2
1.
Увод
Полимери имају широку непосредну примену и готово свакодневно се производе
нови типови полимерних материјала. Сада се човечанство налази у „Мултиматеријалном
добу“. Посебно су значајни вештачки полимерни материјали, који се не сматрају само
заменом за природне материјале попут дрвета, природних смола и влакана, већ се
посматрају као посебна група материјала са својим сопственим карактеристикама. Да би
установили зачетке полимерних материјала као индустријског производа, морамо се
вратити у годину 1843. када је малајски хирург доктор Монтгомери известио да Малајци
користе гутаперку за прављење дршки за ножеве и других употребних предмета. Након
тога је формирана Gutta Percha Company за производњу албума за слике, мастионица и
билијарских кугли. Отприлике у исто време Алферд Кричло развија нови производ, смешу
сламене пулпе и гутаперке, пресовану са шелаком, од које су прављена дугмад, коцкарски
реквизити и предмети за личну употребу, али јос увек у врло ограниченом обиму. Његова
фирма, Pro-phy-lac-tic Brush Company, још увек се налази у месту Флоренс, Масачусетс где
је он направо пресе и калупеза пресовање смеше шелака и гутаперке.
За време Грађанског рата у САД (1861-1865) недостатак слоноваче за производњу
билијарских кугли навео је фирму Phelan&Collander да понуди 10000 долара ономе ко
направи замену за слоновачу. То је допрло до Џона Беслија Хајата, инжењера који је радио
као штампар у Албанију, Њујорк. Након неколико година експериментисања поднела је
патентни захтев у којем описује деловање камфора на пироксилин, направљен од памука и
азотне киселине. Овај материјал није могао да буде пресован, али је могао да се сече и
обликује на исти начин као слоновача.
Након 41 године индустрија полимерних материјала је начинила нови значајан
корак напред. Године 1909. доктор Лео Хенрик Бекеланд, после многих експреримената
успео је да добије контролабилну реакцију између фенола и формалдехида. Др Бекеланд се
посветио решавању проблема фенолских смола и након 4 године открио је значај
хексаметилентетрамина (уротропина) као катализатора и неопходност притиска за
заустављање пенушања. Добијени материјал, назван бакелит по свом проналазачу, био је
прва синтетичка смола и представља зачетак индустрије синтетичких пластичних
материјала.
Други вештачки путем добијени полимерни материјали уследили су врло брзо за
бакелитом: Казеин 1919; алкид и анилинформалдехид 1926; целулозни ацетат и поливинил
– хлорид 1927. и уреаформалдехид 1929. године. У индустрији паковања стварни пробој
долази са проналаском полиетилена у Енглеској. Године 1933. хемичари који су радили у
Imperial Chemical Industries изазвали су реакцију етилена под високим притиском са
случајно додатом малом количином кисеоника. За добијени материјал установљено је да
има добра електроизолациона својства и током Другог светског рата коришћене су велике
4
прераде или за конструисање одговарајуће опреме за прераду, него и са становишта избора
области примене датог материјала.
Карактеристике (својства) полимера могу се поделити у три међусобно повезане
категорије:
фундаментална својства,
својства која су важна у процесу прераде и
својства готовог производа
Фундаментална својства се односе на карактеристична својства супстанце, а
својства производа се могу односити још и на његов облик и друге геометријске
показатеље. Између ове две категорије налазе се карактеристике важне за прераду
полимера, слика 1.
Специфичност карактеристика полимерних материјала је у томе што на конкретно
својство полимера могу да имају одлучујући утицај метод добијања, начин и услови
његове прераде у финални производ. Својства полимера се нарочито мењају при
оријентисању. Промени својстава полимерних материјала може дати допринос и чињеница
да је те материјале најчешће потребно припремити пре испитивања. При томе посебно
треба имати у виду да велика вискозност раствора, а нарочито растопа полимера знатно
успорава све молекулске процесе у таквим материјалима. То такође условљава и ниску
топлотну проводност и успорену релаксацију.
Слика 1.
