Preuzmite Miloš Petrović i više Beleške u PDF od Materijali samo na Docsity!
MILOŠ PETROVIĆ Stručni rad UDC:624.012'036.
Polimerni kompoziti u građevinarstvu
Kompozitni materijali nastaju sjedinjavanjem dva ili više raznolika materijala. Polazni materijali imaju međusobno različite osobine a njihov spoj daje potpuno nov materijal. On ima jedinstvena, sasvim nova i drugačija svojstva u odnosu na sastavne komponente. Cilj je da se poboljšaju strukturne, termičke, hemijske ili neke druge karakteristike pojedinačnih materijala. Komponente se međusobno ne mešaju niti rastvaraju tako da se unutar kompozita jasno razlikuju dve ili više faza. Poboljšane osobine kompozitnih materijala pružaju mogućnost njihove široke primene. Ključne reči: polimeri, polimerizacija,kopoziti, inhibicija, monomeri...
1. UVOD
Razvoj novih materijala je oblast u koju se danas najviše ulaže. Kompozitni materijali postoje i koriste se već hiljadama godina. Malo je poznato da drvo predstavlja prirodni kompozit u kome lignin povezuje duga vlakna celuloze. U ovu vrstu materijala spadaju i svima dobro poznati i široko korišćeni cigla i beton, sastavljen od ĉestica peska ili šljunka sjedinjenih pomoću cementa[ 1 - 3 ]. Prvi savremeni kompozitni materijali su oni sa staklenim vlaknima, proizvedeni kasnih ĉetrdesetih godina prošlog veka. Oni su još uvek najĉešće korišćeni i ĉine 65 % svih kompozita koji se danas proizvode.
Kompozitni materijali nastaju sjedinjavanjem dva ili više raznolika materijala. Polazni materijali imaju meĊusobno razliĉite osobine a njihov spoj daje potpu- no nov materijal. On ima jedinstvena, sasvim nova i drugaĉija svojstva u odnosu na sastavne komponente. Cilj je da se poboljšaju strukturne, termiĉke, hemijske ili neke druge karakteristike pojedinaĉnih materijala. Komponente se meĊusobno ne mešaju niti rastvaraju tako da se unutar kompozita jasno razlikuju dve ili više faza. Jedna faza nazvana ojaĉivaĉem, daje jaĉinu i tvrdoću. Druga se naziva matricom ili vezivom i ona okružuje i drži zajedno grupe vlakana ili fragmente ojaĉivaĉa. Konstituenti kompozita mogu biti razno- rodni materijali: nemetali, keramike, metali, polimeri. Od njihovih osobina, zastupljenosti, raspodele i vezi- vanja zavisiće svojstva novonastalog materijala.
- POLIMERI
Polimer ili makro-molekul je supstanca koja se sastoji od molekula velike molekulske mase a koji se
Adresa autora: Miloš Petrović, dipl. inž. graĊ. - PhD student, GraĊevinsko – arhitektonski fakultet Univerzi- teta u Nišu
Rad primljen: 20.01.2012.
sastoje od ponavljajućih strukturnih jedinica, mono- mera, povezanih kovalentnim vezama. Reĉ je izvede- na iz grĉke reĉi πολσ, "много" i grĉke reĉi μέρος, "deo". Poznati primeri polimera su: plastika, DNK i proteini. Polimeri pripadaju u grupu organskih jedinjenja i mogu se podeliti na: prirodne, bitumen, vosak, prirodni kauĉuk, ćilibar, celuloza, proteini..., i veštaĉke. Polimeri su sastavljeni od velikih molekula – makromolekula koji nastaju povezivanjem jednostav- nih strukturnih jedinica – monomera (malih mole- kula) u dugaĉke lance. U sastav makromolekula ulaze najmanje 1000 atoma [ 4 ]. Na polivinhloridu biće objašnjeno povezivanje monomera.
