Témata
Příprava vzorku a foto: Ing. Z. Jeníková, Ph.D.

V čem jsou si plasty a kovy podobné

„Průmysl umělých plastických hmot se v posledních deseti letech nevídaně rozvinul ve všech zemích,“ konstatuje časopis Vynálezy a pokroky z roku 1934. Dnes lze v podstatě prohlásit totéž, ale s dovětkem, že plasty již zaujaly nezastupitelnou úlohu ve světovém technickém rozvoji.

Prof. Josef Steidl

je emeritním profesorem ČVUT v Praze. Jeho oborovým zaměřením jsou materiálové vědy a inženýrství se specializací na plasty a kompozity. Je členem Inženýrské akademie ČR, kde zastává funkci předsedy sekce Materiálové inženýrství a technologie.

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.

Krystalická struktura polymerů

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.

Prof. Paul H. Lindenmeyer, průkopník teorie mřížkových poruch u polymerů. (Zdroj: Polymer Engineering and Science, No. 4, 1994)

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.

Mřížkové poruchy

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.

Sférolitická struktura polymeru (polyamid 6) při pozorování v polarizačním mikroskopu. Jemné sférolity po rychlém ochlazení taveniny (povrch vzorku), velké sférolity při pomalém ochlazování taveniny (vnitřek vzorku). (Příprava vzorku a foto: Ing. Z. Jeníková, Ph.D., Ústav materiálového inženýrství, Fakulta strojní ČVUT v Praze)

Fázové přeměny

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.

Na chování polymerů při působení vnějších sil mají vliv, podobně jako u kovů, strukturní charakteristiky, jako typ krystalové mřížky, mřížkové poruchy, velikost krystalových útvarů a charakter hranic mezi nimi.

Mechanické vlastnosti

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.

Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit