Materiali in okolje

Zbirka Zelena Slovenija mag. Mojca Knez, dr. Gorazd Lojen, dr. Nikolaj Torelli

Materiali in okolje uÄ?benik za modul materiali in okolje v programu Okoljevarstveni tehnik

Materiali in okolje 1

2 Materiali in okolje

mag. Mojca Knez, dr. Gorazd Lojen, dr. Nikolaj Torelli

Materiali in okolje

Materiali in okolje 1

KAZALO

UVOD 9 1

ZNANOST O MATERIALIH IN INŽENIRSTVO

13

1.1 1.2

Surovine in materiali Znanost o materialih in inženirstvo

13 15

2

DELITEV MATERIALOV

17

2.1

Kovinski materiali 2.1.1 Tehnično čiste kovine 2.1.2 Kovinske zlitine 2.1.3 Lastnosti kovinskih materialov Keramični materiali 2.2.1 Tradicionalna in tehnična keramika 2.2.1.1 Oksidna in neoksidna keramika 2.2.2 Steklo 2.2.3 Lastnosti keramike Polimerni materiali 2.3.1 Naravni polimerni materiali 2.3.2 Sintetični polimerni materiali 2.3.3 Lastnosti polimernih materialov Kompozitni materiali 2.4.1 Definicija kompozitnih materialov 2.4.2 Delitev kompozitnih materialov

17 18 18 18 19 19 20 20 21 21 21 21 22 22 23

ZGRADBA MATERIALOV

25

2.2

2.3

2.4

3

3.1 Atom 3.1.1 Zgradba atoma 3.1.2 Električni naboj protonov in elektronov 3.1.3 Masa in velikost atoma 3.1.4 Bohrov model atoma 3.1.5 Vrstno število, masno število, izotopi,

relativna atomska masa 3.1.6 Ioni 3.1.7 Energijski nivoji in orbitale 3.1.8 Vzbujanje in relaksacija 3.2 Vezi med atomi 3.2.1 Elektronegativnost 3.2.2 Kemijske vezi 3.2.2.1 Ionska vez 3.2.2.2 Kovalentna vez 3.2.2.3 Kovinska vez 3.2.3 Sekundarne vezi – molekulske vezi 3.2.4 Značaj dejanskih vezi med atomi 3.3 Razpored atomov v trdnih snoveh 3.3.1 Amorfna in kristalna zgradba materialov 3.3.2 Kristalne mreže 3.3.2.1 Mrežna mesta in osnovna celica kristalne mreže 2 Materiali in okolje

25 25 25 26 26 26 26 27 29 31 31 33 33 34 35 36 36 39 39 40 40

3.3.2.2 Vrste kristalnih mrež 3.3.2.3 Kristalografske smeri in ravnine 3.3.2.4 Alotropija in polimorfizem 3.3.2.5 Vrzeli – intersticije 3.3.3 Kovinski, ionski, kovalentni in molekulski kristali 3.3.3.1 Kovinski kristali 3.3.3.2 Ionski kristali – kristali ionskih spojin 3.3.3.3 Kovalentni kristali 3.3.3.4 Molekulski kristali 3.4 Realna zgradba materialov 3.4.1 Napake v kristalnih mrežah 3.4.1.1 Točkaste napake 3.4.1.2 Črtne napake 3.4.1.3 Ploskovne napake 3.4.1.4 Prostorske napake 3.4.2 Mikrostruktura materialov 3.5 Toplotno aktivirani procesi 3.5.1 Difuzija 3.5.1.1 Mehanizmi difuzije 3.5.1.2 Ravnotežna stanja 3.5.1.3 Vplivi difuzije na mikrostrukturo 3.6 Fazna ravnotežja 3.6.1 Osnovni pojmi 3.6.2 Fazni diagrami 3.6.2.1 Enokomponentni fazni diagrami 3.6.2.2 Dvokomponentni (binarni) fazni diagrami

40 42 42 42 43 43 45 45 46 47 47 48 50 52 53 54 55 55 55 57 57 63 63 67 67 68

4

LASTNOSTI MATERIALOV

75

4.1

Fizikalne lastnosti 4.1.1 Gostota 4.1.2 Tališče, vrelišče 4.1.3 Viskoznost 4.1.4 Specifična toplota 4.1.5 Temperaturni razteznostni koeficient 4.1.6 Toplotna prevodnost 4.1.7 Električna prevodnost in upornost 4.1.8 Magnetne lastnosti 4.1.8.1 Diamagnetni materiali 4.1.8.2 Paramagnetni materiali 4.1.8.3 Feromagnetni materiali Mehanske lastnosti 4.2.1 Mehanske obremenitve in napetosti 4.2.1.1 Trdnost 4.2.1.2 Napetost tečenja 4.2.2 Elastičnost 4.2.3 Plastičnost 4.2.3.1 Plastična deformacija kovin 4.2.3.2 Plastična deformacija termoplastov in stekla

75 75 77 77 77 78 79 80 82 82 83 83 85 85 86 86 86 87 87 87

4.2

Materiali in okolje 3

4.3 4.4

4.2.3.3 Razteznost 4.2.4 Duktilnost, krhkost in žilavost 4.2.5 Trdota 4.2.6 Odpornost proti obrabi Kemijske lastnosti 4.3.1 Odpornost proti koroziji 4.3.2 Obstojnost pri povišanih temperaturah Tehnološke lastnosti 4.4.1 Livnost 4.4.2 Gnetljivost – preoblikovalnost 4.4.3 Odrezovalnost 4.4.4 Sposobnost spajanja 4.4.5 Toplotna obdelovalnost

NEKATERI POMEMBNEJŠI MATERIALI IN SKUPINE MATERIALOV

95

5

97

LES in EKOLOGIJA LESA

5.1 Les 5.1.1 Pomen lesa 5.1.2 Kaj je les 5.1.3 Opredelitev lesnih rastlin 5.1.4 Gozd 5.1.5 Makroskopske in mikroskopske značilnosti lesa 5.1.6 Submikroskopska in kemična zgradba

celične stene tipičnega vlakna 5.1.7 Lastnosti lesa kot materiala 5.1.8 Naravna odpornost in trajnost lesa 5.2 Ekologija nastanka, rabe in odstranitve odsluženega/starega lesa 5.2.1 Les – ekološki material, ekološka bilanca (LCA) 5.2.2 Fotosinteza – nastanek lesa 5.2.3 Vpliv gozda in rabe lesa na blaženje

podnebnih sprememb 5.2.4 Prednosti lesenih zgradb 5.2.5 Les kot energent 5.2.6 Kurjenje z lesom, PM10, črni ogljik 5.2.7 Toksičnost lesa 5.2.8 Zaščita lesa in odstranitev odsluženega lesa

97 97 98 98 98 99 101 103 111 112 112 113 114 115 117 118 119 119

6 Papir

123

7

Umetni polimerni materiali

125

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

Osnovni pojmi Vrste in pridobivanje 7.2.1 Vrste umetnih polimernih materialov 7.2.2 Pridobivanje umetnih polimerov Tehnične lastnosti polimernih mas Postopki za izdelavo elementov iz umetnih mas Primerjava umetnih mas s kovinami Najbolj znane umetne mase

125 125 125 127 128 129 130 130

8

Naravni kamen

133

8.1 8.2

Zgradba kamnin Nastanek in vrste kamnin 8.2.1 Magmatske kamnine 8.2.2 Sedimentne kamnine 8.2.3 Metamorfne kamnine Pridobivanje kamnin Obdelava kamnin Zaščita kamnin

133 135 135 136 138 138 138 139

8.3 8.4 8.5 4 Materiali in okolje

88 88 88 88 89 89 89 91 91 92 92 92 93

9 Keramika

141

9.1

141 142 143 143 143 143 143 144 144 144 145

9.3

9.4

Zgodovina keramike 9.2.1 Lastnosti gline Postopek izdelave keramičnih izdelkov 9.3.1 Priprava surovine 9.3.2 Oblikovanje keramičnih izdelkov 9.3.3 Sušenje 9.3.4 Žganje 9.3.5 Glaziranje izdelkov Vrste keramičnih izdelkov 9.4.1 Tradicionalna keramika 9.4.2 Tehnična keramika

10 Steklo

147

10.1 10.2 10.3 10.4

147 147 149 150

Zgodovina stekla Postopek pridobivanja in proizvodnje stekla Lastnosti stekla Delitev stekla

11 Beton

155

11.1 Osnove 11.2 Mehanske lastnosti betona 11.3 Razvoj tehnologije in uporabe betona 11.4 Vrste betonov 11.4.1 Armirani beton 11.5 Betonski izdelki 11.5.1 Izdelki iz lahkega betona

155 156 158 159 159 162 163

12 Kovine

165

12.1 Železo in železove zlitine 12.1.1 Jeklo 12.1.2 Železove litine (lito železo) 12.2 Aluminij 12.3 Baker 12.4 Magnezij 12.5 Svinec 12.6 Kositer 12.7 Cink 12.8 Titan 12.9 Nikelj 12.10 Krom 12.11 Silicij 12.12 Drage kovine in kovine redkih zemelj

165 165 167 168 169 170 170 170 171 171 172 173 173 173

13 Veziva

177

13.1 Anorganska mineralna veziva 13.1.1 Nehidravlična veziva 13.1.1.1 Zračno apno 13.1.1.2 Mavec – osnovna surovina 13.1.2 Hidravlična veziva 13.1.2.1 Hidravlično apno 13.1.2.2 Cementi 13.2 Organska ogljikovodikova veziva 13.2.1 Katrani 13.2.2 Bitumni 13.2.3 Lastnosti 13.2.4 Uporaba organskih veziv 13.2.5 Mešanice organskih veziv

177 177 177 179 180 180 180 181 181 182 184 186 186

Materiali in okolje 5

14 Kompoziti

191

14.1 14.2 14.3 14.4 14.5

Kompoziti z velikimi delci Kompoziti z majhnimi delci (disperzijsko utrjeni kompoziti) Kompoziti s polimerno matrico Kompoziti s keramično matrico Kompoziti s kovinsko matrico

191 191 192 193 194

15

NEVARNE SNOVI

197

15.1 Uvod 15.2 Nevarne snovi 15.3. Klasifikacija nevarnih snovi po posameznih predpisih 15.4 Eksplozijsko nevarne snovi 15.5 Vnetljive snovi 15.6 Snovi, ki povzročajo vžig 15.7 Strupene in zdravju škodljive snovi 15.8 Jedke snovi 15.9 Označevanje nevarnih snovi 15.10 Simbolni zapis nevarnih snovi in njihov pomen

197 197 198 199 199 200 200 200 201 204

16

209

MATERIALI IN OKOLJE - TRAJNOSTNO RAVNANJE

16.1 Potrebe po naravnih virih in vplivi na okolje 16.2 Trajnostni razvoj 16.3 Trajnostni materiali 16.3.1 Analiza življenjskega cikla 16.4 Recikliranje 16.4.1 Recikliranje betona in stekla 16.4.2 Recikliranje lesa in papirja 16.4.3 Recikliranje umetnih polimernih materialov 16.4.4 Recikliranje kovinskih materialov 16.5 Kako zmanjšati porabo materialov 16.6 Primer dobre prakse

209 211 212 213 215 216 216 217 221 225 227

Viri 233

6 Materiali in okolje

Knjigi na pot Že kot otroci smo se venomer spraševali, zakaj, kako, iz česa je kaj nastalo …

Ko smo odraščali, smo dobili odgovore na številna vprašanja, a mnoga so ostala neodgovorjena. Kako in iz česa je zgrajena največja stavba na svetu, iz česa so slavne piramide v Egiptu, kako so Maji gradili svoje templje v tropskem pragozdu, iz česa je bila zgrajena inkovska ladja, s katero so prepluli ocean?

Morda so misli zaplavale tako daleč, da nas je zanimalo tudi, iz česa bi lahko bilo zgrajeno mesto, globoko pod gladino oceana, ko bo svet prenaseljen.

O materialih v okolju avtorji pričujočega učbenika veliko razmišljamo in jih spoznavamo, saj delček vseh znanj predstavlja tudi skrivnostni svet materialov v okolju. Zanimata nas njihov pomen in vrednost v prostoru, pa tudi vpliv na okolje. Hitro smo dojeli, da so materiali z okoljem tesno povezani in da delujejo drug na drugega.

Knjiga, ki je pred vami, je namenjena prvim korakom k potrebnemu znanju za reševanje tovrstnih izzivov. Zavedati se moramo, da s svojim znanjem in ravnanjem z materiali lahko okolje poškodujemo ali pa ga varujemo. Materiale torej moramo poznati. S tem znanjem si lahko ustvarimo boljši in lepši jutri ter ohranimo okolje za naše zanamce.

Morda bo v učbeniku kakšen oreh pretrd, a smo ga vseeno pustili kot motiv - če ne danes, ga boste strli jutri, saj vedoželjnost pogosto ne pozna meja.

Avtorji

Mostovi

Materiali in okolje 7

8 Materiali in okolje

UVOD Ne samo v šoli, pri študiju, pri poklicnem delu, tudi v vsakdanjem življenju se srečujemo z materiali in se pogosto znajdemo v situaciji, ko nam pomanjkljivo znanje o njih prepreči, da bi izkoristili druga znanja, ki jih odlično obvladamo. Škoda, mar ne? Žal se tega večina ne zaveda. Pa verjetno ne zato, ker ne bi hoteli, ampak zato, ker jim tega ni še nihče razložil – tudi meni ne, ko sem bil še dijak. In to je razlog, da sem napisal naslednje odstavke.