- POLIVIN-HLORID (PVC) Najvažnija plastiĉna masa je uprvo polivinil-hlo- rid (PVC). Dobija se polimerizacijom vinil-hlorida, CH2 = CHCl. Monomer vinilhlorida CH2CHC1 je na sobnoj temperaturi i normalnom pritisku gasa ne- prijatno slatkog mirisa, zapaljiv, veoma toksiĉan i kancerogen. Polivinilhlorid nije zapaljiv jer sadrži hlor. Veoma je tvrd i krut, u većini sluĉajeva mu se dodaju omekšivaĉi npr. trikrezilfosfata i difutilftalata da bi bio elastiĉan. Primena mu je znatno manja zato što se omekšava na temperaturi iznad 80 °S [ 5 ]. Hemijski je veoma otporan.
Slika 1 - Vinil-hlorid i polivinil-hlorid
Slika 2 - Polimer polivinilhlorida
Slika 3 - Povezivanje polimer polivinhlorida
Polivin hlorid ili PVC se većinom proizvodi pos- tupkom koji se naziva suspenzioni postupak polimeri- zacije. Suspenziona polimerizacija je diskontinuiran proces koji se odvija u zatvorenom proizvodnom sistemu. Teĉni vinilhlorid (monomer) dispergira se u demineralizovanoj vodi i polimerizira pomoću inicija- tora polimerizacije uz dodatak sredstva za održavanja stabilnosti suspenzije. Reakcija polimerizacije zapo- ĉinje raspadom inicijatora. Ta reakcija se odvija na temperaturi od 55-75°C i pritisku od 7-13 bara. Ukup- no trajanje tog procesa je oko 4 do 7 sati. Reakcija se prekida pri 85%-tnom pretvaranju monomera u poli- mer dodavanjem inhibitora reakcije u polimerizator. Kako je reakcija polimerizacije egzotermna, mora se odvoditi toplota da bi se mogla kontrolisati tempe- ratura samog procesa. Toplota se odvodi posredstvom plašta polimerizatora. Rashladni mediji su voda (oko 23°C) i rashlaĊena voda (oko 5°C). Neizreagovani monomer se otplinjavanjem odvodi u zaseban sistem koji se naziva rekuperacija gde je se nakon komprimi- ranja ukapljuje i skladišti kako bi se ponovno mogao koristiti u procesu. Vodena suspenzija PVC-a se odvodi dalje za skladištenje suspenzije, a zatim se uvodi u kolonu gde se suspenziji oduzima monomer. Demonomerizirana suspenzija se skladišti odakle se odvodi na centrifugiranje gde se oduzima većina vode iz PVC-a, dok se ostatak vlage (vode) oduzima u rotacionom sušionicama strujom vrućeg vazduha. Osušeni proizvod se ciklonima odvaja, zatim se pro- sijava te se prebacuje pneumatskim transportom u silose na skladištenje kao gotov proizvod [ 6 ].
4. POLIMERIZACIJA I PRODUKT
POLIMERIZACIJE
Polimerizacija je reakcija usled koje hemijska jedinjenja male molekulske mase (monomeri) ili smeša nekoliko takvih jedinjenja reaguju meĊusobno, sve dok se ne iscrpe slobodne funkcionalne grupe, usled ĉega nastaju molekuli sa mnogo većom mole- kulskom masom od reaktanata. Produkat ove reakcije je polimer. Polomerizacija se može definisati i kao hemijska rekacija tokom koje se monomeri meĊu- sobno povezuju kvalitetnom hemijskom vezom u polimer [ 4 ]. Reakcije polimerizacije se dele na: Postepena polimerizacija - kod ove polimerizacije reakcija se odvija "korak po korak", tj. prvo meĊu- sobno reaguju dva monomera gradeći dimer, a potom dimeri reaguju meĊusobno gradeći tetra- mere itd., i
lanĉana polimerizacija - kod ove polimerizacije reakcija se odvija kao "lavina", ona poĉinje od re- akcije iniciranja aktivne forme monomera, koja je u stanju da sebi prikljuĉi sledeće monomere u re- akciji propagacije. U ovom procesu nastaju poli- meri velikih molekulskih masa. Poĉevši od tridesetih godina HH veka mnoge reakcije polimerizacije su poĉele da se koriste u in- dustriji. Brzina polimrizacije zavisi od temperature, pritiska, koliĉine i vrste inicijatora ili katalizatora. Prema tehniĉkom naĉinu sprovoĊenja polimeri- zacije se dele na:
