Plasty jako konstrukční materiál

O svoje znalosti a zkušenosti se podělil světově uznávaný odborník na plasty a kompozity prof. Steidl z FS ČVUT, který nám poskytl odpovědi na naše otázky.

Prof. Steidl pracuje v současné době jako vysokoškolský pedagog na FS ČVUT v Praze. Je dlouholetým členem České společnosti pro nové materiály a technologie (ČSNMT) a členem jeho řídicího výboru se zaměřením na plasty a kompozity. Pravidelně působí v expertních týmech a je členem mnoha vědeckých rad.

Popularita plastů obecně spočívá především v tom, že mají několikanásobně menší hustotu než kovy. Nikdo, například v domácnostech, nechce manipulovat s výrobky, které jsou těžké. Z pohledu celkového technického rozvoje bych místo slova populární raději volil slovo nutný nebo nezbytný. Plasty a polymerní kompozity totiž přinášejí lidstvu novou kvalitu výrobků se zvýšenou užitnou hodnotou, nové technologie a příznivější ekonomiku výroby. Těžko si lze bez plastů představit velkosériovou výrobu dutých předmětů. Nelze opominout ani přínosy plastů pro estetické řešení výrobků. Kromě již zmíněné malé hustoty mají řadu zajímavých vlastností, které jsou permanentně využívány pro inovace výrobků a jsou nezbytným nástrojem pro dosažení jejich konkurenceschopnosti. Jsou to korozní odolnost, elektroizolační vlastnosti, tlumení hluku a vibrací, snadná zpracovatelnost, vybavitelnost ve hmotě. Plasty umožňují zcela nové koncepční způsoby konstruování výrobků založené na integraci jednoduchých dílů ve složitější vícefunkční součásti a na efektivním zhodnocení specifických vlastností plastů. Uveďme jako příklad nádržový čerpadlový modul nebo sací modul automobilů. Progresivním konstrukčním přístupem je účelné využití kombinací plast-kov. Hybnou silou pro aplikace plastů (a polymerních kompozitů) je automobilový a letecký průmysl, nicméně ani další průmyslová odvětví se již bez plastů neobejdou.

Mnoho lidí, zejména z laické veřejnosti, bohužel ještě neumí ocenit jejich přínosy pro komfort svého života a plasty naopak přímo zatracují. Nelíbí se jim, ale to oprávněně, např. dopady na životní prostředí, často také podléhají informacím o škodlivém vlivu plastů na zdraví lidí (na pranýři je v největší míře PVC). Řešení obou problémů se již věnuje značná pozornost. Celkový výčet nevýhod je oproti kovům poměrně velký. Vyplývá to jednoduše ze skutečnosti, že polymery jsou organické látky. Mechanické vlastnosti jsou ve srovnání s kovy horší a co je důležité, jsou silně teplotně a časově závislé a vykazují anizotropii, zvláště u vstřikovaných výrobků. Teplotní odolnost je nízká, teplotní roztažnost je desetinásobně větší než u kovů. Nevýhodou je dále hořlavost, povětrnostní a fyzikální stárnutí. Semikrystalické plasty mohou v závislosti na teplotě a čase dodatečně krystalizovat a tím měnit mechanické vlastnosti (křehnou). Některé plasty jsou navlhavé, podléhají korozi za napětí, jsou vrubově citlivé, propustné pro nízkomolekulární látky, bobtnají nebo se i rozpouštějí v selektivních rozpouštědlech. Všechny nevýhody se ovšem dají omezit nebo eliminovat vhodnou volbou aditiv, plniv, vyztužujících vláken, kopolymerací, přípravou polymerních směsí nebo chemickými modifikacemi. Dá se tedy říci, že zmíněné nevýhody nemají zásadní vliv na perspektivu aplikací plastů do budoucna.

