1

E. Molliková

KONSTRUKČNÍ PLASTY

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.

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

[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

3

9. poznámky – polymery jsou také lepidla, barvy, povlaky,biomateriály, dřevo….

Osnova

1. Co už známe – připomenutí z BUM (4 ÷ 5)

3. Kompozity s polymerní matricí (14 ÷ 15)

4. Zpracování polymerních materiálů na výrobek (16 ÷ 25)

2. Reologické modely popisující chování polymerů (6 ÷ 13)

5. Odpadové hospodářství (26 ÷ 28)

6. Značení polymerních materiálů (29 ÷ 32)

7. Závěr (33)

4

1. Co už známezákladem 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

polymery amorfní – semikrystalické

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)

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

ideálně pružnýmateriál

Hook viskoelastický

materiál

MaxwellKelvin Tucket

ideálně viskoznímateriál

Newton

reologický model

= f (t)

= f (t)

kdo

pro co

7

ideálně pružnýmateriál

Hook

Ideálně pružný materiál

reologický model: pružina o tuhosti G

G

elastické chování izotropních těles (kovů)

při elastické deformaci smykem platí pro rovnováhu mezi napětím a deformací Hookův zákon

8ideálně viskozní

materiál

Newton

jednoduché kapaliny při ustáleném toku

t d

d

úměrná smykovému napětí podle Newtonova zákona

visk

Ideálně viskózní materiál

reologický model: hydraulický válec s kapalinou o viskozitě

při ustáleném toku je smyková rychlost

9

,

viskoelastickýmateriál

Kelvin

reologický model: pružina o tuhosti G a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě paralelně v tuhém rámu

tE

Eexp1

MPa = působící napětí

E MPa = modul pružnosti materiálu

t s = doba zatížení

Pa.s = viskozita materiálu při dané teplotě

Viskoelastický materiál I – Kelvin (Voight) model

deformace materiálu je dána vztahem

používá se pro modelování creepu materiálů ( = konst., = f (t) )

10

Maxwell

viskoelastickýmateriál

tEit

.exp

i MPa = původní zatížení,

E MPa = modul pružnosti materiálu,

Pa.s = viskozita materiálu při dané teplotě

reologický model: pružina o tuhosti G a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě seriově

Viskoelastický materiál II – Maxwellův model

používá se pro modelování relaxace materiálů ( = konst., = f (t) )

napětí t v materiálu dosažené v čase t je dáno vztahem

11

reologický model: seriově zapojenápružina o tuhosti G1, Kelvinův model s pružinou o tuhosti G2 a hydraulickým válcem s kapalinou o viskozitě 2, a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě 3.

Viskoelastický materiál III – Tuckettův model

viskoelastickýmateriál

Tucket ttE

EE

32

2

21

exp1

model je schopen kvalitativně předpovědět viskoelastické chování lineárního amorfního polymeru

deformace je dána vztahem

12

nevratné přesuny klubek (reologický model: třetí

člen řetězce = hydraulický válec s kapalinou o

viskozitě 3)

ttE

EE

32

2

21

exp1

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)

13

ttE

EE

32

2

21

exp1

E

elastická deformace

v kovech v polymerech

změna filosofie výpočtových postupů

nestačí jen dosadit materiálové charakteristiky polymerních materiálů do výpočtových schémat vytvořených pro kovy

14

Polymer + aditiva = plast

aditivaplnivaovlivnění vlastností

extendery

stabilizátoryomezují degradaci

vnějšími vlivy

(saze chrání proti UV)

antistatická činidla

zvlhčují povrch plastu

zlepšují jeho vodivost

retardéry hoření

na bázi Cl, Br nebo Mg(OH)2

plastifikátorysnižují Tg

zlepšují tvárnost

(PVC: Tg 20°C)

výztužezvyšují pevnost

a tuhost

např. skelná vlákna

katalyzátorynapř. ZnO urychluje

vulkanizaci kaučuku

barvivačásticové pigmenty

3. Kompozity s polymerní matricí

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 výrobekTypy plastů a možné technologie jejich zpracování

