Vplyv prostredia na vybrané vlastnosti polymérnych materiálov

 

 

Prírodné polyméry sa ako úžitko­vé materiály využívajú už tisícro­čia, ale rozvoj syntetických poly­mérov a ich rozsiahle využívanie sa začína až začiatkom dvadsiateho storo­čia, preto ich stále vnímame ako nové ma­teriály. Skutočný rozmach vývoja polymér­nych materiálov nastal po druhej svetovej vojne, keď už boli syntetizované takmer všetky známe polyméry využívané dodnes, ako napr. PP, PU, PTFE, PET. Od toho času sa vývoju, výrobe a spracovaniu plastov ve­nuje veľká pozornosť, hľadajú sa nové adití­va, plnivá a spôsoby ich spracovania, ktoré im dávajú požadované vlastnosti.

Aj napriek tomu, že využitie plastov v rôz­nych priemyselných odvetvia je prínosom z hľadiska energetického (šetria energetic­ké zdroje a znižujú množstvo exhalátov) a ekonomického (šetria surovinové zdro­je), nemožno zabúdať na fakt, že aj poly­mérne materiály degradujú. Mnohé z nich pri degradačných procesoch uvoľňujú níz­komolekulové zlúčeniny, ktoré môžu ško­diť zdraviu, ohrozovať životné prostredie alebo dokonca môžu byť i toxické. Nielen tieto ich vlastnosti však ohrozujú život­né prostredie. Vývoj smeruje k výrobe sta­bilných plastov a tie nestrácajú stabilitu ani po opotrebovaní či skončení životnos­ti výrobku, keď sa stávajú odpadom, kto­rý sa umiestňuje na skládkach, zaberá ob­rovský objem, čím sa stáva nebezpečným. Je preto dôležité poznať vlastnosti plastov v rôznych degradačných prostrediach, či dochádza k ich podstatnej zmene a tým zabrániť hromadeniu plastového odpadu a šetriť životné prostredie. V tomto prípa­de hovoríme o starnutí plastov.

 

Starnutie plastov

Starnutie plastov je súhrn nezvratných zmien vlastností plastu, ku ktorým dochá­dza pôsobením svetla, slnka, vonkajšieho ovzdušia, kyslíka, žiarenia a tepla. Často pô­sobí viac činiteľov súčasne a tým je celko­vý účinok starnutia prenikavejší. Starnutie sa prejavuje trvalými zmenami niektorých vlastností, najmä stratou ťažnosti, rázovej húževnatosti, niekedy aj znížením pevnos­ti a úbytkom hmoty polyméru. V tab. 1 sú uvedené základné definície pojmov v ob­lasti starnutia plastov.

Skúšanie plastov

Požiadavky kladené na výrobky z polymér­nych materiálov možno splniť pri dob­rej znalosti ich mechanických, fyzikálnych, elektrických, chemických, optických a bio­logických vlastností.

Na vlastné hodnotenie slúžia skúšobné metódy, z ktorých je prevažná časť nor­malizovaná. Na skúšanie podľa príslušných noriem sa spravidla používajú skúšobné telesá a nie priamo výrobky. Skúšobné te­lesá majú predpísaný tvar i rozmery a zís­kané výsledky z ich skúmania nemožno automaticky prenášať len prepočítaním na iné rozmerovo a tvarovo odlišné vý­robky. Každý prípad sa preto posudzuje zvlášť a výsledky skúšok sa overujú funkč­ným overením prototypov a nultej série. Rozdelenie skúšania plastov – obr. 1. Z no­riem a prospektových materiálov výrob­cov možno najčastejšie získať informácie o mechanických vlastnostiach plastov, na zistenie ktorých sa používajú mechanické skúšky, pričom jedna zo základných skú­šok bola použitá aj v experimentálnej čas­ti príspevku.

Na zistenie mechanických vlastností skú­šaných materiálov bola urobená skúš­ka na zistenie ťahových vlastností plas­tov v prostrediach: UV žiarenie, pracovné prostredie, prírodné klimatické podmien­ky a expozícia skúšobných telies pri nízkych teplotách, t. j. v mraze.

Experimentálna časť – dosiahnuté výsledky

Skúšaný materiál

Výber materiálov bol zameraný na ter­moplasty, ktoré majú široké uplatnenie hlavne v automobilovom priemysle. Ide najmä o kompozitné materiály na báze po­lyamidov s plnivom.

Pri experimente boli použité tieto materiály:

• Durethan PA 66 GF 30 AKV

• Slovamid 6 GF 30.

