Materiálová řešení vodovodních fitinků

Typický vodovodní fitink se v současné době vyrábí zastříknutím mosazné závitové vložky plastem, nejčastěji stejného druhu, z jakého jsou vyrobeny i trubky. Nové normy omezují obsah olova v mosazi maximálně na 0,25 hm. %, tedy 12x méně než obsahuje automatová mosaz pro všeobecné účely (CuZn39Pb3). Základem pro certifikaci materiálů na komponenty vodovodních rozvodů se stala norma NSF International/ANSI Standard 61 „Drinking Water System Components“ (USA) pro studenou a horkou pitnou vodu do 82 °C. Prakticky všechny certifikační postupy týkající se materiálů pro styk s pitnou vodou se na tuto normu odvolávají. Nová legislativa a její blížící se zavádění do praxe naznačují, že náhrada klasické mosazi obsahující olovo se pravděpodobně stane v blízké budoucnosti problémem, který bude nutno řešit nejen z hlediska materiálově-technologického, ale zasáhne i do ekonomiky firem, jež se touto výrobou zabývají. Jde přitom o problém globálního charakteru. I když vývoj, jak se momentálně jeví, směřuje především k použití bezolovnaté mosazi, eventuálně ke korozivzdorné oceli, zcela nová a netradiční řešení jako alternativu kovů mohou přinést vyztužené inženýrské plasty, případně hybridní materiály kov-plast. Výzkumné a vývojové aktivity v tomto směru již byly iniciovány.

Vyztužené inženýrské termoplasty se obecně jeví jako perspektivní alternativa materiálového řešení pro výrobu součástí certifikovaných pro stálý styk s pitnou vodou. Vývoj takovýchto, zcela nových řešení je však spojen s řadou problémů. Pokud jde o legislativu, příklady některých již certifikovaných plastových materiálů naznačují, že splnění norem a předpisů pro pitnou vodu se ukazuje jako reálné a přítomnost skleněných nebo uhlíkových vláken v materiálu není na závadu, alespoň podle současných poznatků. Nízká hustota, možnost dosažení poměrně dobrých mechanických vlastností včetně odolnosti proti creepu a produktivní způsob zpracování vstřikováním dávají tomuto směru řešení perspektivu.

Creepové křivky standardního neplněného POM kopolymeru (nahoře) a superplastu PEEK s 30 % uhlíkových vláken (dole).

Plasty se na výrobu spojovací součásti vodovodních systémů běžně používají po mnoho let, hlavním problémem je ale případná náhrada kovových závitových vložek zastříkávaných trubkovými plasty, nejčastěji polyolefiny. Závitové díly musejí odolávat mechanickému namáhání při montáži a utahování. Závity se přitom nesmějí odírat, vylamovat, nesmí se projevit plastická deformace nebo vznik křehkých trhlin, což by mělo za následek netěsnost spoje. Díly musejí být rozměrově stabilní v závislosti na čase i teplotě v rozmezí teplot mezi studenou a horkou vodou. Teplotní roztažnost a absorpce vody mohou významně ovlivnit rozměrovou stabilitu. U krystalizujících polymerů je pak nutné počítat s časově závislou dodatečnou krystalizací projevující se smrštěním. Z chemického hlediska je požadována odolnost proti hydrolýze. Důležitým požadavkem je vysoká odolnost plastu proti creepu. V mechanicky namáhaném závitovém spoji se nesmí projevit časově závislé deformace, které by mohly ohrozit funkci a požadovanou dobu životnosti celého potrubního systému. Naskýtá se ovšem otázka, zda plasty samotné jsou schopny s ohledem na svoje vlastnosti tuto úlohu splnit. O tom, jak se závitové spojovací elementy z různých druhů plastů chovají při montáži i provozu, neexistují prozatím žádné exaktní údaje či informace, které by umožnily jednotlivé materiály z tohoto hlediska porovnat.

Malá odolnost plastů proti creepu i za normální teploty a s tím spojené změny rozměrů dlouhodobě mechanicky zatěžovaných součástí obecně limitují širší použití plastů v technické praxi. Konstruování s plasty daleko více ovlivňuje modul pružnosti a povolenou velikost deformace – na rozdíl od pevnosti nebo meze kluzu. Viskoelastické chování plastů způsobuje, že modul pružnosti je u dlouhodobě mechanicky zatěžovaných součástí z plastů závislý na čase. Ke zjištění růstu deformace slouží experimentálně stanovené závislosti deformace na čase měřené za různých napětí v tahu, ohybu nebo tlaku (creepové křivky). Z creepových křivek lze odvodit vztahy mezi napětím a deformací pro konstantní časy (izochronní křivky). Z přímkové části těchto křivek (oblast viskoelastické linearity, kdy modul pružnosti je nezávislý na napětí) je pak možné vypočítat podle vztahu analogického Hookovu zákonu moduly pružnosti a sestrojit tak závislosti modulu pružnosti na čase. Mezi průběhem creepových křivek a modulem pružnosti tak existuje vzájemný vztah. Creepové křivky jsou nejdůležitějším podkladem pro konstruování dlouhodobě mechanicky namáhaných plastových součástí. Z creepových křivek se mimoto odvozují izometrické křivky, což jsou závislosti napětí na čase při konstantní deformaci. Ty v praxi slouží jako aproximace relaxačního chování, protože relaxační experimenty nejsou tak běžné jako creepové. Komplexní pohled na creepové chování plastů udávají creepové křivky měřené nejenom za různých napětí, ale i za různých teplot.

Zlepšení creepových vlastností plastů se řeší zejména přídavkem vyztužujících plniv, a to jak částicových, tak vláknových, případně kombinací obou. Aby se dosáhlo výrazněji lepších creepových vlastností, obsah plniva musí dosahovat až několika desítek procent. Kromě toho i samotná polymerní matrice musí mít dobrou odolnost proti creepu. Jako příklad zcela rozdílného creepového chování jsou na obr. 1 porovnány creepové křivky konvenčního termoplastu POM a superplastu PEEK s 30 % uhlíkových vláken. Vysoký obsah vláken nebo minerálních plniv však vede ke zvětšení hustoty, která je ale ve srovnání s mosazí nebo ocelí stále podstatně menší. Zatímco kovové materiály nepodléhají creepu při teplotách přicházejících v úvahu u vodovodních systémů, teplotní rozdíl mezi studenou a horkou vodou u plastů hraje významnou roli, a to i u plastů s  potlačeným creepem. Dokumentují to např. creepové křivky polyftalamidu (PPA) vyztuženého 30 % skleněných vláken pro teplotu studené (23 °C) a horké (82 °C) vody (obr. 2). Bylo prokázáno, že na creepové chování má příznivý vliv délka vláken okolo 10 mm, na rozdíl od klasických krátkovláknových kompozitů s délkou vláken okolo 1 mm.

Creepové křivky PPA s 30 % skleněných vláken při 23 °C (nahoře) a 82 °C (dole)

V  posledních letech i rozvoj nanotechnologií naznačil cesty, jak zlepšovat mechanické vlastnosti plastů. Četné publikace prokazují pozitivní vliv nanočástic nejenom na modul pružnosti a pevnost plastů, ale také na jejich creepovou odolnost. Inspirativním poznatkem z oblasti kovů bylo např. zlepšení creepové odolnosti oceli přídavkem nanočástic karbonitridu titanu (M. Taneike, F. Abe, K. Sawada, publikováno v časopise Nature, vol. 424, 2003). Pro zlepšení creepového chování polymerů se nejvíce prací zabývá využitím nanočástic TiO2 , uhlíkových nanotrubiček a nanočástic SiO2, i když bylo zjištěno, že i nejběžnější nanoplnivo montmorillonit má rovněž příznivé účinky na creepovou odolnost polymerů. Podstatou všech metod je vytvořit ve struktuře polymeru překážky omezující časově závislý pohyb makromolekul při dlouhodobém mechanickém zatížení. Přídavkem nanočástic lze např. u PP a PA 66 docílit zlepšení creepových vlastností o desítky až stovky %, uhlíkové nanotrubičky zvětšují creepovou životnost PP až o 1 000 %. Potřebný optimální obsah nanočástic je na rozdíl od vláken pouze několik málo procent, což má jen minimální vliv na hustotu nanokompozitu.

