Konštrukčné plasty Konštrukčné plasty Ivan Hudec Ivan Hudec Oddelenie plastov a kaučuku Oddelenie plastov a kaučuku Ústav prírodných a syntetických polymérov Ústav prírodných a syntetických polymérov FCHPT STU v Bratislave FCHPT STU v Bratislave SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA CHEMICKEJ A POTRAVINÁRSKEJ TECHNOLÓGIE ÚSTAV POLYMÉRNYCH MATERIÁLOV
SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA CHEMICKEJ A POTRAVINÁRSKEJ TECHNOLÓGIE ÚSTAV POLYMÉRNYCH MATERIÁLOV. Konštrukčné plasty. Ivan Hudec Oddelenie plastov a kaučuku Ústav prírodných a syntetických polymérov FCHPT STU v Bratislave. Svetová produkcia polymérov 380Mt/rok. - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Konštrukčné plastyKonštrukčné plasty
Ivan HudecIvan Hudec
Oddelenie plastov a kaučukuOddelenie plastov a kaučuku
Ústav prírodných a syntetických polymérovÚstav prírodných a syntetických polymérov
FCHPT STU v BratislaveFCHPT STU v Bratislave
SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVEFAKULTA CHEMICKEJ A POTRAVINÁRSKEJ TECHNOLÓGIEÚSTAV POLYMÉRNYCH MATERIÁLOV
Svetová produkcia polymérov 380Mt/rokSvetová produkcia polymérov 380Mt/rok
Spotreba plastov v Európe podľa jednotlivých segmentov v roku 2010
Výberové kritériá pre konštrukčnú aplikáciu Výberové kritériá pre konštrukčnú aplikáciu plastovplastov
- Tepelné charakteristiky (teplota sklovitého prechodu, teplota tavenia, Tepelné charakteristiky (teplota sklovitého prechodu, teplota tavenia, teplota rozkladu)teplota rozkladu)
- Mechanické vlastnosti (húževnatosť, pevnosť, tvrdosť, krípové Mechanické vlastnosti (húževnatosť, pevnosť, tvrdosť, krípové vlastnosti – zmena rozmerov v čase pri mechanickom zaťažení)vlastnosti – zmena rozmerov v čase pri mechanickom zaťažení)
- Merná hmotnosť polymérovMerná hmotnosť polymérov- Tepelná vodivosť polymérovTepelná vodivosť polymérov- Dlhodobá tepelná odolnosť polymérovDlhodobá tepelná odolnosť polymérov- Odolnosť polymérov proti atmosferickým vplyvomOdolnosť polymérov proti atmosferickým vplyvom- Odolnosť polymérov proti horeniu, tvorba plynných splodín pri horení a Odolnosť polymérov proti horeniu, tvorba plynných splodín pri horení a
ich toxicitaich toxicita- Chemická odolnosť polymérovChemická odolnosť polymérov- Možnosť spracovania polymérov požadovanou technológiouMožnosť spracovania polymérov požadovanou technológiou
Semikryštalické polymérySemikryštalické polyméry ( vysoko usporiadaný stav časti ( vysoko usporiadaný stav časti makromolekúl v tuhom stave až do teploty topenia kryštalickej fázy Tm)makromolekúl v tuhom stave až do teploty topenia kryštalickej fázy Tm)
Kryštalizácia spôsobuje nárast hustoty a tým Kryštalizácia spôsobuje nárast hustoty a tým zvyčajne zvýšenie tvrdosti a pevnosti, zvýšeniezvyčajne zvýšenie tvrdosti a pevnosti, zvýšenieodolnosti voči kvapalinám, zníženie priepustnostiodolnosti voči kvapalinám, zníženie priepustnosti
plynov, ale aj zníženie húževnatosti.plynov, ale aj zníženie húževnatosti.
