Lubomír Zeman: Technológia vstrekovania termoplastov a znižovania hmotnosti výstrekov, 1. časť

ÚVOD

V súčasnosti je jednou z najdiskutovanejších svetových tém v automobilovom priemysle, zjednodušene povedané, „súboj“ zástancov automobilov so spaľovacími motormi – ICEV, Internal Combusion Engine Vehicle, Vozidlá s motorom s vnútorným spaľovaním -  a zástancov automobilov s plne elektrickým pohonom, poháňaných iba energiou z batérie – BEV, Battery Electric Vehicle, Batériové elektrické vozidlá – prípadne hybridné elektromobily poháňané nielen elektrickou energiou,ale aj spaľovacím motorom bez možnosti dobíjania z elektrickej siete – HEV, Hybrid Electric Vehicle, Hybridné elektrické vozidlo alebo Plug-in Hybrid Electric Vehicle – PHEV, kombinácia vlastností elektromobilu a spaľovacieho motora s možnosťou dobíjania z elektrickej zásuvky pomocou kábla.   .

Oba tábory sa tvária navzájom veľmi nezmieriteľne, ale z vonkajšieho pohľadu majú jedno spoločné – snahu o znižovanie emisií, látok znečisťujúcich ovzdušie,snahu o znižovanie uhlíkovej stopy (uhlíková stopa je meradlom vplyvu ľudskej činnosti na životné prostredie a na klimatické zmeny. Uhlíková stopa sa zameriava na množstvo skleníkových plynov, ktoré produkujeme naším každodenným životom, napríklad spaľovaním fosílnych palív na výrobu elektriny alebo tepla, dopravou atď. Vyjadruje sa v ekvivalentoch oxidu uhličitého /CO₂/, udáva sa v hmotnostných jednotkách – kilogramoch a tonách. Zjednodušene - uhlíková stopa je množstvo oxidu uhličitého a ostatných skleníkových plynov, uvoľnené počas životného cyklu produktu, ktorý používame – uvoľnenie emisií z činnosti produktu,napríklad jazda automobilom - priama stopa a nepriama stopa z používania,vrátane jeho výroby a podobne.), vrátane udržateľného rozvoja (Sustainable Development – je  to taký rozvoj, ktorý súčasným aj budúcim generáciám zachováva možnosť uspokojovať ich základné životné potreby a pritom neznižuje rozmanitosť prírody a zachováva prirodzené funkcie ekosystémov - spôsob rozvoja ľudskej spoločnosti, ktorý uvádza do súladu hospodársky a spoločenský pokrok s plnohodnotným zachovaním životného prostredia).

Jedným zo spoločných menovateľov pre vyššie uvedené snahy je znižovanie hmotnosti produktov vstupujúcich do životného cyklu – Produkt Life Cycle. Pojem „životný cyklus produktu“  sa používa v dvoch významoch:

- život produktu od ťažby surovín, cez jeho výrobu a používanie až po jeho odstránenie ako odpadu – v tomto význame sa používa v súvislosti s vplyvmi na životné prostredie a posudzovaním životného cyklu (LCA – Life Cycle Assessement)

- život produktu od fázy uvedenia produktu na trh až po jeho stiahnutie z trhu

Pre náš text sa budem držať prvého významu – materiál, výroba, nakladanie s odpadom.

Donedávna sa dekarbonizácia (pojem dekarbonizácia zahŕňa obmedzovanie a zníženie produkcie uhlíkovej stopy a ekvivalentov CO2 z fungovania spoločnosti. Teda množstva emisií skleníkových plynov uvoľňovaných do atmosféry, a to s cieľom dosiahnuť udržateľnejší rozvoj, využiť obnoviteľné zdroje energie, dosiahnuť väčšiu udržateľnosť v dodávateľskom reťazci) automobilového priemyslu sústreďovala predovšetkým na zníženie prevádzkových čiže výfukových emisií zo spotreby energie alebo palív. V súčasnosti tvoria prevádzkové emisie viac než 80 % životného cyklu vozidiel ICE (Internal Combustion Engine, spaľovacie motory tak benzínové zážihové, ako aj dieselové vznetové) a približne 60 % v prípade BEV (batériový pohon) so súčasným energetickým mixom. Je tu dôvodný predpoklad, že sa tento pomer bude postupne meniť. Rozšírenie elektrifikácie cestnej dopravy poháňanej stále väčším množstvom energie z obnoviteľných zdrojov v dlhodobom horizonte eliminuje emisie z výfukových plynov (zostanú emisie z bŕzd,z oderu pneumatík,a pod.) a v dôsledku toho budú emisie obsiahnuté vo fáze výroby (zabudované emisie) tvoriť stále dominantnejší podiel. Pri BEV s elektrinou z obnoviteľných zdrojov môžu v budúcnosti zabudované emisie tvoriť až 90 % emisií životného cyklu vozidiel.

Hmotnosť je jedným z hlavných ukazovateľov,ktorý z veľkej časti určuje mieru vplyvu konkrétneho automobilu na životné prostredie. Podľa európskej asociácie spracovateľov plastov Plastics Europe (www.plasticseurope.org) sa zníži uhlíková stopa, ktorú osobný automobil zanechá počas svojej prevádzkovej životnosti, o 20 kilogramov oxidu uhličitého, ak dôjde k zníženiu jeho hmotnosti o jediný kilogram. Tu sa uplatňuje jedna zo základných výhod plastových dielov − ich hmotnosť je až o polovicu menšia než  obdobné komponenty z iných materiálov, a tak ich použitie znižuje spotrebu paliva o 25 % až 35 %. Zmenšenie hmotnosti môže tiež v mnohých prípadoch viesť k zníženiu prácnosti výroby (napríklad zmenšenie hrúbky steny výstreku môže skrátiť jeho výrobný čas)  a vďaka tomu aj k zníženiu ceny dielu. Jedným z kľúčových pojmov vo svete vývoja a výroby osobných automobilov je teda "lightweight" − úspora hmotnosti. Pod tento pojem však nespadá iba nahrádzanie kovu plastom. Ide aj o inteligentné konštrukčné prístupy a dizajn, ktorý pracuje len s takým množstvom materiálu, aby bola zaručená správna a bezpečná funkcia výrobku.

