2331507 – Technologie zpracování plastů a kompozitů

Přednáška č. 2 - Struktura a vlastnosti plastů

1

Přednáška č. 2 - Struktura a vlastnosti plastů

2.1 Fyzikální vlastnosti plastů

2.2 Klasifikace, označení a přizpůsobení plastových hmot

2.3 Diverzifikace plastů pro různé aplikace2.3 Diverzifikace plastů pro různé aplikace

2.4 Stav vědy a technologie

2

2.1 Fyzikální vlastnosti plastů

2.1.1 Základní fyzikální vlastnosti

2.1.3 Vliv morfologie na vlastnosti materiálu a taveniny

2.1.6 Pružnost taveniny (viskoelasticita)2.1.6 Pružnost taveniny (viskoelasticita)

2.1.11 Kríp

2.1.12 Orientace molekul v plastech a anizotropie

2.1.15 Smrštění plastů a deformace výrobku

3

2.1.1 Základní fyzikální vlastnosti

Každý z Vás zná základní fyzikální vlastnosti ze zkušenosti s plastovými výrobky:

• Hustota: ↓

• Tvrdost: ↓

• Tuhost: ↓• Tuhost: ↓

• Opotřebení: ↑

• Třecí chování: ↑

• Tepelná roztažnost: ↑

• Tepelná vodivost: ↓

• Měrná tepelná kapacita: ↓

4

2.1.2 Normy pro stanovení fyzikálních vlastnostíseznamcsn.unmz.cz

ČSN EN ISO 178 Plasty - Stanovení ohybových vlastností

ČSN EN ISO 179 Plasty - Stanovení rázové houževnatosti metodou Charpy

ČSN EN ISO 180 Plasty - Stanovení rázové houževnatosti metodou Izod

ČSN EN ISO 2039 Plasty - Stanovení tvrdosti

ČSN EN ISO 306 Plasty - Termoplasty - Stanovení teploty měknutí dle Vicata (VST)

ČSN EN ISO 527 Plasty - Stanovení tahových vlastností

ČSN EN ISO 604 Plasty - Stanovení tlakových vlastností

ČSN EN ISO 868 Plasty a ebonit - Stanovení tvrdosti vtlačováním hrotu tvrdoměru (tvrdost Shore)

ČSN EN ISO 2039 Plasty - Stanovení tvrdosti dle Rockwella

ČSN EN ISO 2818 Plasty - Příprava zkušebních těles obráběním

ČSN EN ISO 489 Plasty - Stanovení indexu lomu

ČSN EN ISO 6603 Plasty - Stanovení chování tuhých plastů při víceosém rázovém namáhání

ČSN EN ISO 6721 Plasty - Stanovení dynamických mechanických vlastností

ČSN EN ISO 8256 Plasty - Stanovení rázové houževnatosti v tahu

ČSN EN ISO 22007 Plasty - Stanovení tepelné vodivosti a rozptylu tepla ... a další

5

2.1.3 Vliv morfologie na vlastnosti materiálu a taveniny

Amorfní termoplast:● Např. Polystyren (PS),

Polykarbonát (PC) nebo Polyvinylchlorid (PVC)

● Molekuly nejsou lineární.● Molekuly nekrystalizují.●● Molekuly nekrystalizují.● Plast je většinou průhledný.

Norma:

ČSN EN ISO 10927 Stanovení molekulové hmotnosti a distribuce molekulových hmotností polymerů hmotnostní spektroskopií technikou desorpce a ionizace laserem

6

2.1.4 Vliv morfologie na vlastnosti materiálu a taveniny

Semikristalický termoplast:

● Na přiklad Polyetylen (PE), Polypropylen (PP) nebo Polyamid (PA).

● Makromolekuly jsou poměrně lineární.

● Makromolekuly částečně krystalizují pří ochlazení.pří ochlazení.

● Většina výrobků není úplně průhledná.

7

Norma:ASTM F1925 – 09 Specification for Semi-Crystalline Poly(lactide) Polymer and CopolymerResins for Surgical Implants

Elastomer

2.1.5 Vliv morfologie na vlastnosti materiálu a taveniny

Elastomer, reaktoplast:

● Makromolekuly jsou zasíťované.

● Makromolekuly jsou výjimečné flexibilní nebo pevné.

● Při zvýšené teplotě se netaví, protože

makromolekuly nemohou na sobě klouzat.

Reaktoplast

Elastomermakromolekuly nemohou na sobě klouzat.

Dokonce spálí.

● Příkladem elastomerů jsou: přírodní kaučuk (NBR), Styren - Butadien kaučuk (SBR) nebo silikonová pryž.

