Plasty

Plasty jsou tvořeny

makromolekulárními řetězci

s opakujícími se základními

strukturními jednotkami.

Atomy makromolekuly jsou

spojeny kovalentními vazbami.

Vazby v plastech

Kovalentní vazby jsou nepolární nebo

polární, mají různou sílu, mezi

makromolekulami jsou buď kovalentní

vazby (zesíťování) nebo van der

Waalsovy vazby. Existence nebo

nepřítomnost příčných vazeb podstatně

ovlivňuje všechny vlastnosti polymeru.

Vazby v plastech

Charakter přítomných vazeb

ovlivňuje mechanickou pevnost

polymeru, jeho stabilitu za

zvýšených teplot a odolnost při

působení chemického prostředí.

Tvar makromolekul

Lineární makromolekulyLineární nezesíťované polymery

působením tepla měknou nebo se taví a dají se za tepla tvářet, proto se nazývají termoplasty.

Příklady: polyethylen, polyvinylchlorid

Tvar makromolekul

Zesítěné makromolekuly

Zesíťované polymery mají řetězce příčně propojené chemickými vazbami a vytvářejí tak prostorovou trojrozměrnou síť.

Husté příčné zesíťování se nazývá vytvrzování a vytvrzené hmoty se nazývají reaktoplasty, dříve termosety. Vytvrzování se provádí za tepla i za studena.

Lineární a zesítěné makromolekuly

Elastomery

Je-li příčných vazeb málo, a zesíťování je řídké a jedná se o elastomery.

• Před zesíťováním jsou termoplasty a se nazývají kaučuky.

• Po zamíchání příměsí a síťovadla do kaučuku se jedná o gumy.

• Po zesíťování se polymer nazývá pryž. • Zesíťování se u elastomerů provádí vulkanizací

převážně za tepla, ale i za studena. • Technicky nejrozšířenější je vulkanizace za tepla sírou.

Použijeme-li ale pro zesíťování větší množství síry, vznikne místo elastomeru tvrdý materiál, reaktoplast. (např. tzv. ebonit používaný dříve na nádoby autobaterií.)

Chemická struktura

Rozhodují vliv na fyzikálně mechanické vlastnosti plastu má jeho chemická struktura.

Podle chemické struktury polymeru dělíme makromolekulární látky na základní skupiny:

PolyolefinyJen uhlík a vodík, vznik z monomerů

polymerací

Příklad: ethylen CH2=CH2

vzniká polyethylen –CH2–CH2–

Další polyolefiny

polypropylen –CH2–CH– | CH3

Vinylové polymery

Polyvinychlorid CH2=CHCl

–CH2–CH– | Cl

Teflon

Vinylové polymery

Polyvinylalkohol –CH2–CH– | OH

Další typy plastů

• polyamidy –CO–NH–

reakcí –COOH H2N–

• polyestery –CO–O– reakcí –COOH HO–

• polyethery –O– reakcí –OH HO–

• polyuretany –O–CO–NH–

reakcí –OH O=C=N–

Polyamid

Tepelně odolné plasty

Fenolformaldehydové pryskyřice

Epoxidové pryskyřice

Typické termosetické pryskyřice, které vytvrzují - síťují díky reakci přítomného epoxidového (oxiranového) kruhu.

R -CH-CH2

\ /

O

Existuje široká paleta epoxidových pryskyřic pro použití jako laky, lepidla, tmely, zalévací a laminační pryskyřice atp.

Kopolymery

Závislost chování plastů na teplotě

Termoplasty

• Postupný přechod ze stavu tuhého přes stav

kaučukovitý do stavu kapalného

• Stav kaučukovitý je pro plasty charakteristický.

• Hranice mezi stavem sklovitým (tuhým) a

kaučukovitým je dána tzv. teplotou skelného

přechodu Tg. Tato teplota je charakteristickou

hodnotou pro každý druh polymeru.

Závislost chování plastů na teplotě

Termoplasty

amorfní - pozvolný přechod

krystalické – ostrý přechod (tání)

semikrystalické – oblasti krystalické

i amorfní

U elestomerů a reaktoplastů plastický

stav nenastane, další zahřívání vede

k rozpadu vazeb a rozkladu polymeru.