Bez použitia plastov si už náš život nedokážeme predstaviť. Podľa odhadu vyššie spomenutej európskej asociácie Plastics Europe dosahovala v roku 2022 celková spotreba plastov v Európe takmer 60 miliónov ton. Medzi najvýznamnejšie sektory v spotrebe plastov patrí obalový priemysel (takmer 40 %), stavebníctvo (takmer 20 %), automobilový priemysel (takmer 9 %), nasleduje elektrotechnický priemysel a poľnohospodárstvo. Z ďalších sektorov významných pre uplatnenie plastov a zvýšenie ich spotreby možno uviesť zdravotníctvo, kde bude v súvislosti so starnutím populácie dochádzať k rozvoju špeciálnych zdravotníckych pomôcok a materiálov s využitím materiálov na báze polymérnych matríc. 

Hoci trend starnutia populácie bude badateľný vo všetkých regiónoch sveta, najrýchlejšie sa tento trend prejaví v Európe, Ázii a Latinskej Amerike. Napríklad v Ázii je teraz na jednu osobu v postproduktívnom veku v priemere deväť ľudí v produktívnom veku. Do roku 2050 sa tento podiel zníži na štyroch ľudí v produktívnom veku. V Európe možno očakávať obzvlášť významný pokles obyvateľstva v produktívnom veku, čo sa odrazí v poklese ľudí v produktívnom veku na jednu osobu v postproduktívnom veku zo súčasných štyroch na dvoch.

Okrem obalového a stavebného priemyslu, kde sa zo spracovateľských technológií plastov najviac využívajú technológie vytláčania,vyfukovania a tvarovania za tepla a vákua, je v ostatných sektoroch zvyčajne prioritná technológia vstrekovania. Pozrime sa teda, ako je na tom, z pohľadu úspory hmotnosti, technológia vstrekovania termoplastov v reálnom svete. 

PREDPOKLADY NA ZNIŽOVANIE HMOTNOSTI – MATERIÁLY NA VSTREKOVANIE TERMOPLASTOV

Základom na znižovanie hmotnosti dielu vyrábaného technológiou vstrekovania je v prvom rade samotný vstrekovaný materiál. Ako už bolo spomenuté,oproti predtým bežne používaným konštrukčným materiálom,napríklad ako je oceľ s mernou objemovou hmotnosťou 7,85 g.cm-3,neželezné kovy (hliník 2,7 g.cm-3,meď 8,9 g.cm-3), zliatiny neželezných kovov (dural 2,8 g.cm-3, mosadz - priemer 8,8 g.cm-3,bronz - priemer 8,4 g.cm-3), atď., majú plasty výhodu v nižšej mernej hmotnosti (na porovnanie – lepšie je na tom,z konštrukčných materiálov,len drevo,ktoré má objemovú hmotnosť v suchom stave od 0,270 g.cm-3 – smrek, cez 0,313 g.cm-3 – borovica, do 0,405 g.cm-3,dub) a to zvyčajne v celej šírke svojho portfólia vhodného na vstrekovanie – amorfné materiály -   PC, PMMA, PS, HIPS, PVC, ABS, PC/ABS, SAN, ASA, PPO, CA, PPS, PEI, PES, PSU, PAI, čiastočne kryštalické materiály -   LDPE, HDPE, PP, PA, POM, PET, PBT, PFA, LCP, PEEK, PEK, kompozity s termoplastickou matricou s plnivom časticovým (M),vystužujúcim (GF, CF), s nanoplnivami,s plnivami biologického pôvodu,atď., špeciálne typy termoplastov – tepelne vodivé, elektricky vodivé,magnetické, kvapalné kryštály (LCD),bioplasty – biodegradovateľné z fosílnych surovín, biodegradovateľné z obnoviteľných surovín, biologicky rozložiteľné a kompostovateľné, nebiodegradovateľné z obnoviteľných surovín, bio odvodené zmesi kombinujúce inžinierske termoplasty s bioplastmi, zmesi (blendy), termoplastické elastoméry (TPE): TPE – O polyolefínové typy, TPE – S styrénové typy, TPE – U polyuretánové typy, TPE – E kopolyesterové typy, TPE – A polyéterblokaramidové typy, EVA etylénvinylacetát.

Plasty, ako materiály vhodné na spracovanie technológiou vstrekovania, majú široké rozpätie objemovej hmotnosti (od cca 0,9 g.cm-3 do cca 2,2 g.cm-3,platí pre materiály bez plniva), čo výrazne napomáha – pozri údaje vyššie - znižovať hmotnosť výstrekov a konštrukčných skupín, v ktorých výstreky z termoplastov tvoria ich neoddeliteľnú súčasť. Príklad z obalového priemyslu – sklenená (merná hmotnosť skla –  cca 2,5 g.cm-3) pollitrová fľaša na pivo má hmotnosť cca 330 g/ks, jedenapollitrová fľaša z polyetyléntereftalátu (PET ,merná hmotnosť 1,38 g.cm-3) váži len cca 38 g/ks, rozdiel v hmotnosti fliaš je 88,5 %, nehovoriac o objeme náplne, ktorej je v PETe 3 x viac.

