Konštrukčné plasty

1. SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVEFAKULTA CHEMICKEJ A POTRAVINÁRSKEJ TECHNOLÓGIE ÚSTAV POLYMÉRNYCH MATERIÁLOV Konštrukčné plasty Ivan Hudec Oddelenie plastov a kaučuku Ústav prírodných a syntetických polymérov FCHPT STU v Bratislave

2. Svetová produkcia polymérov 380Mt/rok Masovo vyrábané plastyZákladné konštrukčné plastyŠpeciálne konštrukčné plasty

3. Stavebníctvo Obaly ElektrotechnikaElektronika Automotiv Ostatné Spotreba plastov v Európe podľa jednotlivých segmentov v roku 2010

4. Výberové kritériá pre konštrukčnú aplikáciu plastov • Tepelné charakteristiky (teplota sklovitého prechodu, teplota tavenia, teplota rozkladu) • Mechanické vlastnosti (húževnatosť, pevnosť, tvrdosť, krípové vlastnosti – zmena rozmerov v čase pri mechanickom zaťažení) • Merná hmotnosť polymérov • Tepelná vodivosť polymérov • Dlhodobá tepelná odolnosť polymérov • Odolnosť polymérov proti atmosferickým vplyvom • Odolnosť polymérov proti horeniu, tvorba plynných splodín pri horení a ich toxicita • Chemická odolnosť polymérov • Možnosť spracovania polymérov požadovanou technológiou

5. Teplotné charakteristiky polymérov • Amorfné polyméry(neusporiadaný stav) • Charakteristické teploty: • - Tg - teplota sklovitého prechodu • - Tf - teplota toku • Tr - teplota rozkladu Tg< Tf≤Tr

6. Teplotné charakteristiky polymérov • Semikryštalické polyméry ( vysoko usporiadaný stav časti makromolekúl v tuhom stave až do teploty topenia kryštalickej fázy Tm) Kryštalizácia spôsobuje nárast hustoty a tým zvyčajne zvýšenie tvrdosti a pevnosti, zvýšenie odolnosti voči kvapalinám, zníženie priepustnosti plynov, ale aj zníženie húževnatosti. • Charakteristické teploty: • - Tg - teplota sklovitého prechodu • - Tf - teplota toku • Tm - teplota topenia • Tr - teplota rozkladu Tg< Tm≤Tf ≤ Tr

7. Charakteristické teploty vybraných termoplastov používaných v konštrukčných aplikáciách

8. Mechanické vlastnosti konštrukčných plastov Pevnosť v ťahu technických termoplastovpevnosť v ťahu: ocele – 500 – 1000 MPa

9. Merná hmotnosť technických plastov Merná hmotnosť technických termoplastovPolypropylén 890 kg.m-3

10. Súčiniteľ tepelnej vodivosti technických plastov

11. Masovo vyrábané, štandardné plasty a ich uplatnenie v konštrukcii • Polyolefíny: - lineárny polyetylén (PE-HD) - polypropylén (PP) • Styrénové plasty: - húževnatý polystyrén (HPS) - kopolymér styrén-akrylonitril (SAN) - terpolymér ABS - kopolymér styrén-metakrylát (SMA) - terpolymér MABS • Akrylové polyméry : - polymetylmetakrylát (PMMA) • Polyhalogénolefíny: - PVC, húževnatý PVC

12. Polypropylén (PP) Tm = 170 °C(homopolymér – izotaktický PP) Tg = -10 °C E= 0.8 – 1.1 – 2.5 GPa /reinf. Polypropylén - vo forme homopolyméru aj kopolymérov (blokové a random kopolyméry) s etylénom – čiastočne kryštalické, nepolárne termoplasty s dobrými mechanickými vlastnosťami (u kopolymérov aj v oblasti záporných teplôt), výbornou chemickou odolnosťou, tvarovou stálosťou a elektro-izolačnými vlastnosťami, nenasiakavý, ľahko spracovateľný rôznymi technológiami Nevýhoda – slabá odolnosť proti atmosferickým vplyvom a UV žiareniu – nutnosť stabilizácie (účinným UV stabilizátorom sú sadze),u homopolyméru PP aj nízka húževnatosť v oblasti záporných teplôt – nutnosť prídavku kaučukov, veľmi obťažné lepenie

