Vznik plastů – podmínky, typy reakcí Dělení a morfologie plastů Email: mhorakova@pf.jcu.cz Tel: 387 77 3057

Plasty Plasty = obecně makromolekulární látky a z chemického hlediska látky organické Podstatou polymerů je makromolekulární látka přírodního nebo syntetického charakteru, která je tvářitelná za působení teploty T a tlaku p V jeho makromolekule se mnohokrát opakuje základní monomerní jednotka Základním prvkem řetězce je atom uhlíku. Uhlíkové atomy mají schopnost vzájemně se vázat a vytvářet dlouhé řetězce

Rozdělení plastů Dle původu: • přírodní – biopolymery (polysacharidy, bílkoviny, NK, polyterpeny), mohou být původní nebo chemicky upravené – modifikované • syntetické Typu reakcí, kterými vznikají: • polymery vzniklé polymerací • polykondenzací • polyadicí Morfologie polymerů • amorfní • krystalické (lamely, sférolity).

Rozdělení plastů Tvaru molekul (struktura polymerů): • lineární • rozvětvené • zesíťované • prostorově zesíťované Chování za zvýšené teploty: • termoplasty – zahříváním získávají plasticitu (opakovaně), • reaktoplasty – přechodně tvárné, zahřátím se chemicky změní a ztrácejí plasticitu

Výhody a nevýhody plastů Nízká hmotnost Výborné zpracovatelské vlastnosti Elektrické izolanty Výborná korozní odolnost Tlumí rázy a chvění Nízké mechanické a časově závislé vlastnosti Ekologická zatížitelnost

Vznik polymeru PODMÍNKY VZNIKU POLYMERU Vhodné spojení malých molekul výchozích látek – monomerů = organické látky přírodní (zušlechtěné) nebo syntetické (z lehkých uhlovodíků) Schopnost molekuly monomeru vytvořit se sousedními molekulami nejméně dvě chemické vazby MONOMER = (nízkomoelkulární látka) musí obsahovat reaktivní skupinu – nenasycenou vazbu

Vznik polymeru ZÁKLADEM JE UHLÍK  Má nejvýraznější schopnost tvořit dlouhé řetězovité a zesíťované molekuly Uhlík je čtyřvazný – má 4 volné elektrony, které mohou navázat jiné atomy Molekuly mají většinou podobu dlouhých řetězců či různě prostorově zesíťovaných struktur Syntetické polymery jsou většinou založeny na řetězci C atomů. Objevují se v nich však i atomy: O, N, S, silikony mají řetězec tvořený střídajícími se atomy Si a O.

H C H H H Vazba mezi atomy Nenasycená jednoduchá vazba Metan CH4 – lehký uhlovodík, nasycený

Nenasycená vazba Základ pro vazbu s jiným atomem H H H H H H H H H H C – C H C = C H C C H H H H H Ethan C2H6 Ethen C2H4 Ethin C2H2 H H H H H H H H H H C = C – C – C – – C – C – C – C – C – C – H H H H H H H H H H Otevření vazby – vnější energie (srážka s volným radikálem, vysoký tlak), katalyzátor Spojování reaktivních monomerů

Připomenutí organické chemie aneb rozdělení uhlovodíků Organické sloučeniny dělíme na základě chemického složení na dvě velké skupiny: Uhlovodíky, obsahující pouze jen uhlík a vodík. Deriváty uhlovodíků, obsahující ještě jiný prvek nebo prvky. http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&ved=0CDMQFjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.gymkl.cz%2Fweb%2Fpriloha.php%3Fid_priloha%3D12051&ei=7ZdsVJ3zEIayyQSJkIDADA&usg=AFQjCNFAEaw-pM7ACBA_2o-Nnz_zGukTkA&bvm=bv.80120444,d.aWw

Připomenutí organické chemie aneb rozdělení uhlovodíků Podle jakých kritérií dělíme uhlovodíky? Podle typu kovalentních vazeb mezi uhlíkovými atomy dělíme uhlovodíky na: - nasycené - nenasycené Podle tvaru uhlíkatého řetězce rozeznáváme uhlovodíky: - acyklické - cyklické http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&ved=0CDMQFjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.gymkl.cz%2Fweb%2Fpriloha.php%3Fid_priloha%3D12051&ei=7ZdsVJ3zEIayyQSJkIDADA&usg=AFQjCNFAEaw-pM7ACBA_2o-Nnz_zGukTkA&bvm=bv.80120444,d.aWw

Připomenutí organické chemie aneb rozdělení uhlovodíků Acyklické uhlovodíky mohou mít řetězec: - přímý - rozvětvený Cyklické uhlovodíky mají řetězec uzavřený do kruhu a dělíme je na: - alicyklické - aromatické http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&ved=0CDMQFjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.gymkl.cz%2Fweb%2Fpriloha.php%3Fid_priloha%3D12051&ei=7ZdsVJ3zEIayyQSJkIDADA&usg=AFQjCNFAEaw-pM7ACBA_2o-Nnz_zGukTkA&bvm=bv.80120444,d.aWw

Připomenutí organické chemie aneb rozdělení uhlovodíků nasycené alkany nerozvětvené acyklické alkeny nenasycené alkyny rozvětvené CH nasycené cykloalkany alicyklické nenasycené cykloalkeny cyklické cykloalkyny aromatické monocyklické polycyklické http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&ved=0CDMQFjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.gymkl.cz%2Fweb%2Fpriloha.php%3Fid_priloha%3D12051&ei=7ZdsVJ3zEIayyQSJkIDADA&usg=AFQjCNFAEaw-pM7ACBA_2o-Nnz_zGukTkA&bvm=bv.80120444,d.aWw

Připomenutí organické chemie aneb rozdělení uhlovodíků Nasycené, mají mezi atomy uhlíku pouze jednoduché vazby (s-vazba). Butan 2,2,4-trimethylpentan Cyklohexan http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&ved=0CDMQFjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.gymkl.cz%2Fweb%2Fpriloha.php%3Fid_priloha%3D12051&ei=7ZdsVJ3zEIayyQSJkIDADA&usg=AFQjCNFAEaw-pM7ACBA_2o-Nnz_zGukTkA&bvm=bv.80120444,d.aWw

Připomenutí organické chemie aneb rozdělení uhlovodíků Nenasycené, mají přítomnou alespoň jednu vazbu násobnou (p-vazbu). But-2-en But-1,3-dien Cyklohexen CH CH Ethin (acetylén) http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&ved=0CDMQFjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.gymkl.cz%2Fweb%2Fpriloha.php%3Fid_priloha%3D12051&ei=7ZdsVJ3zEIayyQSJkIDADA&usg=AFQjCNFAEaw-pM7ACBA_2o-Nnz_zGukTkA&bvm=bv.80120444,d.aWw

Monomer Je základní stavební jednotka či výchozí látka používaná k výrobě makromolekulárních látek – POLYMERŮ. Aby mohlo dojít k vytvoření MAKROMOLEKULY, musí výchozí monomer obsahovat reaktivní skupiny a musí mít schopnost vytvořit se sousedními skupinami alespoň dvě chemické vazby A

Polymer Více stejných monomerů řazených za sebou tvoří. POLYMERY (např. ethen a propen) Vznik makromolekulární látky (polymeru) probíhá většinou za přítomnosti katalyzátoru Počet monomerních jednotek v polymeru se nazývá polymerační stupeň S počtem monomerů se mění fyzikální a chemické vlastnosti produktu polymerace (teplota tání, rozpustnost, …) A … A …

Kopolymer Kopolymer = makromolekulární látka, která vzniká z více druhů monomerů Stavební jednotkou polymerů je pravidelně se opakující část molekuly (pokud se opakuje stále stejný monomer, vzniká polymer) Opakují-li se pravidelně dva nebo více monomerů, vzniká kopolymer A B … A B …

Polymerační stupeň Počet stavebních jednotek stejného typu (MERŮ) či strukturních jednotek, které jsou zabudovány v makromolekule Počet stavebních jednotek a jejich uspořádání rozhoduje o celkové struktuře molekuly a tím i o jejich vlastnostech – vyšší počet jednotek znamená molekulovou relativní hmotnost Polymery s nižším stupněm polymerace jsou většinou za normálních podmínek kapalné, lepkavé, rozpustné v organických rozpouštědlech S vyšším stupněm polymerace jsou tyto látky pevnější, odolnější

Základní rozdělení polyreakcí Polyreakce – polymerizace = reakce vedoucí ke vzniku makromolekulárních látek Jedná se v podstatě o velmi jednoduché chemické reakce, které se mnohokrát opakují, takže původní nízkomolekulární sloučenina – monomer – přechází ve vysokomolekulární látku – polymer Plastem, se polymer stává poté, co jej smísíme s nezbytnými přísadami a převedeme jej do formy vhodné k dalšímu technologickému zpracování (granule, prášek, tablety atd.). Obecný termín POLYMER představuje chemickou látku, PLAST je technický materiál, který musí mít vhodné užitné vlastnosti

Reakční stupně INICIACE – zahájení růstu řetězce (vnější energie, světlo, teplo, PH, katalyzátor) PROPAGACE – růst makromolekuly – monomery se spojují ve větší řetězce a řetězce se též spojují navzájem TERMINACE – ukončení růstu – nesprávný poměr monomerů, inaktivace reaktivních konců, spotřebování katalyzátoru, rovnováha s vedlejším produktem

