Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy

Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Lubomír Zeman

Vstřikování plastů

teorie a praxe

Vydala Grada Publishing, a.s.

U Průhonu 22, Praha 7

obchod@grada.cz, www.grada.cz

tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400

jako svou 6890. publikaci

Odpovědný redaktor Petr Somogyi

Sazba Jakub Náprstek

Formát ePub Štěpán Böhm

Počet stran 464

První vydání, Praha 2018

Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a.s.

© Grada Publishing, a.s., 2018

Cover Design © Grada Publishing, a.s., 2018

Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována a šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.

ISBN 978-80-247-2818-6 (ePub)

ISBN 978-80-247-2819-3 (pdf)

ISBN 978-80-271-0614-1 (print)

Úvod

Plasty jsou syntetické nebo polosyntetické, případně přírodní materiály, které jsou z velké části tvořeny polymery – řetězci (řetězcová struktura molekul, tedy dlouhá lineární řada vzájemně spojených atomů nebo skupin atomů, jež odlišuje polymerní materiály od jiných druhů materiálů) převážně uhlovodíkových sloučenin. Pro jejich výrobu se používá jak ropa a uhlí, tak celá řada přírodních látek, například škroby. Není správné označovat je jako umělé hmoty, tento pojem je de facto nesmyslný (stejně jako igelit, což je původně obchodní název měkčeného PVC firmy IG Farben z roku 1935, který vznikl složením prvních písmen názvu firmy IG a koncovky v té době nejpoužívanějšího plastu, polyformaldehydové pryskyřice – reaktoplastu – bakELIT; „igelitové tašky“ se vyrábějí z termoplastů PP nebo LDPE).

Velkou výhodou plastů je obrovská variabilita jejich vlastností a tím i možností jejich použití, kdy kromě vlastních aplikací mohou nahrazovat jiné materiály.

Výroba a užití plastů rozhodující mírou přispěly k dosažení současné kvality života jak u nás, tak i ve světě. Přesto (respektive proto) se dostáváme do situace, kdy jsou vytvářeny tlaky na nalezení postupů vnímavějších k životnímu prostředí. K tomu by měly přispět tzv. udržitelné technologie, které sníží zátěž na životní prostředí, aniž by byl zastaven nebo výrazně přibrzděn rozvoj lidské společnosti. To je i jedním z úkolů technologií zpracovávajících plasty na výrobky s vlastnostmi více vyhovujícími environmentálním požadavkům.

Jak uvádí Česká technologická platforma PLASTY ve své zprávě „Strategická výzkumná agenda“ z června 2017, koncem 19. století se průmyslově celosvětově zpracovalo kolem 10 tisíc tun plastů za rok. V roce 1930 překročila roční světová výroba plastů hodnotu 30 tisíc tun, v roce 1949 to bylo již více než 1 milion tun a v současné době se pohybuje světová výroba na úrovni 335 miliónů tun vyrobených plastů. V roce 2020 se očekává dosažení 400 milionů tun, v roce 2050 přesáhne výroba plastů 700 milionů tun (některé předpovědi, například od MacArthur Fundation, uvádějí až 1,1 milionu tun vyrobených plastů).

Na světové spotřebě se největší mírou podílejí polyolefiny (PP a PE) společně s PVC, PS, EPS (pěnový polystyren) a PET tvoří 85 % spotřeby. Prognóza do roku 2020 uvádí průměrný roční nárůst spotřeby plastů o 4,4 %. Největší dynamika se očekává u EPS (5,1 %), PP a PET (5 %). Spotřeba inženýrských plastů (PC, ABS, PET, PBT, POM, PA) má do roku 2026 růst průměrným ročním tempem 7,4 %.

V Evropě činila v roce 2016 celková spotřeba plastů 52 miliónů tun, Česká republika se na uvedeném množství podílela 1 145 000 tunami, což představuje více než 100 kg spotřebovaných plastů na obyvatele.

S čísly o výrobě plastů úzce souvisejí i čísla vyjadřující podíl odpadních plastů. V EU se tento podíl pohybuje okolo 54 % z ročně zpracovávaného množství. V roce 2015 to bylo 25,8 milionu tun odpadních plastů, z nichž 30,8 % skončilo na skládkách, 29,6 % bylo recyklováno a 39,5 % se využilo energeticky ve spalovnách. Česká republika vykazuje 400 000 tun odpadních plastů a 63,5 % z nich skončí na skládkách.

Údaje o bioplastech se liší podle pramenů, z nichž data pocházejí. Nova-Institut uvádí výrobu v roce 2016 v množství 2,4 milionů tun, s výhledem do roku 2021 3,6 milionu tun. Asociace European Bioplastics uvádí pro rok 2016 4,2 milionu tun a do roku 2021 očekává růst na 6,1 milionu tun. Výrobci z Asie mají z uvedeného množství vyrobit polovinu, čtvrtina se vyrobí v Evropě. Nejvíce se má vyrobit bio-PET, bio-PE a bio-PA. Noviny K-Zeitung dne 23. února 2017 publikovaly údaj uvádějící výrobu bioplastů v roce 2021 v množství 8,5 mil. tun. Podle těchto novin činil podíl bioplastů v roce 2017 na celkové světové výrobě 4 %.