● Příklady reaktoplastů jsou fenoplast (FP), epoxidové pryskyřice (EP) a nenasycené polyesterové pryskyřice (UP)

8

2.1.6 Základ: Tok a viskozita newtonských kapalin

Tři základní pravidla mechaniky toku kapalin, která platí pro newtonské tekutiny (olej, voda):

a) Tekutiny netečou samovolně, ale pod vlivem nějaké síly.

9

síly.

b) Měřítko tohoto chování je viskozita (tok pod určitou sílou).Viskozita oleje a vody je konstantní veličina. Tento vztah objevil Isaac Newton.

c) Jestli není tok příliš rychlé, zůstává tekutina zachycená na stěnách a teče bez tvorby vírů (laminarní tok).

2.1.7 Mechanika kapalin:laminární tok a vnitřní tření

Laminární tok:

● Kapalina se lepí na zeď,● Tok tvoří vnitřní tření v kapalině (en: shear),

● označuje gradient (růst) rychlosti ve směru kolmém na rychlost.

10

Tečné napětí závislé na gradientu rychlosti vztahem

(Newtonův zákon viskozity)

kde je

gradient rychlosti ve směru kolmém na rychlost

η dynamická viskozita nebo součinitel viskozity (vnitřního tření)

Sir Isaac Newton1643 - 1727

2.1.8 Mechanika kapalin: Viskozita

η dynamická viskozita nebo součinitel viskozity (vnitřního tření)

τ tečné napětí

• Taveniny plastů mají větší přitažlivou silu, a proto velkou viskozitu.

• Velká viskozita znamená větší brzdění pohybu kapaliny.

• Vnitřní tlak v nástroji pro zpracování plastů proto může dosáhnout až 400 bar.

• Viskozita taveninách plastů není konstantní. Proto je vypočet složitý.

11

Vnitřní napětí ve profilu

2.1.9 Porovnání newtonské a nenewtonské tekutiny a jejich charakteristika

Newtonské tekutiny mají konstantní viskozitu:proto její charakteristický profil rychlostí v kanálu má tvar paraboly.

Rychlost toku ve profilu

12

Taveniny plastů mají nekonstantní a degresivní viskositu:viskosita je vysoká ale klesá s rychlostí („shear-thinning“).Proto charakteristický profil rychlosti je víc opostělý.

2.1.10 Viskoelastické kapaliny

+ =

Pružnost(též elasticita či tuhost)

deformace těles

13

Viskozita (též vazkost) tok kapalin

Viskoelasticita(viskózní a elastický)

chování tělesa a kapaliny

+ =

2.1.11 Kríp (en: creep)

Krípem (tečením za studena) se rozumí změna rozměru těles při dlouhodobém statickém zatěžování konstantní silou při konstantní teplotě:

Norma: ČSN EN ISO 899-1 Plasty - Stanovení krípového chování - Část 1+2: Kríp v tahu

14

2.1.12Orientace molekul v plastech

● Makromolekuly se orientují ve směru toku.

● https://www.youtube.com/watch?v=Dfm3Hl6NGEA

● Plast, který obsahuje kovové pigmenty ukazuje jak materiál při výrobě tekl.

15

2.1.13Orientace a anizotropické vlastnosti

F F

16

V případě, že makromolekuly plastů jsou orientované, plastová součást má rozlišné vlastnosti ve směru orientace než v kolmém míru k orientaci makromolekul.

Pružnost ve směru orientace makromolekul stoupá. páskovací PP

2.1.14Orientace a anizotropie

Anizotropie je vlastnost, kterou se označuje závislost určité veličiny na volbě směru. Vlastnosti jsou v různých směrech různé. (wikipedia.cz)

17

anisotropydependence of material properties on orientationISO/TS 21432:2005(en), 3.3

2.1.15 Jev smrštění

Problém: plast se smršťuje 30 až 100 násobné ve srovnání s kovem

18

Mechanismy, které ovlivňují smrštění:

● Rozdíl hustoty teplé taveniny a studeného materiálu

● Orientace makromolekul a vláknitého plniva.