Charakteristické teploty:- Tg - teplota sklovitého prechodu
- Tf - teplota toku
- Tm - teplota topenia
- Tr - teplota rozkladu
Tg < Tm ≤ Tf ≤ Tr
Charakteristické teploty vybraných termoplastov používaných v konštrukčných aplikáciách
Polypropylén - vo forme homopolyméru aj kopolymérov (blokové a random Polypropylén - vo forme homopolyméru aj kopolymérov (blokové a random kopolyméry) s etylénom – čiastočne kryštalické, nepolárne termoplasty s kopolyméry) s etylénom – čiastočne kryštalické, nepolárne termoplasty s dobrými mechanickými vlastnosťami (u kopolymérov aj v oblasti dobrými mechanickými vlastnosťami (u kopolymérov aj v oblasti záporných teplôt), výbornou chemickou odolnosťou, tvarovou stálosťou a záporných teplôt), výbornou chemickou odolnosťou, tvarovou stálosťou a elektro-izolačnými vlastnosťami, nenasiakavý, ľahko spracovateľný elektro-izolačnými vlastnosťami, nenasiakavý, ľahko spracovateľný rôznymi technológiamirôznymi technológiami
Nevýhoda – slabá odolnosť proti atmosferickým vplyvom a UV žiareniu – Nevýhoda – slabá odolnosť proti atmosferickým vplyvom a UV žiareniu – nutnosť stabilizácie (účinným UV stabilizátorom sú sadze),nutnosť stabilizácie (účinným UV stabilizátorom sú sadze),u homopolyméru PP aj nízka húževnatosť v oblasti záporných teplôt – u homopolyméru PP aj nízka húževnatosť v oblasti záporných teplôt – nutnosť prídavku kaučukov, veľmi obťažné lepenienutnosť prídavku kaučukov, veľmi obťažné lepenie
Polyethylén (PE)
E= 0.2 – 0.4 – 0.7 – 1.4 GPa
Tm = 110-130 °CTg = -80 °C až -110 °C
semikryštalickéViaceré typy – LDPE, LLDPE, HDPE
Lineárny polyetylén (HDPE) - čiastočne kryštalický, nenasiakavý,Lineárny polyetylén (HDPE) - čiastočne kryštalický, nenasiakavý,nepolárny, ľahko spracovateľný termoplast s dobrými mechanickými nepolárny, ľahko spracovateľný termoplast s dobrými mechanickými vlastnosťami aj v oblasti záporných teplôt, s výbornou chemickou vlastnosťami aj v oblasti záporných teplôt, s výbornou chemickou odolnosťou, tvarovou stálosťou a elektro-izolačnými vlastnosťamiodolnosťou, tvarovou stálosťou a elektro-izolačnými vlastnosťami
Nevýhoda – nižšia tvrdosť a veľmi obťažné lepenie Nevýhoda – nižšia tvrdosť a veľmi obťažné lepenie
CH2 CH2
n
Styrénové polyméry a kopolyméry styrénuStyrénové polyméry a kopolyméry styrénu
húževnatý polystyrén (HPS , resp. PS-HI) – húževnatý polystyrén (HPS , resp. PS-HI) – amorfný, amorfný, nepriehľadný termoplast predstavujúci zmes polystyrénu a nepriehľadný termoplast predstavujúci zmes polystyrénu a kaučukov s veľmi dobrými mechanickými a elektro-izolačnými kaučukov s veľmi dobrými mechanickými a elektro-izolačnými vlastnosťami a ľahkou spracovateľnosťouvlastnosťami a ľahkou spracovateľnosťou
Nevýhoda HPS aj ABS – Nevýhoda HPS aj ABS – slabá odolnosť voči slabá odolnosť voči atmosferickým vplyvom – nutnosť stabilizácie, veľká citlivosť atmosferickým vplyvom – nutnosť stabilizácie, veľká citlivosť na studené spoje a vnútorné pnutie, netransparentnosť v na studené spoje a vnútorné pnutie, netransparentnosť v porovnaní s čistým polystyrénomporovnaní s čistým polystyrénom
