Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy
Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Lubomír Zeman

Vstřikování plastů
teorie a praxe

Vydala Grada Publishing, a.s.
U Průhonu 22, Praha 7
obchod@grada.cz, www.grada.cz
tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400
jako svou 6890. publikaci

Odpovědný redaktor Petr Somogyi
Sazba Jakub Náprstek
Formát ePub Štěpán Böhm
Počet stran 464
První vydání, Praha 2018
Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a.s.

© Grada Publishing, a.s., 2018
Cover Design © Grada Publishing, a.s., 2018

Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována a šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.

ISBN 978-80-247-2818-6 (ePub)
ISBN 978-80-247-2819-3 (pdf)
ISBN 978-80-271-0614-1 (print)

Úvod

Plasty jsou syntetické nebo polosyntetické, případně přírodní materiály, které jsou z velké části tvořeny polymery – řetězci (řetězcová struktura molekul, tedy dlouhá lineární řada vzájemně spojených atomů nebo skupin atomů, jež odlišuje polymerní materiály od jiných druhů materiálů) převážně uhlovodíkových sloučenin. Pro jejich výrobu se používá jak ropa a uhlí, tak celá řada přírodních látek, například škroby. Není správné označovat je jako umělé hmoty, tento pojem je de facto nesmyslný (stejně jako igelit, což je původně obchodní název měkčeného PVC firmy IG Farben z roku 1935, který vznikl složením prvních písmen názvu firmy IG a koncovky v té době nejpoužívanějšího plastu, polyformaldehydové pryskyřice – reaktoplastu – bakELIT; „igelitové tašky“ se vyrábějí z termoplastů PP nebo LDPE).

Velkou výhodou plastů je obrovská variabilita jejich vlastností a tím i možností jejich použití, kdy kromě vlastních aplikací mohou nahrazovat jiné materiály.

Výroba a užití plastů rozhodující mírou přispěly k dosažení současné kvality života jak u nás, tak i ve světě. Přesto (respektive proto) se dostáváme do situace, kdy jsou vytvářeny tlaky na nalezení postupů vnímavějších k životnímu prostředí. K tomu by měly přispět tzv. udržitelné technologie, které sníží zátěž na životní prostředí, aniž by byl zastaven nebo výrazně přibrzděn rozvoj lidské společnosti. To je i jedním z úkolů technologií zpracovávajících plasty na výrobky s vlastnostmi více vyhovujícími environmentálním požadavkům.

Jak uvádí Česká technologická platforma PLASTY ve své zprávě „Strategická výzkumná agenda“ z června 2017, koncem 19. století se průmyslově celosvětově zpracovalo kolem 10 tisíc tun plastů za rok. V roce 1930 překročila roční světová výroba plastů hodnotu 30 tisíc tun, v roce 1949 to bylo již více než 1 milion tun a v současné době se pohybuje světová výroba na úrovni 335 miliónů tun vyrobených plastů. V roce 2020 se očekává dosažení 400 milionů tun, v roce 2050 přesáhne výroba plastů 700 milionů tun (některé předpovědi, například od MacArthur Fundation, uvádějí až 1,1 milionu tun vyrobených plastů).

Na světové spotřebě se největší mírou podílejí polyolefiny (PP a PE) společně s PVC, PS, EPS (pěnový polystyren) a PET tvoří 85 % spotřeby. Prognóza do roku 2020 uvádí průměrný roční nárůst spotřeby plastů o 4,4 %. Největší dynamika se očekává u EPS (5,1 %), PP a PET (5 %). Spotřeba inženýrských plastů (PC, ABS, PET, PBT, POM, PA) má do roku 2026 růst průměrným ročním tempem 7,4 %.

V Evropě činila v roce 2016 celková spotřeba plastů 52 miliónů tun, Česká republika se na uvedeném množství podílela 1 145 000 tunami, což představuje více než 100 kg spotřebovaných plastů na obyvatele.

S čísly o výrobě plastů úzce souvisejí i čísla vyjadřující podíl odpadních plastů. V EU se tento podíl pohybuje okolo 54 % z ročně zpracovávaného množství. V roce 2015 to bylo 25,8 milionu tun odpadních plastů, z nichž 30,8 % skončilo na skládkách, 29,6 % bylo recyklováno a 39,5 % se využilo energeticky ve spalovnách. Česká republika vykazuje 400 000 tun odpadních plastů a 63,5 % z nich skončí na skládkách.

Údaje o bioplastech se liší podle pramenů, z nichž data pocházejí. Nova-Institut uvádí výrobu v roce 2016 v množství 2,4 milionů tun, s výhledem do roku 2021 3,6 milionu tun. Asociace European Bioplastics uvádí pro rok 2016 4,2 milionu tun a do roku 2021 očekává růst na 6,1 milionu tun. Výrobci z Asie mají z uvedeného množství vyrobit polovinu, čtvrtina se vyrobí v Evropě. Nejvíce se má vyrobit bio-PET, bio-PE a bio-PA. Noviny K-Zeitung dne 23. února 2017 publikovaly údaj uvádějící výrobu bioplastů v roce 2021 v množství 8,5 mil. tun. Podle těchto novin činil podíl bioplastů v roce 2017 na celkové světové výrobě 4 %.

Plasty jsou makromolekulární produkty, které lze tvářet a tvarovat, případně dalšími technologiemi zpracovávat na požadované výrobky nebo polotovary určené k dalšímu zpracování.

Mezi zpracovatelské technologie řadíme: přípravné operace – míchání a hnětení, granulaci, tabletování, recyklaci, sušení, barvení, aditivaci; hlavní zpracovatelské technologie – přímé lisování, přetlačování, válcování a kalandrování, vytlačování, vyfukování dutých těles, vstřikování, tvarování polotovarů za tepla a případně vakua; další technologie zpracování plastů – zpracování kapalných systémů – odlévání, lití, zalévání, máčení, natírání, impregnace, reakční vstřikování (RIM – Reaction Injection Molding, RRIM, SRIM), zvlákňování; technologie nerozebíratelného spojování – svařování plastů, lepení; výrobu laminátů a součástí z vyztužených plastů – výrobu prepregů s reaktoplastickou a termoplastickou matricí, lisování za tepla, Injektform; navíjení; tažení – pultruze; laserové zpracování plastů – řezání laserem, strukturované vrtání laserem, laserové spojování – svařování a navařování, spoje plast – kov, laserové leštění plastů, korekce tvaru, odstraňování přetoků, odjehlování laserem, laserové značení; lehčení; spékání; rotační natavování polymerů; povrchové úpravy – kašírování, lakování, potiskování plastů, desénování plastů, leštění plastů, pokovování plastů, povrchovou ochranu povlakováním plasty nebo práškovými plasty, sametování – flockování; obrábění plastů; nerozebíratelná spojení; rozebíratelná spojení; radiační síťování; nekonvenční způsoby zpracování plastů.

Jednou z výrazných tvářecích technologií pro zpracování plastů je technologie jejich vstřikování.

Počátek historie vstřikování sahá do roku 1870, kdy byl v USA patentován materiál, z něhož později vznikl celuloid. Patent obsahoval i zařízení pro jeho vstřikování. K výraznějšímu rozvoji, zejména ke zpracování reaktoplastů, došlo po první světové válce. Z dnešního pohledu na technologii vstřikování plastů nastal nejvýraznější pokrok v padesátých letech minulého století, kdy byla patentována šneková vstřikovací jednotka, představen první elektroerozivní hloubicí stroj na výrobu tvarových dílů vstřikovacích forem, byl patentován první horký rozvod, při výrobě vstřikovacích forem se rozšířilo používání normalizovaných dílů. Na konci šedesátých let a v sedmdesátých letech 20. století pak byla zaváděna zpětnovazební regulace v řízení vstřikovacích strojů a mikroprocesorové řídicí systémy, dále sušení granulátů suchým vzduchem a první nasazení robotů. V osmdesátých letech minulého století se objevují první simulační programy, první zařízení pro technologie Rapid Prototyping, je zaváděna statistická procesní kontrola.