Plasty jsou makromolekulární produkty, které lze tvářet a tvarovat, případně dalšími technologiemi zpracovávat na požadované výrobky nebo polotovary určené k dalšímu zpracování.

Mezi zpracovatelské technologie řadíme: přípravné operace – míchání a hnětení, granulaci, tabletování, recyklaci, sušení, barvení, aditivaci; hlavní zpracovatelské technologie – přímé lisování, přetlačování, válcování a kalandrování, vytlačování, vyfukování dutých těles, vstřikování, tvarování polotovarů za tepla a případně vakua; další technologie zpracování plastů – zpracování kapalných systémů – odlévání, lití, zalévání, máčení, natírání, impregnace, reakční vstřikování (RIM – Reaction Injection Molding, RRIM, SRIM), zvlákňování; technologie nerozebíratelného spojování – svařování plastů, lepení; výrobu laminátů a součástí z vyztužených plastů – výrobu prepregů s reaktoplastickou a termoplastickou matricí, lisování za tepla, Injektform; navíjení; tažení – pultruze; laserové zpracování plastů – řezání laserem, strukturované vrtání laserem, laserové spojování – svařování a navařování, spoje plast – kov, laserové leštění plastů, korekce tvaru, odstraňování přetoků, odjehlování laserem, laserové značení; lehčení; spékání; rotační natavování polymerů; povrchové úpravy – kašírování, lakování, potiskování plastů, desénování plastů, leštění plastů, pokovování plastů, povrchovou ochranu povlakováním plasty nebo práškovými plasty, sametování – flockování; obrábění plastů; nerozebíratelná spojení; rozebíratelná spojení; radiační síťování; nekonvenční způsoby zpracování plastů.

Jednou z výrazných tvářecích technologií pro zpracování plastů je technologie jejich vstřikování.

Počátek historie vstřikování sahá do roku 1870, kdy byl v USA patentován materiál, z něhož později vznikl celuloid. Patent obsahoval i zařízení pro jeho vstřikování. K výraznějšímu rozvoji, zejména ke zpracování reaktoplastů, došlo po první světové válce. Z dnešního pohledu na technologii vstřikování plastů nastal nejvýraznější pokrok v padesátých letech minulého století, kdy byla patentována šneková vstřikovací jednotka, představen první elektroerozivní hloubicí stroj na výrobu tvarových dílů vstřikovacích forem, byl patentován první horký rozvod, při výrobě vstřikovacích forem se rozšířilo používání normalizovaných dílů. Na konci šedesátých let a v sedmdesátých letech 20. století pak byla zaváděna zpětnovazební regulace v řízení vstřikovacích strojů a mikroprocesorové řídicí systémy, dále sušení granulátů suchým vzduchem a první nasazení robotů. V osmdesátých letech minulého století se objevují první simulační programy, první zařízení pro technologie Rapid Prototyping, je zaváděna statistická procesní kontrola.

V souvislosti s technologickým vývojem vstřikování plastů a s vývojem vstřikovacích strojů a zařízení k nim (periferní zařízení jako sušárny, dopravníky, nasavače, dávkovače aditiv, roboty, temperační zařízení atd.) dochází k rozvoji automatizace vstřikovacího výrobního procesu. První automatizovaná vstřikovací pracoviště nezávisle na sobě představily firmy Battenfeld a Netstal v roce 1983 na světové výstavě Kunststoffe 83 v Düsseldorfu. Na výstavě předvedené automatizační koncepty se v propojení na více vstřikovacích strojů ukázaly jako málo pružné a drahé. V reálné praxi z nich vykrystalizovala automatizace vstřikovacího stroje jako samostatného automatizovaného ostrůvku (nebo sestavy strojů vyrábějících jednu montážní skupinu).

V současné době, kdy technologie vstřikování plastů (včetně vstřikovacích strojů, periferních zařízení, vstřikovacích forem, měření atd.) urazila od svých počátků až po dnešní dobu velmi dlouhou a úspěšnou cestu, se před ní objevují další výzvy a požadavky. Tyto výzvy a požadavky je možné shrnout do tří základních oblastí:

•zkracování doby dodání výrobku na trh,

•zkracování inovačních cyklů,

•zvětšující se komplexita výrobků – integrace více funkcí do jednoho dílu,

•požadavky na zpracování velkého objemu dat,

•zvyšování flexibility,

•kolísání požadavků trhů,

•poptávky po výrobcích se stále více individualizují,

•individualizace hromadné výroby,

•tlak na vysokou produktivitu výroby,

•zvyšování účinnosti výroby,

•požadavky na snižování výrobních nákladů,

•snižování energetické náročnosti výroby,

•tlak na zvyšování využití materiálových zdrojů, evironmentální požadavky.

Pro zajištění uvedených témat je k dispozici jediná technologie: již zmíněná automatizace, která se v různém stupni a různou rychlostí přesunuje do aktivit s názvem Průmysl 4.0.

