KONSTRUKČNÍ PLASTY V LETECTVÍ Úvod Hlavní druhy reaktoplastů Hlavní druhy termoplastů Elastomery Konstrukční pěny

Úvod Plasty Výroba Makromolekuly polymerní materiály složené z makromolekul většinou - látky vytvořené synteticky z nízkomolekulárních sloučenin, tzv. monomerů homopolymer (z jediného druhu monomeru), kopolymer (z více monomerů) Výroba polymerací (bez vedlejších produktů) polykondenzací (vzniká i odštěpný produkt) Makromolekuly lineární rozvětvené (plošné) síťované (prostorové) MAKROMOLEKULY lineární rozvětvená prostorově síťovaná MONOMER

Rozdělení plastů Termoplasty - tvořené lineárními, případně rozvětvenými makromolekulami. Působením tepla měknou, při určité teplotě přecházejí do tekutého stavu. Změna je vratná. Termoplasty amorfní – náhodně propletené makromolekuly bez příčných vazeb. Termoplasty krystalické – v určitém objemu pravidelné uspořádání řetězců makromolekul. Reaktoplasty - tvořené síťovanými makromolekulami s příčnými vazbami mezi různými molekulami. Polymer přechází při ohřevu do tuhého, nerozpustného a netavitelného stavu – dochází k vytvrzení. Uvedená změna je nevratná, struktura je amorfní. Elastomery - polymery, které vykazují výrazné elastické vlastnosti, např. kaučuky. krystalická oblast Částečně krystalická nadmolekulární struktura polymeru amorfní oblast

Teplota skelného přechodu Tg dochází k výrazné změně mechanických a fyzikálních vlastností změny jsou závislé na typu polymeru (amorfní lineární, amorfní síťovaný, krystalický) široký rozsah Tg – polybutadien (-70°C), PVC (+87°C) Složení plastu základní polymer (nebo polymery) plastifikátory - jsou dispergovány jako izolované molekuly → snižují teplotu Tg, u amorfních polymerů zvětšují poddajnost a zrovnoměrňují vlastnosti plniva - zrnité látky s velikostí částic kolem 0,001mm → zvýšení pevnosti i tvárnosti amorfních lineárních a rozvětvených polymerů (kaolin, sklo, křemen, azbest), zlepšení odolnosti proti bobtnání (křemen) a zlepšení elektroizolačních vlastností (slída); koloidní uhlík (saze) má rozhodující vliv na vlastnosti pryže; vláknitá výztuž - KM stabilizátory → zpomalení degradačních procesů – změn tvrdosti, pevnosti, tvárnosti, barvy, rozměrů, vzniku trhlin. pigmenty → vybarvení polymeru zpěňovadla → uvolňují plyny (N, CO2), dochází k napěnění polymeru a po ztuhnutí ke vzniku tzv. lehčené (pěnové) hmoty

Přednosti plastů Nedostatky plastů nízká hustota (0,9 až 2 g/ccm) korozní odolnost nevyžadují povrchové úpravy nízká tepelná a elektrická vodivost (dobré izolační vlastnosti) tlumení kmitů dobré kluzné vlastnosti dobrá zpracovatelnost (pracnost výroby součástí 4 až 5 krát nižší než u kovů) a poměrně nízká cena součásti bez vrubů mají dobrou rázovou houževnatost Nedostatky plastů relativně nízké hodnoty pevnosti a modulu pružnosti nízká tepelná odolnost závislost vlastností na teplotě velká teplotní roztažnost stárnutí, tj. degradace vlastností vlivem provozních podmínek

Mechanické vlastnosti polymerů většinou rozhodují o použití plastu jako konstrukčního materiálu pro konkrétní aplikaci jsou důležité i vlastnosti fyzikální, chemické nebo technologické lineární polymer → viskoelastické chování (deformace má nevratnou (viskozní) složku způsobenou skluzem mezi řetězci makromolekul a složku vratnou (elastickou), způsobenou prodloužením řetězců amorfní polymer → nad Tg má nízký modul pružnosti a chová se jako elastomer → silně pod Tg má podstatně vyšší modul a jeho lom je většinou křehký krystalický polymer → s krystalinitou 30 až 60% - pod Tg houževnatý → s krystalinitou 70 až 90% - pod Tg křehký důsledek viskoelastického chování → creep (deformace pokračuje v čase i při konstantním napětí, nižším než je třeba pro trvalou deformaci při běžné tahové zkoušce stabilita vlastností je závislá na odolnosti proti okolnímu prostředí (vodě, olejům, chemickým látkám, světlu, RTG a gama záření) → prostředí může způsobit štěpení makromolekul a vazeb v polymerech a vést k degradaci vlastností

