Sintetiki kauuk
7.5 165 Starenje polimernih materijala7.5.1 166 Promjene mehanikih svojstava tijekom vremena7.5.2 166 Ouvanje okoline
7.1 Osnove polimera Rije polimer je sloenica koja potjee od grkih rijei: (poli) mnogo i
(meros) dio. Prema tome, polimer je materijal koga gradi mnogo dijelova, na razini vrlo veli-kih molekula makromolekula.
Polimerima se nazivaju materijali koje formiraju organske makromolekule, koji nastaju uspostavljanjem kemijskih veza jednostavnijih molekula organskih spojeva monomera. Na primjer, makromolekula polietilena (PE) dobiva se spajanjem molekula etena (etilena):
n C2H4 (C2H4)n n molekula etena formira makromolekulu polietilena
Plastinim masama se nazivaju polimeri s dodacima za prilagodbu uvjetima koritenja.
Ovisno o potencijalnim korisnicima, u literaturi se polimeri opisuju na razliite naine, od jednostavnih tekstualnih zapisa do vie ili manje detaljnih slikovitih shema.
PET poli(etilen tereftalat) (ambalaa povratne boce)
(C10H8O4)n (COC6H4COOCH2CH2)n
144 MATERIJALI
Zbog vrlo velikog broja atoma sadranih u makromolekuli polimeri imaju vrlo velike relativne molekularne mase, koje premauju 1 000 000 (vodik 1, ugljik 12). Meutim, makro-molekule su polimernih materijala razliitih veliina te se opisuju sa srednjim vrijednostima RAMsr , koje bi u tonijem opisu trebao pratiti i podatak o rasipanju oko srednje vrijednosti (standardna devijacija, ).
Veliine makromolekula polimera mogu se opisati i stupnjem polimerizacije (udio ili pos-
totak), kao i prosjenim brojem monomera koji formiraju makromolekule polimera (nsr , ). Prema nastanku i pojavljivanju u prirodi razlikuju se:
Prirodnim polimerima pripadaju proteini, enzimi, krob i celuloza. Oni su biljnog i ivo-
tinjskog porijekla (koa, svila). Prirodni polimerni materijali biljnog porijekla (smole razliitih dr-vea) su:
Kauuk Jantar Kolofonij elak
ezdesetih godina pretprolog stoljea je iz prirodnih komponenti industrijskom sinte-
zom proizveden celuloid (celuloza + duina kiselina celulozni nitrat + kamfor), koji je naao iroku primjenu prije svega kao zamjena za slonovau (npr. bilijarske kugle, nakit, eljevi, dugmad, lutke). Meutim, zbog lake zapaljivosti i tekog gaenja (sadri i gorivo i kisik), danas se rijetko koristi,
07 Polimeri 145
ali se od njega jo uvijek izrauju loptice za stolni tenis. etrdesetak godina nakon celuloida poinje industrijska sinteza (fenol + formaldehid) prvog umjetnog polimernog materijala bake-lita. Meutim, izradak od bakelita (duromer) nije bilo mogue zagrijati i preoblikovati kao izra-dak od celuloida (plastomer).
Celuloid Bakelit
Danas grupi najvie koritenih sintetskih polimernih materijala, pored PE-a i PET-a pripadaju PVC i PP.
Prema ponaanju pri zagrijavanju i elastinim svojstvima razlikuju se:
Plastomeri pri porastu temperature omekavaju (formiran komad se moe zagrijati i preobliko-
vati, a po hlaenju poprima prvobitna svojstva) te se potom, pri opadanju temperature skruuju. Duromeri se pri rastu temperature ne omekavaju (formiran komad se ne moe preoblikovati
pri dovoljno visokim temperaturama dolazi do spontane razgradnje te izgaranja).
Elastomeri imaju izraena elastina svojstva. Elastoplastomeri imaju elastina svojstva kao elastomeri, a pri rastu/opadanju tempera-
ture se omekavaju/skruuju kao plastomeri. esto se duromeri i plastomeri nazivaju plasti-nim masama, a elastomeri i elastoplastomeri gumama.
U tablici su obuhvaeni najee koriteni polimeri. Navedene oznake polimera izvede-ne su iz njihovih naziva na engleskom jeziku i meunarodno su prihvaene.
Oznaka Naziv na hrvatskom Vrsta1 Oznaka Naziv na hrvatskom Vrsta1
ABS akrilnitril/butadien/stiren P, K PI poliimid P ASA akrilnitril/stiren P, K PIB poliizobutilen P BR butadienski kauuk E PMMA poli(metil-metakrilat) (pleksiglas) P
146 MATERIJALI
CA celulozni acetat P POM poli(oksimetilen) P CN celulozni nitrat (celuloid) P PP polipropilen P CR polikloroprenski kauuk E PPO poli(fenilen oksid) P EP epoksidna smola D PPS poli(fenil-sulfid) P NBR akrilonitril/butadien kauuk E, K PS polistiren (polistirol) P NR prirodni kauuk E PSU polisulfon P PA poliamid (najlon) P PTFE poli(tetrafluor-etilen) (teflon) P PBT poli(butilen-tereftalat) P PUR poliuretan (linearni) EP PC polikarbonat P PVC poli(vinilklorid) P PE polietilen P PVDF poli(viniliden-fluorid) P PEEK poli(eter-eter-keton) P SAN poli(stiren/akrilonitril) P, KPEI poli(eter-imid) P SBR stiren-butadien kauuk E, KPET poli(etilen-tereftalat) P TPUR poliuretan (elastoplastomerni) EP PF fenol-formaldehidna smola (bakelit) D UP nezasiena poliesterska smola D Oznaka Naziv na hrvatskom Vrsta1 Oznaka Naziv na hrvatskom Vrsta1
1 P plastomer, D duromer, E elastomer, EP elastoplastomer, K kopolimer
Prema primjeni, cijeni i proizvedenim koliinama mogu se razlikovati:
Masovne plastine mase (plastomeri) koriste se u izradi umjereno mehanki, toplinski i
elektrino optereenih proizvoda (ambalaa, kuita, graevinarstvo), niske su cijene i proizvode se u vrlo velikim koliinama.
