1. POLIMERNI MATERIALI dr. Andrijana Sever Škapin
Zavod za gradbeništvo Slovenije
Oddelek za materiale
Laboratorij za polimere
Dimičeva 12
1000 Ljubljana

2. UVOD KJE IN ZAKAJ POLIMERI PRIMERI UPORABE
RAZUMEVANJE NAJPOMEMBNEJŠIH LASTNOSTI POLIMEROV – TEORIJA
PRIMERI NAPAK PRI UPORABI POLIMEROV

3. PREDNOSTI POLIMEROV PRI UPORABI
Polimeri imajo specifične lastnosti: velika elastičnost, oprijemljivost, odpornost na atmosfero in kemikalije, zato se v določenih primerih nenadomestljivi, v drugih primerih pa so kot alternativa drugih vrst materialov
Polimeri imajo lahko zelo raznolike lastnosti!
Uporaba določenega polimernega materiala je odvisna od njegovih lastnosti: mehanskih, termičnih, odpornosti na vplive okolja in drugih.

4. NAJBOLJ POGOSTA UPORABA POLIMEROV V GRADBENIŠTVU
OBLOGE FASAD, TAL, STEN
TOPLOTNI IZOLATORJI
CEVI
GEOTEKSTILI IN TKANINE
FOLIJE IN MEMBRANE
LEPILA
TESNILA
PREMAZI, OMETI, IMPREGNACIJE
DODATKI ZA BETONE IN MALTE
OKNA, LAMINATI
NOSILNE KONSTRUKCIJE (z vlakni armirani polimerni kompoziti)

5. Oblaganje fasad
Izdelava kioskov, smetnjakov

6. Oblaganje stopnic s trakovi proti drsenju
Cevi
Talne površine

7. Lepljenje zidnih plošč
Tesnjenje gradbenih stikov

8. Pokrivanje zemljin za separacijo zemlje
od peska pri gradnji cest
Utrjevanje poševnin

9. Izdelovanje stavbnega pohištva: oken, vrat, rolet in senčil

10. Ometavanje in barvanje
zidnih in drugih površin
Izoliranje stavb

11. KAJ SO POLIMERI? Primer: mer Izhodna spojina (eten) Radikal izhodne
spojine
(etilen)
polimer (polietilen)
Z naraščajočim “n” se spreminjajo lastnosti polimera:
Eten (monomer) je plin z vrelišem -105oC.
Polietilen z “n” med 3 in 8 je pri sobni temperaturi tekoč.
Polietilen z “n” med 10 in 1000 je mehak (voskast).
Polietilen z “n”nad 1000 pa postane pravi trden material.
Z nadaljnjim naraščanjem ‘n’ se spreminjajo mehanske lastnosti trdnine

12. VRSTE POLIMERIZACIJE VERIŽNA Primer verižne polimerizacije STOPENJSKA
Sproži jo posebna snov – iniciator: npr. amonijev persulfat, benzoil peroksid,... Iniciator najprej razpade na več radikalov, kateri reagira z monomerom , nasatne nov radikal in ta proces se nadaljuje. Ta polimerizacija je zelo hitra (1 ms).
Primer
verižne
polimerizacije
STOPENJSKA
Monomeri zreagirajo tako, da se pri tem sprosti tretja snov (pogosto voda). Reakcija je postopna, najprej zreagirata dva monomera, nato nastali dimer zreagira z naslednjim monomerom .... Ker se izloča določena snov, se sestava polimera nekoliko razlikuje od sestave monomerov. Primeri: poliestri, poliamidi (najloni), polisiloksani (silikoni)

13. STRUKTURA POLIMEROV - velika elastičnost
Amorfna struktura
(naključno zvite molekule)
Kristalinična struktura
(urejeno zvite molekule)
Zakaj so posamezne molekule zvite? Neprestana rotacija okoli vezi C-C.
Ob raztegovanju se molekule lahko raztegnejo za večkratno dolžino, ne da bi se pretrgale – elastičnost.

