PVC plasty a slitiny s tvarovou pamětí: Vlastnosti, aplikace a budoucnost

Tento článek se zaměřuje na dva fascinující materiály, které hrají klíčovou roli v moderním průmyslu a technologiích: Polyvinylchlorid (PVC) a slitiny s tvarovou pamětí (NiTi). Prozkoumáme jejich jedinečné vlastnosti, způsoby zpracování, rozmanité aplikace a budoucí výzvy.

Polyvinylchlorid (PVC): Všestranný plast s mnoha tvářemi

Polyvinylchlorid, běžně známý jako PVC nebo novodur, je jedním z nejrozšířenějších polymerů na světě a nejstarší plastickou hmotou. Jako termoplast je snadno zpracovatelný a v různých formách nabízí širokou škálu vlastností - od vysoké mechanické pevnosti až po výbornou chemickou odolnost.

Charakteristika a typy PVC

PVC je produktem polymerizace vinylchloridu. Existuje mnoho různých druhů PVC, které jsou rozeznatelné podle jejich měrné hmotnosti a způsobu výroby. V zásadě se PVC plast vyrábí ve dvou hlavních variantách:

• Rigidní PVC (PVC-U): Je základní a nejběžnější forma PVC plastu. Je tuhá, houževnatá a má vynikající odolnost vůči vlhkosti a zálivům. V chladu tvrdne, čímž je při nízkých teplotách mechanická odolnost posílena, zatímco odolnost rázům je snížena. Odolává kyselinám, zásadám a všem běžným dezinfekčním roztokům, stejně jako alifatickým uhlovodíkům.
• Plastifikovaný PVC (PVC-P): Je flexibilní forma PVC plastu, která dosahuje požadované pružnosti a tvarové stálosti díky plastifikátorům.

Kromě toho se objevují i pokročilé kompozity, které kombinují PVC s minerály, skleněnými vlákny nebo recyklovanými plnivy pro optimalizaci mechanických vlastností a snižování hmotnosti.

Zvláštní zmínku si zaslouží PVC-C, což je chemicky stabilizovaná forma PVC plastu s dalšími doplňky pro zvýšení odolnosti vůči teplotě a chemikáliím.

Zpracování a přísady

Nejčastějšími způsoby zpracování PVC plastu jsou extruze, vstřikování a kalandrování. Při extruzi se roztavený PVC plast vyhání skrz trubici nebo formu a poté se vytvaruje do profilů, trubek či fólií. Vstřikování umožňuje přesné tváření složitějších dílů. Kalandrování slouží k výrobě tenkých fólií a síťovaných produktů.

Bez stabilizátorů by PVC plast při expozici světla a teplotě degradoval. Běžné stabilizátory zahrnují vápeno-zinkové či kalciové systémy a organotinové stabilizátory. Pro některé aplikace se používají i UV stabilizátory a antioxidační aditiva. Dále se do PVC plastu vkládají plniva, barviva, výplně a zlepšovače třídění a recyklace.

Hlavní přednosti a aplikace PVC

Hlavní výhody PVC plastu zahrnují nízkou pořizovací cenu, odolnost vůči vlhkosti a některým chemikáliím, dobrou elektrickou izolaci a relativně nízkou hmotnost. Velmi dobře se obrábí a navíc se velmi dobře svařuje. V teple měkne, čímž je tepelně tvárný a to opakovaně, teplota tvarování je od 120-140 °C.

V stavebnictví hraje PVC plast klíčovou roli. Používá se pro okna a dveře v podobě profilů, které zajišťují energetickou účinnost a dlouhodobou stabilitu. Dále slouží jako materiál pro vodovodní a kanalizační potrubí, fasádní systémy, venkovní obkládky a izolační vrstvy stěn.

V automobilovém průmyslu a průmyslových strojích hraje PVC plast roli lehkého a odolného materiálu pro kabelové trasy a palivové potrubí. V souladu s normami je PVC plast používán v některých zdravotnických prostředích pro tuby, obaly a jednorázové zdravotnické produkty. U potravinářských aplikací jsou nutná speciální opatření pro stabilizaci a bezolovnaté zpracování.

Jemná žebrová rohož z PVC má na jedné straně protiskluzový žebrovaný povrch a na zadní straně jemný vzor otisků tkanin. Ideálně se hodí pro volné pokládky podlah, chodníků, běžců, nakládacích ploch, pracovních lavic a ploch pro všeobecné použití. Řeší nebezpečí uklouznutí rychle kolem a kolem zástěry, rampy a další. Pryžové gumy působí jako škrabka, která zachycuje nečistoty a současně zajišťuje přilnavost.

