Jdi na obsah Jdi na menu
 


Všeobecné vlastnosti plastů

23. 7. 2013

 

 

1. Základní vlastnosti plastů určených pro potrubí

 

Materiály součástí vystavených tlaku:

a) musí mít vhodné vlastnosti za všech provozních podmínek, které lze rozumně předvídat, a za všech zkušebních podmínek a zejména mají být dostatečně tažné a houževnaté.

b) musí být dostatečně chemicky odolné v prostředí tekutiny obsažené v tlakovém zařízení; chemické a fyzikální vlastnosti nezbytné pro bezpečnost provozu nesmí být během předpokládané životnosti zařízení významně ovlivněny;

c) nesmí být významně ovlivněny stárnutím;

d) musí být vhodné pro předpokládané technologické postupy;

e) musí být voleny tak, aby se při vzájemném spojování různých materiálů zabránilo významným nežádoucím účinkům.

         Plasty jsou tvořeny makromolekulárními řetězci s opakujícími se základními strukturními jednotkami. Atomy makromolekul jsou spojeny kovalentními vazbami. Jejich vazebná energie ovlivňuje mechanickou pevnost plastu, jeho stabilitu za zvýšených teplot a odolnost při působení chemického prostředí. Jednotlivé řetězce makromolekul mohou a nebo nemusí být mezi sebou spojeny příčnými chemickými vazbami.Toto vše ovlivňuje mechanické vlastnosti plastů.

Podle chemické struktury plastu dělíme makromolekulární látky na několik základních skupin. Potrubí pro průmyslové účely je vyráběno z polyolefinů a vinylových plastů. Mezi polyolefiny z kterých se vyrábí potrubí patří PE, PP, PB a PVDF. Mezi vinylové plasty patří PVC.

 

2. Struktura plastů

2.1.   Molekulární struktura plastů

         Plasty jsou obecně makromolekulární látky o molekulové hmotnosti vyšší jak 104. Podstatou polymerů je makromolekulární látka přírodního nebo syntetického původu, která je tvářitelná za působení teploty T a tlaku p, v jejichž makromolekule se jako článek řetězu mnohokrát opakuje základní monomerní jednotka. Základním prvkem řetězce je atom uhlíku. Uhlíkové atomy  mají schopnost vzájemně se vázat a vytvářet dlouhé řetězce.

V zásadě existují tři druhy polymerních makromolekul: lineárnírozvětvené  (typické pro termoplasty)  a  zesíťované (kaučuky, reaktoplasty):

-           lineární makromolekuly vznikají tak, že se monomerní molekuly řadí jedna vedle druhé „jako korálky na šňůře perel“. Lineární makromolekuly se mohou z prostorových důvodů více přiblížit jedna ke druhé a vyplnit tak kompaktnější prostor. Polymery potom mají vyšší hustotu (např. vysokohustotní polyethylen HDPE). Lineární makromolekuly také snáze vytvářejí prostorově pravidelné shluky krystalických struktur, takže tyto polymery mají vyšší obsah krystalických podílů. Plasty s lineárními makromolekulami jsou obvykle dobře rozpustné a tavitelné (dobrá pohyblivost makromolekul), v tuhém stavu se vyznačují houževnatostí a ve formě tavenin dobrou zpracovatelností.

-           rozvětvené makromolekuly se vyznačují tím, že mají na základním řetězci boční větve („přívěsek na šňůře perel“). Rozvětvené makromolekuly se na rozdíl od lineárních makromolekul nemohou v důsledku bočních větví jedna ke druhé dostatečně přiblížit. Proto se vyznačují nižší hodnotou hustoty (např. nízkohustotní polyethylen LDPE). Uspořádanost jejich shluků je nízká a tudíž hůře krystalizují. Rozvětvení zhoršuje i pohyblivost makromolekul a tedy i tekutost v roztaveném stavu. Boční řetězce, které způsobují oddálení sousedních makromolekul, mají za následek pokles mezimolekulárních sil a tím zhoršení většiny mechanických vlastností.

-           zesíťované makromolekuly - v tomto případě je několik přímých nebo rozvětvených makromolekulárních řetězců mezi sebou propojeno vazbami, takže vytvářejí jednu takřka nekonečnou makromolekulu - prostorovou síť. Takováto síť vede ke ztrátě tavitelnosti a rozpustnosti polymeru. Polymery vykazují vysokou tvrdost, tuhost a odolnost proti zvýšené teplotě, avšak nízkou odolnost proti rázovému namáhání. Sítě mohou být řídké (charakteristické pro elastomerní kaučukovité polymery) nebo husté (reaktoplasty).

