V čem jsou si plasty a kovy podobné

Plasty se staly vedle kovů a jejich slitin druhým nejpoužívanějším materiálem ve strojírenství. V popředí odborného zájmu proto stojí chování strojírenských plastů za působení vnějších sil. Základní složkou plastů je polymer, jehož struktura a vlastnosti spolu s aditivy jsou pro vlastnosti plastu určující. V odborné literatuře, včetně výukové, lze nalézt porovnání konstrukčních kovových a polymerních materiálů z různých hledisek. Popisovány jsou rozdíly mezi nimi a zejména pak jsou zdůrazňovány výhody a nevýhody obou materiálových skupin. Námět tohoto článku se může strojařské veřejnosti zdát poněkud „kacířský“. Snaží se totiž ukázat nikoliv rozdíly mezi plasty a kovy, ale naopak jejich podobnosti. Ty lze pozorovat i přes zcela odlišné vazby mezi atomy u kovů a polymerů. Literatura dokazuje, že na chování polymerů při působení vnějších sil mají vliv, podobně jako u kovů, strukturní charakteristiky, např. typ krystalové mřížky, mřížkové poruchy, velikost krystalových útvarů a charakter hranic mezi nimi.

Největší objem komerčně vyráběných a v technické praxi využívaných polymerních materiálů zaujímají ty druhy, které jsou schopny částečné krystalizace. Patří k nim polyolefiny, polyamidy, lineární polyestery, polyacetaly, fluoropolymery, polyeterketony, kapalně krystalické polymery, polyfenylensulfid, termoplastické polyimidy, polyvinylalkohol, polyetylenoxid, kyselina polymléčná a některé další, méně známé. Pro nauku o krystalizujících polymerech se jako inspirativní stala nesrovnatelně propracovanější nauka o kovech. Materiálový vývoj ukázal, že nauka o polymerních materiálech může z nauky o kovových materiálech nejenom čerpat, ale i iniciovat k hlubšímu zamyšlení nad zákonitostmi krystalizujících polymerů za podmínek působení vnějších sil.

Objasnění vnitřní stavby krystalizujících polymerů umožnila příprava polymerních monokrystalů v polovině 50. let minulého století. Na základě studia monokrystalů objevil Američan Andrew Keller v roce 1957 podstatu stavby polymerních krystalů. Jeho model skládaných polymerních řetězců (folded chain crystals) vytvořil předpoklady pro širší výzkum struktury polymerů. Poznatky ze studia monokrystalů byly postupně přenášeny do výzkumu polykrystalických polymerů. V roce 1959 byly v časopise Journal of Polymer Science publikovány tři objevné a přitom nezávislé práce o sférolitické struktuře, charakteristické pro krystalizaci polymerů z taveniny. Poznatky získané studiem polymerních monokrystalů shrnul Američan P. H. Geil ve svojí památné a obsáhlé knize „Polymer Single Crystals“ (nakl. Interscience, 1963, 560 stran), vydané i v ruském jazyce. I když u krystalizujících polymerů je struktura pouze částečně krystalická a krystalické útvary mají zcela jinou vnitřní strukturu než u kovových materiálů, existuje řada symptomů společných s kovy.

První, co napadlo vědce zabývající se strukturou krystalické fáze polymerů, byla existence mřížkových poruch. Množství prací skutečně prokázalo, že se v polymerních krystalech vyskytují analogické poruchy krystalové mřížky jako v kovech – dislokace a vakance. Historický příběh o vzniku dislokační teorie obecně popsal prof. John P. Hirth (Ohio State University, Columbus) v Detroitu v roce 1984 na sympoziu k 50. výročí zavedení pojmu dislokace ve fyzikální metalurgii. O rok později pak svoji přednášku „A Brief History of Dislocation Theory“ publikoval v časopise Metallurgical Transactions. O dislokacích v polymerech se však ještě nezmiňoval, i když první diskuze o možném využití dislokační teorie pro vysvětlení plastické deformace polymerních krystalů se objevila už v roce 1958 v prestižním časopise Philosophical Magazine (F. C. Frank, A. Keller, A. O´. Connor). K ověření teoretických předpokladů o existenci mřížkových poruch v polymerech přispěla zejména moiré technika v elektronové transmisní mikroskopii. V polymerních krystalech byly prokázány hranové, šroubové i parciální dislokace. Postupně se rozvíjející teorie mřížkových poruch u kovů se stala žhavým tématem i ve výzkumu krystalizujících polymerů.