Automatizace se dá charakterizovat čtyřmi časově posloupnými přístupy:

•dříve: oddělené automatizační technologie,

•nyní: vzájemně propojená automatizace,

•v blízké budoucnosti: optimalizace celého výrobního procesu pomocí nových inovativních softwarových systémů,

•ve vzdálenější budoucnosti: organizace a optimalizace výroby prostřednictvím kyberneticko-fyzických (CPS) systémů, chytré továrny, Průmysl 4.0.

K tomu, aby mohlo být dosaženo cílů aktivit Průmyslu 4.0, je nutné zajistit propojení průmyslu se vzděláním. Toto konstatování vychází ze skutečnosti, že výrobní zařízení lze nakoupit prakticky ihned, ale pracovníky s potřebnými znalostmi je potřeba s předstihem a dlouhodobě vychovávat. K tomu se snaží svým malým příspěvkem napomoci i tato kniha, která se na svých stránkách snaží komplexně popsat celý proces výroby výstřiků z termoplastů, a to jak v teoretické, tak zejména v praktické rovině.

Jednotlivé kapitoly mapují výrobu výstřiků z termoplastů a zabývají se následujícími tématy:

•požadavky kladené na výstřik: jakostní, funkční, pracovní prostředí, následné operace,

•návrh materiálu výstřiku,

•design a konstrukce výstřiku: tvar, rozměry, rozměrová a tvarová přesnost, jakost povrchu,

•konstrukční analýza možností vzniku vad a jejích následků (DFMEA, Design Failure Mode Effects Analysis),

•analýza zaformovatelnosti a úprava výstřiků podle zásad technologičnosti konstrukce výstřiků z termoplastů při zachování jejich jakostních a funkčních vlastností,

•výběr varianty technologie vstřikování, technologický proces,

•vizualizace, ověření tvarů, rozměrů, montážních závislostí atd. pomocí výroby dílu některou z technologií „rychlé výroby“ (RP, Rapid Prototyping),

•návrh zaformování výstřiků, násobnost formy, vtokový rozvod, temperace formy,

•vstřikovací stroj, periferní zařízení, automatizační zařízení,

•matematické simulace,

•konstrukce prototypové formy,

•výroba prototypové formy,

•ověření výstřiku výrobou na prototypové formě, včetně vyhodnocení požadavků kladených na výstřik,

•modifikace výstřiku podle výsledků simulací, výpočtů a výsledků z prototypové výroby,

•požadavky na konstrukční a výrobní provedení formy, včetně přípravků – měřicích, chladicích, rovnacích atd.,

•konstrukce formy a přípravků,

•výroba formy a přípravků,

•návrh technologických parametrů vstřikování s využitím technologických parametrů použitých při simulacích,

•oživení formy (počet optimalizačních kroků) smyček,

•hodnocení jakosti a zkoušení výstřiků,

•vypracování podkladů pro schvalování prvních výstřiků (PPAP, Production Part Approval Proces),

•vypracování podkladů pro sériovou výrobu,

•sériová výroba,

•hodnocení jakosti v rámci sériové výroby,

•údržba formy,

•opravy formy,

•údržba strojního vybavení vstřikovny.

Obecně lze říci, že každý výstřik je svým způsobem originál a před svojí ekonomickou výrobou s definovanou kvalitou by měl projít etapou vývoje dílu (Product Development) s návaznou etapou studie proveditelnosti (FS, Feasibility Study).

Studie proveditelnosti by v zásadě měla být co nejkomplexnější a koherentní, tedy co nejblíže k danému výstřiku. Jako se od sebe liší jednotlivé výstřiky, liší se i struktura témat řešených ve studiích proveditelnosti pro jednotlivé díly. Uvedené konstatování ovlivňuje i důraz, který je v projektu kladen na jednotlivé kapitoly studie, způsob a podrobnosti jejich zpracování.

Rozsah vývoje výstřiku a studie proveditelnosti je tedy na obecné a široké úrovni možné vymezit do výše uvedených bodů, přičemž je dobré si uvědomit, že se v mnoha případech tyto body vzájemně prolínají.

1Návrh materiálu výstřiku

Výběr materiálu výstřiku vychází z požadavků, které musí výstřik po dobu své životnosti na základě požadavků zadavatele splňovat, a to včetně omezení vyplývajících z podstaty materiálové báze plastů.

