Technologie zpracování plastů a kompozitů. Přednáška č.1 -Úvod, historie, materiály, zpracovatelské technologie a recyklace

Transkript

1 Technologie zpracování plastů a kompozitů Přednáška č.1 -Úvod, historie, materiály, zpracovatelské technologie a recyklace 1

2 Přednáška č. 1 Úvod, historie, materiály, zpracovatelské technologie a recyklace 1.1 Definice a historie plastů 1.2 Srovnání vlastnosti plastu a kovu 1.3 Základní vlastnosti a molekulární interakce 1.4 Funkčnost plastových výrobků 1.5 Technologie strojů a nástrojů 1.6 Souvislost mezi zpracováním plastů a strojním inženýrstvím 1.7 Základní úvahy o recyklaci plastů 2

3 1.1.1 Monomer a polymer Monomer molekula, která má schopnost se za vhodných podmínek spojovat v makromolekuly Monomer skládá se většinou z atomů uhlíku a vodíku, často kyslíku, dusíku, chloru, křemíku Polymer je velká molekula (makromolekula) sestávající z opakujících ze jednotek 3

4 1.1.2 Molekulární struktura polymerů Řetězcová struktura molekul: dlouhá lineární řada vzájemně spojených atomů nebo skupin atomů, představuje převažující strukturní motiv, který může být přerušen větvením. Highpolymer : Průměrná molární hmotnost Makromolekuly >10 4 g/mol 4

5 1.1.3 Definice plastics Mezinárodní norma ČSN EN ISO 472:2013, definice plastic, noun material which contains as an essential ingredient a high polymer and which, at some stage in its processing into finished products, can be shaped by flow NOTE 1 Elastomeric materials, which are also shaped by flow, are not considered to be plastics. NOTE 2 In some countries, particularly the United Kingdom, the term plastics is used as the singular form as well as the plural form. polymer plastics low polymer elastomer 5

6 1.1.3 Definice plast (en: plastics) Mezinárodní norma ČSN EN ISO 472:2013, definice plast materiál obsahující významný podíl vysokomolekulárního polymeru, který lze v určitém stadiu zpracování na konečný výrobek v tekutém stavu tvarovat POZNÁMKA 1 k heslu Elastomerní materiály, které lze rovněž ve stavu tekutosti tvarovat. nejsou považovány za plasty. POZNÁMKA 2 k heslu V některch zemích, zvláště ve Velké Británii, se termín plastics používá jak v jednotném, tak v množném čísle. polymer krátké elastomer plast 6

7 1.1.4Definice komposit (en: composite) Mezinárodní norma ČSN EN ISO 472:2013, definice kompozit <vyztužováni vlákny> pevný výrobek složený ze dvou nebo více odlišných fází, které zahrnují pojivo (matrici) a částicový nebo vláknitý materiál PŘÍKLAD Materiál pro tváření obsahující vyztužující vlákna, částicová plniva nebo duté kuličky. matrice vlákna, částice komposit 7

8 1.1.5 Historie plastů 1856 celuloid první plast (nitrát celulózy a kafr) 1. etapa výzkum chem. látek a reakcí 1907 bakelit (na bázi fenolformaldehydové pryskyřice) 1925 PVC 1927 acetát celulózy, 30. léta: PS, PE 40. léta: PA (PA 66 - Nylon), 50. léta: PE, PP, PET, PC a další 2. etapa výzkum vlastností plastů, aplikace léta: vznik nové skupiny plastů např. PSU (polysulfon), Kevlar 8

9 1.1.6 Český příspěvek k historii plastů Vývoj Polyamidu/Nylonu Historie polyamidu začala v Baťově výzkumném ústavu ve Zlíně, kde v roce 1940 Otto Wichterle vypracoval výrobní postup k přípravě kaprolaktamu, základní sloučeniny k výrobě polyamidu. O rok později se podařilo vyvinout postup spřádání polyamidové příze tryskou i její navíjení na cívky. Z příze vznikly vzorky punčoch a ponožek. Nový materiál měl nést jméno winop podle tří členů vývojového týmu Wichterle, Novotný, Procházka, ale kvůli podobnosti s již existujícím nylonem byl pojmenován silon. Jeho průmyslová výroba se rozeběhla v roce (Speciál Týdeníku Květy 200 nej událostí naší historie, 2014) 9

10 1.2.1 Srovnání vlastnosti jablka a hrušky Srovnat a Jablko Hrušku Rozdíl 10

11 1.2.2 Srovnání vlastnosti plastu a kovu Srovnat Kov a Plast Veliký rozdíl Pozor, kdybyste chtěli transferovat inženýrské metody (původně pro kov) na plast! 11

12 1.2.3Srovnání: jaký materiál je v čem unikátní? Vlastnost Kov Plast Přesnost, stabilita Hmotnost, pružnost 12

13 1.2.4 Srovnání: existuje vítěz? Vlastnost Kov Plast Odolnost proti teplotě, únava materiálu Hmotnost, korose, barva 13

14 1.2.5 Srovnání: souboj gigantů Vlastnost Kov Plast Estetika Tuhost, Hmotnost 14

15 1.2.6 Využití plastů v průmyslu Medicina 2,3 % Rúzné 13,2 % Zemědělství 3,1 % Obaly 35,0 % Nábytek 3,9 % Domácí potřeby 2,9 % Elektro/ elektronika 6,0 % Automobilový průmysl 6,0 % Stavební průmysl 23,5 % V Německu Consultic-Studie