13. Polyethylén (PE) Tm = 110-130 °C Tg = -80 °C až -110 °C E= 0.2 – 0.4 – 0.7 – 1.4 GPa semikryštalické Viaceré typy – LDPE, LLDPE, HDPE Lineárny polyetylén (HDPE) - čiastočne kryštalický, nenasiakavý,nepolárny, ľahko spracovateľný termoplast s dobrými mechanickými vlastnosťami aj v oblasti záporných teplôt, s výbornou chemickou odolnosťou, tvarovou stálosťou a elektro-izolačnými vlastnosťami Nevýhoda – nižšia tvrdosť a veľmi obťažné lepenie

14. Styrénové polyméry a kopolyméry styrénu • húževnatý polystyrén (HPS , resp. PS-HI) – amorfný, nepriehľadný termoplast predstavujúci zmes polystyrénu a kaučukov s veľmi dobrými mechanickými a elektro-izolačnými vlastnosťami a ľahkou spracovateľnosťou • Nevýhoda HPS aj ABS – slabá odolnosť voči atmosferickým vplyvom – nutnosť stabilizácie, veľká citlivosť na studené spoje a vnútorné pnutie, netransparentnosť v porovnaní s čistým polystyrénom • Styrénové kopolyméry transparentné – SAN a MABS (problém – vyššia cena)

15. Akrylonitril-butadién-styrénovýkopolymér (ABS) Tg = 105 °C E = 2.2-2.9 GPa ABS – amorfný trojzložkový kopolymér akrylonitril-butadién-styrén, nepriehľadný termoplast s výbornými mechanickým vlastnosťami a spracovateľnosťou aj na tvarovo členité výrobkyľahšia vyfarbiteľnosť alebo pochromovanie

16. Akryláty – Polymetylmetakrylát (PMMA) • PMMA – amorfný, transparentný termoplast s vysokou húževnatosťou a pevnosťou, výbornou odolnosťou proti atmosferickým vplyvom a UV žiareniu a elektro-izolačnými vlastnosťamiteplota tavenia - 180°C Tg = 115 °C • Nevýhoda – nižšia tvrdosť – nutnosť povrchového vytvrdenia výrobkov sieťovaním, ťažšia spracovateľnosť vstrekovaním (vysoká viskozita taveniny), slabšia chemická odolnosť

17. Polyvinylchlorid(PVC) Tg = 80 °C E = variabilnéGPa Amorfný, tvrdý, flexibilný, resp. pružný materiál s výbornými elektroizolačnými vlastnosťami, dobrou odolnosťou voči atmosferickému starnutiu a chemickou odolnosťou

18. Základné konštrukčné plasty „Konštrukčný alebo technický plast je typ plastu splňujúci nároky kladené na namáhané konštrukčné prvky“ V anglickej literatúre sa používa označenie Technical Polymers alebo Engineering Polymers Základné konštrukčné plasty: • Polyamidy ( PA6, PA66, PA46) – najväčšie zastúpenie v súčasnosti • Polykarbonát (PC) • Polyoxymetylén (POM) • Polyfenylénoxid (PPO) –častejšie využívaným produktom je zmes s polystyrénom (PPO + PS) s názvom NORYL • Lineárne polyestery: - Polyetyléntereftalát (PET) - Polybutyléntereftalát (PBT)