● Krystalizace (platí jen pro semi-kristalické termoplasty)

Vliv smrštění Konstrukce součásti Realita

geometrické rozměry výrobků (délka a tloušťka)

Délkak = 100 mm ± 1 mm Délkar = 97 mm

2.1.16 Smrštění plastů a kvalita výrobků

Smrštění ohrožuje kvalitu výrobků třemi způsoby:

deformace výrobků (tvar)

rovné plochy (propadliny)

19

Kategorie aplikace: komoditní plast

Obchodní jméno: LITEN® BB 38

2.2.1 Klasifikace, označení a přizpůsobení plastových hmot

Klasifikace a specifikace plastů, např. HDPE

Morfologie: semikrystalický

Druh polymeru: termoplast

Obecné označení: HDPE

20ČSN EN ISO 1043-1 Plasty - Značky a zkratky - Část 1: Základní polymery a jejich zvláštní charakteristiky

2.2.2 Obecné označení plastů

Acetal Phenolic Polyparaxylylene (PPX)

Acrylic Plasticizer Polyphenylene Ether (PPE)

Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) Polyamide (Nylon) Polyphenylene Sulfide (PPS)

Acrylonitrile Ethylene Styrene (AES) Polyarylate Polypropylene (PP)

Acrylonitrile Styrene (AS) Polyaryletherketone (PAEK) Polystyrene (PS)

Acrylonitrile Styrene Acrylate (ASA) Polybenzimidazole (PBI) Polysulfone (PSU)

Alkyd Polybutadiene Rubber (PBR) Polyurethane (PUR)

Alphamethylstyrene (AMS) Polybutylene (PB) Polyurethane Thermoset Elastomer (TSU)

Obecné označení plastů dle databaze www.ulprospector.com:

21

Biodegradable Polymers Polycaprolactone (PCL) Polyvinyl Chloride (PVC)

Cellulose Acetate (CA) Polycarbonate (PC) Styrene Acrylonitrile (SAN)

Diallyl Phthalate (DAP) Polyester Styrene Acrylonitrile Silicone (SAS)

Dicyclopentadiene (DCPD) Polyether Imide (PEI) Styrene Maleic Anhydride (SMA)

Epoxy Polyethylene (PE) Styrenic + Vinyl + Acrylonitrile (SVA)

Fluoropolymer Polyethylene Naphthalate (PEN) Thermoplastic Elastomer (TPE)

Ionomer Polyimide (PI) Thermoplastic Polyurethane (TPU)

Liquid Crystal Polymer (LCP) Polyketone (PK) Thermoplastic, Unspecified (TP, Unspecified)

Maleic Anhydride Grafted Polymer (MAH-g) Polylactic Acid (PLA) Thermoset (TS)

Melamine Polymethylpentene (PMP) Thermoset Elastomer (TSE)

Methyl Cellulose (MC) Polymethylmethacrylate (PMMA) Vinyl Alcohol (VOH)

2.2.3 Komoditní plasty a technické plastyTechnické nebo inženýrské plasty Materiál Zkratka

Polyamide Nylon

Polycarbonate PCPolypropylene PPPolyurethane PUR

Liquid Crystal Polymer LCP

Polyurethane Thermoset Elastomer TSUThermoplastic Elastomer TPE

Thermoplastic Polyurethane TPU

22

Komoditní plasty – Značení plastových obalů

Thermoplastic Polyurethane TPU

ČSN EN ISO 18064 Termoplastické elastomery - Klasifikace a názvosloví

2.2.4 Komoditní plasty: výrobce v ČR

Materiál Výrobce v ČR

Polyetylen LITEN® Unipetrol RPA Litvínov

Polypropylen MOSTEN® Unipetrol RPA Litvínov

Polystyrene SynthosPS® Synthos Kralupy

PVC NERALIT® Spolana Neratovice

23Foto: SPOLANA a.s. Neratovice

2.3.1 Diverzifikace plastů pro různé aplikace

24

2.3.2 Diverzifikace plastů pro různé aplikace

Obaly

Různé: Spotřebitelské a domácí spotřebiče, nábytek, sport, zdraví a bezpečnost

25

Obaly

Stavebnictví

46,3 mld. tun

Automobilový průmysl

Elektrická zařízení a

elektronika

Zemědělství

Optické vlastnosti

• Lom vlnění a vytváření disperze

• Průhlednost

• Lesk

• Barva

Akustické vlastnosti

Reakce na prostředí

• Odolnost proti chemikáliím

• Stres životního prostředí

• Difuze a prostupnost

• Zvětrávání

Hořlavost

2.3.3 Nefyzikální vlastnosti plastů

Charakteristická vlastnost

jednotlivých druhů plastů

Elektrické vlastnosti

• Dielektrické chování

• Elektrická vodivost

• Dielektrická pevnost

• Elektrostatika

• Barva

Biologické interakce

26

2.3.4 Příklady výběru optimálního plastu

CílCharakteristická vlastnost plastu Výběr

ElasticitaSíťová struktura molekul

Styrene butadiene rubber (SBR)přírodní kaučuk (NBR)

Elektrická izolace

Minerální prášek s pružným lepidlem

Styrene butadiene rubber (SBR) + 70 % CaCO3 (křída)

27

izolace pružným lepidlem 70 % CaCO3 (křída)

Bariéra proti difusi plynu

Kristallická struktura molekul

Polyamid (PA)EVOH

OpotřebováníNepolární monomer a molekul

Polytetrafluoretylen (PTFE) „Teflon®“ Polyamid (PA) „Nylon®“

Transparent-nost

Amorfní struktura molekul

Polystyren (PS)Polymethylmethakrylát (PMMA)

2.3.5 Makromolekuly + aditivum = plastPřípad 1:

● Aditiva (=přísady) dovolují „Tuning“ plastů.

