PLASTY
Podstata plastů [1] Materiály, jejichž podstatnou část tvoří organické makromolekulami látky (polymery). Kromě látek polymerní povahy obsahují plasty ještě přísady (aditiva) jejichž účelem je specifická úprava vlastností. Polymery jsou chemické látky, které vykazují díky svým obrovským molekulám neobvykle širokou škálu vlastností. Polymery se dělí na elastomery a plasty. Rozdělení plastů: termoplasty a reaktoplasty.
Polymery
Plasty
Termoplasty
Elastomery
Reaktoplasty
Elastomer je vysoce elastický polymer, který lze za běžných podmínek malou silou značně deformovat bez porušení. Tato deformace je převážně vratná. Dominantní skupinou elastomerů jsou kaučuky, z nichž se vyrábí pryže (nespisovně guma). Termoplasty lze opakovaně ohřevem převést do stavu taveniny nebo viskozního toku a ochlazením nechat ztuhnout při teplotách, které jsou charakteristické pro daný typ termoplastu. Základ recyklačních technologií termoplastů. Reaktoplasty procházejí při zpracovatelském procesu chemickou reakcí a účinkem tepla, záření nebo síťovacích činidel vytvářejí husté, prostorově sesíťované struktury, v nichž jsou původní molekuly vzájemně pospojovány kovalentními vazbami. Tento proces se nazývá vytvrzování. Reaktoplast je ve vytvrzeném stavu netavitelný a nerozpustný. Recyklace reaktoplastů je proto obtížnější než u termoplastů a vyžaduje jiné postupy. Jiné dělení polymerů vychází ze způsobu jejich vzniku [2] : Polymery přírodní (bílkoviny, škrob, celulóza, kaučuk a látky syntetické, ale přírodním polymerům podobné (celuloid, vulkánfíbr, viskóza, umělé hedvábí, umělá rohovina apod.). Polymery syntetické (polyetylén, polyvinylchlorid, atd.)
Struktura polymeru
krystalická – vysoce uspořádaná struktura amorfní – prakticky neuspořádaná struktura semikrystalická – částečně uspořádaná struktura (amorfní a krystalická)
3 / 56
Tvar makromolekul [1] Tvar makromolekul je dán funkčností monomerů, která rozhoduje o možnosti vzniku makromolekul lineárních nebo zesíťovaných. Rovněž reakční podmínky (teplota, tlak) mají vliv na to, zda při polymeraci vznikne polymer lineární nebo rozvětvený (např. u PE). Lineární a mírně rozvětvené polymery jsou rozpustné v některých rozpouštědlech, zesíťované polymery jsou nerozpustné, pouze bobtnají. Makromolekulární sítě vznikají např. síťováním, tj. spojováním lineárních nebo mírně rozvětvených makromolekul. Síťováním kaučuků (vulkanizací) vzniká pryž. Síťování lineárních nebo rozvětvených makromolekul reaktivní pryskyřice se nazývá vytvrzování. Vznikají nerozpustné a netavitelné produkty s různým uspořádáním prostorové sítě, které se nazývají reaktoplasty.
(a) Lineární
(b) Rozvětvené
(c) Polymery se zkříženými články
(d) Síťované polymery
Zdroj:[2]
Fázové stavy polymerních materiálů [1] Vysoká molekulová hmotnost polymerů způsobuje, že jejich bod varu je ve všech případech vyšší, než je teplota jejich rozkladu (degradace). Z tohoto důvodu u polymerů neexistuje plynný stav. Polymery se mohou nacházet pouze v kapalném nebo tuhém stavu. Podle uspořádání makromolekulárních řetězců v tuhém stavu rozlišujeme vysoce uspořádaný stav – krystalický a téměř neuspořádaný stav – amorfní (sklovitý). Na rozdíl od nízkomolekulárních látek je pro polymery charakteristický ještě přechodový stav mezi stavem sklovitým a kapalným, tzv. stav kaučukovitý. Polymer lze v tomto stavu malou silou deformovat až o stovky % „téměř“ vratně. Je patrné, že polymery mohou existovat ve čtyřech fázových stavech, a to krystalickém a 3 amorfních (sklovitém, kaučukovitém, plastickém).
Fázové stavy sklovitý (sklo, tuhý) kaučukovitý (kaučuk) plastický (kapalina, kapalný) krystalický polymer
Tm
krystaly amorfní polymer
kapalina Tm
Tg
sklo semikrystalický polymer krystaly
kaučuk Tg
kapalina Tm
kaučuk
kapalina
Lineární polymery (termoplasty) Název a zkratka
struktura
Tg [°C]
Tm [°C]
Polyethylen (PE) lineární
krystalická (silně)
-122
137
rozvětvený
krystalická (středně)
-122
110
Polypropylen (PP) izotaktický
krystalická
-24
176
Polystyren (PS)
amorfní
90
-
Polyvinylchlorid (PVC)
amorfní
75
-
Polytetrafluorethylen (PTFE)
amorfní
-97
330
Polymethylmethakrylát (PMMA)
amorfní
105
-
Polyoxymethylen (POM)
krystalická
-40
181
Polyamid 6 (PA6)
krystalická
45
225
Polyamid 66 (PA66)
krystalická
65
265
Polyfenylenether (PPE)
krystalická (málo)
210
268
Polyetheretherketon (PEEK)
krystalická
154
334
Polyethylentereftalát (PETP)
krystalická (středně)
70
267
Polykarbonát (PC)
amorfní
144
-
Polyfenylensulfid (PPS)
krystalická
185
285
Polyethersulfon (PES)
amorfní
230
-
Chování polymerů za zvýšené teploty a působení vnější síly[1] Tvar makromolekuly vliv na vlastnosti polymerního materiálu - zvýšená teplota a současné působení vnější síly. Odlišné chování termoplastu, elastomeru a reaktoplastu. Pro termoplasty - tvořeny lineárními nebo mírně rozvětvenými polymerními řetězci, které jsou u semikrystalických polymerů „zpevněny“ oblastmi, kde jsou makromolekuly vysoce uspořádány. Jestliže teplota překročí Tm, potom dochází v polymeru k plastickému nevratnému toku a výrobek se zbortí.
Chování semikrystalického termoplastu při teplotě vyšší než Tf, který obsahuje lineární a mírně rozvětvené makromolekuly (zveřejněno se svolením nakladatelství Scientia, Praha)
Elastomer (kaučuku), příčné vazby byly připraveny vulkanizací (obr.). U toho polymeru nedochází k plastickému toku, neboť polymerní řetězce jsou vzájemně fixovány příčnými vazbami. Po přiložení vnější síly dochází k deformaci elastomeru až o stovky % díky konformačním změnám ve struktuře makromolekul. Deformace je vratná a vzorek se po oddálení síly vrátí do původního stavu.
Elastomer, který obsahuje mírně zesíťované řetězce a vlivem vnější síly dochází k jeho deformaci, která je vratná (zveřejněno se svolením nakladatelství Scientia, Praha)
U reaktoplastů (termosetů) - velmi hustá trojrozměrná síť chemických vazeb. Díky nim jejich vlastnosti nejsou teplotně závislé. Na rozdíl od elastomerů, které vykazují významné elastické vlastnosti, jsou reaktoplasty díky rigidní trojrozměrné struktuře křehké.
Reaktoplast (termoset, pryskyřice) je tvořen trojrozměrnou sítí a proto při působení vnější síly dochází k jeho destrukci (zveřejněno se svolením nakladatelství Scientia, Praha)
Identifikace termoplastů bez použití analytických přístrojů Využívá se charakteristických vlastností polymerů – hustota, chování v plameni, houževnatost. Flotační metoda – využívá rozdílné hustoty plastů, je použitelná i v průmyslovém měřítku k třídění plastových odpadů. Chování v plameni
Stanovení hořlavosti Metoda je založena na stanovení délky zkušebního tělesa a doby jeho hoření (60s).
zuhelnatělé
části
Za 60 s od začátku působení plamene se kahan zhasne – měří se doba hoření zkušebního tělesa. • • • • • •
pozoruje se, jak snadno se vzorek zapaluje, zda po vyjmutí z plamene hoří i nadále, nebo zda nehoří vůbec, jaký zabarvení má okraj a jádro plamene, posuzuje se zápach dýmu po uhašení plamene, charakter příškvarku vzorku, popřípadě chování taveniny.
Flotační zkouška • Jedna z metod pro stanovení hustoty nelehčených plastů • Podstatou je vzájemným mísením imerzních kapalin odlišných hustot (větší a menší než je hustota vzorku) zjistit okamžik, kdy měřený vzorek začne v kapalině flotovat bez pohybu nahoru nebo dolů po dobu nejméně jedné minuty. • Jako vzorky – opracované výrobky, prášky a granule nejsou vhodné Metoda „FLOAT SINK“ • Pro vlastní měření se použije kádinka naplněná zkušebním roztokem vytemperovaným na teplotu měření (20°C), která ovlivňuje měrnou hmotnost zkušebních roztoků. Ze vzorku plastu se připraví vzorky 10x10 mm, které se vhodí do válce s roztokem. •
Pro identifikaci plastů float-sink testem použijeme 3 zkušební roztoky:
2. Voda 3. Ethylalkohol o hustotě ρ = 0,93 g/cm3 4. Roztok NaCl o hustotě ρ = 1,20 g/cm3
Směs plastů / neurčený plast (PP,HDPE,PS,PVC)
Plave – PP,LDPE
Ethylalkohol, ρ=0,93
Pitná voda, ρ=1
Klesne – PS,PVC
NaCl, ρ=1,20
Klesne - PVC
Klesne - HDPE
Plave - PP
Plave - PS
Specifické hmotnosti běžných plastů (g/cm3) Typ plastu PP - polypropylen LDPE - polyethylen nízkohustotní HDPE - polyethylen vysokohustotní ABS - akrylonitril butadien styren PS - polystyren (pevný) PMMA - polymethylmetakrylát PC - polykarbonát PVC - polyvinylchlorid PET - polethylen tereftalát
0,90 - 0,93 0,93 - 0,95 0,95 - 0,98 1,03 - 1,05 1,05 -1,08 1,17 - 1,22 1,20 - 1,24 1,30 - 1,45 1,34 - 1,40
Mechanické vlastnosti polymerů Mechanické vlastnosti polymerů ……. jsou velmi rozdílné a silně závislé na teplotě.
Zdroj:[2]
Tahová křivka pro PA66 v závislosti na teplotě (v=1mm/min.)
….a také na jsou silně závislé na rychlosti deformace
Deformační křivka v závislosti na rychlosti deformace
Mechanické vlastnosti •
v praxi jsou skutečné vlastnosti ovlivněny – tvarem výrobku – stavem materiálu po zpracování • orientace makromolekul • vnitřní pnutí • krystalizace • stupeň vytvrzení
Mechanické vlastnosti při krátkodobém namáhání zjišťují se trhací zkouškou – výsledkem zkoušky je závislost napětí na deformaci, z této závislosti lze zjistit • mez kluzu a pevnosti • tažnost • modul pružnosti v tahu • celkové chování materiálu při deformaci z těchto hodnot můžeme odvodit dovolené namáhání v tahu dovolené namáhání ve smyku
Mez kluzu a pevnosti •
mez kluzu v tahu σe –
•
mez pevnosti v tahu σp –
•
homogenní, houževnaté, semikrystalické plasty
plněné, křehké, amorfní plasty a reaktoplasty
pevnost v tlaku σd – –
pro houževnaté materiály rovna pevnosti v tahu pro křehké materiály je o 30% až 60% vyšší než pevnost v tahu
Mez kluzu a pevnosti hodnoty σe a σp se snižují s rostoucí teplotou a při dlouhodobém zatížení orientací struktury při zpracování dochází obecně ke zvýšení pevnosti ve směru orientace a snížení ve směru příčném
Čím je stupeň orientace makromolekulární struktury vyšší, tím jsou vyšší i rozdíly v pevnostech podél směru orientace a napříč.