19. POLYAMIDY (PA6, PA66, PA46) Polamidy – čiastočne kryštalické, konštrukčné materiály svysokou pevnosťou, húževnatosťou, tuhosťou, tlmiacou schopnosťou, odolnosťou voči oderu, nízkym koeficientom trenia a veľmi dobrou chemickou odolnosťou Nevýhoda – vysoká absorpcia vody, ktorá spôsobuje zmenu rozmerov, zhoršuje mechanické a elektroizolačné vlastnosti; slabá odolnosť voči temooxidačnému starnutiu – nutnosť stabilizácie; ostrý bod tuhnutia PA 6 - štandardnápružnosť, húževnatosť a tlmiace schopnosti, vyššia nasiakavosť (rovnovážny obsah až 6,6%), teplota tavenia 225°C PA 66 - materiál s  vyššou mechanickou pevnosťou, tuhosťou, tvrdosťou a odolnosťou voči oderu a teplote, zníženou nasiakavosťou, teplota tavenia 265°C PA 46 - stála tuhosť a odolnosť voči tečeniu v  širokom teplotnom rozmedzí (od -40ºC do +155ºC), vyššia odolnosť voči starnutiu vplyvom teploty, teplota tavenia 295°C

20. Polyamide engineering plastic • > 90 % of polyamide use - PA 6 and PA 66 • + other nylons - PA 46, PA 612, PA 12, PA 11, semiaromatic types • characterization • semicrystalline materials • crystalline regions – stiffness, strength, chem. resistance, thermal stability • amorphous regions – impact resistance, elongation • Tm determined by density of H bonds resp. amide bonds • PA66 - nylon 66 Tm ~ 260 °C • PA 6 – nylon 6 Tm ~ 220 °C • - slower crystallization rate • - lower crystallinity, higher H2O sorption • water absorption – in amorphous region regulated by frequency of NHCO • bonds, Tg decreases with H2O concentration

21. Polyamidyv konštrukcii vozidla

22. Polyamid 6 (PA 6) Tm = 220 °C Tg = 50 °C UUT=150 °C unreinforced E= 3 GPa glass fiber reinforced E = 9 GPa PA 6 - štandardná pružnosť, húževnatosť a tlmiace schopnosti, vyššia nasiakavosť (rovnovážny obsah až 6,6%), teplota tavenia 225°C

23. Polyamide 66 (PA 66) Tm = 260 °C Tg = 50 °C UUT= 170 °C unreinforced E= 3 GPa glass fiber reinforced E = 9 GPa semicrystalline PA 66 - materiál s  vyššou mechanickou pevnosťou, tuhosťou, tvrdosťou a odolnosťou voči oderu a teplote, zníženou nasiakavosťou, teplota tavenia 265°C PA 6 + PA 66 properties depends on moisture absorption – water = softness PA 11 + PA 12 low moisture absorption - fuel lines

24. Polyamidy • mechanical properties - determined by PA type, mol. weight, temperature, • moisture content, additives, copolymerization • - PA are notch sensitive - impact modifiers, moisture • PA + glass resp. carbon fibers - increase of stiffness and strength (also • notched impack strength) • - PA66 > PA 6 fatigue resistance • perfect abrasion resistance and coefficient of friction (improvement by • graphite or MoS2) • - hydrolysis of PA real, but hydrolysis resistance good • - good thermal stability (melt is sensitive), acceptable oxidation stability • - excellent chemical resistance • additives: lubricants, nucleation agents, stabilizers, (oxidation, heat), impact • modifiers, plasticizer, reinforcement, glass fibers, nanofillers etc.

