PLASTY

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.