Hlavní druhy reaktoplastů Fenoplasty (PF) fenolformaldehydové pryskyřice ve vytvrzeném stavu pevné, nehořlavé, netavitelné, nerozpustné v organických rozpouštědlech při ohřevu neměknou, při teplotě 300 °C zuhelnatí odolávají velmi dobře atmosférickým vlivům existují jako lisovací hmoty, licí pryskyřice, lepidla, lehčené hmoty a laky v konstrukci letadel se používají jako matrice kompozitních materiálů vnitřního vybavení (nehořlavost, malý vývin kouře při požáru) pevnost laminovacích a odlévacích hmot Rm = 14 – 56 MPa Aminoplasty (UF) močovino formaldehydové pryskyřice, Rm ~ 25 MPa trvalé vystavení teplotě maximálně 90 °C zdravotně nezávadné užití na plastové nádobí a na dekorační účely (obklady stěn)

Epoxidy (EP) Polyestery (UP) Polyimidy (PI) široký sortiment (nátěrové hmoty, lepidla, licí hmoty a matrice pro letecké kompozitní konstrukce) ve vytvrzeném stavu mají dobré mechanické vlastnosti tvrdé, pružné, chemicky odolné, rozměrově stálé a odolné proti stárnutí licí epoxidové pryskyřice se používají např. k výrobě modelů a lisovacích nástrojů Polyestery (UP) nenasycené polyestery hlavní uplatnění jako matrice kompozitních materiálů vyztužených skleněnými vlákny (neletecké aplikace) pevné, tvrdé, rázuvzdorné a odolné proti stárnutí tepelná odolnost je nižší než u epoxidů Polyimidy (PI) vysokoteplotní polymery s přípustnými provozními teplotami 260 až 480 °C vysoká pevnost a tuhost do vysokých teplot, rozměrová stabilita výborné elektroizolační vlastnosti, odolnost proti záření, dobré třecí vlastnosti a odolnost proti opotřebení matrice kompozitních materiálů pro nejvyšší teploty, v pěnové formě na jádra sendvičů a na izolační vrstvy

Silikony anorganické polymery na bázi Si při nízké molekulové hmotnosti - kapaliny a pasty (silikonové oleje, lepidla) při vyšší molekulové hmotnosti mají vlastnosti elastomerů (silikonové kaučuky) vytvořením příčných vazeb se mění na reaktoplasty (silikonové pryskyřice) Orientační vlastnosti laminačních reaktoplastových pryskyřic pryskyřice hustota g/ccm Rm MPa Rb Eb GPa A % epoxidová 1,0 – 1,15 55 - 80 100 - 140 3,0 – 3,6 4 - 5 polyesterová 1,19 – 1,23 45 - 80 90 - 130 3,8 – 4,2 3 polyimidová 1,30 65 110 3,7/1,8* - * při teplotě 260 °C

Hlavní druhy termoplastů Polyvinylchlorid (PVC) neměkčený - dobré fyzikální vlastnosti, odolnost proti vodě a stárnutí, nehořlavý, dobré elektroizolační vlastnosti měkčený – široká škála tvrdostí pěnový – největší význam - na jádra sendvičových konstrukčních prvků. Polystyrén a jeho kopolymery Polystyren (PS) – tvrdý a křehký Styren-akrylonitril kopolymer (SAN) - méně křehký, teplotně odolný do 90 °C a odolnější proti olejům a benzinu Akrylonitril-butadien-styren kopolymer (ABS) - pevný, velmi houževnatý, tepelně odolný do 85 °C, u speciálních druhů až do 105 °C, nevhodný pro venkovní použití Akrylonitril-styren-akrylester (ASA) - houževnatější a vhodnější pro venkovní použití než ABS Pěnový polystyren – obalový a izolační materiál

Polyetylén (PE) Polypropylén (PP) Polyamid (PA) polymer s vysokou krystalinitou vlastnosti jsou závislé na molekulové hmotnosti výborná odolnost vodě a chemickým látkám, odolnost stárnutí vynikající dielektrické vlastnosti typické použití - obal elektrických vodičů, elektrotechnické součástky, potrubí na chemikálie a vodu, těsnění apod. Polypropylén (PP) poněkud lepší mechanické vlastnosti než PE nízká hustotu velká povrchovou tvrdost nízká propustnost pro plyny Polyamid (PA) houževnatý, vysoká pevnost v ohybu, odolnost proti abrazi není odolný proti vodě, působením vzdušného kyslíku oxiduje a mění barvu použití - např. na různé technické výlisky namáhané na otěr, elektrické kabely, těsnění, trubky pro vedení olejů a paliv.