1.1Faktory ovlivňující výběr materiálu výstřiku – požadavky na materiál

Zadavatel výroby výstřiku musí ve spolupráci s designérem a konstruktérem výstřiku vzít v úvahu celou řadu faktorů, které nutně ovlivňují jak splnění kladených požadavků, tak i výběr vhodného materiálu pro výrobu výstřiku:

•finanční:

−materiálová cena,

−procesní náklady,

−systémové náklady,

•rozměrové:

−geometrie výstřiku,

−rozměrová a tvarová přesnost,

−hmotnost výstřiku,

−rozměrová stabilita,

−tvarová stabilita (deformace),

−díl pro vnější nebo vnitřní použití,

−materiál amorfní nebo částečně krystalický,

−materiál kompozitní (druh plniva): nevyztužující, vyztužující, obsah plniva,

−smrštění,

−dodatečné smrštění,

•mechanické:

−tuhost,

−tvrdost,

−rázová odolnost,

−houževnatost,

−únavové vlastnosti,

−odolnost proti abrazi,

−životnost,

•environmentální:

−životnost,

−tepelná odolnost (doba expozice),

−odolnost UV záření,

−chemická odolnost (které chemikálie),

−odolnost vodě (hydrolýza),

•regulátory:

−potraviny,

−voda,

−hračky,

−medicína,

−požární odolnost,

−zakázané přísady,

•elektrické:

−tloušťka stěny výstřiku,

−stínění,

−předpisy pro použití,

•akustické:

−frekvence,

−pohlcování zvuku,

•procesní:

−zpracovatelská technologie: vstřikování, vytlačování, vyfukování, tvarování atd.,

•následné operace:

−svařování: ultrazvukové, vibrační, laserové, horkým vzduchem, konduktivní,

−lakování,

−lepení,

−popisování laserem,

−potiskování,

−metalizace,

−galvanické pokovování atd.

1.2Stárnutí a koroze dílů z plastů

Koroze je rozrušení – stárnutí, degradace – plastů. Plasty na rozdíl od kovových materiálů nereagují na elektrochemické vlivy.

Stárnutí je nevratný chemický a fyzikální proces, který vyvolává degradaci polymerních materiálů: jde o změny chemické struktury se ztrátou mechanických vlastností, barvy, lesku, křehnutí, chemické odolnosti. Stárnutí ovlivňují fyzikální vlivy (teplota, světlo, UV záření, radiace, atmosférické vlivy, mechanická namáhání), dále fyzikálně chemické a chemické vlivy (difuze, bobtnání, destrukce chemickou reakcí), přičemž nesmíme zapomenout ani na biologické vlivy (biologická koroze účinkem mikroorganizmů a plísní):

•Difuze: difundující látka ovlivňuje pohyb v makromolekulách, a to vyvolává změny vlastností. Díky svému uspořádání je difuze snadnější u amorfních materiálů než u částečně krystalických polymerů, míra difuze závisí i na propustnosti polymerů.

•Bobtnání: difundující látka vytváří v makromolekulárním řetězci sekundární vazby, dochází k oddalování řetězců a tím ke změnám objemu a vlastností dílů.

•Destrukce chemickou reakcí: difundující látka reaguje s polymerem, ke změně dochází v důsledku chemického napadení polymeru nebo jeho aditiv.

•Degradace plastů: rozkládání polymerů, při kterém se makromolekuly štěpí na menší části; depolymerace – štěpení na monomery a nízké oligomery; rozklad polymeru – odštěpování nízkomolekulárních produktů – HCl, H_2O.

Dále uvedené degradační faktory – faktory stárnutí – obvykle nepůsobí samostatně, ale vzájemně se ovlivňují:

•Tepelné (tepelná expozice): hodnota teploty a doba jejího působení jsou parametry ovlivňující tepelné stárnutí, respektive dlouhodobé působení teplot, které rozrušuje makromolekuly a materiál křehne. Tepelné stárnutí probíhá buď v inertní atmosféře, nebo například v olejové nebo jiné lázni.

•Termooxidační: tepelná degradace vlivem kyslíku a teploty, kyslík značně urychluje degradaci.

•Fotochemické: absorpce světla ovlivňuje energetický stav molekul – snížení energetického stavu vede k jejich rozdělení, tedy k degradaci.

•Radiační (paprsky X, gama záření): vyvolají změnu chemické struktury.

•Mechanické: namáhání při granulaci, smykové namáhání při toku polymerních tavenin, ultrazvukové namáhání a další typy namáhání vedou k materiálové degradaci.

•Mechanické namáhání: nehomogenní rozdělení namáhání v tahu/tlaku/krutu/ohybu způsobuje přerušení molekulární struktury.

•Chemikálie: voda, kyseliny, zásady, organická média – vyvolají změnu na povrchu dílů vlivem chemických reakcí.

•Stárnutí vlivem povětrnosti: při povětrnostním stárnutí působí současně a střídavě vzdušný kyslík, sluneční záření, vlhkost, sucho – souhrn povětrnostních vlivů má opět za následek rozrušování makromolekul (a tím křehnutí výrobku), vznik trhlin, žloutnutí, ztrátu lesku, ztrátu barevného odstínu atp. U termoplastů obsahujících změkčovadla (měkčené PVC, CA) je nutné počítat s vytěkáváním změkčovadla. Odolnost proti stárnutí ale může mít také obrácený efekt – jejich degradace bude po skončení životnosti díky stabilizaci trvat déle.

•Aditiva proti stárnutí: ochrana proti UV záření, gama záření, antioxidanty, teplotní stabilizátory – mají za cíl zpomalit stárnutí.