Kakšen bi bil svet, kako bi živeli, kaj bi delali ekonomisti, o čem bi se prepirali pravniki, kaj bi počeli inženirji, kako bi zdravili zdravniki, če bi človek še vedno poznal le materiale, ki jih najde v naravi? Kamena doba bi trajala še danes.

Spoznavanje materialov se začne takoj, ko začne otrok zaznavati svet okrog sebe. Učimo se s pomočjo izkušenj, s prepoznavanjem predmetov in naprav.

Sprašujemo, zakaj, kako, iz česa … Iz česa je zgrajena najvišja stolpnica na svetu, iz česa so piramide v Egiptu, ladje, letala, vesoljska postaja Mir, iz kakšnih materialov so obleke astronavtov ali potapljačev, iz česa bi lahko zgradili mesto globoko pod gladino oceana? Dobimo mnogo odgovorov, veliko se naučimo v šoli, toda še več vprašanj ostaja odprtih. Za veliko izdelkov in naprav vemo, da so narejeni iz nekega materiala. Pa vemo, zakaj prav iz tega materiala in ne iz kakšnega drugega? Zakaj je sekira železna (pravilno: jeklena) in ne papirnata?

Zakaj letala niso iz svinca, ampak iz aluminija? Zakaj v peč nalagamo drva in ne kamenja? Zakaj čevlji niso stekleni, okna pa so? Gotovo vidite, da je v vseh naštetih primerih vsaj eden od materialov takšen, da ena od njegovih lastnosti povzroči neuporabnost predmeta. Lastnosti drugega pa so takšne, da je primeren za izdelavo tega predmeta. Vidimo torej, da za vsako stvar potrebujemo primeren material. Pa ga res imamo? V nekaterih primerih je odgovor preprost. Če ne bi imeli primernega materiala, nek predmet sploh ne bi obstajal ali pa bi imel drugačne lastnosti, kakor jih poznamo v vsakdanjem življenju.

V preteklosti, natančneje v renesansi, je živel genialni umetnik, arhitekt in konstruktor Leonardo da Vinci. Že leta 1502 je narisal načrt za most v Carigradu. Morje je tam pregloboko, da bi v vodo postavili stebre, zato je načrtoval 240 m dolg kamnit obok. Na sredini mostu, tam, kjer bi bila debelina oboka najmanjša, bi vsak meter dolžine tehtal približno 600 t. Takšnega mostu seveda niso mogli zgraditi. Še danes najdaljši zidan obok na svetu ni dolg niti 100 m.

Toda, 500 let kasneje, v dvajsetem stoletju, so izračunali, da bi da Vincijev most stal, če bi ga zmogli zgraditi. Da Vinci je narisal tudi skico zračnega vozila. Verjetno ni potrebno posebej poudarjati, da ni nikoli poletelo, saj gradnja iz lesa, platna, kovanega železa in pogon z močjo človeških mišic tega nikakor nista omogočala. Prvi letalni stroj, ki ga je poganjala moč človeških mišic, je poletel šele 500 let kasneje.

Prvo dvokolo ("Draisienne"), ki ga je izdelal Karl-Friedrich von Sauerbrunn (1817).

Tehniški muzej Berlin, foto Piotr Tysarczyk

Sodobno gorsko kolo

Vsem je zelo blizu kolo (dvokolo, bicikel). Prve skice je verjetno narisal že eden od da Vincijevih učencev, prvo vozilo, vsaj nekoliko podobno današnjemu kolesu, pa je verjetno leta 1790 izdelal Francoz de Sivrac (https://en.wikipedia. org/wiki/History_of_the_bicycle, http://web.pdx.edu/~lesseg/Project%201/ index.html). Bilo je narejeno iz lesa, brez krmila, voznik ga je poganjal tako, da se je z nogami odrival od tal. Da bi lahko naredili za vsakdanje prevoze resnično uporabno kolo, je bilo potrebno počakati na jeklene cevi, dovolj kakovostne kroglične ležaje, verižni pogon in na pnevmatike z zračnicami. Vse to je bilo na voljo šele proti koncu 19. stoletja. Kljub temu so bila takratna kolesa v primerjavi z današnjimi neznansko težka. Da se je masa najdražjih koles lahko približala nekoč nepredstavljivim 10 kg, je bilo potrebno najprej razviti dovolj trdno jeklo, izumiti postopek proizvodnje brezšivnih cevi, razviti ustrezne postopke toplotnih obdelav in spajanja. Vse to je bilo potrebno, da so lahko izdelali jekleni okvir, ki Materiali in okolje 9

brez vilic tehta okoli 2 kg. Do sredine 90-ih let 20. stoletja so le najboljši jekleni okvirji tehtali okoli 2 kg. Če bi bili tudi ostali deli kolesa iz jekla, bi bila magična meja 10 kg še vedno nedosegljiva. Tudi tukaj je bilo potrebno najprej počakati na razvoj ustreznih aluminijevih zlitin in postopkov predelave, kar se je zgodilo šele globoko v drugi polovici dvajsetega stoletja. Naslednji korak v zmanjšanju mase koles, za dodaten kilogram, je omogočil aluminijasti okvir. Trajalo pa je do sredine devetdesetih let prejšnjega stoletja, da je aluminij dokončno izpodrinil jeklo kot standardni material za izdelavo okvirjev in vilic. Šele takrat je dovolj veliko število podjetij po svetu imelo na voljo dovolj znanja za začetek masovne proizvodnje iz aluminija. In koliko danes tehtajo kolesa, ki jih vozijo najboljši tekmovalci? Tehtajo okoli 6 kg. Vemo, na kateri material je bilo potrebno za to počakati. Najprej na izum kompozitnega materiala iz ogljikovih vlaken in epoksidnih smol (v pogovornem jeziku ga napačno imenujemo »karbon«) in po tem še na to, da se je v industriji »nabralo« dovolj tehnološkega znanja in izkušenj o izdelavi in uporabi tega materiala.

Pred kratkim je minilo sto let, odkar je potonil Titanik. Zdaj vemo, da so k tragičnemu koncu vsaj malo pripomogle neustrezne lastnosti nekaterih uporabljenih materialov. Tudi danes niso tako redka poročila, da se je zgodila takšna ali drugačna nesreča zaradi zloma kakšnega konstrukcijskega elementa.

Vidimo torej, da brez ustreznih materialov še tako genialna ideja ne pomaga. Pa tudi dejstvo, da je ustrezen material na voljo, še vedno ni dovolj. Velikokrat je dejanski razlog za neuspeh ali nesrečo nezadostno poznavanje izbranega materiala.

Titanik je potonil tudi zaradi neustreznih materialov.

Za veliko materialov vemo, kako bodo prenesli določene zunanje vplive.

Vemo, da se bo steklen kozarec, če pade na tla, najverjetneje razbil, gotovo pa se ne bo zvil. Vemo, da lahko bakreno žico zvijemo, ne da bi se zlomila. Vemo, da papir lahko prižgemo z vžigalico, in še na misel nam ne pride, da bi nam lahko uspelo z vžigalico prižgati kos železa. Nekatere materiale je mogoče obdelati na različne načine, s čimer vplivamo na njihove lastnosti. Lahko jih obdelamo tako, da bodo mehki in jih bo mogoče upogibati, ali pa tako, da bodo trdi in se bodo pri upogibanju zlomili kot steklo.

Vsak lahko iz priročnikov prebere, kakšno obremenitev prenese nek material, kakšna je njegova trdota, gostota itn. Ti osnovni podatki so pogosto osnova za izračune, ki se jih učimo pri predmetih, kot so statika, mehanika in drugi.

Vendar smo v takšnih primerih prisiljeni računati z velikimi varnostnimi faktorji, saj sicer ne moremo zagotoviti zadostne zanesljivosti izdelka. Posledica je, da je izdelek oz. konstrukcija predimenzionirana in pretežka. Pogosto to ni nič hudega, ker so izdelki kljub temu dovolj uporabni. Toda današnjih dirkalnikov formule 1, nadzvočnih letal, vesoljskih plovil in še marsičesa drugega na ta način ne bi bilo. S tem seveda ne mislim, da znanja drugih šolskih predmetov niso potrebna. Nasprotno, brez obvladovanja znanj statike, mehanike, dinamike, matematike, kemije in drugih predmetov vrhunskih dosežkov tehnike ne bi bilo. Prav tako tudi brez poznavanja materialov ne. Podatki iz priročnikov niso dovolj. Pri pouku fizike in kemije se sicer naučimo temeljnih spoznanj s področja materialov, ki pa jih večina nikoli ne zna povezati z lastnostmi materialov. Da bi znali razložiti lastnosti materialov, je potrebno znanje, ki je lahko le plod sistematičnega učenja. Da lahko načrtno spreminjamo lastnosti obstoječih materialov, da lahko razvijamo nove materiale in da zmoremo pri konstruiranju izbrati najprimernejše materiale in maksimalno izkoristiti njihove lastnosti, moramo vedeti, od kod njihove lastnosti izvirajo. Treba je ne le vedeti, kako so pridobljeni podatki iz priročnikov, torej, kako so bile vrednosti izmerjene, ampak tudi razumeti, zakaj so takšne, kot so. Treba je ne le vedeti, ampak razumeti, zakaj se material v določenih okoliščinah obnaša tako, v drugih pa drugače. Treba je vedeti ne samo, kako moramo material obdelati, temveč razumeti, zakaj z neko obdelavo dobi ene lastnosti, z drugo pa drugačne. Potrebno je razumeti material. Razumeti, kaj se dogaja v njem in zakaj se dogaja. Šele potem smo sposobni izbrati resnično najprimernejši material in iz njega »iztisniti« vse, kar zmore, ne da bi pri tem tvegali nesrečen konec. Brez tega vrhunskih tehnoloških dosežkov ni.

10 Materiali in okolje

In kaj ima vse to opraviti z okoljem? Veliko. Vse človekove aktivnosti vplivajo na okolje. Nekatere bolj, druge manj. Za proizvodnjo potrebujemo materiale in energijo. Več materialov in energije porabimo, bolj obremenjujemo okolje.

Ne da bi vplivali na okolje, ne moremo pridelati in pripraviti hrane, biti oblečeni, živeti v hišah, voziti avtomobilov, leteti, izdelovati predmetov, ki nam olajšajo in olepšajo življenje. Še celo s tem, ko dihamo, obremenjujemo okolje. In da bomo lahko vse to še dolgo počeli in se razvijali naprej, moramo paziti, da na okolje ne bomo vplivali bolj, kot okolje dolgoročno lahko prenese. To pomeni, da ne smemo preveč onesnaževati okolja in ne smemo porabiti preveč surovin iz neobnovljivih virov. Materiale moramo poznati dovolj dobro, da vemo, katerega moramo izbrati, da bo izdelek konkurenčen po tehniški in ekonomski plati, obenem pa ne bomo škodovali okolju. Nek material je lahko za nek namen uporabe najboljši, najbolj »zelen«. Toda isti je lahko za kak drug namen zelo slab, zelo neekološki. Najboljši za okolje je vedno tisti, ki bo zagotovil najmanjšo vsoto vseh negativnih vplivov na okolje. Upoštevati moramo vse vplive, ki jih povzročimo s proizvodnjo in predelavo materiala v izdelek, z uporabo tega izdelka skozi njegovo celotno življenjsko dobo (npr. poraba elektrike ali goriva za delovanje) in z razgradnjo in odlaganjem odpadkov po končani življenjski dobi. Les velja za enega od najbolj »zelenih« materialov – in res je tako, dokler poraba ni večja od naravnega prirastka. Toda, kaj mislite, koliko časa bi trajalo, da bi morali posekati zadnje drevo na svetu, če bi hoteli namesto jekla in betona vedno in povsod uporabiti les? Bi bil les v takšnem primeru res ekološko sprejemljivejši od betona in jekla? Zato je splošna delitev materialov na »zelene« oz. »ekološke« in na »neekološke« popolnoma nesmiselna, zavajajoča in v vseh pogledih škodljiva.

Glede vplivov na okolje je edina smiselna delitev materialov na dobro in slabo izbrane, kajti odgovor, kateri je za okolje boljši in kateri slabši, je od primera do primera drugačen.

Z izbiro materialov vplivamo na okolje.

Predmet materiali in okolje je lahko prvi korak k sistematičnemu spoznavanju materialov in njihovih vplivov na okolje. Če ustreznega materiala še ni, ga moramo pač narediti. In tudi tukaj je lahko predmet materiali in okolje prvi korak pri nabiranju potrebnega znanja. S sistematičnim učenjem o materialih in njihovih vplivih na okolje se v življenju sreča le manjšina. Predmet materiali in okolje vam omogoča, da postanete eden izmed njih.

Pogosto so materiali, ki so bili razviti za vesoljske raziskave, postali pomembni v vsakdanjem življenju človeka.

Razmislite.

1. Zakaj Leonardo da Vinci ni mogel uresničiti nekaterih genialnih zamisli?

Materiali in okolje 11

12 Materiali in okolje

1 ZNANOST O MATERIALIH IN INŽENIRSTVO

1.1

Surovine in materiali Iz živalskih dlak lahko naredimo niti.

Kjerkoli smo, nas obdajajo različne snovi. Tako poznamo pline, tekočine, trdne snovi. Tudi zrak, ki nas obdaja, je snov, mešanica plinov in vlage. Večina od nas, vsaj v Sloveniji, skoraj vsak dan vidi reko, potok, jezero ali morje. Zagotovo večkrat dnevno pijemo vodo. Je namreč glavna sestavina vsega, kar pijemo.