V souvislosti s technologickým vývojem vstřikování plastů a s vývojem vstřikovacích strojů a zařízení k nim (periferní zařízení jako sušárny, dopravníky, nasavače, dávkovače aditiv, roboty, temperační zařízení atd.) dochází k rozvoji automatizace vstřikovacího výrobního procesu. První automatizovaná vstřikovací pracoviště nezávisle na sobě představily firmy Battenfeld a Netstal v roce 1983 na světové výstavě Kunststoffe 83 v Düsseldorfu. Na výstavě předvedené automatizační koncepty se v propojení na více vstřikovacích strojů ukázaly jako málo pružné a drahé. V reálné praxi z nich vykrystalizovala automatizace vstřikovacího stroje jako samostatného automatizovaného ostrůvku (nebo sestavy strojů vyrábějících jednu montážní skupinu).

V současné době, kdy technologie vstřikování plastů (včetně vstřikovacích strojů, periferních zařízení, vstřikovacích forem, měření atd.) urazila od svých počátků až po dnešní dobu velmi dlouhou a úspěšnou cestu, se před ní objevují další výzvy a požadavky. Tyto výzvy a požadavky je možné shrnout do tří základních oblastí:

•zkracování doby dodání výrobku na trh,

•zkracování inovačních cyklů,

•zvětšující se komplexita výrobků – integrace více funkcí do jednoho dílu,

•požadavky na zpracování velkého objemu dat,

•zvyšování flexibility,

•kolísání požadavků trhů,

•poptávky po výrobcích se stále více individualizují,

•individualizace hromadné výroby,

•tlak na vysokou produktivitu výroby,

•zvyšování účinnosti výroby,

•požadavky na snižování výrobních nákladů,

•snižování energetické náročnosti výroby,

•tlak na zvyšování využití materiálových zdrojů, evironmentální požadavky.

Pro zajištění uvedených témat je k dispozici jediná technologie: již zmíněná automatizace, která se v různém stupni a různou rychlostí přesunuje do aktivit s názvem Průmysl 4.0.

Automatizace se dá charakterizovat čtyřmi časově posloupnými přístupy:

•dříve: oddělené automatizační technologie,

•nyní: vzájemně propojená automatizace,

•v blízké budoucnosti: optimalizace celého výrobního procesu pomocí nových inovativních softwarových systémů,

•ve vzdálenější budoucnosti: organizace a optimalizace výroby prostřednictvím kyberneticko-fyzických (CPS) systémů, chytré továrny, Průmysl 4.0.

K tomu, aby mohlo být dosaženo cílů aktivit Průmyslu 4.0, je nutné zajistit propojení průmyslu se vzděláním. Toto konstatování vychází ze skutečnosti, že výrobní zařízení lze nakoupit prakticky ihned, ale pracovníky s potřebnými znalostmi je potřeba s předstihem a dlouhodobě vychovávat. K tomu se snaží svým malým příspěvkem napomoci i tato kniha, která se na svých stránkách snaží komplexně popsat celý proces výroby výstřiků z termoplastů, a to jak v teoretické, tak zejména v praktické rovině.

Jednotlivé kapitoly mapují výrobu výstřiků z termoplastů a zabývají se následujícími tématy:

•požadavky kladené na výstřik: jakostní, funkční, pracovní prostředí, následné operace,

•návrh materiálu výstřiku,

•design a konstrukce výstřiku: tvar, rozměry, rozměrová a tvarová přesnost, jakost povrchu,

•konstrukční analýza možností vzniku vad a jejích následků (DFMEA, Design Failure Mode Effects Analysis),

•analýza zaformovatelnosti a úprava výstřiků podle zásad technologičnosti konstrukce výstřiků z termoplastů při zachování jejich jakostních a funkčních vlastností,

•výběr varianty technologie vstřikování, technologický proces,

•vizualizace, ověření tvarů, rozměrů, montážních závislostí atd. pomocí výroby dílu některou z technologií „rychlé výroby“ (RP, Rapid Prototyping),

•návrh zaformování výstřiků, násobnost formy, vtokový rozvod, temperace formy,

•vstřikovací stroj, periferní zařízení, automatizační zařízení,

•matematické simulace,

•konstrukce prototypové formy,

•výroba prototypové formy,

•ověření výstřiku výrobou na prototypové formě, včetně vyhodnocení požadavků kladených na výstřik,

•modifikace výstřiku podle výsledků simulací, výpočtů a výsledků z prototypové výroby,

•požadavky na konstrukční a výrobní provedení formy, včetně přípravků – měřicích, chladicích, rovnacích atd.,

•konstrukce formy a přípravků,

•výroba formy a přípravků,

•návrh technologických parametrů vstřikování s využitím technologických parametrů použitých při simulacích,

•oživení formy (počet optimalizačních kroků) smyček,

•hodnocení jakosti a zkoušení výstřiků,

•vypracování podkladů pro schvalování prvních výstřiků (PPAP, Production Part Approval Proces),

•vypracování podkladů pro sériovou výrobu,

•sériová výroba,

•hodnocení jakosti v rámci sériové výroby,

•údržba formy,

•opravy formy,

•údržba strojního vybavení vstřikovny.

Obecně lze říci, že každý výstřik je svým způsobem originál a před svojí ekonomickou výrobou s definovanou kvalitou by měl projít etapou vývoje dílu (Product Development) s návaznou etapou studie proveditelnosti (FS, Feasibility Study).

Studie proveditelnosti by v zásadě měla být co nejkomplexnější a koherentní, tedy co nejblíže k danému výstřiku. Jako se od sebe liší jednotlivé výstřiky, liší se i struktura témat řešených ve studiích proveditelnosti pro jednotlivé díly. Uvedené konstatování ovlivňuje i důraz, který je v projektu kladen na jednotlivé kapitoly studie, způsob a podrobnosti jejich zpracování.

Rozsah vývoje výstřiku a studie proveditelnosti je tedy na obecné a široké úrovni možné vymezit do výše uvedených bodů, přičemž je dobré si uvědomit, že se v mnoha případech tyto body vzájemně prolínají.

1Návrh materiálu výstřiku

Výběr materiálu výstřiku vychází z požadavků, které musí výstřik po dobu své životnosti na základě požadavků zadavatele splňovat, a to včetně omezení vyplývajících z podstaty materiálové báze plastů.

1.1Faktory ovlivňující výběr materiálu výstřiku – požadavky na materiál

Zadavatel výroby výstřiku musí ve spolupráci s designérem a konstruktérem výstřiku vzít v úvahu celou řadu faktorů, které nutně ovlivňují jak splnění kladených požadavků, tak i výběr vhodného materiálu pro výrobu výstřiku:

•finanční:

−materiálová cena,

−procesní náklady,

−systémové náklady,

•rozměrové:

−geometrie výstřiku,

−rozměrová a tvarová přesnost,

−hmotnost výstřiku,

−rozměrová stabilita,

−tvarová stabilita (deformace),

−díl pro vnější nebo vnitřní použití,

−materiál amorfní nebo částečně krystalický,

−materiál kompozitní (druh plniva): nevyztužující, vyztužující, obsah plniva,

−smrštění,

−dodatečné smrštění,

•mechanické:

−tuhost,

−tvrdost,

−rázová odolnost,

−houževnatost,

−únavové vlastnosti,

−odolnost proti abrazi,

−životnost,

•environmentální:

−životnost,

−tepelná odolnost (doba expozice),

−odolnost UV záření,

−chemická odolnost (které chemikálie),

−odolnost vodě (hydrolýza),

•regulátory:

−potraviny,

−voda,

−hračky,

−medicína,

−požární odolnost,

−zakázané přísady,

•elektrické:

−tloušťka stěny výstřiku,

−stínění,

−předpisy pro použití,

•akustické:

−frekvence,

−pohlcování zvuku,

•procesní:

−zpracovatelská technologie: vstřikování, vytlačování, vyfukování, tvarování atd.,

•následné operace:

−svařování: ultrazvukové, vibrační, laserové, horkým vzduchem, konduktivní,

−lakování,

−lepení,

−popisování laserem,

−potiskování,

−metalizace,

−galvanické pokovování atd.

1.2Stárnutí a koroze dílů z plastů

Koroze je rozrušení – stárnutí, degradace – plastů. Plasty na rozdíl od kovových materiálů nereagují na elektrochemické vlivy.