Polyreakce STUPŇOVITÁ POLYREAKCE ŘETĚZOVITÁ POLYKONDENZACE POLYADICE POLYMERACE

Stupňovitá polyreakce Pomalý růst řetězce Stejná reaktivita na koncích řetězce Vznik více řetězců současně, ale o malých hmotnostech, které se až na konci reakce spojí v makromolekulu o velké relativní hmotnosti Reakční stupně jsou stálé a izolovatelné

VEDLEJŠÍ NÍZKOMOLEKULÁRNÍ PRODUKT MAKROMOLEKULÁRNÍ POLYMER Polykondenzace Je to reakce dvou různých monomerů, které se spojují prostřednictvím charakteristických skupin za odštěpení vedlejšího produktu (voda, amoniak,…) Molekuly spolu kondenzují za vzniku vedlejšího produktu (z reakční směsi se odstraňuje) – výsledná molekula je jiná Reakce má adičně eliminační mechanismus, má stupňovitý průběh, je také vratná VEDLEJŠÍ NÍZKOMOLEKULÁRNÍ PRODUKT MAKROMOLEKULÁRNÍ POLYMER +

Polykondenzované polymery POLYESTERY - polyethylentereftalát PET (ethylenglykol a diemthyltereftalát). Výroba textilních vláken (spřádají se s vlnou a bavlnou – tesil), nátěrových hmot a pryskyřic. Vyztužením pryskyřičných a nátěrových hmot – sklolamináty. POLYAMIDY – textil, dopravní pásy, lana, sítě, filtry, chirurgické nitě, FENOLFORMALDEHYDOVÉ PRYSKYŘICE – nejstarší syntetické polymery (bakelit), z fenolu a formaldehydu MOČOVINOFORMALDEHYDOVÉ PRYSKYŘICE – spotřební průmysl EPOXIDOVÉ PRYSKYŘICE – výroba lepidel laků POLYKARBONÁTY FENOLPLASTY

Polyadice Přidávání (adice) dvou- a vícefunkčních molekul monomerů Vznik makromolekulárních polymerů bez vedlejšího produktu Při polyadici se přesunuje vodíkový atom a neodštěpuje se vedlejší produkt Polyadice je polyreakcí dvou různých monomerů, které navíc obsahují odlišnou reaktivní funkční skupinu. Jeden z monomerů nese jako vždy dvojnou vazbu, druhý z monomerů musí ve své molekule mít funkční skupinu, která obsahuje slabě kyselý vodík (např. –OH). Tento vodík se během polyadice přesune na druhý monomer, což umožní vznik polymeru. Polyadukty POLYURETAN – nejznámějším zástupcem těchto polymerů, široké použití – syntetická vlákna, pěnové látky (molitan), epoxidy

Řetězovitá polyreakce Zahájení jednou iniciací (působením vnější energie nebo přidáním vysoce reaktivní sloučeniny) Růst polymerního řetězce velkou rychlostí Monomer reaguje pouze s aktivním koncem řetězce – postupný úbytek monomerů Vysoké relativní molekulární hmotnosti vznikají již v počátečních fázích reakce Reakční stupně nejsou izolovatelné

Polymerace polymerace je polyreakce, do které vstupuje jedna nízkomolekulární organická sloučenina, při reakci dochází působením vysokého tlaku, teploty a za současného působení katalyzátorů ke štěpení násobných vazeb v monomeru a vzniku meru, vysoce reaktivní konce rozštěpených vazeb jednotlivých merů se vzájemně naváží a dojde ke vzniku polymerních řetězců o různých délkách, výsledným produktem je polymer bez přítomnosti odštěpené látky. Polymerace polyetylenu PE n je polymerační stupeň (počet merů v řetězci); udává celkovou délku polymerního řetězce.

Polymerace Řetězovité navazování molekul monomerů Výsledná makromolekula je stejná bez vedlejšího produktu Jednotky se spojují za vzniku polymeru bez uvolnění dalších molekul Důležitým faktorem úspěšné polymerace je udržování reakční teploty – jinak klesá stupeň polymerace Monomer musí obsahovat násobnou vazbu – nenasycenou Monomery se musí k sobě přiblížit na atomární vzdálenost

Polymerace – typy a reakční mechanismy HOMOPOLYMER – obsahuje ve svém řetězci pouze mery jednoho typu KOPOLYMER – obsahuje dva typy merů; při stejném chemickém složení může mít rozdílné mechanické vlastnosti, neboť záleží na tom, jak jsou při výrobě polymeru jednotlivé mery uspořádány. - statistický: mery se střídají zcela náhodně alternující: pravidelné střídaní merů blokový: mery se střídají v blocích roubovaný: hlavní (páteřní) řetězec je tvořen jedním typem meru a druhý je napojen jako boční skupina