Inenjerske plastine mase koriste se pri veim mehanikim, toplinskim i/ili elektri-nim optereenjima, vie su cijene i proizvode se u manjim koliinama od masovnih.
Specijalne plastine mase koriste se pri velikim mehanikim, toplinskim i/ili elektri-nim optereenjima, vie su cijene i proizvode se u manjim koliinama od inenjerskih.
07 Polimeri 147
2002. godine su bili sljedei udjeli koritenih polimera u svijetu (ukupno, 210106 tona):
Od danas koritenih polimernih materijala (preko 10 000 komercijalnih), s masenim udje-
lom od 80 %, dominira grupa s pet masovnih plastomera: PE, PET, PS, PP i PVC. Slijedi skupina konstrukcijskih polimera PA, PC i ABS, a iri se i primjena polimernih smjesa.
U odnosu na metale i keramike, polimeri imaju niz prednosti i nedostataka:
Prednosti Nedostaci male male i e0 deformabilne su pri povienim dobro guenje vibracija dobra kemijska postojanost mali faktori trenja dobra otpornost na troenje lako oblikovanje lako bojenje ekonomina serijska izrada proizvoda
mali Rm , Rm,t i tvrdoa mali E male i e0 velike laka zapaljivost utjecaj prerade na svojstva ovisnost svojstava o vanjskim utjecajima podlonost starenju neekonomina izrada manjeg broja
proizvoda Svojstva polimera u znaajnoj se mjeri korigiraju prikladnim dodacima ( plastine mase).
7.1.1 Graa polimera Makromolekule su polimera formirane od monomera:
PE PP PS PVC PTFE PMMA PF
PA PET PF
Struktura polimera Monomeri lanaca linearnih polimera uzajamno su povezani kovalentnim vezama dok su
lanci uzajamno povezani van der Waalsovim silama. Pri formiranju granatih polimera dolazi
148 MATERIJALI
mjestimino do bonog odvajanja grana koje su kovalentno povezane s osnovnim lanacem. Linearne i granate oblike formiraju brojni plastomeri, na primjer: PE, PP, PS, PVC, PTFE, PMMA, PA. Kod poprjeno vezanih polimera, tipinih za elastomere, susjedni osnovni lanci polimera mjestimino su povezani kovalentnim vezama. Prostorno umreene strukture poli-mera formiraju monomeri s tri vezna atoma C, na primjer, PF.
Polimer linearni granati poprjeno vezani umreeni
Polimeri koje formira samo jedna vrsta monomera nazivaju se homopolimerima, a po-
limeri koje formiraju dvije ili vie vrsta monomera kopolimeri. U pravilu se u nazivima po-limera podrazumijevaju homopolimeri (PVC poli(vinil-klorid)), dok se kopolimeri naglaavaju (PVC poli(vinil-klorid)-kopolimer).
Svojstva se polimera mogu prilagoditi zahtjevima kopolimerizacijom:
Kopolimer nasumini naizmjenini blok cijepljeni
Dalja prilagodba svojstava polimera moe se postii mijeanjem razliitih vrsta polime-ra, na primjer: PC/ABS, PC/ABS.
Osim amorfnih struktura (nepravilan prostorni raspored) kod polimera se mogu formirati i strukture s pravilnim rasporedima molekula kristalne strikture, a zastupljenost kristalnih struktura polimera moe biti 0 95%.
Ilustracija struktura polimera amorfna mjeovita amorfno/kristalna
Dodaci polimerima Jednokomponentni polimeri rijetko se primjenjuju u tehnici. U pravilu, radi bolje prila-
godbe svojstava polimera zahtjevima te smanjenja cijene i produljenja vijeka trajanja proiz-
07 Polimeri 149
voda, osnovna se komponenta mijea s pogodnim dodacima. Na primjer, za poboljanje savit-ljivosti dodaju se osnovnoj komponenti platifikatori teko hlapljiva organska otapala.
Prema prirodi dodatka razlikuju se skupine dodataka:
Naziv skupine dodataka Primjeri kemijski aktivne tvari umreavala, pjenila, dodaci za smanjenje gorivosti modifikatori mehanikih svojstava dodaci za poveanje: Rm , E i K IC ili omekavala modifikatori povrinskih svojstava dodaci za smanjivanje neravnina, regulatori adhezivnosti, antistatici modifikatori optikih svojstava bojila, pigmenti poboljavai oblikovljivosti regulatori viskoznosti, toplinski stabilizatori, odvajala poboljavai postojanosti svjetlosni stabilizatori, antioksidanti, biocidi dodaci za smanjivanje cijene punila (drvno i kameno brano) ostali dodaci mirisi, dezodoransi
etiri su primjera dodataka: 1. Punila poboljanje mehanikih svojstava i oblikovljivosti snienje cijene proizvoda
anorganska punila prahovi: spraeni anorganski spojevi (CaCO3, MgCO3, CaO i ZnO), vlakna: staklena, mineralna;
organska punila: prahovi: drvo, plastini otpad, vlakna: prirodna, sintetika
2. Stabilizatori usporavanje (sprejeavanje) starenja razgradnje polimera tijekom vremena UV stabilizatori ometaju tetni utjecaj ultraljubiastog zraenja (Sunce), antioksidansi ometaju tetni utjecaj kisika (atmosfera).
3. Bojila poboljanje vizualnog izgleda proizvoda (cijela masa materijala ili povrina proizvoda) anorganska organska
4. Maziva sprjeavanje lijepljenja proizvoda za povrine alata koji se koriste u njihovoj izradi (ulja i voskovi): mineralna (proizvedeni preradom nafte) prirodna (biljnog/ivotinjskog porijekla) 7.1.2 Karakteristike polimera
Karakteristike plastine mase ovise o: 1. sastavu:
kemijskom sadrane supstancije i konstitucijskom sastavu sadrane faze;
2. grai: strukturi oblici makromolekula, njihov prostorni raspored i uzajamne veze, grekama.