14. LINEARNOST IN ZAMREŽENOST
Med verigami: van der Waalsove vezi (2-3 kJ/mol)
Linearni polimer =
V posamezni verigi: kovalentne vezi C-C
(350 kJ/mol)
Zamreženi polimer
Posamezne verige povezujejo druge verige: kovalentne vezi povezujejo celoten material v treh dimenzijah (izjemno izboljšane meh. lastn., elastičnost pa je zmanjšana – zamrežene verige se ne raztegujejo)

15. primer zamreženja: vulkanizacija gume
Poliizopren (glavna sestavina kavčuka) je linearni polimer - mehek, neobstojen.
Če dodamo žveplo (vulkanizacija) se tvorijo kovalentni mostovi -S- med verigami.
Posledici sta dve:
Izboljšane mehanske lastnosti
Izboljšana obstojnost v atmosferi (onemogočena je reakcija s kisikom na dvojne vezi)

16. LASTNOSTI POLIMEROV PRI SEGREVANJU
DUROPLASTI (duromeri, angl. thermosetting polymers)
pri segrevanju postanejo trdi in togi in taki ostanejo tudi po ohlajanju.
zamreženi polimeri, ki so nastali s stopenjsko polimerizacijo
Pri zvišanju temperature se proces stopenjske polimerizacije nadaljuje, molska masa in zamreženost se večata. Zato molekule postajajo vedno bolj toge, material pa vedno bolj trd. Proces polimerizacije je ireverzibilen, zato duroplast ostane trd tudi po ohlajanju.
TERMOPLASTI (plastomeri, angl. thermoplastic polymers)
pri segrevanju postanejo mehki, pri kasnejšem ohlajanju pa ponovno postanejo trdi, prehod trdo-mehko se običajno ponavlja tudi pri večkratnem segrevanju in ohlajanju.
linearni polimeri, ki nastanejo z verižno polimerizacijo.
Pri segrevanju termična energija prevlada nad energijo sekundarnih vezi, zato verige že pri majhni obremenitvi (pri majhni dodatni energiji) zlahka drsijo ena preko druge (termična energija postane primerljiva z van der Waalsovimi vezmi že pri okoli 100oC.
ELASTOPLASTI (elastomeri, angl. ... polymers)
močno se raztezajo že pri majhni mehasnki napetosti

17. LASTNOSTI POLIMEROV PRI SEGREVANJU

18. Primeri elastoplastov
Primeri duroplastov
Primeri termoplastov
Epoksidne smole – dvokomp. lepila,
laki, veziva, laminati,
konstrukcije
Aminoplasti – lepila v lesni industriji,
impregnacija, barve,
pene za izolacijo
Fenolformaldehidne – vtičnice, držala,
smole veziva za vezane plošče in
laminate, pene za izolacijo
Poliuretani – pene, lepila, vlakna
(tudi termoplasti)
Silikoni – lepila, emajli
Lateksi
Polisečnina
Polialkeni: PE, PP – cevi, sodi, pene, folije,
lepila, vlakna, filmi, plošče
Poliamidi (Nylon) – nova vlakna “Kevlar”
Polistireni – toplotni izolatorji
Polivinilkloridi – talne obloge, okna, rolete
Politetrafluoroetilen - obloge, cevi, tesnila
(Teflon)
Polimetilmetakrilat – organsko steklo, obloge
Poliestri – vlakna, filmi
Polikarbonati – strešni elementi
ABS - ohišja aparatov
Duroplasti: premreženi, togi (velik elastični modul), lahko dokaj krhki, obdržijo obliko med segrevanjem, se ne talijo (ampak razgradijo), nad Tg postanejo nekoliko bolj elastični
Odkod njihova uporabnost? Pod Tg zdržijo velike mehanske obremenitve brez lezenja. Ta lastnost je zaželena pri: popravilu razpok, vezavne lastnosti, bolt and dowel grouting
Primeri elastoplastov
naravne gume
sintetične gume