Termoplasty ďalej majú vysokú variabilitu (premenlivosť) vlastností, veľmi dobrý pomer hmotnosti k mechanickým vlastnostiam (pružnosť, pevnosť), sú húževnaté pri nízkych teplotách, majú výborné izolačné vlastnosti (sú tepelnými, zvukovými aj elektrickými izolantmi), ale môžu tiež dobre viesť teplo, sú aj elektricky vodivé,môžu byť magnetické, sú odolné proti vode,korózii,chemickým vplyvom, odolávajú biologickým činiteľom (baktérie,plesne,huby,hmyz), sú hygienicky neškodné, vo forme potrubí majú malú hydraulickú drsnosť, sú odolné proti zarastaniu – inkrustácii, umožňujú použitie veľmi širokej palety spracovateľských technológií,sú ľahko farbiteľné,možno ich veľmi dobre dekorovať – od zrkadlového lesku až po rôzne typy dezénov a textúr, sú recyklovateľné, sú relatívne lacné, atď.   

Ak som uviedol výpočet kladných vlastností, musím uviesť, že majú aj vlastnosti obmedzujúce ich použitie. Dá sa povedať, že najviac diskutovaným je ich vplyv na ekológiu, respektíve environmentálne (týkajúce sa životného prostredia) vlastnosti plastov. Plasty sú za normálnych podmienok veľmi stabilné, podliehajú veľmi pomalému samovoľnému rozkladu, sú problematicky likvidovateľné. Plasty majú zvyčajne nízku tepelnú odolnosť, ich vlastnosti sú výrazne závislé od teploty ich použitia a od doby pôsobenia zaťaženia, vlastnosti, najmä kompozitov s vystužujúcimi plnivami sú anizotropné (anizotropia = vlastnosť,ktorou sa určuje závislosť danej veličiny od voľby smeru,t. j. v smere toku polymérnej taveniny majú iné vlastnosti než v smere kolmom na tok), ich teplotná rozťažnosť je o jeden rád (cca 10 x) väčšia než pri kovových materiáloch, niektoré plasty sú navĺhavé a nasiakavé, sú čiastočne horľavé, z niektorých sa môžu uvoľňovať zdraviu škodlivé monoméry a rozkladajúce sa aditíva, vykazujú poveternostné a fyzikálne starnutie, podliehajú korózii pod napätím, sú vrubovo citlivé, priepustné pre nízkomolekulové látky, napučiavajú alebo sa aj rozpúšťajú v selektívnych rozpúšťadlách (selektívne rozpúšťadlo = médium, ktoré je rozpúšťadlom aspoň pre jednu zložku zo zmesi polymérov), na prekážku môže byť vznik statickej elektriny, atď. Výstreky z termoplastov obsahujú nezanedbateľné vnútorné napätie, ktoré môže v mnohých aplikáciách viesť až k ich deštrukcii.

Mnohé uvedené nevýhody „čistých“ polymérnych materiálov sa dajú zmenšiť alebo aj eliminovať, odstrániť pri ich výrobe vhodnou aditiváciou, plnivami, prípravou zmesí materiálov, chemickými modifikáciami, atď.

Skôr než sa pozrieme na súčasné materiálové možnosti znižovania hmotnosti, pokúsim sa načrtnúť cestu možného budúceho vývoja v danej oblasti výroby výstrekov so zníženou hmotnosťou.

Dnešný priemerný osobný automobil obsahuje cca 120 kg (cca 15 % až 20 % ich celkovej hmotnosti) všetkých typov plastov spracovaných rôznymi technologickými postupmi. Trend ďalšieho znižovania hmotnosti bude pravdepodobne mať aj zvýšenú intenzitu, a to aj pri súčasnom tlaku na odklon od automobilov so spaľovacími motormi k elektromobilom,pri ktorých sú na dosiahnutie, pre zákazníkov rozumných dojazdových vzdialeností, potrebné batérie s vysokou kapacitou a teda aj vysokou hmotnosťou, ktorá ovplyvňuje okrem dojazdu napríklad aj možnosť parkovania v parkovacích domoch stavaných podľa starších predpisov, t. j. s nižšou nosnosťou stavebných konštrukcií, vyvoláva väčšie mechanické zaťaženie dielov auta, zvyšuje zaťaženie a opotrebovanie vozoviek, vyvoláva väčší oder pneumatík, zvyšuje opotrebovanie a oder bŕzd, atď.

Kapacita batérie, ktorá je v priamej úmere so špecifickou energiou akumulátora a vyjadruje pomer medzi energiou a hmotnosťou batérie, má priamy dopad na dojazd elektroautomobilu. Hmotnosť vozidla je spolu s rýchlosťou jazdy, s počtom akcelerácií, prekonávaním kopcov a spôsobom jazdy vodiča, vrátane využívania elektrických spotrebičov namontovaných v automobile na zvýšenie komfortu vodiča a jeho posádky (najmä klimatizácie,ktorá energiu tiež odoberá z akumulátora, rekuperácia tepelnej energie na pohon spotrebičov nepostačuje) jedným z hlavných faktorov obmedzujúcich dojazd.  Porovnanie hmotností – SUV Hyundai KONA – v plne elektrickom vyhotovení s batériou s kapacitou 42 kWh, teoretický dojazd 289 km má prevádzkovú hmotnosť 1 610 kg, v naftovom vyhotovení s motorom 1,6 l má podľa výbavy prevádzkovú hmotnosť od 1 390 kg do 1 504 kg.   

