Témata
Reklama

Materiálová řešení vodovodních fitinků

V posledních letech legislativa zpřísňuje předpisy o povoleném obsahu olova v materiálech přicházejících do styku s pitnou vodou. Týká se to především mosazi, tradičního materiálu na výrobu spojovacích součástí vodovodních systémů (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.

Reklama
Reklama

Problémy s náhradou kovových součástí plastem

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.

Creep jako základní nedostatek termoplastů

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.

Cesty ke zlepšení creepového chování plastů

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.

Plasty s potlačeným creepem a certifikací pro styk s pitnou vodou

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

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 120109
Datum: 15. 02. 2012
Rubrika: Trendy / Plasty
Autor:
Firmy
Související články
Materiálová řešení vodovodních fitinků

První část článku, která byla uveřejněna v minulém čísle, pojednávala o problémech s náhradou kovových součástí plastem a krípu, jako základního nedostatku termoplastů. V tomto čísle budou probrány možná řešení náhrady jinými materiály.

Vyztužené termoplasty v letecké konstrukci

Historie firmy Letov má svůj počátek v listopadu 1918, kdy byl založen státní letecký vojenský podnik nazvaný "Letecký arsenál". Společnost prošla několika etapami, od vývoje a výroby vlastních letounů postupně až k vývoji a výrobě letadlových celků.

Kompozitová kapota sériového vozu Ford Focus

Na říjnovém veletrhu Composite Europe 2012 v Düsseldorfu vystavil Ford první přední kapotu sériového vozu Ford Focus z  CFRP kompozitu z uhlíkových vláken, vyrobenou vysokorychlostním procesem vhodným pro velkosériovou výrobu.

Související články
Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nové možnosti průmyslového využití plastů

Supertechnopolymery představují nejnovější a nejvyspělejší článek ve vývoji polymerových materiálů. Od tradičních plastů se liší především vysokým obsahem vyztužujících skelných vláken, případně i přítomností syntetických vláken z aramidu, která dávají supertechnopolymerům výborné mechanické i tepelné vlastnosti. Díky své vysoké odolnosti se tyto moderní inženýrské plasty stále častěji stávají vhodnou alternativou za oceli, přičemž nabízejí i řadu výhod:

Plastové materiály v reflexi K 2013

Inovační dopad exponátů prezentovaných na düsseldorfském veletrh plastů K do praktických aplikací, zejména zajímavých plastových materiálů, je aktuální nejen půl roku po skončení akce, kdy vám tento článek přinášíme, ale má časový přesah dalece větší. Aplikace automobilových plastů jsou možná divácky atraktivnějšími na autosalonech, avšak ty zajímající všechny jsou nové lehké materiály pro úsporu energie, šetřící jim kapsu.

Trexel pro vyšší využití procesu MuCell

Americká společnost Trexel inc. po nabytí licencí od Massachusetts Institute of Technology rozvíjí proces MuCell a vyrábí techniku pro vstřikování lehčených materiálů. Koncem února oznámila, že uzavřela partnerství s tchajvanskou firmou CoreTech pro využití jejího simulačního software Moldex3D.

Podnikové výzkumné centrum formuje budoucnost vývoje materiálů

Eureka je aplikační laboratoř společnosti JSP, výrobce materiálu Arpro, která nabízí vývoj a výrobu prototypů, jejich testování a ověřování prvních sériových výrobků. Umožňuje dokonce experimenty s technologiemi, jako je například laminace či zalisovávání vkládaných dílů s možností ověření 3D tolerancí.

Synergie: klíč úspěchu

Na to, jak je mladý už toho ve své profesi dokázal vskutku hodně. Už na začátku vysokoškolského studia začal podnikat v oblasti jachtingu, do čehož spadá například distribuce materiálů pro povrchové úpravy a poradenství. Dnes je Ing. Viktor Brejcha nejen spojován se společností Sea-Line, ale především je specialistou pro kompozitní materiály ve společnosti Siemens Mobility.

Normované díly pro náročné aplikace

Vysoce specializované oblasti, jako je zdravotnictví či výroba a zpracování potravin, jsou charakterizovány nejen svými nároky na hygienické vlastnosti materiálu, ale také řadou designových specifik. Jedná se zejména o hladký povrch, široké plochy bez prohlubní a spár a oblé hrany. To vše za účelem snadného čištění, dezinfekce a obecně ochrany před usazováním choroboplodných zárodků.

Ambiciózní projekt: Vývoj a výzkum nanomateriálů

Jedním z nejrychleji se rozvíjejících oborů současnosti jsou obory zabývající se nanomateriály a nanotechnologiemi. Tato velmi perspektivní disciplína nachází široké uplatnění ve všech oborech lidské činnosti. Jde však o vědní obor velmi mladý, takže principy výroby, aplikací a jejich zkoušení nejsou dosud dostatečně popsány. A to byl právě impulz pro vznik Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace v Liberci.

Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Normalizované součásti

Společnost Elesa+Ganter CZ nabízí výrobky dvou předních světových výrobců normalizovaných součástí a to Elesa a Otto Ganter. Všechny výrobky vedle vysokého standardu kvality také jsou v souladu evropskou direktivou RoHS conform, což znamená, že při výrobě dílů jsou vyloučeny některé nebezpečné látky.

Kompozitní materiály mění svět

Výzkum materiálů nabírá na obrátkách a přináší stále nové a nové poznatky v mnoha oblastech. Dalo by se říci, že se vydáváme cestou hledání nového paradigmatu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem 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