Reakční mechanismy Radikálové – homolytické štěpení vazeb, při aktivaci vznikají radikály Ionotvé – heterolytické štěpení vazeb, monomer musí být polarizovaný (dipól) homolytické štěpení se v chemii označuje rozpojování chemických vazeb neutrální molekuly za vzniku dvou volných radikálů. Tedy dva elektrony, které se účastní vazby, se rozdělí po jednom do každého ze vzniklých radikálů. Každý z těchto dosud kovalentně sdílených elektronů je „stažen“ vždy jedním atomem z každého radikálu. heterolytické štěpení se v chemii označuje štěpení vazby neutrální molekuly za vzniku odlišně dvou nabitých iontů (kationtu a aniontu). V tomto procesu se dva elektrony, které tvořily vazbu, naváží na tentýž fragment - a to na ten, který má větší elektronegativitu.

Výchozí suroviny PŘÍRODNÍ Biopolymery – na bázi celulózy, latexu, kaseinu (mléčná bílkovina), polysacharidy, bílkoviny, polyterpeny Mohou být původní nebo chemicky upravené = modifikované Modifikované – vznikají buď chemicky nebo fyzikálně (hnětením s jinými plasty nebo kaučuky, ozařováním, plazmou) a tím změní vlastnosti původního plastu – např. houževnatý PS, houževnatý PVC.

Výchozí suroviny POLOSYNTETICKÉ Vznikají zušlechtěním makromolekulárních látek a to fyzikální přeměnou přírodních polymerů Historicky první plasty z celulózy (estery a étery celulózy) a bílkovin (kasein – mléčná bílkovina) Deriváty celulózy: Vulkánfíbr, pergamenový papír, viskózová fólie a vlákno, celuloid

Výchozí suroviny Vulkánfíbr – 1859, impregnace celulózy (neklíženého papíru) roztokem ZnCl. Desky, tyče a trubky. Lze třískově obrábět, lakovat, za tepla tvarovat, leštit, lepit. Tepelná izolátor (krátkodobě 150°C, hydroskopický, nezávadný, nestárne, odolává: olejům, tukům, neodolává: louhům, kyselinám, cukrům a ovocným šťávám. Použití: kufry, dopravní obaly, knoflíky, dekorační desky, brusné díly, těsnění, vyztužení obuvi, ochranné pomůcky Pergamenový papír – 2. pol. 19. stol., úprava neklíženého papíru H2SO4 (někdy přídavek změkčovadel: glycerin, vosk proti vodě a plynům, kyselina salycilová). Pevný, průsvitný, nehnije, neklihovatí ve vroucí vodě, při ohřevu vznikají puchýře. Použití: balení másla, tuků, uzenin, textilní průmysl, archivnictví, mapy, obaly na knihy….

Výchozí suroviny Viskózová fólie a vlákno – konec 19. stol. Regeneráty celulózy (chemicky se celulóza rozpustí v NaOH a následně vysráží v kyselých lázních na fólie nebo vlákna (celofán, viskózové vlákno), čiré hladké, pevné, nepropouští oleje, tuky, benzín, málo propouští plyny a páry, nitrolaky. Použití: obalové fólie, vlákno – barvitelné do příze Celuloid – 1869 kulečníkové koule z nitrocelulózy

Výchozí suroviny PLNĚ SYNTETICKÉ Jedná se o většinu plastů. Vyrábí se z jednoduchých nízkomolekulárních sloučenin (z ropy) Polyetylén, polystyrén, polypropylén, polyvynilchlorid, polyakryláty, silikony, flouroplasty

Rozdělení plastů na základě teplotního chování Termoplasty - jedná se o polymerní materiály, které při zahřívání přecházejí do plastického stavu, do stavu vysoce viskózních nenewtonovských kapalin, kde je lze snadno tvářet a zpracovávat různými technologiemi. Do tuhého stavu přejdou ochlazením pod teplotu tání Tm (semikrystalické plasty), resp. teplotu viskózního toku Tf (amorfní plasty). Protože při zahřívání nedochází ke změnám chemické struktury, lze proces měknutí a následného tuhnutí opakovat teoreticky bez omezení. Jedná se pouze o fyzikální proces. K termoplastům patří většina zpracovávaných hmot, jako je polyethylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinylchlorid (PVC), polyamid (PA), atd.

Rozdělení plastů na základě teplotního chování Reaktoplasty - jedná se o polymerní materiály, dříve nazývané termosety, které rovněž v první fázi zahřívání měknou a lze je tvářet, avšak jen omezenou dobu. Během dalšího zahřívání dochází k chemické reakci – prostorovému zesíťování struktury, k tzv. vytvrzování. Výrobek je možno považovat za jednu velkou makromolekulu. Ochlazování reaktoplastů probíhá mimo nástroj, neboť zajištění rychlého ohřevu formy pro vytvrzení a následné rychlé ochlazení materiálu by bylo obtížné. Tento děj je nevratný a vytvrzené plasty nelze roztavit ani rozpustit, dalším zahříváním dojde k rozkladu hmoty (degradaci). Patří sem fenolformaldehydové hmoty, epoxidové pryskyřice, polyesterové hmoty, apod.