Uporabljamo jo za umivanje in kuhanje. Vsak dan smo v neposrednem stiku s trdnimi snovmi, kot so obleka in obutev, zgradbe, v katerih živimo in delamo, predmeti, stroji in naprave, ceste in mostovi, zemlja, rastline ... Nekatere od teh snovi so materiali, druge pa ne. Človek je sprva, v pradavnini, uporabljal izključno snovi, ki jih je našel v naravi. Kamen, les, živalske kože, kosti ... Uporabljal je takšne, kakršne je našel, ne da bi jim spremenil lastnosti. Že kmalu je ugotovil, da nekatere snovi dobijo boljše lastnosti, če jih nekoliko predela, preden jih uporabi za izdelavo predmetov. Za les je človek hitro ugotovil, da svež slabo gori in pri tem nastaja veliko dima. Zato je za kurjavo bolje uporabiti suhega. Oblačila iz surovih živalskih kož otrdijo, pokajo in precej hitro propadejo (razkroj). Če pa kožo obdelamo oz. strojimo*, dobimo iz nje usnje, ki ne otrdi, razpoka in strohni tako hitro kot surova koža. Iz starih zapiskov vemo, da so v Mezopotamiji strojili usnje že več tisoč let pred našim štetjem. Tudi živalske dlake in rastlinska vlakna, takšna kot jih najdemo v naravi, niso najbolj primerna za obleko. Iz njih lahko naredimo niti in iz niti tkemo tkanine. Tkanje je eden od prvih načinov predelave snovi iz narave v material, ki ima precej drugačne lastnosti. Zanesljivo vemo, da je človek znal izdelovati tkanine že v paleolitiku (starejša kamena doba) pred približno 30.000 leti. Vemo tudi, da so najkasneje v neolitiku (mlajša kamena doba, začela se je pred približno 10.000 leti s koncem ledene dobe) že uporabljali tudi statve. Še bolj kot pri tkanju se lastnosti snovi spremenijo pri pridobivanju kovin.

Pred bakrom je človek uporabljal le samorodno zlato** in meteoritsko železo***.

Tkanje je eden od prvih načinov predelave snovi iz narave v material, ki ima precej drugačne lastnosti.

*Strojenje: predelava živalske kože v usnje s pomočjo kemikalij. S strojenjem preprečimo razkroj in za dolgo ohranimo mehkobo in elastičnost. Sprva so uporabljali urin, živalske iztrebke, raztopine naravnih soli in mineralov, kasneje kemikalije rastlinskega izvora (lužnica iz hrastovega ali smrekovega lubja), danes večinoma sintetične kemikalije. **Samorodno zlato: večina kovinskih kemijskih elementov se v naravi nahaja v obliki kemijskih spojin, ki imajo precej drugačne lastnosti od kovin. Samorodne in meteoritske kovine pa so kovine, ki jih v naravi najdemo v kovinski obliki. Samorodno zlato so zlata zrnca ali kosi nepravilnih oblik, ki jih najdemo v naravi. Zlata zrna nosijo tudi nekatere reke. V Sloveniji je bila zlatonosna reka Drava, preden so postavili jezove za hidroelektrarne. V samorodnem zlatu prevladuje zlato, običajno pa vsebujejo tudi do 10 % srebra, v nekaterih primerih več kot 20 % srebra in manjše količine nekaterih drugih kemijskih elementov. ***Meteoritsko železo: gre za kovinsko železo iz meteoritov, ki so padli na zemljo.

Dejansko gre za zlitino železa in niklja, ki običajno vsebuje 5–55 % niklja, lahko tudi nekaj ogljika.

Materiali in okolje 13

Inovativne rešitve za avtomobilsko industrijo Inštitut za materiale in tehnologije v podjetju Hidria je sestavni del Hidrijinega inovativnega centra. Njegovo osrednje poslanstvo je iskanje prebojnih, inovativnih rešitev za avtomobilsko industrijo, saj je njen predrazvojni dobavitelj. To pomeni, da ustvarjajo nove rešitve, ki se bodo vgrajevale v naslednje generacije vozil. V Inštitutu poteka delo v več laboratorijih, na primer za kemične analize, toplotne obdelave, električne pogone ...

16 Materiali in okolje

2 DELITEV MATERIALOV Materiale lahko delimo v skupine na osnovi velikega števila različnih kriterijev. Lahko jih delimo glede na njihovo zgradbo, glede na izvor, glede na namen uporabe, na način izdelave itn.

Najpogostejša temeljna delitev materialov je delitev glede na zgradbo. Tako jih delimo v tri osnovne skupine in dodatno, četrto skupino. Osnovne skupine so: - kovinski, -

keramični in

-

polimerni materiali.

Dodatna, četrta skupina, so kompozitni materiali.

kovinski materiali

kompozitni materiali polimerni materiali

2.1

keramični materiali

Kovinski materiali

V pogovornem jeziku, pa tudi v tehniki, pojem kovina največkrat ne pomeni kemijskega elementa, ampak kovinski material. Kovinski materiali so anorganski materiali (snovi), sestavljeni iz enega ali več kovinskih ali tudi nekovinskih elementov. Kovinske materiale delimo na tehnično čiste kovine in na zlitine.

Kovin običajno ne prištevamo k naravnim materialom, čeprav je mogoče nekatere samorodne kovine in meteoritsko železo najti tudi v naravi. Vendar je teh zanemarljivo malo in zato večino kovin pridobimo iz rud.

Železova ruda

Lastnosti čistih kovin lahko izredno močno spremenimo z legiranjem (namernim dodajanjem drugih kemijskih elementov) ter s toplotnimi in mehanskimi obdelavami. To nam omogoča, da uporabljamo kovine za najrazličnejše namene. Podobno kot se po svojih lastnostih močno razlikujejo čisti kovinski kemijski elementi, se zelo močno razlikujejo tudi lastnosti zlitin. V nekaterih primerih je odločilna za uporabo neke kovine samo ena lastnost, večinoma pa izberemo tisto, ki ima najugodnejšo kombinacijo več zahtevanih lastnosti.

Kovine pogosto delimo v skupine materialov na osnovi železa (jekla, lito železo ...) in v t. i. neželezne (ali barvne) kovine (npr. baker, cink, nikelj, aluminij …). Temeljna pa je delitev glede na vsebnost različnih kemijskih elementov na tehnično čiste kovine in na kovinske zlitine.

Aluminij spada med barvne kovine.

Materiali in okolje 17

S pomočjo 3-razsežnostnega tiskanja vroče raztopine je mogoče natisniti porozen hidrogel, ki služi kot nosilec matičnih celic za regeneracijo tkiv.

24 Materiali in okolje

3 ZGRADBA MATERIALOV Lastnosti materialov so odvisne od njihove notranje zgradbe, ki je opredeljena z elektronsko, kristalno ali amorfno zgradbo in mikrostrukturo. Elektronska zgradba nam pove, v kakšnih energijskih stanjih so elektroni v materialu. Od nje so močno odvisne električne in magnetne lastnosti materialov, vpliva pa tudi na razporeditev atomov v prostoru in na mehanske lastnosti materialov. O kristalni zgradbi govorimo, kadar so atomi pravilno razporejeni v prostoru. To je zelo pogosto, saj je kristalno stanje navadno ravnotežno stanje snovi. S primernimi izdelavnimi tehnologijami lahko dosežemo tudi steklasto ali amorfno stanje.

Mikrostruktura je realna zgradba, za katero je značilno odstopanje od pravilne kristalne zgradbe z določenimi napakami, ki jih ne moremo opazovati s prostim očesom, temveč z uporabo mikroskopov. V tehnični praksi lahko močno vplivamo na mikrostrukturo gradiv predvsem s primerno izbiro kemijske sestave materiala in s postopki izdelave in obdelave.

3.1 Atom Da so snovi sestavljene iz zelo majhnih delcev, so domnevali že misleci antičnih civilizacij. Ime atom izhaja iz starogrške besede ατομοσ (atomos), ki pomeni nedeljiv. Nekateri grški filozofi so namreč razmišljali, da so najmanjši delci tisti, ki jih ni mogoče razstaviti na še manjše.

3.1.1 Zgradba atoma Danes vemo, da je atom najmanjši delec, ki ima lastnosti kemijskega elementa. Vemo pa tudi, da so atomi sestavljeni iz še manjših delcev, ki pa nimajo lastnosti kemijskih elementov. Ti delci so protoni, nevtroni in elektroni. Protoni in nevtroni so veliko večji in težji od elektronov in sestavljajo jedro atoma.

Elektroni z veliko hitrostjo potujejo okoli jedra in tvorijo t. i. elektronsko lupino (lupino, ovojnico) atoma.

Orbitalna struktura vodikovega atoma

3.1.2 Električni naboj protonov in elektronov Protoni in nevtroni so sestavljeni iz še manjših delcev, ki jih imenujemo kvarki. Vsak proton in vsak nevtron je sestavljen iz 3 kvarkov. Kvarki imajo različne pozitivne ali negativne električne naboje.

V nevtronu je vsota vseh pozitivnih in negativnih nabojev kvarkov enaka nič, zato so nevtroni električno nevtralni – nimajo električnega naboja.

V protonu je vsota pozitivnih in negativnih nabojev kvarkov pozitivna, zato ima proton pozitivni električni naboj e0 = 1,602·10-19 J = 1 eV. Elektron ima enako močan negativni naboj.

Električne privlačne sile med protoni in elektroni zagotavljajo, da elektroni, ki z veliko hitrostjo potujejo okoli jedra, ne pobegnejo iz atoma.

Materiali in okolje 25

Pena iz odpadnih pepelov Oddelek za materiale Zavoda za gradbeništvo Slovenije (ZAG) s pomočjo vrhunske opreme zagotavlja razvojno-raziskovalno in strokovno podporo s področja gradbenih in ostalih materialov (raziskave, preskušanja, mnenja in ekspertize, nadzori). Razvija sodobne gradbene materiale na osnovi nanotehnologij ter izvaja raziskave na področju uporabe recikliranih gradbenih in industrijskih odpadkov, s čimer prispeva k vzpostavljanju krožnega gospodarstva.

Na sliki je predstavljena mikrotomografska analiza alkalno aktivirane pene, pridobljene iz odpadnih pepelov. Takšne pene so uporabne kot izolacijski material v gradbeništvu, a tudi za določene industrijske obloge, saj so odporne tudi do 1.000 ºC. (Foto: Mojca Mušič)

38 Materiali in okolje

3.3

Razpored atomov v trdnih snoveh

Lastnosti trdnih snovi so močno odvisne od narave kemijskih vezi med atomi in od razporeditve atomov.

V plinih atomi in molekule prosto lebdijo v prostoru, njihov razpored pa je naključen oz. neurejen. V trdnih snoveh atomi in molekule nikoli niso popolnoma naključno razporejeni, ampak so vsaj znotraj zelo majhnih območij razporejeni urejeno.

3.3.1 Amorfna in kristalna zgradba materialov O redu kratkega dosega govorimo, kadar so v trdni snovi območja, znotraj katerih so atomi razporejeni po določenem vzorcu oz. pravilno zelo majhna, velika komaj nekaj premerov atoma. Trdne snovi z redom kratkega dosega imenujemo amorfne snovi, njihovo zgradbo pa amorfno – neurejeno. Če v amorfni strukturi opazujemo okolico nekega atoma, lahko vidimo, da so atomi razporejeni po določenem vzorcu. Tudi če opazujemo okolico kakšnega drugega atoma nedaleč stran, bomo opazili razporeditev po nekem vzorcu. Toda ta vzorec bo drugačen kot v okolici prejšnjega atoma (Slika 17 a).

Ker je amorfna zgradba značilna za stekla, amorfne snovi imenujemo tudi steklaste snovi. Prav tako so amorfni ali vsaj deloma amorfni (v njih najdemo amorfna in kristalna območja) nekateri polimerni materiali. Za kovine je sicer značilna kristalna zgradba, lahko pa dosežemo amorfno stanje, če jih iz tekočega stanja ohlajamo z zelo velikimi hitrostmi, nad 106 K·s—1.

V večini trdnih snovi so urejena območja veliko večja. Določen vzorec razporeditve atomov se periodično ponavlja na velike razdalje. To pomeni, da bomo lahko enako razporeditev atomov opazovali ne le znotraj majhnega območja, ampak kjerkoli po velikem območju (velikem v primerjavi z velikostjo atoma) (Slika 17 b). V takih primerih govorimo o redu dolgega dosega. Običajno se vzorec (razpored) atomov periodično ponavlja. Zgradbo z redom dolgega dosega in periodičnim ponavljanjem vzorca razporeditve atomov imenujemo kristalna zgradba – urejena.

Kamena strela

Notranja urejenost zgradbe se pogosto odraža tudi na pravilni zunanji obliki kosov snovi. Ta pojav lahko opazujemo npr. pri mineralih, kot sta kamena strela ali kalcit.