 

 

2.2.  Nadmolekulární struktura plastů

 

Nadmolekulární struktura (stupeň uspořádanosti makromolekul) může být popsána jednak jako amorfní a jednak jako krystalická. Lineární makromolekuly vytváří, narozdíl od rozvětvených makromolekul, uspořádanější nadmolekulární strukturu a zesíťované makromolekuly strukturu neuspořádanou. Termoplasty tak mohou mít amorfní nebo semikrystalickou nadmolekulární strukturu, zatímco reaktoplasty pouze strukturu amorfní.

-           amorfní strukturou rozumíme strukturu bez jakékoliv uspořádanosti (struktura chaotická). Základním morfologickým útvarem této struktury jsou globuly (nebo-li klubíčka) o velikosti 10 až 30 nm, které jsou vytvořeny z chaoticky stočených makromolekul.

-           krystalická struktura se vyznačuje určitým stupněm uspořádanosti. Základním morfologickým útvarem jsou tzv. lamely, fibrily. U reálných výrobků se při tuhnutí z tavenin polymerů vytvářejí útvary, nazývané sférolity. Jedná se o shluky lamel, které vychází ze společného centra a rozrůstají se na všechny strany, často jsou vrtulovitě stočené.

Krystalizující polymery nemají v reálných podmínkách technologického zpracování možnost dokonalé krystalizace, tzn. že krystalizace se nezúčastní veškerá polymerní hmota, ale krystalizuje jen určité procento polymeru. Část takového polymeru je krystalická, zbylá část zůstává v amorfním stavu. Hovoříme proto o tzv. semikrystalických polymerech. Míru uspořádanosti ve struktuře vyjadřujeme tzv. stupněm krystalinity. Stupeň krystalinity tedy udává relativní podíl krystalických oblastí ve hmotě. Pro vznik semikrystalické struktury je nutná tvorba krystalizačních zárodků (tzv. nukleace), na nichž teprve poté rostou krystality. Má-li trubka nebo tvarovka vykazovat co nejlepší mechanické vlastnosti, je nutno řídit krystalizaci tak, aby bylo dosaženo nejen co nejvyššího stupně krystalinity, ale také současně jemnozrnné struktury. Prudké ochlazení povrchu budoucího výrobku způsobí, že polymer sice zkrystalizuje, ale nevytvoří sférolitickou strukturu.

             Například HDPE má stupeň krystalinity kolem 80 %, zatímco LDPE kolem 60 %. Amorfní oblast polymerního materiálu představuje jakési klouby, kolem nichž se mohou krystality natáčet, takže přispívají ke zvýšení houževnatosti a tím i tažnosti. Z uvedeného je zřejmé, že vlastnosti polymerního materiálu budou závislé na tvaru makromolekuly a stupni krystalinity.

Orientace makromolekul na povrchu vstřikovaného dílce je vlivem vysokých vstřikovacích sil ve směru toku taveniny (hovoříme o tzv. orientační textuře), zatímco v jádru tělesa zůstávají molekuly déle v tekutém stavu a než ztuhnou, stačí se vrátit do neorientovaného stavu.

Jedním z důsledků krystalizace je ztráta průhlednosti materiálu. Vzhledem k tomu, že hustota amorfního polymeru je menší, něž hustota polymeru semikrystalického, dochází při průchodu světla hmotou v důsledku různého indexu lomu k jeho rozptylu na drobných krystalických útvarech uvnitř výrobku z plastu a semikrystalický plast se jeví jako mléčně zakalený, zatímco amorfní plast jako čirý, průhledný.

 

obr1.jpg

Obrázek Vyznačení teplot Tg a Tm 

Amorfní termoplasty jsou použitelné pod teplotou Tg,.poněvadž nad ní měknou a ztrácejí pevnost. Typickým příkladem je PVC. Semikrystalické termoplasty se nejčastěji používají nad teplotou Tg, protože zde mají výhodnou kombinaci pevnosti a houževnatosti, kdežto pod Tg jsou křehké. Sem patří poplyolefiny (např. PE, PP, PB, PVDF)

 

 

