Plasty Poměrné zastoupení m ěkkých obalových materiál na ...

9
Plasty historie 1736 – sazenice přírodního kaučuku se dostává do Evropy 1791 – první komerční využití – aplikace při výrobě nepromokavých plachet a pytlů pro přepravu pošty 1 1835 - spontánní polymerace styrenu 1843, 1844 – Thomas Hancock, Charles Goodyear – vulkanizace kaučuku sírou 1888 – John Boyd Dunlop – patent pneumatiky bakelit 1920 (fenolformaldehydová pryskyřice) celuloid (dinitrát celulosy plastifikovaný kafrem) použití dříve náhražka tradičních obalových materiálů dnes již využívány jejich charakteristické vlastnosti Celulosa Hliníkové fólie <60μm 14% Papír 12% PE 34% 2003 Poměrné zastoupení měkkých obalových materiálů na trhu v západní Evropě 2 BOPET 2% Bariérové lamináty 4% Celulosa 1% PVC 2% Cast PP 5% BOPP 22% Source: PCI / Pira PA 4% Klasifikace polymerů mnoho možných systémů dle původu přírodní modifikované (polosyntetické) t ti ké 3 synteticdle typu polymerační reakce kondenzační produkty polymerační produkty přírodní produkty podle vlastností termoplasty x termosety Základní typy reakcí vedoucí ke vzniku polymerů polymerace polykondenzace 4 polyadice Polymerace řetězová reakce poměrné chemické složení neměnné 5 bez vedlejších produktů radikálový nebo iontový mechanismus kopolymerace Kopolymery 6

Transcript of Plasty Poměrné zastoupení m ěkkých obalových materiál na ...

4.10.2010

1

Plasty

historie• 1736 – sazenice přírodního kaučuku se dostává do Evropy• 1791 – první komerční využití – aplikace při výrobě nepromokavých

plachet a pytlů pro přepravu pošty

1

p py p p p p y• 1835 - spontánní polymerace styrenu• 1843, 1844 – Thomas Hancock, Charles Goodyear – vulkanizace

kaučuku sírou• 1888 – John Boyd Dunlop – patent pneumatiky• bakelit 1920 (fenolformaldehydová pryskyřice)• celuloid (dinitrát celulosy plastifikovaný kafrem)

použití• dříve náhražka tradičních obalových materiálů• dnes již využívány jejich charakteristické vlastnosti

Celulosa

Hliníkové fólie<60µm

14%Papír12%

PE34%

2003

Poměrné zastoupení měkkých obalových materiálů na trhu v západní Evropě

2

BOPET2%

Bariérovélamináty

4%

Celulosa1%

PVC2%

Cast PP5%

BOPP22%

Source: PCI / Pira

PA4%

Klasifikace polymerů

• mnoho možných systémů• dle původu

• přírodní• modifikované (polosyntetické)

t ti ké

3

• syntetické• dle typu polymerační reakce

• kondenzační produkty• polymerační produkty• přírodní produkty

• podle vlastností• termoplasty x termosety

Základní typy reakcí vedoucí ke vzniku polymerů

polymerace polykondenzace

4

polyadice

Polymerace

řetězová reakcepoměrné chemické

složení neměnné

5

bez vedlejších produktů

radikálový nebo iontový

mechanismus

kopolymerace

Kopolymery

6

4.10.2010

2

Polykondenzace

• sled opakovaných reakcí funkčních skupin výchozích látek

• nutno více aktivních skupin na monomerech• lineární struktura x trojrozměrná struktura

hl í t l k d č í h k í

7

• hlavní typy polykondenzačních reakcí:• polyestery: R-OH + H-OOC-R´ → R-O-CO-R´ + H2O• polyamidy: R-NH2 + H-OOC-R´ → R-NH-CO-R´ + H2O

• rozdílné složení výchozích komponent a výsledného polymeru

• regulace průběhu reakce ⇒ přídavek monofunkčních látek

Polyadice

• reakce• sloučenin s násobnými vazbami nebo kruhy s malým

počtem členů• dvou funkčních skupin v molekulách výchozích látek

8

• charakteristické:• stejné složení polymeru a výchozí směsi• odlišná struktura produktu a výchozích komponent

• příklad - vznik polyuretanu, resp. polymočoviny• O=C=N-(CH2)6-N=C=O + HO-(CH2)4-OH →

→ -CO-NH-(CH2)6-NH-CO-O-(CH2)4-O-

Vlastnosti plastů

• vlastnosti plastů velice rozmanité⇒ široká škála možných aplikací

9

⇒ široká škála možných aplikací

• odlišení plastů od jiných materiálů

Faktory ovlivňující vlastnosti plastů

chemická struktura

molekulová hmotnost

10

struktura hmotnost

fázová struktura

Chemická struktura

• vlastnosti základní jednotky makromolekuly• stupeň polarity• sterické vlivy ⇒ pohyblivost segmentů molekuly, atd.