Styrénové kopolyméry transparentné – SAN a MABS Styrénové kopolyméry transparentné – SAN a MABS (problém – vyššia cena)(problém – vyššia cena)
Akrylonitril-butadién-styrénový kopolymér (ABS)
Tg = 105 °C
ABS – amorfný trojzložkový kopolymér akrylonitril-butadién-styrén, ABS – amorfný trojzložkový kopolymér akrylonitril-butadién-styrén, nepriehľadný termoplast s výbornými mechanickým vlastnosťami a nepriehľadný termoplast s výbornými mechanickým vlastnosťami a spracovateľnosťou aj na tvarovo členité výrobkyspracovateľnosťou aj na tvarovo členité výrobky ľahšia vyfarbiteľnosť alebo pochromovanie
PMMA –PMMA – amorfný, transparentný termoplast s vysokou amorfný, transparentný termoplast s vysokou húževnatosťou a pevnosťou, výbornou odolnosťou proti húževnatosťou a pevnosťou, výbornou odolnosťou proti atmosferickým vplyvom a UV žiareniu a elektro-izolačnými atmosferickým vplyvom a UV žiareniu a elektro-izolačnými vlastnosťamivlastnosťamiteplota tavenia - 180°C
Amorfný, tvrdý, flexibilný, resp. pružný materiál s výbornými elektroizolačnými vlastnosťami, dobrou odolnosťou voči atmosferickému starnutiu a chemickou odolnosťou
CH CH2
Cl n
Základné konštrukčné plastyZákladné konštrukčné plasty
„„Konštrukčný alebo technický plast je typ plastu splňujúci nároky kladené Konštrukčný alebo technický plast je typ plastu splňujúci nároky kladené na namáhané konštrukčné prvky“na namáhané konštrukčné prvky“
V anglickej literatúre sa používa označenie Technical Polymers alebo V anglickej literatúre sa používa označenie Technical Polymers alebo Engineering PolymersEngineering Polymers
Základné konštrukčné plasty:Základné konštrukčné plasty:- Polyamidy ( PA6, PA66, PA46) – najväčšie zastúpenie v súčasnostiPolyamidy ( PA6, PA66, PA46) – najväčšie zastúpenie v súčasnosti- Polykarbonát (PC) Polykarbonát (PC) - Polyoxymetylén (POM)Polyoxymetylén (POM)- Polyfenylénoxid (PPO) –častejšie využívaným produktom je zmes s polystyrénom Polyfenylénoxid (PPO) –častejšie využívaným produktom je zmes s polystyrénom
(PPO + PS) s názvom NORYL (PPO + PS) s názvom NORYL- Lineárne polyestery: Lineárne polyestery:
Polamidy – čiastočne kryštalické, konštrukčné materiály s vysokou pevnosťou, húževnatosťou, tuhosťou, tlmiacou schopnosťou, odolnosťou voči oderu, nízkym koeficientom trenia a veľmi dobrou chemickou odolnosťou
Nevýhoda – vysoká absorpcia vody, ktorá spôsobuje zmenu rozmerov, zhoršuje mechanické a elektroizolačné vlastnosti; slabá odolnosť voči temooxidačnému starnutiu – nutnosť stabilizácie; ostrý bod tuhnutia
PA 6 - štandardná pružnosť, húževnatosť a tlmiace schopnosti, vyššia nasiakavosť (rovnovážny obsah až 6,6%), teplota tavenia 225°C
PA 66 - materiál s vyššou mechanickou pevnosťou, tuhosťou, tvrdosťou a odolnosťou voči oderu a teplote, zníženou nasiakavosťou, teplota tavenia 265°C