Kristalna zgradba je najbolj značilna za kovine in za veliko nekovinskih anorganskih (keramičnih) materialov. Vsaj deloma kristalni pa so lahko tudi nekateri polimerni materiali (poglavje 3.3.3.4 Molekulski kristali).

a)

b)

Slika 17: Amorfna (a) in kristalna (b) zgradba

Materiali in okolje 39

Če se material ohlaja počasneje, je dalj časa pri višjih temperaturah. Difuzija lahko pripelje do večjih sprememb mikrostrukture. Če se ohlaja hitreje, je za difuzijo manj časa in spremembe so manjše. Torej je za približevanje termodinamskemu ravnotežju med ohlajanjem izredno pomembno, kako hitro se materiali ohlajajo. Če bi v praksi hoteli popolnoma doseči termodinamsko stabilno stanje, bi se morali materiali ohlajati neskončno počasi. Zato se realni materiali lahko le približajo termodinamskemu stabilnemu ravnotežju, nekateri bolj, drugi manj. Če se materiali ohlajajo hitro, se mikrostruktura ne utegne prilagoditi spremembi temperature. Ostanejo v metastabilnem ravnotežnem stanju – mikrostruktura je drugačna, kot bi bila v stabilnejšem stanju. Tudi to lahko ponazorimo s preprostim mehanskim modelom (Slika 39).

a)

b)

Kroglico spustimo po strmini, istočasno pa njeno podlago začnemo nagibati v levo, tako da se strmina klanca zmanjšuje, medtem ko se kroglica kotali (Slika 39 a). Če nagib zmanjšujemo počasi, bo imela kroglica dovolj časa, da se skotali v najnižjo točko sistema in doseže stabilno ravnotežje (Slika 39 b). Če pa nagib zmanjšamo hitro, se kroglica naenkrat ne bo več kotalila po klancu, ampak po ravnini, in se bo zaradi trenja ob podlago zaustavila, še preden bo dosegla najnižjo točko sistema – obstala c) bo v metastabilnem ravnotežju (Slika 39 c).

Vpliv difuzije na mikrostrukturo in lastnosti je zlasti pomemben pri kovinskih materialih.

b)

Pri ionskih in kovalentnih materialih difuzija sicer tudi poteka, toda predvsem kot difuzija praznin. Praviloma ne more bistveno spremeniti mikrostrukture, saj je razpored pogojen z atomskimi pari, ki tvorijo ionsko oz. kovalentno vez.

Pri kovinskih materialih se lahko atomi veliko svobodneje gibljejo, saj kovinska c) vez ni prostorsko orientirana in se lahko vzpostavi med zelo različnimi vrstami kovinskih atomov. Zato difuzija pri kovinskih materialih zelo močno vpliva na mikrostrukture.

Ker so od mikrostrukture izjemno močno odvisne tudi lastnosti materialov, difuzijo enkrat vzpodbujamo (z žarjenjem ali počasnim ohlajanjem), drugič pa zaviramo ali preprečujemo s hitrim ohlajanjem. Tako lahko kontroliramo difuzijske procese in s tem razvoj mikrostrukture. Tako vplivamo na lastnosti kovinskih materialov.

c) Slika 39: Vpliv hitrosti sprememb zunanjih okoliščin na končno stanje sistema

58 Materiali in okolje

Ogrobitev kristalnih zrn Kadar poteka difuzija, se velikost kristalnih zrn spreminja. Gonilna sila je zmanjšanje proste energije. Če se skupna površina kristalnih mej zmanjša, material lahko odda nekaj proste energije. Površina kristalnih mej se zmanjša, če se število zrn zmanjša. To se zgodi tako, da večja zrna rastejo, manjša izginjajo, pri čemer atomi potujejo iz manjšega zrna v sosednje, večje (Slika 40 a). Proces poteka tudi v materialih, sestavljenih iz različnih kristalnih zrn (v dvo- ali večfaznih materialih) (Slika 40 b). Posledica ogrobitve zrn je poslabšanje mehanskih lastnosti – zmanjšanje trdote, trdnosti in napetosti tečenja, pogosto pa tudi zmanjšanje žilavosti oz. povečanje krhkosti.

a) a)

Slika 40 a: Ogrobitev zrn v enofaznem materialu

b) b)

Slika 40 b: Ogrobitev zrn v dvofaznem materialu

Lezenje Lezenje je zelo počasna plastična deformacija materialov pri povišanih temperaturah. Povzročijo ga že napetosti, ki so veliko manjše od napetosti, potrebnih za plastično deformacijo pri nizkih temperaturah. Mehanizmi lezenja temeljijo na difuziji. Pomembni mehanizmi lezenja so dislokacijsko lezenje, difuzijsko lezenje in pri nekaterih zelo drobno zrnatih zlitinah drsenje po kristalnih mejah.

Difuzijsko lezenje je difuzija atomov po mejah kristalov in skozi kristale proti tistim mejam, kjer s svojim nalaganjem omogočijo spreminjanje oblike predmeta v smeri delovanja zunanjih sil. Material na Sliki 41 je obremenjen z natezno napetostjo v vodoravni smeri. Zato atomi zapuščajo meje, ki so vzporedne s smerjo sile, in difundirajo proti mejam, ki so pravokotne na smer sile. S tem postaja kos materiala vedno tanjši in daljši. Če bi bila napetost tlačna, bi difuzija potekala v nasprotni smeri, kos materiala pa bi postajal vse krajši in debelejši.

Difuzijsko lezenje je hitrejše pri bolj drobnozrnatih materialih, ker so difuzijske poti skozi manjša zrna krajše.

F

F

Slika 41: Difuzijsko lezenje: puščice v notranjosti kristalnih zrn kažejo smeri difuzije atomov.

Atomi difundirajo z enih mej priti drugim in tako omogočajo, da se zunanja oblika predmeta spreminja v smeri delovanja zunanje sile F.

Materiali in okolje 59

Vodik pridobivajo s pomočjo sončne svetlobe V Laboratoriju za raziskave materialov Univerze v Novi Gorici se ukvarjajo z razvojem naprednih in hkrati zelenih tehnologij, alternativnih virov energije in materialov, ki omogočajo okoljsko vzdržen in trajnosten razvoj. Med drugim razvijajo nove učinkovite fotokatalizatorje za cepitev vode in proizvodnjo "solarnega" vodika, t. i. vodika, pridobljenega s pomočjo sončne svetlobe. Na sliki je fotokatalitski reaktor, kjer pod vplivom ultravijolične svetlobe preizkušajo izkoristek novorazvitega polprevodniškega fotokatalizatorja. (Foto: Saša Badalič)

62 Materiali in okolje

3.6

Fazna ravnotežja

3.6.1 Osnovni pojmi Da bomo lahko razumeli, kaj so fazni diagrami in kaj nam povedo, se moramo najprej seznaniti še z nekaterimi novimi pojmi: –– material (sistem), –– komponenta, –– kemijska sestava sistema, –– faza, –– kemijska sestava faz, –– fazna sestava in fazni deleži.

Sistem Material so vsi atomi, ki ga sestavljajo, ne glede na to, kako so porazdeljeni po prostoru. Kadar obravnavamo obnašanje nekega materiala v odvisnosti od zunanjih vplivov, kot sta temperatura in tlak, ga obravnavamo kot termodinamski sistem. Pri tem nas zanima agregatno stanje, vsebnost proste energije, spremembe proste energije pri spremembi agregatnih stanj in porazdelitev atomov po prostoru. S porazdelitvijo po prostoru v tem primeru ne mislimo le na amorfno oz. kristalno zgradbo, ampak tudi na to, ali so atomi različnih kemijskih elementov bolj ali manj enakomerno razporejeni po vsej prostornini sistema (materiala) ali pa najdemo v sistemu območja, kjer prevladuje ena vrsta, in območja, kjer prevladuje druga vrsta. Kemijska sestava materiala (kemijski elementi in njihova količinska razmerja) močno vpliva na njegovo obnašanje.

Komponenta Komponente so osnovni gradniki sistema oz. materiala. Komponenta je lahko kemijski element, lahko pa je tudi spojina.

Pri kovinskih materialih so komponente v večini primerov kemijski elementi. Primer takšnega sistema bomo obravnavali malo kasneje. Poznamo pa tudi precej sistemov, kjer so komponente kemijske spojine. Eden od takšnih je popolnoma čista voda, H2O, brez vsakih primesi. Če so prisotni samo atomi vodika in kisika in če sta kisik in vodik natančno v razmerju 2:1, so vsi atomi vezani v molekule H2O. Ne glede na to, ali je voda v trdnem agregatnem stanju, v tekočem ali v obliki pare, vedno so vezani v molekule H2O – v temperaturnem območju, ki nas običajno zanima, spojina ne razpade niti se ji ne spremeni kemijska sestava. Tak sistem se obnaša kot enokomponentni sistem.

Vsi atomi čiste vode so vedno vezani v molekule H2O.

Kemijska sestava sistema Kemijska sestava sistema (materiala) nam pove, kateri kemijski elementi so v materialu in v kakšnih količinskih razmerjih so. Običajno jo navajamo v masnih deležih (wB) ali v atomskih deležih (XB). Če rečemo, da je v zlitini Al in Cu masni delež Cu wCu = 5 %, to pomeni, da 5 % skupne mase zlitine predstavljajo atomi Cu. Če rečemo, da je kemijska sestava zlitine Al-Cu XCu = 2 %, pa to pomeni, da sta od vsakih 100 atomov v materialu 2 atoma bakrova, ostalih 98 pa je aluminijevih. Če se temperatura materiala spreminja, se kemijska sestava materialov ne spreminja – kemijska sestava materialov je neodvisna od temperature.

Materiali in okolje 63

74 Materiali in okolje

4 LASTNOSTI MATERIALOV Ko pogledamo, iz kakšnih materialov so narejeni različni predmeti, ugotovimo, da so lastnosti predmetov povezane z lastnostmi materialov, iz katerih so narejeni. Električni priključni kabel množice električnih aparatov, ki jih uporabljamo vsak dan, je že takšen primer. Kakšne morajo biti lastnosti materialov, iz katerih je narejen, da bo dobro in varno deloval? Da bodo aparati dobili električno energijo iz omrežja, je seveda nujna dobra električna prevodnost. Material se ne sme zlomiti, mogoče ga je zviti oz. napeljati od vtičnice do naprave, tako kot nam najbolj ustreza. Zato mora biti električni priključni kabel iz takšnih materialov, ki jih je mogoče z lahkoto velikokrat upogniti, ne da bi se poškodovali.

Zato je vodnik sestavljen iz velikega števila tankih bakrenih žic in ne iz ene same debele žice. Ko se ga dotaknemo, nas ne sme stresti. Zato mora biti električni vodnik obdan z materialom, ki ne prevaja električnega toka. To je izolativni material. Tudi ta mora biti takšen, da ga lahko z lahkoto upogibamo in se pri tem ne poškoduje. Ob vsem tem ne sme biti predrag, po koncu življenjske dobe naprave mora biti primeren za recikliranje itn.

Množico lastnosti, s katerimi lahko opišemo nek material, delimo v skupine glede na to, v kakšnih okoliščinah pridejo posamezne lastnosti do izraza. Glavne skupine lastnosti so: - fizikalne, - kemijske, -

mehanske in

-

tehnološke lastnosti.

4.1

Fizikalne lastnosti

Drage kovine

V širšem smislu je fizikalna lastnost vsaka lastnost, ki je merljiva in katere vrednost opisuje stanje fizikalnega sistema. Torej med fizikalne lastnosti sodi velika večina vseh lastnosti materialov. Toda pogosto lastnosti delimo v manjše skupine, ki pridejo do izraza v določenih okoliščinah, npr. mehanske, kemijske, ali tehnološke lastnosti, preostale, ki jih ne uvrstimo v nobeno od podskupin, pa imenujemo fizikalne lastnosti.

Najpogosteje uvrščamo med fizikalne lastnosti materialov gostoto, tališče, vrelišče, viskoznost, specifično toploto, temperaturni razteznostni koeficient, toplotno in električno prevodnost ter magnetne lastnosti.

4.1.1 Gostota Gostota je za homogene snovi definirana kot razmerje med maso in prostornino telesa oz. kot razmerje med molsko maso in molsko prostornino. ρ= m V Zato gostoto včasih imenujemo tudi prostorninska masa. Simbol je grška črka ρ (ro), osnovna enota je kg·m—3, včasih pa uporabljamo tudi druge enote, npr. g·cm—3 ali kg·dm—3.

Materiali in okolje 75

Razložite 1. Razložite električno prevodnost oz. upornost s tipom kemijske vezi (ionska, kovalentna, kovinska).

2. Pred seboj imate tri kose različnih materialov. Samo eden od njih je feromagneten. Kako bi ugotovili, kateri material ima to lastnost?

3. Magnetizacija feromagnetnih materialov je odvisna od temperature.

Kako imenujemo mejno temperaturo, pri kateri pri segrevanju pride do razmagnetenja magnetiziranega feromagnetnega materiala?

4. Pri segrevanju se večina snovi razteza, pri ohlajanju pa krči.

Razložite, zakaj je tako.

5. Opišite, kaj je trdnost materiala, npr. natezna trdnost, tlačna trdnost, strižna trdnost …, in kaj je napetost tečenja.

6. Primerjajte trdnost kovin s trdnostjo betona. Katere kovine imajo podobno trdnost kot beton?

7. Opišite plastično in elastično deformacijo.

8. Se vse trdne snovi elastično deformirajo, če so obremenjene z dovolj majhnimi in mehanskimi napetostmi, in po tem, če napetost dovolj povečamo, še plastično?

9. Katero skupino keramičnih materialov in katero skupino polimernih materialov lahko močno plastično deformiramo?

10. Definirajte Youngov modul (modul elastičnosti).

11. Velja Hookov zakon v območju plastične ali v območju elastične deformacije?

Zlitine alnico vsebujejo Al, Ni in Co. Od tod tudi njihovo ime. Vsebujejo tudi železo in baker, v nekaterih primerih tudi titan in niobij. Uporabljajo se za izdelavo magnetov.

Običajno vsebujejo do 8-12 % AL, 15-25 % Ni in 8-24 % Co.

12. Kaj je trdota? Razložite razliko med trdoto in trdnostjo.

13. Katere lastnosti materialov imenujemo tehnološke lastnosti?

14. Kaj so livnost, gnetljivost (preoblikovalnost), odrezovalnost, sposobnost spajanja in toplotna obdelovalnost?

15. Za katere materiale (iz katerih skupin glede na poglavje Delitev materialov) je značilna dobra preoblikovalnost in za katere ne?

