Plasty z pohledu strojního inženýrství

Historicky je člověk bytostně spjatý s materiály a materiálovou problematikou, aniž by si to přímo uvědomoval.

Ke kovovým konstrukčním materiálům přibyly plasty, materiály principiálně zcela odlišné. Strojaři s nimi přicházejí do styku neustále, pracují s nimi, vyjadřují se k nim, vnímají je svými smysly a provádějí výběr plastu pro danou aplikaci. Do strojního inženýrství totiž plasty vstoupily jako materiály nabízející soubor vlastností, kterých nelze docílit pomocí kovových materiálů. Hodnocení plastového výrobku nebo plastové součásti spočívá v tom, zda plast plní svoji očekávanou užitnou funkci a dobu životnosti, ale i v tom, zda vyhovuje svojí hmotností, zda v provozu vyvolává hlučnost, zda způsobuje statickou elektřinu, jaké vykazuje tribologické vlastnosti, v některých případech i v tom, zda vyhovuje estetickému vnímání. Na uvedená kritéria je možné pohlížet ve smyslu filozofického přístupu, kriticky řešícího otázky poznání, hodnot a lidského myšlení ve stále se vyvíjejícím světě materiálů. Poznávání nových vztahů člověka k materiálům lze filozofickým jazykem pojmenovat jako epistemologii materiálu. Ve srovnání s kovy vyžadují plasty odlišnou materiálovou filozofii, která vnímá konstrukční plasty v technicky správném pojetí.

Plasty se staly i ekologickým politikem. Do materiálové filozofie plastů určených pro strojírenské aplikace zasahuje sílící politizace, založená na ekologických dopadech existence plastů. Desítky publikací se zabývají tím, co se s použitými plasty děje, dostanou-li se do přírody. Příkladem jsou dvě obsáhlé studie publikované poradním orgánem Evropské unie SAPEA (Science Advice for Policy by European Academies) jako výsledek stěžejního jednání dvou pracovních skupin, z nichž každá byla složena z dvaceti pěti evropských expertů, což má bezesporu značnou důležitost. Předmětem studie „A Scientific Perspective on Microplastics in Nature and Society“ z roku 2019 jsou degradační procesy a s nimi související fragmentace makroplastů na mikroplasty (autor článku byl členem pracovní skupiny). Závažným problémem je nekontrolované zacházení s jednorázovými plastovými odpady a zejména to, v jaké míře se tyto plasty dostávají do moře. Studie „Biodegradability of Plastics in the Open Environment“ z roku 2020 je zaměřena na perspektivu biologicky rozložitelných plastů v přírodě. Mikroplastová ideologie ovlivňuje veřejné mínění o plastech a vyvolává odpor veřejnosti proti plastům obecně. Negativní postoje veřejnosti jsou příčinou mnoha výroků o hrozící ekologické katastrofě, kterou by plasty mohly způsobit. Veřejnost většinou rozlišuje plast dvojím přízviskem: jako „igelit“ pro fólie a „bakelit“ pro tuhé předměty. Politizující diskuse se vedou o vlivu plastů na ekologii, téměř vůbec se však nediskutuje o tom, jak mohou plasty přispívat k modernizaci a rozvoji strojírenských oborů. Poznámka: Neexistují ještě jasná odborná stanoviska k účinku mikropryží, uvolňujících se do přírodního prostředí jako důsledek abrazivního opotřebení pneumatik.

Konstrukční plasty výrazně rozšiřují rozmanitost strojírenských materiálů, a tím i typy strojních součástí. Jsou spojeny s novými principy zpracovatelských technologií, včetně aditivních, do materiálového zkušebnictví byly zavedeny nové zkušební metody, stávají se součástí cirkulární ekonomiky, k výběru vhodného materiálu slouží databáze plastů. Klíčový význam mají požadavky na funkční integraci dílů a miniaturizaci součástí a nakonec i na likvidaci výrobků recyklací. Plasty umožňují větší svobodu konstruování, než tomu je v případě kovů.

Pokud jde o vlastnosti konstrukčních plastů, nejsledovanější je hustota jako jedno z nejdůležitějších kritérií pro součásti všech druhů dopravních prostředků a pro jejich díly. Bez použití plastů by jejich rozvoj nebyl možný. Dalšími vlastnostmi, na kterých je použití plastů ve strojírenství postaveno, jsou korozní odolnost, mechanické tlumení, výhodné tribologické vlastnosti, elektrické a antistatické vlastnosti, bariérové vlastnosti a vybarvitelnost ve hmotě. Většina strojírenských aplikací spjatých s plasty využívá multifunkčních vlastností konstrukčních plastů.

K pochopení podstaty vlastností polymerních materiálů a strukturních jevů, které v nich při jejich zpracování probíhají (za provozních podmínek a během recyklačního procesu), lze využít analogie s fyzikálněmetalurgickými přístupy.

Podobně jako metalografie u kovů je důležitou metodou sloužící k hodnocení vztahů mezi strukturou plastů a jejich vlastnostmi plastografie. Jednou ze signifikantních strukturních charakteristik krystalizujících polymerních materiálů jsou tzv. sférolity. Jejich geometrie připomíná metalograficky identifikovatelnou vnitřní strukturu kovů, tvořenou jednotlivými zrny. Velikost sférolitických útvarů a charakter hranic mezi nimi má pro vlastnosti plastu analogický význam jako zrna u kovů. Na hranicích sférolitů segregují např. nekrystalizující podíly, jeden z mechanismů krípu probíhá po hranicích sférolitů, „hrubnutí“ sférolitické struktury je příčinou iniciace trhlin a křehkého chování plastu.

Konstruování s plasty je ve srovnání s kovy komplikováno výraznou teplotní a časovou závislostí jejich mechanických vlastností. Proto jsou u plastů nutné speciální přístupy k hodnocení jejich vlastností, což se nutně odráží i v pojetí a způsobu myšlení konstruktérů.

Vlastnosti plastů jsou charakterizovány dvojím způsobem. Konvenční způsob pracuje s jednobodovými hodnotami: příslušná vlastnost je prezentována jednou hodnotou, stanovenou na základě normalizované zkušební metody (ČSN EN ISO 1350). Jednobodové hodnoty slouží při navrhování plastové součásti nebo dílu obvykle k základní orientaci při výběru materiálu pro konstrukci součásti. Naproti tomu normalizované vícebodové hodnoty (ČSN EN ISO 11403) zohledňují vliv teploty, času a prostředí na vlastnosti plastů a více se tak přibližují praktickým poměrům v provozu. Zásadním kritériem použitelnosti daného plastu za vyšších teplot je tvarová stálost za tepla HDT (Heat Distortion, resp. Heat Deflection Temperature). Hodnotí se teplotou průhybu při zatížení (ČSN EN ISO 75).

Faktor času zohledňují izochronní diagramy (závislosti napětí na poměrném prodloužení pro různé teploty a časy), sestavené na základě krípových zkoušek. Z počáteční části izochronních křivek, kdy se jejich průběh blíží přímce, lze za využití známého Hookova zákona vypočítat tzv. konstrukční modul pružnosti.

I když se s plasty setkáváme na každém kroku, ambivalentní materiálový svět se s jejich existencí ještě plně nevyrovnal. Diverzifikovaná úloha plastů není chápána v jasných souvislostech jejich výhod a nevýhod. Na jedné straně se pozornost soustřeďuje zejména na řešení konfliktu jednoúčelových plastů s přírodou a lidským organismem. Naproti tomu plasty konstrukčního typu jsou vhodné pro strojírenské aplikace s dlouhou životností a se speciální kombinací vlastností. Konstrukční plasty se tak mohou cíleně a účelně podílet na inovativním strojírenství.