PLASTY

1. PLASTY

2. Polymer - plast • Polymer – makromolekulární látka, může být přírodní i syntetická • Plast – polymer, maziva, stabilizátory, pigmenty, plniva, atd.

3. Příprava polymerů • Většina polymerů je syntetizována z monomerů, které jsou připravovány převážně z ropy. • Monomer je skupina atomů, nízkomolekulární sloučenina, jejímž opakováním vzniká polymer. • Polymer tedy vzniká následným řazením monomerů. Způsob jak k tomu dochází může být různý.

4. Polyreakce • Chemická reakce, která se mnohokrát opakuje. • Polyreakcí jsou schopné pouze sloučeniny, které mají minimálně 2 funkční místa (dvojné vazby). K zahájení polyreakce je nutno dvojnou vazbu rozštěpit (iniciovat) např.působením tepla, světla, zářením apod., čímž vzniká tzv.radikál۰C-C۰ (původně C=C). Radikál reaguje s molekulou monomeru a volný elektron se stále obnovuje na konci molekuly.

5. Polyreakce • Druhy polyreakcí • Polymerace • Polyadice • Polykondenzace

6. Polymerace • molekuly monomeru obsahujícího dvojnou vazbu mezi dvěma atomy uhlíku se spojují řetězovým mechanizmem v polymer, nevzniká vedlejší produkt, velká rychlost reakce (řádově sekundy), vznikají makromolekuly různé délky, nejčastější typ reakce, př. PVC, PE, PP, PS, PMMA

7. Polyadice • struktura polymeru se liší od struktury monomeru, nevzniká vedlejší produkt, rychlost reakce malá, př. PUR, epoxidové pryskyřice

8. Polykondenzace • reagují spolu monomery různého druhu, vzniká vedlejší produkt (voda, alkohol), rychlost reakce je malá (i několik hodin), lze ji i zastavit, resp. přerušit a dokončit např. až při zpracování do konečného tvaru výrobku • př. PA66, reaktoplasty 

9. Polymerační stupeň • y = počet strukturních jednotek, obsažených v jedné makromolekule • M = Moy (Mo molek.hm.str.jedn., M mol.hm.polymeru • Strukturní jednotka = skupina atomů, které se opakují (CH2) • Stavební jednotka = monomer, jehož polyreakcí polymer vzniká (H2C=CH2)

10. Homopolymer, kopolymer • Homopolymer – je polymer složený z chemicky stejných jednotek s výjimkou koncových. Př. PE, PVC, PMMA. • Kopolymer – vzniká syntézou dvou nebo několika odlišných monomerů, kopolymery se rozdělují podle umístění monomerních jednotek v makromolekulách na statistické, alternační, blokové a roubované. Př. PA66, reaktoplasty, ABS

11. Rozdělení polymerů • Dle tvaru makromolekul – lineární, rozvětvené, zesítěné • Dle uspořádání nadmolekulární struktury – semikrystalické, amorfní • Dle chování v elektrickém poli – polární, nepolární • Dle chování za zvýšených teplot a při působení vnějších sil – termoplasty, reaktoplasty, elastomery

12. Tvar makromolekul • Je dán funkčností monomerů, která rozhoduje o možnosti vzniku makromolekul lineárních, rozvětvených nebo zesítěných. • Vliv teploty a tlaku při procesu výroby – např. u PE (vzniká PE lineární, rozvětvený – liší se krystalinitou). • Plasty s lineárními makromolekulami jsou obvykle dobře tavitelné, v tuhém stavu se vyznačují houževnatostí, ve formě tavenin dobrou zpracovatelností. Snadno krystalizují. Př. PE, PP.

13. Rozvětvené polymery jsou v rozpouštědlech rozpustné, zesítěné se v nich nerozpouštějí, pouze botnají. Makromolekulární sítě vznikají spojováním lineárních nebo rozvětvených makromolekul, které obsahují dosud nevyčerpaná vazebná místa. Vlastnosti rozvětvených polymerů závisí na velikosti bočních řetězců, na jejich množství. S jejich zvyšujícím se počtem klesá hustota polymeru, snižuje se teplota měknutí, materiál je ohebnější a měkčí, zvyšuje se jeho rozpustnost a propustnost pro plyny, zvyšuje se tažnost a transparentnost.