Napriek uvedeným požiadavkám na zvyšovanie kapacity batérií pre BEV automobily sa zdá, že snaha výrobcov BEV vyrábať elektroautomobily s čo najväčším dojazdom – 1 000 km a viac, čo viedlo k vývoju a výrobe batérií s kapacitami 150 kWh a viac, výrazne zvyšovalo hmotnosť automobilu, ale výrobcom prinášalo väčší zisk – narazila na nové požiadavky zákazníkov. Podľa čínskej firmy NIO, ktorá vyvíja a vyrába BEV s výmennými batériami a zároveň prevádzkuje sieť staníc na výmenu batérií,ponúka aj batérie s kapacitou 150 kWh (v roku 2023 s takouto batériou prešiel model NIO ET7 počas 14 hodín vyše 1 000 km) sa, v závislosti od zákazníckych požiadaviek, najviac vymieňajú batérie s kapacitou 75 kWh (cca 97 % používateľov), pričom predtým to bolo 100 kWh. Poukazuje to na fakt, že kapacita batérie a dojazd musia byť v súlade so začlenením auta do príslušného segmentu a spôsobom jeho využívania. Na mestský hatchback sa kladú úplne iné nároky než na rodinné SUV. A tiež sa pohybujú v inej cenovej relácii. To všetko sa musí správne nakombinovať, navyše s ohľadom na dynamicky sa vyvíjajúce priority a trendy na trhu. Napriek možnej zmene v trende – pozri predošlý text – zostáva faktom zvýšená hmotnosť automobilov s batériovým pohonom.        

V konštrukcii automobilov je podľa agentúry ICIS (www.icis.com) najviac používaným polymérom polypropylén PP s 35 % podielom, nasleduje polyuretán PU s 19 %, polyamidy PA s 11 % a ABS s 8 %. Viac ako polovica spotrebovaných plastov sa používa v interiérových dieloch automobilov, nasledujú exteriérové diely, diely v motorovom priestore a v elektronickom vybavení osobného automobilu.  

Vývoj a použitie nových plastov s vlastnosťami pripravovanými na mieru je dôležitým stimulom rozvoja v mnohých priemyselných odvetviach. Je to cesta, ako zapojiť do reťazca veľkých výrobcov komoditných plastov (komodita je tovar, ktorý sa na trhu obchoduje bez rozdielu v kvalite,dodávky od rôznych výrobcov sú vzájomne zastupiteľné) firmy zaoberajúce sa kompaundovaním (z anglického compound – zmiešať,zmes).

Aditíva pre polymérne systémy predstavujú pestrú škálu modifikácií polymérov (zmien, úprav), ktoré sú zväčša zamerané na zlepšenie ich vlastností z fyzikálneho hľadiska. Ide predovšetkým o mechanické, používateľské alebo spracovateľské vlastnosti. Moderné aditíva sa vyvíjajú s cieľom zvýšiť stabilitu sústavy v danom polymérnom prostredí a súčasne s cieľom získať nové, funkčné vlastnosti. V tejto súvislosti možno hovoriť najmä o týchto oblastiach aplikácií: ochrana pred UV žiarením, fotoaktívne samočistiace úpravy (odstraňovanie znečistenia z rôznych povrchov s využitím katalyzátorov, ktoré prispievajú k uskutočneniu zmeny, aktivovaných slnečným žiarením na rozklad organických látok na neškodné zložky), vodivé polymérne systémy a povrchové modifikácie.

Bioplasty

Polymérne materiály využívané v súčasných konštrukciách sa vyrábajú najmä z fosílnych prírodných látok – ropy, uhlia, zemného plynu, t. j. látok,ktoré sa síce nachádzajú v prírode, ale sú neobnoviteľné, sú v čase vyčerpateľné. Preto sa hľadajú cesty ich náhrady a jednou z ciest je využitie obnoviteľných zdrojov,zdrojov na biologickej báze. Z odpadovej biomasy (biomasa je súhrn látok tvoriacich telá všetkých organizmov, tak rastlín, baktérií, siníc a húb, ako aj živočíchov) a iných obnoviteľných zdrojov možno termochemickými (tepelnými efektmi pri chemických reakciách a dejoch) a enzymatickými postupmi (enzým je jednoduchá či zložená bielkovina s katalytickou aktivitou, enzýmy určujú povahu aj rýchlosť chemických reakcií a riadia väčšinu biochemických procesov takmer všetky biochemické reakcie sú riadené enzymaticky, enzýmy sú špeciálna skupina katalyzátorov zvyšujúca pravdepodobnosť uskutočnenia reakcie) pripravovať látky – bioplasty a bio-aditíva, ktoré sú schopné substituovať, nahrádzať súčasné suroviny z fosílnych zdrojov.

Výraz bioplasty zahŕňa celú rodinu materiálov, ktoré sú buď založené na biomateriáloch, alebo sú biodegradovateľné, alebo oboje.

Biobased čiže založené na biomateriáloch znamená, že materiál alebo produkt je (úplne alebo čiastočne) odvodený z biomasy (z rastlín). Biomasa používaná na výrobu bioplastov pochádza napríklad z kukurice, cukrovej trstiny alebo celulózy (slovo má základ v latinskom cellula = bunka, ide o lineárny polymér rastlinného pôvodu, nerozvetvený polysacharid, ktorý je obsiahnutý okrem iného vo vláknine. Molekulový vzorec celulózy je  C6H10O5).  

Pojem biodegradovateľný opisuje chemický proces, počas ktorého mikroorganizmy, ktoré sú bežné v životnom prostredí, premenia materiály na prírodné látky, ako je voda, oxid uhličitý a kompost (bez umelých prísad). Proces biodegradácie závisí od podmienok, v ktorých je biodegradovateľný plast uložený – teplota, tlak, mikroorganizmy, vrátane konkrétneho materiálu a jeho aplikácie.

Európska organizácia European Bioplastics Assotiation,www.en.european-bioplastics.org uvádza dvojosový model zahŕňajúci všetky druhy termoplastov, vrátane ich možných kombinácií – pozri obrázok 1. Termoplasty sú rozdelené do štyroch základných skupín – horizontálna os rozlišuje biodegradovateľnosť a vertikálna os delí materiály na odvodené z fosílnych zdrojov, najčastejšie z petrochemických surovín alebo zo zdrojov obnoviteľných.

