Rozdělení a charakteristika polymerů

Polymery lze rozdělit podle několika kritérií. Základními skupinami jsou plasty a elastomery, viz obr. 25.

Obr. 25: Základní rozdělení polymerů

Plasty jsou polymery, u nichž vnější namáhání způsobuje deformace převážně nevratného (trvalého) charakteru. Za běžných podmínek jsou většinou tvrdé, často i křehké, viz obr. 26. Podle chování při zahřívání je dělíme dále na termoplasty a reaktoplasty.

Elastomery, jak název napovídá, je vysoce pružný (elastický) materiál s nízkou tuhostí, který můžeme za běžných podmínek malou silou značně deformovat bez porušení (viz obr. 26). Tato deformace je převážně vratná. Typickým představitelem jsou kaučuky, z nichž se vulkanizací (řídkým zesítěním, nejčastěji sírou) vyrábí pryže – vysoce pružný materiál, odolný trvalé deformaci. Pryž je vulkanizovaný elastomer a je charakterizována chemickými (příčnými) vazbami mezi makromolekulami, které tvoří uzly prostorové sítě (viz kap. 3). V důsledku zesítění je amorfním polymerem.

Obr. 26: Chování polymerů při mechanickém namáhání: plast (vlevo), elastomer (vpravo)

Termoplasty jsou materiály, které při zahřívání měknou (přechází do plastického stavu) a lze je tvářet. Do oblasti taveniny přechází zahřátím nad teplotu tání. Zpětným ochlazením pod tuto teplotu přechází opět do tuhého stavu. Při zahřívání neprobíhá chemická reakce a během zpracování se nemění jejich chemická struktura. Změny, kterými materiál prochází, mají pouze fyzikální charakter a proces měknutí a tuhnutí je vratný (lze jej teoreticky opakovat do nekonečna). Termoplasty mohou být amorfní i semikrystalické. Typickými představiteli jsou polyethylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinylchlorid (PVC), polymethyl-methakrylát (PMMA), polyoxymethylen (POM) apod. Příklady aplikací jsou uvedeny na obr. 27a.

Reaktoplasty jsou materiály, které jsou tavitelné a tvarovatelné jen určitou dobu po zahřátí. Během dalšího zahřívání (nebo pomocí katalyzátorů) dochází k chemické změně, při které původní molekuly sesíťují a od tohoto okamžiku se stávají netavitelné a nerozpustné. Chemická reakce způsobující vznik zesíťováné struktury se nazývá vytvrzování. Je to nevratný proces a vytvrzený materiál nelze znovu tvarovat, svařovat ani převést do taveniny. Reaktoplast je amorfním polymerem. Výrobky z reaktoplastů se vyznačují vysokou chemickou a tepelnou odolností, tvrdostí a tuhostí. U reaktoplastů se produkt v nevytvrzeném stavu obvykle nazývá pryskyřice, např. fenol-formaldehydová pryskyřice (PF), epoxidová pryskyřice (EP), polyesterová pryskyřice (UP) apod. Příklady aplikací reaktoplastů jsou znázorněny na obr. 27b.

Obr. 27: Příklady aplikací termoplastů (a) a reaktoplastů (b)

Termoplastické elastomery (TPE) jsou vlastnostmi velmi podobné pryžím. Jejich struktura je tvořena tvrdými a měkkými segmenty. Měkké segmenty jsou tvořeny elastomery, tvrdé segmenty termoplasty, které vytváří uzly sítě. Termoplastické elastomery mají zesíťovanou strukturu. Zvyšováním teploty přechází na rozdíl od pryží do tekutého stavu a mohou se zpracovávat obdobně jako termoplasty. Hlavní rozdíl mezi TPE a pryžemi je dán rozdílem ve vlastnostech uzlů sítě, které jsou u pryží (po vulkanizaci kaučuku) chemické povahy, zatímco u TPE jsou povahy fyzikální a vytváří je obvykle určité množství nemísitelných termoplastických segmentů rozptýlených ve spojité elastomerní fázi. Termoplastické elastomery nedosahují sice takových elastických vlastností jako pryže, jejich výhodou je ale možnost vstřikování na běžných strojích určených pro termoplasty a také možnost jejich opětovného zpracování (recyklace). Příklady aplikací pryží a termoplastických elastomerů jsou uvedeny na obr. 28.

