Technologie zpracování plastů a kompozitů. Přednáška č. 2 - Struktura a vlastnosti plastů

Transkript

1 Technologie zpracování plastů a kompozitů Přednáška č. 2 - Struktura a vlastnosti plastů 1

2 Přednáška č. 2 - Struktura a vlastnosti plastů 2.1 Fyzikální vlastnosti plastů 2.2 Klasifikace, označení a přizpůsobení plastových hmot 2.3 Diverzifikace plastů pro různé aplikace 2.4 Stav vědy a technologie 2

3 2.1 Fyzikální vlastnosti plastů Základní fyzikální vlastnosti Vliv morfologie na vlastnosti materiálu a taveniny Pružnost taveniny (viskoelasticita) Kríp Orientace molekul v plastech a anizotropie Smrštění plastů a deformace výrobku 3

4 2.1.1 Základní fyzikální vlastnosti Každý z Vás zná základní fyzikální vlastnosti ze zkušenosti s plastovými výrobky: Hustota: Tvrdost: Tuhost: Opotřebení: Třecí chování: Tepelná roztažnost: Tepelná vodivost: Měrná tepelná kapacita: 4

5 2.1.2 Normy pro stanovení fyzikálních vlastností seznamcsn.unmz.cz ČSN EN ISO 178 Plasty -Stanovení ohybových vlastností ČSN EN ISO 179 Plasty - Stanovení rázové houževnatosti metodou Charpy ČSN EN ISO 180 Plasty - Stanovení rázové houževnatosti metodou Izod ČSN EN ISO 2039 Plasty - Stanovení tvrdosti ČSN EN ISO 306 Plasty -Termoplasty -Stanovení teploty měknutí dle Vicata(VST) ČSN EN ISO 527 Plasty - Stanovení tahových vlastností ČSN EN ISO 604 Plasty -Stanovení tlakových vlastností ČSN EN ISO 868 Plasty a ebonit -Stanovení tvrdosti vtlačováním hrotu tvrdoměru (tvrdost Shore) ČSN EN ISO 2039 Plasty - Stanovení tvrdosti dle Rockwella ČSN EN ISO 2818 Plasty -Příprava zkušebních těles obráběním ČSN EN ISO 489 Plasty -Stanovení indexu lomu ČSN EN ISO 6603 Plasty -Stanovení chování tuhých plastů při víceosémrázovém namáhání ČSN EN ISO 6721 Plasty - Stanovení dynamických mechanických vlastností ČSN EN ISO 8256 Plasty -Stanovení rázové houževnatosti v tahu ČSN EN ISO Plasty - Stanovení tepelné vodivosti a rozptylu tepla... a další 5

6 2.1.3 Vlivmorfologienavlastnostimateriálua taveniny Amorfní termoplast: Např. Polystyren (PS), Polykarbonát (PC) nebo Polyvinylchlorid (PVC) Molekuly nejsou lineární. Molekuly nekrystalizují. Plast je většinou průhledný. Norma: ČSN EN ISO Stanovení molekulové hmotnosti a distribuce molekulových hmotností polymerů hmotnostní spektroskopií technikou desorpce a ionizace laserem 6

7 2.1.4 Vliv morfologie na vlastnosti materiálu a taveniny Semikristalický termoplast: Na přiklad Polyetylen (PE), Polypropylen (PP) nebo Polyamid (PA). Makromolekuly jsou poměrně lineární. Makromolekuly částečně krystalizují pří ochlazení. Většina výrobků není úplně průhledná. Norma: ASTM F Specification for Semi- CrystallinePoly(lactide) Polymer and Copolymer Resins for Surgical Implants 7

8 2.1.5 Vlivmorfologienavlastnostimateriálua taveniny Elastomer, reaktoplast: Makromolekuly jsou zasíťované. Makromolekuly jsou výjimečné flexibilní nebo pevné. Při zvýšené teplotě se netaví, protože makromolekuly nemohou na sobě klouzat. Dokonce spálí. Příkladem elastomerů jsou: přírodní kaučuk (NBR), Styren -Butadien kaučuk (SBR) nebo silikonová pryž. Příklady reaktoplastůjsou fenoplast (FP), epoxidovépryskyřice (EP) a nenasycené polyesterové pryskyřice (UP) Elastomer Reaktoplast 8