Obrázok 1 : Klasifikácia termoplastov podľa European Bioplastics – štyri základné skupiny :

- plasty, ktoré nie sú biodegradovateľné a sú vyrobené z petrochemických surovín – táto kategória zahŕňa klasické, t. j. tradičné plasty (aj keď predstavujú iba jednu skupinu plastov, tvoria celkovo viac ako 90 % celosvetovej produkcie plastov)

- biodegradovateľné plasty z obnoviteľných zdrojov – plasty, ktoré sú vyrobené z biomasy a sú biodegradovateľné

- biodegradovateľné plasty z fosílnych surovín – plasty, ktoré sú biodegradovateľné, ale sú vyrobené z fosílnych zdrojov

- nebiodegradovateľné plasty z obnoviteľných zdrojov – plasty vyrobené z biomasy, ktoré však nie sú schopné biodegradácie

Poznámka – pozor: plasty vyrobené z fosílnych, petrochemických surovín nie sú kompatibilné s biodegradovateľnými plastmi nemožno ich spolu zbierať a recyklovať, je nutné ich od seba separovať a nakladať s nimi oddelene.

Bioplasty v roku 2021 predstavovali menej ako jedno percento z viac ako 367 miliónov ton celosvetovo vyrobených plastov,cca 2,41 milióna ton, z toho cca 0,118 milióna ton bioplastov  bolo použitých v automobilovom priemysle a priemysle dopravy,obalový priemysel ako najväčší používateľ výrobkov z bioplastov ich spotreboval 1,15 milióna ton,čo bolo cca 48 % z celkového trhu s bioplastmi v roku 2021  – pozri Plastic Europe. V roku 2026 má byť výroba bioplastov v množstve cca 7,59 milióna ton a tento podiel by mal byť väčší ako 2 % z celkového vyrobeného množstva plastov, pričom spotrebiteľský primát bude opäť držať obalový priemysel.

V súvislosti s uvedenými údajmi o množstve vyrobených bioplastov si možno položiť otázku – sú, budú bioplasty výrazne prínosné pre našu budúcnosť? Respektíve Prečo bioplasty propagované ako výrazné riešenie problému plastov (odpad), zďaleka nesplnili svoje sľubné očakávania? Na úvod uvediem vyjadrenie pána Ramani Narayana, profesora na School of Packaging v Michigane, USA, www.canr.msu.edu: „Koncept, že by sme to mohli použiť a zahodiť, pričom nezáleží kam to hodíme, a ono to bezpečne zmizne, neexistuje“. V ďalšom texte si vyjadrenie profesora R. Narayana ozrejmíme na príklade PET fliaš.

Plastové obaly na jedno použitie vyrobené z ropy, spravidla z PET, sú druhom, v ktorom sa celosvetovo predáva väčšina nápojov a potravín. V mnohých ohľadoch ide o perfektný obal – pevný, ľahký, všestranný, číry a lacný. Mimoriadne dobre chráni produkty, udržiava ich čerstvé a dokonca odoláva kyselinám a tlaku nealkoholických nápojov sýtených CO2, bez toho, aby sa počas mesiacov alebo rokov rozbil alebo stal priepustným.

Konkurenčný bioplast musí uvedené funkcie replikovať, napodobniť a PET z fosílnych zdrojov nahradiť, čo sa darí iba pri niektorých produktoch. Dva najbežnejšie používané bioplasty sú PHA, polyhydroxyalkanoát, všeobecne vyrobený z cukrov, ktoré sa pestujú z rias, a PLA, kyselina polymliečna, ktorá sa vyrába z cukru nachádzajúceho sa v plodinách, ako je napríklad kukurica alebo cukrová trstina. Cena PLA predstavuje desatinu ceny PHA, a preto sa PLA viac používa, najmä napríklad v obalovom priemysle. PHA sa najčastejšie používa ako povlak na vnútornej strane papierových téglikov a lekárskych aplikácií.

Ani jeden z týchto bioplastov sa však široko nerozšíril, a to z jednoduchého dôvodu - nevyrovnajú sa pevnosťou a ďalšími vlastnosťami tradičným plastom a navyše sú drahšie. Globálny trh s plastmi má hodnotu cca 1,2 bilióna dolárov (bilión = 10¹² = 1 000 000 000 000) a bioplasty majú trhový podiel cca 9 miliárd dolárov (miliarda = 10⁹ = 1 000 000 000).

Oba uvedené bioplasty – PLA , PHA, môžu byť mikroorganizmami rozložené a počas relatívne krátkeho času sa znovu stanú súčasťou prírodného sveta, ale stane sa to iba vtedy, ak sa bioplast ako odpad zbiera a kompostuje v kontrolovaných a regulovaných priemyselných kompostovacích zariadeniach s vysokou teplotou, za určitého tlaku a za prítomnosti vhodných mikroorganizmov. Takýchto zariadení nie je veľa, zvlášť v rozvojových krajinách, ku ktorým sa v tomto zmysle slova môžeme radiť aj my, kde je problém znečistenia plastmi najvážnejší. Ak bioplasty skončia na skládkach, ako to mnohé robia, bez dostatočného množstva kyslíka na ich rozklad, môžu vydržať stáročia a uvoľňovať metán, silný skleníkový plyn. Ak sú vyhodené do životného prostredia, predstavujú hrozbu podobnú PET plastu. Bioplasty teda môžu byť falošným riešením, ak sú obmedzené možnosti, ako ich zbierať a kompostovať. Určitým riešením je ich energetické využitie, pričom environmentálnym riešením je zníženie množstva obalov na jedno použitie, ktoré používame.