26. Polycarbonate (PC) (from Bisphenol A and COCl2) Tf = 230 °C Tg = 150 °C UUT= 125 °C E = 2.2 – 2.5 GPa amorphous polymer excellent optical clarity and toughness blends– improved toughness Application: lenses, glazing Blends of PC with ABS and PBT

27. Polykarbonáty (PC) • Amorfný, transparentný, konštrukčný plast s  vysokou húževnatosťou, mechanickou pevnosťou, dostatočnou tvrdosťou, stálou tuhosťou v  širokom rozmedzí teplôt, veľmi dobrou rozmerovou stálosťou a dobrou atmosférickou odolnosťou teplota tavenia 220°C • Nevýhoda – vysoká absorpcia vody a nutnosť sušenia pred spracovaním, možnosť hydrolytickej degradácie

28. Polyacetály – Polyoxymetylén (POM) • Čiastočne kryštalický, nepriehľadný, konštrukčný materiál s  výbornou rozmerovou stabilitou (nízky kríp), vysokou húževnatosťou, tuhosťou, nízkym koeficientom trenia a minimálnou nasiakavosťou (0,25 – 0,35%).Je vhodný pre výrobu presných súčiastok s  odolnosťou voči hydrolýze, kyselinám a zásadám;teplota tavenia - 180°C • Nevýhoda – slabá odolnosť voči temooxidačnému starnutiu hlavne v roztavenom stave a rýchla termická degradácia – nutnosť stabilizácie

29. Lineárne polyestery - Polyetyléntereftalát (PET) Polybutyléntereftalát (PBT), nový typ PETG • PET -čiastočne kryštalický, opticky číry termoplast,vysoká pevnosť, tuhosť, tvrdosť a odolnosť voči opotrebeniu,výborná rozmerová stálosť, elektro izolačné vlastnosti, tepelná odolnosť, malá priepustnosť pre plyny a nízka adhézia k materiálom (možnosť využitia ako separačný materiál)teplota tavenia - 270°C • Nevýhoda – možnosť hydrolytickej degradácie, nutnosť stabilizácie a možnosť rekryštalizácie v tuhom stave (najrýchlejšie pri cca 170°C) • PBT - čiastočne kryštalický, nepriehľadný termoplast svysokouhúževnatosťou a pevnosťou,výbornou rozmerovou stálosťou a elektro-izolačnými vlastnosťami vhodný aj na veľkoplošné dielyteplota tavenia - 225°C • Nevýhoda – zvýšená citlivosť na hydrolytickú a termickú degradáciu

30. Polyethylene terephthalate (PET) Tm = 265 °C Tg = 75 °C UUT= 70-100 °C E = 2.5-3.1 GPa semicrystalline low cost material Application: fibers for carpeting application fabrics, seat covering , floor mats

31. Polybutylene terephthalate (PBT) Tm = 225 °C Tg = 65 °C UUT= 130 – 150 °C Et = 2.5-10(filled) GPa semicrystalline, similar to PET Perfectmechanical ant thermal properties, good dimensional stability, moisture absorption, chem.resistance glass fiber reinforced ( 15/30%) or unreinforced Application: electric systems, plug collectors, fuse boxes, etc. underhood components, housing and brackets, handles, mirror housing

32. Nový typ polyesteru – kopolymér polyetyléntereftalát-glykol (PETG) • Mimoriadne dobré vlastnosti pri nízkych teplotách, hlavne vysoká odolnosť proti nárazu • Ľahká tvarovateľnosť dosiek vákuovým tvarovaním • Výborné optické vlastnosti (priepustnosť 88%) a povrchový lesk • Hygienická nezávadnosť • Nízka nasiakavosť vody a ľahká recyklovateľnosť Aplikácie: kryty strojov, ochranné cyklistické prilby, šošovky, chladničky a chladiace zariadenia, grafické umenie, displeje, svietiace kontrolky a pod.

