Lubomír Zeman: Thermoplastic injection molding technology and weight reduction of injection moldings, part 1
ÚVOD
V současné době je jedním z nejdiskutovanějších světových témat v automobilovém průmyslu,zjednodušeně řečeno,„souboj“ zastánců automobilů se spalovacími motory – ICEV , Internal Combusion Engine Vehicle, Vozidla s motorem s vnitřním spalováním - a zastánců automobilů s plně elektrickým pohonem,poháněné pouze energií z baterie – BEV , Battery Electric Vehicle, Bateriová elektrická vozidla – případně hybridní elektromobily poháněné nejen elektrickou energií,ale i spalovacím motorem bez možnosti dobíjení z elektrické sítě – HEV, Hybrid Electric Vehicle, Hybridní elektrické vozidlo nebo Plug-in Hybrid Electric Vehicle – PHEV,kombinece vlastnosti elektromobilu a spalovacího motoru s možností dobíjení z elektrické zásuvky pomocí kabelu. .
Oba tábory se tváří vzájemně velmi nesmiřitelně, ale z vnějšího pohledu mají jedno společné – snahu o snižování emisí, látek znečišťujících ovzduší,snahu o snižování uhlíkové stopy (uhlíková stopa je měřítkem dopadu lidské činnosti na životní prostředí a na klimatické změny. Uhlíková stopa se zaměřuje na množství skleníkových plynů, které produkujeme naším každodenním životem, například spalováním fosilních paliv pro výrobu elektřiny nebo tepla, dopravou atd. Vyjadřuje se v ekvivalentech oxidu uhličitého /CO2/, udává se v hmotnostních jednotkách – kilogramech a tunách. Zjednodušeně - uhlíková stopa je množství oxidu uhličitého a ostatních skleníkových plynů, uvolněné během životního cyklu produktu, který používáme – uvolnění emisí z činnosti produktu,například jízda automobilem - přímá stopa a nepřímá stopa z používání,včetně jeho výroby a podobně.), včetně udržitelného rozvoje (Sustainable Development – je to takový rozvoj, který současným i budoucím generacím zachovává možnost uspokojovat jejich základní životní potřeby a přitom nesnižuje rozmanitost přírody a zachovává přirozené funkce ekosystémů - způsob rozvoje lidské společnosti, který uvádí do souladu hospodářský a společenský pokrok s plnohodnotným zachováním životního prostředí).
Jedním ze společných jmenovatelů pro výše uvedené snahy je snižování hmotnosti produktů vstupujících do životního cyklu – Produkt Life Cycle. Pojem „životní cyklus produktu“ se používá ve dvou významech:
- život produktu od těžby surovin, přes jeho výrobu a používání až po jeho odstranění jako odpadu – v tomto významu se používá v souvislosti s vlivy na životní prostředí a posuzování životního cyklu (LCA – Life Cycle Assessement)
- život produktu od fáze uvedení produktu na trh až po jeho stažení z trhu
Pro náš text se budu držet prvního významu – materiál, výroba, nakládání s odpadem.
Donedávna se dekarbonizace (pojem dekarbonizace zahrnuje omezování a snížení produkce uhlíkové stopy a ekvivalentů CO2 z chodu společnosti. Tedy množství emisí skleníkových plynů uvolňovaných do atmosféry, a to s cílem dosáhnout udržitelnějšího rozvoje, využit obnovitelné zdroje energie, dosáhnout větší udržitelnost v dodavatelském řetězci) automobilového průmyslu soustředila především na snížení provozních nebo-li výfukových emisí ze spotřeby energie nebo paliv. V současnosti tvoří provozní emise více než 80 % životního cyklu vozů ICE (Internal Combustion Engine, spalovací motory jak benzinové zážehové tak i dieselové vznětové) a přibližně 60 % v případě BEV (bateriový pohon) se současným energetickým mixem. Je zde důvodný předpoklad, že se tento poměr bude postupně měnit. Rozšíření elektrifikace silniční dopravy poháněné stále větším množstvím energie z obnovitelných zdrojů v dlouhodobém horizontu eliminuje emise z výfukových plynů (zůstanou emise z brzd,z otěru pneumatik,apod.) a v důsledku toho budou emise obsažené ve fázi výroby (zabudované emise) tvořit stále dominantnější podíl. U BEV s elektřinou z obnovitelných zdrojů mohou v budoucnu zabudované emise tvořit až 90 % emisí životního cyklu vozidel.
Hmotnost je jedním z hlavních ukazatelů,který z velké části určuje míru dopadu konkrétního automobilu na životní prostředí. Podle evropské asociace zpracovatelů plastů Plastics Europe (www.plasticseurope.org) se sníží uhlíková stopa, kterou osobní automobil zanechá za dobu své provozní životnosti, o 20 kilogramů oxidu uhličitého, pokud dojde ke snížení jeho hmotnosti o pouhý jeden kilogram. Zde se uplatňuje jedna ze základních výhod plastových dílů − jejich hmotnost je až o polovinu menší než obdobné komponenty z jiných materiálů, a tak jejich použití snižuje spotřebu paliva o 25 % až 35 %. Zmenšení hmotnosti může také v mnoha případech vést ke snížení pracnosti výroby (například zmenšení tloušťky stěny výstřiku může zkrátit jeho výrobní dobu) a díky tomu i ke snížení ceny dílu. Jedním z klíčových pojmů ve světě vývoje a výroby osobních automobilů je tedy "lightweight" − úspora hmotnosti. Pod tento pojem ovšem nespadá pouze nahrazování kovu plastem. Jde také o inteligentní konstrukční přístupy a design, který pracuje jen s takovým množstvím materiálu, aby byla zaručena správná a bezpečná funkce výrobku.