Rozdělení plastů na základě teplotního chování Kaučuky, elastomery a pryže - jedná se o polymerní materiály, které rovněž v první fázi zahřívání měknou a lze je tvářet, avšak jen omezenou dobu. Během dalšího zahřívání dochází k chemické reakci – prostorovému zesíťování struktury, probíhá tzv. vulkanizace. U elastomerů na bázi termoplastů nedochází ke změnám chemické struktury, proces měknutí a následného tuhnutí lze opakovat teoreticky bez omezení, probíhá zde pouze fyzikální děj.

Rozdělení plastů – dle aplikace Podle aplikace, a podle konstrukční složitosti vyráběných dílů, lze plasty rozdělit do následujících skupin: plasty pro široké použití, mezi které patří polyolefiny (PE, PP), polystyrénové hmoty (PS), polyvinylchlorid (PVC), fenolformaldehydové (PF) a močovinoformaldehydové hmoty (UF), plasty pro inženýrské aplikace, kam lze zařadit polyamidy (PA), polykarbonáty (PC), polyoximetylén (POM), polymetylmetakrylát (PMMA), terpolymer ABS, polyfenilénoxid (PPO), polyuretan (PU), epoxidové (EP) a polyesterové (UP) pryskyřice, plasty pro špičkové aplikace, do kterých lze zařadit polysulfon (PSU), polyfenylénsulfid (PPS), tetrafluoretylén (PTFE), polyimidy (PI) a další.

Rozdělení plastů – dle nadmolekulární struktury Podle nadmolekulární struktury (podle stupně uspořádanosti), kdy nadmolekulární struktura je nadřazena makromolekulám, se plasty dělí na: amorfní plasty, kde makromolekuly zaujímají zcela nahodilou pozici. Patří sem např. PS, PMMA, PC, apod. Jsou charakteristické tvrdostí, křehkostí, vysokou pevností, modulem pružnosti a jsou vzhledem k nízkému indexu lomu (1,4 až 1,6) průhledné, resp. dle propustnosti světla čiré (92 % propustnosti světla), transparentní anebo průhledné (60 % propustnosti světla). Součinitel teplotní roztažnosti a je menší, než u semikrystalických polymerů. Použitelnost amorfních polymerů je do teploty zeskelnění Tg. krystalické (semikrystalické) plasty, které vykazují určitý stupeň uspořádanosti. Ten se označuje jako stupeň krystalinity (pohybuje se od 40 do 90 %) a vyjadřuje relativní podíl uspořádaných oblastí, uložených mezi oblastmi amorfními. Nemůže nikdy dosáhnout 100 %, proto se krystalické plasty označují jako semikrystalické. Patří sem PE, PP, PA, PTFE, POM, atd. Jsou mléčně zakalené, index lomu je větší a jsou charakterizovány houževnatostí materiálu, pevnost a modul pružnosti roste se stupněm krystalinity. Použitelnost semikrystalických plastů je do teploty tání Tm.

Rozdělení plastů – dle druhu přísad neplněné plasty - neplněný plast je takový plast, u kterého množství přísad neovlivňuje vlastnosti polymerní matrice. plněné plasty – plnivo ovlivňuje fyzikální a mechanické vlastnosti plastu. Makromolekulární látka plní funkci pojiva a určuje základní fyzikální a mechanické vlastnosti hmoty. Přísadou mohou být plniva, stabilizátory, maziva, barviva, změkčovadla, iniciátory, nadouvadla, tvrdidla, retardéry hoření, apod.

