E. Molliková KONSTRUKČNÍ PLASTY

použitá při zpracování přednášky Literatura použitá při zpracování přednášky [1] Askeland, D.R. – Phulé, P.P.: The Science and Engineering of Materials. 4th ed., Thomson Brooks/Cole, U.S.A. 2003. ISBN 0-534-95373-5 [2] Callister, W.D.Jr.: Materials Science and Engineering, an Intriduction. 3rd ed., John Willey Inc., U.S.A., 1994. [5] Ohring, M.: Engineering Materials Science. Academic Press Inc., U.S.A.,1995 [3] Kuraš, M.: Odpady, jejich využití a zneškodňování. Praha 1994 [4] Muccio, E.: Plastic Part technology. ASM International, 3rd ed., USA, 1995. ISBN 0-87170-432-3

Osnova 6. Značení polymerních materiálů (29 ÷ 32) 7. Závěr (33) 1. Co už známe – připomenutí z BUM (4 ÷ 5) 3. Kompozity s polymerní matricí (14 ÷ 15) 4. Zpracování polymerních materiálů na výrobek (16 ÷ 25) 2. Reologické modely popisující chování polymerů (6 ÷ 13) 5. Odpadové hospodářství (26 ÷ 28) 6. Značení polymerních materiálů (29 ÷ 32) 7. Závěr (33) 9. poznámky – polymery jsou také lepidla, barvy, povlaky,biomateriály, dřevo….

1. Co už známe základem jsou organické sloučeniny C +H (+ další prvky) dlouhé řetězce vzniklé některou z polyreakcí monomer – mer – polymer stupeň polymerace n a jeho vliv na vlastnosti materiálu homopolymer – kopolymer (ataktický, alternující, blokový, roubovaný), dopad na vlastnosti materiálu struktura řetězce (lineární, rozvětvený, zesítěný, 3D-sítě), dopad na vlastnosti materiálu konfigurace (takticita) řetězce (ataktiký, izotaktický, syndiotaktický), dopad na vlastnosti materiálu konformace řetězce (možnost rotace kolem jednoduché vazby; jen jednoduché řetězce), dopad na vlastnosti materiálu

polymery amorfní – semikrystalické polyreakce  řetězce různé délky  statistický charakter molekulové hmotnosti výsledného polymeru. tvar distribuční křivky  technologické vlastnosti polymeru šířka křivky  interval Tm   náročnost technologie zpracování,  kvalita výrobků (tlusté stěny, tvarově méně náročné výrobky) nadmolekulární struktura (lamela, sférolit, fibrila, amorfní kluko) tranzitní teploty (Tm,Tf, Tg) mechanické vlastnosti = f (typ, struktura, teplota, rychlost zatěžování)  rychlost zatěžování   teplota zkouška tahem (kovy vs. polymery)

2. Reologické modely reologie popisuje chování skutečných materiálů pomocí jednoduchých zařízení polymery kombinují vlastnosti ideálně elastických (kovy) a ideálně viskozních (kapaliny) materiálů  jsou viskoelastické ideálně pružný materiál Hook viskoelastický Maxwell Kelvin Tucket ideálně viskozní Newton reologický model s = f (t) e = f (t) kdo pro co

Ideálně pružný materiál Hook Ideálně pružný materiál reologický model: pružina o tuhosti G elastické chování izotropních těles (kovů) při elastické deformaci smykem platí pro rovnováhu mezi napětím s a deformací g Hookův zákon

Ideálně viskózní materiál ideálně viskozní materiál Newton jednoduché kapaliny při ustáleném toku úměrná smykovému napětí s podle Newtonova zákona Ideálně viskózní materiál reologický model: hydraulický válec s kapalinou o viskozitě  při ustáleném toku je smyková rychlost

Viskoelastický materiál I – Kelvin (Voight) model reologický model: pružina o tuhosti G a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě  paralelně v tuhém rámu s MPa = působící napětí E MPa = modul pružnosti materiálu t s = doba zatížení h Pa.s = viskozita materiálu při dané teplotě Viskoelastický materiál I – Kelvin (Voight) model deformace e materiálu je dána vztahem používá se pro modelování creepu materiálů (s = konst., e = f (t) ) ,

Viskoelastický materiál II – Maxwellův model si MPa = původní zatížení, E MPa = modul pružnosti materiálu,  Pa.s = viskozita materiálu při dané teplotě reologický model: pružina o tuhosti G a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě  seriově Viskoelastický materiál II – Maxwellův model používá se pro modelování relaxace materiálů (e = konst., s = f (t) ) napětí st v materiálu dosažené v čase t je dáno vztahem

Viskoelastický materiál III – Tuckettův model model je schopen kvalitativně předpovědět viskoelastické chování lineárního amorfního polymeru deformace je dána vztahem reologický model: seriově zapojená pružina o tuhosti G1, Kelvinův model s pružinou o tuhosti G2 a hydraulickým válcem s kapalinou o viskozitě  2, a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě  3.