•Zkoušky stárnutí: zrychlené UV stárnutí (xenonový test), hydrolytické testování, chemické testování – testování vlivů na zkušebních tělesech v laboratorních podmínkách.

•Testování životnosti: zkoušky životnosti podle požadavků kladených na díl – zrychlené testování na částech dílů nebo na celých dílech nezbytných pro posouzení konkrétního vlivu.

1.3Faktory ovlivňující dobu životnosti plastových dílů

Mezi faktory ovlivňující životnost dílů z termoplastů zejména patří:

•Výběr materiálu (materiálové vlastnosti): chemická odolnost vůči vodě, čisticím prostředkům, olejům, tepelná odolnost.

•Následné operace: lepení, lakování, svařování.

•Design, konstrukce: tvary dílů, rádiusy, tloušťky stěn, umístění a typ vtokového rozvodu a ústí vtoku – při konstrukci dílů je možnost zpětného ovlivnění pomocí simulačních programů.

•Výrobní proces: optimalizace procesních parametrů při vstřikování termoplastů – sušení, plnicí fáze – ovlivnění vlastností povrchu výstřiků, dotlaková fáze – ovlivnění rozměrů a deformací, doba výdrže na zpracovatelské teplotě – nebezpečí teplotní degradace.

•Odhad životnosti dílů: testování dílů – zrychlené stárnutí UV zářením, oxidace za zvýšené teploty a vlhkosti, tahová zkouška – hodnocení mechanických vlastností, hodnocení optických vlastností.

•Obecný závěr pro zvýšení životnosti dílů z plastů: požadavek na nízké tahové napětí v dílu (je možné ovlivnit konstrukcí výstřiku), nízká degradace materiálu (ovlivňuje ji výrobní proces), správná volba materiálu (zaměření na hlavní parametry ovlivňující životnost plastových výrobků).

1.4Závislost vlastností výstřiků z termoplastů na teplotě

1.4.1Vznik makromolekul

Plasty mají jinou strukturu než kovové materiály. Struktura kovů je tvořena krystalickými mřížkami, přičemž jednotlivé kationty jsou obklopeny volně pohyblivým tzv. elektronovým plynem. Z krystalické struktury vyplývají hlavní vlastnosti kovů: vysoká elektrická a tepelná vodivost, kujnost, tažnost, malá teplotní závislost fyzikálně-mechanických vlastností.

Všechny syntetické polymery (vzniklé syntézou) jsou tvořeny makromolekulami, které vznikají opakovaným spojováním základní jednotky (meru), odvozené od výchozí molekuly (monomeru). Spojováním dvou nebo více druhů základních jednotek vznikají kopolymery.

Atomy makromolekul jsou spojeny kovalentními vazbami. Druh kovalentních vazeb je různý, různá je i jejich vazebná energie. Vazebná energie ovlivňuje mechanickou pevnost polymeru, jeho stabilitu za zvýšených teplot a odolnost při působení chemikálií. Jednotlivé řetězce makromolekul mohou (nebo nemusí) být mezi sebou spojeny příčnými chemickými vazbami. Existence nebo nepřítomnost příčných vazeb podstatně ovlivňuje všechny vlastnosti polymeru.

Makromolekuly jsou tedy řetězce opakujících se merů, které se podle struktury dělí na polymery nezesíťované lineární, nezesíťované rozvětvené a síťované.

Lineární polymery vznikají tehdy, mají-li monomery v molekule dvě reaktivní místa: –COOH, OH, –N=C=O, –NH_2, nebo dva volné radikály vzniklé rozštěpením dvojné vazby, například ethylen –CH_2 –H_2 C nebo vinylové polymery –CH_2 –RHC –.

Lineární polymery s bočními skupinami (rozvětvené) vznikají při reakci dvoufunkčních monomerů, kdy dojde k vedlejším reakcím na hlavním řetězci (například rozvětvený polyethylen), nebo při kopolymeraci, kdy je na hlavní řetězec AAAAA naroubován boční řetězec:

B B B B B : A A A A A A

B

B

B

Chemické složení meru: druh atomů a způsob jejich spojení chemickými vazbami určuje základní chemické a fyzikálně-chemické vlastnosti příslušného polymeru. Další vlastnosti jsou určeny celkovým počtem merů v řetězci, neboli délkou řetězce. Počet merů v řetězci se nazývá polymerační stupeň, jeho hmotnost se vyjadřuje pomocí molární hmotnosti. V jednom polymeru jsou obsaženy různě dlouhé řetězce, a proto se polymer charakterizuje pomocí středního polymeračního stupně a pomocí střední molární hmotnosti. Přesnější charakteristika polymeru je určena distribuční křivkou molekulárních hmotností.

S rostoucí střední molární hmotností polymeru rostou jeho mechanické vlastnosti a zároveň se zvyšuje viskozita jeho taveniny při dané teplotě, tedy zhoršuje se jeho tekutost a tedy i zpracovatelnost.