3.  Termodynamické vlastnosti plastů
 
          Obdobně jako u jiných materiálů jsou vlastnosti polymerů závislé především na teplotě. V určité oblasti teplot probíhají tyto změny rychleji anebo se mění skokově. Takové oblasti jsou nazývány přechodové a v těchto oblastech existují přechodové teploty: Tg - teplota zeskelnění nebo teplota skelného přechodu, Tf - teplota viskózního toku (pro amorfní plasty), Tm - teplota tání (pro semikrystalické plasty).
         Při změnách teploty se plasty chovají zcela odlišně od nízkomolekulárních látek a kovů. Řetězce lineárních a lineárně-rozvětvených plastů, termoplastů, jsou mezi sebou drženy mezimolekulárními silami, které jsou podstatně slabší než chemické vazby a mohou se proto uvolnit tepelnou energií. Zahříváním se postupně rozkmitávají nejprve menší a pak větší úseky makromolekul. Plast měkne a získává vlastnosti podobné kaučukům. Dalším zvyšováním tepelné energie se jednotlivé řetězce od sebe odpoutávají a hmota se stane viskózně tekutá. V těchto stavech se dají plasty tvářet. U plastů se mezi stavem tuhým tzv. sklovitým a kapalným, vyskytuje stav kaučukovitý, který je pro plasty charakteristický. Hranice mezi stavem sklovitým (tuhým) a kaučukovitým je dána t.zv. teplotou skelného přechodu Tg. Plast je ve skovitém stavu tvrdý, křehký, podobný sklu. Makromolekuly jsou jako celky tuhé a mechanickým napětím dojde jen k malým, a okamžitě vratným pružným deformacím, nastává zde ideálně elastická deformace.
V kaučukovitém stavu se při působení mechanického napětí řetězce rozvinují snadno, ale potřebují k tomu určitou dobu. Po uvolnění napětí se opět pozvolna vracejí do původního neuspořádaného stavu, který je pro ně nejstabilnější. Tato zpožděně elastická deformace se nazývá viskoelastická deformace a je charakteristická právě pro chování plastů.
            Amorfní termoplasty jsou použitelné pod teplotou Tg,.poněvadž nad ní měknou a ztrácejí pevnost. Typickým příkladem je PVC. Semikrystalické termoplasty se nejčastěji používají nad teplotou Tg, protože zde mají výhodnou kombinaci pevnosti a houževnatosti, kdežto pod Tg jsou křehké. Sem patří poplyolefiny. Reaktoplasty se používají převážně pod Tg, ale také nad Tg .
 
 

