7 Navlhavost polymerů
Obsah kapitoly
Navlhavost je obecně schopnost látek přijímat vlhkost z okolního prostředí. Jedná se o dlouhodobý proces, který probíhá do té doby, než je dosaženo tzv. rovnovážného stavu, kdy vlhkost látky, potažmo polymeru, odpovídá relativní vlhkosti okolního prostředí. Nejedná se tedy o materiálovou konstantu. Doba, po kterou bude polymer navlhat, závisí především na jeho chemickém složení, relativní vlhkosti a teplotě okolí i tloušťce polymerního dílu, tak jak dokládá příklad na obr. 47 pro polyamid 6 (PA-6) obchodního označení Grilon BS/2.
Obr. 47: Navlhavost polymeru PA-6 Grilon BS/2 při standardní teplotě okolí
v závislosti na relativní vlhkosti (R.H.) a tloušťce dílu
Příčinou navlhavosti polymerů je především jejich chemická struktura a složení materiálu. Z chemického hlediska navlhají snáze ty polymery, které mají v řetězci makromolekuly přítomny atomy silně elektronegativních prvků (souvisí tedy s jejich polaritou), jedná se zejména o: kyslík -O, dusík -N, případně chlor -Cl a další atomy, které se vyznačují silnou elektronegativitou. Elektronegativitou je v chemii označována vlastnost atomu vyjadřující jeho schopnost přitahovat vazebné elektrony. Většina polymerních materiálů tedy více či méně navlhá. Patří sem např. polyoxymethylen (POM), polykarbonát (PC), polyamidy (PA), fenol-formaldehydové pryskyřice (PF), kaučuky a další. Nepolární povaha polymerů je příčinou velmi nízké navlhavosti (pod 0,1 hm. %) a mezi tyto tzv. nenavlhavé polymery vedle polytetrafluorethylenu (PTFE) patří pouze polyethylen (PE), polypropylen (PP) a polystyren (PS), jejichž makromolekuly jsou tvořeny výhradně atomy uhlíku a vodíku, které mají přibližně stejnou schopnost přitahovat vazebné elektrony. Navlhavost závisí také na množství a typu aditiv. Organická plniva na bázi přírodního materiálu (celulózy), např. bavlna, dřevitá moučka, kenafová vlákna, vlákna juty, kokosu apod., navlhavost polymeru zvyšují, naopak anorganická plniva, jako je např. mletý křemen, skleněná vlákna ad., ji budou snižovat.
Důsledkem navlhavosti polymerů je:
- pokles meze pevnosti a modulu pružnosti,
- zvýšení houževnatosti a tažnosti,
- zhoršení elektrických izolačních vlastností,
- zhoršení odolnosti materiálu vyšším teplotám,
- pokles pevnosti svarového spoje,
- zvětšení rozměrů výrobku apod.
Vlastnosti polymerů závisí tedy mimo doposud uvedených vlivů také na obsahu vlhkosti (viz příklad na obr. 48). Před zpracováním jsou polymery zbaveny absorbované vlhkosti (< 0,2 až 0,3 hm. %), neboť přítomnost vody se projevuje zhoršováním kvality výrobku (vznikají vlhkostní šmouhy nebo vzduchové bubliny), ale také poklesem mechanických vlastností v důsledku štěpení makromolekul vodou při zvýšené teplotě. Výrobky zkoušené bezprostředně po vyrobení mají vlastnosti, které odpovídají vlastnostem materiálu v suchém stavu. Během jejich užívání materiál přijímá vlhkost z okolního prostředí a tím např. snižuje svoji pevnost. Proto je vhodné pro hodnocení „skutečných“ vlastností dílů tyto kondicionovat. Kondicionací rozumíme proces, který směřuje k tomu, aby díl (vzorek) byl uveden do rovnovážného stavu ve vztahu k teplotě a vlhkosti okolí, při které je používán. Za běžných podmínek se např. navlhavé plasty kondicionují při standardním prostředí 23/50 (teplota 23 °C, relativní vlhkost okolí 50 %) po dobu min. 88 hodin (není-li uvedeno jinak). Některé polyamidy a výrobky o tloušťce > 2 mm vyžadují delší dobu kondicionace. Tu lze také urychlit v klimatizačních komorách za zvýšené teploty a relativní vlhkosti prostředí.
Obr. 48: Tahová křivka polymeru PA-66
Zpět na začátek
7.1 Stanovení vlhkosti
Obr. 49: Halogenový analyzátor
K měření vlhkosti polymeru lze přistoupit několika způsoby. Jedním z nich je analytická titrační metoda podle K. Fischera. Tato metoda je sice velmi přesná, ale zdlouhavá. V technické praxi se uplatňují jiné metody:
- Stanovení vlhkosti pomocí halogenového analyzátoru (viz obr. 49). Metoda pracuje na termogravimetrickém principu, kdy vlhkost materiálu je stanovena na základě úbytku hmotnosti při jeho zahřívání. Nepřesnost této metody spočívá v tom, že při ohřevu polymeru (například PA-6, který obsahuje zbytky monomeru) se z něho mohou uvolňovat i některé nízkomolekulární látky, které metoda zahrnuje do vyhodnocení spolu s obsahem vody. Výhodou halogenového analyzátoru je rychlost zahřívání, neboť halogenový modul potřebuje kratší dobu pro dosažení maximálního topného výkonu než např. infračervený modul.
- Stanovení vlhkosti pomocí sondy s vyhodnocovacím přístrojem na principu měření rovnovážné vlhkosti. Zařízením se měří vlhkost nasycených par mezi granulemi v sušárně. Přístroj měří v % relativní vlhkosti, a pokud chceme znát skutečnou vlhkost v % obsahu vody polymeru, je nutné do vyhodnocovacího přístroje zadat příslušnou sorpční křivku pro daný materiál. Nevýhodou této orientační (nepřesné) metody je potřeba znalosti sorpčních křivek polymerů, které jsou pro přesné vyhodnocení vázány na příslušné složení materiálu.
- Stanovení vlhkosti pomocí zařízení AQUATRAC (viz obr. 50, manometrická metoda).
Jedná se o nejpřesnější komerčně nabízené řešení stanovení vlhkosti polymerů, jehož princip spočívá ve vyhodnocení změny tlaku vodíku, který vzniká reakcí vody, vypařené za vakua ze zahřátého polymeru, s činidlem, kterým je hydrid vápenatý (CaH2) - reakce: CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2. Při vypařování vody z polymeru se v důsledku reakce s činidlem zvyšuje tlak a jeho změna je přímo úměrná uvolněnému množství vody. Průběh reakce je urychlen současným působením vakua. Měření probíhá za vyloučení všech rušivých vlivů, jako je např. vlhkost vzduchu. Metoda zajišťuje měření pouze skutečné vlhkosti v měřeném materiálu a přesnost výsledků je srovnatelná s metodou podle K. Fischera.
Obr. 50: Zařízení AQUATRAC ®3E - Zda je materiál dostatečně vysušený lze v praxi orientačně zjistit metodikou TVI (Tomasetti´s Volatile Indicator) firmy Bayer. Při testu se porovnávají obrazce vzniklé roztavením polymeru uzavřeného mezi dvě laboratorní sklíčka, která jsou umístěna na topné desce (viz obr. 51).
Video: Halogenový analyzátor vlhkosti
Obr. 51: Postup ověření materiálu zbaveného vlhkosti metodikou TVI firmy Bayer
a) roztavení granulí; b) přítlak laboratorních sklíček pomocí pravítka; c) ochlazení a vyhodnocení
Zpět na začátek