Bez aplikace plastů si již náš život nedokážeme představit. Podle odhadu výše zmíněné evropské asociace Plastics Europe dosahovala v roce 2022 celková spotřeba plastů v Evropě téměř 60 milionů tun. Mezi nejvýznamnější sektory ve spotřebě plastů patří obalový průmysl (téměř 40 %), stavebnictví (téměř 20 %), automobilový průmysl (téměř 9 %), následuje elektrotechnický průmysl a zemědělství. Z dalších sektorů významných pro uplatnění plastů a zvýšení jejich spotřeby je možno uvést zdravotnictví, kde bude v souvislosti se stárnutím populace docházet k rozvoji speciálních zdravotnických pomůcek a materiálů s využitím materiálů na bázi polymerních matric.
Přestože trend stárnutí populace bude patrný ve všech regionech světa, nejrychleji se tento trend projeví v Evropě, Asii a Latinské Americe. Například v Asii je nyní na jednu osobu v postproduktivním věku v průměru devět lidí v produktivním věku. Do roku 2050 se tento podíl sníží na čtyři lidi v produktivním věku. V Evropě lze očekávat obzvláště významný pokles obyvatelstva v produktivním věku, což se odrazí v poklesu lidí v produktivním věku na jednu osobu v postproduktivním věku ze současných čtyř na dvě.
Kromě obalového a stavebního průmyslu, kde se ze zpracovatelských technologií plastů nejvíce využívají technologie vytlačování,vyfukování a tvarování za tepla a vakua, je v ostatních sektorech obvykle prioritní technologie vstřikování. Podívejme se tedy, jak na tom, z pohledu úspory hmotnosti, technologie vstřikování termoplastů v reálném světě je.
PŘEDPOKLADY PRO SNIŽOVÁNÍ HMOTNOSTI – MATERIÁLY PRO VSTŘIKOVÁNÍ TERMOPLASTŮ
Základem pro snižování hmotnosti technologií vstřikování vyráběný díl je v první řadě vlastní vstřikovaný materiál. Jak již bylo zmíněno,oproti dříve běžně používaným konstrukčním materiálům,například jako je ocel s měrnou objemovou hmotností 7,85 g.cm-3,neželezné kovy (hliník 2,7 g.cm-3,měď 8,9 g.cm-3), slitiny neželezných kovů (dural 2,8 g.cm-3, mosaz - průměr 8,8 g.cm-3,bronz - průměr 8,4 g.cm-3), atd., mají plasty výhodu v nižší měrné hmotnosti (pro porovnání – lépe je na tom,z konstrukčních materiálů,pouze dřevo,které má objemovou hmotnost v suchém stavu od 0,270 g.cm-3 – smrk, přes 0,313 g.cm-3 – borovice, do 0,405 g.cm-3,dub) a to obvykle v celé šíři svého portfolia vhodného pro vstřikování – amorfní materiály - PC, PMMA, PS, HIPS, PVC, ABS, PC/ABS, SAN, ASA, PPO, CA, PPS, PEI, PES, PSU, PAI, částečně krystalické materiály - LDPE, HDPE, PP, PA, POM, PET, PBT, PFA, LCP, PEEK, PEK, kompozity s termoplastickou matricí s plnivem částicovým (M),vyztužujícím (GF, CF), s nanoplnivy,s plnivy biologického původu,atd., speciální typy termoplastů – tepelně vodivé, elektricky vodivé,magnetické, kapalné krystaly (LCD),bioplasty – biodegradovatelné z fosilních surovin, biodegradovatelné z obnovitelných surovin, biologicky rozložitelné a kompostovatelné, nebiodegradovatelné z obnovitelných surovin, bio odvozené směsi kombinující inženýrské termoplasty s bioplasty, směsi (blendy), termoplastické elastomery (TPE): TPE – O polyolefinové typy, TPE – S styrenové typy, TPE – U polyuretanové typy, TPE – E kopolyesterové typy, TPE – A polyetherblokaramidové typy, EVA ethylenvinylacetát.
Plasty, jako materiály vhodné pro zpracování technologií vstřikování, mají široké rozpětí objemové hmotnosti (od cca 0,9 g.cm-3 do cca 2,2 g.cm-3,platí pro materiály bez plniva), což výrazně napomáhá – viz údaje výše - snižovat hmotnost výstřiků a konstrukčních skupin v nichž výstřiky z termoplastů tvoří jejich nedílnou součást. Příklad z obalového průmyslu – skleněná (měrná hmotnost skla – cca 2,5 g.cm-3) půllitrová lahev na pivo má hmotnost cca 330 g/ks, jedenapůllitrová láhev z polyethylentereftalátu (PET ,měrná hmotnost 1,38 g.cm-3) váží jen cca 38 g/ks, rozdíl v hmotnosti lahví je 88,5 %, nemluvě o objemu náplně, které je v PETu 3 x více.