Materiály použité k výrobě Boeingu 787. Pro zvětšení klikněte na obrázek

Podle mého názoru je tradice ve vývoji a výrobě plastů v českých zemích i na Slovensku velmi bohatá. Přispěly k tomu nejen poměrně velké výrobní kapacity vybudované v 60. a 70. letech minulého století, ale i kapacity vědecko-výzkumné a personální. Vyrostlo zde množství významných odborníků se světovým renomé. V Československu byla pokryta výroba tzv. komoditních polymerů (vyráběných ve velkých objemech pro širší použití). „Velkou čtyřku“ tvoří polyvinylchlorid, který se začal vyrábět v roce 1951 na Slovensku v chemických závodech v Novákách, v roce 1975 pak ve Spolaně Neratovice, polystyren se začátkem výroby v roce 1963 v Kaučuku Kralupy, výroba polyetylenu byla zahájena nejprve v roce 1966 ve Slovnaftu Bratislava (nízkohustotní typ) a v roce 1976 v Chemopetrolu Litvínov (vysokohustotní typ) spolu s polypropylenem. Chemická výroba se však zaměřovala i na jiné druhy polymerů, příkladem jsou houževnatý (rázuvzdorný) polystyren (HIPS), terpolymer ABS, polymetylmetakrylát (PMMA), polyamid 6, syntetické pryskyřice, butadienstyrenový kaučuk. Vyvíjena byla řada nových polymerů nebo modifikací stávajících, jako alkalický polyamid, termoplastické kaučuky nebo polyfenyleneter modifikovaný houževnatým polystyrenem (PPE/HIPS). Je nutno poznamenat, že mnohé vývojové a přitom úspěšné aktivity se v důsledku pozdějších hospodářských, politických a organizačních změn nedočkaly realizační fáze. Příkladem je posledně jmenovaný polymer, který měl obohatit československou výrobu o jeden z typicky konstrukčních plastů.

Krátce na vysvětlenou, zvláště pro strojaře: Výrobu plastu, tedy materiálu, jehož základem je polymer, je možno popsat třemi kroky. Prvním je výroba monomeru. Zatímco např. etylen (eten) a propylen (propen) jako monomery pro polyetylen a polypropylen jsou přímými produkty zpracování ropy, jiné monomery se vyrábějí chemickými reakcemi. Druhým krokem je polymerace, chemický proces, kdy za přítomnosti dalších chemických látek (iniciátory, inhibitory, retardéry polymerační reakce) vzniká z monomeru vysokomolekulární látka neboli polymer. Posledním krokem je výroba plastu již připraveného ve formě granulátu nebo prášku pro zpracovatelské technologie. Při něm se polymer mísí s různými aditivy (antioxidanty, UV stabilizátory, tepelnými stabilizátory, retardéry hoření, antistatiky, modifikátory rázové houževnatosti, barevnými pigmenty aj.), plnivy (částicovými, vláknovými, nanoplnivy), jinými polymery (vznikají tak polymerní směsi) nebo se také základní polymer chemicky modifikuje (např. chlorovaný polyetylen).

Případů, kdy je výhodnější, opět bych řekl, že spíše nutné, upřednostnit polymerní materiály před materiály kovovými, je velké množství. Zcela obecným cílem je především zmenšení hmotnosti výrobků. U letadel a automobilů je menší hmotnost přímo spojena s úsporami paliva. Snahy o výrazné zmenšení hmotnosti letadel vede k použití polymerních materiálů, převážně ve formě dlouhovláknových kompozitů, a to nejenom v interiéru, ale také v sekundární a dokonce i v primární konstrukci. Příkladem jsou zejména Boeing 787 nebo Airbus 350. U automobilů je situace podobná, plastové díly se používají nejen v interiérech a na částech karoserie, ale stále ve větší míře se uplatňují i v motorovém prostoru, kde jsou na ně kladeny náročné požadavky (vysoké teploty, střídání teplot, odolnost proti palivům a dalším automobilovým kapalinám). Jiným příkladem, kdy je ve hře hmotnost, jsou vrtule větrných elektráren nebo potrubní systémy všech rozměrů. Pro transparentní výrobky se místo skla dává přednost průhledným plastům, jako je polykarbonát (PC) vyznačující se vysokou houževnatostí nebo polymetylmetakrylát (PMMA). Na výrobky složitých tvarů, tenkostěnné výrobky nebo součásti velmi malých rozměrů (několik málo milimetrů) je rovněž výhodnější použít polymerní materiály.

