toplotna svojsta polimera

Download Toplotna svojsta polimera

Post on 31-Jan-2016

228 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Toplotna svojstva polimera

TRANSCRIPT

Uvod

Polimerni materijali, zahvaljujui mogunostima prilagoavanja razliitim zahtevima, primenjuju se u praktino svim oblastima ljudske delatnosti, od proizvoda iroke potronje do najsavremenije telekomunikacione i svemirske opreme. Poslednje decenije oblasti polimera, obeleene su razvojem novih proizvoda i masovnom proizvodnjom u prvom redu veoma jakih, stabilnih i trajnih materijala, izuzetne mehanike i toplotne izdrljivosti. Imajui u vidu da je proizvodnja plastinih masa u svetu poslednjih godina premaila sto miliona tona, a da je proizvodnja polimernih materijala 1950.godine bila ispod jednog miliona tona, moe se zakljuiti da tako brz rast proizvodnje nije ostavren ni za jednu vrstu materijala. Po obimu proizvodnje polimerni materijali su premaili nivo svih metala zajedno. Ovakav trend se sa sigurnou moe oekivati i u narednom periodu. Predvia se da e proizvodnja polimernih materijala u 2050.godini dostii oko esto miliona tona godinje. Ovakav rast proizvodnje polimernih materijala uslovljen je injenicom da oni nalaze svoje mesto i znaaj u skoro svim oblastima primenjenih disciplina, dok se o ulozi fundamentalnih disciplina u ovoj oblasti moe govoriti sa aspekta kreiranja novih polimernih materijala i njihove karakterizacije.

1.Polimeri

Polimeri ukljuuju poznate materijale poput plastinih 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, najee lananih struktura koje u osnovi imaju atome ugljenika. Neki od najuobiajenijih polimera su polietilen (PE), najlon, polivinil hlorid (PVC), polikarbonat (PC), polistiren (PS) i silikonska guma. Ovi materijali tipino imaju male gustine , dok su njihova mehanika svojstva uopteno potpuno drugaija od svojstava metala i keramikih materijala oni nisu kruti ni jaki kao to su to drugi tipovi materijala. Meutim, s obzirom na njihovu malu gustinu, veoma esto je njihova mala krutost i vrstoa svedena na jedinicu mase uporediva sa veliinama kod metala i keramikih materijala. Sem toga, mnogi od polimera su izuzetno ilavi i gipki (npr. plastika), to znai da se lako mogu oblikovati u kompleksne oblike. Uopteno, oni su hemijski relativno inertni i ne reaktivni u veini raznih okruenja. Jedna od glavnih nedostataka polimera je njihova tendencija da mekaju ili da se razlau na umerenim temperaturama to je u nekim sluajevima ograniavajui uslov za njihovu primenu. Oni imaju malu elektrinu provodnost i nisu magnetini.

Slika 1. Karakteristini predmeti izraeni od polimera

2. Agregatna i fazna stanja polimera Zavisno od stepena ureenja dugolananih makromolekula, kao i spoljanjih parametra (temperatura) polimeri mogu biti u dva agregatna stanja: vrstom i tenom. vrsto agregatno stanje karakterie se odreenim dimenzijama i oblikom, u geometrijskom smislu. Ono nastaje kada energija meumolekulskog dejstva nadvlada energiju toplotnog kretanja molekula. Pod dejstvom spoljanjih sila oblik i zapremina se teko menjaju. Kod ovog agregatnog stanja rastojanja izmeu molekula su mala. Teno agregatno stanje karakterie priblina jednakost energije meumoleklskog dejstva i energije toplotnog kretanja molekula. Pod uticajem spoljanjih sila zapremine tenosti se teko menja, ali, za razliku od vrstih tela tenosti lako zauzimaju oblik posude u koju se sipaju.Gasovito agregatno stanje kod polimera nije zastupljeno jer, s obzirom na veliku molekulsku masu i usled toga jake meumolekulske interakcije, pre nego to bi makromolekul mogao prei u gasno stanje dolazi do njegove degradacije.Ukupan deo heterogenog sistema, homogen po hemijskom sastavu i fizikom stanju, odvojen od ostalih delova otrim, jasno uoljivm granicama, sa moguim razlikama u sastavu, strukturi i termodinamikim svojstvima, nezavisno od njegove mase, naziva se fazom. Faza treba da ima dovoljnu zapreminu da bi se moglo govoriti o pritisku, temperaturi, i drugim termodinamikim svojstvima faze. S obzirom na to da se polimeri mogu nalaziti u vrstom i tenom agregatnom stanju, treba istai da vrstom agregatnom stanju mogu odgovarati dva fazna stanja: kristalino i staklasto, a teno fazno stanje moe da se nadje u dva agregatna stanje: staklastom i rastopu.Pod pojmom faznog prelaza podrazumeva se transformacija iz jedne faze u drugu, pri emu dolazi do promene u meusobnom rasporedu molekula i termodinamikih karakteristika supstance.3. Toplotna svojstva polimeraAnaliza toplotnih svojstva polimernih materijala posebno je znaajna sa stanovita njihove prerade i primene. Postupci prerade polimera temelje se na zagrevanju i hlaenju polimernih materijala. Kod prorauna toplotne razmene treba uzteti u obzir ukupnu utroenu energiju za promenu stanja polimeru i brzinu tiplotne razmene. Osnovni zadatak pri razmeni toplote je izraunavanje vremenski i prostorne distribicije temperature u polimeru. Treba imati u vidu da temperaturna distribucija zavisi od brzine razmene toplote materijala i okoline i brzine prenose toplote unutar materijala. Pri tome se uzima u obzir prenos toplote prevoenjem, konvekcijom i zraenjem. Za polimere je vano poznavati i promenu toplotnih svojstava u zavisnosti od njihove strukture, jer se npr., jednaka svojstva amfornih i kristalinih termoplasta pri istoj temperaturi i pritisku znaajno razlikuju.Toplotna svojstva polimera mogu biti opisana preko: zapreminskih karakteristika; kalorimetrijskih karakteristika i entalpije polimera.