Termoplasty dále mají vysokou variabilitu (proměnlivost) vlastností, velmi dobrý poměr hmotnosti ku mechanickým vlastnostem (pružnost, pevnost), jsou houževnaté za nízkých teplot, mají výborné izolační vlastnosti (jsou tepelnými, zvukovými i elektrickými izolanty), ale mohou také dobře vést teplo, jsou i elektricky vodivé,mohou být magnetické, jsou odolné vodě,korozi,chemickým vlivům, odolávají biologickým činidlům (bakterie,plísně,houby,hmyz), jsou hygienicky nezávadné, ve tvaru potrubí mají malou hydraulickou drsnost, jsou odolné proti zarůstání – inkrustaci, umožňují použití velmi široké palety zpracovatelských technologií,jsou snadno barvitelné,lze je velmi dobře dekorovat – od zrcadlového lesku až po různé typy desénů a textur, jsou recyklovatelné, jsou relativně levné, atd.
Pokud jsem uvedl výčet kladných vlastností, musím uvést, že také mají i vlastnosti omezující jejich použití. Dá se říci, že nejvíce diskutovaným je jejich vliv na ekologii, respektive environmentální (týkající se životního prostředí) vlastnosti plastů. Plasty jsou za normálních podmínek velmi stabilní, podléhají velmi pomalému samovolnému rozkladu, jsou problematicky likvidovatelné. Plasty mají obvykle nízkou tepelnou odolnost, jejich vlastnosti jsou výrazně závislé na teplotě jejich použití a na době působení zatížení, vlastnosti, zejména kompozitů s vyztužujícími plnivy jsou anizotropní (anizotropie = vlastnost,kterou se určuje závislost dané veličiny na volbě směru,tj. ve směru toku polymerní taveniny mají jiné vlastnosti než ve směru na tok kolmém), jejich teplotní roztažnost je o jeden řád (cca 10 x) větší než u kovových materiálů, některé plasty jsou navlhavé a nasákavé, jsou částečně hořlavé, z některých se mohou uvolňovat zdravotně závadné monomery a rozkládající se aditiva, vykazují povětrnostní a fyzikální stárnutí, podléhají korozi za napětí, jsou vrubově citlivé, propustné pro nízkomolekulární látky, bobtnají nebo se i rozpouštějí v selektivních rozpouštědlech (selektivní rozpouštědlo = médium, které je rozpouštědlem alespoň pro jednu složku ze směsi polymerů), na závadu může být vznik statické elektřiny, atd. Výstřiky z termoplastů obsahují nezanedbatelné vnitřní pnutí, které může v mnoha aplikacích vést až k jejich destrukci.
Mnohé uvedené nevýhody „čistých“ polymerních materiálů se dají zmenšit nebo i eliminovat, odstranit při jejich výrobě vhodnou aditivací, plnivy, přípravou směsí materiálů, chemickými modifikacemi, atd.
Dříve než se podíváme na současné materiálové možnosti snižování hmotnosti pokusím se nastínit cesta možného budoucího vývoje v dané oblasti výroby výstřiků se sníženou hmotností.
Dnešní průměrný osobní automobil obsahuje cca 120 kg (cca 15 % až 20 % jejich celkové hmotnosti) všech typů plastů zpracovaných různými technologickými postupy. Trend dalšího snižování hmotnosti bude pravděpodobně mít i zvýšenou intenzitu a to i při současném tlaku na odklon od automobilů se spalovacími motory k elektromobilům,u kterých pro dosažení, pro zákazníky rozumných dojezdových vzdáleností, jsou nutné baterie s vysokou kapacitou a tedy i vysokou hmotností, která ovlivňuje mimo dojezdu, například i možnost parkování v parkovacích domech stavěných podle starších předpisů, tj. s nižší nosností stavebních konstrukcí, vyvolává větší mechanické zatížení dílů auta, zvyšuje zatížení a opotřebení vozovek, vyvolává větší oděr pneumatik, zvyšuje opotřebení a oděr brzd, atd.
Kapacita baterie, která je v přímé úměře se specifickou energií akumulátoru a vyjadřuje poměr mezi energií a hmotností baterie, má přímý dopad na dojezd elektroautomobilu. Hmotnost vozidla je spolu s rychlostí jízdy, s počtem akcelerací, překonávání kopců a způsobem jízdy řidiče, včetně využívání elektrických spotřebičů namontovaných v automobilu pro zvýšení komfortu řidiče a jeho posádky (zejména klimatizace,která energii také odebírá z akumulátoru, rekuperace tepelné energie na pohon spotřebičů nedostačuje) je jedním z hlavních faktorů omezujících dojezd. Porovnání hmotností – SUV Hyundai KONA – v plně elektrickém provedení s baterií o kapacitě 42 kWh, teoretický dojezd 289 km má provozní hmotnost 1 610 kg, v naftovém provedení s motorem 1,6 l má, podle výbavy provozní hmotnost od 1 390 kg do 1 504 kg.