Zajímavými materiály s potlačeným creepem se mohou stát vstřikovací hybridní kompozity s matricí modifikovanou nanočásticemi a vyztuženou vlákny. Příklad experimentálních fitinků (přechodek) z PP-R se zastříknutou závitovou vložkou z polyamidového kompozitu obsahujícího skleněná vlákna a nanotrubičky Halloysitu ukazuje obr. 3. Vzorky přechodek stejného tvaru byly vyrobeny i z alternativního kompozitu na bázi částečně aromatického polyamidu s uhlíkovými vlákny.

Na trhu se v poslední době objevuje řada termoplastů, u kterých je inzerována vynikající creepová odolnost, a tyto materiály jsou tedy doporučovány pro výrobu součástí dlouhodobě zatěžovaných mechanickým napětím, a to i za vyšších teplot. Skleněnými a uhlíkovými vlákny vyztužené termoplasty nabízejí obecně velmi dobré mechanické vlastnosti včetně creepového chování a rozměrové stability při změnách teploty. Vyvstává u nich však otázka případné zdravotní závadnosti v důsledku uvolňování krátkých skleněných nebo uhlíkových vláken, případně nanočástic. O možném uvolňování mikro- a nanočástic do pitné vody a jeho případných zdravotních dopadech neexistují prozatím z probíhajících výzkumných aktivit jednoznačné závěry. Obavy však zatím do značné míry rozptyluje současný světový vývoj takovýchto plastových materiálů a jejich úspěšně probíhající certifikace pro studenou i horkou pitnou vodu. Základním předpokladem aplikace určitého plastu na součásti vodovodních systémů je tedy jeho certifikace pro pitnou vodu.

Závitové vložky z polyamidového hybridního kompozitu s obsahem skleněných vláken a minerálních nanotrubiček Halloysite před a po zastříknutí PP-R.

Vyrobeno v FMP, a. s.

Okruh potenciálních plastů je tím do značné míry omezen. Z klasických, tzv. inženýrských plastů jsou to zejména polyoxymetylen (POM) a polyamid 66 (PA 66). Na konci 60. let minulého století se začaly používat polyacetalové plasty (POM) na fitinky kvůli jejich dobré hydrolytické stabilitě, vysokému stupni krystalinity, a tedy relativně dobrým mechanickým vlastnostem, včetně creepové odolnosti a nízké absorpci vody. V průběhu 70. let se objevily problémy související s degradací POM způsobené ve vodě obsaženým chlorem. Povolené koncentrace chloru v pitné vodě jsou v různých zemích značně rozdílné, a tudíž se i lišila rychlost degradačního procesu POM. Nicméně s postupujícím vývojem polyacetalových plastů se na trh dostaly typy POM včetně vyztužených sklem, které jsou certifikovány pro dlouhodobé použití v prostředí pitné vody. Z pohledu dnešních požadavků na případnou náhradu mosazných závitových vložek mají však materiály na bázi POM nevyhovující mechanické vlastnosti. Naproti tomu typy PA 66 s vysokým obsahem skleněných vláken a certifikované pro studenou i horkou pitnou vodu se vyznačují velmi příznivou relací mezi mechanickými vlastnostmi včetně creepu a cenou. Ze skupiny polyamidů byl dále certifikován polyftalamid (PPA) pro horkou chlorovanou vodu jako efektivní náhrada mosazi. Dále byly certifikovány některé typy ze skupiny špičkových plastů s vysokou odolností proti creepu, jako jsou polyfenylensulfid (PPS), polysulfony (PSU, PPSU) nebo polyeterketony (PEK). Všechny typy jsou plněny vysokým obsahem skleněných vláken, a to až 60 objemovými %, některé typy jsou vyztuženy vlákny uhlíkovými. Většina z nich má sloužit jako náhrada mosazi pro vodovodní zařízení, ale nikoliv zatím pro závitové zástřiky.

Pokračování příště

Prof. Ing. Josef Steidl, CSc.
jose.steidl@gmail.com