19 Speciální termoplasty pro náročné aplikace
Stále rostoucí požadavky na vlastnosti polymerů vyvolaly v posledních dvou, třech desetiletích intenzivní rozvoj polymerních materiálů, které odolávají vysokému stupni mechanického, tepelného i korozního namáhání včetně různých druhů záření (tzv. high-tech polymerů). Ceny těchto materiálů jsou ve srovnání s polymery pro širší použití vysoké. V následujícím textu si pouze pro přehled představíme některé významné materiály z této oblasti.
Polyftalamid (PPA)
Tento typ semikrystalického plastu má teplotu zeskelnění a tání: Tg = 127 °C, Tm = 310 °C. Obě hodnoty jsou podstatně vyšší než mají běžné polyamidy PA-6 a PA-66 (viz tab. 4). Obdobně jako ostatní polyamidy má velmi dobré mechanické vlastnosti. Lépe ale odolává krípu, cyklickému a teplotnímu namáhání, má lepší chemickou odolnost. Je méně navlhavý než PA-66. Vzhledem k jeho vlastnostem a ceně představuje jakýsi kompromis mezi tradičními konstrukčními polymery a speciálními, ale drahými materiály.
Polysulfony (PSU)
Klíčovou vlastností těchto amorfních plastů je jejich tepelná i chemická stabilita a velmi dobré mechanické vlastnosti. Jsou samozhášivé. Tyto vlastnosti je předurčují např. pro automobilové aplikace, zejména v motorovém prostoru, letecký a elektrotechnický průmysl nebo lékařská zařízení a pomůcky, které je třeba sterilizovat za vyšších teplot (např. lahve odsávaček, viz obr. 109). Lze je využít také jako náhrady reaktoplastů, kovových, skleněných i keramických materiálů (zejména tam kde je předností jejich nízká hustota: 1,24 g/cm3). Teplota zeskelnění Tg se pohybuje v rozmezí (180 ÷ 250) °C a teploty dlouhodobého použití jsou mezi (150 ÷ 200) °C.
Obr. 109: Příklady aplikací polysulfonu (PSU)
Polyfenylensulfid (PPS)
Tento amorfní plast nabízí nejen výborné tepelné, mechanické a chemické vlastnosti, ale i velmi dobré tokové vlastnosti taveniny. Výborná tekutost taveniny umožňuje jeho snadnou zpracovatelnost a plnění skleněnými nebo uhlíkovými vlákny, které tekutost tavenin polymerů obecně snižují. Vyztužené typy mohou dosahovat dlouhodobé teploty, při použití až 240 °C. V praxi je používán na prestižní kompozitní díly se skleněnými a uhlíkovými vlákny (např. náběhová hrana křídla letadla).
Polyetheretherketon (PEEK)
Jedná se o semikrystalický plast s teplotou zeskelnění Tg = 145 °C a teplotou tání Tm = 335 °C, který dosahuje velmi dobré tvarové stálosti za zvýšených teplot. Kromě tepelné odolnosti má i velmi dobré mechanické a krípové vlastnosti, a to i za vyšších teplot (mez pevnosti a modul pružnosti je vyšší než u konstrukčních plastů PA, POM, PET). Pro další zvýšení mechanických vlastností je plněn uhlíkovými nebo skleněnými vlákny a nahrazuje ocel, hliník, titan, hořčík, mosaz nebo bronz (při výrazně nižší hustotě materiálu, viz obr. 110). Vyznačuje se velmi dobrými kluznými vlastnostmi, odolává hydrolýze (a to i ve vroucí vodě). Má vynikající chemickou odolnost, je samozhášivý, což je důležitá materiálová vlastnost především pro letecké aplikace. Používá se tedy v leteckém i automobilovém průmyslu a do popředí zájmu se dostává také v ortopedické a traumatologické praxi, neboť je to materiál, který se dobře snáší s živou tkání a je biologicky inertní.