4.   Mechanické vlastnosti plastů

 
·                    Viskoelasticita (Tečení /creep a relaxace)
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 (creepu) a relaxace napětí v polymeru.
Pro primární napětí platí, že i při konstantním napětí (způsobeným např. vniřním tlakem ) roste roste deformace. Toto se nazývá creep. Pro sekundární napětí platí, že i při konstantní deformaci (způsobenou např. tepelnou roztažností ) klesá napětí. Toto se nazývá relaxace.
Tečení (creepu) je vratná a nevratná deformace narůstající s časem, vyvolaná dlouhodobým konstantním mechanickým namáháním. Je větší u semikrystalických termoplastů, neboť ty se používají převážně nad teplotou Tg, a malá u amorfních termoplastů, neboť ty lze používat jen pod teplotou Tg. O příklady creepu se jedná u závěsů, potrubí, ale také lopatek ventilátorů vlivem dostředivých silitina
Relaxace napětí je pokles napětí v konstantně deformovaném předpjatém tělese z termoplastu v závislosti na čase. Ze stejných důvodů jako u creepu je relaxace malá u amorfních termoplastů a větší u semikrystalických termoplastů. U reaktoplastů se  creep a relaxace projevují jen v nepatrné míře.
·                    Viskoplasticita
Překročením meze kluzu dochází k  viskoplastickému přetvoření, kde se ztratí nebo silně omezí pružnost plastů. Tečení/creep a relaxace plastu však zůstávají zachovány). Protože viskoplasticita primárních napětí, tj. creep není omezena a pokračuje až do porušení, musíme potrubí konstruovat tak, aby po dobu životnosti potrubí k viskoplasticitě od primárních napětí nedošlo. Možná však může být viskoplasticita u sekundárních napětí, tj. relaxace napětí. Neprozkoumáno však zůstává, jak se vlivem relaxace sníží napětí v přetvořené části a co se s ním stane při zatížení opačnou deformací.
·                    Krátkodobá pevnost, krátkodobé prodloužení
Zjišťují se tahovou trhací zkouškou, čas namáhání je obvykle kratší než 1 min. Závislost napětí v tahu na měrném prodloužení má pro plasty tři tvary.  1. a 2. platí pro materiály bez meze kluzu, 1. pro tvrdé plasty, např PVC. 2. pro měkké plasty, z takovéto plasty nejsou pro potrubí vhodné. Třetí tvar má výraznou mez kluzu a znázorňuje  hlavně semikrystalické termoplasty za normální teploty, sem patří většina plastů z kterých se potrubí vyrábějí, předvším polyolefiny (PE, PP, PB) a PVDF. 
·                    Závislost charakteristických výpočtových hodnot plastů na teplotě je takováto: Pevnost i mez kluzu u plastů s rostoucí teplotou klesá. Modul pružnosti u plastů s rostoucí teplotou klesá. Poissonovo číslo u plastů s rostoucí teplotou stoupá.
·                    Krátkodobá pevnost při tlaku, krátkodobé zkrácení
Při namáhání čistým tlakem nebo při ohybu, kdy je v ohýbaném profilu část tlaková a část tahová je třeba znát chování plastů v této oblasti. Dá se předpokládat, že se zmenší nelineárně elastická oblast, ve prospěch oblastí před ní, neboť řetězce makromolekul nebudou mít takový prostor pro rozvinování, které bude asi probíhat ve směru kolmém na tlak, v tomto směru bude probíhat tečení.
Tedy předpoklad použití těch samých materiálových charakteristik jako pro tah je na straně bezpečnosti výpočtu.
·                    Rázová a vrubová houževnatost.
Měřítkem je náchylnost materiálu k lomu při rázovém namáhání. Je vyjádřena množstvím práce (energie) spotřebované na přeražení normalizované zkušební tyčinky. Ve sklovitém stavu plastů je rázová houževnatost nízká, v oblasti skelného přechodu Tg prudce stoupne.
I vrubová houževnatost u plastů s rostoucí teplotou roste.
·                    Mechanické vlastnosti při cyklickém namáhání:
Při cyklickém dynamickém namáhání součástí z plastů dochází stejně jako u kovů k únavě materiálu. Opakovaným tahovým, ohybovým nebo smykovým napětím, nebo prolamováním vznikají v místech porušení struktury materiálu trhlinky, které se postupně spojují ve větší únavové trhliny. Zkoušky únavy se podle druhu namáhání konkrétního dílce provádějí různým způsobem, tahem, tlakem, ohybem nebo smykem a to buď střídavým souměrným napětím nebo sinusově pulsujícím. Cyklické namáhání může být souměrně střídavé, nebo sinusově pulsující.
·                    Schopnost tlumení kmitů a rázů:
Plasty mají dobrou schopnost pohlcovat kmitavou nebo rázovou energii a přeměňovat ji v teplo. Míru tlumení udává tzv.mechanický ztrátový činitelitina
·                    Tvrdost
Tvrdost se měří různými způsoby, protože je velký rozdíl mezi tvrdými reaktoplasty a měkkými elastomery. Nejčastěji se u tvrdých plastů měří stupně Brinella, u středně tvrdých Shore D u měkkých plastů a elastomerů Shore A. Výsledky nelze navzájem přepočítávat.
·                    Tření a opotřebení.
Nejvýhodnější kluzné vlastnosti mají vzhledem ke své struktuře některé semikrystalické termoplasty, zejména PA, POM, PTFE, PBTP.
·                    Koroze za napětí.
Jestliže jsou plasty vystaveny mechanickému napětí nebo vnitřnímu pnutí, za současného působení určitých kapalin nebo par, objevuje se u nich tzv. 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. Na př. lPE i rPE mají velký sklon ke korozi za napětí a tenzoaktivní látky jsou 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. Koroze za napětí se vyskytuje především u termoplastů, u reaktoplastů je v důsledku zesíťování značně omezena. Při krátkodobém působení koroze za napětí se projevují velké rozdíly v odolnosti jednotlivých typů plastů. Na př. PA, PP, PC, ABS jsou mnohem odolnější jako PS, PMMA, PE, ale při dlouhodobém působení několika měsíců se rozdíly zmenšují a koroze se projevuje u většiny plastů.
·                    Stárnutí.
Stárnutí plastů jsou nevratné změny struktury a následně vlastností vlivem, světla, UV záření, ovzduší, ozónu a tepla. Většinou působí několik činitelů současně, ale podle toho který z činitelů v příčině stárnutí převažuje hovoříme o stárnutí tepelném a tepelně-oxidačním, stárnutí vlivem povětrnosti a stárnutí vlivem záření.