16. Zakaj lahko kovinam močno spremenimo lastnosti s toplotno obdelavo (ponovite poglavje Toplotno aktivirani procesi)?

94 Materiali in okolje

NEKATERI POMEMBNEJÅ I MATERIALI IN SKUPINE MATERIALOV

Materiali in okolje 95

96 Materiali in okolje

5 LES in EKOLOGIJA LESA

5.1 Les 5.1.1 Pomen lesa Izjemen zgodovinski pomen lesa kot materiala se zrcali v zgodovini besede material. Latinsko je materia ali materies – za razliko od lesa za kurjavo – pomenil gradbeni les in kasneje splošno material ali snov (primerjaj angl. matter).

Očitno beseda material prihaja iz lat. mater mati (in njenih korenin, ki segajo preko gr. meter do indoevropske besede istega pomena mater). Les je veljal za materinsko snov.

Les je obnovljiv in CO2 -nevtralen z idealno ekološko bilanco oz. ugodnim življenjskim ciklom (LCA).

Enkratnost tega materiala izvira iz neskončne spremenljivosti njegove zgradbe in bogastva tekstur, ki je prav zato primerljiv z neponovljivostjo človeške osebnosti. Vsestransko ustreza človekovim potrebam, saj jih povezuje z živo naravo. Ob prevladi mrtvih, hladnih substanc, kot so jeklo, beton in polimerni materiali, se v okolju vse bolj uveljavlja topli les.

Les je tudi mehak in nežen material. Ni namenjen za monumentalne objekte.

Zato ostaja v obsegu človekovih dimenzij. Primeren je za drobno razčlenjene oblike in počlovečenje tehničnih oblik.

Les in drevo sta prispodoba življenja. Vsakoletna obnova vitalnih tkiv, korenin, listja in lesa zagotavlja drevju večno mladost, medtem ko branike in letnice med njimi pričajo o minljivosti in nenehnem obnavljanju, kar je bistvo življenja.

Les je high-tec narave, ki ga premnogokrat uporabljamo na način low-tec (Teischinger) s premalo inovativnosti in s premalo dodane vrednosti. Z modernimi tehnologijami disintegracije in reintegracije je pri lesu mogoče izločiti naravne napake in optimirati lastnosti materialov na osnovi lesa. Zelo uspešno se da dodajati vrednost z inovativnim oblikovanjem in iskanjem novih uporab.

Mogočni hrast na Primorskem

Človek nima starejšega in večjega dolga kot tistega, ki ga dolguje drevesom in njihovemu lesu.

M. Bramwell v International Book of Wood

Promocija rabe lesa je kljub primerjalnim prednostim povsem nezadostna.

Celo najbolj razvite dežele promovirajo rabo z udarnimi gesli: Avstrijci s Ponosni na les (Stolz auf Holz) ali celo z Les je genialen (Holz ist genial, Proholz-Avstrija), Angleži z Les za vedno (Wood for good) in Patrick Moore, soustanovitelj organizacije Greenpeace z Vzgoji več dreves – uporabi več lesa (Grow more trees – use more wood). Tudi Slovenci skušamo pomagati lesu z zvenečim Les zares, kar pa nam zaenkrat še ne uspeva prav dobro.

Vsi imamo načelno zelo pozitivno mnenje o lesu kot ekološkem materialu, kar pa avtomatsko ne predstavlja tržne prednosti, ki bi spodbujala k njegovi širši rabi in pripravljenosti plačati tudi nekaj več, kot to počnemo za konkurenčne, neobnovljive, umazane materiale.

Uporaba lesa v gradbeništvu

Konkurenčni materiali oz. izdelki, ki vselej to niso (npr. PVC, aluminij, opeka, jeklo), resda utegnejo imeti določene tehnične prednosti pred lesom, vendar je njihova celovita energijska in ekološka bilanca, kot jo določata količina sive energije materialov in ekobilanca ali analiza življenjskega cikla (angl. Life Cycle Assessment, LCA), dramatično slabša od lesa. Razmerje porabe energije za pridobivanje, izdelavo in vgradnjo med gradbenim lesom, cementom, plastmi, jeklom in aluminijem je kar 1:4:6:24:126.

Materiali in okolje 97

122 Materiali in okolje

6 Papir

Odpaden papir in karton lahko 100% recikliramo.

Papir, kakršnega poznamo danes, so prvi začeli izdelovati na Kitajskem pred več kot dva tisoč leti. V petnajstem stoletju pa je njegova poraba silovito porasla, in sicer zaradi iznajdbe tiska. Danes si civilizacije brez papirja ne znamo niti predstavljati. Je nepogrešljiv za tiskanje in embalažo. Letna proizvodnja papirja in kartona je več kot 400 Mt, od tega je več kot polovica izdelave iz sekundarnih surovin.

Primarna surovina so celulozna vlakna. To so vlakna rastlinskega izvora, večinoma pridobljena iz lesa. Sekundarna surovina so praktično vse vrste odpadnega papirja in kartona.

Papir je vsestransko uporaben trajnostni material

Deli staroegipčanskega papirusa, 12. stoletje pred našim štetjem

Papir je medij, ki je zaslužen za zapis mnogih zgodovinskih odkritij in prenos znanj med generacijami. Je material, pridobljen iz naravnih in obnovljivih surovin. Les kot osnova za celulozo, iz katere je izdelan papir, danes prihaja iz kontroliranih in certificiranih virov. Poleg tega danes že več kot polovico surovin za proizvodnjo papirja predstavlja odpadni papir. Papir je biološko razgradljiv in zelo primeren za recikliranje. Sistemi zbiranja in predelave papirja veljajo za zgledne. V povprečju v EU recikliramo 71,5 % papirja, v Sloveniji blizu 60 %, papirno vlakno se lahko reciklira celo 5 do 7-krat. Papirna industrija je vzorčen primer trajnosti v industriji, saj je poleg trajnostnih surovin in izdelkov svoje delovanje v zadnjem desetletju močno snovno in energetsko optimirala. Dokaz za to so mnogi certifikati kakovosti in sistemskega ravnanja z okoljem. V zadnjem času se certificirajo tudi izdelki papirne in papirno predelovalne industrije. Poleg papirja za grafične namene ter segmenta higienskih papirjev danes največji delež predstavljata papir in karton, ki sta namenjena za embalažo. V Sloveniji imamo 6 papirnic ter okoli 100 podjetij, ki papir in karton predelujejo v različne papirne izdelke. Podjetja papirne in papirno predelovalne dejavnosti svoje interese združujejo v okviru Združenja papirne in papirno predelovalne industrije pri GZS. Materiali in okolje 123

124 Materiali in okolje

7 Umetni polimerni materiali

7.1

Osnovni pojmi

Sintetični polimerni materiali ali umetne mase so prisotne na vseh področjih našega življenja. Razvoj »plastike« se je začel na začetku tega stoletja in se je po drugi svetovni vojni razmahnil.

Umetne mase so preprosto skupno ime za polimere, ki se zadnjih nekaj deset let vse bolj uveljavljajo v tehniki in tudi v gradbeništvu.

Sodobna proizvodnja se je začela leta 1868, ko je John Wesley Hyatt iznašel nadomestilo za dragoceno slonovo kost pri izdelavi krogel za biljard. Razvil je celuloid. To je proizvod iz kolodijske volne in alkoholne raztopine kafre.

Prvo povsem umetno maso – bakelit je razvil Leo Bakeland leta 1909 na osnovi uspešno kontrolirane reakcije formaldehida s fenolom.

Velika raznolikost lastnosti materiala, nizki moduli elastičnosti in dokaj visoke trdnosti omogočajo široko področje uporabe.

Okoli 20 % vseh proizvedenih umetnih mas se porabi v graditeljstvu, a je njihova zastopanost v nosilnih konstrukcijah redka.

Najpogosteje se uporabljajo za izdelavo cevi, površinskih oblog, membran, lepil, kitov, toplotnih izolatorjev in krovnih materialov.

POLIREAKCIJE imenujemo postopke oblikovanja polimerov, kjer razlikujemo naslednje vrste reakcij: –– Polimerizacija je verižna reakcija, kjer iz monomerov nastanejo polimeri.

–– Polikondenzacija je spajanje različnih molekul pri čemer pride do izločanja stranskih produktov (npr. voda, amonijak).

Sodi za vodo iz polmernih materialov.

–– Poliadicija je spajanje različnih molekul brez izločanja stranskih produktov.

7.2

Vrste in pridobivanje

7.2.1 Vrste umetnih polimernih materialov Glavne skupine umetnih polimerov so: –– termoplasti, –– duroplasti, –– elastomeri.

Materiali in okolje 125

132 Materiali in okolje

8 Naravni kamen Kamen je najstarejši gradbeni material, katerega vsestransko uporabo je znal zelo dobro izkoristiti že pračlovek. Je naravni material, ki se najpogosteje in v najrazličnejše namene uporablja v gradbeništvu.

V gradbeništvu ga uporabljamo: –– kot stavbno gradivo: navadni stavbni kamni, delavniški kosi, kamni za tlake, cestišča, drobljen kamen za beton, malte, –– kot dekorativno gradivo: brušeni in polirani kosi v dekorativne namene, –– kot kiparsko gradivo: za kiparska dela in plastike ter arhitektonske okraske, –– kot industrijsko gradivo: za izdelavo mlinskih, brusnih kamnov, za cementno, mavčno in keramično industrijo, za žganje mavca, apna in cementa.

Danes je naravni kamen še vedno nenadomestljiv material zaradi svoje trajnosti, trdnosti, lepote in barvitosti.

Katere kamnine uporabljamo, je odvisno od objekta, ki ga gradimo. Kamen je izločen del neke kamnine.

Kamnine se razlikujejo po naslednjih lastnostih: –– gostoti, –– razkolnosti (kohezija različna – pravilno razpadanje kamnine po delovanju sile F), –– trdoti, –– kemični sestavi, –– obstojnosti na zraku, –– obstojnosti v vodi ali ognju, –– trdnosti, –– barvi.

Kamniti tlakovci

8.1

Zgradba kamnin

Kamnine so sestavljene iz rudnin ali mineralov. Gre za naravne snovi, ki imajo svojo kemijsko sestavo in kristalno zgradbo in ki večkrat tudi na zunaj kažejo pravilne geometrijske oblike.

Vse rudnine imajo tri značilne lastnosti: –– enotno (istovrstno ali homogeno) snov, –– naravni nastanek, –– so sestavni del zemeljske skorje.

Kamnina je po navadi iz več mineralov (npr. granit ima kremenjakova ali glinenčeva zrnca, svetleče luske so sljuda, lahko pa je samo iz enega minerala, kot je apnenec).

Materiali in okolje 133

140 Materiali in okolje

9 Keramika

9.1

Zgodovina keramike

Človek je že v davnini spoznal dobre lastnosti gline – pomešana z vodo je nepropustna in se lahko obdeluje.

V mladi kameni dobi so iz gline zidali celo kolibe. Ko so iznašli ogenj, so ugotovili, da so glinasti predmeti, če jih žgemo, trdni kot kamen. To so s pridom izkoristili pri gradnji. Egipčani so že pred 6.000 leti gradili z opeko. Arheološke izkopanine so pokazale, da so vsi narodi uporabljali keramične izdelke.

V dolgi zgodovini gradbeništva so nenehno zamenjevali naravne materiale z umetnimi. Opeka, beton in jeklo so v veliki meri zamenjali naravni kamen, kot sta granit in peščenjak, ker je slednji zahteval drago kvalificirano delo za obdelavo in gradnjo. Ravno tako so strešniki pri prekrivanju streh izpodrinili slamo in skrilavec.

Keramika ali lončevina je skupno ime za izdelke iz žgane gline. Beseda keramika izvira iz besede CERAMI, imena mestnega predela starih Aten, kjer so lončarji izdelovali svoje izdelke. Izvira pa tudi iz grške besede ceramos, kar pomeni v slovenščini glina. Keramika je ime za vse materiale, ki so po kemijski sestavi anorganski, razen kovin in zlitin. Lončarstvo je zelo stara obrt. Keramični izdelki sodijo med najstarejše človekove izdelke. Med najdragocenejše keramične izdelke zagotovo sodi porcelan, ki ga po posebnem postopku pridobivamo iz najfinejše bele gline. Kitajci so izdelovali porcelanaste izdelke že stoletja prej, preden so jih spoznali v Evropi. Zgodovinska dejstva kažejo, da je tudi keramika v preteklosti odigrala pomembno vlogo.

Glina

Vrste keramike Danes delimo keramiko v dve osnovni skupini keramičnih materialov, in sicer: –– tradicionalno ali klasično, –– sodobno ali tehnično keramiko.

Klasična keramika zajema surovine in proizvode na osnovi gline, kot so kamnina, lončevina, porcelan, ploščice, opeka in strešniki. Klasično keramiko uvrščamo med najstarejše obrti, saj arheologi menijo, da so najstarejše opeke, ki so jih odkrili, stare 15.000 let.

Lončarstvo je starodavna obrt.

V novejšem času pa se močno razvija tehnična keramika, ki navadno ni izdelana iz gline, ampak iz raznih oksidov, kot so na primer korund in cirkonijev oksid, pa tudi različni karbidi in nitridi. Nadalje jo delimo v keramiko z uporabnimi mehanskimi lastnostmi (inženirska keramika), keramiko, uporabno v elektroniki (elektronska keramika), in druge, kot sta biokeramika in nuklearna keramika.

Materiali in okolje 141

146 Materiali in okolje

10 Steklo

10.1 Zgodovina stekla Steklo je amorfna, trdna, brezbarvna ali barvna prozorna snov (tekočina), ki nastane s hitrim hlajenjem in strjevanjem taline brez kristalizacije. Je umetni proizvod, odporen proti koroziji in jedkim kemikalijam. S segrevanjem se postopoma omehča in se pri višjih temperaturah raztali. V tej fazi ga oblikujemo. Steklo so pridobivali s taljenjem silikatne osnove (kremenčev pesek) in alkalnega dodatka (soda, pepelika). Najprej je služilo za izdelavo okrasnih zrnc. Najstarejši znani artefakti so steklaste glazure, nastale 10.000 let p. n. š. Še starejši pa so izdelki iz naravnega stekla (neke vrste minerala glinenca), ki nastaja pri geoloških spremembah in vulkanskih izbruhih.

Izum stekla pripisujemo Egipčanom, ki so ga uporabljali kot dekorativni material ali nakit.

10.2 Postopek pridobivanja in proizvodnje stekla Proizvodnja stekla poteka po naslednjih postopkih: –– priprava in taljenje surovin, –– oblikovanje, –– končna obdelava.

Odsev katedrale na moderni stekleni fasadi

PRIPRAVA IN TALJENJE SUROVIN Surovine (kremenčev pesek, apnenec, soda ali pepelika in dodatki npr. minij) najprej v pravilnem razmerju zmeljemo v droben prah. Sledi tehtanje glede na želeno vrsto stekel. Nato prah zmešamo, da dobimo čim bolj homogeno zmes. Tako pripravljeno surovino vstavimo v peč. Potrebna talilna temperatura je 1.300–1.500 °C. Stekleno talino najprej ohladimo na približno 800 °C in jo nato z različnimi postopki oblikujemo v končne izdelke.

OBLIKOVANJE STEKLENIH IZDELKOV Stekleno talino lahko oblikujemo na več načinov: –– z vpihovanjem, –– s stiskanjem,

Oblikovanje steklenih izdelkov z vpihovanjem

–– z valjanjem in z vlečenjem.

VPIHOVANJE Je postopek oblikovanja votlih predmetov. Ročno vpihovanje poteka s t. i. steklarsko pipo, s katero delavec zajema iz peči nekaj steklene taline, ki jo z vpihovanjem in vrtenjem v kalupu spravi v želeno obliko. Za izdelke množične proizvodnje uporabljamo avtomatizirane stroje.

Materiali in okolje 147

154 Materiali in okolje

11 Beton

11.1 Osnove V širšem pomenu besede so betoni vsi umetni kamni (umetni konglomerati), ki so nastali iz agregata in veziva; v ožjem pomenu besede pa je beton umeten kamen, sestavljen iz mineralnega agregata, vode in cementa. Zato ga običajno uvrščamo med kompozite. Kadar govorimo o betonu, moramo ločiti dva pojma: sveža betonska masa in strjeni beton – umetni kamen.

Beton je masa, ki po strjevanju dobi obliko opaža, v katerega smo vgradili svežo betonsko maso.

Poleg jekla je danes najbolj zastopano konstrukcijsko gradivo. Gradnja z njim je izredno enostavna, hitra in poceni. Lahko dosega velike trdnosti in je razmeroma odporen na zunanje vplive in staranje. Primeren je za vse vrste gradenj, od visokih gradenj do inženirskih objektov, tudi na področjih, kjer poleg statične obtežbe nastopajo tudi druge izredne obtežbe (potres, močni vetrovi, valovi …).

Betonska tla

Kvaliteta betona je odvisna od: –– cementa (vrste in količine), –– vode (čistoče in količine), –– agregata (vrste, trdnosti, čistosti, granulometrijske sestave), –– izdelave, vgraditve in nege.

Vodocementni faktor Predstavlja razmerje med dodano količino vode in cementa na enoto gotovega betona. Vrednost faktorja lahko variira med 0,3–1,4, pri čemer sta to krajni vrednosti.

Formula: w= v/c (npr. 15 litrov H2O in 30 kg cementa, w = 0,5) Tako je npr. beton, ki ga uporabljajo v laboratorijih, mešan z w = 0,3. Gre torej za gost beton. Beton z w = 1,4 je pa tako tekoč, da voda odnaša cementni film iz zrn agregata. Betoni z veliko količino cementa in majhnim vodocementnim faktorjem izgubijo na trdnosti zaradi nepopolne hidratacije veziva.

Betonske stopnice

Idealna količina vode se običajno ravna po načelu čim boljše vgraditve.

Velja pravilo: bolje dobro vgrajen slabši beton kot slabo vgrajen najboljši beton.

Agregat Agregat delimo na naravni in umetni.

Naravnega najdemo v naravi, in sicer je to naravni kamen v obliki rečnega peska ali proda.

Lahko ga zdrobimo in zmeljemo.

Umetnega dobimo z obdelavo. To so žlindra, drobljena opeka, organski materiali.

Zrna agregata morajo biti pravilne velikosti in oblike (neprimerna so podolgovata in ploščata).

Velikost zrn določamo z granulometrijsko sestavo agregata, ki pomeni sestavo agregata po velikosti zrn merjeno v % (sejanje skozi sita, presevek, ostanek).

Materiali in okolje 155

164 Materiali in okolje

12 Kovine Večina kemičnih elementov spada med kovine. V kovinah so praviloma atomi razporejeni v t. i. kristalne strukture. Kovine dobro prevajajo električni tok in toploto. Mnoge so relativno trdne in duktilne pri temperaturi okolice, nekatere tudi pri povišanih temperaturah, toda to še zdaleč ne velja za vse. Ker je kovin veliko, ni čudno, da se po nekaterih lastnostih močno razlikujejo (Tabela 32). Najmanjšo gostoto ima litij, 0,53 kg·dm–3, svinec, 11,34 kg·dm–3, največjo pa iridij, 22,65 kg·dm–3. Živo srebro se tali že pri –39 °C, volfram pa šele pri 3.400 °C. Nekatere kovine so zelo trde in krhke, npr. krom ali berilij, druge so zelo mehke, npr. litij, natrij, svinec ali kositer.

Tabela 32: Nekatere lastnosti* čistih kovin ime

aluminij

tališče/ °C

gostota/ kg/dm–3³

modul elastičnosti/ GPa

natezna trdnost/ MPa

napetost tečenja/ MPa

razteznost/ vrelišče/ % °C

specifična električna upornost/ Ωm

660,1

2,7

70,6

61

20

43

2.520

2,66x108

baker

1.083,4

8,92

129,8

196

69

50

2.560

1,68x108

berilij

1.287

1,85

318

392

363

2

2.470

6,7x108

cink

419,5

7,14

104,5

124

907

5,75x108

cirkonij

1.852

6,51

98

269

4.400

4x109

germanij

937,4

5,32

79,9

69

iridij

2.443

22,65

528

224

1,8

4.430

4,85x108

kobalt

1.495

8,89

211

490

5

2.930

5,06x108

kositer

231,9

7,29

49,9

12

37

2.625

1,15x109

krom

1.857

7,14

279

872

2.672

1,4x109

litij

181

0,53

4,91

magnezij

649

1,74

44,7

211

mangan

1.244

7,44

191

97

molibden

2.620

10,38

nikelj

1.453

8,91

niobij

2.467

8,58

124

40

2.830

1.324 14

1.090

4,47x108

2.060

2,6x1010

675

621

35

4.610

5,17x108

199,5

323

157

30

2.910

6,84x108

104,9

343

30

4.740

12.1 Železo in železove zlitine 12.1.1 Jeklo Jeklo je kovinski material, ki ga med vsemi kovinskimi materiali proizvedemo in porabimo največ. Letna svetovna proizvodnja železa in jekla je več kot 1.600 Mt. Če bi iz vsega jekla, ki ga izdelamo v enem letu, naredili eno samo veliko kocko, bi rob te kocke meril približno 590 m. V primerjavi z vsemi ostalimi materiali so zlitine na osnovi železa na drugem mestu. Samo betona porabimo še več, okoli 2.500 Mt na leto. Kocka iz tega betona bi imela rob dolžine več kot 1 km.

Vroče jeklo na transportnih trakovih v železarni

Materiali in okolje 165

176 Materiali in okolje

13 Veziva Veziva delimo v dve primarni skupini: –– anorganska mineralna in –– organska ogljikovodikova veziva.

13.1 Anorganska mineralna veziva Anorganska veziva se delijo glede na način strjevanja v tri skupine: veziva

NEHIDRAVLIČNA VEZIVA – ZRAČNA So tista, ki vežejo in strjujejo samo na zraku (zračno apno, mavec, anhidrit, magnezitno vezivo ter ilovica in glina).

HIDRAVLIČNA VEZIVA So tista, ki vežejo na zraku in v vodi s pomočjo hidravličnih faktorjev. To so:

organska ogljikovodikova veziva

–– anhidrit kremenčeve kisline – SiO2, –– aluminijev oksid – glinica – AL2O3, železov oksid – Fe2O3.

anorganska mineralna veziva

Slika 74 : Delitev veziv

AVTOKLAVNA VEZIVA So tista, ki vežejo pri ekstremnih temperaturah, pritiskih in agresivnem okolju.

13.1.1 Nehidravlična veziva Najpomembnejša zračna veziva 13.1.1.1 Zračno apno Pridobivamo ga iz apnenca (CaCO3) (v naravi kot marmor, školjčni apnenec ipd.).

Uporaba: je najvažnejše vezno sredstvo poleg cementa in ga uporabljamo za pripravo apnenih malt za zidanje in ometavanje.

Pridobivanje apna

Vedro z malto

Žganje apna Apnenec zdrobimo na kose, ki jih potem žgemo v pečeh pri temperaturi 1.073–1.673 K (pod temperaturo sintranja), da bi se izločil CO2 – žgano apno v kosih.

CaCO3 + 178 kJ energija porablja)

CaO + CO2 (endotermna kemijska reakcija, pri kateri se

Gašenje apna Za gašenje apna je potrebna voda, ki jo doziramo glede na maso žganega apna.

CaO + H2O Ca(OH)2 + 67 kJ (eksotermna kemijska reakcija, pri kateri se energija sprošča) Po reakciji se prostornina poveča do 3-krat.

Materiali in okolje 177

190 Materiali in okolje

14 Kompoziti Poznamo veliko vrst kompozitov, ki se med seboj razlikujejo tako po materialih, iz katerih so sestavljeni, kakor tudi po lastnostih. Največkrat jih razvrščamo v skupine glede na to, iz katere osnovne skupine materialov je matrica (zvezna sestavina, osnova), in glede na to, kakšno obliko ima utrjevalna faza.

Kompoziti z velikimi delci

14.1 Kompoziti z velikimi delci

Kompoziti z ma jhnimi delci (disperzijsko utrjeni kompoziti)

Za velike veljajo tisti delci, ki so tako veliki, da se interakcije med njimi in matrico ne dajo obravnavati na atomskem ali molekularnem nivoju. Delci so običajno trši, imajo večjo trdnost in večji modul elastičnosti kot matrica. Veliki delci utrjajo material s tem, da ovirajo deformacijo matrice v svoji okolici.

Učinkovitost delcev je večja, če: –– niso preveliki, –– so enakoosni, –– nimajo ostrih robov (zarezni učinek v matrici),

Kompoziti

Kompoziti s polimerno matrico

–– so enakomerno porazdeljeni po matrici.

Značilni predstavniki kompozitov z velikimi delci so: –– polimeri s polnilom: namen polnila je izboljšati trdnost ali zmanjšati stroške materiala tako, da za polnilo uporabljamo cenejši material; –– beton: matrica je cement, veliki delci so agregat; –– cermeti: cermet je kompozit iz keramike in kovine; značilni primeri so rezilna orodja z delci WC ali TiC v matrici iz kobaltove ali nikljeve zlitine. Naloga karbidnih delcev je bistveno povečati obrabno obstojnost rezila, niso pa sposobni prenašati mehanskih obremenitev rezila kot celote, ker so preveč krhki. Utrjujejo matrico. Naloga žilave kovinske matrice je preprečevanje napredovanja razpok iz enega karbidnega delca v drugega; –– guma: guma je pogosto utrjena z ogljikovimi delci (saje), ki povečujejo trdnost in obrabno obstojnost. Takšne gume uporabljamo npr. za izdelavo pnevmatik za vse vrste vozil.

Kompoziti s kovinsko matrico

Kompoziti s keramično matrico Slika 80: Razvrstitev kompozitov

14.2 Kompoziti z majhnimi delci (disperzijsko utrjeni kompoziti) Delci so tako majhni, da jih praviloma ne vidimo s prostimi očmi. Običajno imajo premer med 0,01 µm in 0,1 µm (= 10 nm do 100 nm), lahko pa so tudi manjši. Utrjevalni učinek delcev je mogoče opisati na atomski oz. molekularni ravni. Veliko večino obremenitve prenaša matrica. Vloga delcev je oviranje in/ ali preprečevanje drsenja dislokacij. Zato se povečajo napetost tečenja, natezna trdnost in trdota materiala. Značilni predstavniki te skupine so kompoziti z matrico iz katere od lahkih kovin, npr. iz kakšne aluminijeve ali magnezijeve zlitine, utrjevalna faza pa so pogosto keramični delci, npr. delci SiC.

Materiali in okolje 191

196 Materiali in okolje

15 NEVARNE SNOVI

15.1 Uvod Danes je okoli nas vse več snovi, ki so opredeljene kot nevarne snovi. Zato je izrednega pomena poznavanje varnostnih ukrepov pri ravnanju in prevozu teh snovi oziroma pri morebitni nesreči. Veliko nesreč, eksplozij, požarov, zastrupitev tal, vode in zraka je posledica nepoznavanja nevarnih snovi in nestrokovnega ravnanja ali nepravilnega ukrepanja.

Pravilni tehnični, zdravstveni in vzgojni ukrepi so potrebni za zagotavljanje varnega okolja in preprečevanje nesreč, poškodb ter kontaminacije okolja.

15.2 Nevarne snovi Nevarne snovi imajo eno ali več nevarnih lastnosti. Uporabljamo jih v vsakdanjem življenju (v čistilih, pirotehničnih sredstvih itd.).

Vsak izdelek, ki vsebuje kakšno nevarno snov, mora imeti na embalaži to ustrezno prikazano s simbolom za nevarne snovi.

Glede na zgoraj navedene lastnosti ločimo: –– eksplozijsko nevarne snovi, –– vnetljive snovi (plini, aerosoli, tekočine, trdne snovi), –– oksidativne snovi (plini, tekočine, trdne snovi),

Pri ravnanju z nevarnimi snovmi se moramo ustrezno zaščititi.

–– samovnetljive snovi (tekočine, trdne snovi), –– samoreaktivne snovi, –– samosegrevajoče snovi, –– snovi, ki v stiku z vodo sproščajo vnetljive pline, –– jedke snovi za kovino, –– jedke in dražilne snovi (dražijo kožo, oči), –– pline pod tlakom (stisnjen plin, utekočinjen plin, ohlajen utekočinjen plin, raztopljen plin), –– snovi, ki povzročajo preobčutljivost dihal, kože, –– mutagene snovi, –– rakotvorne snovi, –– teratogene snovi, –– strupene snovi, –– snovi, nevarne za vodno okolje, –– gibljive in kužne snovi, –– radioaktivne snovi.

Materiali in okolje 197

208 Materiali in okolje

16 MATERIALI IN OKOLJE - TRAJNOSTNO RAVNANJE

16.1 Potrebe po naravnih virih in vplivi na okolje Zakaj v zadnjih letih ves svet govori, da je naš planet ogrožen? Temelj svetovne ekonomije in blaginje je izkoriščanje širokega spektra snovi, ki jih Zemlji jemljemo. Nesmotrno in negospodarno, pohlepno ravnanje z naravnimi bogastvi (prevelika poraba pitne vode, potratna raba energije, izkoriščanje gozdov in mineralov, pozidavanje rodovitne zemlje itd.) povzroča težko popravljive posledice (od podnebnih sprememb do izgube biotske raznovrstnosti itd.).

Vse naše dejavnosti vplivajo na okolje. Izkoriščamo naravne vire, z odpadki in izpusti obremenjujemo okolje. Največji onesnaževalci zraka, zemlje in vode so promet, energetika in kmetijstvo. Onesnaženost zraka vse pogosteje presega dovoljene meje, v Sloveniji predvsem v mestih, in segrevanje ozračja postaja vse bolj očitno. Izkoriščanje naravnih virov lahko vodi k degradaciji okolja ali celo popolnemu uničenju biotopov zaradi rudarjenja ali črpanja nafte. Ne le izkoriščanje neobnovljivih virov, tudi prekomerno izkoriščanje obnovljivih virov ima negativne posledice. Po podatkih EPA (United States Environmental Protection Agency) iz leta 2009 izsekajo vsako sekundo 0,4 ha tropskega gozda. To je veliko več od prirastka lesa, zato se je površina tropskih gozdov zmanjšala že za polovico. Na treh četrtinah morskih ribolovnih območij je ulov večji ali enak prirastku. Več kot polovica obdelovalne zemlje že kaže znake izčrpavanja in/ali onesnaženja. V vsej prehranski verigi že najdemo strupene snovi. Človek je v zadnjih 50-ih letih porabil več naravnih virov kot v vsej dosedanji zgodovini. V obdobju od 1970 do 1995 se je poraba surovin podvojila.

V to hrana in goriva niso všteti. Poraba vode se je tako povečala, da v sušnih obdobjih tudi mnoge velike reke, med njimi Colorado, Rumena reka (Huang He), Ganges in Nil presahnejo, preden dosežejo morje. Emisije toplogrednih plinov so med leti 1970 in 2004 narasle za 70 %. Trajnostna in učinkovita raba naravnih virov je zato eden ključnih izzivov povečevanja gospodarske učinkovitosti in varovanja okolja.

Površina, namenjena proizvodnji hrane

Po napovedih OECD (Organizacija za gospodarsko sodelovanje in razvoj) naj bi v naslednjih letih število prebivalcev doseglo 7,5 milijarde. Promet z osebnimi avtomobili se bo v državah OECD verjetno povečal za skoraj 40 %, letalski promet po vsem svetu pa naj bi se povečal za trikrat. Izpusti CO2 naj bi se v državah OECD povečali za okoli 33 %. To je v nasprotju s cilji kjotskega sporazuma, po katerem naj bi se izpusti zmanjšali za 5 % že do leta 2010 (glede na leto 1990). Povečala se bo tudi količina odpadkov. Vsak dan nastane več kot 3,5 Mt trdnih komunalnih odpadkov, do leta 2025 pa naj bi se količina skoraj podvojila in narasla na več kot 6 Mt dnevno. Vendar je bistveno, da se povečuje količina ločeno zbranih komunalnih odpadkov (v letu 2014 je bilo v Sloveniji od skupaj nastalih 891.708 t komunalnih odpadkov ločeno zbranih 576.948 t ali 64,7 %). Ostali odpadki so odloženi na komunalnih odlagališčih. Hierarhija za ravnanje z odpadki je v EU in v Sloveniji naslednja: preprečevanje, priprava za ponovno uporabo, recikliranje, drugi postopki predelave (npr. energetska preMateriali in okolje 209

232 Materiali in okolje

Viri 1. Abraham, M.A., Nguyen, N.: Green engineering: Defining the orinciples. Results from the Sandestin Conference, Environmental Progress 22(4), 3003, p. 233-36, povzeto po Allen, D.T., 2012 2. Agencija Republike Slovenije za okolje: Kazalci okolja v Sloveniji; http://kazalci.arso.gov.si/?data=indicator&ind_id=551, dostop 26. 3. 2015 3. Allen, D.T., Shonnard, D.R.: Sustainable engineering. Concepts, Design, and Case Studies, Prentice Hall Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, USA, 2012 4. Allwood, J.M.: Squaring the Circular Economy: The Role of Recycling in a Hierarchy of Material Management Strategies, v: Ernst Worrell, Markus Reuter (urednika): Handbook of Recycling: State of the Art for Practitioners, Analysts and Scientists, poglavje 30, Elsevier Inc., 2014 5. Allwood, J.M., Cullen, J.M., Carruth, M.A., Cooper, D.R., McBrien, M., Milford, R.L., Moynihan, M.C., Patel, A.C.H.: Sustainable Materials - With Both Eyes Open, UIT Cambridge Ltd., 2012 6. Anastas, P.T., Zimmerman, J.B.: Design through the 12 Principles of Green Engineering, Environmental Science & Technology, 37(5), 2003, p. 94A-101A, povzeto po Allen, D.T. 2012 7. Ashby M., Shercliff H., Cebon D.: Materials engineering, science, processing and design, Elsevier Ltd, 2. Edition, 2010 8. Ashby, M. F., Jones, D. R.: Engineering materials, Pergamon Press, Oxford, 1998 9. Askeland, D. R.: The science and engineering of materials, Stanley Thornes Ltd., Cheltenham 1998 10. Baitz, M., Wolf, M.A.: Metals and plastics - competition or synergy?, v: Arnim von Gleich, Robert U. Ayres, Stefan Gößling-Reisemann (uredniki): Sustainable Metals Management, Securing our Future - Steps Towards a Closed Loop Economy, poglavje 21, Springer, Dordrecht, 2006 11. Barsoum, M.W.: Fundamentals of Ceramics, McGraw-Hill, New York, 1997 12. Björkman, B., Samuelsson, C.: Recycling of steel, v: Ernst Worrell, Markus Reuter (urednika): Handbook of Recycling: State of the Art for Practitioners, Analysts and Scientists, poglavje 6, Elsevier Inc., 2014 13. Blanpain, B., Arnout, S., Chintinne, M., Swinbourne, D.R.: Lead recycling, v: Ernst Worrell, Markus Reuter (urednika): Handbook of Recycling: State of the Art for Practitioners, Analysts and Scientists, poglavje 8, Elsevier Inc., 2014

Inženirsko znanje in znanje o materialih omogočata gradnjo nebotičnikov.

14. Bogusch, N. 2005. der Werkstoff Holz 1.1 Struktur und physikalische Eigenschaften. www.tuev-akademie.de 15. Bresinsky, A. et al. Strasburger Lehrbuch der Botanik, 36. izd. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 16. Brundtlandt, G.H, et al.: Report of the World Commission on Environment and Development: Our Common Future, World Commission on Environment and Development A/42/427, Geneva, Switzerland, June 1987 17. Bureau of International Recycling, http://www.bir.org/industry/, dostop 12. 3. 2015 Materiali in okolje 233

18. Callister, W.D., Jr, Rethwish, D.G.: Materials science and engineering, SI version., 8th edition, John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd, 2011 19. Chawla, K. K.: Ceramic matrix composites, 1st edition, Chapman & Hall, London, Glasgow, New York, Tokyo, Melbourne, Madras, 1993 20. Carlowitz, von, H.C.: Sylvicultura oeconomica, oder haußwirthliche Nachricht und Naturmäßige Anweisung zur wilden Baum-Zucht, Leipzig, Braun, 1713, stran 105. (digitaliziran izvirnik: http://digital.slub-dresden.de/werkansicht/dlf/85039/1/cache.off, dostop 26. 3. 2015) 21. Copper development association Inc.: www.copper.org/environment/ lifecycle/g_recycl.html, dostop april 2015 22. CRDBER (Conceptualized Reference Databases for Building Envelope Research.) 2004. Dept of Building, civil and environmental engineering, Concordia University.

23. Dodoo, A., Gustavsson, L., Sathre, R.: Recycling of Lumber, v: Ernst Worrell, Markus Reuter (urednika): Handbook of Recycling: State of the Art for Practitioners, Analysts and Scientists, poglavje 11, Elsevier Inc., 2014 24. Dyer, T.D.: Glass Recycling, v: Ernst Worrell, Markus Reuter (urednika): Handbook of Recycling: State of the Art for Practitioners, Analysts and Scientists, poglavje 14, Elsevier Inc., 2014 25. Eksploziv: https://sl.wikipedia.org/wiki/Eksploziv; dostop april 2016 26. Först, K., Sauter, U., Neuerburg, W. 1987. bericht zur Ernährungssituation der Wälderin Bayern und über die Anlage von Walddüngerversuchen. Forstliche Forschungsberichte München. Bundesforschungsanstalt für Forstund Holzwirtschaft. Hamburg.

Tehnična keramika, uporabna v medicini

27. Frühwald, A. in Wegener,. G. 1994. Informationsdienst Holz. Holz – ein Rohstoff der Zukunft. DGfH. 28. Frühwald, A. 2000. Eco balance. A new method for the ecological evaluation of wooden products. University of Hamburg, BFH. Marcus Wallenberg prize Symposium, Stockholm 13. 10. 2000.

29. Frühwald, A. in Wegener,. G. 2001. Informationsdienst Holz. Holz – Rohstoff der Zukunft. Nachhaltig verfügbar und umweltgerecht. DGfH. 30. Frühwald, A., Welling, J., Scharai-Rad, M. 2003. Comparison of wood products and major substitutes with respect to environmental and energy balances. ECE/FAO seminar: Strategies for the sound use of wood. Poiana Brasov, Romania 23-27 march.

31. Gervaiso, H., Santos, P., Da Silva, L.S., Vassart, O., Hettinger, A.L., Huet, V: Trajnostno vrednotenje jeklenih konstrukcij, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo 2014; uredniki slovenske izdaje: Primož Može, Franc Sinur, Jože Korelc 32. Gleich, von, A.: Outlines of a sustainable metalsindustry, v: Arnim von Gleich, Robert U. Ayres, Stefan Gößling-Reisemann (uredniki): Sustainable Metals Management, Securing our Future - Steps Towards a Closed Loop Economy, poglavje 1, Springer, Dordrecht, 2006 33. Goorhuis, M.: Developments in Collection of Municipal Solid Waste, v: Ernst Worrell, Markus Reuter (urednika): Handbook of Recycling: State of the Art for Practitioners, Analysts and Scientists, poglavje 26, Elsevier Inc., 2014 34. Grimes, S., Donaldson, J., Gomez, G.C.: Report on the Environmental Benefits of Recycling, Bureau of International Recycling (BIR), 2008, dostop: http://www.bir.org/publications/brochures/, dostop april 2015 35. Holzlexikon 4. izd. 2010. Nikol Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG 2003, Hamburg

234 Materiali in okolje

36. IPCC 2001. IPCC Third Assessment Report – Climatew Change: The Scientific Basis. IPPC (www.ipcc.ch) 37. Jamnik, A.: Fizikalna kemija, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2013 38. Jamšek,M., Šarc,L. Nevarne kemikalije: simptomi in znaki, prva pomoč in zdravljenje zastrupitev. Ljubljana: Ministrstvo za zdravje, Urad RS za kemikalije, 2007 39. Jensen, A.A., Hoffman, L., Møller, B.T., Schmidt, A., Christiansen,K., Elkington, J., van Dijk, F.: Life Cycle Assessment, A guide to approaches, experiences, and information sources, European Environment Agency, 1998, Environmental Issues Series No. 6, str. 51-72 40. Klemenc, A., Kvac, Živčič, L.2003. Lesna biomasa – staro kurivo v sodobni in prijazni preobleki.