Polytetrafluóretylén (PTFE) Polyuretan (PU) některé vlastností lepší než PA –dielektrické, odolnost proti chemikáliím, fólie, vlákna, nátěrové hmoty a zejména pěnové hmoty na jádra sendvičových konstrukčních prvků Polytetrafluóretylén (PTFE) krystalický polymer, chemicky a tepelně odolný, s výbornými elektroizolačními vlastnostmi a dobrou rázovou pevností, dobré kluzné vlastnosti použití je možné v rozmezí teplot (-100 až +300 °C) → ložiska, těsnění, potrubí pro chemikálie Polymetylmetakrylát (PMMA) organické sklo, čirá, tuhá sklovitá hmota s teplotou měknutí nad 100 °C velmi dobré optické a elektroizolační vlastnosti a odolnost proti stárnutí při teplotách 120 až 140 °C se dá velmi dobře tvářet např. vakuově nedostatkem je poměrně nízká povrchová tvrdost a odolnost proti poškrábání hlavní použití na letadlech je zasklení kabin a průzorů Polyéteréterketon (PEEK) vysokoteplotní polymer pro provozní teploty 250 až 310 °C pevnost, tuhost, chemická odolnost, odolnost proti tečení za vysokých teplot odolnost proti opotřebení, rozměrová stálost, chemická odolnost, odolnost proti pronikavé radiaci, dobré elektroizolační a dielektrické vlastnosti nízká hořlavost a vývin kouře použití - ozubená kola, součásti čerpadel, sedla ventilů, ložiska.

Orientační vlastnosti termoplastů materiál hustota g/ccm Rm/Re MPa E GPa A % teplota použití, °C PE 0,96 36/24-31 1-1,4 400-800 90/120* PP PP + 30% sklo** 0,91 1,14 -/35 71/- 1,3 5,5 650 5,0 100/130* ABS 1,06 -/45 2,4 20 85/100* PMMA 1,18 -/60 3,0 3-10 100/100* PA 46 PA 66 PA 66 + 30% sklo** PA 66 + 20% uhlík** 1,35 1,23 -/80 -/90 200/- 220/- 3,5 3,3 9,7 16 30 40 3.0 130/220* 100/170* 110/200* PEEK PEEK + 30% sklo** PEEK + 20% uhlík** 1,32 1,49 1,44 -/92 157/- 208/- 3,6 13,0 50 2,2 260/300* PTFE 2,18 -/25 0,7 500 260/260* * provozní teplota krátkodobě, ** krátké vlákno

Elastomery Makromolekulární látky vulkanizací přecházejí ze stavu převážně plastického do stavu převážně elastického základ technické pryže → zvulkanizovaná směs kaučuku a přísad (saze, síra) kaučuk přírodní (amorfní polymer izoprenu) – horší vlastnosti syntetický (polymerace vedlejších produktů zpracování ropy) Nejběžnější jsou materiály na bázi kopolymeru styrenu a butadienu důležité vlastnosti pro pneumatiky kol podvozků → hystereze při pružné deformaci, vysoká schopnost útlumu elastomer Rm MPa tažnost % max. teplota °C použití butadienstyrenový 250 450 100 těsnění, O kroužky, pneumatiky akrylonitrilový 130 těsnicí kroužky, hadice pro benzin silikonový 80 180/250* izolace vodičů, těsnění, hadičky * krátkodobě

Konstrukční pěny jádra sendvičových konstrukčních prvků zvukově a tepelně izolační materiály v kabinách termoplasty nebo reaktoplasty největší přednosti → velmi nízká hustota, výborné izolační vlastnosti Vlastnosti konstrukčních pěnových plastů materiál ρ kg/m³ pevnost v tlaku MPa pevnost ve smyku MPa E MPa G Polymetakrylimid ROHACELL 51 WF ROHACELL 200 WF 52 205 0,4 6,4 0,5 3,6 45 270 14 100 Polyvinylchlorid HEREX C70 1,2 1,1 Polyuretan 0,7

Vlastnosti některých izolačních pěn materiál ρ kg/m³ pevnost v tahu MPa tažnost % tepelná vodivost W/mK Polyamid SOLIMIDE AC-406 SOLIMIDE AC-430 8,8 5,3 0,52 – 0,69 0,29 – 0,67 10 - 20 0,043 0,050 Melaminformaldehyd Basotec 8 - 11 min. 0,12 - max. 0,035 Polystyren Styropor 15 - 30 0,16 – 0,48 0,04 – 0,035

Struktura melaminové pěny Basotect Řez sedadlem dopravního letadla – jádro z melaminové pěny zastříknuté polypropylenovou pěnou