Приступ концепту својства полимера
5
Фундаменталне карактеристике су последица хемијског састава и структуре
супстанце. Ако се искључи могућност разлагања, онда се може тврдити да хемијска
структура полимера не зависи од услова његове прераде. С друге стране, његова физичка
структура увек је одређена предисторијом материјала. Ово се нарочито односи на узроке
који су подвргнути испитивању ради одређивања механичких карактеристика, пошто такав
узорак пролази кроз више стадијума припреме и прераде. Међутим, стандардизацијом
начина припреме узорка и методе мерења омогућено је добијање карактеристичних
својстава материјала у упоредивом облику.
Може се рећи да се сви полимери прерађују из растопа или раствора, применом
различитих поступака, као што су: формирање из раствора, ливење под притиском,
екструзија, пресовање, итд. Независно од поступка, могуће је оквирно издвојити четири
стадијума у току прераде:
1. Транспорт материјала до уређаја за прераду (за овај стадијум су битна
својства везана за пренос материјала).
2. Припреме материјала за прераду (углавном топљењем, растварањем и
хомогенизовањем смеше уз евентуални додатак пластификатора)
3. Формирање самог производа (условљено је реолошким својствима).
4. Фиксирање потребног облика (топлотна и реолошка, а нарочито траспортна
својства – као што су топлотна проводност, брзина кристалисања итд., су
најважнија).
У сваком од ових стадијума материјал бива изложен различитим утицајима, као
што су температурне промене и варијације унутрашњих и спољашњих напона. Сваки од
тих утицаја делује на постојећу структуру у полимерном материјалу, изазивајући у њој
веће или мање промене које могу бити праћене физичким и/или хемијским претварањима.
Код полимерних производа нарочито је важан услов непроменљивости. То се
првенствено односи на облик производа, постојаност димензија и константност
механичких карактеристика (затезна чврстоћа, ударна жилавост, отпорност на замор и др.),
као и на отпор деловању окружења (отпорност на старење).
Својства производа могу да се поделе на три подгрупе, слика 2., и то:
естетска својства
техничка својства и
експлоатациона својства.
Већина ових својстава представља комбинацију фундаменталних и допунских
карактеристика, при чему су готово све карактеристике производа у вези са одређеним
својствима полимерног материјала у чврстом стању.
7
макромолекули су подложнији деградацији од поликондензационих, из којих се обично
више не могу издвојити полазни мономери.
Зависно од степена уређења дуголанчаних макромолекула полимери могу бити у
кристалном и аморфном стању које може бити: сталкасте, течнокристално или течно, и
гумасто.
Молекули су, у принципу, дефинисани: саставом, структуром, односно начином
повезивања елемената у самом молекулу, конфигурацијом ( просторним распоредом атома
или атомских група) и конформацијом (геометријским обликом молекула у простору), која
је условљена ротацијом око постојећих веза и одговарајућим угловима.
Слика 3.
Идеализовани модели макромолекулских ланаца у гумастом полимерном ланцу
а) опружени
б) насумични
За макромолекул, као сложени систем атома који у себи садржи неколико нивоа
структисања, може се рећи да испољава аналогију са горе наведеним дефиниционим
појмовима везаним за „обичан“ молекул. Наиме, да би се дефинисао макромолекул
потребно је имати информацију о следећем: величини макромолекула (просечна
молекулска маса и расподела молекулских маса), броју типова мера у макромолекулу,
конфигурацији и конформацији макромолекула. Очито је да се на основу броја мера и
њихових типова, као и на основу конфигурације и конформације може се створити
квалитативна слика о механичким својствима полимера. Као алтернатива подацима о
величини макромолекула, може се навести просечни степен полимеризације и расподела
по степенима полимеризације.
У проучавању структуре полимера постоје два прилаза. Према првом, уобичајеном
код хемичара, структура полимера се приказује као примарна, секундарна и терцијарна, а у
неким случајевима и као квартетнерна структурна макромолекула, слика 4. Примарна
структура макромолекула обухвата хемијски састав, начин повезивања атома и основних
мотива у молекул полимера и његову конфигурацију и она се директно одражава на неке
карактеристике, као нпр. на растворљивост и хемијско понашање полимера. Секундарна