9 2.1.6 Základ: Tok a viskozita newtonských kapalin Tři základní pravidla mechaniky toku kapalin,která platí pro newtonské tekutiny (olej, voda): a) Tekutiny netečou samovolně, ale pod vlivem nějaké síly. b) Měřítko tohoto chování je viskozita (tok pod určitou sílou).viskozita oleje a vody je konstantní veličina. Tento vztah objevil Isaac Newton. c) Jestli není tok příliš rychlé, zůstává tekutina zachycená na stěnách a teče bez tvorby vírů (laminarní tok). 9

10 2.1.7 Mechanika kapalin: laminární tok a vnitřní tření Laminární tok: Kapalina se lepí na zeď, Tok tvoří vnitřní tření v kapalině (en: shear), označuje gradient (růst) rychlosti ve směru kolmém na rychlost. 10

11 Tečné napětí závislé na gradientu rychlosti vztahem kde je Mechanika kapalin: Viskozita (Newtonův zákon viskozity) gradient rychlosti ve směru kolmém na rychlost η dynamická viskozita nebo součinitel viskozity (vnitřního tření) τ tečné napětí Sir Isaac Newton Taveniny plastů mají větší přitažlivou silu, a proto velkou viskozitu. Velká viskozita znamená větší brzdění pohybu kapaliny. Vnitřní tlak v nástroji pro zpracování plastů proto může dosáhnout až 400 bar. Viskozita taveninách plastů není konstantní. Proto je vypočet složitý. 11

12 2.1.9 Porovnání newtonskéa nenewtonské tekutiny a jejich charakteristika Rychlost toku ve profilu Vnitřní napětí ve profilu Newtonskétekutiny mají konstantní viskozitu: proto její charakteristický profil rychlostí v kanálu má tvar paraboly. Taveniny plastů mají nekonstantní a degresivní viskositu: viskosita je vysoká ale klesá s rychlostí ( shear-thinning ). Proto charakteristický profil rychlosti je víc opostělý. 12

13 Viskoelastické kapaliny + = Viskozita (též vazkost) tok kapalin Pružnost (též elasticita či tuhost) deformace těles Viskoelasticita (viskózní aelastický) chování tělesa a kapaliny 13

14 Kríp(en: creep) Krípem(tečením za studena) se rozumí změna rozměru těles při dlouhodobém statickém zatěžování konstantní silou při konstantní teplotě: Norma: ČSN EN ISO Plasty -Stanovení krípovéhochování -Část 1+2: Krípv tahu 14

15 Orientace molekul v plastech Makromolekuly se orientují ve směru toku. Plast, který obsahuje kovové pigmenty ukazuje jak materiál při výrobě tekl. 15

16 Orientace a anizotropické vlastnosti F F V případě, že makromolekuly plastů jsou orientované, plastová součást má rozlišné vlastnosti ve směru orientace než v kolmém míru k orientaci makromolekul. Pružnost ve směru orientace makromolekul stoupá. páskovací PP 16

17 Orientace a anizotropie Anizotropieje vlastnost, kterou se označuje závislost určité veličiny na volbě směru. Vlastnosti jsou v různých směrech různé. (wikipedia.cz) anisotropy dependence of material properties on orientation ISO/TS 21432:2005(en),

18 Problém: plast se smršťuje 30 až 100 násobné ve srovnání s kovem Jev smrštění Mechanismy, které ovlivňují smrštění: Rozdíl hustoty teplé taveniny a studeného materiálu Orientace makromolekul a vláknitého plniva. Krystalizace (platí jen pro semi-kristalické termoplasty) 18

19 Smrštění plastů a kvalita výrobků Smrštění ohrožuje kvalitu výrobků třemi způsoby: Vliv smrštění Konstrukce součásti Realita geometrické rozměry výrobků (délka a tloušťka) Délka k = 100 mm ±1 mm Délka r = 97 mm deformace výrobků (tvar) rovné plochy (propadliny) 19