• druh a rozsah větvení hlavního řetězce

11

• délka postranních řetězců• počet míst větvení, aj.

• prostorového uspořádání• seřazení hlava-pata, hlava-hlava• isotaktické, syndiotaktické a ataktické formy• formy cis a trans u polydienů, atd.

Chemická struktura

• chemická nehomogennost• u statistických, alternujících, segmentovaných a

roubovaných kopolymerů• u produktů připravených ze základních polymerů

chemickými změnami, např. hydrolýzou, esterifikací,

12

chemickými změnami, např. hydrolýzou, esterifikací, acetylací, chlorací a sulfochlorací

• u polykondenzátů připravených z několika různých monomerů

• u tzv. slitin – polyblends• stupeň a struktura vzájemného zesítění• ovlivnění - již při syntéze polymeru

4.10.2010

3

Molekulová hmotnost

• polymery – polydisperzní systémy• hodnota střední molekulové hmotnosti• distribuce molekulových hmotností• ovlivnění již při syntéze polymeru např

13

ovlivnění již při syntéze polymeru, např.• polykondenzace ⇒ užší distribuční křivky• polymerace ⇒ širší• polymery s úzkou distribuční křivkou vykazují

vyšší modul pružnosti, vyšší pevnost a houževnatost

Charakterizace molekulových hmotností

Distribuce hmotností molekul polymerů se charakterizuje početně střední molární hmotností Mn, hmotnostně střední molární hmotností MW, ale ivizkozitním průměrem molarních hmotností Mη či z-průměrem molárních motností Mz.

iin

MnM Σ= iiii

wMnMwM Σ

=2

zwn MMMM ⟨⟨⟨ η

14číselný váhový

i

nn

MΣ iii

w MnwM

ΣΣzwn MMMM ⟨⟨⟨ η

Molekulová hmotnost polymeru• nestejně velké molekuly ⇒ Mw/Mn>1• faktor polydispersity Q = Mw/Mn - 1

• polykondenzace ⇒ Q ∼ 2• polymerace ⇒ Q = 2 ∼10

• v praxi často žádoucí vysoká M a úzká distribuční křivka

15

Fázová struktura• stupeň krystalinity• velikost, rozdělení a polohy

krystalitů• tvar a množství sférolitů• ovlivnění - až při zpracování a

aplikaci polymeru• tepelná a mechanická úprava

l

16

polymeru• druh a množství přísad

Stav makromolekulv pevné fázi

V polymerech existují tyto základní makro konformace:• metastabilní "amorfní" náhodné klubko• metastabilní lamelární krystal se skládanými řetězci• stabilní lamelární krystal s napjatými

17Krystalický

• stabilní lamelární krystal s napjatými řetězci

Skládané řetězce

Krystalit

Semi krystalický Amorfní

Semikrystalickýstav

Krystality

Amorfní

Krystality působí jako body zesítění

18

Krystality

Amorfní oblasti

Amorfní oblasti Vliv krystalinity a molekulové hmotnosti na stav polymerů

4.10.2010

4

Obecně:

čím větší pravidelnost ve struktuře ⇒ tím tužší tepelně

19

struktuře ⇒ tím tužší, tepelněodolnější a méně propustný

polymer

Způsoby ovlivnění struktury• změkčení ⇒ nejčastěji aplikace změkčovadel

• změkčovadla primární (solvatují polymer) x sekundární

• estery kyseliny ftalové• estery alifatických dikarboxylových (adipáty, sebakáty)

i trikarboxylových kyselin (citráty)

20

i trikarboxylových kyselin (citráty)• estery kyseliny fosforečné (trikresylfosfát,

trixylenylfosfát)• estery kyseliny olejové a ricinolejové• epoxidované sloučeniny (epoxidovaný sojový olej)• polymerní změkčovadla (EVA, nížemolekulární

polymery kyseliny adipové atd.)• hygienické aspekty

Způsoby ovlivnění struktury

• přídavky aditiv obecně• změkčovadla (viz dříve)• stabilizátory• maziva

21

• optická zjasňovadla atd.• orientace molekul

• stupeň krystalinity (viz dříve)• orientace polymerů

• protahování v jednom či dvou směrech

• ošetření koronou atd.

