Témata
Zdroj: Fajar Benua

Pryž jako strojírenský materiál

Polymerní materiál pryž je důležitou součástí strojírensky zaměřeného materiálového inženýrství. Vyznačuje se specifickými elastickými vlastnostmi, pro strojní inženýrství je materiálem nepostradatelným, avšak málo srozumitelným. Záměrem článku je proto podat stručnou informaci o úloze a významu pryží ve strojním inženýrství a více přiblížit tento materiál strojařům. Odborná fakta jsou proložena některými zajímavostmi, které s pojmem pryž souvisejí.

Prof. Josef Steidl

Emeritní profesor ČVUT v Praze. Jeho oborovým zaměřením jsou materiálové vědy a inženýrství se specializací na plasty a kompozity. Je členem Inženýrské akademie ČR, kde zastává funkci předsedy sekce Materiálové inženýrství a technologie.

Reklama

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).

Charles Goodyear, objevitel vulkanizace kaučuku. (Zdroj: Goodyear)

Nomenklatura kaučuků

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).

Pryž inspirativní
„Magické“ vlastnosti pryže se staly inspirací i pro zcela jiné než technické oblasti lidské činnosti.
V hudebním světě byl pojem „rubber“ použit skupinou The Beatles pro název jejich alba „Rubber Soul“ z roku 1965. Do literární oblasti pronikl termín „Rubber Sciences“ esejí významného amerického spisovatele literatury sci-fi Spinrada Normana z roku 1976. V oblasti filmové tvorby proslula francouzská komedie s názvem „Rubber“ z roku 2010. Termín „resilience“ (odrazová pružnost) zavedla v 70. letech minulého století americká psycholožka Emmy Wernerová (1929–2017) pro psychickou odolnost proti nárazovým podnětům a krizovým stavům („psychická resilience“).

Reklama
Reklama
Reklama

Od nepromokavého textilu k technické pryži

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.

Technické výrobky z pryže. (Zdroj: Dunlop)

Materiálové vlastnosti pryže

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.

Reklama

Pryž v provozním prostředí

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.

Příklad antikorozního opryžování (pogumování) ocelových dílců. (Zdroj: Fajar Benua)

Strojírenské aplikace pryže

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.

Pryž v odborné literatuře
Z množství světové literatury stojí za zvláštní pozornost několik málo publikací, přinášejících ucelenější poznatky o pryži. Při pohledu do historie zjistíme, že o pryži se pod heslem „Gummi“ pojednává ve světově unikátní, švabachem psané encyklopedii Muspratt‘s Chemie, pojmenované podle významného irského chemika Jamese Muspratta (1793–1886). Ve třetím svazku z roku 1891 je tomuto heslu věnováno 18 dvousloupcových stran, popisujících souhrn tehdejších poznatků o pryži.
K mezinárodní literatuře věnované pryžím přispěli ve 20. století významným podílem přední českoslovenští odborníci obsáhlou monografií (607 stran) „Elastomers and Rubber Compounding Materials“, editovanou profesorem Ivanem Frantou a vydanou nakladatelstvím Elsevier v roce 1989. Publikace detailně popisuje jednotlivé typy kaučuků z hlediska jejich chemie, způsobu vulkanizace, fyzikálních vlastností, modifikujících příměsí, vyztužujících vláken i aplikací. Popisuje i proces tzv. regenerace pryže.
Specifické materiálové vlastnosti pryže přenesl do strojního inženýrství renomovaný britsko-americký vědec Alan N. Gent (1927–2012) ve své knize „Engineering with Rubber: How to Design Rubber Components“, vydané nakladatelstvím Hanser. Publikace poskytuje obsáhlý soubor znalostí a dat potřebných pro aplikaci pryží ve strojním inženýrství. Rok posledního, třetího vydání knihy byl bohužel i rokem úmrtí jejího autora.

Související články
Plastová odysea

Článek přináší historický pohled do světa plastů a jejich rozmanité aplikace od umění až po inovativní strojírenství. Součástí moderního materiálového inženýrství by totiž mělo být hledání souvislostí mezi potřebami lidské společnosti a materiálovým a technologickým řešením výrobků. Plasty znamenají revoluční přínos pro téměř veškerou oblast lidské činnosti, včetně strojírenské výroby.

V čem jsou si plasty a kovy podobné

„Průmysl umělých plastických hmot se v posledních deseti letech nevídaně rozvinul ve všech zemích,“ konstatuje časopis Vynálezy a pokroky z roku 1934. Dnes lze v podstatě prohlásit totéž, ale s dovětkem, že plasty již zaujaly nezastupitelnou úlohu ve světovém technickém rozvoji.

Využití výrobků z recyklovaných plastů

Plastové odpady a jejich využití je v současné době velmi diskutovaným tématem. Očista naší země je velice důležitá, protože spousta plastového odpadu končí na skládkách a ve vodách oceánů. Proč tento odpad nezpracovat v rámci recyklace na smysluplné výrobky?

Související články
Finance pro podnikání - Zaostřeno na úspory energie

„Je lepší dobrý úvěr a podpora úvěru než dotace. Jen tak se prokáže životaschopnost projektu.“ To jsou slova Ing. Vladimíra Fabera, zakladatele a dnes předsedy dozorčí rady české strojírenské společnosti FMP.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nový pomocník do nástrojárny

Rodinný podnik Lukov Plast z Českého Dubu je profesionální firma s dynamickým vývojem a mnohaletými zkušenostmi. Zaměřuje se na vývoj a výrobu vzhledových i technických plastových dílů a elektro dílů pro automobilový průmysl. Jeho hlavní činností je výroba komponentů či celých sestav slunečních clon. Vlastní výrobu plastových dílů zajišťuje včetně výroby sériových nástrojů. V současné době disponuje 34 vstřikolisy a zhruba 550 vstřikovacími formami a několika montážními linkami.

20 milionů lakovaných klik pro všechny značky automobilů

Moderní doba přináší moderní technologie také do automobilového průmyslu i samotných automobilů. Bezdotykové otvírání např. zadních dveří se již u některých modelů automobilů různých značek objevuje, avšak doba ještě nedospěla k úplnému odstranění vnějších klik k mechanickému otevírání vozu. Společnost WITTE Automotive se orientuje na výrobu zámků a zámkových aretací pro automobily snad všech světových výrobců. V novém závodě v Ostrově u Karlových Varů nedávno uvedla do provozu také velmi moderní lakovací linku právě pro vnější lakované kliky automobilů.

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.

Plasty pomáhají modernizovat strojírenství

S pokračujícím vývojem nových materiálů se mění i materiálová skladba strojírenských výrobků a zařízení. V současné době si již nelze rozvoj téměř všech strojírenských odvětví bez použití plastových materiálů představit. Vývoj pak ukazuje, že plasty budou hrát ve strojírenství stále významnější úlohu.

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.

Plasty a kompozity v inovaci strojírenských výrobků

Plasty a kompozity s polymerní matricí přinesly revoluci v materiálových přístupech ke konstrukci strojírenských výrobků a zařízení. Nepřetržitě probíhající materiálové inovace v oblasti plastů a kompozitů spoluvytvářejí inovativní řešení ve strojírenství. Reagují na potřeby strojírenského průmyslu a stávají se kontinuálním procesem s jasnou perspektivou do budoucna.

Aditivní technologie (nejen) v leteckém průmyslu

3D tisk, neboli aditivní výroba, v dnešních dnech zažívá opravdový boom. Většina firem technického zaměření, které jsou na špičce v oblasti inovací, tuto technologii vlastní, nebo alespoň externě využívá. Obdoba této technologie však není v přírodě nová, ani nijak výjimečná.

Aditivní technologie pro Průmysl 4.0

Výrobní stroje pracující na principu aditivních technologií si generují samy vlastní výrobní strategii a dráhy. Nepotřebují zvláštní přípravu výroby. Ta spočívá pouze v umístění výrobku do výrobního prostoru stroje.

Laserové řešení pro plastikářský průmysl

Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

Madla s vyšší přidanou hodnotou

Sklopná madla a ruční kolečka v hygienické bílé nebo v ušlechtilé kombinaci kovů – to jsou nové produkty reagující na potřeby uživatelů.

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