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