1.4.2Nadmolekulární struktura polymerů

Polymerní látky (zejména lineární a málo větvené) jsou schopné částečné krystalizace, a to buď z velmi zředěných roztoků, nebo z taveniny. Krystalizace znamená, že části makromolekul se spolu skládají a vytvářejí tak pravidelnou prostorovou strukturu. Skládají se do lamel, což jsou destičkové útvary s tloušťkou cca 10 nm (10–9 m) a s plošnými rozměry v řádu mikrometrů (10–6 m). Lamely vyrůstají na sobě tzv. dendritickým způsobem a vytvářejí větší, téměř kulový útvar nazývaný sferolit. Částečná krystalizace znamená, že mezi krystalickou uspořádanou strukturou je i neuspořádaná amorfní struktura.

Pokud makromolekuly nemají schopnost samovolného uspořádání se, při přechodu z kapalného do tuhého stavu (krystalizace) jejich řetězce zůstávají v nepravidelném stavu (v tzv. statistickém klubku) i v tuhém stavu, jsou tedy bez pravidelné nadmolekulární struktury: nazýváme je amorfními. Všechny polymery ve stavu taveniny jsou amorfní.

Jak u amorfních, tak u částečně krystalických polymerů jsou makromolekulární řetězce i jejich části k sobě v pevném stavu vázány mezimolekulárními silami. Na jejich intenzitě jsou závislé zejména mechanické vlastnosti příslušného polymeru. Dále platí, že účinek působení mezimolekulárních sil je nepřímo závislý na vzájemné vzdálenosti molekul: ta je nejmenší u uspořádaných částí řetězců v krystalickém stavu. Krystalické polymery mají tedy oproti polymerům amorfním vyšší a na teplotě méně závislé mechanické vlastnosti. Krystalická fáze má také vyšší hustotu než fáze amorfní. Při krystalizaci dochází ke zmenšování objemu a tyto materiály tedy mají větší smrštění.

Obsah krystalické fáze, velikost a rozložení sferolitů závisí na chemické struktuře polymeru, délce a větvení řetězce. Podle typu polymeru se obsah krystalického podílu (větší nebo menší uspořádání řetězců do formy svazků, lamel, fibril až sferolitů) pohybuje do 90 % objemu. Do skupiny částečně krystalických plastů patří například polyolefiny (PP, PE), POM, PA, PBT, PET, PPS, LCP, PEEK, PI. Mají větší smrštění než amorfní plasty (bez plniv 1 až 3,5 %), jsou obvykle neprůhledné, jejich tepelná odolnost je vysoko nad teplotou skelného přechodu Tg.

Amorfní plasty (například PS, SB, SAN, SBS, ASA, ABS, MABS, PMMA, aromatický PA, PC, PSU, PES) jsou charakteristické menším smrštěním (0,2 až 0,8 %), jsou obvykle transparentní, použitelné do teploty Tg.

Nově vyvinuté katalyzátory používané při výrobě polymerů (metallocenní) poněkud ovlivňují dělení termoplastů na amorfní a částečně krystalické. Metallocenní katalytický systém umožňuje například výrobu téměř transparentního polypropylenu (93 až 96 % transparence – vztaženo k etalonu materiálu PET pro výrobu nápojových lahví), jehož vlastnosti a zpracovatelnost jsou srovnatelné s částečně krystalickým PP. Na druhé straně umožňují výrobu částečně krystalického polystyrenu. Syndiotaktický PS se řadí mezi konstrukční termoplasty s vyšší teplotní a chemickou odolností než standardní PS (obě vlastnosti má podobné jako PBT). Má nízkou specifickou hmotnost, velmi dobrou rozměrovou stálost, není navlhavý, jeho zpracování vstřikováním je bezproblémové, jeho nevýhodou je však relativní křehkost.

1.4.3Polymery a jejich charakteristické teploty

Ve všech materiálech částice hmoty konají různé rotačně-vibrační pohyby, jejichž intenzita a amplituda je úměrná okamžité teplotě. Tyto pohyby se nazývají „mikrobrownův pohyb“ a u polymerů se takto pohybují části řetězců, zvané segmenty.

Při zvyšování teploty se pohyby rozvolňují, což má za následek výraznou změnu vlastností. Změny jsou vázány na charakteristické teploty. Při zvyšování teploty dojde k uvolnění pohybu segmentů a ke změně z křehkého sklovitého chování na chování viskoelastické. Teplota, při níž k tomu dojde, je označovaná jako Tg – teplota skelného přechodu. Při teplotě Tg intenzita tepelného pohybu převýší této teplotě odpovídající mezimolekulární síly a segmenty se začnou pohybovat. Teplota zeskelnění je charakteristickou teplotou pro každý druh polymeru.

Při teplotách pod Tg jsou termoplasty ve stavu sklovitém, jsou tvrdé a křehké. Makromolekuly jsou jako celek tuhé a mechanickým namáháním dojde jen k malým a okamžitě vratným pružným deformacím, jedná se o deformace elastické. Deformují se pouze valenční úhly nebo se mění mezimolekulární vzdálenosti. Deformace jsou malé (v řádu jednotek procent), platí zde Hookův zákon lineární úměrnosti mezi napětím a deformací.

Teploty okolo Tg vymezují oblast skelného přechodu, kdy se při ohřevu již projevuje pohyblivost celých úseků makromolekul, řetězce se působením napětí začínají rozvinovat a schopnost deformace se zvětšuje. Materiál měkne, modul pružnosti náhle klesá, schopnost tlumit vibrace a rázy dosahuje maxima.

Při teplotách nad Tg vzniká tzv. kaučukovitý stav. Při mechanickém namáhání se řetězce již snadno rozvinují, přičemž na rozvinutí potřebují určitou dobu. Po uvolnění napětí se makromolekulární řetězce pozvolna vracejí do původního neuspořádaného stavu, který je pro ně nejstabilnější. Tato zpožděně elastická deformace se nazývá deformace viskoelastická a je charakteristická pro chování plastů.

U částečně krystalických termoplastů jsou polymery v kaučukovité oblasti pevné a houževnaté. Pevnost krystalických oblastí je stále dost vysoká. Kaučukovitý stav se zde projeví jen v amorfních oblastech polymeru. Dalším zvyšováním teploty se u částečně krystalických polymerů přiblížíme k teplotě Tm , teplotě tání krystalické fáze.

U amorfních polymerů dosahuje vratná a časově zpožděná viskoelastická deformace až několik set procent. Klubkovitý tvar makromolekul se mění na protaženější a po uvolnění se makromolekuly vracejí do energeticky výhodnější sbalené polohy. Dalším zvyšováním teploty se přiblížíme u amorfních termoplastů k teplotě Tf, teplotě tečení.

Při teplotách nad Tf u amorfních termoplastů a nad Tm u částečně krystalických termoplastů nastává plastický stav, který je ale pro oba typy polymerů odlišný.

Částečně krystalické termoplasty přecházejí prudce do taveniny: čím je polymer více krystalický, tím prudší je přechod. Se vzrůstem amorfního podílu se projevuje charakter amorfního termoplastu.

Amorfní termoplasty jsou v tomto stavu měkké a viskózně tvárné. Nastává pohyb celých makromolekul, řetězce mohou měnit vzájemně polohy. Deformace jsou velké, nevratné a závislé na čase. S rostoucí teplotou vzrůstá viskózní tok až po určitou hranici, kdy nastane porušení vazeb a rozklad polymeru. Plastického stavu se využívá k tváření polymerů, protože vratná deformace je zde minimální.

Dalším zvyšováním teploty roste amplituda pohybu segmentů, až dojde k jejich pohybu. Zejména při působení vnější síly se celé řetězce pohybují vůči sobě navzájem, tedy dochází k toku. Teplota této změny se nazývá teplota tečení (Tf). Vyskytuje se jen u amorfních polymerů, které se nad touto teplotou nacházejí ve stavu viskózní taveniny.

V krystalické fázi nedochází při zvyšování teploty k uvolňování pohybu segmentů, protože zde působí podstatně větší mezimolekulární síly. K uvolnění těchto sil dojde až při dalším zvýšení teploty, kdy se pravidelná krystalická struktura rozpadne přímo na viskózní taveninu. Tato teplota se nazývá teplota tání krystalického podílu Tm. Protože žádný reálný polymer nekrystalizuje na 100 %, ale jen částečně, mluvíme o částečně krystalických polymerech (semikrystalických). Částečně krystalické polymery obsahují v mezimolekulárních prostorách amorfní oblasti, které mají své Tg. Se zvyšujícím se podílem krystalické fáze se zvyšuje i hustota polymeru a vzrůstá i teplota jejich tání.

Při dalším zvyšování teploty se řetězce začnou intenzivním tepelným pohybem rozpadat na fragmenty, což vede k destrukci polymeru. Tato teplota se označuje jako Tc – teplota rozkladu polymeru.

