1
Uvod
Polimerni materijali, zahvaljujući mogućnostima prilagođavanja različitim zahtevima, primenjuju
se u praktično svim oblastima ljudske delatnosti, od proizvoda široke potrošnje do najsavremenije
telekomunikacione i svemirske opreme. Poslednje decenije oblasti polimera, obeležene su razvojem novih
proizvoda i masovnom proizvodnjom u prvom redu veoma jakih, stabilnih i trajnih materijala, izuzetne
mehaničke i toplotne izdržljivosti. Imajući u vidu da je proizvodnja plastičnih masa u svetu poslednjih
godina premašila sto miliona tona, a da je proizvodnja polimernih materijala 1950.godine bila ispod
jednog miliona tona, može se zaključiti da tako brz rast proizvodnje nije ostavren ni za jednu vrstu
materijala. Po obimu proizvodnje polimerni materijali su premašili nivo svih metala zajedno. Ovakav
trend se sa sigurnošću može očekivati i u narednom periodu. Predviđa se da će proizvodnja polimernih
materijala u 2050.godini dostići oko šesto miliona tona godišnje. Ovakav rast proizvodnje polimernih
materijala uslovljen je činjenicom da oni nalaze svoje mesto i značaj u skoro svim oblastima primenjenih
disciplina, dok se o ulozi fundamentalnih disciplina u ovoj oblasti može govoriti sa aspekta kreiranja
novih polimernih materijala i njihove karakterizacije.
2
1.Polimeri
Polimeri uključuju poznate materijale poput plastičnih i gumenih materijala. Mnogi od njih su
organska jedinjenja koja su zasnovana na ugljeniku, vodoniku i drugim nemetalnim elementima (poput O,
N i Si). Oni su sastavljeni od velikih molekularnih, najčešće lančanih struktura koje u osnovi imaju atome
ugljenika. Neki od najuobičajenijih polimera su polietilen (PE), najlon, polivinil hlorid (PVC),
polikarbonat (PC), polistiren (PS) i silikonska guma. Ovi materijali tipično imaju male gustine , dok su
njihova mehanička svojstva uopšteno potpuno drugačija od svojstava metala i keramičkih materijala – oni
nisu kruti ni jaki kao što su to drugi tipovi materijala. Međutim, s obzirom na njihovu malu gustinu,
veoma često je njihova mala krutost i čvrstoća svedena na jedinicu mase uporediva sa veličinama kod
metala i keramičkih materijala. Sem toga, mnogi od polimera su izuzetno žilavi i gipki (npr. plastika), što
znači da se lako mogu oblikovati u kompleksne oblike. Uopšteno, oni su hemijski relativno inertni i ne
reaktivni u većini raznih okruženja. Jedna od glavnih nedostataka polimera je njihova tendencija da
mekšaju ili da se razlažu na umerenim temperaturama što je u nekim slučajevima ograničavajući uslov za
njihovu primenu. Oni imaju malu električnu provodnost i nisu magnetični.
Slika 1. Karakteristični predmeti izrađeni od polimera
4
3.1. Zapreminske karakteristike
Zapreminske karakteristike polimera su veoma značajne za svaku pojavu, a i proces koji se
odigravaju u polimernim materijalima. Njih u prvom redu čine spečifična i molska zapremina i gustina,
koje zavise od fizičkom stanja polimera i različite su za staklasto, viskoelastično i kristalično stanje.
Od specifične zapremine i gustine, koje su povezane jednostavnim izrazom
V
=
1
ρ
, zavisi efekat
prerade, kao i tačnost i preciznost dimenzija. Specifična zapremina i gustina su najbitnije karakteristike
polimernih materijala, kako za njihovu praktičnu primenu, tako i sa teorijske tačke gledišta. Gustinu je
neophodna za izračunavanje termodinamičkih parametara, kao i za ocenu polimernih materijala, npr.
stepena kristalnosti. Pored specifične zapremine V, koja predstavlja zapreminu jedinice mase, definiše se i
molska zapremina, koja predstavlja proizvod specifične zapremine i mase jednog mola
V
M
=
MV
=
M
ρ
.
Specifična zapremina zavisi od pritiska i temperature. Povezanost specifične zapremina sa
temperaturom kod amfornih polimera slika 2, prikazana je na grafiku za rastop polistirena.
Slika 2. Dijagram specifična zapremina – temperatura za poliestiren
P
P
- područje primene,
P
s
– područje staklastog prelaza
Pri temperaturi tečenja T
T
rastop ima određenu specifičnu zapremina. Zbog oslobođenog
makrobraunovskog kretanja moguće je rotaciono oscilovanje molekula i premeštanje segmenata lanaca.
Za vreme hlađenja od T
T
prema T
M
specifična zapremina se smanjuje. Daljim hlađenjem sprečava se
polkretljivost, posebno dugolančanih molekula, i dolazi se do temperature pri kojoj se naglo sprečava
rotaciono oscilovanje i premeštanje segmenata lanaca. Istovremeno raste mogućnost delovanja
međumolekulskih sila koje učvršćuju lance u energetskim povoljnijim konformacijama. Mehanizmi
rotacije i premeštanja (mikrobraunovsko oscilovanje) se zamrzavaju. Temperatura pri kojoj započinje taj
proces naziva se temperaturom mržnjenja T
M
.
5
Za amforne polimere je veoma karakteristična temperatura staklastog prelaza Tg, odnosno
temperaturni interval staklastog prelaza T
M
– Tg
'
, čija širina i položaj zavise od raspodele molekulskih
masa.
Za opisivanje toplotih karakteristika polimera koristi se pored specifične zapremine još dve
termodinamičke veličine: pritisak i temperatura.
Posebno je značajno istaći međusobnu zavisnost pritiska, specifične zapremine i temperature.
Obično se ta zavisnost prikazuje u koordinatnom sistemu V-T sa pritiskom kao parametrom, slika 3. Ovde
se posmatra kristalični termoplastični polimer. Kod kristaličnih termoplasta treba osim promene
specifične zapremine uzeti u obzir i kristalizaciju tokom hlađenja.
Slika 3. Temperaturna zavisnost specifične zapremine kristaličnih polimera pri različitim pritiscima
Promena specifične zapremine kristaličnih termoplasta u području rastopa identična je onoj kod
amorfnih. Hlađenjem rastopa kristaličnog termoplasta u okolini pritiska P
0
, koje je vrlo sporo, specifična
zapremina se linearno smanjuje do određene temperature, a zatim parabolično opada. Taj nagli prelaz
uslovljen je pojavom kristalizacije, a ispod te temperature specifična zapremina se smanjuje zbog
smanjenog toplotnog oscilovanja molekula. Slično kao i kod amorfnih termoplasta, sa povišenjem pritiska
smanjuje se i veličina promene specifične zapremine u području rastopa i kristalnom području. To dovodi
do kristalizacije pri višim temperaturama, slično kao što se sa povišenjem pritiska kod amorfnih polimera
povišava temperatura ostaklivanja.
Kod kristaličnih termoplasta sa povišenjem pritiska dolazi do smanjenja specifične zapremine za
iznos koji je određen ukupnom elastičnom deformacijom ( energijska i entropijska ). Slično kao kod
