E. Molliková

1. KONSTRUKČNÍ PLASTY E. Molliková

2. 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. [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 [5] Ohring, M.: Engineering Materials Science. Academic Press Inc., U.S.A.,1995

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

4. 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

5. 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) polymery amorfní – semikrystalické 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)

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

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

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

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

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

11. Viskoelastický materiál III – Tuckettův model model je schopen kvalitativně předpovědět viskoelastické chování lineárního amorfního polymeru Tucket deformace je dána vztahem viskoelastický materiál reologický model: seriově zapojená pružina o tuhosti G1, Kelvinův model s pružinou o tuhosti G2a hydraulickým válcem s kapalinou o viskozitě 2, a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě 3.

12. 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)

13. elastická deformace v kovech v polymerech změnafilosofie výpočtových postupů nestačí jen dosadit materiálové charakteristiky polymerních materiálů do výpočtových schémat vytvořených pro kovy

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

15. 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

16. 4. Zpracování polymerů na výrobek Typy plastů a možné technologie jejich zpracování

17. 4.1 Lisování Zpracovávaný materiál: termoplasty, ale hlavně reaktoplasty • 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 Typické výrobky: elektrické vypínače a součástky, pneumatiky

18. 4.2 Vakuové tváření Zpracovávaný materiál: semikrystalické plasty (PE, PA)  úzký interval zpracovatelských teplot  obtížně zpracovatelné (PA před zpracováním sušit) amorfní plasty (ABS) výbornězpracovatelné nejčastěji materiály na bázi styrenu (PS, ABS, PS-pěny) • Postup: • otevření formy • uložení materiálu do formy • ohřev materiálu • vytvoření vakua  vytvarování • po uplynutí technologického času otevření formy • vyhození dílu Typické výrobky: většinou pěnový materiál – obaly na potraviny, výplně dveří ledniček, vnitřní panely v automobilech

19. 4.3 Přetlačování Zpracovávaný materiál: téměř výhradně reaktoplasty a pryže • 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 Typické výrobky: když je potřeba do plastu zalisovat kovové komponenty (integrované obvody, elektrické spínače, rukojeti na nádobí)

20. 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)

21. 4.5 Vyfukování Zpracovávaný materiál: termoplasty s dobrou tekutostí taveniny • 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)

22. 4.6 Injekční vstřikování 4.6a Injekční vstřikování termoplastů Zpracovávaný materiál: termoplasty s dobrou tekutostí taveniny Typické výrobky: variace výrobků  

23. 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

24. 4.8 Výroba tenkých desek 4.7 Výroba tenkých folií 4.9 Výroba vláken

25. 4.10 Spojování plastů Lepení 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 adheziva (lepidla) rozpouštědla chemicky rozpouštění lepených povrchů  měknou  pohyb makromolekul přes rozhraní povrchů a jejich vzájemné navazování; odpaření rozpouštědla  „zamrznutí“ makromolekul  spojení obou povrchů pásky Svařování horkým plynem (vzduchem)variace na svařování kovů; svařování a utěsňování desek PP při výrobě velkých chemických nádrží, přídavný materiál je stejný jako svařovaný třením rotační tvary, ve svaru výronek (v další operaci odstraněn) nýty Mechanické spojování šrouby

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

27. 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.

28. 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 GL (bílé sklo) – 70 GL (zelené sklo) – 71 GL (hnědé sklo) – 72 sklo:

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

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

31. Merové jednotky nejznámějších termoplastů II PC (teflon)

32. Merové jednotky nejznámějších reaktoplastů

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