Konec ukázky

Table of Contents

Tiráž

Úvod

1 Návrh materiálu výstřiku

1.1 Faktory ovlivňující výběr materiálu výstřiku – požadavky na materiál

1.2 Stárnutí a koroze dílů z plastů

1.3 Faktory ovlivňující dobu životnosti plastových dílů

1.4 Závislost vlastností výstřiků z termoplastů na teplotě

1.4.1 Vznik makromolekul

1.4.2 Nadmolekulární struktura polymerů

1.4.3 Polymery a jejich charakteristické teploty

1.9 Termoplasty určené pro výrobu výstřiků

1.9.3 Databáze termoplastů, data v nich obsažená, zkoušení plastů a související normy

1.9.3.4 Jednobodová data

1.9.3.5 Vícebodová data

2 Konstrukce výstřiků z termoplastů

2.3 Rozměrová a tvarová přesnost výstřiků z termoplastů, drsnost povrchů, měření jejich rozměrů a úchylek tvaru a polohy

2.3.7 Rozměrové a tvarové tolerování – předepisování přesnosti rozměrů, tvarů a polohy, drsnost povrchu

2.3.8 Měření a hodnocení rozměrové a tvarové přesnosti výstřiků z termoplastů

2.3.8.43 D skenování

4 Výběr varianty technologie vstřikování termoplastů

4.3 Výběr vstřikovacího stroje a jeho periferních zařízení

4.3.2 Periferní zařízení

4.3.3 Průmysl 4.0

5 Metody Rapid Prototyping, RP-aditivní, subtraktivní a formativní technologie

5.1 Aditivní technologie RP

5.1.1 Technologie na bázi fotopolymerů

5.1.2 Technologie na bázi práškových materiálů

5.1.3 Technologie na bázi tuhých materiálů

5.2 Formativní (utvářející) technologie RP

5.2.1 Vakuové licí systémy

5.3 Subtraktivní (odečítací) technologie RP

7 Konstrukce a výroba sériových vstřikovacích forem, uchopovačů, přípravků a zkoušení forem, údržba a opravy forem

7.1 Výroba a konstrukce temperačních systémů vstřikovacích forem

7.2 Technologie vytváření tenkých vrstev – aplikace při výrobě vstřikovacích forem

7.3 Technologie výroby vstřikovacích forem

7.3.3 Technologie třískového obrábění

7.3.3.1 Frézování

7.3.3.2 Elektroerozivní technologie

7.3.3.3 Vrtání, vyhrubování, vystružování, vyvrtávání, navrtávání

7.3.3.5 Úpravy povrchu (leštění, beztřískové metody, desénování)

7.3.3.6 Další výrobní technologie

7.3.3.7 Materiály pro výrobu vstřikovacích forem a jejich tepelné zpracování

7.3.3.8 Metrologie při výrobě dílů vstřikovacích forem

7.3.4 Odvzdušnění vstřikovacích forem

7.4 Provoz, údržba a opravy vstřikovacích forem

7.4.2 Údržba – důvody, definice, cíle

7.4.2.3 Typy údržby

7.4.3 Vstřikovací formy a jejich údržba

7.4.4 Údržba vstřikovací formy – čištění povrchů a desénů, mazání, odmašťování, separace povrchů, antikorozní ochrana

7.4.4.2 Požadavky na prostředky pro údržbu vstřikovacích forem

7.4.4.3 Čištění a odmašťování povrchů a desénů

7.4.6 Údržba vstřikovací formy – opravy vstřikovacích forem

7.4.6.4 Opravy poškození vstřikovacích forem

8 Výroba prvních výstřiků a optimalizace procesu vstřikování

8.1 Vstřikování termoplastů: fáze výrobního cyklu, pvT diagramy, smrštění, deformace a vnitřní pnutí

8.1.1 Fáze vstřikovacího cyklu

8.2 Postup při výrobě prvních výstřiků

8.2.1 Popis postupu výroby prvních výstřiků

8.3 Poznámky k přípravě vstřikování prvních výstřiků

8.3.1 Vstřikovací stroj

8.4 Poznámky k výrobě prvních výstřiků

8.4.2 Nastavení strojních parametrů vstřikování a připojení periferních zařízení

8.4.3 Fáze vstřikovacího procesu, technologické parametry vstřikování a jejich vliv na vlastnosti výstřiků z termoplastů

8.4.3.7 Problematika nastavení jednotlivých technologických parametrů vstřikování

9 Vstřikování kompozitních materiálů s termoplastickou matricí

9.2 Kompozitní materiály s termoplastickou matricí

9.3 Konstrukční kompozity na bázi polypropylenu

9.3.4 Kompozity se skleněnými vlákny

9.4 Základy vstřikování kompozitů s termoplastickou matricí vyztužených dlouhými vlákny – LFRT

9.4.1 Vstřikování LFRT kompozitů

9.4.1.1 Vstřikovací stroj

9.4.1.2 Vstřikovací forma

9.4.1.4 Vstřikovací proces

9.5 Vodivé typy kompozitů s termoplastickou matricí, možnost náhrady kovových materiálů

9.5.1 Význam pojmů

9.5.2 Tepelně vodivé kompozity

9.5.3 Elektricky vodivé kompozity

9.5.5 Technologie vstřikování tepelně vodivých, elektricky vodivých a magnetických kompozitů

9.6 Biologicky odbouratelné plasty – bioplasty

9.6.12 Biodegradovatelné plasty – bioplasty

10 Emisní a pachové chování termoplastů: interiérové automobilové výstřiky

10.2 Emisní chování interiérových termoplastických materiálů

11 Měření barvy a lesku výstřiků z termoplastů, barevné koncentráty

11.1 Kolometrie – co to je barva?

11.2 Aditivní a subtraktivní mísení barev

11.3 Lesk, měření lesku

11.4 Měření barvy

11.8 Praktické zkušenosti s měřením barvy

12 Vady výstřiků z termoplastů a jejich odstraňování

12.7 Vady výstřiků: dělení vad, jejich výběrový výčet

12.7.1 Vady zjevné

12.8 Vady výstřiků: popis, charakteristika, příčiny vzniku a odstranění vybraných vad

13 Využití měření teploty termokamerou (termogramů) při vstřikování termoplastů a kompozitních materiálů s termoplastickou matricí

13.1 Měření teploty