19. Kaj je Tg?
Pri ravnotežnem ohlajanju termoplasti pri temperaturi tališča Tt kristalizirajo (entropija, volumen, entalpija, lomni indeks se skokovito zmanjšajo). Pri neravnotežnem ohlajanju se talina termoplasta podhladi, entropija, volumen, itd. se enakomerno manjšajo do temperature steklastega prehoda Tg, ko polimerne molekule postanejo toge, t.j. ne morejo se več translacijsko premikati, rotirati. Zato se pri temperaturah, nižjih od Tg, prej navedene veličine manjšajo precej počasneje kot nad Tg.

20. Zveza med Tg in HDT
Preprost način za posredno določitev Tg je merjenje temperature toplotnega upogiba (Heat Deflection Temperature, HDT). Pri segrevanju obremenjenega vzorca se ta v območju Tg znatno ukrivi.
Med Tg in HDT obstaja skoraj linearna zveza.
Definicija: ASTM D648: The deflection temperature is the temperature at which a test bar, loaded to the specified bending stress, deflects by inch (0.25 mm).
For this test a bar of material is placed in a heated bath and stressed in a three-point bending mode. The temperature of the bath is slowly increased until the sample bar is sufficiently softened that a specified deflection is achieved. This temperature is then the heat deflection temperature.
For amorphous polymers, the heat deflection closely tracks the glass transition temperature. For example, the graph below provides the HDT at 1.82 MPa for several common amorphous polymers.

21. Vpliv relacije med Tt in Tg na lastnosti
Na osnovi znanih Tt in Tg vrednosti za dani termoplast lahko torej sklepamo o nekaterih njegovih lastnostih. Običajno nas zanima predvsem relacija med Tg in Tt ter lastnostmi pri sobni temperaturi, pri kateri materiale najbolj pogosto uporabljamo.
Veljajo naslednja “pravila”:
Če sta obe Tt in Tg nižji od sobne temperature, je polimer tekoč.
Če je Tt višja, Tg pa nižja od sobne temperature, je polimer bodisi podhlajena talina bodisi kristaliničen.
Če sta obe Tt in Tg višji od sobne temperature, ima polimer lastnosti, podobne steklu (je krhek, trd itd.).
Posebej zanimiv je primer, naveden pod točko 2., z lastnostmi podhlajene taline, ki v sebi združuje mehanske lastnosti tako taline kot trdne snovi. Te lastnosti obravnavamo pod naslovom viskoelastična deformacija.
Razen pravih elastomerov imajo vsi konstrukcijski polimeri zelo izražene viskoelastične lastnosti.

22. VISKOELASTIČNA DEFORMACIJA: elastičnost viskoznost anelastičnost
Podhlajeno talino počasi natezno obremenimo s konstantno silo. Začetni raztezek je posledica elastičnih, nadaljnji pa anelastičnih in viskoznih lastnosti.
viskoznost
anelastičnost
Elastičnost viskoznost in anelastičnost materiala lahko ponazorimo z nadomestnimi shemami, v katerih nastopajo različne kombinacije dveh elementov: vijačne vzmeti in hidravličnega elementa
1. Elastine lastnosti opišemo z nadomestno shemo, v kateri nastopa le vzmet. Za vzmet velja
Hookov zakon, ki ga za strižno obremenitev zapišemo kot:
t g = G (7.1)
kjer je t strižna napetost (F/A), G je strižni modul in g raztezek ( g = tg( a), kjer je a strižni
kot, glej poglavje 3.2.1). Iz enabe (7.1) je oitno, da v njej ne nastopa as. To pomeni, da
raztezek sledi obremenitvi hipoma oziroma tako hitro, da z obiajnimi metodami ne moremo
doloiti asa, ki je pretekel od trenutka, ko uporabimo strižno (ali natezno) napetost do
trenutka, ko se je vzmet raztegnila za dano vrednost (slika 7.11 (a)).
Primer realne krivulje in nadomestne sheme