Utjecanjem na vrijednost molekulske mase, granatost makromolekula i ureenost grae mogu se u velikoj mjeri mijenjati svojstva polimera.
150 MATERIJALI
Za konstruktore, ovisno o namjeni, znaajan je niz razliitih svojstava polimera:
Grupa svojstava Svojstva mehanika vrstoa, istezljivost. modul elastinosti, tvrdoa, ilavost, faktor trenja toplinska toplinska vodljivost, toplinska rastezljivost, temperatura omekavanja (plastomeri), postojanost oblika pri povienoj temperaturi (duromeri)
elektrina elektrina vodljivost, elektrini otpor, vrstoa proboja, faktor dielektrinih gubitaka, relativna dielektrinost postojanost kemijska postojanost, otpornost na troenje, temperaturna granica kratkotrajne izloe-nosti, temperaturna granica dugotrajne primjene ostala gustoa, propusnost svjetla, indeks loma, udjeli dodataka
Prema deformiranju pri optereivanju moe se razlikovati pet vrsta plastinih masa:
Vrsta plastine mase E Re Rm A elastina i lomljiva mali mala mala umjerena B elastina i duktilna mali mala umjerena velika C kruta i vrsta veliki velika velika umjerena D kruta i duktilna veliki velika velika velika E kruta i krhka veliki bez umjerena mala
A B C D E
Pored optereenja, deformiranje tijela od plastine mase ovisi o:
brzini optereivanja i trajanju optereenja, te temperaturi, pri ijem porastu dolazi do pojave faznih promjena.
Pri konstantnom optereenju s porastom temperature poveavaju se deformacije:
Definirana su tri posebna agregatna stanja plastine mase:
1. staklasto kao i kod stakla, deformacije su razmjerno male, nastaju trenutno, mogu se priblino opisati Hookeovim zakonom i povratne su;
07 Polimeri 151
2. gumasto deformacije su razmjerno velike, potrebno je odreeno vrijeme za njiho-vo nastajanje i nestajanje (prestanak optereenja) i povratne su;
3. tekue stanje masa se giba u smjeru djelovanja optereenja nepovratno se defor-mirajui (teenje).
Temperture odvijanja promjena agregatnih stanja amorfnih polimera nazivaju se: staklite, g (en. glass staklo): staklasto stanje gumasto stanje tecite, f (en. fluid fluid): gumasto stanje tekue stanje talite, m (en. melting taljenje): kristalasto stanje amorfno stanje
Promjene agregatnih stanja nisu skokovite nego se odvijaju u odreenom temperaturnim in-tervalima koji se opisuju s karakteristinim temperaturama (norme). S g (en. degradation raz-gradnja) je oznaena temperatura na kojoj dolazi do razgradnje polimera.
U sljedeoj su tablici ocijenjena mehanika i toplinska svojstva najee koritenih po-limera te njihove kemijske postojanosti u razliitim sredinama. Mehanika i toplinska svoj-stva opisuju se brojanim ocjenama to je ocjena vea, to je svojstvo bolje. Kemijske posto-janosti (stupci 1 8) polimera ocjenjuju se sa "+" otporan, "0" djelomino otporan, "" ne-otporan. U tablici se koriste oznake:
mehanika svojstva: ak1 udarni rad loma epruvete bez zareza, ak2 udarni rad lo-ma epruvete sa zarezom, H tvrdoa dobivena mjerenjem kuglicom. Oznaka "b.l." znai da pri ispitivanju nije dolo do loma;
toplinska svojstva: g1 temperaturna granica kratkotrajne izloenosti, g2 tempe-raturna granica dugotrajne primjene;
kemijske postojanosti: 1 voda, 2 jake anorganske kiseline, 3 organske kiseline, 4 jake luine, 5 alkoholi, 6 aromatski spojevi, 7 benzini, 8 ulja.
kemijska postojanost Oznaka Rm Ep A ak1 ak2 H g1 g2 1 2 3 4 5 6 7 8ABS 3 4 2 b.l. 3 3 1 2 2 2 + + + + + + + CA 3 4 2 5 3 2 3 3 1 1 + 0 + + + CN 3 2 2 5 3 3 1 2 + + + + EP 2 5 5 5 5 2 1 4 3 + + + + + + PA6 3 2 3 b.l. 5 3 3 2 3 2 + + + + + + + PA66 4 3 3 b.l. 3 3 3 1 4 2 + + + + + + + PA11 2 2 3 b.l. 4 3 3 2 3 1 + PA12 2 2 3 b.l. 3 3 3 2 3 1 + + + + + + + PC 4 4 3 b.l. 3 3 3 1 3 2 + + + + PE-HD 2 2 5 b.l. 3 3 5 3 1 + + + + + + + PE-LD 1 1 5 b.l. b.l. 1 5 5 1 + + + + 0 + PF(31) 2 5 1 2 1 5 4 1 3 2 + + + + + PI 5 5 1 2 5 1 5 5 + + + PMMA 4 5 1 1 1 5 1 1 2 1 + + 0 + + POM 4 5 2 5 2 4 4 3 3 2 + + + + + + + PP 2 2 4 b.l. 3 3 3 4 3 2 + + + + + + PS 3 5 1 1 1 3 1 1 1 1 + + + + + + PSU 5 4 2 b.l. 1 3 1 4 4 + + + + PTFE 2 1 3 b.l. 2 2 4 2 5 5 + + + + + + + + PUR-ln 3 2 3 b.l. b.l. 3 2 5 2 1 + 0 + + + + + PVC-H 3 5 2 b.l. 1 3 1 1 2 1 + + + + + + + SBR 3 4 2 3 2 3 1 2 1 1 + 0 + + + UP 2 5 3 2 5 5 1 4 4 + 0 + + +
152 MATERIJALI
U sljedea su dva dijagrama prikazane usporedne karakteristike polimera.