(reologický model: první člen řetězce = pružina o tuhosti G1) ideálně elastická okamžitá deformace valenčních úhlů, vazeb a mezimolekulárních vzdáleností (reologický model: první člen řetězce = pružina o tuhosti G1) zpožděná elastická deformace polymerních klubek (reologický model: druhý člen řetězce = Kelvinův model s pružinou o tuhosti G2 a hydraulickým válcem s kapalinou o viskozitě 2) nevratné přesuny klubek (reologický model: třetí člen řetězce = hydraulický válec s kapalinou o viskozitě 3)

změna filosofie výpočtových postupů elastická deformace v kovech v polymerech změna filosofie výpočtových postupů nestačí jen dosadit materiálové charakteristiky polymerních materiálů do výpočtových schémat vytvořených pro kovy Dulezy, prej

3. Kompozity s polymerní matricí Polymer + aditiva = plast aditiva plniva ovlivnění vlastností extendery stabilizátory omezují degradaci vnějšími vlivy (saze chrání proti UV) antistatická činidla zvlhčují povrch plastu  zlepšují jeho vodivost retardéry hoření na bázi Cl, Br nebo Mg(OH)2 plastifikátory snižují Tg zlepšují tvárnost (PVC: Tg 20°C) výztuže zvyšují pevnost a tuhost např. skelná vlákna katalyzátory např. ZnO urychluje vulkanizaci kaučuku barviva částicové pigmenty 3. Kompozity s polymerní matricí

Struktura, morfologie a výsledné vlastnosti kompozitu závisí na: povaze polymerní matrice, chemickém složení (materiálu) plniva, fyzikálních charakteristikách (tvaru, velikosti) plniva, orientaci částic plniva, množství plniva, složení hraniční fáze polymeru, která je interakcí s plnivem více či méně modifikována, vnějších podmínkách, zvl. teplotě a rychlosti zatěžování  plnění   problémy se zapracováním aditiv do matrice  plnění   opotřebení nástrojů

4. Zpracování polymerů na výrobek Typy plastů a možné technologie jejich zpracování typ polymeru termoplast reaktoplast elastomer definice materiálu teplem zplastizovatelný a tlakem tvarovatelný; reversibilní proces tlakem tvarovatelný, teplo  zesítění; ireversibilní proces příklad PE, PP, PVC, PC, PA pryskyřice epoxydové, fenolové kaučuk vhodná technologie lisování podobně jako reaktoplasty vakuové tváření přetlačování extruze vyfukování injekční vstřikování

4.1 Lisování Zpracovávaný materiál: termoplasty, ale hlavně reaktoplasty Typické výrobky: elektrické vypínače a součástky, pneumatiky Postup: otevření formy uložení materiálu do formy ohřev a stlačení materiálu rychlé otevření a opětné uzavření formy  odventilování plynů po uplynutí technologického času (zesítění, zafixování tvaru) otevření formy vyhození dílu

4.2 Vakuové tváření Zpracovávaný materiál: semikrystalické plasty (PE, PA)  úzký interval zpracovatelských teplot  obtížně zpracovatelné (PA před zpracováním sušit) amorfní plasty (ABS)  výborně zpracovatelné nejčastěji materiály na bázi styrenu (PS, ABS, PS-pěny) Typické výrobky: většinou pěnový materiál – obaly na potraviny, výplně dveří ledniček, vnitřní panely v automobilech Postup: otevření formy uložení materiálu do formy ohřev materiálu vytvoření vakua  vytvarování po uplynutí technologického času otevření formy vyhození dílu

4.3 Přetlačování Zpracovávaný materiál: téměř výhradně reaktoplasty a pryže Typické výrobky: když je potřeba do plastu zalisovat kovové komponenty (integrované obvody, elektrické spínače, rukojeti na nádobí) Postup: přesné určení množství materiálu ( objemů formy, vtoků a nálitků) předformování do tablet předehřev tablet (v externím zařízení nebo v přetlačovací komoře) založení předehřátého materiálu do přetlačovací komory přetlačení materiálu do dutiny formy materiál pod tlakem až do ztuhnutí odstranění zbytků materiálu z přetlačovací komory otevření formy a vyhození součásti