Plniva Plniva zlepšují buď mechanické vlastnosti materiálu, nebo chemickou odolnost či tvarovou stálost při zvýšené teplotě, jiné prostě jen hmotu zlevňují. vyztužující (skleněná, uhlíková, kovová či méně účinná bavlněná krátká nebo dlouhá vlákna, popř. textilní ústřižky do obsahu maximálně 50 %, neboť pro správnou funkci vyztužujícího plniva je důležité, aby bylo dokonale obaleno pojivem) nevyztužující plniva ve formě prášku, které se přidávají se většinou z důvodu snížení ceny materiálu (moučka z břidlice, kaolinu, křídy a dalších levných materiálů). Jiná plniva (např. grafit) zlepšují kluzné vlastnosti, práškové kovy zlepšují tepelnou vodivost. Přídavkem sazí (zejména u polyolefínů) se zvyšuje odolnost proti UV záření, atd. Obsah nevyztužujících plniv bývá až 70 %. Zvláštním typem plniva jsou skleněné nebo kovové kuličky, které zvyšují rozměrovou stabilitu a odolnost proti rázům, resp. vodivost. Stabilizátory (tepelné, světelné) jsou určeny k zpomalení degradačních procesů a zvýšení životnosti součásti. Maziva (obsah do 1 %) usnadňují zpracování polymerů např. tím, že snižují viskozitu polymeru nebo zabraňují lepení výrobku na stěnu formy. Mohou to být např. vosky, stearáty Zn či Ca, popřípadě méně používané oleje a tuky. Plniva zlepšují buď mechanické vlastnosti materiálu, nebo chemickou odolnost či tvarovou stálost při zvýšené teplotě, jiné prostě jen hmotu zlevňují. Rozeznáváme vyztužující (skleněná, uhlíková, kovová či méně účinná bavlněná krátká nebo dlouhá vlákna, popř. textilní ústřižky do obsahu maximálně 50 %, neboť pro správnou funkci vyztužujícího plniva je důležité, aby bylo dokonale obaleno pojivem) a nevyztužující plniva ve formě prášku, které se přidávají se většinou z důvodu snížení ceny materiálu (moučka z břidlice, kaolinu, křídy a dalších levných materiálů). Jiná plniva (např. grafit) zlepšují kluzné vlastnosti, práškové kovy zlepšují tepelnou vodivost. Přídavkem sazí (zejména u polyolefínů) se zvyšuje odolnost proti UV záření, atd. Obsah nevyztužujících plniv bývá až 70 %. Zvláštním typem plniva jsou skleněné nebo kovové kuličky, které zvyšují rozměrovou stabilitu a odolnost proti rázům, resp. vodivost. Stabilizátory (tepelné, světelné) jsou určeny k zpomalení degradačních procesů a zvýšení životnosti součásti. Maziva (obsah do 1 %) usnadňují zpracování polymerů např. tím, že snižují viskozitu polymeru nebo zabraňují lepení výrobku na stěnu formy. Mohou to být např. vosky, stearáty Zn či Ca, popřípadě méně používané oleje a tuky. Barviva (obsah do 10 %) dávají plastům požadovaný barevný odstín. Většinou se používají barevné pigmenty založené na anorganických sloučeninách kovu (oxidy železa popř. chrómu). Organická barviva (lihové roztoky) rozpustná v polymeru se použijí tehdy, má-li hmota po vybarvení zůstat průhledná. Změkčovadla zlepšují houževnatost, zpracovatelnost a ohebnost materiálu, ovšem na úkor mechanických vlastností. Tvrdidla způsobují vznik příčných vazeb mezi makromolekulami a tím vytvrzení. Iniciátory a urychlovače polyreakcí ovlivňují účinek tvrdidla. Retardéry hoření působí samozhášivě, zpomalují proces hoření plastů nebo vůbec nedovolí zapálení plastu. Nadouvadla jsou přidávána v malém množství (0,5 ¸2 %) k základnímu materiálu a po zahřátí na zpracovatelskou teplotu se rozkládají v plynné látky, vytvářející lehčené plasty.

Plniva Barviva (obsah do 10 %) dávají plastům požadovaný barevný odstín. Většinou se používají barevné pigmenty založené na anorganických sloučeninách kovu (oxidy železa popř. chrómu). Organická barviva (lihové roztoky) rozpustná v polymeru se použijí tehdy, má-li hmota po vybarvení zůstat průhledná. Změkčovadla zlepšují houževnatost, zpracovatelnost a ohebnost materiálu, ovšem na úkor mechanických vlastností. Tvrdidla způsobují vznik příčných vazeb mezi makromolekulami a tím vytvrzení. Iniciátory a urychlovače polyreakcí ovlivňují účinek tvrdidla. Retardéry hoření působí samozhášivě, zpomalují proces hoření plastů nebo vůbec nedovolí zapálení plastu. Nadouvadla jsou přidávána v malém množství (0,5 ¸2 %) k základnímu materiálu a po zahřátí na zpracovatelskou teplotu se rozkládají v plynné látky, vytvářející lehčené plasty.

Rozdělení plastů – dle polarity polární plasty – mají trvalý dipól a mezi polární plasty patří PA, některé pryskyřice, apod. nepolární plasty – nemají trvalý dipól a patří sem PE, PP, PS, apod. DIPÓL = Dipólový moment (přesněji elektrický dipólový moment) je vektorová veličina popisující nesymetrické rozdělení elektrického náboje, např. v molekule nebo v malé skupině atomů. Podle hodnoty dipólového momentu chemie rozlišuje polární a nepolární molekuly. Polární molekuly mají stálou a nenulovou hodnotu elektrického dipólového momentu, tvoří permanentní dipól, nepolární ho mají nulový.