PAI poliamid-imid PI poliimid PA6 poliamid tip 6 PEEK polietereterketon PA46 poliamid tip 46 PEs poliester PS polistiren
PP polipropilen PG prirodna guma FEP fluorinirani etilen-propilen PVC poli(vinil-klorid) BK butil kauuk EPK etilen propilen kopolimer ESIL4122 silikon Eccosil 4122
PAI poliamid-imid PEs poliester PA6 poliamid tip 6 PI poliimid ABS akrilnitril/butadien/stiren PENGS polietilen niske/srednje gustoe PPKP polipropilen kopolimer
EPKP etilen-propilen kopolimer EPBP epoksid bez ojaanja PTFE poli(tetrafluor-etilen) NBR akrilonitril/butadien kauuk BRBP butadienski kauuk bez punila ESIL4954 silikon Eccosil 4954 ESIL4122 silikon Eccosil 4122
07 Polimeri 153
butadien kauuk bez
punjenja
akrilonitril butadien kauuk
polietilen akrilonitril butadien
stiren
poliester (bez ojaanja)
epoksid (bez ojaanja)Materijal
BR NBR PE ABS EP Sastav, % CH2CHCHOCH2
CH2CHCHCH2CH2CH2CN CH2CH2 CH2CHC6H4
OOCC6H4 COOC6H10
OC6H4CH3CCH3C6H4
, kg/dm3 0,910,94 0,981,0 0,9170,932 1,021,08 1,041,40 1,111,40 Rm, N/mm2 510 724 13,326,4 3050 41,489,6 4589,6 Rm,t, N/mm2 2,22,5 8,328,8 10,817,4 3669 140207 103172 E, kN/mm2 1032103 21034103 0,170,28 22,9 2,14,4 2,352,47 , 0,5 0,480,50 0,440,46 0,390,42 0,360,40 0,390,41 Re, N/mm2 22,2 6,924 5,310,6 29,644,1 3340 3672 A, % 500550 400600 100650 20100 2,02,6 36 K IC, MPam1/2 0,070,1 0,10,3 1,213,39 1,92,1 1,091,70 0,570,63 HV 2,74,4 8,913,2 9,921,5 10,821,5 Rd,is, N/mm2 0,850,94 3,1110,8 5,310,6 1220 16,635,8 3035 Max, C 67117 110115 8195 6277 112128 122138 min, C 7343 5848 12373 12373 12373 12373 c, J/(kgK) 18002500 20002200 18421916 13861414 15061567 14941554, W/(mK) 0,060,1 0,140,15 0,320,35 0,230,24 0,290,30 0,180,20 , m/(mK) 130150 690710 180396 22,523,7 99180 81117 Ek, MV/m 2025 1012 17,739,4 13,819,7 1519,7 11,819,7 e0, cm 10131014 10171020 3,3102431025 3,3102131022 3,3101831019 102161020kreciklinosti 0,020,04 0,020,04 0,450,55 0,450,55 0,050,06 0,40,5 Cijena, kn 7,28,4 1236 9,910,9 14,115,5 180300 11,112,6 Otpornost na:
troenje dobra dobra srednja slaba srednja srednja oksidaciju (500C) vrlo slaba vrlo slaba vrlo slaba vrlo slaba vrlo slaba vrlo slaba paljenje vrlo slaba vrlo slaba slaba slaba slaba dobra UV zrake dobra dobra slaba srednja vrlo dobra dobra slatku vodu vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra morsku vodu vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra jake kiseline srednja srednja dobra dobra srednja srednja jake luine srednja srednja dobra srednja srednja vrlo dobra slabe kiseline vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra dobra vrlo dobra vrlo dobra slabe luine dobra vrlo dobra dobra dobra srednja vrlo dobra organska otapala srednja srednja srednja slaba srednja dobra
7.1.3 Izrada proizvoda od polimera Polimerni materijali, oblikovani na prikladan nain (tekuina, zrna), dobivaju se priklad-
nim petrokemijskim postupcima:
154 MATERIJALI
Tijekom petrokemijskih tehnolokih postupaka odvijaju se razliite organske reakcije. Na primjer:
poliadicija PU:
polikondenzacija PA:
Proizvedeni polimeri se isporuuju u tekuem ili gumastom te zrnatom obliku.
Polietilen HD Poliamid Poliuretan Epoksid
Od sirovina se konani proizvodi od plastinih masa dobivaju postupcima oblikovanja i preoblikovanja.
Najei su postupci oblikovanja proizvoda od polimernih materijala:
Naziv postupka prerade Primjena Naziv postupka prerade Primjena injekcijsko preanje P i D * ekstrudiranje P preanje D viekomponentno preanje P puhanje P injekcijsko puhanje P rotacijsko lijevanje P i D kalandriranje P toplo oblikovanje P zavrna obrada P i D
* P plastomeri D duromeri Zastupljenost je postupaka prerade:
07 Polimeri 155
Preanje
Postupak preanja koristi se uglavnom za izradu proizvoda od duroplasta. Odmjerena se
koliina polimera, u obliku granulata ili prethodno oblikovanog komada, ubacuje u zagrijani donji dio kalupa. Nakon punjenja se na gornji dio kalupa djeluje dovoljnim tlakom kako bi se ispunile sve upljine kalupa polimerom. Formirani se izradak po otvaranju kalupa izbacuje istiskivaem.
Injekcijsko preanje
Granulat se tali u zoni grijaa te se rastaljeni polimer, potiskivan punicom, utiskuje u
hladni elini kalup. Uslijed hlaenja u kalupu polimer se skruti, kalup se otvara i izradak iz-bacuje djelovanjem pogodnog istiskivaa. Trokovi dobave/instalacije stroja za injekcijsko preanje visoki su te se ovaj postupak koristi u proizvodnji veih serija izradaka.
Ekstrudiranje
156 MATERIJALI
Ekstruzija je kontinuirani proces namijenjen izradi jednodimenzionalnih (cijevi, brtve) i dvodimenzionalnih (trake, ploe) profila, koji obuhvaa:
1. pripreme tekueg polimera i 2. protiskivanja tekueg polimera kroz alat.