14. Polymery polární a nepolární • Polárnost plastů vyplývá z polarizovatelnosti kovalentních vazeb mezi atomy v makromolekulách. Různá elektronegativita prvků je příčinou odlišné afinity elektronů k atomům, vytvářejícím kovalentní vazbu. Posuvem elektronů na elektronegativnější atomy vznikají dipóly. • Tvorba dipólů nevede ke vzniku + nebo – iontů a tak celistvost molekul zůstává zachována.

15. Polymery polární a nepolární • Pokud jsou monomerní jednotky symetrické a tvoří je stejné skupiny atomů, vzniklé dipóly se uvnitř polymeru kompenzují a polymer se jeví jako nepolární • U makromolekul s osamocenými dipóly dochází ke zvýšení polárnosti a mluvíme o polymerech polárních

16. Polymery polární a nepolární • Polárnost souvisí s elektrickými vlastnostmi – většinou se polymery chovají jako nevodiče (dielektrika). Elektroizolační vlastnosti jsou u polárních plastů horší než u nepolárních • Někdy se i u polymerů požaduje zvýšení vodivosti – lze např. u těch, které mají konjugované vazby, nebo absorbují vodu – povrchová vodivost

17. Molární hmotnost • Molární hmotnost - patří k nejvýznamnějším strukturním charakteristikám • Polymery jsou tvořeny soubory makromolekul o různé velikosti molární hmotnosti M(g/mol) jsou tzv. polydisperzní - tím se liší od nízkomolekulárních látek, u nichž jsou všechny molekuly stejně velké. • Vyjádřením polydisperzity jsou distribuční křivky

18. Distribuční křivky • Čím je užší, tím menší rozptyl vykazují molekuly kolem střední hodnoty a polymer je z hlediska velikosti molekul homogennější

19. Distribuční křivky • Tvar křivky závisí na druhu polyreakce při přípravě polymeru – polykondenzace – užší distribuční křivky, polymerace širší. • Polymery s úzkou distribuční křivkou vykazují vyšší modul pružnosti, vyšší pevnost a houževnatost. • Z distribuční křivky vyplývá, že v polymerních soustavách jsou obsaženy makromolekuly různé velikosti. Díky tomu např. neexistuje ostrý bod Tm a Tg.

20. Nadmolekulární struktura • Amorfní polymery – makromolekuly zaujímají zcela nahodilou pozici • Semikrystalické – nedochází k úplné krystalizaci – existují vedle sebe oblasti krystalické i amorfní. • V krystalických oblastech jsou řetězce makromolekul pravidelně uspořádány.

21. Amorfní polymery • Makromolekuly jsou neuspořádané, resp.vykazují nejnižší uspořádanost do klubíček (globulí), které se za určitých podmínek (např.působením vnějších sil) mohou částečně rozvinout a sdružovat do balíčků, které jsou označovány jako nepravé krystalické útvary. • Př. PMMA, PS, PVC, roztavené polymery

22. Semikrystalické polymery • Obecně vzniká krystalická struktura tím snadněji, čím je molekula symetričtější, řetězce hladší a pravidelnější. • Nejjednodušším útvarem jsou proužky, které se sdružují do fibril nebo lamel a energeticky nejstabilnějším útvarem je sférolit.

24. Semikrystalické polymery • Podíl krystalických oblastí ve hmotě vyjadřuje stupeň krystalinity • wk – stupeň krystalinity, udává se v % • Lze ho ovlivňovat např.rychlostí ochlazování • Stupeň krystalinity ovlivňuje řadu vlastností – zvyšuje hustotu, pevnost v tahu, modul pružnosti, tvrdost, odolnost proti opotřebení, snižuje rázovou houževnatost.

25. Polymery semikrystalické x amorfní Semikrystalické • houževnaté • pevnost se zvyšuje s rostoucí krystalinitou • v org. rozpouštědlech se rozpouštějí špatně nebo vůbec • mléčně zakalené až bílé • PE, PP

26. Polymery semikrystalické x amorfní Amorfní • tvrdé a křehké • vysoká pevnost • průhledné • dobře rozpustné v organických rozpouštědlech • PS, PMMA, PC

27. Vlastnosti polymerů – přechodové teploty • Při určité teplotě či v určitém teplotním intervalu dochází k rychlým nebo přímo skokovým změnám některých fyzikálních vlastností – jsou tzv. přechodové teploty • Prokrystalické polymery je to teplota tání Tm • Pro amorfní polymery teplota zeskelnění Tg

28. Teplota tání • Na rozdíl od kovů není jedinou teplotou, ale středem určitého teplotního intervalu • Interval je tím větší, čím širší je distribuční křivka • Je to bod zvratu I.řádu, protože dochází ke změně fází • Teplota tání není u amorfních polymerů • Nad Tm leží oblast zpracovatelnosti krystalických polymerů.