Přes uvedené požadavky na zvyšování kapacity baterií pro BEV automobily se zdá, že snaha výrobců BEV vyrábět elektroautomobily s co největším dojezdem – 1 000 km a více, což vedlo k vývoji a výrobě baterií o kapacitách 150 kWh a více, výrazně zvyšovalo hmotnost automobilu, ale výrobcům přinášelo větší zisk – narazila na nové požadavky zákazníků. Podle čínské firmy NIO, která vyvíjí a vyrábí BEV s výměnnými bateriemi a zároveň provozuje síť stanic na výměnu baterií,nabízí i baterie s kapacitou 150 kWh (v roce 2023 s takovou baterií ujel model NIO ET7 během 14 hodin přes 1 000 km) se, v závislosti na zákaznických požadavcích, nejvíce vyměňují baterie s kapacitou 75 kWh (cca 97 % uživatelů), přičemž dříve to bylo 100 kWh. Ukazuje to na fakt, že kapacita baterie a dojezd musí být v souladu se začleněním auta do příslušného segmentu a způsobu jeho využívání. Na městský hatchback jsou kladeny úplně jiné nároky než na rodinné SUV. A taky se pohybují v jiné cenové relaci. To všechno se musí správně nakombinovat, navíc s ohledem na dynamicky se vyvíjející priority a trendy na trhu. Přes možnou změnu v trendu – viz předešlý text – zůstává faktem zvýšená hmotnost automobilů s baterierovým pohonem.
V konstrukci automobilů je podle agentury ICIS (www.icis.com) nejvíce používaným polymerem polypropylen PP s 35 % podílem, následuje polyuretan PU s 19 %, polyamidy PA s 11 % a ABS s 8 %. Více jak polovina spotřebovaných plastů je aplikována v interiérových dílech automobilů, následují exteriérové díly, díly v motorovém prostoru a v elektronickém vybavení osobního automobilu.
Vývoj a užití nových plastů s vlastnostmi připravovanými na míru je důležitým stimulem rozvoje v řadě průmyslových odvětví. Je to cesta, jak zapojit do řetězce velkých výrobců komoditních plastů (komodita je zboží, které je na trhu obchodováno bez rozdílu v kvalitě,dodávky od různých výrobců jsou vzájemně zastupitelné) firmy zabývající se kompaundováním (z anglického compound – smíchat,směs).
Aditiva pro polymerní systémy představují pestrou škálu modifikací polymerů (změn, úprav), které jsou povětšinou směřovány ke zlepšení jejich vlastností z hlediska fyzikálního pohledu. Jedná se především o mechanické, uživatelské nebo zpracovatelské vlastnosti. Moderní aditiva jsou vyvíjena za účelem zvýšení stability soustavy v daném polymerním prostředí a současně za účelem získání nových, funkčních vlastností. V této souvislosti lze hovořit zejména o těchto oblastech aplikací: ochrana před UV zářením, fotoaktivní samočisticí úpravy (odstraňování znečištění z různých povrchů s využitím katalyzátorů, které přispívají k uskutečnění změny, aktivovaných slunečním zářením pro rozklad organických látek na neškodné složky), vodivé polymerní systémy a povrchové modifikace.
Bioplasty
Polymerní materiály využívané v současných konstrukcích jsou vyráběny zejména z fosilních přírodních látek – ropy, uhlí, zemního plynu, tj. látek,které jsou sice obsaženy v přírodě, ale jsou neobnovitelné, jsou v čase vyčerpatelné. Proto se hledají cesty jejich náhrady a jednou z cest je využití obnovitelných zdrojů,zdrojů na biologické bázi. Z odpadní biomasy (biomasa je souhrn látek tvořících těla všech organismů, jak rostlin, bakterií, sinic a hub, tak i živočichů) a jiných obnovitelných zdrojů lze termochemickými (tepelnými efekty při chemických reakcích a dějích) a enzymatickými postupy (enzym je jednoduchá či složená bílkovina s katalytickou aktivitou, enzymy určují povahu i rychlost chemických reakcí a řídí většinu biochemických procesů téměř všechny biochemické reakce jsou řízené enzymaticky, enzymy jsou speciální skupina katalyzátorů zvyšující pravděpodobnost uskutečnění reakce) připravovat látky – bioplasty a bio-aditiva, které jsou schopny substituovat, nahrazovat stávající suroviny z fosilních zdrojů.
Výraz bioplasty zahrnuje celou rodinu materiálů, které jsou buď založeny na biomateriálech, nebo jsou biodegradovatelné, nebo obojí.
Biobased nebo-li založené na biomateriálech znamená, že materiál nebo produkt je (plně nebo částečně) odvozen z biomasy (z rostlin). Biomasa používaná pro výrobu bioplastů pochází například z kukuřice, cukrové třtiny nebo celulózy (slovo má základ v latinském cellula = buňka, jedná se o lineární polymer rostlinného původu, nerozvětvený polysacharid, který je obsažen mimo jiné ve vláknině. Molekulární vzorec celulózy je C6H10O5).
Pojem biodegradovatelný popisuje chemický proces, během něhož mikroorganismy, které jsou běžné v životním prostředí, přemění materiály na přírodní látky jako je voda, oxid uhličitý a kompost (bez umělých přísad). Proces biodegradace závisí na podmínkách v nichž je biodegradovatelný plast uložen – teplota, tlak, mikroorganizmy, včetně konkrétního materiálu a jeho aplikaci.
Evropská organizace European Bioplastics Assotiation,www.en.european-bioplastics.org uvádí dvouosý model zahrnující všechny druhy termoplastů, včetně jejich možných kombinací – viz obrázek 1. Termoplasty jsou rozděleny do čtyř základních skupin – horizontální osa rozlišuje biodegradovatelnost a vertikální osa dělí materiály na odvozené z fosilních zdrojů, nejčastěji z petrochemických surovin nebo ze zdrojů obnovitelných.