Za moderní způsob konstruování plastových dílů a součástí považuji vzájemné propojení výběru materiálu s konstrukčním řešením a návrhem výrobního zařízení. Součástí celého řešení by mělo být i posouzení dopadu výrobku na životní prostředí ve všech stadiích jeho provozu (Life-cycle assessment, LCA) a ekonomická analýza. Výběr vhodného materiálu je v současné době poměrně komplikovaný, protože od každého druhu plastu jsou výrobcem nabízeny desítky variant. Výběr materiálu usnadňují materiálové databáze vlastností plastů, z nichž největší význam má CAMPUS (Computer Aided Material Preselection by Uniform Standards). Databáze CAMPUS byla založena v roce 1988 a od té doby je pravidelně inovována a doplňována. Podstatné je, že jde o globální projekt založený na mezinárodních normách ISO 10350 pro jednobodové hodnoty vlastností a ISO 11403 pro vícebodové hodnoty vlastností a že umožňuje porovnávat vlastnosti plastů od různých výrobců. Způsob konstruování s plasty vyžaduje poněkud odlišný přístup než v případě kovů. Obecné konstrukční zásady zahrnují řadu pravidel, jak řešit tloušťky stěn, vyztužující žebra, úkosy, studené spoje, umístění vtoků, způsob spojování dílů atd. Kromě toho každý větší výrobce plastů uvádí ve své firemní literatuře technické detaily a směrnice týkající se navrhování výrobků ze svých materiálů. Již v počáteční fázi konstruování by si konstruktér měl uvědomit, zda bude výhodnější použít na navrhovaný výrobek termoplast, reaktoplast nebo kompozit, což je zasadní pro výrobní technologii. Využití metody konečných prvků pro tvorbu konstrukčního návrhu a simulační analýzy pro optimalizaci technologie zpracování (Moldflow, Cadmould, C-mold aj.) by mělo být v současné době již samozřejmostí.

Věcí, na které by si měl konstruktér dávat pozor, je celá řada a nelze je v krátkosti všechny popsat. Předně by si měl uvědomit, že pro plasty neexistují standardizované materiálové listy jako u ocelí, u kterých číslo normy současně udává zaručené vlastnosti. Musí tedy pracovat s databázemi, např. s již zmíněným softwarem CAMPUS, což vyžaduje větší úsilí a výsledek nemusí být pro zamýšlenou aplikaci zcela jednoznačný. Normované jednobodové hodnoty vlastností plastů nemůže konstruktér brát jako závazné pro funkci navrhovaného plastového výrobku. Volbu materiálu založenou na jednobodových hodnotách je nutno chápat jako orientační, základní způsob charakterizace plastu. Pro přesnější rozhodování o vhodnosti plastu pro danou aplikaci a pro odhad jeho chování za zpracovatelských a provozních podmínek slouží normované vícebodové hodnoty, tj. závislosti vlastností na teplotě, čase a prostředí. Zvláště je to důležité u modulu pružnosti, jednoho ze základních parametrů zadávaných do konstrukčních výpočtů. Upozornit je třeba i na některé další možné problémy související se specifickým chováním plastů. Plasty na rozdíl od kovů podléhají krípu (tečení) již za normální teploty, při cyklickém namáhání se neprojevuje mez únavy. Zvláštní pozornost je třeba věnovat velikosti smrštění vůči formě a dodatečnému smrštění a zbytkovým napětím, zvláště u výrobků, u kterých je plast v průběhu zpracovatelského procesu kombinován s kovem.

Pracovišť, kam se lze obrátit s dotazy o plastech, je v ČR široká škála, rozdělil bych je na tři skupiny. Především jsou to chemicko-technologicky zaměřené vysokoškolské ústavy, které se k polymerům vážou přímo svým názvem. Jsou to Ústav polymerů na Fakultě chemické technologie VŠCHT v Praze, Ústav chemie a technologie makromolekulárních látek na Fakultě chemicko-technologické Univerzity Pardubice a Ústav inženýrství polymerů na Fakultě technologické UTB ve Zlíně. I některé další chemicky zaměřené vysokoškolské ústavy mají polymery ve svém programu, např. Ústav chemie materiálů na Fakultě chemické VUT v Brně. Do druhé skupiny bych zařadil strojírensky zaměřené fakulty. Historicky nejstarším pracovištěm zabývajícím se aplikací plastů ve strojírenství je Ústav materiálového inženýrství Fakulty strojní ČVUT v Praze (dříve katedra nauky o materiálu), který se touto problematikou začal zabývat před padesáti lety. Mezi dalšími akademickými pracovišti mohu jmenovat katedru materiálu a katedru strojírenské technologie na Fakultě strojní TU v Liberci nebo Ústav materiálových věd a inženýrství na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně. Další skupinou jsou výzkumné ústavy. Těm dominuje Ústav makromolekulární chemie AV ČR, disponující největším vědeckým a výzkumným potenciálem v oboru polymerních materiálů. Dále jsou to Polymer Institute Brno (dříve Výzkumný ústav makromolekulární chemie) a nově založené vědecko-výzkumné Centrum polymerních materiálů při Fakultě technologické UTB ve Zlíně. Na uvedených adresách pak lze získat i doporučení na některá úzce specializovaná pracoviště a výrobní firmy zpracovávající plasty.