Environmentální aspekty a budoucnost PVC

V rámci environmentální odpovědnosti je důležité zvažovat celý životní cyklus PVC plastu. PVC plast lze recyklovat mechanicky i chemicky (pyrolýzou nebo depolymerizací). Recyklovaný PVC plast nachází uplatnění ve vytváření nových profilů, fólií a dalších výrobků.

Budoucnost PVC plastu spočívá v dalším vylepšování stabilizace a v rozvoji recyklačních technik. Nové chemické stabilizátory a organické materiály umožňují delší životnost, snížení emisí a zlepšení bezpečnosti. PVC plast bude nadále hrát klíčovou roli v udržitelném stavebnictví díky své odolnosti, nízké hmotnosti a snadnému recyklovatelnému charakteru.

Slitiny s tvarovou pamětí: Materiály budoucnosti

Slitiny s tvarovou pamětí (SMA), především ty na bázi niklu a titanu (NiTi), jsou známé svými superelastickými a paměťovými funkčními vlastnostmi. Tyto vlastnosti vyplývají z martenzitické fázové transformace vyvolané změnou teploty či napětí.

Princip tvarové paměti a superelasticity

Tvarová paměť je specifická termodynamická charakteristika. Chladný vzorek materiálu je zdeformován tak, že podstatně změní svůj tvar. Po zahřátí nad určitou charakteristickou teplotu si však vzorek „vzpomene“ na svůj původní tvar a samovolně se do něj navrátí. Při mechanickém namáhání navíc vykazují takové materiály i další atraktivní vlastnosti jako jsou superelasticita a pseudoplasticita.

V závislosti na teplotě může materiál existovat v několika formách vnitřního uspořádání. Forma, kterou má materiál při nižší teplotě, se nazývá martenzit, při vyšší austenit.

Jev tvarové paměti sám o sobě moc aplikací nenalezl. To, co našlo aplikace, je tzv. superelasticita, tedy že drátek můžete vzít a když má 10 centimetrů, tak ho o centimetr protáhnete, a on se zase zpátky vrátí, čili vratná deformace u kovu 10 %.

Vlastnost implantátu ze slitiny nikl-titan je ta, že když se po zavedení katetrem na místo určení ze zavaděče vysune, tak se vrátí zpátky do svého původního tvaru, a to je superelasticita, tedy návrat po odtížení do původního tvaru.

Historie a objev Nitinolu

Tvarová paměť byla poprvé sledována u mosazi v roce 1939. Od 60. let zájem o tuto oblast stoupá. V roce 1962 byla zkoumána ekviatomární slitina Ni a Ti, u níž byla objevena mimořádně výrazná tvarová paměť. K tomuto objevu dospěl William J. Buehler z Naval Ordnance Laboratory ve White Oak v Marylandu, USA. Podle složení a místa vzniku se tato slitina nazývá Nitinol.

Charakteristika a vlastnosti Nitinolu

Nitinol má díky své biokompatibilitě a mimořádným fyzikálním vlastnostem výhradní postavení zejména v medicíně. Vlastnosti slitiny niklu a titanu velice závisí na přesném složení v rámci desetin procenta.

Nitinol ve formě martenzitu vykazuje tzv. cik-cak strukturu, která je tvořená vazebnými páry mezi atomy v různých variantách. Přechodová teplota Nitinolu se pohybuje v rozsahu -100 až 100 °C podle poměru Ni a Ti a příměsí, proto lze v medicíně nastavit přechodovou teplotu na teplotu těla či mírně vyšší.

Typy deformačních procesů:

• Jednocestný proces (pružná deformace): Vratná deformace dosahuje víc než 8 %.
• Dvoucestný proces: Vratná deformace je jen 1 %, ale počet cyklů je prakticky neomezen bez následku mechanického poškození či fyzikálních změn.

Superelasticita je vykazována při mechanickém zatěžování a odlehčování za teploty vyšší, než je teplota pro vyvolání tvarové paměti. Materiál za těchto podmínek vykazuje klasické elastické vlastnosti, ale s výraznou hysterezí. Toto je dáno růstem přechodové teploty s mírou namáhání materiálu.

Vysokoteplotní slitiny s tvarovou pamětí (HTSMA) a transformačně indukovaná plasticita (TRIP)

V minulých 10 letech se podařilo vyvinout ternární vysokoteplotní paměťové slitiny (HTSMA) pro aktuátory do vyšších teplot. Pomocí legování slitin NiTi třetími prvky dochází ke zvýšení transformačních teplot a pevnosti. NASA například zkoumá slitiny NiTiHf, ve kterých probíhá martenzitická transformace až kolem 300 °C, pro technické aplikace v letectví.

Nicméně problémy s transformačně indukovanou plasticitou se projevují i u těchto slitin, pouze jsou posunuty k vyšším teplotám. Jak výsledky experimentů, tak teoretické analýzy dlouhodobě naznačovaly, že v případě vysokoteplotní deformace NiTi se pravděpodobně nejedná o prostý souběh martenzitické transformace a dislokační plasticity ale o specifický deformační mechanismus, v některých rysech podobný deformačním procesům v TRIP ocelích (Transformation Induced Plasticity).

Výsledky systematických experimentů na tenkých NiTi drátech jasně prokázaly, že k nevratné plastické deformaci dochází pouze v případech, kdy martenzitická fázová transformace probíhá pod vnějším mechanickým zatížením, a že její velikost roste s rostoucí teplotou a napětím. Probíhá-li transformace při teplotách do 100 °C, vede tento mechanismus pouze k drobným mikrostrukturním změnám generovaným pokaždé, když martenzitická transformace, jak dopředná tak zpětná, probíhá pod vnějším napětím. Klíčovou roli hraje kompatibilita deformace na pohyblivých fázových rozhraních a hranicích zrn. V průběhu cyklického zatěžování potom dochází k akumulaci drobných mikrostrukturních poškození ve formě plastické deformace, mřížkových poruch a vnitřních napětí, což v důsledku vede k předčasnému únavovému porušení drátu.

Pokud martenzitická transformace probíhá při teplotách nad 100 °C, dochází navíc při termomechanickém namáhání slitiny NiTi k zvláštní sekvenční transformaci austenit => martenzit => zdvojčaťělý austenit (B2=>B19´=>B2T). Deformačně indukovaný martenzit, teoreticky termodynamicky stabilní i při vysokých teplotách a napětích, jímž je vystaven, mizí do austenitu nejen konvenčně při odtížení ale překvapivě i při dalším zatěžování nebo ohřevu prostřednictvím zpětné transformace B19´=>B2T provázané s plastickou deformací. Důsledkem je postupná ztráta funkčního termomechanického chování slitiny NiTi s rostoucí teplotou.

TRIPu podobný deformační mechanismus založený na sekvenční transformaci byl implementován do již dříve vyvinutého termomechanického modelu slitiny NiTi. Upravený model umožňuje, vedle simulace termomechanického chování při teplotách do 100 °C, predikovat míru zapojení transformačně indukované plasticity a její vliv na termomechanické chování slitin NiTi při zvýšených teplotách v závislosti na podmínkách namáhání a materiálových parametrech. Z praktických důvodů je důležité, že slitinu NiTi lze prostřednictvím tohoto mechanismu tvářet při relativně nízkých teplotách do požadovaných tvarů při zachování funkčních vlastností (Low Temperature Shape Setting /LTSS/).

Aplikace Nitinolu v medicíně

Nitinol má rozsáhlé využití v medicíně díky své biokompatibilitě a unikátním vlastnostem.

• Ortodoncie: Nejrozšířenější a nejdelší historie. Nejčastěji je aplikován jako drátky pro rovnání špatného postavení zubů a zubních segmentů. Díky efektu pseudoelasticity a široké hysterezi je zaručeno, že ve velkém rozsahu vratných deformací dovede ortodontický drát vyvinout přibližně stejný tlak na korigovaný segment zubního oblouku. Není nutné drátky neustále znovu dopružovat.
• Endodontické nástroje: Určeny k ošetřování zubních kanálků.
• Ortopedie: Nejčastěji se setkáváme s tvarovou pamětí v konstrukcích osteosyntetických skobek. Skobky se v měkké martenzitické formě roztáhnou, aby mohly být nasazeny do předvrtaných otvorů v koncích frakturované kosti. Následným zvýšením teploty se samovolně stáhnou, čímž zafixují části zlomené kosti.
• Trvalé implantáty: Ve formě kroužků, které mohou být náhradou za poškozené meziobratlové ploténky.
• Chirurgie: K označení a lokalizaci nádorové tkáně v prsu se používají nitinolové drátky. Drátek zaujímá vlivem pseudoelasticity tvar háčku a je jím fixován v nádoru.
• Miniinvazivní chirurgie: Především na výrobu léčebných přípravků a speciálních nástrojů.
• Protetika: Při konstrukcích ovladačů náhrad končetin.

tags: #pvc #s #tvarovou #pameti #informace

Oblíbené příspěvky:

• Jak izolační desky zvyšují bezpečnost bateriových modulů?
• Více o PVC Linoleu
• Komplexní průvodce hydroizolací obvodového zdiva
• průvodce výběrem řezačky na obklady
• Jak správně lepit betonové stříšky