Po izlazu iz alata ekstrudat se skruuje. 7.1.4 Primjeri primjene
2002. godine su bili udjeli primjene polimera u svijetu:
Primjeri su primjene polimernih materijala:
Plastina masa Glavna svojstva Tipina primjena
plastomeri
ABS istaknuto velika vrstoa, ilavost i otpornost na temperaturne deformacije; dobra elektrina svojstva; zapaljivost branici, kuita, obloge hladnjaka, igrake
PA vrstoa, ilavost i otpornost na troenje; mali koeficijent trenja leajevi, zupanici PC otpornost na udare i duktilnost; stabilnost dimenzija; prozirnost kacige, lee, filmovi PE ilavost, mala vrstoa, mali koeficijent trenja; kemijska postojanost vreice, savitljive boce
PET istaknuto velika ilavost, otpornost na umor i cijepanje; kemijska postojanost povratne boce, odjea, magnetofonska vrpca,
PMMA relativno slaba mehanika svojstva, istaknuto velika prozirnost i otpornost na djelovanje atmosfere lee, pribor za crtanje, vanjska signalizacija
PP istaknuto velika otpornost na umor, otpornost na temperaturne deformacije, izvrsna elektrina svojstva, kemijska postojanost boce za sterilizaciju, putni koferi, cijevi
PS dobra dimenzijska i temperaturna stabilnost, istaknuto dobra elektrina svojstva i optika bistrina, relativno niska cijena zidne obloge, kuita ureaja, igrake
PTFE nizak koeficijent trenja, moe se koristiti do 260 C, izvrsna elektrina svojstva, vrlo velika kemijska postojanost u gotovo svim sredinama leajevi, ventili, cijevi, kemijski otporne brtve
PVC velike krutosti ili elastinosti (ovisno o dodatku plastifikatora), mala otpornost na temperaturne deformacije, niska cijena podni pokrovi, cijevi, crijeva za polijevanje
duromeri
EP izvrsna kombinacija mehanikih svojstava i kemijske postojanosti, dobra dimenzijska stabilnost, adhezivnost i elektrina svojstva sudoperi, odljevci za elektrotehniku, ljepila
PF izvrsna temperaturna otpornost do preko 150 C, dobro se mijea s brojnim polimerima i dodacima, relativno niska cijena kuita elektromotora i bobine, grla za arulje
UP izvrsna elektrina svojstva, niska cijena lijevani komadi
07 Polimeri 157
ABS PA PC PE
PET PMMA PP PS
PTFE PVC EP PF UP
Plastina masa Glavna svojstva Tipina primjena
elastomeri
CR izvrsna otpornost na djelovanje povienih temperatura, ozona, ulja i atmosfere, izvrsna otpornost na plamen; slabija elektrina svojstva od NR statike i dinamike brtve, obloge elika
NBR izvrsna otpornost na ulja, relativno slaba elektrina svojstva, slaba svojstva pri niskim temperaturama crijeva za benzin, kemikalije i ulja
NR izvrsna fizika svojstva, dobra otpornost na sjeenje, dubljenje i abraziju, dobra elektrina svojstva, osjetljivost na djelovanje ozona, ulja i atmosfere brtve, pneumatici, zranice, potpetice
SBR dobra fizika svojstva, dobra elektrina svojstva, izvrsna otpornost na abraziju, neotpornost na djelovanje ozona, ulja i atmosfere brtve, pneumatici, zranice, brtve
158 MATERIJALI
Elastomer CR NBR NR SBR
7.2 Plastomeri Zajednika su svojstva plastomera:
grade ih linearne i granate molekule, uzajamno povezane slabim van der Waals-ovim silama,
amorfne (kristalne) grae, dobavljaju se u tekuem (kaasto, tjestasto) ili krutom (zrna ploe) stanju, lako se oblikuju u razliite proizvode preanjem, ekstrudiranjem (vlakna, cije-
vi, ploe, folije, profili) i lijevanjem, zagrijavanjem omekaju te se mogu preoblikovati, a po hlaenju zadravaju
oblik, otporni su na djelovanje velikog broja kemikalija, ali se mogu otopiti u raz-
liitim otapalima. 7.2.1 Polietilen PE
Polietilen, PE, najjednostavniji je polimerni materijal. Homopolimer se dobiva polime-rizacijom monomera etena (stari je naziv etena "etilen" "polietilen"), uz raskidanje dvostrukih ve-za atoma ugljika:
n H2C=CH2 (C2H4)n . Formirani PE je djelomino kristalne strukture (zamuen).
Odgovarajuim se tehnologijama proizvodi vie vrsta polietilena, a najvaniji su:
07 Polimeri 159
, kg/dm3 Rm, N/mm2 Rmt, N/mm2 Ep, N/mm2 A, % K IC, N/mm3/2 HV C, kn/kgPE-LD 0,92 0,93 8 31 11 17 170 280 200 650 38 110 2,7 4,4 9,9 11 PE-HD 0,95 0,97 22 31 19 25 1070 1090 650 950 48 58 7,9 9,9 8 9 PE-UHMW 0,93 0,95 38 48 26 33 890 960 350 530 54 163 6,4 8,3 19 23
Max, C t, C min, C c, J/kgK , W/mK m/mK Up, V/m , EcmPE-LD 80 95 100 115 120 75 1840 1920 0,32 0,35 180 400 18 40 3 30 PE-HD 110 130 130 135 120 75 1800 1870 0,46 0,50 110 200 18 20 3 30 PE-UHMW 107 127 125 138 120 75 1820 1890 0,19 0,20 230 360 27 29 3 30
Otpornost na troenje i kemijska postojanost PE povisuju se s porastom gustoe. PE-HD je postojan u kipuoj vodi i relativno postojan prema UV zraenju, goriv je i
potreban mu je dodatak antistatika. Ekolokim dodacima postie se razgradivost.
PE-UHMW ima samopodmazujua svojstva (mali ) i otporan je na troenje. Izvrsna mu je dinamika izdrljivost. istoa mu je dovoljna za primjenu u prehrambenoj industriji.
Proizvodi od PE mogu se oblikova i preoblikovati razliitim postupcima, na primjer: injekcijskim preanjem, ekstrudiranjem, puhanjem; toplim preoblikovanjem, zavarivanjem; postupcima odvajanja strugotine.