PA 46 - stála tuhosť a odolnosť voči tečeniu v širokom teplotnom rozmedzí (od -40ºC do +155ºC), vyššia odolnosť voči starnutiu vplyvom teploty, teplota tavenia 295°C
Polyamide engineering plastic
> 90 % of polyamide use - PA 6 and PA 66- PA 6 and PA 66 + other nylons - PA 46, PA 612, PA 12, PA 11, semiaromatic types
characterization semicrystalline materials crystalline regions – stiffness, strength, chem. resistance, thermal stability amorphous regions – impact resistance, elongation Tm determined by density of H bonds resp. amide bonds PA66 - nylon 66 Tm ~ 260 °C PA 6 – nylon 6 Tm ~ 220 °C - slower crystallization rate - lower crystallinity, higher H2O sorption water absorption – in amorphous region regulated by frequency of NHCO bonds, Tg decreases with H2O concentration
PolyamidPolyamidyy v konštrukcii v konštrukcii vozidlavozidla
Polyamid 6 (PA 6)
unreinforced E = 3 GPaglass fiber reinforced E = 9 GPa
Tm = 220 °CTg = 50 °CUUT= 150 °C
PA 6 - štandardná pružnosť, húževnatosť a tlmiace schopnosti, vyššia nasiakavosť (rovnovážny obsah až 6,6%), teplota tavenia 225°C
NH (CH2)5 C
O n
Polyamide 66 (PA 66)
unreinforced E = 3 GPaglass fiber reinforced E = 9 GPa
Tm = 260 °CTg = 50 °CUUT= 170 °C
semicrystalline
PA 66 - materiál s vyššou mechanickou pevnosťou, tuhosťou, tvrdosťou a odolnosťou voči oderu a teplote, zníženou nasiakavosťou, teplota tavenia 265°C
n
NH (CH2)6 NH C (CH2)4 CO O
PA 6 + PA 66 properties depends on moisture absorption – water = softnessPA 11 + PA 12 low moisture absorption - fuel lines
Polyamidy mechanical properties - determined by PA type, mol. weight, temperature, moisture content, additives, copolymerization - PA are notch sensitive - impact modifiers, moisture PA + glass resp. carbon fibers - increase of stiffness and strength (also notched impack strength) - PA66 > PA 6 fatigue resistance perfect abrasion resistance and coefficient of friction (improvement by graphite or MoS2) - hydrolysis of PA real, but hydrolysis resistance good - good thermal stability (melt is sensitive), acceptable oxidation stability - excellent chemical resistance additives: lubricants, nucleation agents, stabilizers, (oxidation, heat), impact modifiers, plasticizer, reinforcement, glass fibers, nanofillers etc.
Key performances:Key performances:
•Pressure resistance Pressure resistance •Processability Processability •Long term temperature Long term temperature resistance resistance •The best price/ The best price/ performance ratioperformance ratio
Polycarbonate (PC)(from Bisphenol A and COCl2)
E = 2.2 – 2.5 GPa
Tf = 230 °CTg = 150 °CUUT= 125 °C
amorphous polymerexcellent optical clarity and toughnessblends – improved toughness
Application:lenses, glazing
Blends of PC with ABS and PBT
C
CH3
O
CH3
O C O n
Polykarbonáty (PC)Polykarbonáty (PC)
Amorfný, transparentný, konštrukčný plast s vysokou húževnatosťou, mechanickou pevnosťou, dostatočnou tvrdosťou, stálou tuhosťou v širokom rozmedzí teplôt, veľmi dobrou rozmerovou stálosťou a dobrou atmosférickou odolnosťou