Odborníci tvrdia, že výzvy spojené s masívnym zavádzaním bioplastov ukazujú, aké ťažké bude nahradiť miliardy plastových fliaš znečisťujúcich planétu. Doterajší vývoj predstavuje malé krôčiky v porovnaní s rastom dopytu po plastových obaloch, najmä v rozvojovom svete, kde sa ročne spotrebujú miliardy fliaš. Recyklácia tradičných plastových fliaš je obrovskou výzvou pre krajiny s nízkymi a strednými príjmami, z ktorých mnohé nemajú prakticky žiadne systémy recyklácie. Až 95 % plastových odpadov, ktoré sú dopravované riekami do svetových oceánov, pochádza z 10 riek v Ázii a Afrike. Obdobne to platí aj o ďalších segmentoch priemyslu,ktoré sa bez výrobkov z plastov nezaobídu.

Termoplasty so zníženou horľavosťou

Výrazná pozornosť sa v súvislosti tak s trendmi znižovania hmotnosti osobných automobilov, ako aj ich bezpečnosti, najmä automobilov typu BEV, zameriava aj na samozhášavosť plastov používaných v konštrukcii takýchto automobilov. Samozhášavosť nie je pri automobiloch novou požiadavkou, ale pri nasadení batériových pohonov výrazne nadobúda na dôležitosti, najmä z pohľadu požiarnej bezpečnosti.   

Nikto zatiaľ nebol schopný vyriešiť všetky faktory, ktoré sa vyskytujú v priebehu spaľovania materiálov na polymérnej báze. Neexistuje ucelený model spaľovania pri týchto materiáloch, niektoré aspekty sú jasné a ďalšie aspekty, najmä ak sú ich účinky prepojené (ako je to pri reálnych požiaroch), umožňujú iba hrubé aproximácie.

Všeobecne platí konštatovanie, že všetky polyméry sú za určitých podmienok horľavé. Horľavosť polymérnych materiálov ako organických látok, ktoré sú už zo svojej povahy viac či menej horľavé, je najväčšia, keď ich makromolekuly pozostávajú iba z atómov uhlíka a vodíka. Ich horľavosť možno znížiť aditívami, ale ani ich pôsobením k dokonalému odstráneniu horľavosti nedôjde. Pre názornosť možno uviesť kompozitné materiály s polymérnou matricou a vláknitými, vystužujúcimi plnivami - za podmienok, ktoré zvyčajne existujú pri požiari, sklené vlákna nehoria, a teda neprispievajú k spaľovaniu materiálu, ale zároveň prispievajú k zvýšeniu hmotnosti príslušného kompozitného materiálu. Aj väčšina anorganických plnív nehorí, ale vstupujú do procesu horenia a môžu mať vplyv na spaľovací proces.

Ostatné vláknité výstuže – uhlíkové vlákna, aramidové vlákna,chemické (polymérne) vlákna, prírodné vlákna, živočíšneho pôvodu, minerálne, atď. – znižujú mernú hmotnosť vstrekovacích kompozitov, budú, za podmienok požiaru, horieť, ale ich príspevky k vzniku a priebehu horenia sú všeobecne oveľa menšie než pri polymérnych matriciach a zvyčajne sa výrazne neberú do úvahy. 

Polyméry,ktoré obsahujú v makromolekule dostatočnú koncentráciu retardujúcich prvkov (retardácia = oneskorovanie,uvoľňovanie,spomaľovanie), po oddialení plameňa prestávajú horieť, sú samozhášavé (napríklad polyvinylchlorid – PVC - a  polytetrafluóretylén - PTFE). 

Malú odolnosť proti pôsobeniu ohňa majú polyméry depolymerizujúce (chemicky zložité látky sa rozkladajú na jednoduché zložky) na horľavý monomér alebo, ktoré sa rozkladajú na horľavé splodiny, napríklad polyolefíny (PP), polystyrén (PS), polymetylmetakrylát (PMMA), polyoxymetylén (POM), kaučuky atď.

K horeniu polyméru dochádza iba na jeho povrchu, a teda rýchlosť horenia závisí aj od veľkosti jeho horiaceho povrchu, pričom na povrchu vzniká zuhoľnatená vrstva, ktorá polymér izoluje od plameňa, a tak rýchlosť horenia znižuje. 

Napriek tomu, že nie sú k dispozícii objektívne hodnotiace kritériá na určenie postupnosti polymérov podľa ich odolnosti proti pôsobeniu ohňa, je k dispozícii rad metód hodnotenia horľavosti polymérnych materiálov, v odbore vstrekovania termoplastov sa najčastejšie používa tzv. limitné kyslíkové číslo – LKČ (Limited Oxygen Index – LOI) a metodiky americkej nezávislej bezpečnostnej vedeckej organizácie s globálnym dosahom Underwriters Laboratories, www.ul.org – UL 94 V (vertikálne usporiadanie skúšky) a UL 94 HB (horizontálne usporiadanie skúšky). Uvedené skúšky pracujú s otvoreným plameňom.

Limitné kyslíkové číslo – LOI = (O2 / ( O2 + N2 )). 100 /%/ - zodpovedá minimálnej koncentrácii kyslíka,v objemových percentách, v zmesi s dusíkom, pri ktorej polymér ešte horí. Polymérny materiál je silne horľavý, keď jeho LOI je menšie než 21 objemových %, pomaly horiaci pri LOI v rozmedzí 21 % až 28 % a je samozhášavý, ak má kyslíkové číslo väčšie než 28 objemových percent.

UL 94 je široko používaný test horľavosti plastov,ktorý meria, ako plastový diel horí a ako dobre zabraňuje šíreniu plameňov. Testovanie horľavosti UL 94 zaraďuje plasty podľa ich schopnosti odvrátiť vznietenie, zostať konzistentné (súdržné, neporušené) pri vysokých teplotách a produkovať horľavé plastové kvapky. 