Charakteristika skúšaných materiálov:

– Durethan PA 66 GF 30 AKV je polya­mid 66 (PA66) plnený 30 % skleného vlák­na. Je určený na spracovanie vstrekovaním. Je to čiastočne kryštalický polymér, vyzna­čujúci sa kombináciou vlastností vhodných zvlášť pre technické aplikácie. Vysoká me­chanická pevnosť a tuhosť je kombinovaná s dobrými elektroizolačnými vlastnosťami, vysokou tepelnou a chemickou odolnos­ťou, dobrou odolnosťou voči poveternost­ným vplyvom a nízkym trením. Dobre tlmí rázy a hluk.

– Slovamid 6 GF 30je polyamid 6 (PA6) chemicky vystužený 30 % skleného vlákna, určený na spracovanie vstrekovaním. Používa sa na výlisky s vysokou pev­nosťou a húževnatos­ťou v automobilovom, elektrotechnickom, stro­járskom a spotrebnom priemysle.

Skúšobné telesá boli vy­robené podľa platných noriem technológiou vstrekovania na Katedre technológií a materi­álov Strojníckej fakul­ty Technickej Univerzity v Košiciach.

Sušenie materiálov na experimenty bolo v sú­lade s podmienkami uvedenými v materiálo­vých listoch skúšaných materiálov.

Na vylisovaných vzorkách bola vykona­ná skúška ťahom podľa normy ISO 527-1. Táto metóda sa používa na vyhodnocova­nie správania sa skúšobných telies pri skúš­ke ťahom a na stanovenie medze pevnosti v ťahu, modulu pružnosti v ťahu a ďalších veličín zo vzťahu napätie – deformácia pri definovaných podmienkach – obr. 2.

Ťahová skúška bola vykonaná na trhacom stroji TIRA test 2 300. Je to mikroproceso­rom riadený trhací stroj na skúšku pevnos­ti a zariadenie má certifikát o overení pre skúšky pevnosti kovov a plastov. Skúšobná rýchlosť bola 10 mm.min^-1. Z každého dru­hu materiálu bolo odskúšaných podľa nor­my po päť kusov skúšobných vzoriek v kaž­dom prostredí.

Skúšané materiály boli vystavené UV žiare­niu podľa normy ISO 4892, ktorá špecifi­kuje metódy na vystavovanie vzoriek účin­kom rozličných typov fluorescenčných UV lámp. Všeobecné pokyny sú v norme ISO 4892-129. Fluorescenčná UV lampa je lampa, ktorej sálavé vyžarovanie v ultrafia­lovej oblasti spektra, t. j. pod 400 nm, pred­stavuje najmenej 80 % celkového svetel­ného žiarenia. Skúška bola urobená v UV komore – obr. 3 pri dobe expozície 28 dní pri 12-hodinových cykloch.

Odolnosť klimatická, biologická, tepelná, termooxidačná, svetel­ná je schopnosť plastov odolávať jednotlivým druhom starnutia – STN 640770. Skúšobné vzorky na zistenie mechanických vlastností vybraných materiálov boli upevnené na stojane a tri mesiace vysta­vené prírodným (vonkajším) klimatickým podmienkam.

Expozícia skúšaných vzoriek v mraze bola uskutočnená modifikova­nou skúškou. Skúšobné vzorky boli umiestnené v mraziacom boxe, teplota expozície skúšobných telies bola zvolená s ohľadom na mí­nusové teploty v miernom podnebnom pásme, a to -20 °C. Teplota bola kontrolovaná teplomerom typu TESTO 845 s rozsahom tep­lôt -20 °C až 500 °C. Doba expozície skúšobných vzoriek bola 28 dní.

 

Vyhodnotenie nameraných výsledkov získaných pri ťahovej skúške

Na obrázkoch 4 až 7 sú graficky spracované priemerné hodno­ty nameraných hodnôt pevnosti v ťahu σM a priemerné hodno­ty pomerného predĺženia εM skúšaných materiálov v pracovnom prostredí, po degradácii v UV komore, v mraze a v prírodnom kli­matickom prostredí.

Nameraná priemerná hodnota pevnosti v ťahu bola zvýšená v mra­ze o 3 MPa (2,34 %), v UV komore o 12 MPa (9,37 %), naopak, v prírodnom klimatickom prostredí bola nižšia o 13 MPa (10,16 %) ako hodnoty dosiahnuté v pracovnom prostredí. Tieto hodnoty sú zanedbateľné, a tak môžeme konštatovať, že zmena degradačné­ho prostredia pri tomto materiáli nevplýva na hodnotu pevnos­ti v ťahu.