29. Teplota zeskelnění - Tg • Pod ní se polymer nachází ve stavu sklovitém – je tvrdý, křehký, má vysoký modul pružnosti. • Nad ní je ve stavu kaučukovitém . I malá napětí způsobují deformace až o několik set %. • V přechodové oblasti se modul mění až o 3 řády, koeficient teplotní roztažnosti až o 100%.

30. Teplota zeskelnění - Tg • bod zvratu II. řádu , protože dochází pouze ke změně stavu hmoty, nikoliv změně fází • Protože semikrystalické polymery obsahují i určité množství amorfních podílů, lze u nich stanovit i Tg. • Čím polymer vykazuje vyšší krystalinitu, tím jsou změny vlastností při Tg méně patrné.

31. Teplota zeskelnění - Tg • Krystalické polymery si udržují dobré technické vlastnosti i v oblasti mezi Tg a Tm. Polymer představuje v této oblasti směs měkkých kaučukovitých amorfních oblastí a tvrdých krystalických oblastí. Na jejich poměru závisí E ale i další vlastnosti.

33. Teplota křehnutí • V praxi se někdy místo teploty zeskelnění zjišťuje teplota křehnutí Tb, při níž se látka stává křehkou a při rázové zkoušce se porušuje křehkým lomem • Stanovení této teploty je smluvní technickou zkouškou, a proto je výsledek závislý na podmínkách zkoušky • Obvykle se teploty zeskelnění a křehnutí nekryjí

34. Teplota viskozního toku • Při této teplotě hmota ztrácí své kaučukovité vlastnosti, modul pružnosti klesá na nulu a hmota se mění na vysoce viskózní kapalinu • Je to teplota nad níž leží oblast zpracovatelnosti plastů. • Tf lze zjistit u roztavených amorfních polymerů – deformace jsou nevratné a závisejí na čase • U většiny semikrystalických lze ztotožnit s teplotou tání

35. Základní fyzikální vlastnosti • Hustota • Tepelné vlastnosti • - teplotní rozsah použitelnosti • - teplotní roztažnost • - tepelná vodivost • Elektrické vlastnosti • Optické vlastnosti

36. Hustota • Je mnohonásobně menší než u kovů – vliv chemického složení (základem polymerních řetězců jsou prvky s nízkou atomovou hmotností – C, H, O, S, N). • Obecně závisí hustota kromě chemického složení také na nadmolekulární struktuře (s rostoucí krystalinitou roste hustota), ale i na druhu a množství přísad (plniva nebo lehčené polymery). • Nejtěžší - fluoroplasty 2100 až 2300 kg/ m3

37. Teplotní rozsah použitelnosti • Amorfní polymery jsou použitelné do Tg • Krystalické do Tm • to jsou však teoretické hranice • z praktických důvodů se teploty volí s ohledem k mechanickému namáhání a spolehlivé funkci součásti • amorfní: Tg – (10o C až 20oC) semikrystalické: Tm – (20oC až 40oC)

38. Teplotní roztažnost • Určuje součinitel délkové teplotní roztažnosti α, je to relativní zvětšení délky tělesa vztažené na 1K (10-6/K) • Závisí na druhu polymeru, jeho struktuře, složení, uvažované teplotní oblasti. • Obecně je zvětšování objemu hmoty při zvyšování teploty podmíněno zeslabováním mezimolekulárních sil a zvětšováním pohyblivosti makromolekul. • Obecně jeα tím menší, čím je stupeň krystalinity větší • Nejmenší mají reaktoplasty.

39. Tepelná vodivost • Určuje součinitel tepelné vodivosti λ (W/m.K) • Závisí na schopnosti látky přenášet tepelný pohyb z jedné částice na druhou. Tato schopnost souvisí s velikostí sil, kterými jsou částice hmoty navzájem poutány. • U polymerů je tepelná vodivost malá – 100 krát menší než ocel. • Špatná tepelná vodivost způsobuje problémy při zpracování materiálu – dlouhá doba ohřevu a ochlazování.