Obrázek 1 : Klasifikace termoplastů podle European Bioplastics – čtyři základní skupiny :
- plasty, které nejsou biodegradovatelné a jsou vyrobeny z petrochemických surovin – tato kategorie zahrnuje klasické, tj. tradiční plasty (i když představují pouze jednu skupinu plastů, tvoří celkem více než 90 % celosvětové produkce plastů)
- biodegradovatelné plasty z obnovitelných zdrojů – plasty, které jsou vyrobeny z biomasy a jsou biodegradovatelné
- biodegradovatelné plasty z fosilních surovin – plasty, které jsou biodegradovatelné, ale jsou vyrobeny z fosilních zdrojů
- nebiodegradovatelné plasty z obnovitelných zdrojů – plasty vyrobené z biomasy, které ale nejsou schopny biodegradace
Poznámka – pozor: plasty vyrobené z fosilních, petrochemických surovin nejsou kompatibilní s biodegradovatelnými plasty nelze je spolu sbírat a recyklovat, je nutno je od sebe separovat a nakládat s nimi odděleně.
Bioplasty v roce 2021 představovaly méně než jedno procento z více než 367 milionů tun celosvětově vyrobených plastů,cca 2,41 milionu tun, z toho cca 0,118 milionu tun bioplastů bylo použito v automobilovém průmyslu a průmyslu dopravy,obalový průmysl jako největší uživatel výrobků z bioplastů jich spotřeboval 1,15 milionu tun,což bylo cca 48 % z celkového trhu z bioplasty v roce 2021 – viz Plastic Europe. V roce 2026 má být výroba bioplastů v množství cca 7,59 milionu tun a tento podíl by měl být větší než 2 % z celkového vyrobeného množství plastů, přičemž spotřebitelský primát bude opět držet obalový průmysl.
V souvislosti s uvedenými údaji o množství vyrobených bioplastů je možno si položit otázku – jsou, budou bioplasty výrazně přínosné pro naši budoucnost? Respektive Proč bioplasty propagované jako výrazné řešení problému plastů (odpad), zdaleka nesplnily svá slibná očekávání? Na úvod uvedu vyjádření pana Ramani Narayana, profesora na School of Packaging v Michiganu, USA, www.canr.msu.edu: „Koncept, že bychom to mohli použít a zahodit, přičemž nezáleží kam to hodíme, a ono to bezpečně zmizí, neexistuje“. V dalším textu si vyjádření profesora R. Narayana ozřejmíme na příkladu PET lahví.
Plastové obaly na jedno použití vyrobené z ropy, zpravidla z PETu, jsou druhem, ve kterém se celosvětově prodává většina nápojů a potravin. V mnoha ohledech jde o perfektní obal – pevný, lehký, všestranný, čirý a levný. Mimořádně dobře chrání produkty, udržuje je čerstvé a dokonce odolává kyselinám a tlaku nealkoholických nápojů sycených CO2, aniž by se během měsíců nebo let rozbil nebo stal propustným.
Konkurenční bioplast musí uvedené funkce replikovat, napodobit a PET z fosilních zdrojů nahradit, což se daří pouze u některých produktů. Dva nejběžněji používané bioplasty jsou PHA, polyhydroxyalkanoát, obecně vyrobený z cukrů, které se pěstují z řas, a PLA, kyselina polymléčná, která se vyrábí z cukru nacházejícího se v plodinách, jako je například kukuřice nebo cukrová třtina. Cena PLA představuje desetinu ceny PHA, a proto PLA se více používá, zejména například v obalovém průmyslu. PHA se nejčastěji používá jako povlak na vnitřní straně papírových kelímků a lékařských aplikací.
Ani jeden z těchto bioplastů se však široce nerozšířil, a to z jednoduchého důvodu - nevyrovnají se pevností a dalšími vlastnostmi tradičním plastům a navíc jsou dražší. Globální trh s plasty má hodnotu cca 1,2 bilionu dolarů (bilion = 1012 = 1 000 000 000 000) a bioplasty mají tržní podíl cca 9 miliard dolarů (miliarda = 109 = 1 000 000 000).
Oba uvedené bioplasty – PLA , PHA, mohou být mikroorganismy rozloženy a během relativně krátké doby se znovu stanou součástí přírodního světa, ale stane se to pouze tehdy, pokud je bioplast jako odpad sbírán a kompostován v kontrolovaných a regulovaných průmyslových kompostovacích zařízeních s vysokou teplotou, za určitého tlaku a za přítomnosti vhodných mikroorganizmů. Takových zařízení není mnoho, zvláště v rozvojových zemích, k nimž se v tomto slova smyslu můžeme řadit i my, kde je problém znečištění plasty nejvážnější. Pokud bioplasty skončí na skládkách, jak to mnozí dělají, bez dostatečného množství kyslíku k jejich rozkladu, mohou vydržet staletí a uvolňovat metan, silný skleníkový plyn. Pokud jsou vyhozeny do životního prostředí, představují hrozbu podobnou PET plastu. Bioplasty tedy mohou být falešným řešením, pokud jsou omezené možnosti, jak je sbírat a kompostovat. Určitým řešením je jejich energetické využití, přičemž environmentálním řešením je snížení množství obalů na jedno použití, které používáme.