Vzhľadom na to, že skutočné podmienky požiaru sú nepredvídateľné, horľavosť UL 94, rovnako ako LOI neodráža, ako bude materiál reagovať na oheň. Limitné kyslíkové číslo aj normy UL 94 skôr určujú, ako prijateľný alebo použiteľný je konkrétny vstrekovací termoplastický materiál na konkrétny účel s ohľadom na jeho horľavosť.

Hodnotenie horľavosti UL 94 obsahuje šesť kategórií horľavosti, pre potreby vstrekovacích granulátov, respektíve na hodnotenie  vzoriek z nich sa využívajú štyri, zoradené od najhorľavejšej HB, po najmenej horľavú V-0 :

- HB – horizontálny test horenia, keď horenie ustane pred vzdialenosťou od plameňa 100 mm   

- V-2 – vertikálny, zvislý test (umiestnenie vzorky vo zvislej polohe) - horenie sa zastaví do 30 sekúnd, čo umožní odkvapkávanie, vznik kvapiek z vertikálnej vzorky plastu

- V-1 -vertikálny, zvislý test (umiestnenie vzorky vo zvislej polohe) - horenie sa zastaví do 30 sekúnd, čo umožní odkvapkávanie, vznik kvapiek z vertikálnej vzorky plastu na miestach mimo plameňov

- V-0 -vertikálny,zvislý test (umiestnenie vzorky vo zvislej polohe) - horenie sa zastaví do 10 sekúnd, čo umožní odkvapkávanie, vznik kvapiek z vertikálnej vzorky plastu na miestach mimo plameňov

Hodnoty LOI pre vybrané polymérne materiály ukazuje tabuľka 1, vrátane priradenia LOI k UL 94 V-0.

Tabuľka 1 : Hodnoty kyslíkového čísla vybraných polymérnych materiálov

Horľavosť polymérnych materiálov závisí predovšetkým od chemickej štruktúry polyméru a  od niektorých fyzikálnych činiteľov ovplyvňujúcich horenie, napríklad množstva kyslíka, veľkosti povrchu (ľahšie horia vlákna a fólie než polyméry vo forme  výrobkov s väčšími hrúbkami stien – hodnoty UL 94 V sa zvyčajne uvádzajú vrátane hrúbky hodnotenej vzorky 0,8 mm;1,6 mm;3,2 mm), a pod. Dôležitým faktorom ovplyvňujúcim rýchlosť rozkladu a horenia polymérov je ich súčiniteľ tepelnej vodivosti, tie s vyšším súčiniteľom tepelnej vodivosti sú ťažšie zápalné.

Z uvedeného vyplýva, že pri ich spracovaní technológiou vstrekovania prakticky nemôžeme, zmenou procesných technologických parametrov, vyvolať ich horenie a teda znížiť alebo zvýšiť ich odolnosť proti horeniu. Správne zvolené technologické parametre nemenia zloženie makromolekúl daného vstrekovaného materiálu, ani aditív na ne naviazaných alebo do nich vložených.

Nevhodnou zmenou technologických parametrov vstrekovania môžeme ovplyvniť (spolu s konštrukciou vstrekovacej formy – systém odvzdušnenia tvarovej dutiny formy) vznik dieselového efektu,t. j. vznik lokálneho miesta so spáleným materiálom, ale pri vzniku dieselového efektu nejde o plameň.

K tepelnému rozkladu, najmä aditív v termoplastoch, môže dôjsť vplyvom dlhého zotrvania polymérnej taveniny na spracovateľskej teplote v plastikačnej komore vstrekovacieho stroja alebo v horúcom rozvode vstrekovacej formy. Ale tu ide o nepriame ovplyvnenie horľavosti,keď sa teplotne môžu rozkladať – ale nie horieť – jednotlivé komponenty polyméru až jeho makromolekuly. Ide o postupný proces, ktorý sa môže začínať už pri relatívne nízkych teplotách (zvyčajne nad 100 °C). Tepelnú odolnosť polyméru nemožno definovať jednou hodnotou teploty,ale možno ju definovať časom,po ktorý môže byť polymér vystavený určitej teplote bez toho, aby došlo k zmene niektorej konkrétnej vlastnosti, napríklad pevnosti. 

Podobne môžeme teplotne materiál degradovať pôsobením vysokého šmykového namáhania, ktoré je ovplyvnené zložením vstrekovaného materiálu,vstrekovacími parametrami, najmä vstrekovacou rýchlosťou a lokálnou teplotou na danom mieste a prierezom tvarovej dutiny (tvarová dutina pri svojom plnení polymérnou taveninou v skutočnosti predstavuje tokový kanál, kde sú tvarové prvky, zmeny hrúbok,a pod., všeobecne hydraulické odpory, ktoré môžu lokálne zvyšovať rýchlosť toku polymérnej taveniny a tým zvyšovať trenie a teda aj šmykové namáhanie) alebo vtokového rozvodu (nevhodne zvolené  - malé – prierezy kanálov vo vzťahu k objemu dopravovanej polymérnej taveniny) na danom mieste formy. Opäť však nejde o horenie.

V úvode tejto kapitoly padla zmienka o spomaľovaní, retardácii horenia, respektíve o inhibičnom účinku, potláčaní, zabraňovaní horeniu, spaľovaniu v dôsledku tepla a plameňa a chránení plastových súčastí pred vznietením, pred zapálením. Retardéry (brzdy) horenia alebo samozhášavé prísady sú látky, ktoré zvyšujú tepelnú odolnosť materiálov proti horeniu a tým znižujú alebo zmenšujú horľavosť termoplastov, respektíve ju spomaľujú, kontrolujú a prípadne aj zhášajú horenie. Ich účinnosť sa zvyčajne prejavuje až pri vyšších koncentráciách (5 % až 30%  aj viac, až 80 %), je závislá od retardačnej schopnosti danej látky, a preto tieto majú vplyv aj na spracovateľské (výdrž taveniny pri teplote, šmykové namáhanie pri plastikácii, šmykové namáhanie pri plnení tvarových dutín foriem polymérnou taveninou) a aj na úžitkové vlastnosti (zvyčajne negatívne ovplyvňujú mechanické vlastnosti polymérov). Svojím prípadným rozkladom môžu ovplyvniť aj vzhľad výstrekov. K retardácii prispievajú aj plnivá anorganického pôvodu.