Polietilen se koristi za izradu: PE-LD cijevi, boce, igrake, spremnici, kugle, brtve, izolatori vodia, kemijski
otporne ispune; PE-HD cijevi, folije, vreice, igrake, posude, boce, cisterne, spremnici, kugle; PE-UHMW ploe za potrebe kemijske industrije i industrije papira, dijelovi za potre-
be prehrambene industrije (dijelovi pumpi, dijelovi filtara, zupanici), dijelovi vozila i poljoprivrednih strojeva.
7.2.2 Poli(vinil-klorid) PVC
Poli(vinil-klorid), PVC (stari je naziv etena bez jednog H atoma "vinil" vinil-klorid). Vinil-klorid je plin koji na 8 C prelazi u tekuinu. Polimerizira uz raskidanje C=C veze:
n H2C=CHCl (C2H3Cl)n . Polimer s proizvodi u obliku finog praha. Graa mu je amorfna (proziran).
Razlikuju se:
160 MATERIJALI
Tvrdi poli(vinil-klorid) (prah + stabilizator + omekalo + boja) vrst je i krut, a ispod temperature od 5 do 25 C postaje krhak. Osjetljiv je na zareze.
Meki poli(vinil-klorid) se dobiva dodavanjem omekala.
Svim PVC-ima se moraju dodavati stabilizatori, koji je ine otpornima na UV zrake i toplinu. PVC se dodaju i punila i ojaala kako bi se postigla eljena svojstva. PVC je mogue obojiti.
Karakteristike su tvrdog PVC-a (karakteristike savitljivog PVC-a u velikoj mjeri ovise od koliine dodanog omekala):
tvrdi , kg/dm3 Rm, N/mm2 Rmt, N/mm2 Ep, N/mm2 A, % K IC, N/mm3/2 HV C, kn/kgPVC 1,3 1,6 41 25 55 90 2400 4100 40 80 63 126 12 13 8 12
tvrdi Max, C g, C min, C c, J/kgK , W/mK m/mK Up, V/m , PcmPVC 50 63 75 105 120 75 1360 1410 0,15 0,21 90 180 14 20 0,1 10
Poli(vinil-klorid) je najsvestraniji i po koliini najvie koriteni polimer. Kemijski je ot-poran (kiseline, luine i velik broj organskih otapala), ima samogasiva svojstva, otporan je na troe-nje, ne upija vodu i ne proputa plinove. Svojstva se PVC mogu prilagoditi potrebama kopo-limerizacijom i mijeanjem s drugim polimerima.
Tvrdi PVC koristi se za izradu: vodovodnih (p = 6, 10 i 16 bar) i kanalizacijskih cijevi oluka, spojnih komada za cijevi (dijelovi se spajaju lijepljenjem) dijelova crpki, spremnika, elektri-no izolacijskih dijelova, folija, boca, ambalae za prehrambenu industriju.
Meki PVC koristi se za izradu: podnih podloga, umjetne koe "skaja", cijevi za zali-jevanje vrtova, izolacija elektrinih vodia, filmske folije, igraaka, razliitih profila, obloga metala.
Proizvodi od PVC se mogu oblikova i preoblikovati razliitim postupcima, na primjer: injekcijskim preanjem, ekstrudiranjem; toplim preoblikovanjem, lijepljenjem i zavarivanjem; postupcima odvajanja strugotine.
7.2.3 Poliamid PA
Danas je mogue proizvesti vrlo veliki broj (preko 3000) razliitih poliamida (PA), a naj-vie se koriste: PA 6, PA 66, PA 610, PA 11 i PA 12. Brojevima iza oznake poliamida (PA) opisuje se broj ugljikovih atoma u monomeru, na primjer, atom N se kod monomera PA 66 nalazi izmeu dva niza od po 6 C atoma, a monomer PA 12 obuhvaa niz od 12 C atoma.
07 Polimeri 161
PA se esto naziva "najlon". Velike je ilavosti i izdrljivosti na troenje. Dobra klizna
svojstva mogu se poboljati dodavanjem molibden-disulfida (kruto mazivo). Vlanu vrstou mu je mogue poveati izvlaenjem, odnosno usmjeravanjem PA vlakana.
prean , kg/dm3 Rm, N/mm2 Rmt, N/mm2 Ep, N/mm2 A, % K IC, N/mm3/2 HV C, kn/kgPA 6 1,12 1,14 90 165 89 110 2600 3200 30 100 70 178 26 28 23 25 PA 66 1,13 1,15 90 99 66 99 1700 3800 15 80 50 112 17 25 26 29 PA 12 1,01 1,02 35 69 25 51 1200 1400 250 390 64 192 6 13 58 64
prean Max, C t, C min, C c, J/kgK , W/mK m/mK Up, V/m , TcmPA 6 73 87 210 220 125 75 1600 1670 0,23 0,25 144 149 15 16 15 140 PA 66 73 87 255 265 125 75 2180 2220 0,23 0,25 141 147 23 25 100 1000PA 12 63 77 160 209 125 75 1730 1790 0,22 0,31 110 180 17 18 100 1000
U odreenoj mjeri PA upija vodu i ne koristi se za izradu elektrino-izolacijskih dijelo-va. Poboljanje otpornosti na UV zrake i toplinu postie se dodavanjem stabilizatora. Otporan je na djelovanje veine organskih otapala i slabih luina.
Koristi se za izradu razliitih optereenih strojarskih dijelova: kotaa, zupanika, lana-nika, dijelova mjenjaa i spojki vozila, leaja i kliznih staza (nije potrebno odravanje), opreme za domainstva.
7.2.4 Teflon PTFE
Teflon je uobiajeni naziv za polimer poli(tetrafluoretilen), PTFE. Izuzetne je kombi-nacije pogodnih svojstava. Pri sobnoj je temperaturi mek, veoma ilav i velike istezljivosti (traka za brtvljenje navojnih spojeva vodovodnih cijevi). Vrlo je malog faktora trenja, izuzetno je otpo-ran kemijski (najotporniji meu polimerima) i na UV zrake. Talite mu je visoko, maksimalna rad-na temperatura 260 C, a ostaje duktilan skoro do 0 K.