Významným průkopníkem teorie mřížkových poruch u polymerů se stal americký vědec a manažer vědy Paul H. Lindenmeyer (1921 až 1991). Při příležitosti letošního stoletého výročí jeho narození si alespoň krátce připomeňme začátky objevování tajemné mikrostruktury krystalizujících polymerů. Poznání jejich vnitřní stavby totiž Lindenmeyer považoval za stejně důležité jako u kovů. Zanícení pro odhalení podstaty krystalové struktury polymerů nezastavilo ani přerušení jeho akademické kariéry službou u amerického letectva v letech 1943  až  1946. Svoji aktivní činnost končil rovněž u letadel, a to ve firmě Boeing Company, kde koordinoval materiálový výzkum. V této funkci dovedl propojovat poznatky o struktuře kovů a polymerů a využívat tohoto přístupu k cílenému řešení materiálových problémů. Pomocí teorie mřížkových poruch lze uspokojivým způsobem interpretovat celou řadu fyzikálně-mechanických vlastností krystalizujících polymerů, jako jsou zpevňovací a odpevňovací procesy, tečení, iniciace a šíření trhlin.

Podobně jako kovy se většina krystalizujících polymerů vyskytuje ve více než jedné krystalové modifikaci. Přeměny mohou být vyvolány podmínkami krystalizace, tj. teplotou tuhnutí taveniny, dodatečným tepelným zpracováním či deformací. Typickým příkladem je polymorfní přeměna polypropylenu. Za technologicky normálních podmínek krystalizace z taveniny, jako při vstřikování nebo vytlačování, vzniká monoklinická struktura krystalické fáze, označovaná jako alfa forma. Při teplotách krystalizace nad 100 °C převažuje vznik hexagonální beta formy, jejíž praktický význam spočívá v tom, že má oproti alfa formě o 15 °C nižší teplotu tání a větší rázovou houževnatost. Beta forma tak umožňuje rozšířit okruh aplikací polypropylenu. Deformačně indukovanou přeměnu orthorhombické mřížky na monoklinickou lze pozorovat u polyetylenu. Přeměna probíhá bezdifuzním mechanismem. V literatuře se proto označuje jako přeměna martenzitického typu v analogii s martenzitickou přeměnou oceli. Různé krystalizační podmínky, jako teplota, rychlost ochlazování z taveniny, cílená přítomnost nukleačních činidel, působení smykového napětí na krystalizující taveninu a dodatečné tepelné zpracování, mohou vést ke vzniku odlišných polymorfních struktur polymeru.

U kovů je strukturní pojetí deformačního chování propracováno do značné hloubky a mechanické vlastnosti jsou vždy interpretovány ve vztahu k jejich vnitřní stavbě. Krystalizující polymery vykazují při působení vnějších sil z mikrostrukturního hlediska některé analogické vlastnosti jako u kovů. Teoretické i experimentální poznatky potvrzují, že při plastické deformaci krystalizujících polymerů hraje (v analogii s kovy) významnou úlohu pohyb dislokací. Prokázáno bylo i dvojčatění jako mechanismus počáteční fáze plastické deformace.

Základním strukturním útvarem pozorovatelným ve světelném mikroskopu je sférolit. Svým geometrickým tvarem se podobá zrnu u kovů. Velikost sférolitů je ovlivňována technologickými podmínkami zpracování z taveniny. Podobně jako u kovů zjemňování zrna, tak i u plastů zjemňování sférolitů vede ke zlepšování mechanických vlastností. U vysoce krystalických polymerů lze pozorovat, že mez kluzu klesá s rostoucí velikostí sférolitů, tedy podobně jako ve smyslu Hallova–Petchova vztahu pro velikost zrna u kovů. Významný vliv na mechanické vlastnosti, např. na krípové chování a iniciaci trhlin, mají hranice sférolitů, na nichž mohou segregovat příměsi a nízkomolekulární podíly. V analogii s hranicemi zrn u kovových materiálů pak dochází k oslabování hranic sférolitů, jehož důsledkem je zhoršení mechanických vlastností.

Množství teoretických a experimentálních poznatků publikovaných ve světové literatuře prokazuje, že chování krystalizujících polymerů a kovů vykazuje některé podobné rysy. Propojování a konfrontace poznatků o kovových a polymerních materiálech přispívá obecně k lepšímu porozumění materiálové problematiky.