4.4 Extruze Kontinuální proces Zpracovávaný materiál: obvykle termoplasty (PE, PVC, PC, ABS), v gumárenství i pryže Typické výrobky : filmy (t < 0,25mm) – audio/video pásky, několikavrstvé filmy z různých typů plastů desky (t > 0,25mm) – prefabrikáty pro lisování za tepla, podlahové krytiny Profily – trubky, tyče, koextrudované profily z několika materiálů, izolace kabelů pěny – do proudu taveniny zaveden plyn zvenčí nebo vznikající chemickou reakcí aditiv v tavenině (tzv. nadouvadla)  desky nebo profily s buněčnou strukturou  zlepšené tepelné vlastnosti ve srovnání s tuhým plastem – izolační panely pro stavebnictví (PS) a ochranné obaly (PE, PS) Kontinuální proces

duté produkty (láhve, kontejnery, palivové nádrže, tlakové nádoby) 4.5 Vyfukování Pozn.: v 60. letech zpracováván hlavně HDPE na láhve na čistící prostředky. do začátku 70. let nebyly vyfukované materiály schopny vydržet tlak potřebný k udržení plynu v roztoku  nemohly být plněny sodovky nyní na trhu s láhvemi dominuje PET Typické výrobky: duté produkty (láhve, kontejnery, palivové nádrže, tlakové nádoby) Zpracovávaný materiál: termoplasty s dobrou tekutostí taveniny

4.6a Injekční vstřikování termoplastů Zpracovávaný materiál: termoplasty s dobrou tekutostí taveniny Typické výrobky: variace výrobků   4.6a Injekční vstřikování termoplastů

4.6b Injekční vstřikování reaktoplastů Požadavky na zpracovávané materiály : dostatečná doba odolnosti vůči teplotám v tavicí komoře (nesmí nastat předčasné zesítění) dobrá tekutost rychlá vytvrditelnost při vysoké teplotě uvnitř formy vyhovující sypné vlastnosti rovnoměrnost kvality materiálu Postup: založení materiálu do tavicí komory plastikace materiálu vstříknutí taveniny do formy vytvrzení ve formě po uplynutí technologického času otevření formy vyhození dílu 4.6b Injekční vstřikování reaktoplastů

4.7 Výroba tenkých folií 4.8 Výroba tenkých desek 4.9 Výroba vláken

4.10 Spojování plastů Lepení tavné Svařování pásky adheziva (lepidla) rozpouštědla chemicky rozpouštění lepených povrchů  měknou  pohyb makromolekul přes rozhraní povrchů a jejich vzájemné navazování; odpaření rozpouštědla  „zamrznutí“ makromolekul  spojení obou povrchů třením rotační tvary, ve svaru výronek (v další operaci odstraněn) horkým plynem (vzduchem) variace na svařování kovů; svařování a utěsňování desek PP při výrobě velkých chemických nádrží, přídavný materiál je stejný jako svařovaný tavné vyhřívaná Al-deska s povrchy krytými skelnou tkaninou (nepřilnavé); svařované materiály přiloženy a po dostatečném ohřevu sundány a přitlačeny k sobě; zvláště na spojování velkoplošných výrobků z termoplastů Mechanické spojování Svařování Lepení šrouby nýty

5. Odpadové hospodářství sekundární materiály  horší vlastnosti zneškodňování využívání úprava skladování přeprava shromažďování nakládání s odpady omezování vzniku odpadů předcházení vzniku odpadů 5. Odpadové hospodářství konečná likvidace energetické využití recyklace přepracování odpadů  druhotné suroviny regenerace navrácení původních užitných vlastností  materiály využívány k původním účelům máloodpadové technologie drahé technologie sekundární materiály  horší vlastnosti

ČSN 77 052  požadavky na značení obalů druhem použitého materiálu  usnadňuje třídění odpadů a informuje o druhu použitého materiálu. recyklační trojúhelník opatřený číslem nebo slovním popisem  druh použitého materiálu.

polymery: PET (polyetylén tereftalát) – 1 PE-HD (polyetylén vysokohustotní) – 2 PVC (polyvinylchlorid) – 3 PE-LD (polyetylén nízkohustotní) – 4 PP (polypropylen) – 5 PS (polystyren) – 6 jiný plas t – 7 papír: PAP (vlnitá lepenka) – 20 PAP (hladká lepenka) – 21 PAP (papír) – 22 sklo: GL (bílé sklo) – 70 GL (zelené sklo) – 71 GL (hnědé sklo) – 72

6. Značení polymerních materiálů značení není normalizováno názvy materiálů jsou záležitostí výrobních firem nemusí vyjadřovat chemickou podstatu materiálů

nejznámějších termoplastů I Merové jednotky nejznámějších termoplastů I PMMA - plexisklo PE PP PS PVC PET

nejznámějších termoplastů II Merové jednotky nejznámějších termoplastů II (teflon) PC

nejznámějších reaktoplastů Merové jednotky nejznámějších reaktoplastů

 + = 7. Závěr kvalitní výrobek s požadovanými vlastnostmi tailor made materials kvalitní výrobek s požadovanými vlastnostmi výběr atomů jejich uložení v řetězci chemická konstrukce řetězce vzájemná interakce řetězců aditiva požadované vlastnosti (z našeho pohledu zvláště mechanické) správná technologie zpracování na výrobek správné podmínky provozu + = 