Pryž jako strojírenský materiál

Materiálová kategorie pryž je kaučukovou (gumárenskou) směsí podrobenou chemickému procesu zvanému vulkanizace. Nosnou součástí směsi je kaučuk, polymer, jehož chemická struktura primárně ovlivňuje vlastnosti pryže. Vulkanizace probíhá za přítomnosti vulkanizačního činidla, jako jsou síra nebo jiné specificky působící chemické látky, např. organické peroxidy nebo diaminy. Výsledkem vulkanizace je sesíťování polymerních řetězců, a tím přechod z plastického stavu do stavu plně elastického. Průběh vulkanizace ovlivňují přísady jako vulkanizační aktivátory, urychlovače a retardéry. Konečné vlastnosti pryžového výrobku závisejí nejen na mechanismu vulkanizace kaučuku a hustotě sesítění, ale rovněž na dalších aditivech a plnivech přidaných do kaučukové směsi. Pro mechanické vlastnosti pryže mají největší význam různé druhy sazí a vláknitá vyztužující plniva.

Pozn.: V anglické literatuře je termín „rubber“ používán jak pro kaučuky, tak pro pryže. Výraz „elastomer“ byl shodně v českém i anglickém jazyce zaveden do odborné terminologie pro termoplastické elastomery (thermoplastic elastomers).

V současné době existuje velké množství syntetických kaučuků rozdílných vlastností. Pro odbornou komunikaci slouží jejich systematické třídění a označování dle normy ISO 1629, založené na chemické struktuře.

Nejpočetnější skupinu s označením „R“ tvoří kaučuky s nenasyceným uhlovodíkovým řetězcem. K nejznámějším patří kaučuky izoprenový (IR), izobuten-izoprenový (IIR, známý pod názvem butylkaučuk), butadienový (BR), styren-butadienový (SBR), akrylonitril-butadienový (NBR, známý pod názvem nitrilkaučuk) a chloroprenový (CR). Tato skupina zahrnuje i kaučuk přírodní (NR), jehož chemická struktura je stejná jako u kaučuku izoprenového.

Oproti tomu skupinu „M“ tvoří kaučuky s nasyceným uhlíkovým řetězcem. Nejznámějšími jsou akrylátový kaučuk (ACM), chlorsulfonovaný polyetylen (CSM), fluorokaučuky (FKM) a terpolymer ethylen-propylen-dien (EPDM).

Z hlediska funkčních vlastností významnou skupinu tvoří kaučuky s označením „Q“, obsahující v polymerním řetězci vedle siloxanové skupiny substituent, např. fluor (FMQ). Skupina „T“ zahrnuje polysulfidové kaučuky, skupina „U“ kaučuky polyuretanové a skupina „O“ s atomy kyslíku v hlavním řetězci.

Principiálně odlišnou kategorii tvoří termoplastické elastomery (TPE), polymerní materiály, vyznačující se analogickými vlastnostmi jako vulkanizované kaučuky, ale zpracovatelné technologiemi jako termoplasty. Podle normy ISO 18064 jsou členěny rovněž podle chemické struktury polymerního řetězce, např. olefinové (TPO), styrenové (TPS), uretanové (TPU) a amidové (TPA).

V roce 1823 skotský chemický inženýr Charles Macintosh (1766–1843) patentoval nepromokavý, přírodním kaučukem laminovaný bavlněný textil. Po svém vynálezci dostal obchodní značku Mackintosh (navíc písmeno „k“) a známý byl pod zkratkou „Mac“.

V roce 1839 americký experimentátor a vynálezce Charles Goodyear (1800–1860) objevil při náhodném pokusu s přírodním kaučukem a sírou vulkanizaci. Pro něho to byl příznačně „dobrý rok“. Patent mu byl udělen o pět let později. Vulkanizace kaučuku byla pro budoucnost lidstva vskutku revolučním objevem. Ten totiž započal historii zcela nového, technicky využitelného nekovového materiálu, bez kterého by nebyl možný rozvoj dopravní techniky všeho druhu, pracovních strojů, vojenské techniky, energetických zařízení a také moderních strojírenských výrobků, výrobních strojů a zařízení.

Poté, co byla odhalena chemická podstata přírodního kaučuku (uhlovodík izopren), byl v laboratořích německé firmy Bayer v roce 1909 připraven první syntetický kaučuk polyizopren. Tím byl položen základ vývoje syntetických kaučuků. Až okolo roku 1930 začaly být průmyslově vyráběny kaučuky technického významu, jmenovitě polysulfidový Thiokol stejnojmenné americké firmy a chloroprenový DuPrene (později Neoprene) firmy DuPont. Během druhé světové války se syntetický kaučuk stal strategickým materiálem, protože dodávky přírodního kaučuku z jihovýchodní Asie byly silně omezeny. To bylo impulzem k intenzivnímu vývoji syntetických kaučuků zejména v Německu, USA a Sovětském svazu.