- Polimerizacija u rastvoru - kod koje je sredina u kojoj se odvija polimerizacija odgovarajući rast- varaĉ, u kome se rastvaraju kako monomeri tako i inicijatori,
- Emulzijna polimerizacija - kod koje monomeri grade emulzione molekule, dok se inicijator nalazi u vlastitom rastvoru,
- Polimerizacija u bloku - kod koje se teĉnom monomeru direktno dodaje inicijator,
- Polimerizacija u gasnoj fazi - kod koje su mo- nomeri gasovi niske kritiĉne temperature, i
- Polimerizacija na granici faza - kod koje se mo- nomer nalazi u jednoj teĉnoj fazi, a inicijator u drugoj. Ukoliko polimer nastaje polimerizacijom samo jedne vrste monomera onda on pripada grupi ho- mopolimera, a ako u procesu polimerizacije uĉes- tvuju dva ili više monomera onda on pripada grupi kopolimera. Smatra se da je prvi potpuno sintetiĉki
Slika 4 - Primer vulkanizacije
Da bi se olakšala praktiĉna primena polimera za spravljanje polimer-betonskih kompozita koriste se dodatne supstance. To su:
inhibitori,
katalizatori, i
akceleratori.
- POLIMER BETONSKI KOMPOZITI I DODATNE SUPSTANCE Brzina reakcije u kojoj je enzim prisutan može biti smanjena inhibicijom. Postoji nekoliko vrsta inhibicija enzimatskih reakcija:
konkurentna inhibicija,
nekonkurentna inhibicija,
parcijalna inhibicija, i
izmešana inhibicija.
U konkurentoj inhibiciji, inhibitor, tj. molekul koji dovodi do zaustavljanja reakcije, se povezuje sam na aktivni region enzima, i time spreĉava regularno povezivanje molekula na koji enzim treba da deluje. Ova reakcija se naziva konkurentna, jer je konkurentni inhibitor u osnovi istog oblika kao i molekul na koji enzim treba da deluje, i na taj naĉin inhibitor prevari enzim i nadoveže se na aktivni region. To dovodi do toga da pravilni molekul ne može da se poveže, jer je mesto povezivanja zauzeto i kao posledica toga enzim stvara potpuno pogrešan produkat. Konkurentna inhibicija dovodi do rasta Km vrednosti, ali nema efekta na Vmax, tj. na maksi- malnu brzinu reakcije.Enzim može da ima puno mes- ta povezivanja, odnosno veći broj aktivnih regiona [ 7 ].
Slika 5 - Primer konkurentne inhibicije
U nekonkurentnoj inhibiciji inhibitor se nadoveže na ono aktivno mesto koje je prazno, i koje neće uticati na povezivanje molekula koji treba da se nadoveže na onaj pravi aktivni region, kako bi reakcija bila realizovana, tako da u ovom sluĉaju ne postoji konkurencija inhibitora i molekula na koji enzima treba da deluje. Na slici 6. je prikazan inhibitor i molekul na koji enzim treba da deluje. MeĊutim, postoje dva aktivna regiona, tako da ne dolazi do konkurencije izmeĊu inhibitora i molekula, i otud i ime ovoj vrsti inhibicije. Nekonkurentna inhibicija dovodi do smanjenja Vmax, tj. maksimalne brzine, ali nema efekta na koncentraciju Km [ 7 ]. Mehanizam parcijalne inhibicije je sliĉan ne- konkurentnoj inhibiciji. Jedina razlika je u tome da kompleks enzim-inhibitor-molekul na koji enzim de- luje može da ima viši stepen katalitiĉke aktivnosti od kompleksa koji ĉine enzim-molekul na koji enzim deluje. U parcijalnoj inhibiciji vrednost maksimalne brzine, Vmax, je niska, dok je vrednost koncentracije, Km, ne promenjena.