20 2.2.1 Klasifikace, označení a přizpůsobení plastových hmot Klasifikace a specifikace plastů, např. HDPE Druh polymeru: termoplast Obecné označení: HDPE Kategorie aplikace: komoditní plast Obchodní jméno: LITEN BB 38 Morfologie: semikrystalický ČSN EN ISO Plasty -Značky a zkratky -Část 1: Základní polymery a jejich zvláštní charakteristiky 20

21 2.2.2 Obecné označení plastů Obecné označení plastů dle databaze Acetal Phenolic Polyparaxylylene(PPX) Acrylic Plasticizer Polyphenylene Ether (PPE) Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) Polyamide (Nylon) Polyphenylene Sulfide (PPS) Acrylonitrile Ethylene Styrene (AES) Polyarylate Polypropylene (PP) Acrylonitrile Styrene (AS) Polyaryletherketone(PAEK) Polystyrene (PS) Acrylonitrile Styrene Acrylate(ASA) Polybenzimidazole(PBI) Polysulfone(PSU) Alkyd Polybutadiene Rubber(PBR) Polyurethane(PUR) Alphamethylstyrene(AMS) Polybutylene(PB) Polyurethane Thermoset Elastomer (TSU) Biodegradable Polymers Polycaprolactone(PCL) Polyvinyl Chloride (PVC) Cellulose Acetate(CA) Polycarbonate(PC) Styrene Acrylonitrile(SAN) Diallyl Phthalate(DAP) Polyester Styrene Acrylonitrile Silicone(SAS) Dicyclopentadiene(DCPD) Polyether Imide (PEI) Styrene Maleic Anhydride (SMA) Epoxy Polyethylene(PE) Styrenic + Vinyl + Acrylonitrile(SVA) Fluoropolymer Polyethylene Naphthalate(PEN) Thermoplastic Elastomer (TPE) Ionomer Polyimide(PI) Thermoplastic Polyurethane(TPU) Liquid Crystal Polymer (LCP) Polyketone(PK) Thermoplastic, Unspecified(TP, Unspecified) Maleic Anhydride Grafted Polymer (MAH-g) Polylactic Acid(PLA) Thermoset(TS) Melamine Polymethylpentene(PMP) Thermoset Elastomer (TSE) Methyl Cellulose (MC) Polymethylmethacrylate(PMMA) Vinyl Alcohol(VOH) 21

22 2.2.3 Komoditní plasty a technické plasty Technické nebo inženýrské plasty Materiál Polyamide Polycarbonate Polypropylene Polyurethane Liquid Crystal Polymer Polyurethane Thermoset Elastomer Thermoplastic Elastomer Thermoplastic Polyurethane Zkratka Nylon PC PP PUR LCP TSU TPE TPU Komoditní plasty Značení plastových obalů ČSN EN ISO Termoplastické elastomery -Klasifikace a názvosloví 22

23 2.2.4 Komoditní plasty: výrobce v ČR Materiál Polyetylen LITEN Polypropylen MOSTEN Polystyrene SynthosPS PVC NERALIT Výrobce v ČR Unipetrol RPA Litvínov Unipetrol RPA Litvínov Synthos Kralupy Spolana Neratovice Foto: SPOLANA a.s. Neratovice 23

24 2.3.1 Diverzifikace plastů pro různé aplikace 24

25 2.3.2 Diverzifikace plastů pro různé aplikace Různé: Spotřebitelské a domácí spotřebiče, nábytek, sport, zdraví a bezpečnost Zemědělství Elektrická zařízení a elektronika 46,3 mld. tun Obaly Automobilový průmysl Stavebnictví 25

26 2.3.3 Nefyzikální vlastnosti plastů Akustické vlastnosti Reakce na prostředí Odolnost proti chemikáliím Stres životního prostředí Difuze a prostupnost Zvětrávání Optické vlastnosti Lom vlnění a vytváření disperze Průhlednost Lesk Barva Hořlavost Elektrické vlastnosti Dielektrické chování Elektrická vodivost Dielektrická pevnost Elektrostatika Charakteristická vlastnost jednotlivých druhů plastů Biologické interakce 26