Stárnutí je nevratný chemický a fyzikální proces, který vyvolává degradaci polymerních materiálů: jde o změny chemické struktury se ztrátou mechanických vlastností, barvy, lesku, křehnutí, chemické odolnosti. Stárnutí ovlivňují fyzikální vlivy (teplota, světlo, UV záření, radiace, atmosférické vlivy, mechanická namáhání), dále fyzikálně chemické a chemické vlivy (difuze, bobtnání, destrukce chemickou reakcí), přičemž nesmíme zapomenout ani na biologické vlivy (biologická koroze účinkem mikroorganizmů a plísní):

•Difuze: difundující látka ovlivňuje pohyb v makromolekulách, a to vyvolává změny vlastností. Díky svému uspořádání je difuze snadnější u amorfních materiálů než u částečně krystalických polymerů, míra difuze závisí i na propustnosti polymerů.

•Bobtnání: difundující látka vytváří v makromolekulárním řetězci sekundární vazby, dochází k oddalování řetězců a tím ke změnám objemu a vlastností dílů.

•Destrukce chemickou reakcí: difundující látka reaguje s polymerem, ke změně dochází v důsledku chemického napadení polymeru nebo jeho aditiv.

•Degradace plastů: rozkládání polymerů, při kterém se makromolekuly štěpí na menší části; depolymerace – štěpení na monomery a nízké oligomery; rozklad polymeru – odštěpování nízkomolekulárních produktů – HCl, H_2O.

Dále uvedené degradační faktory – faktory stárnutí – obvykle nepůsobí samostatně, ale vzájemně se ovlivňují:

•Tepelné (tepelná expozice): hodnota teploty a doba jejího působení jsou parametry ovlivňující tepelné stárnutí, respektive dlouhodobé působení teplot, které rozrušuje makromolekuly a materiál křehne. Tepelné stárnutí probíhá buď v inertní atmosféře, nebo například v olejové nebo jiné lázni.

•Termooxidační: tepelná degradace vlivem kyslíku a teploty, kyslík značně urychluje degradaci.

•Fotochemické: absorpce světla ovlivňuje energetický stav molekul – snížení energetického stavu vede k jejich rozdělení, tedy k degradaci.

•Radiační (paprsky X, gama záření): vyvolají změnu chemické struktury.

•Mechanické: namáhání při granulaci, smykové namáhání při toku polymerních tavenin, ultrazvukové namáhání a další typy namáhání vedou k materiálové degradaci.

•Mechanické namáhání: nehomogenní rozdělení namáhání v tahu/tlaku/krutu/ohybu způsobuje přerušení molekulární struktury.

•Chemikálie: voda, kyseliny, zásady, organická média – vyvolají změnu na povrchu dílů vlivem chemických reakcí.

•Stárnutí vlivem povětrnosti: při povětrnostním stárnutí působí současně a střídavě vzdušný kyslík, sluneční záření, vlhkost, sucho – souhrn povětrnostních vlivů má opět za následek rozrušování makromolekul (a tím křehnutí výrobku), vznik trhlin, žloutnutí, ztrátu lesku, ztrátu barevného odstínu atp. U termoplastů obsahujících změkčovadla (měkčené PVC, CA) je nutné počítat s vytěkáváním změkčovadla. Odolnost proti stárnutí ale může mít také obrácený efekt – jejich degradace bude po skončení životnosti díky stabilizaci trvat déle.

•Aditiva proti stárnutí: ochrana proti UV záření, gama záření, antioxidanty, teplotní stabilizátory – mají za cíl zpomalit stárnutí.

•Zkoušky stárnutí: zrychlené UV stárnutí (xenonový test), hydrolytické testování, chemické testování – testování vlivů na zkušebních tělesech v laboratorních podmínkách.

•Testování životnosti: zkoušky životnosti podle požadavků kladených na díl – zrychlené testování na částech dílů nebo na celých dílech nezbytných pro posouzení konkrétního vlivu.

1.3Faktory ovlivňující dobu životnosti plastových dílů

Mezi faktory ovlivňující životnost dílů z termoplastů zejména patří:

•Výběr materiálu (materiálové vlastnosti): chemická odolnost vůči vodě, čisticím prostředkům, olejům, tepelná odolnost.

•Následné operace: lepení, lakování, svařování.

•Design, konstrukce: tvary dílů, rádiusy, tloušťky stěn, umístění a typ vtokového rozvodu a ústí vtoku – při konstrukci dílů je možnost zpětného ovlivnění pomocí simulačních programů.

•Výrobní proces: optimalizace procesních parametrů při vstřikování termoplastů – sušení, plnicí fáze – ovlivnění vlastností povrchu výstřiků, dotlaková fáze – ovlivnění rozměrů a deformací, doba výdrže na zpracovatelské teplotě – nebezpečí teplotní degradace.

•Odhad životnosti dílů: testování dílů – zrychlené stárnutí UV zářením, oxidace za zvýšené teploty a vlhkosti, tahová zkouška – hodnocení mechanických vlastností, hodnocení optických vlastností.

•Obecný závěr pro zvýšení životnosti dílů z plastů: požadavek na nízké tahové napětí v dílu (je možné ovlivnit konstrukcí výstřiku), nízká degradace materiálu (ovlivňuje ji výrobní proces), správná volba materiálu (zaměření na hlavní parametry ovlivňující životnost plastových výrobků).

1.4Závislost vlastností výstřiků z termoplastů na teplotě

1.4.1Vznik makromolekul

Plasty mají jinou strukturu než kovové materiály. Struktura kovů je tvořena krystalickými mřížkami, přičemž jednotlivé kationty jsou obklopeny volně pohyblivým tzv. elektronovým plynem. Z krystalické struktury vyplývají hlavní vlastnosti kovů: vysoká elektrická a tepelná vodivost, kujnost, tažnost, malá teplotní závislost fyzikálně-mechanických vlastností.

Všechny syntetické polymery (vzniklé syntézou) jsou tvořeny makromolekulami, které vznikají opakovaným spojováním základní jednotky (meru), odvozené od výchozí molekuly (monomeru). Spojováním dvou nebo více druhů základních jednotek vznikají kopolymery.

Atomy makromolekul jsou spojeny kovalentními vazbami. Druh kovalentních vazeb je různý, různá je i jejich vazebná energie. Vazebná energie ovlivňuje mechanickou pevnost polymeru, jeho stabilitu za zvýšených teplot a odolnost při působení chemikálií. Jednotlivé řetězce makromolekul mohou (nebo nemusí) být mezi sebou spojeny příčnými chemickými vazbami. Existence nebo nepřítomnost příčných vazeb podstatně ovlivňuje všechny vlastnosti polymeru.

Makromolekuly jsou tedy řetězce opakujících se merů, které se podle struktury dělí na polymery nezesíťované lineární, nezesíťované rozvětvené a síťované.

Lineární polymery vznikají tehdy, mají-li monomery v molekule dvě reaktivní místa: –COOH, OH, –N=C=O, –NH_2, nebo dva volné radikály vzniklé rozštěpením dvojné vazby, například ethylen –CH_2 –H_2 C nebo vinylové polymery –CH_2 –RHC –.

Lineární polymery s bočními skupinami (rozvětvené) vznikají při reakci dvoufunkčních monomerů, kdy dojde k vedlejším reakcím na hlavním řetězci (například rozvětvený polyethylen), nebo při kopolymeraci, kdy je na hlavní řetězec AAAAA naroubován boční řetězec:

B B B B B : A A A A A A

B
B
B

Chemické složení meru: druh atomů a způsob jejich spojení chemickými vazbami určuje základní chemické a fyzikálně-chemické vlastnosti příslušného polymeru. Další vlastnosti jsou určeny celkovým počtem merů v řetězci, neboli délkou řetězce. Počet merů v řetězci se nazývá polymerační stupeň, jeho hmotnost se vyjadřuje pomocí molární hmotnosti. V jednom polymeru jsou obsaženy různě dlouhé řetězce, a proto se polymer charakterizuje pomocí středního polymeračního stupně a pomocí střední molární hmotnosti. Přesnější charakteristika polymeru je určena distribuční křivkou molekulárních hmotností.

