Témata
Reklama

DSC jako nástroj pro ověřování kvality plastů

Diferenciální snímací kalorimetrie (DSC) je nejpoužívanější metodou termických analýz pro charakterizaci plastů, která nachází své uplatnění nejen ve výzkumu a vývoji, ale také v průmyslové praxi v oblasti vstupní a výstupní kontroly.

Studovaný vzorek je vystavován lineárnímu ohřevu nebo chlazení, a přitom se plynule mění rychlost tepelného toku ve vzorku, který je úměrný okamžitému měrnému teplu. Metoda je tedy definována jako měření změn tepla absorbovaného nebo uvolňovaného vzorkem při daném teplotním programu v závislosti na teplotě anebo čase. Výsledkem je závislost mezi termickými vlastnostmi a molekulární strukturou plastu, jeho morfologií a podmínkami při jeho výrobě. Aplikační možnosti DSC metody jsou velmi rozsáhlé a jsou definovány zejména v jednotlivých částech předmětové normy ČSN EN ISO 11357. Nejdůležitějšími příklady aplikací se zabývají následující odstavce, které vycházejí z výsledků aplikačního a smluvního výzkumu na Technické univerzitě v Liberci.

Reklama
Reklama
Reklama

Aplikace – identifikace a charakterizace materiálu

Jednou ze základních aplikačních možností DSC je identifikace plastů. Provádí se na základě charakteristických teplot fázových přeměn, které jsou provázeny změnou tepelné kapacity nebo entalpie (teploty skelného přechodu Tg, teploty tání Tpm a teploty krystalizace Tpc). Protože je však DSC analýza u plastů značně ovlivněna tepelnou historií a morfologií vzorku, doporučuje se, aby identifikace a termické vlastnosti materiálu byly stanoveny z druhého měření (po roztavení materiálu a jeho následném ochlazení odstraňujícím tepelnou historii). Na obr. 1 je znázorněn příklad DSC křivky ze druhého zahřátí pro materiál výrobku deklarovaný dodavatelem jako polypropylen (PP). Ve skutečnosti však jde o polymerní směs složenou z polyetylenu (PE; Tpm = 128,9 °C) a polypropylenu (PP; Tpm = 161,4 °C).

Obr. 1. DSC křivka polymerní směsi PE/PP (fáze ohřevu)
Obr. 2. DSC křivka pro různé typy plastů (fáze chlazení)

Na obr. 2 jsou uvedeny příklady polypropylenu (PP) a polyoxymetylenu (POM) při ochlazování taveniny. Oba materiály mohou vykazovat obdobnou teplotu tání, proto jejich jednoznačná identifikace vyplývá z rozdílných teplot krystalizace (viz obr. 2), která je u POM vyšší (> 140 °C). Na obr. 2 je ukázán také vliv nukleantů přidávaných k polypropylenu (PP) za účelem ovlivnění jeho morfologie. Výsledkem je rychlejší průběh krystalizace (začíná při vyšší teplotě) a tedy i solidifikace taveniny. Tato skutečnost má v reálných podmínkách příznivý vliv na mechanické vlastnosti materiálu, rozměrovou a tvarovou stabilitu dílu i na dobu výrobního cyklu s přímou návazností na ekonomiku výroby.

Aplikace – poruchová analýza

Nejdůležitější aplikací DSC metody je tzv. poruchová analýza, během níž se hledají odpovědi například na otázky typu „proč se výrobek chová při mechanických zkouškách jinak, než se od něho očekává“, nebo „proč výrobek při jeho užívání či montáži do větších celků praská“ apod. Na obr. 3 je výsledek analýzy vyfukovaných dílů z polyetylenu (PE) za různých podmínek chlazení během vyfukování (s/bez chlazení pomocí kapalného oxidu uhličitého CO2). Ze stejné oblasti dílů byl odebrán vzorek, který byl podroben DSC analýze. Materiál byl zahřát rychlostí 10 °C.min-1 na teplotu 150 °C (do roztavení, kdy materiál dosáhne rovnovážného stavu). Na obr. 3 jsou vyneseny DSC křivky a z velikosti endotermických přeměn ve fázi tavení je zřejmé, že materiál odebraný z PE dílu, který byl při vyfukování intenzivně chlazen pomocí CO2, vykazuje nižší hodnotu entalpie tání (tepelné energie spotřebované pro roztavení materiálu). Velikost entalpie tání je přitom přímo úměrná obsahu krystalického podílu ve struktuře materiálu. Snižující se obsah krystalického podílu v materiálu snižuje například jeho pevnost či modul pružnosti a naopak zvyšuje jeho tažnost. V uvedeném případě jsou termické vlastnosti hodnoceny z prvního teplotního cyklu, který odráží podmínky tepelně-mechanického zpracování materiálu během vyfukování. Je zřejmé, že pokud se během zpracování plastu změní teplotně-mechanické poměry nebo molekulová struktura (například v důsledku degradace plastů), pak se změní i jeho termické vlastnosti. Obdobně lze pomocí DSC analýzy identifikovat také orientační vnitřní napětí ve výlisku, které je odrazem technologických podmínek zpracování materiálu (zejména teploty a tlaku) a může mít za následek předčasné porušení výrobní součásti. Při ohřevu plastového vzorku v kalorimetru dochází k relaxaci orientace makromolekul, která se projeví v záznamu DSC křivky.