Odborníci tvrdí, že výzvy spojené s masivním zaváděním bioplastů ukazují, jak těžké bude nahradit miliardy plastových lahví znečišťujících planetu. Dosavadní vývoj představuje malé krůčky ve srovnání s růstem poptávky po plastových obalech, zejména v rozvojovém světě, kde se ročně spotřebují miliardy lahví. Recyklace tradičních plastových lahví je obrovskou výzvou pro země s nízkými a středními příjmy, z nichž mnohé nemají prakticky žádné systémy recyklace. Až 95 % plastových odpadů, které jsou dopravovány řekami do světových oceánů, pochází z 10 řek v Asii a Africe. Obdobně to platí i o dalších segmentech průmyslu,které se bez výrobků z plastů neobejdou.
Termoplasty se sníženou hořlavostí
Výrazná pozornost se v souvislosti jak s trendy snižování hmotnosti osobních automobilů, tak i jejich bezpečnosti, zejména automobilů typu BEV, zaměřuje i na samozhášivost plastů používaných v konstrukci takových automobilů. Samozhášivost není u automobilů nový požadavek, ale při nasazení bateriových pohonů výrazně nabývá na důležitosti, zejména z pohledu požární bezpečnosti.
Nikdo zatím nebyl schopen vyřešit všechny faktory, které se vyskytují v průběhu spalování materiálů na polymerní bázi. Neexistuje ucelený model spalování u těchto materiálů, některé aspekty jsou jasné a další aspekty, zejména pokud jsou jejich účinky propojeny (jak je tomu u reálných požárů), umožňují pouze hrubé aproximace.
Obecně platí konstatování, že všechny polymery jsou za určitých podmínek hořlavé. Hořlavost polymerních materiálů jako organických látek, které jsou již ze své povahy více či méně hořlavé, je největší, když jejich makromolekuly sestávají pouze z atomů uhlíku a vodíku. Jejich hořlavost lze snížit aditivy, ale ani jejich působením k dokonalému odstranění hořlavosti nedojde. Pro názornost je možno uvést kompozitní materiály s polymerní matricí a vláknitými, vyztužujícími plnivy - za podmínek, které obvykle existují při požáru, skelná vlákna nehoří, a tedy nepřispívají ke spalování materiálu, ale zároveň přispívají ke zvýšení hmotnosti příslušného kompozitního materiálu. Také většina anorganických plniv nehoří, ale vstupují do procesu hoření a mohou mít vliv na spalovací proces.
Ostatní vláknité výztuže – uhlíková vlákna, aramidová vlákna,chemická (polymerní) vlákna, vlákna přírodní, živočišného původu, minerální, atd. – snižují měrnou hmotnost vstřikovacích kompozitů, budou, za podmínek požáru, hořet ale jejich příspěvky ke vzniku a průběhu hoření jsou obecně mnohem menší než u polymerních matric a obvykle nejsou výrazně brány v úvahu.
Polymery,které obsahují v makromolekule dostatečnou koncentraci retardujících prvků (retardace = opožďování,zvolňování,zpomalování), po oddálení plamene přestávají hořet, jsou samozhášivé (například polyvinylchlorid – PVC - a polytetrafluorethylen - PTFE).
Malou odolnost proti působení ohně mají polymery depolymerující (chemicky složité látky se rozkládají na jednoduché složky) na hořlavý monomer nebo, které se rozkládají na hořlavé zplodiny, například polyolefiny (PP), polystyren (PS), polymethylmetakrylát (PMMA), polyoxymethylen (POM), kaučuky atd.
K hoření polymeru dochází pouze na jeho povrchu a tedy rychlost hoření je závislá i na velikosti jeho hořícího povrchu, přičemž na povrchu vzniká zuhelnatělá vrstva, která polymer izoluje od plamene a tak rychlost hoření snižuje.
Přesto, že nejsou k dispozici objektivní hodnotící kritéria pro určení posloupnosti polymerů podle jejich odolnosti k působení ohně, je k dispozici řada metod hodnocení hořlavosti polymerních materiálů, v oboru vstřikování termoplastů se nejčastěji používá tzv. limitní kyslíkové číslo – LKČ (Limited Oxygen Index – LOI) a metodiky americké nezávislé bezpečnostní vědecké organizace s globálním dosahem Underwriters Laboratories, www.ul.org – UL 94 V (vertikální uspořádání zkoušky) a UL 94 HB (horizontální uspořádání zkoušky). Uvedené zkoušky pracují s otevřeným plamenem.
Limitní kyslíkové číslo – LOI = (O2 / ( O2 + N2 )). 100 /%/ - odpovídá minimální koncentraci kyslíku,v objemových procentech, ve směsi s dusíkem, při které polymer ještě hoří. Polymerní materiál je silně hořlavý, když jeho LOI je menší než 21 objemových %, pomalu hořící při LOI v rozmezí 21 % až 28 % a je samozhášivý má-li kyslíkové číslo větší než 28 objemových procent.
UL 94 je široce používaný test hořlavosti plastů,který měří, jak plastový díl hoří a jak dobře zabraňuje šíření plamenů. Testování hořlavosti UL 94 řadí plasty podle jejich schopnosti odvrátit vznícení, zůstat konzistentní (soudržný, neporušený) při vysokých teplotách a produkovat hořlavé plastové kapky.