S rostoucí střední molární hmotností polymeru rostou jeho mechanické vlastnosti a zároveň se zvyšuje viskozita jeho taveniny při dané teplotě, tedy zhoršuje se jeho tekutost a tedy i zpracovatelnost.

1.4.2Nadmolekulární struktura polymerů

Polymerní látky (zejména lineární a málo větvené) jsou schopné částečné krystalizace, a to buď z velmi zředěných roztoků, nebo z taveniny. Krystalizace znamená, že části makromolekul se spolu skládají a vytvářejí tak pravidelnou prostorovou strukturu. Skládají se do lamel, což jsou destičkové útvary s tloušťkou cca 10 nm (10–9 m) a s plošnými rozměry v řádu mikrometrů (10–6 m). Lamely vyrůstají na sobě tzv. dendritickým způsobem a vytvářejí větší, téměř kulový útvar nazývaný sferolit. Částečná krystalizace znamená, že mezi krystalickou uspořádanou strukturou je i neuspořádaná amorfní struktura.

Pokud makromolekuly nemají schopnost samovolného uspořádání se, při přechodu z kapalného do tuhého stavu (krystalizace) jejich řetězce zůstávají v nepravidelném stavu (v tzv. statistickém klubku) i v tuhém stavu, jsou tedy bez pravidelné nadmolekulární struktury: nazýváme je amorfními. Všechny polymery ve stavu taveniny jsou amorfní.

Jak u amorfních, tak u částečně krystalických polymerů jsou makromolekulární řetězce i jejich části k sobě v pevném stavu vázány mezimolekulárními silami. Na jejich intenzitě jsou závislé zejména mechanické vlastnosti příslušného polymeru. Dále platí, že účinek působení mezimolekulárních sil je nepřímo závislý na vzájemné vzdálenosti molekul: ta je nejmenší u uspořádaných částí řetězců v krystalickém stavu. Krystalické polymery mají tedy oproti polymerům amorfním vyšší a na teplotě méně závislé mechanické vlastnosti. Krystalická fáze má také vyšší hustotu než fáze amorfní. Při krystalizaci dochází ke zmenšování objemu a tyto materiály tedy mají větší smrštění.

Obsah krystalické fáze, velikost a rozložení sferolitů závisí na chemické struktuře polymeru, délce a větvení řetězce. Podle typu polymeru se obsah krystalického podílu (větší nebo menší uspořádání řetězců do formy svazků, lamel, fibril až sferolitů) pohybuje do 90 % objemu. Do skupiny částečně krystalických plastů patří například polyolefiny (PP, PE), POM, PA, PBT, PET, PPS, LCP, PEEK, PI. Mají větší smrštění než amorfní plasty (bez plniv 1 až 3,5 %), jsou obvykle neprůhledné, jejich tepelná odolnost je vysoko nad teplotou skelného přechodu Tg.

Amorfní plasty (například PS, SB, SAN, SBS, ASA, ABS, MABS, PMMA, aromatický PA, PC, PSU, PES) jsou charakteristické menším smrštěním (0,2 až 0,8 %), jsou obvykle transparentní, použitelné do teploty Tg.

Nově vyvinuté katalyzátory používané při výrobě polymerů (metallocenní) poněkud ovlivňují dělení termoplastů na amorfní a částečně krystalické. Metallocenní katalytický systém umožňuje například výrobu téměř transparentního polypropylenu (93 až 96 % transparence – vztaženo k etalonu materiálu PET pro výrobu nápojových lahví), jehož vlastnosti a zpracovatelnost jsou srovnatelné s částečně krystalickým PP. Na druhé straně umožňují výrobu částečně krystalického polystyrenu. Syndiotaktický PS se řadí mezi konstrukční termoplasty s vyšší teplotní a chemickou odolností než standardní PS (obě vlastnosti má podobné jako PBT). Má nízkou specifickou hmotnost, velmi dobrou rozměrovou stálost, není navlhavý, jeho zpracování vstřikováním je bezproblémové, jeho nevýhodou je však relativní křehkost.

1.4.3Polymery a jejich charakteristické teploty

Ve všech materiálech částice hmoty konají různé rotačně-vibrační pohyby, jejichž intenzita a amplituda je úměrná okamžité teplotě. Tyto pohyby se nazývají „mikrobrownův pohyb“ a u polymerů se takto pohybují části řetězců, zvané segmenty.

Při zvyšování teploty se pohyby rozvolňují, což má za následek výraznou změnu vlastností. Změny jsou vázány na charakteristické teploty. Při zvyšování teploty dojde k uvolnění pohybu segmentů a ke změně z křehkého sklovitého chování na chování viskoelastické. Teplota, při níž k tomu dojde, je označovaná jako Tg – teplota skelného přechodu. Při teplotě Tg intenzita tepelného pohybu převýší této teplotě odpovídající mezimolekulární síly a segmenty se začnou pohybovat. Teplota zeskelnění je charakteristickou teplotou pro každý druh polymeru.

Při teplotách pod Tg jsou termoplasty ve stavu sklovitém, jsou tvrdé a křehké. Makromolekuly jsou jako celek tuhé a mechanickým namáháním dojde jen k malým a okamžitě vratným pružným deformacím, jedná se o deformace elastické. Deformují se pouze valenční úhly nebo se mění mezimolekulární vzdálenosti. Deformace jsou malé (v řádu jednotek procent), platí zde Hookův zákon lineární úměrnosti mezi napětím a deformací.

Teploty okolo Tg vymezují oblast skelného přechodu, kdy se při ohřevu již projevuje pohyblivost celých úseků makromolekul, řetězce se působením napětí začínají rozvinovat a schopnost deformace se zvětšuje. Materiál měkne, modul pružnosti náhle klesá, schopnost tlumit vibrace a rázy dosahuje maxima.

Při teplotách nad Tg vzniká tzv. kaučukovitý stav. Při mechanickém namáhání se řetězce již snadno rozvinují, přičemž na rozvinutí potřebují určitou dobu. Po uvolnění napětí se makromolekulární řetězce pozvolna vracejí do původního neuspořádaného stavu, který je pro ně nejstabilnější. Tato zpožděně elastická deformace se nazývá deformace viskoelastická a je charakteristická pro chování plastů.

U částečně krystalických termoplastů jsou polymery v kaučukovité oblasti pevné a houževnaté. Pevnost krystalických oblastí je stále dost vysoká. Kaučukovitý stav se zde projeví jen v amorfních oblastech polymeru. Dalším zvyšováním teploty se u částečně krystalických polymerů přiblížíme k teplotě Tm , teplotě tání krystalické fáze.

U amorfních polymerů dosahuje vratná a časově zpožděná viskoelastická deformace až několik set procent. Klubkovitý tvar makromolekul se mění na protaženější a po uvolnění se makromolekuly vracejí do energeticky výhodnější sbalené polohy. Dalším zvyšováním teploty se přiblížíme u amorfních termoplastů k teplotě Tf, teplotě tečení.

Při teplotách nad Tf u amorfních termoplastů a nad Tm u částečně krystalických termoplastů nastává plastický stav, který je ale pro oba typy polymerů odlišný.

Částečně krystalické termoplasty přecházejí prudce do taveniny: čím je polymer více krystalický, tím prudší je přechod. Se vzrůstem amorfního podílu se projevuje charakter amorfního termoplastu.

Amorfní termoplasty jsou v tomto stavu měkké a viskózně tvárné. Nastává pohyb celých makromolekul, řetězce mohou měnit vzájemně polohy. Deformace jsou velké, nevratné a závislé na čase. S rostoucí teplotou vzrůstá viskózní tok až po určitou hranici, kdy nastane porušení vazeb a rozklad polymeru. Plastického stavu se využívá k tváření polymerů, protože vratná deformace je zde minimální.

Dalším zvyšováním teploty roste amplituda pohybu segmentů, až dojde k jejich pohybu. Zejména při působení vnější síly se celé řetězce pohybují vůči sobě navzájem, tedy dochází k toku. Teplota této změny se nazývá teplota tečení (Tf). Vyskytuje se jen u amorfních polymerů, které se nad touto teplotou nacházejí ve stavu viskózní taveniny.