Rozdělení plastů – dle původu Podle původu (zastaralé dělení, neboť nepostihuje plasty výstižným způsobem) se polymery dělí na: přírodní – jsou založeny na přírodních makromolekulárních látkách, např. na bázi celulózy, latexu, kaseinu, atd. syntetické – k výrobě je použita chemická cesta. Rozdělení plastů – dle původu podle chemické struktury plastů se odvodily chemické názvy a potom můžeme plasty dělit např. na polyolefíny, styrénové plasty, polyamidy, apod.

Molekulární struktura plastů Plasty jsou obecně makromolekulární látky o molekulové hmotnosti vyšší jak 104 a z chemického hlediska jsou to látky organické. Podstatou polymerů je makromolekulární látka přírodního nebo syntetického původu, která je tvářitelná za působení teploty T a tlaku p, v jejichž makromolekule se jako článek řetězu mnohokrát opakuje základní monomerní jednotka. Základním prvkem řetězce je atom uhlíku. Uhlíkové atomy  mají schopnost vzájemně se vázat a vytvářet dlouhé řetězce.   Tři druhy polymerních makromolekul: lineární,  rozvětvené  (typické pro termoplasty)  zesíťované (kaučuky, reaktoplasty):

Lineární makromolekuly Vznikají tak, že se monomerní molekuly řadí jedna vedle druhé „jako korálky na šňůře perel“. Lineární makromolekuly se mohou z prostorových důvodů více přiblížit jedna ke druhé a vyplnit tak kompaktnější prostor. Polymery potom mají vyšší hustotu (např. vysokohustotní polyethylen HDPE). Lineární makromolekuly také snáze vytvářejí prostorově pravidelné shluky krystalických struktur, takže tyto polymery mají vyšší obsah krystalických podílů. Plasty s lineárními makromolekulami jsou obvykle dobře rozpustné a tavitelné (dobrá pohyblivost makromolekul), v tuhém stavu se vyznačují houževnatostí a ve formě tavenin dobrou zpracovatelností.

Rozvětvené makromolekuly Se vyznačují tím, že mají na základním řetězci boční větve („přívěsek na šňůře perel“). Rozvětvené makromolekuly se na rozdíl od lineárních makromolekul nemohou v důsledku bočních větví jedna ke druhé dostatečně přiblížit. Proto se vyznačují nižší hodnotou hustoty (např. nízkohustotní polyethylen LDPE). Uspořádanost jejich shluků je nízká a tudíž hůře krystalizují a mají nižší stupeň krystalinity. Rozvětvení zhoršuje i pohyblivost makromolekul a tedy i nižší tekutost v roztaveném stavu. Boční řetězce, které způsobují oddálení sousedních makromolekul, mají za následek pokles mezimolekulárních sil a tím zhoršení většiny mechanických vlastností.

Zesíťované makromolekuly V tomto případě je několik přímých nebo rozvětvených makromolekulárních řetězců mezi sebou propojeno vazbami, takže vytvářejí jednu takřka nekonečnou makromolekulu - prostorovou síť. Takováto síť vede ke ztrátě tavitelnosti a rozpustnosti polymeru. Polymery vykazují vysokou tvrdost, tuhost a odolnost proti zvýšené teplotě, avšak nízkou odolnost proti rázovému namáhání. Sítě mohou být řídké (charakteristické pro elastomerní kaučukovité polymery) husté (reaktoplasty).

Nadmolekulární struktura plastů (MORFOLOGIE) Nadmolekulární struktura (stupeň uspořádanosti makromolekul) může být popsána jednak jako amorfní a jednak jako krystalická. Lineární makromolekuly vytváří, na rozdíl od rozvětvených makromolekul, uspořádanější nadmolekulární strukturu a zesíťované makromolekuly strukturu neuspořádanou. Termoplasty tak mohou mít amorfní nebo semikrystalickou nadmolekulární strukturu, Reaktoplasty pouze strukturu amorfní

Nadmolekulární struktura plastů (MORFOLOGIE) Amorfní strukturou rozumíme strukturu bez jakékoliv uspořádanosti (struktura chaotická). Základním morfologickým útvarem této struktury jsou globuly (nebo-li klubíčka) o velikosti 10 ¸ 30 nm, které jsou vytvořeny z chaoticky stočených makromolekul. Krystalická struktura se vyznačuje určitým stupněm uspořádanosti. Základním morfologickým útvarem jsou tzv. lamely, fibrily. Nadmolekulární struktura krystalických plastů a) proužek, b) lamela, c) fibrila Nadmolekulární struktura amorfních plastů a) globula, b) uspořádání globul, c) svazek

Nadmolekulární struktura plastů (MORFOLOGIE) U reálných výrobků se při tuhnutí z tavenin polymerů vytvářejí útvary, nazývané sférolity. Jedná se o shluky lamel, které vychází ze společného centra a rozrůstají se na všechny strany, často jsou vrtulovitě stočené. Krystalizující polymery nemají v reálných podmínkách technologického zpracování možnost dokonalé krystalizace, tzn. že krystalizace se nezúčastní veškerá polymerní hmota, ale krystalizuje jen určité procento polymeru. Část takového polymeru je krystalická, zbylá část zůstává v amorfním stavu. Hovoříme proto o tzv. semikrystalických polymerech. Míru uspořádanosti ve struktuře vyjadřujeme tzv. stupněm krystalinity.