Rad aditív spomaľujúcich horenie zabraňuje pyrolýze, ktorá môže spôsobovať požiare. Pyrolýza je proces, pri ktorom sa molekuly polyméru rozkladajú na molekuly uhľovodíkov a horľavé plyny, potom sa spájajú s kyslíkom za vzniku exotermických (vzniká teplo) chemických reakcií. Reaktívne prísady spomaľujúce horenie sú vložené do samotnej molekuly polyméru, zatiaľ čo aktívne prísady sú primiešané do zmesi k polymérnemu materiálu. Oba druhy aditív, retardérov horenia môžu potlačiť vznietenie v parnom (plynnom) a kondenzovanom (pevnom) skupenstve ohňa.

Všeobecne možno uviesť, že sú k dispozícii tri druhy prísad spomaľujúcich horenie:

- radikálové zhášanie v plynnej fáze - brómované spomaľovače horenia (BRF). BRF sú organohalogénové zlúčeniny, ktoré podliehajú tepelnej degradácii pred uvoľnením chemikálií, ktoré znižujú oxidačné reakcie plameňov. BRF sú lacné a fungujú s mnohými polymérmi, ale halogény sa považujú za toxické a preto sú tieto aditíva v plastoch zakázané 

- endotermická degradácia - využíva minerálne zlúčeniny známe ako antacidá (prevzaté z lekárskeho slovníka – zlúčeniny znižujúce kyslosť obsahu žalúdka), ako sú hydroxidy hliníka alebo horčíka, ako retardéry horenia pre parnú fázu ohňa - prítomnosť plynného kyslíka alebo látok uvoľňujúcich kyslík a tým podporujúcich proces horenia. Tieto zlúčeniny sa rozkladajú, keď sú vystavené vysokému teplu, absorbujú teplo vytvorené endotermickými reakciami (energia vo forme tepla sa spotrebúva). Tým sa zastaví spaľovanie, ochladí sa materiál a zabráni sa vzniku plameňov  

- tepelné tienenie (tvorba uhlíka) - fosforové spomaľovače horenia sú nehalogénované zlúčeniny, ktoré pri zahrievaní tvoria kyselinu fosforečnú, ktorá zuhoľnatie pevnú látku a vytvorí hrubú vrstvu uhlíka. Tá izoluje polymér a spomaľuje pyrolýzu, čo má za následok sťažené uvoľňovanie plynov, ktoré by mohli podnietiť požiar. Fosforové prísady spomaľujúce horenie môžu byť aktívne (schopné reagovať na vonkajšie podnety)  alebo reaktívne (schopnosť chemickej látky vstupovať do chemických reakcií).

Niektoré plasty sú zo svojej podstaty odolné voči teplu a majú vysoké body topenia, čo pomáha zabrániť ich vzplanutiu. Tieto plasty nevyžadujú prísady spomaľujúce horenie, napríklad amorfný polyéterimid (PEI, teplota topenia 219 °C), polybenzimidazol (PBI, trvalá teplotná odolnosť na vzduchu 343 °C), čiastočne kryštalický polyéteréterketón (PEEK, teplota topenia 371 °C), čiastočne kryštalický polyfenylénsulfid (PPS, teplota stáleho pôsobenia tepla až 240 °C), amorfný PVC (teplota topenia od cca 160 °C do cca 210 C), PTFE (teplota topenia 327 °C),a pod.

Okrem radu výhod ako je napríklad vhodnosť pre celý rad aditív a najmä pre tvorbu kompozitov, v ktorých majú, ako napríklad PPS, funkciu polymérnej matrice – s vystužujúcimi plnivami (sklené,uhlíkové vlákno), s časticovými minerálnymi plnivami, modifikované  elastomérmi, s vysokou chemickou odolnosťou, s vysokou teplotnou odolnosťou, odolnosťou voči plazivým prúdom, tepelne aj elektricky vodivé, s dobrými klznými vlastnosťami, atď. – majú aj určité menej vhodné vlastnosti, najmä podmienené svojou vysokou teplotou topenia kryštalického podielu (vyše 280 °C) – vysoká energetická náročnosť pri vstrekovaní - teplota sušenia 130 °C, čas sušenia suchým vzduchom 3 až 4 hodiny, teplota taveniny 310 °C až 330 °C, teplota formy 130 °C až 150 °C.  

S požiadavkou na používanie, najmä v konštrukcii automobilov typu BEV úzko súvisí aj požiadavka na trvanlivé farebné vyhotovenie výstrekov (konektory,kryty a ďalšie diely) spojených s batériou (v širšom pohľade nesmieme zabúdať ani na plastové diely v nabíjacích staniciach) -  oranžové prefarbenie, ktoré musí zodpovedať norme na označovanie elektrických vodičov a musí byť odolné voči vysokým spracovateľským teplotám pri vstrekovaní. V mnohých prípadoch si konštruktéri vystačia s kompozitmi, ktorých matricu tvoria tak homopolyméry alebo kopolyméry polypropylénu, alebo polyamidové kompozity, v oboch prípadoch plnené minerálnymi, časticovými plnivami alebo sklenými, vystužujúcimi vláknami. Materiály majú odolnosť proti ohňu UL 94 V-0.

Koniec prvej časti. 

Druhú časť nájdete tu.
Tretiu časť nájdete tu.
Štvrtú časť nájdete tu.