teplota tavenia 220°C
Nevýhoda – vysoká absorpcia vody a nutnosť sušenia pred spracovaním, možnosť hydrolytickej degradácie
Čiastočne kryštalický, nepriehľadný, konštrukčný materiál s výbornou rozmerovou stabilitou (nízky kríp), vysokou húževnatosťou, tuhosťou, nízkym koeficientom trenia a minimálnou nasiakavosťou (0,25 – 0,35%).Je vhodný pre výrobu presných súčiastok s odolnosťou voči hydrolýze, kyselinám a zásadám;teplota tavenia - 180°C
Nevýhoda – slabá odolnosť voči temooxidačnému starnutiu hlavne v roztavenom stave a rýchla termická degradácia – nutnosť stabilizácie
Lineárne polyestery - Polyetyléntereftalát (PET) Lineárne polyestery - Polyetyléntereftalát (PET) Polybutyléntereftalát (PBT), nový typ PETGPolybutyléntereftalát (PBT), nový typ PETG
PET - čiastočne kryštalický, opticky číry termoplast, vysoká pevnosť, tuhosť, tvrdosť a odolnosť voči opotrebeniu,výborná rozmerová stálosť, elektro izolačné vlastnosti, tepelná odolnosť, malá priepustnosť pre plyny a nízka adhézia k materiálom (možnosť využitia ako separačný materiál)teplota tavenia - 270°C
Nevýhoda – možnosť hydrolytickej degradácie, nutnosť stabilizácie a možnosť rekryštalizácie v tuhom stave (najrýchlejšie pri cca 170°C)
PBT - čiastočne kryštalický, nepriehľadný termoplast s vysokou húževnatosťou a pevnosťou,výbornou rozmerovou stálosťou a elektro-izolačnými vlastnosťami vhodný aj na veľkoplošné dielyteplota tavenia - 225°C
Nevýhoda – zvýšená citlivosť na hydrolytickú a termickú degradáciu
Polyethylene terephthalate (PET)
E = 2.5-3.1 GPa
Tm = 265 °CTg = 75 °CUUT= 70-100 °C
semicrystallinelow cost material
Application:fibers for carpeting applicationfabrics, seat covering , floor mats
n
O C CH2 CH2 O C
O O
Polybutylene terephthalate (PBT)
Et = 2.5-10(filled) GPa
Tm = 225 °CTg = 65 °CUUT= 130 – 150 °C
semicrystalline, similar to PET
Perfect mechanical ant thermal properties, good dimensional stability,moisture absorption, chem.resistanceglass fiber reinforced ( 15/30%) or unreinforced
Nový typ polyesteru – kopolymér polyetyléntereftalát-Nový typ polyesteru – kopolymér polyetyléntereftalát-glykol (PETG)glykol (PETG)
Mimoriadne dobré vlastnosti pri nízkych teplotách, Mimoriadne dobré vlastnosti pri nízkych teplotách, hlavne vysoká odolnosť proti nárazuhlavne vysoká odolnosť proti nárazu
Ľahká tvarovateľnosť dosiek vákuovým tvarovanímĽahká tvarovateľnosť dosiek vákuovým tvarovaním Výborné optické vlastnosti (priepustnosť 88%) a Výborné optické vlastnosti (priepustnosť 88%) a
povrchový leskpovrchový lesk Hygienická nezávadnosťHygienická nezávadnosť Nízka nasiakavosť vody a ľahká recyklovateľnosťNízka nasiakavosť vody a ľahká recyklovateľnosť
Aplikácie: Aplikácie: kryty strojov, ochranné cyklistické prilby, šošovky, kryty strojov, ochranné cyklistické prilby, šošovky, chladničky a chladiace zariadenia, grafické umenie, displeje, chladničky a chladiace zariadenia, grafické umenie, displeje, svietiace kontrolky a pod.svietiace kontrolky a pod.