Krystalizace Stupeň krystalinity tedy udává relativní podíl krystalických oblastí ve hmotě. Pro vznik semikrystalické struktury je nutná tvorba krystalizačních zárodků (tzv. nukleace), na nichž teprve poté rostou krystality. K nukleaci dochází při ochlazování taveniny, která má amorfní strukturu. Pod teplotou zeskelnění Tg a nad teplotou tání Tm k nukleaci nedochází. Druhým důležitým faktorem, rozhodujícím o tvorbě krystalické fáze je doba, kterou má polymer k dispozici. Má-li se dosáhnout jemnozrnné struktury, musí krystalizace probíhat při takové teplotě, kdy se tvoří velké množství zárodků. Má-li výrobek vykazovat co nejlepší mechanické vlastnosti, je nutno řídit krystalizaci tak, aby bylo dosaženo nejen co nejvyššího stupně krystalinity, ale také současně jemnozrnné struktury. Prudké ochlazení povrchu budoucího výrobku způsobí, že polymer sice zkrystalizuje, ale nevytvoří sférolitickou strukturu.

Hlavní prvky nadmolekulární struktury Utvářejí se v průběhu chladnutí výrobku a to ať ve formě nebo mimo ni. Je-li krystalizace spojena s přeměnou fáze (polymer přechází ze stavu kapalného do tuhého) hovoříme o tzv. primární krystalizaci. Ta však ještě může pokračovat ve stavu tuhém (často i během několika měsíců) a nazývá se sekundární krystalizací. Jsou s ní spojeny nejen změny rozměrů, ale i vlastností výrobků a je tudíž jevem nežádoucím. Podmínky tuhnutí nejsou ve všech částech výrobku stejné a krystalizace je nerovnoměrná. Z technologického hlediska vzniká nestejnorodý, anizotropní materiál. Polymer chladne nejprve u stěny formy, naopak nejdéle chladne a zůstává v tekutém stavu uprostřed dutiny formy, tedy v jádru tělesa (u semikrystalických plastů je tak v jádru největší stupeň krystalinity, ve slupce tělesa naopak nejmenší).

Strukturní rozdíly v polymeru Tyto rozdílné podmínky vedou ke strukturnímu rozlišení mezi povrchem a jádrem tělesa. V krystalické oblasti polymerního materiálu bude mít materiál s vyšším stupněm krystalinity spíše lineární tvar makromolekuly a tudíž vlivem těsnějšího uspořádání makromolekul v krystalických oblastech a vlivem vyšších mezimolekulárních sil, se bude polymerní materiál s vyšším stupněm krystalinity projevovat vyšší hodnotou pevnosti, tuhosti a tvrdosti. Houževnatost tohoto materiálu poklesne. Například HDPE má stupeň krystalinity kolem 80 %, zatímco LDPE kolem 60 %. Amorfní oblast polymerního materiálu představuje jakési klouby, kolem nichž se mohou krystality natáčet, takže přispívají ke zvýšení houževnatosti a tím i tažnosti. Z uvedeného je zřejmé, že vlastnosti polymerního materiálu budou závislé na tvaru makromolekuly a stupni krystalinity.

Strukturní rozdíly v polymeru Orientace makromolekul na povrchu vstřikovaného dílce je vlivem vysokých vstřikovacích sil ve směru toku taveniny (hovoříme o tzv. orientační textuře), zatímco v jádru tělesa zůstávají molekuly déle v tekutém stavu a než ztuhnou, stačí se vrátit do neorientovaného stavu. Jedním z důsledků krystalizace je ztráta průhlednosti materiálu. Vzhledem k tomu, že hustota amorfního polymeru je menší, něž hustota polymeru semikrystalického, dochází při průchodu světla hmotou v důsledku různého indexu lomu k jeho rozptylu na drobných krystalických útvarech uvnitř výrobku z plastu a semikrystalický plast se jeví jako mléčně zakalený, zatímco amorfní plast jako čirý, průhledný.

Použitá literatura www.ped.muni.cz/wphy/FyzVla/FMkomplet3.htm http://eluc.railsformers.com/verejne/lekce/2537 TZK a MTDIII

Děkuji za pozornost TZK a MTDIII