V krystalické fázi nedochází při zvyšování teploty k uvolňování pohybu segmentů, protože zde působí podstatně větší mezimolekulární síly. K uvolnění těchto sil dojde až při dalším zvýšení teploty, kdy se pravidelná krystalická struktura rozpadne přímo na viskózní taveninu. Tato teplota se nazývá teplota tání krystalického podílu Tm. Protože žádný reálný polymer nekrystalizuje na 100 %, ale jen částečně, mluvíme o částečně krystalických polymerech (semikrystalických). Částečně krystalické polymery obsahují v mezimolekulárních prostorách amorfní oblasti, které mají své Tg. Se zvyšujícím se podílem krystalické fáze se zvyšuje i hustota polymeru a vzrůstá i teplota jejich tání.

Při dalším zvyšování teploty se řetězce začnou intenzivním tepelným pohybem rozpadat na fragmenty, což vede k destrukci polymeru. Tato teplota se označuje jako Tc – teplota rozkladu polymeru.

1.4.4Reologie polymerních tavenin, disipační ohřev tavenin, fontánový tok tavenin

Mechanizmus toku polymerních tavenin je značně odlišný od toku nízkomolekulárních kapalin, jejichž chování je tzv. newtonské. Tok polymerních tavenin je nenewtonský, pseudoplastický. K jeho popisu se nejvíce používá empirický vztah, tzv. mocninový zákon.

Experimentálně se tokové vlastnosti konkrétního polymeru vyjadřují ve zpracovatelském rozsahu smykových napětí pomocí tokových křivek, konstruovaných jako závislosti experimentálně naměřených smykových napětí na rychlosti smykové deformace v měřeném místě.

Při nevratné deformaci hmoty, kdy dochází účinkem vnější síly k přeskokům jejích částic do nových poloh, se práce spojená s tímto přeskokem obecně mění v teplo. Mluvíme o disipaci mechanické energie na energii tepelnou. K tomuto jevu dochází při toku taveniny spontánně a je jen otázkou kvantitativních poměrů, kdy se projeví dodatečným zvýšením teploty v daném místě. Disipační výkon při toku je v daném místě úměrný součinu smykového napětí a smykové rychlosti. K reálnému ohřevu polymerní taveniny při jejím toku bude docházet v místech jejího nejrychlejšího proudění, tedy v místech s největším zúžením tokové dráhy. Ohřev může způsobit až dosažení teploty Tc a tepelnou degradaci materiálu. Při vstřikování je teplota stěny tokového kanálu nižší než teplota Tm, respektive Tf. Proto při toku polymerních tavenin dochází k časově neustálenému toku, kdy na „studené“ stěně tokového kanálu tavenina tuhne v rostoucí vrstvě. Pod tuhnoucí vrstvou směrem ke středu kanálu tavenina nadále teče, ale tak, že na povrchu chladnoucí vrstvy není nulová rychlost toku taveniny. Takový tok nazýváme tokem fontánovým a je to při plnění tvarových dutin forem nejvhodnější způsob toku.

1.4.5Charakteristické teploty, vlastnosti amorfních a částečně krystalických plastů

Obecně lze říci, že s teplotou se mění všechny mechanické vlastnosti jak kovů, tak i plastů. U plastů však dochází k výrazným změnám jejich mechanických vlastností již při teplotách, při kterých jsou tyto změny u kovových materiálů prakticky neměřitelné. To souvisí kromě jiného i s tím, že teplotní oblast použití plastů leží zpravidla o několik desítek stupňů pod jejich teplotou skelného přechodu u amorfních materiálů, respektive teplotou tání krystalického podílu u částečně krystalických polymerů, zatímco u kovových materiálů je to o několik stovek stupňů pod teplotou tání.

Termoplasty jsou velmi náchylné i k tečení při zvýšených teplotách. Vyvolává to výraznou závislost konstrukčních parametrů, jako například pevnosti v tahu, modulu pružnosti v tahu i ohybu na teplotě, takže znalost teplotních závislostí fyzikálně-mechanických vlastností je podmínkou konstrukčního využití plastů.

V určité oblasti teplot probíhají změny rychleji anebo se mění skokově. V těchto oblastech existují přechodové teploty: Tg – teplota zeskelnění (neboli teplota skelného přechodu), Tf – teplota viskózního toku (pro amorfní plasty), Tm – teplota tání (pro částečně krystalické plasty).

U amorfních plastů se hodnota meze pevnosti v tahu a modulu pružnosti v přechodové oblasti v okolí teploty zeskelnění Tg mění skokově, modul pružnosti asi o tři řády, koeficient teplotní roztažnosti o 100 %.

AMORFNÍ POLYMERNÍ MATERIÁLY

Závislost měrného prodloužení εr , měrného objemu v a modulu pružnosti E na teplotě

ČÁSTEČNĚ KRYSTALICKÉ POLYMERNÍ MATERIÁLY

Závislost měrného prodloužení εr, pevnosti σz a modulu pružnosti E na teplotě

Tg – teplota skelného přechodu; Tf – teplota tečení; Tm – teplota tání krystalického podílu Tg (termoplastické směsi) křivky závislosti mají dvě přechodové oblasti B v závislosti na Tg jednotlivých složek; E1 – vysoký obsah krystalického podílu;
E2 – střední; E3 – nízký; A – sklovitá oblast; B, D – přechodové oblasti; C – kaučukovitá oblast; E – oblast viskózního toku. Amorfní materiály: A – oblast použití; C – oblast tvarování; D – oblast vyfukování; C, D – oblast vytlačování, vstřikování.
Částečně krystalické materiály: A, B, C – oblast použití; C, D – oblast tvarování, vyfukování; E – oblast vytlačování, vstřikování

Amorfní plasty Tg (°C)

Částečně krystalické plasty Tg (°C)

PS

90 až 100

PE

–80

ABS

105 až 115

P

–20

SAN

115

POM

–50 až –60

PVC

85

PBT

+60

PMMA

100

PA 6

+45

PC

144

APEC

205

PSU

187

Obrázek 1.1: Charakteristické teploty polymerních materiálů a teplotní závislost jejich vlastností

Amorfní termoplasty:

A – skelný stav; B – oblast skelného přechodu; C – kožovitá oblast; D – kaučukovitý stav;

F – visko-elastický tok; G – tok polymerní amorfní taveniny

Částečně krystalické termoplasty:

H – rozmezí skelného přechodu; J – termoplasty s vysokým obsahem krystalického podílu;

K – termoplasty se středním obsahem krystalického podílu;

L – termoplasty s nízkým obsahem krystalického podílu; M – amorfní termoplasty;

I – rozmezí tání krystalického podílu

Obrázek 1.2: Závislost vlastností amorfních a částečně krystalických plastů na teplotě

Konkrétní hodnota je závislá na velikosti mezimolekulárních sil (čím budou tyto síly větší, tím bude vyšší i teplota zeskelnění) a ohebnosti řetězců (čím bude ohebnost větší a mezimolekulární síly menší, tím bude nižší teplota zeskelnění). Teplotu zeskelnění je možné ovlivnit například přídavkem změkčovadel, které sníží mezimolekulární soudružnost a tím i Tg. Je tedy patrné, že nejnižší hodnotu teploty zeskelnění vykazují kaučuky, neboť mají malé mezimolekulární síly a značně ohebné řetězce (–100 až –120 °C) a částečně krystalické plasty (například PE –120 °C, PP –10 °C). Amorfní termoplasty mají hodnotu teploty zeskelnění výrazně nad teplotou okolí (PS 85 až 100 °C).

Při teplotě viskózního toku Tf narůstá intenzita změn vlastností polymeru. Při této teplotě ztrácí hmota své kaučukovité vlastnosti a mění se ve vysoce viskózní kapalinu. Nad touto teplotou leží oblast zpracovatelnosti materiálu. Zvýšením teploty klesají mezimolekulární síly a tím se snižuje i viskozita taveniny. Při dalším zvyšování teploty začne probíhat tepelná degradace polymeru (teplota Tc).