Obr. 110: Aplikace konzoly z uhlíkového kompozitu PEEK v letadle (úspora hmotnosti)
Polyimidy (PI)
Klíčovou vlastností polyimidů je vysoká teplota skelného přechodu. Vyznačují se tedy vynikající teplotní odolností, dlouhodobě až do 260 °C pro polyimid (PI), resp. do 170 °C pro polyetherimid (PEI). Používají se především v elektronice, viz obr. 111, a další prostor pro jejich aplikace je otevírán novými projekty v letecké technice. Předpokládá se, že mohou nahradit korozivzdorné oceli, titanové slitiny nebo kompozitní materiály.
Obr. 111: Příklady aplikací polyimidu (PI), polyetherimidu (PEI) a polybenzimidazolu (PBI)
Polybenzimidazol (PBI)
Tento typ plastu má ze všech komerčně vyráběných polymerů největší teplotní odolnost s teplotou skelného přechodu Tg = 430 °C. Krátkodobě vydrží až do 760 °C, dlouhodobě ho lze využít téměř do teploty skelného přechodu. Kromě vysoké pevnosti a tvrdosti se vyznačuje velmi nízkým koeficientem tření a vysokou odolností proti opotřebení. Je však nasákavý a s množstvím absorbované vody se jeho vlastnosti rychle zhoršují. Vzhledem ke svým vlastnostem je určen pro velmi náročné tribologické aplikace. Lze jím nahrazovat kovy při relativně nízké hustotě (1,43 g/cm3). Používá se také pro výrobu vláken a z nich následně zhotovené ochranné oděvy, viz obr. 111.
Elektrovodivé polymery
Polymerní materiály jsou obecně elektrickými izolanty (vyplývá to z charakteru vazeb uvnitř makromolekuly). Badatelé ale objevili, že lze připravit i vodivé polymery. Jsou to takové materiály, u nichž se v makromolekule pravidelně střídá jednoduchá a dvojná vazba, tzv. konjugované vazby (–CH=CH–CH=). Příkladem takových polymerů je např. polyacetylen, polyfenylen, polyanilin nebo polypyrrol. Vskutku geniální nápad mít materiály elektricky vodivé, přitom několikanásobně lehčí než kovy a snadno zpracovatelné. Využití nacházejí v elektrotechnickém i strojírenském průmyslu (např. pro elektrovodivé povlaky plastových součástí, jako jsou ozubená kola, třecí elementy apod.).
Kapalně krystalické polymery (LCP)
Jsou to vysoce krystalické termoplasty. Od standardních semikrystalických plastů se liší svojí zvláštní molekulární strukturou v tavenině, která se sestává z rigidních (tuhých) tyčinkovitých makromolekul (s rostoucí tuhostí řetězce roste i teplota tání), jež jsou ve fázi taveniny uspořádané (na rozdíl od makromolekul běžných plastů) a vytvářejí struktury tekutých krystalů. Ochlazením taveniny se uskutečňuje její přechod do pevné fáze se zachováním kapalněkrystalického stavu (krystalický stav zvyšuje pevnost a tuhost materiálu). Lze je zpracovávat běžnými metodami, které se u termoplastů používají. Např. modifikované kapalně krystalické polyestery mají teplotu tání (280 ÷ 340) °C, mez pevnosti (140 ÷ 240) MPa a modul pružnosti v ohybu (10 ÷ 35) GPa. Díly se vyznačují výbornou rozměrovou stálostí za vysokých teplot (včetně tenkostěnných dílů). Materiál má vynikající elektrické vlastnosti, je chemicky inertní, odolává hydrolýze i plamenům. Používají se k výrobě vláken, v elektrotechnice jako tepelně odolný elektroizolační materiál nebo pro jiné součástky (např. podložky tištěných obvodů, pro zásuvky, kostry cívek, spínače, spojky a svorky optických kabelů, konektory apod., viz obr. 112), v lékařství nahrazují korozivzdornou ocel a jsou vhodné např. pro chirurgické nástroje, sterilní košíky ad.
Obr. 112: Příklady aplikací kapalně krystalických polymerů (LCP)