16 1.2.7 Základní vlastnosti a molekulární interakce a Molekulární struktura Kov anorganický-krystalický Plast organický-nekrystalický Cela skupina materiálů se chová konsistentní heterogenní 16

17 1.3.1 Analogie chemické struktury a molekulární interakce plastů Pšenice Mouka Spaghetti Ropa Ethylen Polyethylen 17

18 1.3.2 Analogie zpracování plastů (termoplastů) 18

19 1.3.3 Typické chování termoplastů pří pracování Zahřátí: Změknou. Při přílišném zahřátí se poruší molekulární struktura a rozpadne se. Zpracování: Po roztavení je možné ji zpracovat. Molekulární struktura zůstává zachovaná, molekuly po sobě kloužou. Dlouhé nebo rozvětené molekuly plynou pomaleji. Kratší nebo lineární molekuly plynou rychleji. Ochlazení: Při ochlazení se molekuly na sobě nalepí a mezi sebou zaháknou. Vznikne pevná ale pružná molekulární struktura. 19

20 1.3.4 Základní vlastnosti a molekulární interakce Značný nepoměr mezi délkou a šířkou makromolekuly a kvalitativně rozdílný typ vazeb v hlavním řetězci (vazby chemické) a mezi řetězci (vazby fyzikální): výjimečnost v chování - odolnost látkám nízkomolekulárním (např. voda, líh) Délka makromolekul umožňuje jejich vzájemné zaplétání, což je příčinou zcela charakteristických vlastností: elastičnost vysoká viskozita polymerních roztoků a tavenin pomalá rozpustnost atd. 20

21 1.3.5 Supramolekulárnístruktura plastů (morfologie) Amorfní termoplast Semi-krystalický termoplast Kapalný krystalický termoplast Reaktoplast Ohřev Chlazení ISO : Determination of average molecular mass and molecular mass distribution of polymers using size-exclusion chromatography 21

22 1.4 Funkčnost plastových výrobků Funkčnost plastových výrobků Výběr konkrétního typu plastů Technologie zpracování plastů 22

23 1.5.1Postup konstrukce strojů a nástrojů k vlastnosti plastů Plast je při pracování velmi citlivá: Tavenina reaguje atypicky, není Newtonská tekutina. Polymer nevydrží příliš vysokou teplotu. Polymer nevydrží příliš vysoké vnitřní tření. Stroje a nástroje musí toto respektovat 23

24 1.5.2Souhra strojního a procesního inženýrství Procesní inženýrství je vlastní obor, který se zabývá roztavením, viskozitou a homogenizací plastů. Procesní inženýrství podporuje strojního inženýra, který je zodpovědný pro konstrukci 24

25 1.5.3 Technologie strojů a nástrojů Vstřikování (lisování) Vytlačování (extruze): trubic a profilů nafukované folie ploché folie Vyfukování nádob Další postupy: 3D-tisk Rotační tváření Svaření/lepení plastů 25

26 1.5.4 Podíl roční výroby strojů (Německo 2015) 26

27 1.5.5Strojírenská odbornost ve službě zpracování plastů 27

28 1.6.1 Zpracování plastů: relevance průmyslů v ČR 140 počet Vstřikování Vytlačování Vyfukování Vakuové tvarování Nástroje a Formy Povrchová úprava Recyklace Pryž Kompozity a Lamináty Pěny Vstříkování + Formy Různé drůhy 1 zpracování 28

29 1.6.2 Kvalifikace pro průmysl plastů Studium: UTB Zlín: Polymerní materiály a technologie UTB Zlín: Studijní program Procesní inženýrství TU Liberec: Zpracování plastů a kompozitů Národní soustava středoškolských kvalifikací: Technici v chemickém inženýrství Nástrojař pro formy na zpracování plastů Seřizovač vstřikovacích lisů pro zpracování plastů Lisovač gumárenské výroby Normy: ČSN EN Personál pro svařování plastů Zkoušky odborné způsobilosti svářečů - Svařování spojů z termoplastů 29

30 1.7.1 Základní úvahy o recyklaci plastů Termoplast se dá dobře recyklovat (např. v továrně). Problémy v realitě: rozmanitost plastů ( 1001 druhů ). nesměšovaný odpad (sbírat jen materiál podobného druhu, např. PET). znečištění (např. potravina v obalech nebo prach na folii elektrostatikou). doprava (velký objem, nízký zisk). Normy: ČSN EN ISO Základní identifikace a označování výrobků z plastů ČSN Plasty - Zhodnocení plastového odpadu - Názvosloví 30

31 1.7.2 Plasty jsou ekologický problém Obaly jsou většinou z plastů. Obaly jsou v Čechách často jednorázové. Člověk není dost pečlivý a zanechá je v životním prostředí. Problémy v realitě jsou: Plast se rozděluje v prostředí bez kontroly. Plast degraduje a tvoří mikroskopické částice plastu. Jedovatá aditiva se rozpustí. Normy: ČSN EN Plasty - Hodnocení odstranitelnosti plastového odpadu v čistírnách odpadních vod ČSN EN ISO Stanovení úplné aerobní biodegradibility plastů ve vodném prostředí - Metoda měření spotřeby kyslíku v uzavřeném respirometru 31

32 Děkujemeza pozornost 32

33 Technologie= vědět jak! Ing. Stefan Krebs 33