U částečně krystalických plastů dochází k nejrychlejším změnám vlastností v oblasti teplot, kterou charakterizuje teplota tání Tm. Při teplotě tání dochází k rozpadu a tání krystalického podílu, což je provázeno změnou fáze hmoty, která přechází ze stavu tuhého do stavu kapalného. Je zřejmé, že tání se děje v určitém teplotním intervalu a teplota Tm představuje pouze střední hodnotu této oblasti, podobně jako teplota Tg. Konkrétní hodnota závisí na velikosti mezimolekulárních sil a na velikosti makromolekul. Zvětšení obou veličin má za následek zvýšení teploty tání.

Protože i částečně krystalické polymery obsahují určité množství amorfních podílů, lze u nich stanovit teplotu zeskelnění, která charakterizuje výrazné změny vlastností polymeru. Tyto změny se ovšem dotýkají pouze amorfní složky hmoty, takže čím bude polymer vykazovat vyšší stupeň krystalinity (vyšší uspořádanost), tím jsou změny při Tg méně patrné.

Deformační změny polymeru nejsou dány jen teplotou, ale i velikostí a dobou působení mechanického namáhání. Viskoelastická deformace současně s plastickou deformací se proto může v malé míře projevovat (zejména u termoplastů) v kaučukovitém stavu polymeru a nepatrně i ve sklovitém stavu polymeru. Tyto deformace jsou příčinou tečení (krípu, creep) a relaxace napětí v polymeru.

Tečení (kríp) je vratná a nevratná deformace narůstající s časem, vyvolaná dlouhodobým konstantním mechanickým namáháním. Je větší u částečně krystalických termoplastů, neboť ty se používají převážně nad teplotou Tg, a malá u amorfních termoplastů, neboť ty lze používat jen pod teplotou Tg.

Relaxace napětí je pokles napětí v konstantně deformovaném předpjatém tělese z termoplastu v závislosti na čase. Ze stejných důvodů jako u krípu je relaxace malá u amorfních termoplastů a větší u částečně krystalických termoplastů.

1.5Odolnost termoplastů proti působení chemikálií

Výrobky z plastů (jak ve strojírenství, tak obecně) se většinou nevyskytuji v inertním prostředí, ale působí na ně celá řada vnějších vlivů. Prostředí, které je ve stavu tuhém, kapalném nebo plynném a působí na polymer, může být obecně fyzikálně nebo chemicky aktivní. Při vzájemném působení prostředí (zejména v kapalném stavu) s polymerními materiály mohou nastat dva případy:

•chemikálie nevyvolá žádné změny vlastností polymeru a není jim ani absorbována,

•dochází k absorpci chemické látky a tato látka v polymeru může způsobit fyzikální nebo chemické změny – korozi polymerních materiálů.

Ve fyzikálně aktivním prostředí nedochází k chemickým reakcím mezi prostředím a polymerem, chemikálie je polymerem absorbována. Dochází k bobtnání až rozpouštění polymeru. Navlhavost a nasákavost polymeru je vlastně také působení fyzikálního prostředí, důsledkem je bobtnání polymeru. Existují i polymery ve vodě rozpustné, ale ty se obvykle používají v jiných oblastech než na strojírenské výrobky. Mohou sloužit jako materiál, z něhož se vyrobí (například vstřikováním) jádro, které se vloží do další vstřikovací formy, obstříkne se termoplastem a jádro se následně ponořením do vodní lázně rozpustí.

V průběhu bobtnání se postupně mění fyzikálně-mechanické vlastnosti. Změny vlastností polymeru způsobené fyzikálním prostředím jsou obecně vratné, například polyamid rozpustný v kyselině mravenčí po vysušení opět nabývá původních vlastností (i když ne vždy). Při bobtnání muže dojít k vymývání některé nízkomolekulární frakce, například změkčovadla, nebo se poruší struktura dosažená zpracovatelskou technologií, například orientace makromolekul.

Na bobtnání a rozpouštění mají vliv mezimolekulární síly. Ty působí jak mezi molekulami rozpouštědla, tak mezi molekulami makromolekulární látky, při rozpouštění pak mezi molekulami obou látek navzájem. Soudržnost molekul jedné i druhé látky bobtnání a rozpouštění zpomaluje. Interakce mezi molekulami obou látek bobtnání a rozpouštění naopak podporuje.

Odolnost polymerů vůči organickým rozpouštědlům závisí na polaritě polymeru a rozpouštědla. Prakticky vždy platí pravidlo, že polymer obsahující polární skupiny je napadán polárním rozpouštědlem a naopak. Jako příklad mohou sloužit nepolární materiály PP, PE, PS, které bobtnají nebo se rozpouštějí v nepolárních rozpouštědlech (benzin, benzen), ale odolávají polárním rozpouštědlům (voda, alkoholy).

Chemicky aktivní prostředí reaguje s polymerem nebo s některou z jeho složek a způsobuje nevratné, trvalé změny jeho vlastností, případně až jejich úplnou a nevratnou destrukci.

Odolnost polymerů vůči kyselinám, zásadám a oxidačním látkám snižují jejich polární skupiny v řetězci makromolekuly. Uvedeným chemikáliím odolávají nejméně polární polymery obsahující atomy O, N atd. Výjimku tvoří fluoroplasty a chloroplasty, které těmto látkám odolávají, přičemž nejodolnější je polytetrafluorethylen (PTFE) obsahující atomy fluoru.

Neuhlíkaté atomy (S, O, N atd.) obsažené v makromolekulách podléhají účinkům kyselin a zásad ve formě hydrolityckého rozkladu.

Makromolekulární látky se při srovnání chemické reaktivity (odolnosti) chovají obdobně jako organické sloučeniny nízkomolekulární. Nízkomolekulární alkany jsou ve srovnání s jinými sloučeninami celkem netečné k chemickým reakcím. Zcela analogicky se chovají obdobné sloučeniny vysokomolekulární: polyethylen, polypropylen, polyisobutylen.

Substituent v polyethylenovém řetězci způsobuje snížení odolnosti: polyvinylacetát, polyvinylakrylát, polyvinylalkohol.

Výjimkou jsou sloučeniny, kde je vodík nahrazen zcela nebo částečně fluorem nebo chlorem, tyto látky jsou mimořádně odolné proti působení chemikálií (polytetrafluorethylen, polytrifluorchlorethylen, polyvinylchlorid).

Nahrazení uhlíkatých vazeb (jako u sloučenin odvozených od polyethylenu) jiným neuhlíkatým článkem, převážně kyslíkem a dusíkem, způsobuje podstatné snížení odolnosti. K rozštěpení makromolekuly dochází v tomto nejslabším místě makromolekuly. Tyto sloučeniny (polyamidy, polyuretany, nízkomolekulární estery) podléhají snadno zejména hydrolýze kyselinami, zásadami, ale i vodou.

Vliv chemických činidel na plasty způsobuje pokles pevnosti, modulu pružnosti, tažnosti, změnu barvy. Plasty jsou většinou k chemickým činidlům odolné. Určité druhy plastů mají k určitým skupinám chemikálií dokonce vynikající odolnost a používají se jako ochranné povlaky. V podkladech výrobce materiálu se obvykle uvádí odolnost daného termoplastu pro jednotlivé chemikálie, tedy nejen pro rozpouštědla, ale například i pro kyseliny, louhy a agresivní plyny.

Odolnost částečně krystalických polymerů vůči chemikáliím je ovlivněna i obsahem jejich krystalické fáze – se zvyšující se krystalinitou se odolnost zvyšuje. Vliv má také doba působení, teplota prostředí, kdy se zvyšující se teplotou chemikálie klesá odolnost nebo koncentrace chemické látky, kdy polymer může být napaden až od určité její koncentrace.

Mechanické namáhání nebo vnitřní pnutí snižují chemickou odolnost termoplastů, zejména při vzájemném působení s chemikáliemi. Tento vzájemný účinek může být tak silný, že dojde až k porušení polymeru (vznikají napěťové trhlinky) i v prostředí chemické látky, které jinak polymer odolává, například PS v lakovém benzinu. Tento jev se nazývá koroze za napětí, ESC – Environmental Stress Cracking.

Odolnost polymerů proti propustnosti plynů a kapalin je dána pohyblivostí jejich makromolekul. Čím jsou makromolekuly pohyblivější (jako tomu je u polymerů s lineární strukturou), tím je jejich propustnost větší. Nejmenší propustnost mají polymery s hustě zesíťovanou strukturou nebo polymery, u nichž při zpracování došlo k orientaci makromolekul, například vlivem dloužení předlisku (preformy) při vyfukování PET lahví.

