Plasty pro stavebnictví a architekturu 1 Úvod do zpracování plastů Plasty jsou dnes všudypřítomné, a hlavně v mnohých případech nenahraditelné. S narůstajícím množstvím druhů a typů plastů (s rozličnými zpracovatelskými i užitnými vlastnostmi) vyvstává potřeba se s nimi seznámit a pak je také správně používat. Proto přinášíme cyklus článků, které se zabývají základními typy plastů, jejich vlastnostmi a možnostmi zpracování a použitím. O polymerech obecně Polymery (poly = mnoho, meros = část) nazýváme obvykle makromolekulární látky vznikající z mnoha dílů jednodušší sloučeniny monomeru (monos = jediný). Tento chemický proces se nazývá polymerace. Poněvadž je polymer vystavěn z jedné základní opakující se jednotky, bývá jeho složení obvykle popisováno touto stavební jednotkou, která se nazývá mer. Pokud se řetězce polymeru neskládají z jednoho druhu meru, mluvíme o kopolymerech. Možností řazení monomeru A a B je nekonečně mnoho pravidelné či nepravidelné, také může být vložen další monomer C. Pořadí a typ monomerů mají zásadní vliv na vlastnosti polymerů. Lze si jednoduše představit, že pevné, trojrozměrné vazby dávají vzniknout polymerům s tuhou, pevnou strukturou, zatímco polymery s jednoduchým řetězcem jsou spíše elastické, pružné. V opačném případě pak mluvíme o homopolymerech. Jednotlivé molekuly polymeru mohou být lineární, rozvětvené nebo zesíťované. Výraz plast se zpravidla používá pro všechny polymery, které nejsou elastomery nebo vlákny. Plastem můžeme nazvat každou organickou látku původu přírodního nebo syntetického, která může být tvářena (plastikos = vhodný ke tváření). Plasty se dále dělí podle svého chování při zahřívání na termoplasty a reaktoplasty. Reaktoplasty mohou být převedeny do netavitelného a nerozpustného stavu účinkem tepla, záření, katalyzátoru apod. Nejstarší typy plastů (např. parkesin, šelak, gutaperča, bakelit) byly reaktoplasty. Termoplasty mají schopnost opakovaně ohřevem měknout (převádět se do plastického stavu) a ochlazením tuhnout. Tato vlastnost usnadňuje zpracování (tvarování) a recyklaci termoplastů. Technologie zpracování K nejrozšířenějším technologiím zpracování plastů patří vytlačování, vstřikování, vyfukování a tvarování. 1. Vytlačování Vytlačování patří k objemově nejrozšířenějším technologiím sloužícím převážně k výrobě polotovarů. Principiálně se jedná o technologickou operaci, při níž je materiál v plastickém stavu vytlačován hlavou různého tvaru do volného prostoru. Vytlačování se používá: l k výrobě plných profilů jednoduchých i tvarově složitých; l k výrobě trubek, kde přímá vytlačovací hlava je vybavena vnitřním stavitelným trnem, který taveninu rovnoměrně rozděluje ke stěnám hubice; l k výrobě fólií a desek; používají se ploché, štěrbinové vytlačovací hlavy; l k vyfukování fólií; princip je podobný jako při vyfukování dutých předmětů (viz níže). Na vtlačovacím stroji se vytlačuje trubka a zároveň se rozfukuje tlakem vzduchu, přiváděného do osy vytlačovací hlavy, na potřebnou tloušťku fólie; l na oplášťování; používá se k vytváření izolací z termoplastů na vodičích za použití přímých nebo šikmých oplášťovacích hlav, v nichž je umístěna vodicí složka pro oplášťovaný vodič.
2. Vstřikování Je to technologie vhodná pro zpracování termoplastů i reaktoplastů. Většina technických součástí se vyrábí právě vstřikováním. Princip vstřikování termoplastů můžeme ve zkratce popsat následovně: termoplast, obvykle ve tvaru granulí, přichází ze zásobníku do plastikační komory, kde je působením frikčního tepla a tepla přivedeného z elektricky vytápěné komory u šnekových strojů převeden na taveninu, která se shromáždí před čelem šneku a vstřikuje se do temperované (obvykle chlazené) formy. Po vyplnění tvářecí dutiny tavenina tuhne a je z dutiny formy následně vyhozena. Stále většího významu dnes nabývají speciální varianty vstřikování, a to například vícekomponentní vstřikování, GIT (vstřikování za asistence plynu), WIT (vstřikování za asistence vody), hybridní technologie apod. Při vstřikování reaktoplastů je plastikační komora rovněž temperována; zpracovávaná hmota může být ve formě granulí, prášku, pásků apod. Zplastifikovaný materiál má nižší teplotu než forma, ve formě se materiál vedením tepla z topných elementů formy vytvrdí. 