Viskoelastičnost, prikrita lastnost polimernih materialov

Z materiali smo v stiku v vsakem trenutku in se tega niti ne zavedamo. Še manj pogosto si postavimo vprašanje o izvoru, surovinski sestavi in odzivnosti na okolje. Razvoj materialov je veja znanosti, ki se s temi vprašanji sistematično ukvarja. Eno od njih je viskoelastičnost – proučevanje odziva polimernega materiala na zunanjo vnešeno deformacijo.

Razvoj materialov, predvsem njegovo dojemanje in zavedanje o njegovem pomenu in obstoju se je začelo s kamni, nato z lesom, pozneje s kovino in tako dalje, vsem tem pa je skupen izvor, to je narava. Ljudje so uporabljali vrsto surovine, ki so jo imeli v okolici oziroma bližini. Danes je brez večjih težav mogoče pridobiti surovino, ki je kjerkoli na Zemlji. Toda iz preteklosti črpamo modrost posnemanja naravnih odzivov na deformacijo, obnašanja v različnih temperaturnih in vlažnih okoljih ...

Papir že od antike ohranja svojo strukturo

Papir kot ena starejših iznajdb »sodobnega« človeka ohranja svojo strukturo in namembnost že vse od začetka, 105 po n. št. V osnovi gre za preplet rastlinskih vlaken, ki so zapolnjena z mineralnimi delci (kalcijev karbonat ali kaolin). Torej je heterogen material, sestavljen iz homogenih snovi. Naravna celulozna vlakna listavcev ali iglavcev v končnem proizvodu skupaj s kalcijevim karbonatom tvorijo heterogenost. Njeno obnašanje na vnešene zunanje deformacije je precej težje meriti, kot je to mogoče pri homogenih materialih.

Vse od iznajdbe sintetičnega polimera leta 1935 v podjetju DuPont, kjer je Wallace Carothersu uspelo sintetizirati PA6,6, danes bolje znan pod tržnim imenom nylon, so se raziskave na področju odziva materiala začele intenzivirati. Z uvedbo nove oblike, človeško izdelanega polimera, se je razširilo tudi področje proučevanja odziva takih materialov na deformacije.

Skokovit razvoj polimerov

Ker se je razpon uporabnosti razširil iz izključno naravnih polimerov (celuloza in keratinska vlakna, »volna«) še na umetna, je bilo treba prilagoditi tudi merilne pristope in tehnike. Materiali so postajali kompozitni in vgrajevali so jih povsod, kjer uporaba zgolj ene vrste polimera ni zadostovala. Od leta 1935 do 1990 je bil razvoj skokovit, zdaj pa le redko naletimo na novico o »iznajdbi« novega materiala. V večini primerov gre zgolj za nadgradnjo, posodobitev ali prilagoditev že znanih polimernih snovi.

Ena od izrazitejših vej znanosti materialov je posnemanje naravnih čudes, kot je na primer vodoodbojnost, toplotna odzivnost, barvno niansiranje in podobno, česar brez visokoločljivostnih kamer s sposobnostjo zajemanja velikega števila slik na kratko časovno enoto, ali rastrskih, atomskih in podobnih mikroskopov, ne bi bili sposobni zaznati, proučiti in uporabiti.

Najpogostejši nov material zdaj izhaja iz avtomobilske industrije. S precejšnjo zakasnitvijo prihajajo v civilno uporabo materiali, razviti za vojaške namene, toda vsem je skupno dejstvo, da so prešli niz fizikalno-mehanskih preizkušanj.

Je »novo« res slabo in »reciklirano« res dobro?

Zanimanje za viskoelastično obnašanje polimernih materialov pod zunanjo deformacijo je v meni vzbudil zaslužni prof. dr. Vili Bukošek, ki je bil tudi somentor pri mojem doktorskem delu o viskoelastičnih lastnostih grafičnih papirjev. Poznavanje in predvsem zavedanje o pomembnosti viskoelastičnosti je rastlo hkrati z raziskavami. V doktorski nalogi z naslovom Viskoelastične lastnosti grafičnih papirjev sem povzel rezultate dolgoletnega dela na področju proučevanja raznovrstnih papirjev, s poudarkom na njihovem viskoelastičnem odzivu.

Ker je danes v splošnem prepričanje, da je »novo« slabo in reciklirano »dobro«, se je tudi v papirništvu pojavila dilema, za katere namene in koliko uporabljati eno in drugo vrsto vlaken.

Omejitve prvih in drugih

Papirji, proizvedeni iz stoodstotne sekundarne celuloze imajo svoje tehnološke omejitve, medtem ko imajo papirji, proizvedeni iz stoodstotne primarne celuloze, pretežno ekonomske in družbene omejitve. Obseg zelenih naročil se povečuje, čemur mora proizvodni sektor slediti.

Toda sekundarna celulozna vlakna imajo pred primarnimi eno opaznejših pomankljivosti. Vlakna so mehansko oslabljena. Osnovne naravne zakonitosti fizike in mehanike polimerov se ohranjajo, ne glede na produktne trende.

Skupno vsem izbranim vzorcem papirjev je bila končna uporabnost. V postopku rotacijskega tiska je papirni trak v določenem trenutku lahko razprt tudi več kot sto metrov, pri čemer pride do izraza njegova viskoelastičnost. Preiskovani so bili papirji za fleksibilno embalažo in etiketni papirji Papirnice Vevče ter časopisni in grafični papirji papirnice Vipap Videm Krško. Poleg različnih surovinskih sestavin so bili papirji bili odvzeti tudi iz različnih proizvodnih in dodelavnih postopkov.

Nujno posodabljanje metod spremljanja proizvodov

Ker je stopnja avtomatiziranosti v papirni industriji na visoki ravni, smo uporabili nekaj nekonvecionalnih analitskih metod preizkušanja, kot sta rentgensko določanje vsebnosti pepela, ACA, Emtec Eletronic, Leipzig, Nemčija in dinamično mehansko analizo, DMA, UL, NTF. Navedeni merilni tehniki sta laboratorijskega tipa, ki sta zaradi svoje zasnove in natančnosti eden od ključnih parametrov pri pojasnjevanju viskoelastičnega odziva papirja, vendar v papirni industriji še nista uporabljeni.

Ker so papirni stroji vse hitrejši, se morajo hkrati razvijati tudi analitske metode spremljanja proizvodov. Vzorcem smo z metodo kajaani izmerili še dolžinsko porazdelitev vlaken (papirni ištitutu PMV, Univerze v Darmstadu, Nemčija) in formacijo papirja (M/K System, Massachusetts, ZDA).

Ker v proizvodnji papirja lahko na strojih uravnavajo vrsto parametrov, to je hitrost natoka in sita papirnega stroja, temepraturo sušenja, gostoto navitja in drugo, s čimer neposredno vplivajo tudi na viskoelastične lastnosti, pa se tega večinoma ne zavedajo. Eden ključnih rezultatov raziskave je, da proizvajalci papirjev lahko uravnavajo in spremljajo sposobnost odziva papirja na zunanje deformacije že na podlagi enega najosnovnejših parametrov rutinskega nadziranja kakovosti papirja, to je specifične prostornine.