40. Elektrické vlastnosti • Polymery jsou dobré elektrické izolanty. • Polární lepší než nepolární. • Vodivost lze ovlivnit vodivými přísadami. • V důsledku vysokého izolačního odporu se snadno nabíjejí statickou elektřinou.

41. Optické vlastnosti • Polymery jsou bezbarvé nebo čiré, pokud neobsahují pigmenty barviva nebo plniva. • Amorfní – čiré. • Semikrystalické více či méně mléčně zakalené (představují heterogenní systém, krystalické oblasti mají n = 1,52-1,58, amorfní n = 1,49), intenzita zakalení závisí na stupni krystalinity. • Index lomu při 20oC je v intervalu 1,4 –1,6 a málo závisí na vlnové délce. • Bezbarvé polymery se dají barvit organickými barvivy nebo pigmenty, většinou se nebarví již hotové výrobky.

42. Hořlavost polymerů Závisí na: • Chemickém složení výchozích látek (PE, PTFE) • Struktuře makromolekuly a jejírelativní molekulové hmotnosti • Druhu a množství přísad ve výrobku • Rozměru a tvaru výrobku • Množství kyslíku potřebného k hoření • Velikosti spalného tepla a tepelné vodivosti polymeru

43. Hořlavost polymerů lzeovlivnit: • Přídavkem aditivních retardérů hoření (skleněná vlákna) • Včleněním reaktivních retardérů hoření do makromolekulárního řetězce (halogensloučeniny – F, Cl, Br, N, Si, MgO, Al2O3) • Ochrannými pěnivými nástřiky • Nejhořlavější: PE, PP, PMMA

44. Mechanické vlastnosti • Mechanické vlastnosti polymerů jsou odrazem jejich: • Chemického složení • Velikosti a tvaru makromolekul • Nadmolekulární struktury (amorfní, krystalické) • Ale také závislosti na teplotě a na čase

45. Hodnocení mechanických vlastností • Zkoušky probíhají stejně jako u kovů na zkušebních vzorcích • Příprava zkušebních těles • 1) přímo ze zkoušených materiálů – příprava vulkanizací, lisováním, vstřikováním, odléváním v příslušných formách s tvarem zkušebního tělesa • 2) z hotových výrobků nebo polotovarů vysekáváním nebo frézováním

46. Kondicionování • Zkušební tělesa, která budou podrobena fyzikálním či mechanickým zkouškám nesmí být předem vystavena mechanickému, fyzikálnímu či chemickému namáhání, které by mohlo výsledky zkoušek ovlivnit. • Před provedením vlastní zkoušky je nutné materiál nechat odležet až dosáhne rovnovážného stavu z hlediska teploty a vzdušné vlhkosti.

47. Kondicionování • Tzv. historie vzorku se má kondicionováním vyrovnat. • Kondicionování spočívá v tom, že se vzorky nechají určitou dobu odležet v klimatizovaných prostorách za podmínek smluvní teploty a relativní vlhkosti. • Doba kondicionování je závislá na teplotě přípravy vzorku, jeho tloušťce, tepelné vodivosti, atd.

48. Rozdělení zkoušek • Podle způsobu stanovení vlastnosti a podle účelu se mechanické vlastnosti dělí na : • Krátkodobé – vliv relaxačních dějů se považuje za zanedbatelný, stanovení požadovaných parametrů proběhne do několika minut (zkouška tahem, zkoušky tvrdosti) • Dlouhodobé – podle charakteru působící síly se dělí na statické (relaxace napětí, creepové deformační zkoušky) a dynamické (rázová a vrubová houževnatost, cyklické zkoušky)

49. Zkouška tahem • Praktické provedení zkoušky tahem je obdobné jako u materiálů kovových, obdobné jsou i vzorce pro výpočet Rm, A, Z. • Na zkušební těleso se působí ve směru jeho podélné osy stále se zvětšující silou až do okamžiku, při kterém dojde po určité deformaci k jeho přetržení nebo kdy měřené parametry dosáhnou zvolených hodnot.

50. Zkouška tahem - vzorky • Vzorky jsou většinou ve tvaru oboustranné lopatky – tzv. osmičky. • Volba rychlosti deformace by měla být taková, aby k přetržení došlo kolem 60 sekund.