Závislost napětí na měrném prodloužení 1 tvrdé plasty bez meze kluzu
σ Dt =
σp kp
kp = 1,25
2 měkké plasty bez meze kluzu – dovolené napětí je takové napětí, při kterém vzniká trvalá deformace 1% 3 plasty s výraznou mezí kluzu
σ Dt
σk = kk
kk = 2,5
Závislost meze pevnosti na teplotě 1. HDPE 2. LDPE 3. PP 4. PS 5. hPS 6. SAN 7. ASA 8. ETFE 9. ETFE + 25%SV
Modul pružnosti E je mírou tuhosti materiálu se vzrůstající teplotou klesá mění se v závislosti na • době zatěžování • teplotě • vlhkosti vzduchu
v praxi se používá konstrukční modul pružnosti Ek je funkcí • teploty • doby zatěžování • velikosti napětí
Definice modulu pružnosti u plastů
Poissonovo číslo pohybuje se mezi 0,3 – 0,5 se vzrůstající teplotou vzrůstá
Rázová houževnatost aCU Je kinetická energie kyvadlového rázového kladiva, spotřebovaná na přeražení zkušebního tělesa bez vrubu, vztažená na původní plochu jeho příčného průřezu. je měřítkem náchylnosti materiálu k lomu při rázovém namáhání pod teplotou Tg je nízká, nad teplotou Tg prudce vzroste
acU
Ec = x103 h⋅ b
Ec – korigovaná energie [J] spotřebovaná při přeražení zkušebního tělesa h – tloušťka zkušebního tělesa [mm] bN – šířka zkušebního tělesa[mm]
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
PP PMMA hPS POM PA + 30%SV PC + 30%SV UP pryskyřice + skleněná rohož
Vrubová houževnatost acN je měřítkem houževnatosti materiálu a také citlivosti k vrubům a koncentraci napětí pod teplotou Tg je nízká a při vyšší teplotě prudce vzroste
acN
Ec = x103 h ⋅ bN
Ec – korigovaná energie [J] spotřebovaná při přeražení zkušebního tělesa h – tloušťka zkušebního tělesa [mm] bN – šířka zkušebního tělesa pod vrubem [mm]
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
PP PA6 normálně vlhký PA6 suchý PA66 normálně vlhký PA66 suchý POM PTFE
ČSN EN ISO 179-1
1 – směr rázu Rozměry zkušebního tělesa
Rázová a vrubová houževnatost rázová houževnato st vrubová houževnatost určuje vrubovou citlivost materiálu čím je tento poměr větší, tím je materiál citlivější na vruby a na koncentraci napětí Zkoušky poskytují určité informace o chování plastů při nárazu. Výsledky stanovení závisí na druhu plastu, jeho složení, teplotě, zkušební metodě, podmínkách provedení zkoušky, tvaru zkušebního tělesa. Houževnatost lze ovlivnit volbou aditiv.
Mechanické vlastnosti při dlouhodobém konstantním namáhání jedná se o závislost tří veličin – napětí – deformace – čas
předpokládá se neměnná teplota
vzájemný vztah těchto veličin se zjišťuje pomocí dvou zkoušek – creepové zkoušky tahem (tečení) ČSN 640621 – relaxační zkoušky
Zkoušení s fluorescenčním UV zářením a kondenzací vody ČSN 77 0344 Použití metody je určeno k modelování poškození způsobeného vodou ve formě deště nebo rosy a energií ultrafialového záření ve slunečním záření. Metoda není určena k modelování poškození způsobenému místními povětrnostními vlivy jako je znečištění atmosféry, biologické napadení a vystavení slané vodě. Zkušební zařízení viz obrázek, konstruované z antikorozních materiálu, zahrnuje osm zářivek, vyhřívanou lázeň, zkušební vzorky a podmínky pro kontrolování a zaznamenání času a teploty. 4 hodiny UV - záření při 60°C, 4 hodiny kondenzace při 50°C.
Základní pevnostní vlastnosti některých termoplastů
Název
Modul pružnosti v tahu [MPa]
Mez pevnosti [MPa]
Polyethylen – PE
200 – 1400
8 - 35
Polypropylen – PP
1100 – 1300
21 – 37
Polyvinylchlorid - PVC
2400 – 4200
40 - 60
Polyamid 6– PA6
1200 – 1400
70 -85
LITERATURA [1] Kratochvíl B., Švorčík V., Vojtěch D. Úvod do studia materiálů. 1. vydání. ISBN 80-7080-568-4. 2005. [2] www.ped.muni.cz/wphy/FyzVla/FMkomplet3.htm [3] Macek K., Zuna P.: Strojírenské materiály. ČVUT 2003. [4] Technik – technologie, materiály, inovace, trhy. 1/2. Leden, únor 2005.