Závislost chování plastů na teplotě

Příklady tepelné odolnosti

Tg Tm Tf• lPE krystalický -122 137• rPE krystalický -40 115 • PP krystalický - 24 176• PA 6 krystalický 5 225• PTFE krystalický -97 330• PVC amorfní 75 190• PS amorfní 90 239• PMMA amorfní 80 180• PPO amorfní 210 267Tm - teplota tání Tf – teplota tečení

Oblasti teplot použití plastů

• Amorfní termoplasty jsou použitelné pod teplotou Tg, poněvadž nad ní měknou a ztrácejí pevnost. Semikrystalické termoplasty se nejčastěji používají nad teplotou Tg, protože zde mají výhodnou kombinaci pevnosti a houževnatosti, kdežto pod Tg jsou křehké.

Oblasti teplot použití plastů

• Elastomery se požívají nad Tg, protože mají v této oblasti požadovaný kaučukový charakter, pod Tg jsou tvrdé.

• Reaktoplasty se používají převážně pod Tg, ale také nad Tg .

Teplotní meze použitelnosti plastů

Krátkodobá teplotní mez

teplota, při níž plast začíná měknout a ztrácí pevnost. Této teplotě může být plast vystaven asi 15 až 30 minut.

Dlouhodobá teplotní mez

je teplota, které může být plast dlouhodobě vystaven, na př. 100 dní.

Název plastu Zkratka Max. teplota krátkodobá

Max. teplota dlouhodobá

Min. teplota použití

Polyethylen nižší hustoty PE-LD 100 70 – 80 Polyethylen vyšší hustoty PE-HD 100 90 – 80 Polypropylen homopolymer PP-H 140 100 0 Polyvinylchlorid PVC-U 70 60 – 30 Polystyren PS 80 70 Polymethylmetaktylát PMMA 100 80 Polyamid 66 PA 66 200 100 – 40 Polykarbonát PC 140 125 – 100 Polyimid PI 482 288 Polytetrafluorethylen PTFE 300 260 – 200 Epoxidy EP 100 - 140 90 – 130 Silikony SI 300 180 – 240 Polyurethan elastomer TPU 120 90 – 30 Polyuretanová integrální tvrdá pěna 22K PUR IHS

22K 120 70 – 40

Mechanické vlastnosti plastů

• Deformační změny polymeru nejsou dány jen teplotou, ale i velikostí a dobou působení mechanického namáhání a stavem (amorfní, krystalický, kaučukovitý) polymeru.

• Tečení a relaxace napětí

Schopnost tlumení kmitů a rázů

Plasty mají dobrou schopnost pohlcovat

kmitavou nebo rázovou energii a

přeměňovat ji v teplo. Míru tlumení

udává tzv.mechanický ztrátový činitel.

Mechanické vlastnosti plastů

• Tvrdost se měří různými způsoby, protože je velký rozdíl mezi tvrdými reaktoplasty a měkkými elastomery.

• Tření a opotřebení

Nejvýhodnější kluzné vlastnosti mají vzhledem ke své struktuře některé semikrystalické termoplasty, zejména PA a PTFE.

Tepelné vlastnosti

Tepelná vodivost je u plastů podstatně menší jako u kovů. Tepelná vodivost mědi l = 400, oceli l = 75 , rPE = 0,33-0,36, PA6 = 0,21 (l = Wm-1.K-1). Některé příměsi, jako skleněná vlákna, grafit, kovové prášky vodivost zvyšují, pórovitost vodivost podstatně snižuje (pěnové plasty).

Teplotní roztažnost

Délková teplotní roztažnost α (20 °C – 50 °C),

pro rPE α =23, PA6 α = 7-12, pro měď

α = 1,68 a ocel α = 1,1 (.105.K-1)

Značný rozdíl mezi teplotní roztažností

plastů a kovů může být u kombinovaných

dílců plast-kov příčinou vzniku vnitřního

pnutí.

Hořlavost plastů

• Polyolefiny jako polyethylen a polypropylen po zapálení shoří, zatímco polykarbonát, a zvláště polymery s vysokým obsahem halogenidů, jako PVC a PTFE jsou samozhášivé. Zhasnou po oddálení zapalovacího plamene. K dosažení samozhášivosti se do hořlavých polymerů přidávají při jejich výrobě retardéry hoření. Do plastů se nejčastěji používají sloučeniny s halogeny (chlor nebo brom) nebo anorganické látky (hydráty oxidu hlinitého, boritan zinečnatý, fosforečnany amonné).

Elektrické vlastnosti

Odpor rPE = 1018 .cm

Izolační odpor se zhorší některými vodivými přísadami (grafit), nebo u navlhavých plastů obsahem vody.

