Zpracování plastů

Ačkoliv jsou výrobky z plastických hmot nedílnou součástí našeho běžného života, málo kdo si uvědomuje, jak složitá je cesta, než se jednotlivá PET lahev, igelitový pytlík, součástky v interiéru automobilu, kloubní náhrada a další plastové výrobky dostanou ke koncovému uživateli. Jedná se nejprve o výběr, případně o výrobu vhodného plastu (polymeru), který bude mít nejen vhodné fyzikálně-chemické vlastnosti (například odolnost proti mechanickému opotřebení, UV záření, nebo nebude podléhat změnám teploty), ale bude mít i vhodné vlastnosti během zpracovatelského procesu (smykovou a tahovou viskozitu, poměr elastické a viskozní složky, apod.). Mezi zpracovatelské procesy, které se používají při zpracování plastů patří zejména vstřikování, vytlačování, vyfukování, lisování, a válcování. Jednotlivé procesy se od sebe odlišují technologickými postupy, které zajišťují dobré finální vlastnosti výrobku. Jedná se zejména o teplotu zpracování, tlak, rychlost zpracování, rychlost chladnutí a další. Tyto veličiny ovlivňují tokové (reologické) vlastnosti materiálu – tedy jeho zpracovatelnost během procesu. V následujících bodech se zaměříme na charakterizaci vlastnosti plastů a na podmínky, které ovlivňují jejich zpracování. Dále se zmíníme o způsobu měření těchto vlastností a jejich následné modelování, které poskytuje informace o tom, jaké zpracovatelské podmínky nastavit pro daný materiál s cílem dosáhnout kýžených vlastností finálního výrobku.

 

Ne každý plastový materiál je vhodný pro daný výrobek. Jednak se od sebe liší jednotlivé polymerní materiály základní stavební jednotkou – merem, tedy typem molekuly, ze kterých je řetězec polymeru (makromolekula) složen. Dále pak se jednotlivé materiály od se liší délkou těchto makromolekul (molekulární hmotností). Neméně důležitou vlastností je větvení makromolekul, zde se jednotlivé materiály od sebe liší tím, jestli je makromolekulární řetězec lineární nebo je rozvětvený (tvary mohou být různé - např. hvězda, hřebenovitý tvar, H molekula, dendrimer). Vlastnost charakterizující zastoupení jednotlivých délek makromolekul v materiálu se nazývá polydisperzita. Všechny tyto vlastnosti silně ovlivňují tokové vlastnosti materiálů, a tedy i jejich zpracovatelnost. Vzhledem k tomu, že tvary makromolekul, jejich délky i polydisperzita mohou být různé, nelze jednoduše určit tyto tokové vlastnosti, a proto se charakterizují na speciálních přístrojích – reometrech, které jsou schopny tyto tokové vlastnosti měřit. Jedná se zejména o měření smykové a tahové viskozity, elastického a smykového modulu, mez kluzu a další. Tyto měřené vlastnosti jsou nicméně ovlivněny i podmínkami při kterých jsou měřeny – například teplotou nebo tlakem. Proto jednotlivé vlastnosti musí být vždy staženy k daným podmínkám – zejména teplota zde hraje velkou roli.

Reometry (přístroje sloužící pro měření tokových vlastností látek) se dělí na kapilární a rotační. Kapilární reometr pracuje na principu vytlačování materiálu ze zásobníku skrz přesně definovanou kapiláru (o známé délce a průměru). V této kapiláře je měřen tlak. Z informací o tlaku a rychlosti posunu pístu v zásobníku jsme schopni spočítat rychlost smykové deformace a smykovou viskozitu (viskozita = míra vnitřního odporu materiálu vůči vnějšímu namáhání). Naproti tomu reometr rotační využívá rotačního pohybu mezi dvěma kruhovými deskami (kuželem-deskou nebo dvěma souosými válci). Zde jsou měřeny otáčky a krouticí moment vyvolaný materiálem, který je umístěn mezi těmito deskami. Z těchto veličin je opět stanovena rychlost smykové deformace a smyková viskozita. Oba dva typy reometrů mohou změřit taktéž tzv. tahovou viskozitu (odpor vůči natahování materiálu).

Z důvodu zjednodušení a tudíž i zlevnění výroby se jednotlivé formy (např. vstřikovací nebo lisovací) pro zpracování polymerů modelují ve 3D softwarech pomocí metod konečných prvků (objemů, diferencí), které dokáží poskytnout informace o kvalitě zpracovatelského procesu (např. zatečení daného materiálu do formy při daných podmínkách). Pro tyto výpočty je nutné znát tokové charakteristiky změřené na reometrech. Tyto měřené charakteristiky jsou ve 3D softwarech modelovány pomocí konstitutivních rovnic. Konstitutivní rovnice charakterizující tokové vlastnosti materiálu jsou odvozeny buď přímo mechaniky kontinua, a nebo ze strukturálních vlastností polymerů (polydisperzita, typ větvení makromolekuly, délka makromolekul). A právě charakterizací polymerů a jejich následným modelováním pomocí konstitutivních rovnic se zabývá část oddělení Reologie.

Výzkum na Ústavu pro hydrodynamiku

Oddělení reologie studuje tokové (reologické) vlastnosti materiálů pro potravinářský, farmaceutický, kosmetický a zejména plastikářský průmysl, kde se specializuje na polymerní taveniny a roztoky. Charakterizace materiálů probíhá za časově ustálených i neustálených podmínek s cílem odlišit od sebe materiály s různým větvením, případně různou polydisperzitou a molekulární hmotností. Na základě těchto získaných znalostí o materiálech navrhujeme vhodné konstitutivní modely (zobecněné Nenewtonské modely nebo diferenciální konstitutivní modely charakterizující materiál v ustáleném i neustáleném stavu).

Publikace:

Zelenková, J., Pivokonský, R., Filip, P., (2017). Two ways to examine differential constitutive equations: initiated on steady or initiated on unsteady (LAOS) shear characteristics. Polymers 9(6), 205.

Pivokonský, R., Filip, P., Zelenková, J., (2016). Flexibility of three differential constitutive models evaluated by large amplitude oscillatory shear and Fourier transform rheology. Polymer 104(8), 171-178.

Pivokonský, R., Filip, P., Zelenková, J., (2015). The role of the Gordon-Schowalter derivative term in the constitutive models - improved flexibility of the modified XPP model. Colloid and Polymer Science 293(4), 1227-1236.

Pivokonský, R., Filip, P., Zelenková, J., (2015). Visualization of elongation measurements using an SER universal testing platform. Applied Rheology 25(1).

Kategorie Dlaždice.