Vzhledem k tomu, že skutečné podmínky požáru jsou nepředvídatelné, hořlavost UL 94, stejně jako LOI neodráží, jak bude materiál reagovat na oheň. Limitní kyslíkové číslo i normy UL 94 spíše určují, jak přijatelný nebo použitelný je konkrétní vstřikovací termoplastický materiál pro konkrétní účel s ohledem na jeho hořlavost.
Hodnocení hořlavosti UL 94 obsahuje šest kategorií hořlavosti, pro potřeby vstřikovacích granulátů, respektive k hodnocení vzorků z nich se využívají čtyři, seřazené od nejhořlavější HB, po nejméně hořlavou V-0 :
- HB – horizontální test hoření, kdy hoření ustane před vzdáleností od plamene 100 mm
- V-2 – vertikální, svislý test (umístění vzorku ve svislé poloze) - hoření se zastaví do 30 sekund, což umožní odkapávání, vznik kapek z vertikálního vzorku plastu
- V-1 -vertikální, svislý test (umístění vzorku ve svislé poloze) - hoření se zastaví do 30 sekund, což umožní odkapávání, vznik kapek z vertikálního vzorku plastu v místech mimo plameny
- V-0 -vertikální,svislý test (umístění vzorku ve svislé poloze) - hoření se zastaví do 10 sekund, což umožní odkapávání, vznik kapek z vertikálního vzorku plastu v místech mimo plameny
Hodnoty LOI pro vybrané polymerní materiály ukazuje tabulka 1, včetně přiřazení LOI k UL 94 V-0.
| Tabulka 1 : Hodnoty kyslíkového čísla vybraných polymerních materiálů |
Hořlavost polymerních materiálů závisí především na chemické struktuře polymeru a na některých fyzikálních činitelích ovlivňujících hoření, například množství kyslíku, velikosti povrchu (snadněji hoří vlákna a fólie než polymery ve formě výrobků s většími tloušťkami stěn – hodnoty UL 94 V se obvykle uvádějí včetně tloušťky hodnoceného vzorku 0,8 mm;1,6 mm;3,2 mm), apod. Důležitým faktorem ovlivňujícím rychlost rozkladu a hoření polymerů je jejich součinitel tepelné vodivosti, ty s vyšším součinitelem tepelné vodivosti jsou hůře zapálitelné.
Z uvedeného vyplývá, že při jejich zpracování technologií vstřikování prakticky nemůžeme, změnou procesních technologických parametrů, vyvolat jejich hoření a tedy snížit nebo zvýšit jejich odolnost proti hoření. Správně zvolené technologické parametry nemění složení makromolekul daného vstřikovaného materiálu, ani aditiv na ně navázaných nebo do nich vložených.
Nevhodnou změnou technologických parametrů vstřikování můžeme ovlivnit (spolu s konstrukcí vstřikovací formy – systém odvzdušnění tvarové dutiny formy) vznik Diesel efektu,tj. vznik lokálního místa se spáleným materiálem, ale při vzniku Diesel efektu se nejedná o plamen.
K tepelnému rozkladu, zejména aditiv v termoplastech, může dojít vlivem dlouhého setrvání polymerní taveniny na zpracovatelské teplotě v plastikační komoře vstřikovacího stroje nebo v horkém rozvodu vstřikovací formy. Ale zde se jedná o nepřímé ovlivnění hořlavosti,kdy se teplotně mohou rozkládat – ale nehořet – jednotlivé komponenty polymeru až jeho makromolekuly. Jedná se o postupný proces, který může začínat již při relativně nízkých teplotách (obvykle nad 100 °C). Tepelnou odolnost polymeru nelze definovat jednou hodnotou teploty,ale lze ji definovat dobou,po kterou může být polymer vystaven určité teplotě, aniž by došlo ke změně některé konkrétní vlastnosti, například pevnosti.
Obdobně můžeme teplotně materiál degradovat působením vysokého smykového namáhání, které je ovlivněno složením vstřikovaného materiálu,vstřikovacími parametry, zejména vstřikovací rychlostí a lokální teplotou v daném místě a průřezem tvarové dutiny (tvarová dutina při svém plnění polymerní taveninou v reálu představuje tokový kanál, kde jsou tvarové prvky, změny tlouštěk,apod., obecně hydraulické odpory, které mohou lokálně zvyšovat rychlost toku polymerní taveniny a tím zvyšovat tření a tedy i smykové namáhání) nebo vtokového rozvodu (nevhodně zvolené - malé – průřezy kanálů ve vztahu k objemu dopravované polymerní taveniny) v daném místě formy. Opět se, ale nejedná o hoření.
V úvodu této kapitoly padla zmínka o zpomalování, retardaci hoření, respektive o inhibičním účinku, potlačování, zabraňování hoření, spalování v důsledku tepla a plamene a chránění plastových součástí před vznícením, před zapálením. Retardéry (brzdy) hoření nebo samozhášející přísady jsou látky, které zvyšují tepelnou odolnost materiálů proti hoření a tím snižují nebo zmenšují hořlavost termoplastů, respektive ji zpomalují, kontrolují a popřípadě i uhasínají hoření. Jejich účinnost obvykle funguje až při vyšších koncentracích (5 % až 30% i více, až 80 %), je závislá na retardační schopnosti dané látky, a proto tyto mají vliv i na zpracovatelské (výdrž taveniny na teplotě, smykové namáhání při plastikaci, smykové namáhání při plnění tvarových dutin forem polymerní taveninou) a i na užitné vlastnosti (obvykle negativně ovlivňují mechanické vlastnosti polymerů). Svým případným rozkladem mohou ovlivnit i vzhled výstřiků. K retardaci přispívají i plniva anorganického původu.