Vodivé polymery (kompozity)

vysoký obsah sazí nebo grafitu

Speciální vodivé polymery

Konjugované polymery s pravidelně se

střídajícími jednoduchými a dvojnými

vazbami (delokalizované systémy

kovalentních vazeb)

Nejjednodušší vodivý polymer

Strukturně nejjednodušším konjugovaným polymerem je polyacetylen

malá stálost na vzduchu

Speciální vodivé polymery

Přijímání elektrostatického náboje

Způsobuje přitahování prachu z ovzduší, což vadí u domácích spotřebičů a vláken z plastů, způsobuje také obtížnou manipulaci s dílci (PE sáčky) a dostatečně velký náboj se projeví jiskřením, které může způsobit v prostředí s příznivou koncentrací hořlavých rozpouštědel nebo plynů výbuch.

Přijímání elektrostatického náboje

• Sklon k tvoření elektrostatického náboje lze posoudit podle velikosti povrchového odporu.

nad 1014 , má plast značný sklon k tvorbě elektrostatického náboje (sáčky PE, vlákna PAN, PES bez úpravy)

1012 až 1013 je již znatelně menší pod 1010 se plast již téměř vůbec nenabíjí. Navlhavost plastů snižuje povrchový odpor a

tím i schopnost přijímat a udržet elektrostatický náboj.

Odolnost polymerů proti působení chemikálií

Prostředí působící na polymer může být obecně fyzikálně nebo chemicky aktivní.

Dochází k bobtnání až rozpouštění polymeru. Čím vyšší stupeň zesíťování, tím je polymer odolnější.

Rozpouštění může být záměrné (lepidla, laky).

Chemická odolnost plastů

• Obecně netečné jsou polyolyfiny (PE, PP), zavedením dalších skupin, hlavně polárních s kyslíkem, chemická odolnost klesá.

• Výjimkou jsou sloučeniny, kde je vodík nahrazen zcela nebo částečně fluorem nebo chlorem, tyto látky jsou mimořádně odolné proti působení chemikálií - polytetrafluorethylen, polytrifluorchlorethylen, polyvinylchlorid.

Navlhavost a nasákavost

• Nasákavost a navlhavost je měřítkem odolnosti polymeru proti vodě, jako fyzikálně aktivnímu prostředí. Přijímání vody polymerem z vlhkého ovzduší je navlhavost a z vody je nasákavost. V obou případech se jedná o stejný proces sorpce vody. Polární polymery s hydrofilními skupinami (-NH-CO-) např. PA, PU mají velkou sorpci vody, nepolární polymery na př. PE,PP,PS, PTFE mají sorpci vody velmi nízkou.

Stárnutí vlivem povětrnosti

• Velkou odolnost proti povětrnostním vlivům (10-20 roků) mají stabilizované polyolefiny (PE, PP), fluoroplasty a reaktoplasty. Odolnost plastů se zvyšuje přídavkem stabilizátorů proti ultrafialovému záření a oxidaci. Reaktoplasty mají všeobecně větší odolnost než termoplasty. U termoplastů obsahujících změkčovadla (měkčený PVC) je nutno počítat s vytěkáním změkčovadla.

Stárnutí vlivem povětrnosti

• Odolnost proti stárnutí může mít ale

také obrácený efekt. Na příklad jak

dlouho bude probíhat v přírodě nebo na

skládkách přirozená degradace

plastových obalů a jiných plastových

výrobků.

Plasty a životní prostředí

• Plasty jsou uloženy po desetiletí jako skládky smetí a mnohé plasty vytvářejí při spalování velmi jedovaté reakční zplodiny, jako na příklad PVC.

Vzniká fosgen COCl2 (bojový plyn za 1. světové války).

Recyklace plastů

Mechanická recyklace

Odpady plastů jsou nejprve rozdroleny na

granulát, pak roztaveny a zpracovány do

nových výrobků. Tento postup se používá u

přepravek na láhve, plastových lahví, na

příklad PET lahví. Nevýhoda: důkladně třídit,

odpad musí být čistý, obvykle nutno

granulovat s přídavkem nového materiálu.

Recyklace plastů

Materiálová recyklace

Makromolekuly plastu jsou pyrolýzou rozštěpeny na molekuly s krátkými řetězci. Při zahřívání na 600-900°C bez přístupu kyslíku je zajištěno, že nemůže nastat hoření. Při pyrolýze polyethylenu a polypropylenu vznikají monomery jako metan, etan, eten, propen a benzen.

Recyklace plastů

Tepelné zhodnocení

Odpady plastů jsou spalovány. Toto využití je výhodné z hlediska nákladů, mohou ale vznikat jedovaté produkty, takže je nezbytné zařízení na čištění odpadních plynů.