33. Polyuretány • different structures and different form of polymer → • diversity in composition and application • basic structural unit – chemical bond • Application: • bumpers, gaskets • fascias, instrument panels • heating, ventilation, air conditioning seals • air filter, headliner foam • seatings, adhesives • sound insulation

34. Špeciálne konštrukčné plasty - materiály budúcnosti (high performance engineering plastics) Polyméry obsahujúce v štruktúre atóm síry : - polysulfón (PSU) - polyétersulfón (PESU) predtým PES - polyfenylénsulfid (PPS) - polyarylsulfón (PAS) Polyméry so zabudovaným atómom kyslíka : - polyéterketón (PEK) - polyéter-éterketón (PEEK) - polyaryléterketíon (PAEK) - poly-p-oxy benzoán (POB) Vysokotepelne odolné plasty: - polyimidy (PEI, PI) - fluoropolyméry (PFA, PTFE, FEP) Špeciálne termotropné kvapalno-kryštalické polyméry (LCP)

35. Perspektívy použitia plastov v konštrukčných aplikáciách • Využitie nových typov plastov • Príprava a aplikácia nových typov kompozitných materiálov vystužených uhlíkovými vláknami • Aplikácia hybridných materiálov • Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými výstužnými vláknami • Aplikácia termoplastických elastomérov

36. Nové typy plastov -polyarylamidy v konštrukcii súčiastok - vysokotepelne odolné konštrukčné plasty – aromatické polyamid-imidy (PAI)

37. Nové typy plastov - čiastočne aromatické polyamidy

38. Nové typy špeciálnych, amorfných, konštrukčných plastov: - polysulfón PSU - polétersulfón PES - polyfenylénsulfid PPS Kvapalno-kryštalické polyméry (LCP)v konštrukcii súčiastok

39. Nové typy plastov – polyfenylénsulfid PPS v konštrukcii súčiastok

40. Perspektívy použitia plastov v konštrukčných aplikáciách • Využitie nových typov plastov • Aplikácia nových typov kompozitných materiálov vystužených uhlíkovými vláknami – CFK kompozity • Aplikácia hybridných materiálov • Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými výstužnými vláknami • Aplikácia termoplastických elastomérov

41. Uhlíkovými vláknami vystužené kompozity –CFK kompozity

42. Perspektívy použitia plastov v konštrukčných aplikáciách • Využitie nových typov plastov • Príprava a aplikácia nových typov kompozitných materiálov vystužených uhlíkovými vláknami • Aplikácia hybridných materiálov • Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými výstužnými vláknami • Aplikácia termoplastických elastomérov

43. Aplikácia hybridných materiálov – kombinácia tenkých kovových profilov a výstužných profilov z plastov Výhoda- dosiahnutie synergického efektu, ktorý nie je možné dosiahnuť pri použití jednozložkových materiálov – súčasné zníženie ceny a hmotnosti

44. Perspektívy aplikácie plastov v konštrukcii automobilov • Využitie nových typov plastov • Príprava a aplikácia nových typov kompozitných materiálov vystužených uhlíkovými vláknami • Aplikácia hybridných materiálov • Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými výstužnými vláknami • Aplikácia termoplastických elastomérov

45. Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými výstužnými vláknami -budúcnosť materiálov z polymérov pre výrobu vozidiel • Green car- využitie kompozitov vystužených biodegradovateľnými prírodnými vláknami a biodegradovateľných polymérov • Lisované kompozity vystužené ľanovými a konopnými vláknami • Lisované výrobky z biodegradovateľných polymérov – kyselina polymliečna(PLA) – kryt rezervy z PLA vystuženej ľanovými vláknami - “Ecoplastic”

46. Budúcnosť materiálov z polymérov pre výrobu vozidiel - nové technológie napeňovania a nové materiály pre výrobu polyuretánov z obnoviteľných zdrojov – napríklad polyuretány na báze sóje Penový polyuretan vyrobený zo sóje

47. Perspektívy použitia plastov v konštrukčných aplikáciách • Využitie nových typov plastov • Príprava a aplikácia nových typov kompozitných materiálov vystužených uhlíkovými vláknami • Aplikácia hybridných materiálov • Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými výstužnými vláknami • Aplikácia termoplastických elastomérov

48. Aplikácia nových typov termoplastických elastomérov