Polyuretány different structures and different form of polymer →
Špeciálne termotropné kvapalno-kryštalické polyméry (LCP)Špeciálne termotropné kvapalno-kryštalické polyméry (LCP)
Perspektívy použitia plastov Perspektívy použitia plastov v konštrukčných aplikáciáchv konštrukčných aplikáciách
Využitie nových typov plastovVyužitie nových typov plastov Príprava a aplikácia nových typov kompozitných Príprava a aplikácia nových typov kompozitných
materiálov vystužených uhlíkovými vláknamimateriálov vystužených uhlíkovými vláknami Aplikácia hybridných materiálov Aplikácia hybridných materiálov Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými
Nové typy plastov - čiastočne aromatické polyamidyNové typy plastov - čiastočne aromatické polyamidy
Nové typy špeciálnych, amorfných, konštrukčných Nové typy špeciálnych, amorfných, konštrukčných plastov: plastov: - polysulfón PSU- polysulfón PSU
- polétersulfón PES - polétersulfón PES - polyfenylénsulfid - polyfenylénsulfid PPS PPS
Kvapalno-kryštalické polyméry (LCP)Kvapalno-kryštalické polyméry (LCP) v konštrukcii súčiastokv konštrukcii súčiastok
Nové typy plastov – polyfenylénsulfid PPS v konštrukcii Nové typy plastov – polyfenylénsulfid PPS v konštrukcii súčiastoksúčiastok
Perspektívy použitia plastov Perspektívy použitia plastov v konštrukčných aplikáciáchv konštrukčných aplikáciách
Využitie nových typov plastovVyužitie nových typov plastov Aplikácia nových typov kompozitných materiálov Aplikácia nových typov kompozitných materiálov
vystužených uhlíkovými vláknami – CFK kompozityvystužených uhlíkovými vláknami – CFK kompozity Aplikácia hybridných materiálov Aplikácia hybridných materiálov Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými
Perspektívy použitia plastov Perspektívy použitia plastov v konštrukčných aplikáciáchv konštrukčných aplikáciách
Využitie nových typov plastovVyužitie nových typov plastov Príprava a aplikácia nových typov kompozitných Príprava a aplikácia nových typov kompozitných
materiálov vystužených uhlíkovými vláknamimateriálov vystužených uhlíkovými vláknami Aplikácia hybridných materiálov Aplikácia hybridných materiálov Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými
Aplikácia hybridných materiálovAplikácia hybridných materiálov – kombinácia tenkých – kombinácia tenkých kovových profilov a výstužných profilov z plastovkovových profilov a výstužných profilov z plastov
Výhoda- dosiahnutie synergického efektu, ktorý nie je možné dosiahnuť pri Výhoda- dosiahnutie synergického efektu, ktorý nie je možné dosiahnuť pri použití jednozložkových materiálov – súčasné zníženie ceny a hmotnostipoužití jednozložkových materiálov – súčasné zníženie ceny a hmotnosti
Využitie nových typov plastovVyužitie nových typov plastov Príprava a aplikácia nových typov kompozitných Príprava a aplikácia nových typov kompozitných
materiálov vystužených uhlíkovými vláknamimateriálov vystužených uhlíkovými vláknami Aplikácia hybridných materiálov Aplikácia hybridných materiálov Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými
Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými
výstužnými vláknamivýstužnými vláknami - -budúcnosť materiálov z polymérov pre budúcnosť materiálov z polymérov pre výrobu vozidielvýrobu vozidiel
Green car - využitie kompozitov vystužených biodegradovateľnými prírodnými vláknami a biodegradovateľných polymérov
- Lisované kompozity vystužené ľanovými a konopnými vláknami
- Lisované výrobky z biodegradovateľných polymérov – kyselina polymliečna(PLA) – kryt rezervy z PLA vystuženej ľanovými
vláknami - “Ecoplastic”
Budúcnosť materiálov z polymérov pre výrobu vozidielBudúcnosť materiálov z polymérov pre výrobu vozidiel - - nové technológie napeňovania a nové materiály pre výrobu polyuretánov z obnoviteľných zdrojov – napríklad polyuretány na báze sóje
Penový polyuretan vyrobený zo sóje
Perspektívy použitia plastov Perspektívy použitia plastov v konštrukčných aplikáciáchv konštrukčných aplikáciách
Využitie nových typov plastovVyužitie nových typov plastov Príprava a aplikácia nových typov kompozitných Príprava a aplikácia nových typov kompozitných
materiálov vystužených uhlíkovými vláknamimateriálov vystužených uhlíkovými vláknami Aplikácia hybridných materiálov Aplikácia hybridných materiálov Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými Biodegradovateľné plasty a kompozity s prírodnými