 

 

5. Tepelné vlastnosti plastů
 
·                    Tepelná vodivost
Tepelná vodivost je u plastů podstatně menší jako u kovů. Některé příměsi, jako skleněná vlákna, grafit, kovové prášky vodivost zvyšují, pórovitost vodivost podstatně snižuje (pěnové plasty).
·                    Teplotní roztažnost.
Délková teplotní roztažnost se vypočítá známým způsobem a jinde citovaným vzorcem. Délková teplotní roztažnost plastů je řádově větší než u kovů. Značný rozdíl mezi teplotní roztažností plastů a kovů může být u kombinovaných dílců plast-kov příčinou vzniku vnitřního pnutí. 
·                    Hořlavost.
Hořlavost plastů se zkouší různými metodami podle účelu jejich užití, pro stavebnictví, pro elektrotechniku. Hořlavost plastu se sníží minerálními plnivy, vliv skleněných vláken je sporný. Vyrábí se řada přísad do plastů, které zajistí jejich nehořlavost, ve skutečnosti spíše samozhášivost. Klasifikace hořlavosti je obvykle 5 stupňová. O- nehoří, 1- samozhášivý, 2 - hoří velmi pomalu, 3- hoří pomalu, 4 - hoří rychle. Nehořlavý je pouze PI - polyimid , PTFE - polytetrafluorethylen, SI silikony a  FEP - tetrafluorethylen-hexafluorpropylen kopolymer. Také samozhášivých plastů (bez samozhášivých přísad) je velmi málo PC, PPO, tvrdý PVC. Reaktoplasty  jsou to většinou  samozhášivé nebo nehořlavé.
Retardéry  hoření. Polyolefiny jako polyethylen a polypropylen po zapálení shoří, zatímco polykarbonát, a zvláště polymery s vysokým obsahem halogenidů, jako PVC a PTFE jsou samozhášivá. Zhasnou po oddálení zapalovacího plamene. K dosažení samozhášivosti se do hořlavých polymerů přidávají při jejich výrobě  retardéry hoření. Do plastů se nejčastěji používají sloučeniny s halogeny (chlor nebo brom). Plasty s halogenovými retardéry jsou obtížně zápalné, poněvadž při pyrolýze retardérů vznikají halogenové radikály, které blokují reakci hořlavých plynů s kyslíkem.

 

 

6.   Elektrické vlastnosti.

 
           Plasty jsou vesměs velmi dobrými elektrickými izolátory. Elektrické vlastnosti se hodnotí podle řady ukazatelů. Izolační odpor se zhorší některými vodivými přísadami (grafit), nebo u navlhavých plastů obsahem vody.
·                    Vodivé polymery.
Vodivé polymery v sobě spojují elektrické chování typické pro polovodiče s materiálovými vlastnostmi umožňujícími jednoduché zpracování. Mohou měnit svou strukturu, a v závislosti na odezvě okolního prostředí i své fyzikální vlastnosti. Polymery jsou všeobecně známy jako izolanty (nevedou elektrický proud). Mají dobré mechanické vlastnosti a snadno se zpracovávají. Uplatňují se jako materiály izolující vodiče elektrického proudu. Pro řadu aplikací lze funkční vlastnosti polymerů rozšířit přípravou kompozitů, tj. polymerů obsahujících nejrůznější plniva.U kompozitů obsahujících saze nebo práškový grafit se podařilo výrazně zvýšit elektrickou vodivost
·                    Konjugované polymery.
Vedle vodivých kompozitů existují i konjugované polymery, které mohou vykazovat vlastní vysokou elektrickou vodivost. Umožňuje ji pravidelné střídání jednoduchých a dvojných vazeb (konjugace) v molekulární struktuře. Kromě systému těchto vazeb je nezbytným předpokladem přítomnost pohyblivých nosičů náboje, které transport po konjugovaném řetězci zprostředkovávají. Strukturně nejjednodušším konjugovaným polymerem je polyacetylen. Pro transport elektrického náboje je určujícím momentem přeskok nositelů mezi jednotlivými řetězci. Tento transport je méně efektivní než přenos náboje v kovech, je totiž silně závislý na uspořádanosti makromolekulitina Důkazem je skutečnost, že mechanicky orientované filmy vykazují vyšší elektrickou vodivost ve směru prodloužení než vzorky výchozí.
·                    Použití vodivých polymerů.
Takové vodivé materiály se hodí např. pro výrobu potrubí vhodných do prostředí s výbušnou atmosférou – vodivý plast odvádí elektrostatický náboj, tudíž nehrozí vznícení těkavých par. Elektrostatický náboj je jeden z možných iniciátorů výbuchu.