1.6Navlhavost a nasákavost

Nasákavost a navlhavost je měřítkem odolnosti polymeru proti vodě jako fyzikálně aktivnímu prostředí. Přijímání vody polymerem z vlhkého ovzduší se nazývá navlhavost, při ponoření do vody je to nasákavost. V obou případech se jedná o stejný proces sorpce vody. Polární polymery s hydrofilními skupinami (–NH–CO–), například PA, CA, PU, mají velkou sorpci vody. Nepolární polymery, například PE, PP, PS, PTFE, mají sorpci vody velmi nízkou.

Anorganická plniva (skleněná vlákna, kaolin, křemičitá moučka) ve většině případů navlhavost a nasákavost snižují, naopak organická plniva (celulóza) ji zvyšují. Nedokonalá adheze polymeru k plnivu způsobuje sorpci vody vzlínáním.

U částečně krystalických polymerů se sorpce vody snižuje s rostoucím procentem krystalinity.

Sorpce vody probíhá do určitého rovnovážného stavu. Čím tenčí stěna výstřiku, tím rychleji se rovnováha ustaví. Sorpce vody je vratný děj, z plastového dílce s obsahem vody v suchém prostředí voda ubývá, opět až do dosažení rovnovážného stavu.

Přijímáním vody se rozměry plastové součásti zvětšují zhruba o objem absorbované vody, ubýváním vody se rozměry opět zmenšují. Obsah vody ovlivňuje nejen rozměry, ale také mechanické vlastnosti. Sorpcí vody se snižuje pevnost, modul pružnosti, tvrdost a elektroizolační vlastnosti. Zvyšuje se tažnost a houževnatost. V některých případech může dojít k vyplavování změkčovadel nebo nízkomolekulárních podílů, pak ovšem nastávají nevratné změny.

Výstřiky z plastů mají po výrobě prakticky nulový obsah vody, a proto je někdy nutné provést jejich kondicionaci do rovnovážného stavu, čímž se u nich zvýší houževnatost a sníží tuhost a pevnost. Pro urychlení kondicionace se proto někdy výrobky po vstřikování ukládají krátkodobě do vody.

1.7Koroze za napětí

Jestliže jsou plasty vystaveny mechanickému napětí nebo mají vysoký obsah vnitřního pnutí za současného působení určitých kapalin nebo par, může se u nich objevit koroze za napětí.

Projevuje se vytvářením povrchových trhlin, které se postupně šíří a prohlubují, výrazně zhoršují mechanické vlastnosti výrobku, až nakonec vedou k lomu nebo přetržení.

Prostředí a látky, které mají schopnost vyvolávat korozi za napětí, se nazývají tenzoaktivní prostředí nebo tenzoaktivní látky. Například LD-PE i HD-PE mají velký sklon ke korozi za napětí a tenzoaktivní látky jsou pro ně obecně tenzidy (PAL), mastné kyseliny a rostlinné oleje, silikonové oleje, glykoly, benzen, toluen, aceton, estery, nižší alkoholy, technická maziva. Naproti tomu pro PP mají stejné tenzoaktivní látky jen malý vliv na korozi.

Při krátkodobém působení tenzoaktivního prostředí se projevují velké rozdíly v odolnosti jednotlivých typů plastů proti korozi za napětí. PA, PP, PC, ABS jsou mnohem odolnější než PS, PMMA, PE, ale při dlouhodobém působení několika měsíců se rozdíly zmenšují a koroze za napětí se projevuje u většiny termoplastů.

1.8Aditiva do polymerů

Polymerní materiály určené pro vstřikování jsou složeny ze základního polymeru a z aditiv. Základní polymer je vyroben jednou z polyreakcí, při níž přecházejí chemickou cestou monomerní jednotky na makromolekulární látky, polymery. Polyreakce jsou tvořeny třemi základními postupy:

•Polymerací – výroba polyolefinů (PP, PE), styrénových polymerů (PS, SAN, ASA), polyakrylátů (PMMA), PVC.

•Polyadicí – proces syntézy lineárních polyuretanů (PUR).

•Polykondenzací – vznik polyamidů, polykarbonátů, nenasycených polyesterů (PET, PBT, LCP).

Takto vzniklé polymery nemají řadu vlastností vhodných pro technologii vstřikování, a proto se upravují přísadami (aditivy), které je upraví a tím získají příslušné vlastnosti. Mezi nejčastěji používaná aditiva řadíme:

•Přísady pro zlepšení zpracovatelnosti polymerních tavenin:

−Tepelné, termooxidační stabilizátory: pro zvýšení teplotní stability, doby prodlevy taveniny na pracovní teplotě v plastikační jednotce vstřikovacího stroje a v horkém systému vstřikovací formy.

•Vnitřní maziva: pro zlepšení tokových vlastností tavenin, pro jejich lepší zatékavost, bezporuchovou plastikaci ve šnekovém plastikačním válci, nelepivost taveniny, snadné vyjímání z tvarové dutiny vstřikovací formy.

−Nukleační činidla: pro dosažení rovnoměrné a jemné krystalické struktury u částečně krystalických materiálů.

•Stabilizátory:

−Termooxidační: zvyšují odolnost vstřikovaného materiálu k termooxidačnímu stárnutí, zvyšují teplotu jejich použití a dobu použití na této teplotě.

−UV stabilizátory: zvyšují odolnost materiálu k atmosférickému stárnutí, prodlužují životnost výstřiků; absorbují, nepropouštějí světlo o vlnové délce 300 až 400 nm, které zapříčiňuje UV degradační procesy.

•Změkčovadla (plastifikátory): snižují tuhost a tvrdost, zvyšují ohebnost, elasticitu, tažnost a houževnatost výstřiku při teplotě okolí, nejčastěji se používají v měkčeném PVC.

•Polymerní modifikátory: sloučením, smícháním se základním polymerem vytvářejí polymerní směsi, slitiny (blendy) s modifikovanými, zlepšenými vlastnostmi, než jaké měl základní polymer.

•Lubrikanty (maziva): snižují viskozitu tavenin, zlepšují jejich tekutost, zlepšují odformovatelnost výstřiků, zvyšují jejich lesk.

•Nukleační činidla: modifikují rychlost krystalizace, při kratší době krystalizace je kratší i doba výrobního cyklu (ale i zhoršení možnosti ovlivnit v dotlakové fázi smrštění v důsledku „zamrznutí“ změn v materiálu).

•Antistatické přísady: termoplasty mají obecně elektricky nevodivý charakter, což na jejich povrchu zapříčiňuje vznik elektrostatického náboje, který mají antistatika za úkol snížit.

•Retardéry, zpomalovače hoření: hořlavost (spíše samozhášivost) snižují až při relativně vyšších koncentracích – od cca 5 % – a tak mají obvykle i negativní vliv na zpracovatelské vlastnosti polymerních tavenin (zkracují výdrž taveniny na zpracovatelské teplotě, taveniny se teplotně dříve rozkládají) i na užitné vlastnosti výstřiků (například mohou negativně ovlivnit jejich vzhled); u kompozitních materiálů ke zpomalení hoření přispívají i anorganická plniva; hořlavost plastů se u kompozitů plněných minerálními plnivy snižuje, u kompozitů se skleněnými vlákny jejich vliv není jednoznačný. Plasty je možné seřadit podle pětistupňové klasifikace: 0 – nehoří, 1 – samozhášivý, 2 – hoří velmi pomalu, 3 – hoří pomalu, 4 – hoří rychle. Z plastů je nehořlavý pouze PI (polyimid), PTFE (polytetrafluorethylen), SI (silikony) a FEP (tetraflourethylen-hexaflouorpropylen kopolymer). Mezi samozhášivé (bez samozhášivých přísad) patří PC, PPO, tvrdé PVC.