● Pomocí aditiv má plast lepší vlastnosti.

● Pro každou vlastnost dle 2.3.1 existuje vlastní aditivum.

Případ 2:● Některé polymery jsou nestabilní a degradují se při zpracovaní, např. PVC, PP.● Některé polymery jsou nestabilní a degradují se při zpracovaní, např. PVC, PP.

● Aditivum (tzv. stabilizátor) zabrání tepelné degradaci molekul.

● V tomto případě „čistý plast“ - přímo od výrobce – už obsahuje aditiva, např. stabilizátory a mazadla.

Pozor: Aditiva mohou být jedovatá pro člověka i pro životní prostředí. Určitá aditiva jsou regulovaná v zemích Evropské unie (EU).

28ČSN EN 1122 Plasty - Stanovení kadmia

ČSN EN ISO 1043-4 Plasty - Symboly a zkratky -

Část 4: Samozhášecí přísady

2.3.6 Plast + plniva = „Superplast“Důvody pro použití plnívá jsou ekonomické (plnivo je levnější než plast) nebo technické (plnivo zesiluje materiál).

29ČSN EN ISO 1043-2 Plasty - Značky a zkratky - Část 2: Plniva a výztužné materiály

Skelná vlákna Uhlíková vláknaKřída

TalekJutové textilní vlákno Al2O3

2.3.7 Příklady norem pro stanovení vlastnosti plastů

seznamcsn.unmz.cz

ČSN EN ISO 1183 Plasty - Metody stanovení hustoty nelehčených plastů

ČSN EN ISO 11403 Plasty - Stanovení a prezentace srovnatelných vícebodových hodnotMechanické vlastnosti , tepelné a zpracovatelské vlastnosti , vliv prostředí na vlastnosti

ČSN EN ISO 12058 Plasty - Stanovení viskozity viskozimetrem s padající kuličkou

ČSN EN ISO 13468 Plasty - Stanovení celkové propustnosti světla transparentními ČSN EN ISO 13468 Plasty - Stanovení celkové propustnosti světla transparentními materiály

ČSN EN ISO 10724 Plasty - Vstřikování zkušebních těles z práškových lisovacích hmot (PMCs) z reaktoplastů

ČSN EN ISO 15791 Vývoj a používání požárních testů středního měřítka pro výrobky z plastů

ČSN EN ISO 175 Plasty - Stanovení účinku kapalných chemikálií při ponoření

ČSN EN ISO 3915 Plasty - Měření odporu vodivých plastů

ČSN EN ISO 4892 Plasty - Metody vystavení plastů laboratorním zdrojům světla

30

2.3.8 Jak ovládat rozmanitost plastů ?

Rozmanitost je problém:

● Na trh je alespoň 4.500 různých druhů polyetylenů (PE). Unipetrol nabízí 35 různých druhů.

● Jak může konstruktér nebo výrobce najít a vybrat správný druh?

Databaze:

● Prospector Materials database: www.ulprospector.com

● Campus firmy BASF: www.campusplastics.com

Informace výrobců:

● Technické listy výrobců

31

2.3.9 Příklad technického listu

32

2.4.1 Stav vědy a technologie

Aktuální trendy ve vývoji plastů:

● Termoplast vyztužený vlákny např. PP + 35 % GF:

Pevné a levné

● Elektrická vodivá plniva např. uhlíkové nanotrubičky:

Vstřikování miniaturizovaných elektrických složek.

● Piezoelektrická plniva:

kabely které pří pohybu tvoří energii, např. nabíjení mobilního telefonu.

33

kabely které pří pohybu tvoří energii, např. nabíjení mobilního telefonu.

● Tepelná vodivá plniva:

chlazení elektronických složkách ve elektronice, např. teplo LED.

● Magnetická plniva:

Vstřikování silných permanentních magnetů

● PET jako inženýrský plast:

zpracování velkým tlakem a nízkou teplotou způsobí maximální krystalizaci

a zaručí vysokou tuhost

Děkujeme za pozornostDěkujeme za pozornost

34

Technologie = vědět jak!

Ing. Stefan Krebs

35