Hodnota pomerného predlženia skúšaného materiálu v degradač­ných prostrediach klesla oproti hodnote v pracovnom prostredí minimálne, čiže ide o zanedbateľné hodnoty.

Podľa obr. 6 priemerná nameraná hodnota pevnosti v ťahu materiálov v pracovnom prostredí je 111 Mpa. S teuto hodnotou sa po­rovnávali získané hodnoty v ďalších degradačných prostrediach. Po degradácii v mraze je zmena hodnoty pevnosti v ťahu minimálna, ale o 23 MPa (23,73 %) znížená po degradácii v prírodnom klimatic­kom prostredí. Hodnota pomerného predlženia skúšaného materiálu sa menila minimálne, ide teda o zanedbateľné hodnoty.

Na obrázkoch 8 a 9 sú porušenia a detaily porušenia skúšobných vzoriek po ťahovej skúške. Snímky boli urobené mikroskopom USB DIGITAL MICROSCOPE, zväčšenie 200 x.

Záver

Vzhľadom na rýchly rozvoj automobilovéhho priemyslu a čoraz rozšírenejšej aplikácii plastov v tejto oblasti, bol aj výber skúšobných materiálov orientovaný na plasty využívané práve v automobiloch. Keďže čisté plasty sa v tejto sfére používajú veľmi málo, boli vy­brané kompozitné materiály, a to Durethan – polyamid 66 plne­ný 30 % sklených vlákien a Slovamid 6 – polyamid 6 plnený 30 % sklených vlákien.

Experimentálnou formou sa zisťoval a vyhodnotil vplyv degradač­ného prostredia, a to pracovného prostredia, prírodného klima­tického prostredia, prostredia v UV komore a pri nízkych teplo­tách na vybrané mechanické vlastnosti materiálov. Pevnosť v ťahu σM a pomerné predĺženie εM boli vyhodnotené ťahovou skúš­kou. Za etalón boli stanovené hodnoty namerané v pracovnom prostredí, k nim sa prirovnávali hodnoty získané v ďalších degra­dačných prostrediach. Experimentálnou formou sa zistilo, že pev­nosť v ťahu bola najviac zvýšená pri materiáli Durethan PA 66 GF, a to v prostredí umelého starnutia – v UV komore o 9,37 % a zní­žená o hodnotu 23,73 % pri materiáli Slovamid 6 GF 30. Hodnoty pomerného predĺženia vybrané degradačné prostredia ovplyvni­li len minimálne.

Materiály, ktoré boli zvolené na skúšanie vybraných mechanických vlastností, sa vyznačujú vlastnosťami ako tuhosť, pružnosť v ťahu, pevnosť v ohybe, vysoká pevnosť a húževnatosť. Pod vplyvom de­gradačných prostredí sa sledované vlastnosti zmenili len minimál­ne a možnosti ich použitia v spotrebnom a automobilovom prie­mysle len málo ovplyvnia ich úžitkovú hodnotu.

Experimentálne zistené skutočnosti sa nedajú interpretovať so vše­obecnou platnosťou, lebo správanie sa plastov je veľmi individuál­ne. V praxi možno využiť len výsledky odskúšaných plastov. Keďže ide o materiály bežne používané v automobilovom priemysle, vý­sledky týchto experimentov sú prakticky využiteľné.

 

Poďakovanie

Príspevok bol spracovaný v rámci riešenia grantového vedeckého projektu VEGA 1/0396/11.

Tento článok bol vytvorený realizáciou projektu „Centrum výskumu riadenia technických, environmentálnych a humánnych rizík pre tr­valý rozvoj produkcie a výrobkov v strojárstve“ (ITMS: 26220120060), na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj, financo­vaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

 

Literatúra

[1] BADIDA, Miroslav, BOSÁK,M. a kol.: Recyklácia recyklačné technológie. Vienala Košice, 2007. 623 s., ISBN 978-80-8073-946-1

[2] GREŠKOVIČ, František, DULEBOVÁ, Ľudmila, VARGA, Ján: Technológie spracovania plastov. Košice: TU, 2010. 200 s. ISBN 978-80-553-0369-7

[3] STN EN ISO 527 – 1,2: Plasty. Stanovenie ťahových vlastností. 1977

[4] STN 64 0774: 1993, Termíny v oblasti starnutia a stabilizácie

[5] STN 64 0770: 1993, Prirodzené a umelé starnutie plastov

[6] STN EN ISO 4892 – 3 (ISO 4892 – 3: 1994): Plasty. Metódy vystavovania účinkom laboratórnych svetelných zdrojov. Časť 3: Fluorescenčné UV lampy