Řada aditiv zpomalujících hoření zabraňuje pyrolýze, která může způsobovat požáry. Pyrolýza je proces, při kterém se molekuly polymeru rozkládají na molekuly uhlovodíků a hořlavé plyny, poté se spojují s kyslíkem za vzniku exotermických (vzniká teplo) chemických reakcí. Reaktivní přísady zpomalující hoření jsou vloženy do samotné molekuly polymeru, zatímco aktivní přísady jsou přimíchány do směsi k polymernímu materiálu. Oba druhy aditiv, retardérů hoření mohou potlačit vznícení v parním (plynném) a kondenzovaném (pevném) skupenství ohně.
Obecně je možno uvést, že jsou k dispozici tři druhy přísad zpomalujících hoření:
- radikální zhášení v plynné fázi - bromované zpomalovače hoření (BRF). BRF jsou organohalogenové sloučeniny, které podléhají tepelné degradaci před uvolněním chemikálií, které snižují oxidační reakce plamenů. BRF jsou levné a pracují s mnoha polymery, ale halogeny jsou považovány za toxické a proto tyto aditiva jsou v plastech zakázaná
- endotermická degradace - využívá minerální sloučeniny známé jako antacida (převzato z lékařského slovníku – sloučeniny snižující kyselost obsahu žaludku), jako jsou hydroxidy hliníku nebo hořčíku, jako retardéry hoření pro parní fázi ohně - přítomnost plynného kyslíku nebo látek kyslík uvolňujících a tím podporujících proces hoření. Tyto sloučeniny se rozkládají, když jsou vystaveny vysokému teplu, absorbují teplo vytvořené endotermickými reakcemi (energie ve formě tepla se spotřebovává). Tím se zastaví spalování, ochladí se materiál a zabrání se vzniku plamenů
- tepelné stínění (tvorba uhlíku) - fosforové zpomalovače hoření jsou nehalogenované sloučeniny, které při zahřívání tvoří kyselinu fosforečnou, která zuhelnatí pevnou látku a vytvoří silnou vrstvu uhlíku. Ta izoluje polymer a zpomaluje pyrolýzu, což má za následek ztížené uvolňování plynů, které by mohly podnítit požár. Fosforové přísady zpomalující hoření mohou být aktivní (schopné reagovat na vnější podněty) nebo reaktivní (schopnost chemické látky vstupovat do chemických reakcí).
Některé plasty jsou ze své podstaty odolné vůči teplu a mají vysoké body tání, což pomáhá zabránit jejich vzplanutí. Tyto plasty nevyžadují přísady zpomalující hoření, například amorfní polyetherimid (PEI, teplota tání 219 °C), polybenzimidazol (PBI, trvalá teplotní odolnost na vzduchu 343 °C), částečně krystalický polyetheretherketon (PEEK, teplota tání 371 °C), čístečně krystalický polyfenylensulfid (PPS, teplota stálého působení tepla až 240 °C), amorfní PVC (teplota tání od cca 160 °C do cca 210 C), PTFE (teplota tání 327 °C),apod.
Kromě řady výhod jako je například vhodnost pro celou řadu aditiv a zejména pro tvorbu kompozitů v nichž mají, jako například PPS, funkci polymerní matrice – s vyztužujícími plnivy (skleněné,uhlíkové vlákno), s částicovými minerálními plnivy, modifikované elastomery, s vysokou chemickou odolností, s vysokou teplotní odolností, odolností vůči plazivým proudům, tepelně i elektricky vodivé, s dobrými kluznými vlastnostmi, atd. – mají i určité méně vhodné vlastnosti, zejména poplatné své vysoké teplotě tání krystalického podílu (přes 280 °C) – vysoká energetická náročnost při vstřikování - teplota sušení 130 °C, doba sušení suchým vzduchem 3 až 4 hodiny, teplota taveniny 310 °C až 330 °C, teplota formy 130 °C až 150 °C.
S požadavkem na používání, zejména v konstrukci automobilů typu BEV úzce souvisí i požadavek na trvanlivé barevné provedení výstřiků (konektory,kryty a další díly) spojených s baterií (v širším pohledu nesmíme zapomínat ani na plastové díly v nabíjecích stanicích) - oranžové probarvení, které musí odpovídat normě pro označování elektrických vodičů a musí být odolné oproti vysokým zpracovatelským teplotám při vstřikování. V mnoha případech si konstruktéři vystačí s kompozity jejichž matrici tvoří jak homopolymery nebo kopolymery polypropylenu nebo polyamidové kompozity, v obou případech plněné minerálními, částicovými plnivy nebo skleněnými, vyztužujícími vlákny. Materiály mají odolnost proti ohni UL 94 V-0.
Konec první části.
-
Jiří Češka, Nástrojárna Příbram
Production of injection molds, cutting and stamping tools, CNC machining, electric discharge machining, laser welding.
Celebration of the 50th anniversary of WITTMANN GROUP’s founding
8.6.2026 On the occasion of the 50th anniversary of the founding of WITTMANN GROUP, Wittmann Battenfeld CZ spol. s r.o. held a customer event entitled “50 Years” at its headquarters on 28 May 2026. The event offered both a professional and social...
.gif "PlasticPortal books")