•Nadouvadla: tyto látky (chemická nadouvadla) se při zahřátí na zpracovatelskou teplotu základního polymeru rozkládají a uvolňují plyny, které ve výstřiku vytvoří uzavřené, otevřené nebo navzájem propojené dutinky. Uvolněné plyny ve výstřicích působí jako fyzikální nadouvadla při vstřikování, kdy se do polymerní taveniny vpraví například dusík nebo oxid uhličitý, který je dobře rozpustný v polymerních materiálech a má nižší tlak páry než dusík. Při použití nadouvadla vznikají lehčené výstřiky se zmenšenou měrnou hmotností, lehčení může dosáhnout úspory materiálu cca 20 až 60 %. Nejčastěji používaným chemickým nadouvadlem uvolňujícím dusík je azodikarbonamid (ADCA), oxid uhličitý uvolňuje kyselina citronová.

•Barviva, pigmenty, optická zjasňovadla, barevné koncentráty: pigmenty a barviva dávají polymernímu materiálu požadovaný barevný odstín a musí zajistit i kryvost, jsou v polymerech nerozpustné. Podle původu je dělíme na anorganické, organické a bronzy (kovové prášky), mohou působit též jako nukleační činidla. Různá barviva aplikovaná na stejný polymer mohou vyvolat různé smrštění výstřiků právě v důsledku jejich působení jako nukleačních činidel.

Aplikují se do materiálu při jeho výrobě u prvovýrobce, při výrobě v kompaudační firmě, u výrobce regranulátu nebo ve formě barevných koncentrátů, prášků, kapalin do tzv. přírodních materiálů, natur granulátů, případně hmotnostním nebo objemovým dávkováním přímo na vstřikovacích strojích u zpracovatelů granulátů.

Základem barevného koncentrátu je tzv. nosič, tedy plast, který obsahuje 20× až 100× více pigmentů a barviv než původní přírodní granulát. Sortiment nabídky barevných koncentrátů je dán vzorníky barevných odstínů RAL, PANTONE, HKS-NCS atd., nebo individuálními požadavky zákazníků, kdy kolorista specializované firmy připraví a odzkouší požadované barvivo, respektive barevný koncentrát. Barevný koncentrát se dodává buď na tzv. univerzálním nosiči (obvykle PE vosky), nebo je namíchán a zgranulován přímo na polymeru, který bude obarvovat, což je výhodnější, protože tím nejsou ovlivněny vlastnosti výstřiku ve srovnání s nebarveným dílem.

Základním požadavkem kladeným na barevné koncentráty je jejich tepelná stálost – tedy nosič, pigment i barvivo musí beze změny odolat výrobním podmínkám i při několikanásobném zpracování regenerátu. Obecně platí, že anorganické pigmenty jsou tepelně stálejší než organické, z nichž nejmenší tepelnou odolnost mají pigmenty červené a žluté.

Dalším požadavkem je světelná stálost, respektive odolnost vůči UV záření, povětrnostní stálost a zdravotní nezávadnost.

Opticky zjasňující prostředky zlepšují vzhled u přírodních, bílých a světle pigmentovaných výstřiků, jejich účinná složka pohlcuje záření v intervalu 320 nm až 400 nm a reemituje jej ve viditelné oblasti s dominující složkou modrého světla, jehož emise potlačuje žlutost a činí tak výrobek pro lidské oko bělejší.

Mezi čiré (transparentní) plasty řadíme amorfní termoplasty PS, SAN, PMMA, PC, PET, PA amorfní, PVC měkčené, CA a částečně krystalický PP vyrobený s využitím metalocenních katalyzátorů.

Plniva, kompozitní materiály (polymerní materiály s plnivy) jsou definovány jako materiálové struktury vzniklé ze dvou nebo více materiálů se vzájemně odlišnými vlastnostmi, které ale ve výsledku (v kompozitu) mají synergický účinek, tedy při současném působení mají vyšší účinek, než by byl při součtu účinků každého z nich odděleně (1 + 1 > 2).

Kompozitní materiál je obvykle složen z polymerního materiálu s aditivy (polymerní matrice) a z plniva. Jako plnivo se používají plniva částicová – uhličitan vápenatý, oxidy křemíku, talek (mastek), dřevitá moučka, skleněné kuličky (průměr 0,005 mm až 0,500 mm), mleté minerály (slída, kaolin, křída, břidlice), mikroskopické částice kovů atd., vyztužující – vlákna skleněná, uhlíková, kovová, minerální, aramidová, přírodní (len, sisál, konopí, kokos apod.) atd. a nanoplniva – nejčastěji vrstevnaté jíly (montmorilonit), uhlíkové nanotrubičky atd. Specifickým plnivem jsou dlouhovláknité výztuže z různých materiálů (uhlíková, skleněná, přírodní vlákna atd.), obvykle ve formě rovingů, rohoží, tkanin apod.

Označení kompozitních materiálů se může skládat z označení základního polymeru (například PP, PA 66 atd.) a z označení plniva: GF skleněné vlákno (glass fibre), CF uhlíkové vlákno (carbon fibre), T talek (talcum), K uhličitan vápenatý (calcium carbonate), CD uhlíkový prach (carbon powder, fines), GB skleněné kuličky (glass bead, balls), GD skleněný prach (glass fines, powder), GX skleněné nespecifikované plnivo (glass X), MF(x) kovové vlákno (metal fibre), MD(x) kovový prach (metal fines, powder), MF minerální vlákno (mineral fibre), MD minerální prach (mineral fines, powder), MX minerální nespecifikované plnivo (mineral X), NF přírodní vlákno (natural fibre), P slída (mice), Q oxid křemíku (silica), RF aramidové vlákno (aramid fibre).

Plniva, jak již bylo uvedeno, dělíme na několik skupin:

Plniva částicová: Do skupiny částicových plniv patří celá řada minerálních plniv o různé velikosti a tvaru částic. Tato plniva obecně zvyšují viskozitu taveniny (zhoršují její tekutost), zvyšují tvrdost, tuhost a tepelnou odolnost výstřiků a zmenšují jejich smrštění. Zvýšení uvedených vlastností není ve svém výsledku, oproti vyztužujícím plnivům nijak výrazné.

Specifické typy částicových plniv (například grafit, MoS_2) zlepšují kluzné vlastnosti výstřiků, další snižují povrchový a vnitřně izolační odpor, zvyšují tepelnou vodivost (grafit, uhlíková vlákna, bronzový, hliníkový prach, kovová vlákna).

Koncentrace částicových plniv v kompozitu se pohybují od nízkých obsahů (pod 1 hmotnostní procento) až po vysoké obsahy (60 a více hm %). Velikost částic se pohybuje od jednoho až desítek mikronů (například mikromletý grafit má průměr 0,002 mm až 0,005 mm, ketonové vysokostrukturní saze průměr pod 0,001 mm, aerosil průměr 0,010 mm až 0,030 mm) až po desetiny milimetrů (například grafit, mikromletý vápenec). Tvar mají kulovitý (kaolin, mikromletý vápenec) nebo destičkový (talek, slída, grafit).

Mezi částicová plniva řadíme například skleněné mikrokuličky, talek (mastek), kaolin, mikromletý křemen, vápenec, čedič, perlit, živec, případně další minerály, koks, saze, aerosil, slídu, kysličníky kovů, sírany, sirníky, práškové kovy a jejich slitiny, polymerní prášky, dřevo atd. Plniva tohoto typu mohou zároveň působit jako pigment (saze), retardér hoření (saze) nebo jako nukleační látka, pokud je jejich velikost řádově stejná nebo menší než velikost sferolitů.

Plniva vyztužující: Vyztužující plnivo výrazně zvyšuje v kompozitu jeho pevnost, tuhost, tvarovou stálost, odolnost k toku za studena a naopak snižuje jeho ohebnost, tažnost, houževnatost, smrštění (ale podstatně zvyšuje anizotropii smrštění) a kluzné vlastnosti s výjimkou uhlíkových vláken. Vyztužující plniva mají obvykle vláknitou strukturu a používají se ponejvíce ve tvaru sekaných pramenců vláken. Délka vláken vstupujících v granulátu do procesu vstřikování termoplastů se pohybuje od jednotek milimetrů do několik desítek milimetrů.

Vážení čtenáři, právě jste dočetli ukázku z knihy Vstřikování plastů.
Pokud se Vám líbila, celou knihu si můžete zakoupit v našem e-shopu.