3. Vyfukování Dutá tělesa, jako jsou láhve, kanystry, sudy atd., se nejčastěji zhotovují vyfukováním. Podle způsobu přípravy preformu (parizonu) se rozlišuje vytlačovací vyfukování a vstřikovací vyfukování. Vytlačovací vyfukování navazuje na vytlačování, přičemž se na vytlačovacím stroji s příčnou hlavou a s kruhovou hubicí vytlačuje trubka parizon potřebného rozměru a tloušťky stěny. Trubka se ještě v plastickém stavu sevře do dělené formy, kam se přivádí tlakový vzduch, který trubku vyfoukne do tvaru daného dutinou formy. Plast se o stěny ochladí a ztuhne a po otevření se dá dutý předmět vyjmout. V případě vstřikovacího vyfukování se k přípravě parizonu používá technologie vstřikování. Takto vyrobený předlisek včetně dna a kompletního hrdla (bez svařených švů a s řádově větší přesností) se nasadí na trn, pomocí předehřevu se přivede do plastického stavu a následně přenese do formy, kde je shodně s vytlačovacím vyfukováním vyfouknut pomocí tlakového vzduchu. Tepelné tvarování plastových desek Výše uvedené metody zpracování plastů jsou vhodné pro průmyslové využití. Deskové materiály se na rozdíl od plastového granulátu dají snadno zpracovávat řadou běžných metod i bez potřeby použití složitých a nákladných zařízení jako je řezání, vrtání, frézování s pomocí běžných nástrojů používaných při zpracování dřeva. Tepelné tvarování desek je poněkud složitější proces, ale stále ještě je možné vyrábět malosériové výrobky s přiměřenými náklady. Při tepelném tvarování plastů je nutné si uvědomit, že termoplasty procházejí při zahřívání těmito fázemi: Graf: Srovnání jednotlivých typů plastových desek při zahřívání
Elastická fáze materiál je pružný jako guma, s vysokou povrchovou pevností, která vykazuje vůči tvarování značný odpor. Plastická fáze dalším nahříváním přejde materiál do fáze, kdy je měkký a poddajný a velmi snadno může být tvářen. Degradace dalším zahříváním začíná docházet k rozkladu plastu. Jak je vidět z grafu, pro různé materiály jsou teploty, při kterých je dosaženo elastické, resp. plastické fáze, různé. Zároveň se liší rozmezí těchto teplot. Čím větší je toto teplotní rozmezí, tím více času máme na zpracování materiálu. Obr. 1: Volné vyfukování stlačeným vzduchem Příklady metod tepelného zpracování plastových desek 1. Vyfukování Pro jednoduché kulovité tvary lze použít vyfukovací stůl, na který se kovovými svorkami uchytí nahřáté desky. Podle typu materiálu, jeho tloušťky a velikosti konečného výrobku se regulovaným tlakem stlačeného vzduchu vytvoří požadovaný tvar (viz obr. 1). Rozměrnější výrobky se tvarují za použití menšího tlaku, protože napětí na jednotku plochy je menší. Obr. 2: Tvarování jednoduchého oblouku 2. Jednoduché obloukové tvarování Vytvoření oblouku je poměrně jednoduché. Na obr. 2 je typická forma pro výrobu čelního skla motocyklu. Nahřátá deska akrylátu se vloží do formy, která je pokrytá několika vrstvami měkké tkaniny, aby nedošlo k poškození desky. Vlastní váha materiálu zajišťuje tlak, který je potřebný pro tvarování desky. Forma může být konkávní či konvexní. Po vychladnutí si deska ponechá obloukovitý tvar.
3. Lokální ohýbání desek Obr. 3: Forma pro lokálně ohýbané desky Deska se po ohybové linii nahřeje do elastické fáze. Nejčastěji se používá liniová nahřívačka na principu odporového drátu. Pro ohýbání silnějších desek, kdy je vyžadován ohyb do ostrého úhlu, je vhodné na vnitřní straně ohybu vyfrézovat drážku ve tvaru písmene V. Šířka nahřívané zóny by měla být cca 4 6krát širší než tloušťka ohýbané desky (viz obr. 3). Po vlastním ohnutí desky, které je obvykle prováděno ručně, se deska upevní v ohnuté pozici do formy, kde zůstane až do vychladnutí. Je to běžně používaná technika při výrobě reklamních displejů, polic, krytů světel, potravinových obalů atd. Obr. 4: Vysokotlaké tvarování s použitím formy 4. Tvarování desek do formy stlačeným vzduchem Přesnějších výlisků lze dosáhnout tvarováním do formy. Forma může být kovová, laminátová či dřevěná, musí být však konstruovaná tak, aby odolala vysokému tlaku vzduchu při tvarování (viz obr. 4). 5. Vakuové tvarování plastových desek Vakuové tvarování je možné u desek, které jsou nahřáté do plastického stavu. Čím jsou desky plastičtější, tím přesnějších výlisků lze dosáhnout. Výlisek se zpravidla musí dodatečně opracovat, např. oříznout přebytečné zbytky nevytažené desky (akrylátové vany, kryty svítidel, podběhy u aut, kryty na značky, obalový materiál s předlisováním tvaru baleného předmětu ) viz obr. 5.
Obr. 5: Příklad vakuového tvarování s pomocí razníku Závěrem Při volbě správné metody zpracování je třeba vzít v úvahu mimo jiné vlastnosti zpracovávaného plastu. V dalších vydáních časopisu Materiály se budeme detailně zabývat vlastnostmi základních typů plastů (akrylát, polykarbonát, polystyren ), možnostmi jejich zpracování a použití. Ing. Aleš Hlavička (*1968) absolvoval Technologickou fakultu VUT v Brně, katedru technologie zpracování plastů. Po celou svou profesní kariéru se pohybuje v oblasti plastikářského průmyslu. Působí jako odborný poradce firmy Happy Materials. Ing. Ivana Vejražková (*1967) absolvovala VŠCHT v Praze. Pracuje ve firmě Happy Materials, která se zabývá konzultační činností v oblasti plastových materiálů a která vytváří databáze materiálů. 1) Manuál firmy C.R. Clarke & Comp. Ltd. Literatura: 2) Manuál firmy Lucite International.