Obr. 28: Příklady aplikací pryží (a) a termoplastických elastomerů (b)

Polymery lze rozdělit podle dalších kritérií: původu, chemické reakce jejich přípravy, chemické příbuznosti, složení, molekulární struktury nebo podle uspořádanosti makromolekul na nadmolekulární úrovni (viz obr. 29 a obr. 30). Polymery lze dělit také dle polarity na polární a nepolární. Jiná možnost klasifikace polymerních materiálů vychází z postavení na trhu. Podle toho se rozlišují tři velké třídy plastů: komoditní plasty (plasty pro široké použití), které představují největší objem výroby i spotřeby (viz obr. 31 a obr. 32), ale současně jsou ze všech polymerů nejlevnější. Do této třídy patří zejména čtyři základní skupiny polymerů: polyethyleny (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS) včetně jeho kopolymerů a polyvinylchlorid (PVC). Druhou velkou třídou polymerních materiálů jsou tzv. inženýrské plasty pro konstrukční aplikace, které nabízejí mnohem lepší užitné vlastnosti a často také zřetelně vyšší teplotní odolnost. Vzhledem k výborné modifikaci vlastností polypropylenu (PP) lze tento materiál řadit i do této skupiny polymerů. Poslední třídou jsou tzv. high-tech polymery (speciální polymery), které nabízejí unikátní užitné vlastnosti a jsou určené pro špičkové aplikace. Tyto tři třídy můžeme sestavit schematicky do pyramidy, viz obr. 32. Směrem odzdola nahoru roste v tomto schématu kvalita materiálu, ale také jeho cena.

Obr. 29: Základní schéma rozdělení polymerů


Obr. 30: Periodická tabulka termoplastů


Obr. 31: Evropská spotřeba komoditních polymerů včetně polyetyléntereftalátu podle odvětví (r. 2012)


Obr. 32: Rozdělení polymerů dle postavení na trhu

Polymery jsou v praxi označovány nejen chemickými, ale také obchodními názvy s  číselným a písmenným kódem. Obchodní název polymeru je vhodně volené libovolné jméno vztahující se často k jménu výrobní firmy nebo k městu, kde je umístěn výrobní závod (např. polyethyleny LITEN a polypropyleny MOSTEN, vyráběné společností Unipetrol RPA v Litvínově, nedaleko Mostu). Koncovka –en, -ne je typická pro obchodní názvy polyethylenu (např. LITEN, BRALEN, BORECENE) a polypropylenu (např. MOSTEN, TATREN, DAPLEN, DINAPLEN), ale není tomu tak vždy, jak ukazují následující příklady polypropylenů HOSTACOM, ALCOM, CELSTRAN apod. Koncovku –lit, -nyl, -vil apod.  má často polyvinylchlorid (např. HOSTALIT, VINNOLIT, NERALIT, TEFANYL, MIXVIL) a polyamidy jsou zakončeny zpravidla příponou –amid (SPOLAMID, ULTRAMID, SILAMID, BERGAMID, BADAMID). Volba obchodního názvu polymeru není nijak podřízena žádné názvoslovné normě, bývá pouze předmětem ochranné známky. Obchodním názvem je tedy označován polymer určitého chemického složení, který však lze vyrobit v mnoha různých variantách, lišících se mezi sebou strukturou, vlastnostmi, zpracovatelností, aditivy i oborem použití. Z tohoto hlediska je obchodní název doplněn kódem, který sestává z písmen a číslic, tak aby se poznaly alespoň základní charakteristiky a použitelnost toho kterého polymeru. Kódy se však mezi jednotlivými výrobci, ale také mezi různými polymery téhož výrobce, liší. Jeden z mnoha příkladů je ukázán na obr. 33, kde první písmeno značí aplikaci polymeru, druhé písmeno jeho hlavní stabilizaci, první číslice označuje rozsah tekutosti polymeru prostřednictvím hodnoty indexu toku taveniny (této fyzikální vlastnosti je později věnována samostatná kapitola) a druhá číslice značí typ polymeru (homopolymer, kopolymer), viz tab. 3.

Obr. 33: Příklad obchodního značení polyethylenu LITEN (fa. Unipetrol RPA)


Tab. 3: Identifikace kódu obchodního označení polyethylenu LITEN

V případě termoplastických elastomerů představuje kód v obchodním označení velmi často tvrdost materiálu ve stupnici Shore A nebo Shore D (BERGAFLEX BFI 55A-3101, BADAFLEX 60D-1160 apod.).

Kontrolní test III.