typ polymeru

termoplast reaktoplast elastomer

definice materiálu

teplem zplastizovatelný a tlakem tvarovatelný; reversibilní proces

tlakem tvarovatelný, teplo zesítění;

ireversibilní proces

příklad PE, PP, PVC, PC, PApryskyřice

epoxydové, fenolovékaučuk

vhodná technologie

lisování lisování

podobně jako

reaktoplasty

vakuové tvářenípřetlačování

přetlačováníextruze

vyfukováníextruze

injekční vstřikování

17

4.1 Lisování

Zpracovávaný materiál:

termoplasty, ale hlavně reaktoplasty

Typické výrobky:

elektrické vypínače a součástky, pneumatiky

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

18

4.2 Vakuové tváření

Zpracovávaný materiál:

semikrystalické plasty (PE, PA) úzký interval zpracovatelských teplot obtížně zpracovatelné (PA před zpracováním sušit)

amorfní plasty (ABS) výborně zpracovatelné

nejčastěji materiály na bázi styrenu (PS, ABS, PS-pěny)

Typické výrobky:

většinou pěnový materiál – obaly na potraviny, výplně dveří ledniček, vnitřní panely v automobilech

Postup:•otevření formy•uložení materiálu do formy•ohřev materiálu• vytvoření vakua vytvarování•po uplynutí technologického času

otevření formy• vyhození dílu

19

4.3 Přetlačování

Zpracovávaný materiál:

téměř výhradně reaktoplasty a pryže

Typické výrobky:

když je potřeba do plastu zalisovat kovové komponenty (integrované obvody, elektrické spínače, rukojeti na nádobí)

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

20

4.4 Extruze

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)

Kontinuální proces

21

4.5 Vyfukování

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)

Zpracovávaný materiál:

termoplasty s dobrou tekutostí taveniny

22

4.6 Injekční vstřikování

Zpracovávaný materiál:

termoplasty s dobrou tekutostí taveniny

Typické výrobky:

variace výrobků

4.6a Injekční vstřikování termoplastů

23

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

4.6b Injekční vstřikování reaktoplastů

24

4.7 Výroba tenkých folií

4.8 Výroba tenkých desek

4.9 Výroba vláken

25

4.10 Spojování plastů

pásky

adheziva

(lepidla)

rozpouštědla

chemicky rozpouštění lepených povrchů

měknou pohyb makromolekul přes

rozhraní povrchů a jejich vzájemné navazování;

odpaření rozpouštědla „zamrznutí“ makromolekul

spojení obou povrchů

třením

rotační tvary, ve svaru výronek (v další operaci

odstraněn)

horkým plynem (vzduchem) variace na svařování kovů;

svařování a utěsňování desek PP při výrobě velkých

chemických nádrží, přídavný materiál je stejný jako

svařovaný

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

Mechanické spojování

Svařování

Lepení

šrouby

nýty

26

zneškodňování

využíváníúprava

skladovánípřeprava

shromažďování

nakládání s odpady

omezování vzniku odpadů

předcházení vzniku odpadů

5. Odpadové hospodářství

konečná likvidace energetické využití

recyklace přepracování odpadů druhotné suroviny

regenerace navrácení původních užitných vlastností materiály využívány k původním účelům

máloodpadové technologie

drahé technologie

sekundární materiály

horší vlastnosti

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

sklo: GL (bílé sklo) – 70

GL (zelené sklo) – 71

GL (hnědé sklo) – 72

29

6. Značení polymerních materiálů

značení není normalizováno

názvy materiálů jsou záležitostí výrobních firem

nemusí vyjadřovat chemickou podstatu materiálů

30

Merové jednotky nejznámějších termoplastů I

PMMA - plexisklo

PE

PP

PS

PVC

PET

31

Merové jednotky nejznámějších termoplastů II

(teflon)

PC

32

Merové jednotky nejznámějších reaktoplastů

33

7. Závěr

tailor made materials

kvalitní výrobek s požadovanými

vlastnostmi

výběr atomů

jejich uložení v řetězci

chemická konstrukce řetězce

vzájemná interakce řetězců

aditiva

požadované vlastnosti

(z našeho pohledu zvláště mechanické)

správná technologie zpracování na

výrobek

správné podmínky provozu

+

+=