Model změny vlastností PP orientací

neorientovaný PP orientovaný PP

orientovaný PP

22

neorientovaný PP

malá velkávelikost mezi molekulárních

prostor

molekula H2O

Plasticita• za vyšších teplot • umožňuje tvarování, výrobu fólií atd.• základní způsoby tvarování plastů při výrobě

obalových prostředků:• extruze nebo extruzní vyfukování – fólie

t á í f k á í ř á f ří d

23

• tvarování vyfukováním - uzavřená forma s přívodem stlačeného vzduchu

• vstřikování - i sendvičové uspořádání• termoplastické tvarování - positivní (uchycené dno) x

negativní• válcování• rotační tvarování• lisování - tvarování termosetů• lití

Extruder

24

4.10.2010

5

Tvarování polymerních obalů

25

Negativní termoplastické tvarování

26

Termoplastické tvarování - negativní

27

Negativní termoplastické tvarování s razníkem

28

Termoplastické tvarování negativní s razníkem

29

Termoplastické tvarování negativní s razníkem

30

4.10.2010

6

Termoplastické tvarování - positivní

31

Litá BO fólie

32

Extruder

33

Filtr

34

Tvarovací hlava

35

Lití

36

4.10.2010

7

Podélná orientace

37

Příčná orientace

38

Konečná úprava fólie

39 40

41 42

4.10.2010

8

43

Plasticita

• umožňuje i tepelné spojování, svařování, plastů• význačný rys plastů⇒ řeší i nevhodné vlastnosti

jiných obalových materiálů:• laminováním, resp. koextruzí

ů

44

• aplikací termoplastických laků atd.• provedení

• zahřátím a přitlačením plastů k sobě• významné hodnoty (teplota, tlak, doba působení,

vlastnosti fólie atd.)• např. loupatelný spoj (nižší teploty, vyšší tlak, atd.)

Plasticita

• způsoby ohřevu• kondukční

• vhodnější pro lamináty

45

• napalování v důsledku nepříznivého tepelného spádu

• ultrazvukem• vysokofrekvenční ohřev

• podmínkou polarita molekuly

Další významné vlastnosti polymerů

• pružnost – elasticita• pružnost obalů často výhodou, odolnost vůči

mechanickým rázům• elastomery

• stupeň krystalinity

46

• stupeň krystalinity• většinou amfoterní charakter polymerů• úpravy stupně krystalinity

• úprava reakční směsi při polymeraci• orientace makromolekul (BO fólie)• důsledky:⇒ zvýšení ρ, pevnosti a tuhosti, umocnění smršťovacíschopnosti (smrštitelné fólie x průtažné fólie)

• chemická odolnost • dobrá ⇒ aplikace jako ochranné povlaky

• fyzikální vlastnosti • mechanické charakteristiky• tepelné vlastnosti

• teplota tání ⇒ svařovatelnost plastů• teplota zesklení T (skelného přechodu)

Další významné vlastnosti polymerů

47

teplota zesklení Tg (skelného přechodu)• bariérové vlastnosti - propustnost pro vodní páru, permanentní

plyny, aromatické látky atd.• elektrické vlastnosti

• nabíjení se elektrostatickým nábojem • dielektrické vlastnosti

• optické vlastnosti • zákal (haze)• čirost, průzračnost (clarity) • lesk (gloss)

Teploty skelného přechodu vybraných polymerů

48

4.10.2010

9

Optické vlastnosti polymerů

49

zákal(vliv kvality povrchua stupně krystalinity)

čirost(vliv kvality povrchu)

lesk(nepřímo úměrný zákalu)

PP fólie s perleťovým leskem

• využití kavitace• bělost dosáhnutá odrážením a rozptylováním

světla• snížení hustoty

50