Slika 6 - Prikaz nekonkurentne inhibicije
Izmešana inhibicija se zove tako kako se zove jer ima osobine konkurentne i nekonkurentne inhibicije. U ovoj vrsti inhibicije inhibitor može da se nadoveže ili na sam enzim, pri ĉemu zauzme aktivni region i tad molekul ne može da se nadoveže jer je region zauzet, ili na već postojeli enzim molekul na koji enzim deluje kompleks, ali ne zauzime aktivni region namenjen pravom molekulu. Pad vrednosti Vmax, maksimalne brzine, i Km, koncentracije, su uoĉljive u ovoj vrsti inhibicije.
Inhibitori samoubice su inhibitori koji se sami ugrade u enzim i zauvek ga deaktiviraju [7].
Mehanizam delovanja katalizatora je takav da on smanjuje energiju aktivacije (energiju potrebnu do- vesti spolja sistemu da bi došlo de reakcije) gradeći sa reaktantima prelazni kompleks manjeg energetskog sadržaja nego što je on za prelazni kompleks reak- tanata bez vezanog katalizatora. Veliĉina i oblik ĉes- tica katalizatora kao i njegove performanse dodatno utiĉu na svojstva krajnjeg polimera koji se u reakciji stvara [6].
Slika 7 - Dijagram generisane potencijalne energije koji pokazuje uticaj na katalizatora na hipotetičku egzotermnu reakciju
Kako je put krive na odgovarajućem energetskom dijagramu kraći i sama reakcija je brža iako će ener- gija konaĉnih proizvoda biti ista za katalizovanu i za nekatalizovanu reakciju. Katalizator ne utiĉe na polo- žaj povratne reakcije, jer ubrzava (u istom stepenu) reakciju u obe strane. Katalizator može da poveća selektivnost reakcije ukoliko ubrzava stvaranje glav- nog produkta, a ne ubrzava (ili manje ubrzava) sporedne reakcije. Tvrdnja koja se javlja u nekim školskim udžbe- nicima da katalizator nema udeo u hemijskoj rekaciji je potpuno netaĉna [7]. Akceleratori se koriste da ubrzaju proces poli- merizacije. Najĉešće jedinjenja hlorida, pri ĉemu je najpoznatiji i najĉešće upotrebljavan akcelerator kal- cijum— hlorid. On ne utiĉe bitno na vezivanje ce- menta, ali u znaĉajnoj meri ubrzava proces oĉvršća- vanja. Akceleratori koji se koriste na visokim ener- gijama generišu produkte aktivacije [1]. Generalna podela cementno-polimernih kom- pozita je na:
betone impregmentirane polimerima, betone modifikovane polimerima, I polimer betone. Glavni nedostatak za široku primenu cementno- polimernih kompozita je cena monomera tj. polimera. Polimerima modifikovan beton je oko 3 puta skuplji od „obiĉnog― betona, impregnirani beton do 6 puta a polimerni beton ĉak do 20 puta skuplji.
- ZAKLJUĈAK Cilj je da se poboljšaju strukturne, termiĉke, he- mijske ili neke druge karakteristike pojedinaĉnih materijala. Komponente se meĊusobno ne mešaju niti rastvaraju tako da se unutar kompozita jasno razlikuju dve ili više faza. Jedna faza nazvana ojaĉivaĉem, daje jaĉinu i tvrdoću. Druga se naziva matricom ili vezi- vom i ona okružuje i drži zajedno grupe vlakana ili fragmente ojaĉivaĉa. Konstituenti kompozita mogu biti raznorodni materijali: nemetali, keramike, metali, polimeri. Od njihovih osobina, zastupljenosti, raspo- dele i vezivanja zavisiće svojstva novonastalog mate- rijala. Sve kompozite karakterišu neke zajedniĉke odlike koje ih ĉine posebnim i izdvajaju od drugih materijala: velika jaĉina i krutost - mogu biti jaĉi od ĉelika, mala gustina i masa, otpornost na koroziju i visoke temperature, hemijska inertnost, mogućnost obrade i oblikovanja u raznovrsne oblike, izdržljivost i postojanost. Poboljšane osobine kompozitnih mate- rijala pružaju mogućnost njihove široke primene. U poslednjim decenijama napravljeno je mnoštvo novih sa nekim izuzetno korisnim osobinama. Pažljivim iz-