Vedle obecných materiálových charakteristik, jako jsou hustota, pevnost v tahu a poměrné prodloužení při přetržení, se pryže vyznačují některými zcela specifickými vlastnostmi. Vzhledem k tomu, že na tahovém diagramu se nevyskytuje počáteční přímková část, a nelze tedy uplatnit Hookův zákon, modul pružnosti je definován zcela odlišným způsobem, a to jako napětí potřebné k určitému prodloužení, např. 100 % (označuje se jako M100). Společnou vlastností pryží je vysoká elasticita v celém rozmezí deformací. Kritériem je zkouška trvalé deformace v tlaku (compression set). Významnou vlastností pryží je odrazová pružnost (rezilience) charakterizující schopnost pryže absorbovat mechanickou energii při rázovém namáhání. Tvrdost se u pryží měří metodou Shore. Dalšími specifickými kritérii pryží jsou hysterezní vlastnosti, odolnost proti roztržení (strukturní pevnost), kontrakce vlivem vyšších teplot, odolnost proti abrazi, permeabilita pro plyny a páry a adheze ke kovům.

Základními kritérii pro volbu kaučukové směsi jsou provozní teplota a prostředí, se kterým má pryž během provozu přicházet do styku.

Kaučuky pro všeobecné použití (NR, IR, IIR, BR, SBR) jsou určeny na méně náročné aplikace, i když se některé z nich vyznačují speciálními vlastnostmi, jako např. BR vysokou odolností proti abrazi, IIR vysokou nepropustností pro plyny a páry, NR a IR velmi dobrými mechanickými vlastnostmi.

Speciální kaučuky odolné vysokým teplotám pohybujícím se v rozmezí 200–300 °C: FVMQ, FEPM, FKM (Viton), FFKM (Kalrez). Tyto kaučuky jsou současně vysoce odolné vůči olejům a motorovým palivům.

Skupinu kaučuků s poněkud menší teplotní odolností, pohybující se v rozmezí 120–180 °C, ale rovněž s vysokým stupněm olejovzdornosti, tvoří např. ACM, AEM, NBR, HNBR, ECO.

Důležitým kritériem kaučuků je jejich odolnost proti záporným teplotám. Určuje ji teplotní oblast křehnutí odvozená od teploty skelného přechodu (Tg). Vysokoteplotní kaučuky mají zpravidla i velmi dobrou použitelnost za nízkých teplot, například FVMQ až -70 °C, FKM -50 °C, HNBR -40 °C.

K dalším sledovaným kritériím kvality kaučuků patří odolnost proti působení ozonu, UV a ionizujícímu záření a různým druhům chemikálií. Účinky těchto vlivů eliminují selektivní antidegradanty ve formě přísad do kaučukových směsí.

Rozvoj moderního strojírenství klade neustále větší nároky na těsnicí techniku. Není ojedinělým jevem, že nefunkční těsnění se stává příčinou vyřazení složitého a nákladného zařízení z provozu. Za všechny příklady si připomeňme ten nejtragičtější, kterým byla katastrofa raketoplánu Challenger v roce 1986. Podle výsledků vyšetřování ji způsobily nesprávně fungující O-kroužky z fluorkaučukové pryže FKM Viton. Výsledkem byl nejen zcela zničený raketoplán, ale i smrt sedmi kosmonautů.

Počátky pryže jako těsnicího materiálu se datují do roku 1898, kdy Richard Klinger, narozený v Českém Dubu roku 1860, patentoval těsnicí kompozit složený z azbestových vláken a přírodního kaučuku. O rok později materiál získal chráněnou značku Klingerit. Postupem času se složení Klingeritu výrazně změnilo. Azbest byl zakázán a nahrazen jinými materiály, např. expandovaným grafitem, vyvinuto bylo množství syntetických kaučuků.

Pro statická těsnění vzájemně nepohyblivých strojních dílců i dynamická těsnění pro přímočaré a rotační pohyby je již v současné době různými výrobci nabízen bohatý výběr těsnění odolávajících požadovaným provozním podmínkám. Jsou to především plochá přírubová těsnění, kroužky o různém průřezu (nejčastěji O-kroužky), manžety, hřídelová těsnění gufera. Pryže mají ve strojírenství široké uplatnění tam, kde jsou vyžadovány elastické vlastnosti výrobku, často v kombinaci s jinou preferovanou vlastností. Jsou to antivibrační součásti, tlumicí elementy výrobních linek, nárazníky, silentbloky, opryžování rotačních dílů strojírenských zařízení (válce, kola, kladky), profily, antikorozní povlaky na průmyslové nádoby a potrubní systémy z oceli, obruče, průchodky, řemeny, hadice kapalinových okruhů aj. Pokud jde o výrobní technologie, uplatňují se lisování, vytlačování, vstřikování i kalandrování.