3.1. Zapreminske karakteristikeZapreminske karakteristike polimera su veoma znaajne za svaku pojavu, a i proces koji se odigravaju u polimernim materijalima. Njih u prvom redu ine speifina i molska zapremina i gustina, koje zavise od fizikom stanja polimera i razliite su za staklasto, viskoelastino i kristalino stanje. Od specifine zapremine i gustine, koje su povezane jednostavnim izrazom , zavisi efekat prerade, kao i tanost i preciznost dimenzija. Specifina zapremina i gustina su najbitnije karakteristike polimernih materijala, kako za njihovu praktinu primenu, tako i sa teorijske take gledita. Gustinu je neophodna za izraunavanje termodinamikih parametara, kao i za ocenu polimernih materijala, npr. stepena kristalnosti. Pored specifine zapremine V, koja predstavlja zapreminu jedinice mase, definie se i molska zapremina, koja predstavlja proizvod specifine zapremine i mase jednog mola .Specifina zapremina zavisi od pritiska i temperature. Povezanost specifine zapremina sa temperaturom kod amfornih polimera slika 2, prikazana je na grafiku za rastop polistirena.

Slika 2. Dijagram specifina zapremina temperatura za poliestirenPP - podruje primene, Ps podruje staklastog prelaza

Pri temperaturi teenja TT rastop ima odreenu specifinu zapremina. Zbog osloboenog makrobraunovskog kretanja mogue je rotaciono oscilovanje molekula i premetanje segmenata lanaca. Za vreme hlaenja od TT prema TM specifina zapremina se smanjuje. Daljim hlaenjem spreava se polkretljivost, posebno dugolananih molekula, i dolazi se do temperature pri kojoj se naglo spreava rotaciono oscilovanje i premetanje segmenata lanaca. Istovremeno raste mogunost delovanja meumolekulskih sila koje uvruju lance u energetskim povoljnijim konformacijama. Mehanizmi rotacije i premetanja (mikrobraunovsko oscilovanje) se zamrzavaju. Temperatura pri kojoj zapoinje taj proces naziva se temperaturom mrnjenja TM .

Za amforne polimere je veoma karakteristina temperatura staklastog prelaza Tg, odnosno temperaturni interval staklastog prelaza TM Tg', ija irina i poloaj zavise od raspodele molekulskih masa. Za opisivanje toplotih karakteristika polimera koristi se pored specifine zapremine jo dve termodinamike veliine: pritisak i temperatura.Posebno je znaajno istai meusobnu zavisnost pritiska, specifine zapremine i temperature. Obino se ta zavisnost prikazuje u koordinatnom sistemu V-T sa pritiskom kao parametrom, slika 3. Ovde se posmatra kristalini termoplastini polimer. Kod kristalinih termoplasta treba osim promene specifine zapremine uzeti u obzir i kristalizaciju tokom hlaenja.

Slika 3. Temperaturna zavisnost specifine zapremine kristalinih polimera pri razliitim pritiscimaPromena specifine zapremine kristalinih termoplasta u podruju rastopa identina je onoj kod amorfnih. Hlaenjem rastopa kristalinog termoplasta u okolini pritiska P0, koje je vrlo sporo, specifina zapremina se linearno smanjuje do odreene temperature, a zatim parabolino opada. Taj nagli prelaz uslovljen je pojavom kristalizacije, a ispod te temperature specifina zapremina se smanjuje zbog smanjenog toplotnog oscilovanja molekula. Slino kao i kod amorfnih termoplasta, sa povienjem pritiska smanjuje se i veliina promene specifine zapremine u podruju rastopa i kristalnom podruju. To dovodi do kristalizacije pri viim temperaturama, slino kao to se sa povienjem pritiska kod amorfnih polimera poviava temperatura ostaklivanja.Kod kristalinih termoplasta sa povienjem pritiska dolazi do smanjenja specifine zapremine za iznos koji je odreen ukupnom elastinom deformacijom ( energijska i entropijska ). Slino kao kod amorfnih termoplasta, entropijska elastinost moe se postii tek posle odreenog vremena a zavisi od temperature. Kako su na sobnoj temperaturi kod veine kristalinih termoplasta, amorfni segmenti jo u tenom stanju, vremenksa konstanta entropijskog udela elastine deformacije bitno je nia nego kod amorfnih. To znai da udeo entropijske elastinosti u promeni specifine zapremine nije isti kao kod amorfnih termoplasta. Poveanje brzine hlaenja pogorava uslove kristalizacije jer se temperatura kristalizacije pomera ka niim temperaturama. To spreava kristalizaciju, sniava stepen kristalinosti i poveava specifinu zapreminu. Uvoenjem dijagrama P-V-T i uzimajuci u obzir meusobnu vezu pritiska, temperature i brzine i hlaenja sa specifinom zapreminom, mogue je izvriti optimizaciju prerade polimernih materijala.Koeficijent toplotnog irenja obuhvata linearno i zapreminsko irenje u zavis

Recommended

View more >