41. Kollmann, F.F.P. in Côté W.A. Jr. 1968. Principles od wood science and techniology. Springer Verlag, New York.

42. Krautov strojniški priročnik – 15. Slovenska izdaja, Littera picta, Ljubljana, 2011.

43. Krbavčič,A., Sollner Dolenc, M., Stanovnik,B., Škrlj, M. Priročnik izbrane nevarne kemikalije: splošne oznake, imena, fizikalno-kemijske lastnosti, uporaba, pridobivanje, toksikološki podatki, razvrstitve in označevanje v prometu.

Ljubljana: Slovensko farmacevtsko društvo, 2007.

44. Kretschmer, T., Kohlhoff, J.: Neue Werkstoffe - Überblick und Trends, Springer Verlag, Berlin, 1995.

45. Lipušček, I.: Ocenjevanje življenjskih ciklov izdelkov z vidika obremenjevanja okolja – metoda LCA; Založba Univerze v Novi Gorici, 2008, str. 14-44 46. Metal stocks & Rcycling rates, United Nations Environment Programme (UNEP), 2011, http://www.unep.org/pdf/Metals_Recycling_Rates_Summary.pdf, dostop april 2015 47. Mulder, K., Ferrer, D., van Lente, H.: What is sustainable technology?, v: Karel Mulder, Didac Ferrer and Harro van Lente, uredniki, What is Sustainable Technology? Perceptions, Paradoxes and Possibilities; Greenleaf Publishing Limited, 2011

Kovinska konstrukcija

48. Navodnik, J: Plastik – Orodjar: priročnik, 3. dopolnjena izdaja, Navodnik Velenje 1998 49. Nevarne snovi: https://sl.wikipedia.org/wiki/Nevarne_snovi; dostop april 2016 50. Nevarne snovi: http://www.osha.mddsz.gov.si/varnost-in-zdravje-pri-delu/ informacije-po-temah/nevarne-snovi: dostop april 2016 51. Niemz, P. 2006. Holzphysik (Skript zur Vorlesung). ETH, IfB, Zürich.

52. Niemz, P. 2011. Holz und Holzwerkstoffe. Skript zur Vorlesung Werkstoffe.

ETH, IfB, Zürich.

53. Oblak Lukač, A. Nevarne snovi. Ljubljana: Univerzum, 1985.

54. OECD Environmental Strategy for the First Decade of the 21st Century; Adopted by OECD Environment Ministers 16 May 2001; www.oecd.org/ dataoecd/33/40/1863539.pdf, dostop 23. 3. 2015 55. Paulin, A.: Tehniški metalurški slovar (3. izdaja), Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, 2014 56. Pimenta, S., Pinho, S.T.: Recycling of Carbon Fibers, v: Ernst Worrell, Markus Reuter (urednika): Handbook of Recycling: State of the Art for Practitioners, Analysts and Scientists, poglavje 19, Elsevier Inc., 2014

Materiali in okolje 235

57. Prevozi nevarnih snovi: http://www.oz-prevoz.si/index.php/prevozi-nevarnih-snovi; dostop april 2016 58. Ralph, B., Yuen, H.C., Lee, W.B.: "The processing of metall matrix composites – an overview", Journal of Materials Processing Technology, 63 (1997), 339 – 353 59. Ravnanje z različnimi vrstami kemikalij: http://kemijski-poskusi.naspletu. com/ravnanje_z_razlicnimi_vrstami_ke.htm; dostop april 2016 60. Razvrščanje, pakiranje in označevanje kemikalij: http://www.uk.gov.si/si/delovna_podrocja/razvrscanje_pakiranje_in_oznacevanje_kemikalij/; dostop april 2016 61. Recycling rates of metals - A status report, United Nations Environment Programme (UNEP), 2011, http://www.unep.org/resourcepanel/, dostop april 2015 62. Resolucija o Nacionalnem programu varstva okolja 2005–2012, Uradni list RS, št. 2/2006 63. Rolando, M.A. Roque-Malherbe: The physical chemistry of materials: energy and environmental applications. Boca Raton , CRC Press, 2010 64. Rombach, E., Friedrich, B.: Racycling of Rare Metals, v: Ernst Worrell, Markus Reuter (urednika): Handbook of Recycling: State of the Art for Practitioners, Analysts and Scientists, poglavje 10, Elsevier Inc., 2014 65. Rombach, G.: Limits of Metal Recycling, v: Arnim von Gleich, Robert U. Ayres, Stefan Gößling-Reisemann (uredniki): Sustainable Metals Management, Securing our Future - Steps Towards a Closed Loop Economy, poglavje 10, Springer, Dordrecht, 2006 66. Rutgers, The State University of New Jersey, Center for Sustainable Materials http://sustain.rutgers.edu/what_are_sustainable_materials; dostop april 2015 67. Samuelsson, C., Björkman, B.: Copper Recycling, v: Ernst Worrell, Markus Reuter (urednika): Handbook of Recycling: State of the Art for Practitioners, Analysts and Scientists, poglavje 7, Elsevier Inc., 2014 68. Schüt, P., Koch, W. 1978. Allgemeine Botanik für Forstwirte. Verlag Paul Parey, Hamburg, Berlin.

69. Shen, L., Worrell, E.: Plastic Recycling, v: Ernst Worrell, Markus Reuter (urednika): Handbook of Recycling: State of the Art for Practitioners, Analysts and Scientists, poglavje 14, Elsevier Inc., 2014 70. Siau, J.F. 1984. Transport processes in wood. Springer Series in Wood Science.Springer. Verlag, berlin itd.

71. Spaić, S.: Fizikalna metalurgija, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, 2002 72. Stahel, W.R.: the role of metals for designing products and solutions in the context of a sustainable society, v: Arnim von Gleich, Robert U. Ayres, Stefan Gößling-Reisemann (uredniki): Sustainable Metals Management, Securing our Future - Steps Towards a Closed Loop Economy, poglavje 25, Springer, Dordrecht, 2006 73. Sustainable Materials Manegement: The road ahead, EPA (United States Environmental Protection Agency), 2009, http://www.epa.gov/smm/vision. htm#vision2, dostop 20. 3. 2015 74. Sustainable materials: http://www.sustainablematerials.org.uk, dostop marec 2015 75. Townsed, Ph., Wagner, Chr. 2003. Timber as a building material – an environmental comparison against synthetic building materials. Timber as an

236 Materiali in okolje

environmentally superior building material. National Association of Forest Industries (NAFI).

76. Tsoumis, G. 1991. Science and Technology of wood. Structure, Properties, Utilization. Van Nonstrand Reinhold, New York.

77. Veliki splošni leksikon DZS 1997. Torelli, N.: gozdarska in lesarska gesla.

78. Vodopivec F.: Kovine in zlitine, 1. Izdaja, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana, 2002 79. Wood Handbook. Wood as an engineering material 1999. USDA, Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison 80. Worldmeters: http://www.worldometers.info/world-population/, dostop april 2015 81. World Steel Recycling in Figures 2008 – 2012, Bureau of International Recycling (BIR), Ferrous Division, Brussels, 2013, http://www.bir.org, dostop 12. 3. 2015 82. Zelena Slovenija: http://www.zelenaslovenija.si/kaj-nudimo/trajnostno-svetovanje/lca-in-lcca-analiza; dostop maj 2016 83. Zupanič, F., Anžel, I.: Gradiva, Učbenik, 3. natis, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru, 2012 84. Zupanič, F., Lojen, G.: Materiali I. 1. izd. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2010.

85. Young, R. J., Lovell, P. A: Introduction to polymers, Chapman & Hall, London, 1994.

Materiali in okolje 237

Slovenska kvaliteta vročega pocinkanja za trajnostno zaščito!

Glavne prednosti vročega pocinkanja: — izredno dolga antikorozijska zaščita, tudi 100 in več let; — trajnostna gradnja.

Možna antikorozijska zaščita velikih konstrukcij hal in nadstreškov, cestne opreme in signalizacije, različnih ograj, dvoriščnih vrat, stopnišč, avtomobilskih prikolic, pohodnih rešetk, hlevske opreme ter opreme v vrtovih, gospodinjstvu in gospodarskih objektih.

01 ISO 9 0 0 01 ISO 14 18 0 01 OHSeAauS bur itas v er

KOMERCIALA Tel.: 03 42 63 228 Gsm: 041 563 110 Faks: 03 42 63 232 238 Materiali in okolje

š č i t i m o k ov i n o i n n a r a v o DELOVNI ČAS pon - pet 7:00 - 15:00

POCINKOVALNICA, D.O.O. E-naslov: info@pocinkovalnica.si | www.pocinkovalnica.si

Zavod za gradbeništvo Slovenije, Dimičeva ulica 12, 1000 Ljubljana T: 01 2804 250, F: 01 2804 484, E: info@zag.si, www.zag.si

Zavod za gradbeništvo Slovenije (ZAG), je mednarodno priznana raziskovalna organizacija na področju gradbeništva.

Naše mednarodno aktualne raziskave so usmerjene v razvoj novih materialov in tehnologij, ki zagotavljajo trajnostni razvoj Slovenije.

Nudimo strokovno podporo, preizkušamo in kontroliramo kakovost materialov in konstrukcij v gradbeništvu.

Vsak naš izdelek se lahko reciklira

www.roto.si

ROTO je vodilni proizvajalec plastičnih izdelkov v Evropi. V lastnem laboratoriju pripravljamo materiale za proizvodnjo, kjer izvajamo procese, kot so mletje granulata, kompondiranje, pigmentiranje in testiranje materialov in izdelkov. Uporabljamo preko 12 vrst različnih polimerov glede na namen uporabe izdelkov. Proizvajamo preko 4000 različnih izdelkov, zato posameznim produktom, kot so kanuji, jadrnice, rezervoarji za pitno in odpadno vodo, posode za shranjevanje živil, rezervoarji za gorivo itd. prilagodimo material, tako da jim zagotavlja najboljše lastnosti. Odpadke pri proizvodnji in tudi izdelke po njihovi uporabi 100% recikliramo in reciklirane materiale ponovno uporabimo za tehnološko manj zahtevne izdelke. Več na www.roto.si.

Materiali in okolje 239

CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 620.1/.2(075.3) 620.26(075.3) KNEZ, Mojca, 1960Materiali in okolje : učbenik za modul Materiali in okolje v programu Okoljevarstveni tehnik / Mojca Knez, Gorazd Lojen, Nikolaj Torelli ; [fotografije arhiv Fitmedia ... [et al.] ; risbe Gorazd Lojen, Fit media]. - Celje : Fit media, 2016. (Zbirka Zelena Slovenija) ISBN 978-961-6283-55-7 1. Lojen, Gorazd 2. Torelli, Niko 285162752

240 Materiali in okolje

Primere iz prakse so za učbenik prispevali: AquafilSLO d.o.o., Cinkarna d.d., Dinos d.d., Eti Elektroelement d.d., Goodyear Dunlop Sava Tieres d.o.o., Gorenje Surovina d.o.o., Helios TBLUS d.o.o., Kemis, d.o.o., Knauf Insulation d.o.o., Salonit Anhovo, d.d., Savatech d.o.o., Slopak d.o.o., Steklarna Hrastnik d.o.o., Steklarna Rogaška d.o.o., Talum d.d., Združenje papirne in papirno predelovalne industrije pri GZS, Zeos d.o.o.

Kolofon

Materiali in okolje

Avtorji:

Založba: Za založbo:

Urednik:

Lektura: Oblikovanje: Fotografije:

mag. Mojca Knez, dr. Gorazd Lojen, dr. Nikolaj Torelli Fit media d.o.o. mag. Vanesa Čanji Jože Volfand Anita Govc Fit media d.o.o. arhiv Fit media d.o.o., Kemijski inštitut, Institut Jožef Stefan, Hidria, Univerza v Novi Gorici, Univerza v Mariboru (Inštitut za tehnologijo materialov, Fakulteta za strojništvo), Gozdarski inštitut Slovenije, Naravoslovnotehniška fakulteta Ljubljana, Zavod za gradbeništvo Slovenije, Wikimedia, www.shutterstock.com

Risbe: dr. Gorazd Lojen, mag. Mojca Knez, Fit media d.o.o.

Tisk: Studio 55 Naklada: 800

Izid: avgust, 2016 Učbenik Materiali in okolje sta strokovno pregledali recenzentki dr. Vilma Ducman in Janja Čuvan.

Učbenik je delno sofinanciralo Ministrstvo za izobraževanje, znanost in šport.

Za strokovno sodelovanje pri pregledu nekaterih delov učbenika se založnik zahvaljuje dr. Marinki Vovk, Mateji Koritnik, dr. Matjažu Torkarju in Boštjanu Šimencu.

Na podlagi 26. člena Zakona o organizaciji in financiranju vzgoje in izobraževanja (Uradni list RS, št. 16/07-UPB5, 36/08, 58/09, 64/09-popr., 65/09-popr., 20/11, 40/12ZUJF in 57/12-ZPCP-2D) je Strokovni svet Republike Slovenije za poklicno in strokovno izobraževanje na svoji 156. seji, dne 24. 6. 2016, sprejel sklep št. 013–35/2016/6 o potrditvi učbenika Materiali in okolje za modul Materiali in okolje v programu Okoljevarstveni tehnik. © Fit media d.o.o., 2016.

Fotokopiranje in razmnoževanje dela po Zakonu o avtorski in sorodnih pravicah ni dovoljeno. Pravico do tiska in distribucije učbenika ima Fit media d.o.o.

ISBN 978-961-6283-55-7

9 789616

283557

>

www.zelenaslovenija.si

www.fitmedia.si