27 2.3.4 Příklady výběru optimálního plastu Cíl Elasticita Elektrická izolace Bariéra proti difusi plynu Opotřebování Transparentnost Charakteristická vlastnost plastu Síťová struktura molekul Minerálníprášek s pružným lepidlem Kristallickástruktura molekul Nepolární monomer a molekul Amorfní struktura molekul Výběr Styrene butadiene rubber(sbr) přírodní kaučuk (NBR) Styrene butadiene rubber(sbr)+ 70 % CaCO3 (křída) Polyamid (PA) EVOH Polytetrafluoretylen(PTFE) Teflon Polyamid (PA) Nylon Polystyren (PS) Polymethylmethakrylát (PMMA) 27

28 2.3.5 Makromolekuly + aditivum = plast Případ 1: Aditiva (=přísady) dovolují Tuning plastů. Pomocí aditiv má plast lepší vlastnosti. Pro každou vlastnost dle existuje vlastní aditivum. Případ 2: Některé polymery jsou nestabilní a degradují se při zpracovaní, např. PVC, PP. Aditivum (tzv. stabilizátor) zabrání tepelné degradaci molekul. V tomto případě čistý plast -přímo od výrobce už obsahuje aditiva, např. stabilizátory a mazadla. Pozor: Aditiva mohou být jedovatá pro člověka i pro životní prostředí. Určitá aditiva jsou regulovaná v zemích Evropské unie (EU). ČSN EN 1122 Plasty - Stanovení kadmia ČSN EN ISO Plasty -Symboly a zkratky - Část 4: Samozhášecípřísady 28

29 2.3.6 Plast + plniva = Superplast Důvody pro použití plnívá jsou ekonomické (plnivo je levnější než plast) nebo technické (plnivo zesiluje materiál). Křída Skelná vlákna Uhlíková vlákna Jutové textilní vlákno Al 2 O 3 Talek ČSN EN ISO Plasty -Značky a zkratky -Část 2: Plniva a výztužné materiály 29

30 2.3.7Příklady norem pro stanovení vlastnosti plastů seznamcsn.unmz.cz ČSN EN ISO 1183 ČSN EN ISO ČSN EN ISO ČSN EN ISO ČSN EN ISO ČSN EN ISO ČSN EN ISO 175 ČSN EN ISO 3915 ČSN EN ISO 4892 Plasty - Metody stanovení hustoty nelehčených plastů Plasty - Stanovení a prezentace srovnatelných vícebodových hodnot Mechanické vlastnosti, tepelné a zpracovatelské vlastnosti, vliv prostředí na vlastnosti Plasty - Stanovení viskozity viskozimetrem s padající kuličkou Plasty -Stanovení celkové propustnosti světla transparentními materiály Plasty -Vstřikování zkušebních těles z práškových lisovacích hmot (PMCs) z reaktoplastů Vývoj a používání požárních testů středního měřítka pro výrobky z plastů Plasty - Stanovení účinku kapalných chemikálií při ponoření Plasty - Měření odporu vodivých plastů Plasty - Metody vystavení plastů laboratorním zdrojům světla 30

31 2.3.8 Jak ovládat rozmanitost plastů? Rozmanitost je problém: Na trh je alespoň různých druhů polyetylenů (PE). Unipetrol nabízí 35 různých druhů. Jak může konstruktér nebo výrobce najít a vybrat správný druh? Databaze: Prospector Materials database: Campus firmy BASF: Informace výrobců: Technické listy výrobců 31

32 2.3.9 Příklad technického listu 32

33 2.4.1 Stav vědy a technologie Aktuální trendy ve vývoji plastů: Termoplast vyztužený vlákny např. PP + 35 % GF: Pevné a levné Elektrická vodivá plniva např. uhlíkové nanotrubičky: Vstřikování miniaturizovaných elektrických složek. Piezoelektrická plniva: kabely které pří pohybu tvoří energii, např. nabíjení mobilního telefonu. Tepelná vodivá plniva: chlazení elektronických složkách ve elektronice, např. teplo LED. Magnetická plniva: Vstřikování silných permanentních magnetů PET jako inženýrský plast: zpracování velkým tlakem a nízkou teplotou způsobí maximální krystalizaci a zaručí vysokou tuhost 33

34 Děkujemeza pozornost 34

35 Technologie= vědět jak! Ing. Stefan Krebs 35