23. VISKOELASTIČNI MODUL
V tem primeru je prevladujoi len v enabi (7.5) g1. Pri srednjih temperaturah (okvirno Tg < T < Tt) je prevladujoi len (razen za kristalinini polimer) v enabi (7.5) len g2, polimer ima torej anelastine lastnosti. Pri T > Tt prevladuje len g3, polimeri so viskozni. Iz slike 7.11 (a) je razvidno, da kristalinini polimeri nimajo anelastinega podroja. Nad Tg viskoelastini modul polikristalininega polimera rahlo pada, pri Tt pa naglo pade v podroje viskoznosti. Podobne krivulje dobimo za druge polikristalinine materiale in tudi kovine.
Ker se s spreminjanjem raztezka spreminja mehanizem, po katerem pride do raztezanja, je smiselno uvesti posebno veliino, ki povezuje te mehanizme: viskoelastični modul, ki ga definiramo kot razmerje med celotno strižno obremenitvijo celotnim raztezkom podhlajene taline. Na sliki so prikazani viskoelastični moduli v odvisnosti od temperature za različne tipe polimernih materialov. Oblika krivulj je podobna za vse navedene primere, razen za kristalinični polimer. Pod Tg imajo vsi materiali zelo velik viskoelastični modul, kar pomeni, da so togi in krhki - podobni steklu. Itd.

24. POLIMER
PREDNOST
SLABOST
Epoksidne smole (100% trdna oblika)
Velika trdnost, HDT, Se veže na mokre površine, Odlična kemijska obstojnost, majhni skrčki sušenju
Sčasoma porumeni Počasno sušenje
Epoksidne smole (vodne disperzije)
Nizka viskoznost, okolju prijazna, lahko čiščenje
Porumeni, omejena kemijska obstojnost, počasno sušenje
Poliuretan
Fleksibilen, žilav, odporen proti abraziji
Slaba vezavnost, pod vplivom vlage se tvorijo plini, lahko porumeni
Polisečnina
Fleksibilen, žilav, odporen proti abraziji, hitro sušenje
Omejena vezavnost, potrebuje prednamaz, omejena kemijska odpornost, rumeni
Poliester (vinilester)
Žilav, Najboljša kemijska odpornost, dober material za obloge
Se znatno krči, potrebuje prednamaz, stirenski vonj, možna strupenost
Poliakrili (reaktivni)
Ne rumenijo, Nizka viskoznost, Hitro sušenje
Vonj, Nekateri so krhki, Visoka cena, Sušenje je lahko problematično, Nizka kemijska obstojnost
Akrilni lateks polimeri
Najboljši modifikator za cemente, Permeabilnost, Odpornost na okoljske vplive
Omejena zmrlinska odpornost, nizka kemijska obstojnost
Silikonske smole
Nabolj dolgoživa tesnila, barvna stabilnost, se ne starajo
Visoka cena, večkrat potrebuje prednamaz
Silani
Se dobro vsrkava, Nizka viskoznost, dobra prepustnost za zrak
Lahko razpoka na površini
                                                            

25. NAPAKE PRI UPORABI POLIMEROV
Nepravilno lepljenje oz. pritrjevanje

26. Neupoštevanje neodpornosti materiala na UV sevanje

27. Neupoštevanje neodpornosti materiala
na vremenske vplive

28. Nepravilna izdelava ometnega dela fasade
- pretanek nanos osnovnega ometa,
steklena mrežica ni v sredini nanosa ometa

29. Nepravilno in nezadostno lepljenje
EPS Izolacijskih plošč

30. Nepravilno lepljenje in
nepravilna priprava površine
pred lepljenjem

31. Neodpornost zaključega ometa in premazov
na vremenske vplive – pojav plesni

32. primer ustreznega tesnjenja
gradbenega stika
primer slabega tesnjenja
gradbenega stika

33. Primeri poškodb zaradi napačnega tesnjenja