Aplikace – výzkum kinetiky krystalizace plněných plastů

Vliv přísad na morfologii plastů je ukázán na příkladech uvedených na obr. 4 až 6. Na obr. 4 je znázorněn vliv přídavku 1 % barviva na krystalizaci polyamidu 6 (PA 6). DSC záznam zobrazuje exotermní přeměnu polyamidu s/bez přídavku barviva. Polyamid obsahující barvivo krystalizuje výrazně dříve (Tpc = 192,7 °C) a uvolňuje větší množství tepla (∆Hc = 67,9 J.g-1). Tato skutečnost bude mít pozitivní vliv nejen na vlastnosti polyamidového dílu, ale také na případné sekundární efekty spojené s dokrystalizací dílů při užívání dílu, zejména pak za vyšších teplot.

Obr. 3. DSC křivka pro vyfukovaný PE díl v závislosti na způsobu jeho chlazení při výrobě (fáze ohřevu)
Obr. 4. DSC křivka – vliv barviva na krystalizaci PA 6 (fáze chlazení)

Na obr. 5 a obr. 6 je znázorněn vliv rychlosti chlazení taveniny kompozitu kyseliny polymléčné (PLA) s 30 hm. % vláken banánovníku na průběh jeho primární i sekundární krystalizace. S nižší rychlostí chlazení taveniny kompozitu materiál výrazně lépe krystalizuje (viz obr. 5). Při rychlosti chlazení taveniny 20 °C.min-1 dosahuje kompozit 8,5 % krystalické fáze, při rychlosti chlazení 10 °C.min-1 dosahuje krystalizace 20 % a při rychlosti 5 °C.min-1 dokonce 37 %. Z obr. 6 je zřejmé, že s vyšší rychlostí chlazení bude dosaženo nejen nižšího stupně krystalinity a tím výrazně horších mechanických vlastností, jako je pevnost a tuhost materiálu, ale také vyšší míry dokrystalizace (sekundární krystalizace) materiálu.

Obr. 5. DSC křivka pro PLA s 30 hm. % vláken banánovníku v závislosti na rychlosti chlazení taveniny (fáze chlazení)
Obr. 6. DSC křivka pro PLA s 30 hm. % vláken banánovníku v závislosti na rychlosti chlazení taveniny (fáze ohřevu 10 °C.min-1 )

Kromě uvedených příkladů existuje řada dalších aplikačních možností DSC. Používá se například při analýze degradace/stárnutí plastů, pro zjišťování přítomnosti recyklátu u neplněných plastů, pro určování oxidační a termické stability, pro stanovení rychlosti síťování apod. Velmi často je pro hodnocení kvality plastů, optimalizaci technologických procesů nebo pro vývoj nových kompozitních systémů využívána společně s dalšími fyzikálními metodami, jako jsou IR spektroskopie, termogravimetrie, reologické nebo mechanické testy materiálů apod. Spojení těchto fyzikálních a analytických metod umožňuje komplexní analýzu jakosti materiálů i posouzení vhodnosti technologie jejich zpracování.

Ing. Luboš Běhálek, Ph.D.

Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní

lubos.behalek@tul.cz
//www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/info.htm

Reklama
Firmy
Související články
Sledování forem ve výrobě, skladu i údržbě

Jednou z nejdůležitějších věcí, které firmy pracující v oblasti výroby výlisků řeší, je sledování forem a řešení problémů, které při výrobě nastanou. Důležité je problémy řešit tak, aby příště, pokud se stejný problém objeví znovu, bylo možné sáhnout do databáze a problém vyřešit ihned, bez zbytečných časových prodlev. To umožňuje systém MachineLOG IT, jenž maximálně zjednodušuje sledování pohybu forem, jejich oprav i nasazení ve výrobě.