Názor mám jednoznačně pozitivní. Jedná se totiž o převratný a vysoce perspektivní výrobní proces. Zatímco při klasickém obrábění se materiál z polotovaru postupně odebírá, při 3D tisku se naopak po tenkých vrstvách přidává. Jednou z metod je selektivní laserové slinování (SLS) plastového prášku, při kterém se teplo potřebné pro slinování dosahuje laserovým paprskem. SLS nabízí návrhářům a konstruktérům mnohem větší svobodu při optimalizaci geometrického tvaru výrobku, než je tomu u klasických výrobních technologií. Technologie je cenná zejména v tom, že umožňuje rychlou personalizovanou výrobu (custom-fit neboli „šitou na míru“), jejíž podstatou je přizpůsobení daného výrobku co do tvaru a rozměrů konkrétní osobě. Jedná se např. o protetické pomůcky, implantáty, ochranné helmy, sedadla v motorových vozidlech apod. Je typickým příkladem, jak mohou plasty přispívat ke kvalitě života a komfortu zejména hendikepovaných lidí.

Nakládání s plastovým odpadem je ve srovnání s kovovým odpadem prozatím velmi náročné, současně ale představuje dobrou příležitost pro efektivní využití materiálových zdrojů. Evropská komise se problematikou zabývá v rámci tzv. Zelené knihy (Green Paper, 2013), kterou iniciovala celoevropskou diskusi na téma plastové odpady. Kniha na jedné straně zdůrazňuje klíčovou a nezpochybnitelnou roli plastů ve všech oblastech hospodářství a současně přitom vyzdvihuje potenciální přínosy pro životní prostředí i ekonomiku za předpokladu, že se podíl recyklovaných plastů bude zvyšovat. Evropská komise též rozhodla o zákazu skládkování plastů od roku 2020, což bezesporu vyvolá i legislativní tlak na lepší zhodnocení plastových odpadů. V ČR se již recyklace plastů stala zajímavou oblastí podnikání. Požadavek na zhodnocení plastových odpadů se stal inspirací k řadě nových řešení jak pro mechanicko-fyzikální recyklaci, kdy výsledkem je regranulát, tak chemickou recyklaci, při které dochází k chemickému rozkladu plastu. Do chemických recyklačních technologií spadá například originální metoda depolymerace polyetylentereftalátového odpadu (PET) za pomoci mikrovlnné techniky. Metoda byla vyvinuta v Ústavu chemických procesů AV ČR a jejím výsledkem jsou původní monomery, tj. etylenglykol a kyselina tereftalová, ze kterých lze zpětně polymerační reakcí získat PET.

Na jakýkoliv vývoj je nutno pohlížet nejenom z technického, ale i z ekonomického hlediska. Zpracování a aplikace plastů se staly v ČR předmětem rychle se množících podnikatelských aktivit. Tato oblast podnikání se jeví jako velmi atraktivní a do budoucna perspektivní. Je tomu tak proto, že současný vývoj téměř ve všech průmyslových odvětvích včetně výroby lékařských přístrojů a zařízení se bez plastů neobejde a další technický pokrok není bez nich možný. Potenciál plastových materiálů a jejich praktická uplatnění se neustále rozšiřují s tím, jak se vyvíjí materiálová základna a zpracovatelské technologie. Do praxe se zavádějí nové druhy polymerních směsí, nové typy aditiv a plniv, vyvíjeny jsou elektrovodivé plasty s vlastní vodivostí, cyklopolymery s vysokou teplotou skelného přechodu, polymery plněné přírodními vlákny, biologicky odbouratelné plasty, polymery s tvarovou pamětí aj. Stále větší praktické uplatnění nacházejí speciální inženýrské plasty na bázi polyehereherketonu (PEEK), polyfenylensulfidu (PPS), polyeterimidu (PEI), kapalně-krystalických polymerů (LCP) apod., a to i přesto, že jejich ceny jsou poměrně vysoké. Zvláštní pozornost se věnuje výzkumu a vývoji nanomateriálů, u nichž jsou vlastnosti polymeru modifikovány velmi malým podílem anorganických nanočástic. Plasty a polymerní kompozity se ve světě staly prioritní materiálovou oblastí podporovanou velkými finančními prostředky.

Jan Petřík

jan.petrik@mmspektrum.com