Veliki dio svojstva PTFE je posljedica njegovog kemijskog sastava kemijske su veze ugljika i fluora, te ugljika i ugljika meu najjaim vezama u organskoj kemiji.
PTFE se koristi za izradu samopodmazivih kliznih leaja, brtvi i brtvila, klipnih prste-na, spremnika, cijevi i ventila za opasne kemikalije, elektrinih izolatora vodia izloenih dje-
162 MATERIJALI
lovanju visokih temperatura, prevlaka unutarnjih dijelova kuhinjskog posua i dijelova stroja za pranje sua, zamjenskih dijelova ljudskog tijela.
7.3 Duromeri Proizvod izraeni od duromera moe se promatrati kao jedna ogromna molekula. Du-
romeri su vri i krhkiji od plastomera, ali mogu podnijeti vie radne temperature od pasto-mera.
Zajednika su svojstva duromera: grade ih linearne i granate makromolekule, uzajamno povezane kovalentnim
vezama (mrea); dobavlja se u tekuem (kaastom) stanju nepolimerizirani do kraja (nisu umre-
eni); oblikuju se po dodavanju ubrzivaa i katalizatora (mjeanje) koji nakon odre-
enog vremena dovode do umreavanja; pri zagrijavanju umreenih duromera dolazi do njihove razgradnje; teko se recikliraju.
7.3.1 Nezasieni poliester UP
Nezasiena poliesterska smola, UP smola, proizvodi se iz ugljikohidrata, alkohola i or-
ganskih kiselina. UP smola je tekuina i moe se lijevati bez punila. Na sobnoj temperaturi, pri atmosferskom tlaku, po dodatku pogodnog katalizatora dolazi do manje ili vie brzog skruivanja UP smole.
Proizvodi od UP smola otporni su na atmosferske utjecaje, otopine soli i slabe kiseline. Sama UP smola nema zadovoljavajua mehanika svojstva za konstrukcijske namjene. Zado-voljavajua svojstva se postiu formiranjem kompozita s matricom od UP smole ojaane staklenim vlaknima, koji se koristi u brojne razliite konstrukcijske namjene. UP smola se koristi za oblaganje povrina drveta, a takve su obloge otpornije na udare te na djelovanje vo-de i drugih medija od lakova.
Lijevanjem UP smola izrauju se elektrino-izolacijski dijelovi, te dijelovi opreme za kuanstvo i urede.
07 Polimeri 163
7.3.2 Epoksid EP Epoksidne smole, EP smole, duromeri su s epoksidnim grupama. Skruivanje se odvija
na sobnoj temperaturi i atmosferskom tlaku uz vrlo mali postotak skupljanja.
EP smole imaju izuzetno izraena svojstva lijepljenja i zbog toga se koriste za lijeplje-
nje dijelova i oblaganje povrina. Formirane su obloge ilave i otporne na kemikalije. Koriste se za izradu lakova i otopina za elektrinu izolaciju dijelova oblaganjem.
Kompoziti s epoksidnom matricom, ojaani razliitim vrstama vlakana, imaju vrlo dob-ra mehanika svojstva.
7.4 Elastomeri Elastomerima se nazivaju materijali koji na sobnoj temperaturi pod vlanim opteree-
njem mogu poveati duinu najmanje dvostruku i to bez zaostalih deformacija po prestanku vlanog optereenja. Elastini se materijali esto nazivaju gumama.
Postoji samo mali broj makromolekularnih materijala s visokom elastinou. Da bi ma-terijal bio visoko elastian, meumolekulske veze ne smiju biti prejake i ne smiju se formirati kristalna zrna.
Svojstva elastomera ovise o: svojstvima osnovnih lanaca polimera, meumolekularnim vezama lanaca polimera i zastupljenosti kovalentnih veza atoma lanaca polimera (djelomina umreenost).
7.4.1 Prirodni kauuk Prirodni kauuk se u prirodi nalazi u soku stabla kauukovca "lateksu".
Lateks je koloidna vodena otopina (disperzija) produkata metabolizma kauukovca, koja sadri 30 40 % prirodnog kauuka. Molekule prirodnog kauuka u lateksu formirane su polimerizacijom izoprena (2-metil-1,3-buten C5H8).
Prirodni se kauuk dobiva zasijecanjem tropskog drva kauukovca (latinski je naziv Hevea braziliansis, a domorodaki naziv "ka hu i" znai drvo koje plae) i prikupljanjem mlijenog soka la-teksa, koji istjee iz zasjeka.
164 MATERIJALI
Iz lateksa se prirodni kauuk dobiva:
Prirodni kauuk:
beznaajan porast temperature pri ponavljanom savijanju (bok pneumatika); iznimno je otporan na abraziju i kidanje (gazei sloj pneumatika); na = 60 C je plastian, a na = 100 C ljepljiv; ne otapa se u alkoholu, vodi (otopine i disperzije); otapa se u benzinu, terpentinu, eterinom ulju.
Vulkanizacija Svojstva prirodnog kauuka vulkanizacijom se prilagoavaju potrebama poveane
vrstoe, elastinosti i otpornosti na bubrenje. Vulkanizacijom se umreava strukture popre-nim vezama lanaca makromolekula, na mjestima dvostrukih veza atoma ugljika, preko atoma dodanog sumpora "sumpornih mostova". Dodatkom od:
1. wS > 2, 3 % osigurava se elastinost elastomera, 2. wS > 30 % gubi se elastinost elastomera.
Prije vulkanizacije elastomeri su plastini i mogu se lako oblikovati, a vulkanizacijom se elastomeri prevode u visoko-elastino stanje. Proces se vulkanizacije odvija pod tlakom na temperaturi od 150 C, tako da se gumeni proizvodi istovremeno oblikuju u pogodnim alati-ma (npr. proizvodnja automobilskih guma).
7.4.2 Sintetiki kauuk Znaajne koliine sintetikog kauuka slabe kvalitete proizvedene su u Njemakoj tije-
kom Prvoga svjetskog rata, a proizvedene koliine sintetikog kauuka premauju proizvede-ne koliine prirodnog kauuka tek tijekom Drugoga svjetskog rata.
Danas se proizvodi vei broj razliitih umjetnih kauuka koji su po zahtijevanim svoj-stvima (Rm , Rm,t , E , A , nepropusnost, otpornost na: troenje, kidanje, trajno deformiranje, bubrenje, stare-nje) u potpunosti usporedivi s prirodnim. Sirovine za izradu su ugljen, vapnenac, krumpir i sirova nafta.
Primjer je umjetne gume SBR stiren-butadien guma (en. styrene-butadiene rubber).
07 Polimeri 165
Primjena Prema namjeni mogu se razlikovati:
Pneumatski proizvodi su uplji i napuhavaju se upljina se ispunjava zrakom pod tla-
kom. Tome pripadaju gume: bicikla, motocikla, vozila (cestovna i radna). Razlikuju se: vanjske gume (kompoziti) i unutarnje gume (zranice).
Tehniki su proizvodi: ploe (za izradu statikih brtvi), vrpce, cijevi, profili (brtve PVC i Al stolarije), izolirani elektrini vodii (kompoziti), epovi.
Ostalim proizvodima pripadaju pribori: uredski i kolski, medicinski, sportski.
7.5 Starenje polimernih materijala Kao to pod utjecajem okoline metali korodiraju, tako i polimerni materijali stare ti-
jekom koritenja proizvoda, uslijed djelovanja degradirjuih agensa, dolazi do nepoeljnih promjena svojstava polimernih materijala.
Starenje polimernih materijala obuhvaa razliite fizikalne i kemijske procese: (a) razgradnju polimera uz promjene njihove strukture, (b) deformacije i pojave sitnih pukotina, (c) izluivanje pigmenata i promjene boje, (d) zamuenje prozirnih polimernih materijala, (e) bubrenje i otapanje.
Zbog sloene grae polimera i brojnosti znaajnih degradirajuih agensa, mehanizmi starenja nisu potpuno razjanjeni.
Na starenje elastomera utjeu: svjetlost Sunca, vlaga, kisik, ozon te razliiti kemijski agensi. Tijekom starenja:
pogoravaju se mehanika svojstva i javljaju se deformacije, glatke povrine gube sjaj, a obojeni elastomeri gube boju, proizvodi se deformiraju i javljaju se male pukotine.
Proces starenja elastomera moe se znaajno usporiti pravilnim skladitenjem (FILO first in, last out). Skladite mora bit hladno, suho, bez praine i umjereno prozraivano. Tempe-raturu u skladitu treba odravati u granicama 10 C < < 20 C, a proizvodi (nr, pneumati-
166 MATERIJALI
ci) moraju od grijnih tijela biti udaljeni vie od jednoga (1) metra. Vlanost zraka treba biti oko 65 C. Kako bi se smanjio utjecaj tetnih svjetlosnih zraka prozore skladita treba obojiti u naranastu ili i u crvenu boju. U istom se prostoru ne smiju skladititi goriva, otapala niti razne kemikalije.
7.5.1 Promjene mehanikih svojstava tijekom vremena Tijekom uporabe mijenjaju se mehanika svojstva polimera, a dinamika ovisi o vrsti i
tipu materijala.
Polietilen PE-HD Poli(vinil-klorid) PVC kruti
7.5.2 Ouvanje okoline Optimalno koritenje prirodnih resursa podrazumijeva dug ivotni vijek polimernih ma-
terijala (ne proizvoda isti polimerni materijali se mogu vie puta koristiti). Mjere su:
Kada je odlaganje polimernih materijala neizbjeno, ono ne bi smjelo izazvati znaajne
promjene okolia. Pri tome treba razlikovati tri vrste razgradivih polimera:
07 Polimeri 167
Razgradivi polimeri se u prirodi pod fizikalno-kemijskim djelovanjem okoline (zraenje Sunca, kisik, toplina, vlaga) razgrauju do sitnih estica koje manje ili vie zagauju okolinu.
Biorazgradivi polimeri se u prirodnim uvjetima pod biokemijskim djelovanjem mikro-organizama manje ili vie potpuno razgrade. Razgradnja je spora, za 60 180 dana razgradi se 60 90 %.
Kompostibilni polimeri se tijekom 2 3 mjeseca razgrade u kompostani. Plastine mase imaju velike toplinske moi te bi se proizvodi od plastinih masa nakon
isteka vijeka njihovog trajanja, ako nisu biorazgradivi niti kompostibilni, mogli koristiti i kao gorivo za grijanje (kotlovska postrojenja).
Meutim, treba biti veoma oprezan. Produkti izgaranja samih polimernih ugljikovodika (npr. PE, PP) bezopasni su (CO2 + H2O), ali je utjecaj dodataka (proizvodnja plastinih masa) teko proc-jenjiv (nedostatak potrebnih podataka). Produkti izgaranja i samih polimera koji pored C i H sadr-e i druge elemente mogu biti veoma toksini, kao to je to dio dioksina (naziv za grupu od oko 250 spojeva) koji nastaju pri izgaranju PVC-a.
7.1 Osnove polimera 7.1.1 Graa polimera Struktura polimera Dodaci polimerima
7.1.2 Karakteristike polimera 7.1.3 Izrada proizvoda od polimera Preanje Injekcijsko preanje Ekstrudiranje
7.1.4 Primjeri primjene
7.2 Plastomeri 7.2.1 Polietilen PE 7.2.2 Poli(vinil-klorid) PVC 7.2.3 Poliamid PA 7.2.4 Teflon PTFE
7.3 Duromeri 7.3.1 Nezasieni poliester UP 7.3.2 Epoksid EP
7.4 Elastomeri 7.4.1 Prirodni kauuk Vulkanizacija
7.4.2 Sintetiki kauuk Primjena
7.5 Starenje polimernih materijala 7.5.1 Promjene mehanikih svojstava tijekom vremena 7.5.2 Ouvanje okoline