Automatizační řešení pro kratší doby cyklů

Díky nové funkci active vibration control rozpoznají lineární roboty Engel viper nejen své vlastní vibrace, ale mohou také reagovat na vibrace, které jsou způsobeny vnějšími vlivy. Aktivní kompenzace kmitání během běžícího procesu zvyšuje rychlost nastavení polohy a zkracuje dobu cyklu.

Příprava pracovníků pro výrobu technologií vstřikování plastů

Následující příspěvek představuje jeden ze způsobů přípravy pracovníků ve firmách, jejichž hlavní pracovní náplní je technologie vstřikování plastů

Související články
Zavedení nového softwaru zefektivnilo konstrukci forem

Společnost Dramco Tool & Die Co. z Grand Islandu se specializuje na výrobu komplexních vstřikovacích forem pro automobilový a spotřební průmysl. S ohledem na potřebu upgradovat a změnit systém konstrukce a výroby forem za účelem zvýšení efektivity začala hledat systém, který by umožňoval rychlou konstrukci forem, automatizaci některých procesů a umožňoval práci jak s objemovými tělesy, tak s volnými plochami.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Uniplast Brno vstoupil do druhé padesátky

V roce 2015 vstoupil Uniplast Brno do druhé padesátky let své činnosti, proto mi dovolte ohlédnout se za jeho pracovní činností v uplynulém roce. V souladu s prací v předešlém období navázal na tradiční konference, konzultace, exkurze, semináře a publikační činnost.

První plnobarevná stolní 3D tiskárna

Společnost Mcor představila jako první na světě plnobarevnou stolní 3D tiskárnu Mcor ARKe a klade si za cíl dostat tuto 3D tiskárnu do každé kanceláře či učebny.

Problematika dějů při svařování plastů vybranými technologiemi

V současnosti průmyslově využívané technologie svařování plastů mohou do výrobního procesu vnést neočekávané problémy. Cílem článku je seznámit čtenáře s možnými úskalími, která mohou nastat při svařování některých typů plastů vybranými technologiemi.

Igráček slaví 40. narozeniny

Generace Husákových dětí si jistě dobře vzpomíná na malou plastovou figurku představující různá povolání. Igráček letos oslaví 40. narozeniny, a tak určitě stojí za to, podívat se důkladněji na jeho osud i na jeho výrobu.

Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

Jedině CO2 laser pro opracování plastů? Dnes už ne

Implementace a nahrazování mechanických střihadel funkčními celky s CO2 lasery je již dlouhou dobu etablovaný proces pro odstraňování vtokových soustav. Ale co když chceme výrobek z plastu kompletně opracovat? Zjednodušit tvar formy a snížit tak náklady ve výrobě? Musíme kupovat drahé 3D CO2 laserové celky? Není možné laserovou technologii integrovat do technologie stávající?

Výroba stavebnic leteckých modelů

Pamětníci si možná vzpomenou na reportáž o výrobě plastikových leteckých modelů, která vyšla v MM Průmyslovém spektru 1, 2/2004. Když jsem loni na setkání uživatelů softwaru NX potkal pana Vladimíra Šulce, jednoho ze zakladatelů společnosti Eduard – Model Accessories, pozval mě, ať se k nim do Obrnic přijedu znovu podívat, protože za tu dobu se mnohé změnilo.

Plasty a robot – jde to dohromady?

Žijeme v době, kdy nás plasty provázejí na každém kroku. Možná si ani neuvědomujeme, kde všude nám pomáhají, kde nás ovlivňují. Od tužky či propisky přes klávesnici, u které sedíme skoro každý den, po stravování a umělohmotné vařečky, které nahradily ty dřevěné, jež používaly naše babičky. Snažíme se usnadnit si život. Těžké díly ze železa vyměnit za lehčí, plastové. Stejně tak i tvůrci softwaru se snaží zjednodušit výrobu.

Programování a obsluha robotů usnadněny

Automatizační řešení s průmyslovými roboty se dostávají v plastikářském průmyslu stále silněji do popředí. Základem úspěchu je jednoduchá integrace strojů a robotů.

Lehký materiál s vysokou schopností absorpce energie

ARPRO je materiál vhodný pro řízení energie nárazu, který se vyznačuje unikátní kombinací vlastností, jako jsou schopnost absorpce energie, strukturální pevnost při velmi nízké hmotnosti, chemická odolnost, dobré tepelně- a zvukověizolační vlastnosti a recyklovatelnost.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit