Lubom�r Zeman: Elektromobilita a vstrekovanie termoplastov, �as� 2.

Pokra�ování z první �asti �lánku »

5. REDUKCE HMOTNOSTI AUTOMOBIL�, BIOPLASTY, SAMOZHÁŠIVÉ PLASTY

Na konci p�edešlé kapitoly jsem se zmínil o výrazn� vyšší hmotnosti pln� elektrického automobilu oproti, nap�íklad, obdobnému osobnímu automobilu s pohonem dieselovým motorem. Padla i zmínka o kapacit� baterie, která je v p�ímé úm��e se specifickou energií akumulátoru a vyjad�uje pom�r mezi energií a hmotností baterie, co� má sv�j dopad na dojezd elektroautomobilu. Hmotnost vozidla je spolu s rychlostí jízdy, s po�tem akcelerací, p�ekonávání kopc� a zp�sobem jízdy �idi�e, v�etn� vyu�ívání elektrických spot�ebi�� namontovaných v automobilu pro zvýšení komfortu (zejména klimatizace, která energii také odebírá z akumulátoru, rekuperace tepelné energie na pohon spot�ebi�� nedosta�uje)  jedním z hlavních faktor� omezujících dojezd.

�ím vyšší je tedy poptávaný dojezd elektromobilu, tím t�ší a v�tší bude muset být jeho baterie, pon�vad� �ešení relativn� malé specifické energie lithiových �lánk� (relativn� malé vzta�eno k výh�evnosti benzinu a nafty) je stále ješt� otázkou budoucího technologického vývoje, kde�to politicky tla�ený p�echod na elektromobilitu je zále�itostí  sou�asnou a aktuální.

Budou-li se po�adavky na auta s co mo�ná nejv�tším „komfortním“ dojezdem týkat i bateriových elektrických vozidel, pak je p�i sou�asných technologických mo�nostech a specifické energii lithiových �lánk� jasné, �e se na trhu budou objevovat  veliké a t�ké elektromobily (v�tší zatí�ení mechanických díl� auta, v�tší zatí�ení a opot�ebení vozovek, v�tší od�r pneumatik, v�tší opot�ebení a od�r brzd, v�tší zatí�ení podlah v patrových gará�ích, které na taková zatí�ení nejsou dimenzovány, atd.), p�i�em� výroba trak�ních baterií, je� budou muset být o to v�tší, o� bude poptávka po velkých BEV v�tší, bude energeticky tím náro�n�jší a vyprodukuje tím více dodate�ných emisí skleníkových plyn�.

Má-li p�echod na elektromobilitu p�edstavovat krok u�in�ný pro dosa�ení sní�ení emisí skleníkových plyn� a pro dosa�ení uhlíkové neutrality do roku 2050, pak se stane, p�i stávající poptávce po velkých a výkonných automobilech (jsou výhodné i pro automobilky proto�e generují v�tší míru zisku ne� malá auta), nejen zcela neú�elným, ale naopak jdoucím proti cíl�m a závazk�m Evropské unie a pota�mo Pa�í�ské klimatické dohody. Je zcela jisté, �e p�echod na elektromobilitu neodstraní, nap�íklad, emise z od�ru pneumatik a v sou�innosti s automatickými p�evodovkami ( nemo�nost brzd�ní motorem ) i z podstatn� v�tšího od�ru brzd, které musí brzdit podstatn� v�tší hmotnosti.

Navíc, nová evropská emisní norma Euro 7,p�ipravovaná k realizaci od poloviny roku 2025,pokud bude platit v sou�asném zn�ní, by mohla zm�nit p�ístup dalších zákazník� k nákupu osobních automobil�. Zavedení po�adavk� normy Euro 7 do konstrukce osobních automobil� by mohlo jejich prodejní cenu zvýšit v pr�m�ru a� o 50 000,- K�, co� se, samoz�ejm� více dotkne menších automobil� se sou�asnou ni�ší prodejní  cenou.

Uvedená disproporce se zákonit� musí projevit ve snaze konstruktér� hybridních a elektrických automobil� sni�ovat jejich konstruk�ní hmotnost. Tato výzva za�íná u výb�ru nových materiál�, co� se samoz�ejm� týká i plast�, p�i�em� se nesmí zapomínat na jeden z velmi d�le�itých po�adavk�, a to na samozhášivost plast� pou�ívaných v uvedených EV typech automobil�.

Vlastnost plast� nazývaná samozhášivost není, samoz�ejm�, u plast� pou�ívaných v konstrukci automobil� nová, ale s rozvojem automobil�, které pou�ívají ke svému pohonu a ukládání pohonné energie baterie – obecn�, nej�ast�ji, tzv. lithiové baterie – výrazn� nabývá na d�le�itosti. 

5.1 Lithiové baterie

Lithiová baterie je v principu elektrochemickým �lánkem, co� znamená, �e v d�sledku reakce, která v baterii probíhá, dochází k tvorb� elektrického nap�tí. Baterie je tvo�ena dv�ma polo�lánky (anoda - katoda) pono�enými do elektrolytu a odd�lenými separátorem, který brání zkratování baterie.

Materiály kladných elektrod jsou látky s vysokým podílem chemicky vázaného kyslíku, a tedy podporující ho�ení. Materiály záporných elektrod jsou samy o sob� ho�lavé a nez�ídka na vzduchu samozápalné. K tomu p�istupuje elektrolyt tvo�ený roztokem lithnaté soli v organické, obvykle ho�lavé kapalin�. 

Baterie v BEV se skládají z jednotlivých �lánk�, které obvykle mají tvar válcový (cylindrický) nebo hranolový  prizmatický). �lánky se skládají do modul�, ze kterých se sestavují packy – Li baterie. Pro p�edstavu Tesla, model Y má baterii s maximálním výkonem 310 kW, která obsahuje 7 104 cylindrických �lánk�, model Tesla 3 s baterií o maximálním výkonu 250 kW jich má 4 416. Ka�dý �lánek je o n�kolik milimetr� na pr�m�ru i délce v�tší ne� standardní tu�kový �lánek typu AA (rozm�ry baterie AA jsou – pr�m�r 14 mm, délka 50  mm).

V souvislosti s provozem vozidel s bateriovým pohonem m��e dojít k poškození baterie – packu. P�i poškození baterie m��e dojít uvnit� baterie ke spušt�ní ne�ádoucí reakce, která  vyvolá nár�st teploty. Pokud nedojde k v�asnému ochlazení baterie, dochází k uvol�ování dýmu a následn� m��e dojít ke vznícení baterie.

Mezi nejb�n�jší p�í�iny poškození se �adí:

- mechanické namáhání - typickým p�íkladem m��e být dopravní nehoda. V d�sledku nárazu m��e dojít k poškození separátoru a k následnému zkratování baterie spojenému s uvol�ováním velkého mno�ství energie. I kdy� je dopravní nehoda elektrovozidla spojená s po�árem no�ní m�rou hasi��, nelze o�ekávat, �e bude k po�áru docházet u ka�dé dopravní nehody elektrovozidla

- elektrické namáhání - k tomu m��e dojít nap�íklad pou�itím nevhodného typu nabíje�ky, nebo v d�sledku poruchy

- tepelné namáhání - i zah�átí baterie m��e zp�sobit spušt�ní reakce uvnit� baterie. K zah�átí m��e dojít nap�íklad p�i ší�ícím se po�áru, který vznikl mimo prostor s baterií

Existují i další mo�né p�í�iny poškození – nap�íklad výrobní vada, úmyslné poškození apod., ale ty nebudou tak �asté. Je samoz�ejmé, �e konstrukté�i automobil� na tato nebezpe�í myslí a konstrukci, nap�íklad ulo�ení baterie v automobilu, tomu uzp�sobují, v�etn� jeho vybavení r�znými elektronickými senzory chránícími jejich bateriové systémy.

5.2 Termoplasty se sní�enou ho�lavostí

5.2.1 Ho�lavost

Studie jak plasty – reaktoplasty, termoplasty a kompozitní materiály s polymerní matricí -  ho�í, byly a stále jsou jednou z hlavní oblastí výzkumu na vysokých školách, v pr�myslu a v r�zných národních, vojenských a soukromých laborato�í po celém sv�t�. Nikdo zatím nebyl schopen vy�ešit všechny faktory, které se vyskytují v pr�b�hu spalování materiál� na polymerní bázi. Neexistuje ucelený model spalování u t�chto materiál�, n�které aspekty jsou jasné a další aspekty, zejména pokud jsou n�které jejich ú�inky propojeny (jak je tomu u reálných po�ár�), umo��ují pouze hrubé aproximace.

Obecn� platí konstatování, �e všechny polymery jsou za ur�itých podmínek ho�lavé. Ho�lavost polymerních materiál� jako organických látek, které jsou ji� ze své povahy více �i mén� ho�lavé, je nejv�tší, kdy� jejich makromolekuly sestávají pouze z atom� uhlíku a vodíku. Jejich ho�lavost lze sní�it aditivy, ale ani jejich p�sobením k dokonalému odstran�ní ho�lavosti nedojde.

Aby mohl proces ho�ení probíhat je pot�eba splnit t�i podmínky:

1. P�i specifických podmínkách mít ho�lavou látku schopnou reakce s oxida�ním �inidlem a tím se podílet na rozvoji ho�ení – jak bylo uvedeno výše, polymerní matrice tuto podmínku spl�ují prakticky bez výhrad
2. Druhou podmínkou je p�ítomnost oxida�ního �inidla – tím v�tšinou bývá plynný kyslík nebo látky kyslík uvol�ující
3. V neposlední �ad� je zde t�etí podmínka – inicia�ní zdroj – jiskra, plamen, jiné zdroje tepelné energie, nap�íklad elektrický zkrat, apod.

Co je z�ejmé, je to, �e za podmínek, které obvykle existují p�i po�áru, skelná vlákna neho�í, a tedy nep�ispívají ke spalování materiálu, ale z druhého pohledu p�ispívají ke zvýšení hmotnosti p�íslušného kompozitního materiálu. Také v�tšina anorganických plniv neho�í, ale vstupují do procesu ho�ení a mohou mít vliv na spalovací proces.

Ostatní vláknové výztu�e – uhlíková vlákna, aramidová vlákna, chemická (polymerní) vlákna, vlákna p�írodní, �ivo�išného p�vodu, minerální, atd. – sni�ují m�rnou hmotnost vst�ikovacích kompozit�, budou, za podmínek po�áru, ho�et, ale jejich p�ísp�vky ke vzniku a pr�b�hu ho�ení jsou obecn� mnohem menší ne� u polymerních matric a obvykle nejsou výrazn� brány v úvahu. 

Ho�lavost  tedy závisí p�edevším na chemické struktu�e polymeru a  na n�kterých fyzikálních �initelích ovliv�ujících ho�ení, nap�íklad mno�ství kyslíku, velikosti povrchu (snadn�ji ho�í vlákna a fólie ne� polymery ve form�  výrobk� s v�tšími tlouš�kami st�n), apod. D�le�itým faktorem ovliv�ujícím rychlost rozkladu a ho�ení polymer� je jejich sou�initel tepelné vodivosti, ty s vyšším sou�initelem tepelné vodivosti jsou h��e zapálitelné.

Ho�ení nejlépe odolávají polymery, které na vznik plynných rozkladných produkt� spot�ebují nejvíce spalného tepla a p�i jejich ho�ení se naopak uvolní tepla nejmén�. Odolnost polymer� proti ho�ení vzr�stá s pom�rem obsahu uhlíku k vodíku v nich a se vzr�stajícím obsahem prvk� majících na ho�ení inhibi�ní ú�inek (inhibice = p�eká�ka, zábrana), se schopností rozkládat se p�i vysokých teplotách za odšt�pování vody. P�ítomnost neho�lavých prvk� v makromolekulárním �et�zci – dusík, k�emík, atd. - zvyšuje jejich odolnost v��i ohni.

Polymery, které obsahují v makromolekule dostate�nou koncentraci retardujících prvk� (retardace = opo��ování, zvol�ování, zpomalování),po oddálení plamene p�estávají ho�et, jsou samozhášivé (nap�íklad polyvinylchlorid – PVC - a  polytetrafluorethylen - PTFE). 

Malou odolnost proti p�sobení ohn� mají polymery depolymerující na ho�lavý monomer nebo, které se rozkládají na ho�lavé zplodiny, nap�íklad, polyolefiny (PP , PE),polystyren (PS), polymethylmetakrylát (PMMA), polyoxymethylen (POM), kau�uky.

K ho�ení polymeru dochází pouze na jeho povrchu a tedy rychlost ho�ení je závislá i na velikosti jeho ho�ícího povrchu, p�i�em� na povrchu vzniká zuhelnat�lá vrstva, která polymer izoluje od plamene a tak rychlost ho�ení sni�uje. 

Proto�e nejsou k dispozici objektivní hodnotící kritéria pro ur�ení posloupnosti polymer� podle jejich odolnosti k p�sobení ohn�, je k dispozici �ada metod hodnocení ho�lavosti polymerních materiál�, v oboru vst�ikování termoplast� se nej�ast�ji pou�ívá tzv. limitní kyslíkové �íslo – LK� (Limited Oxygen Index – LOI) a metodiky americké organizace Underwriters Laboratories – UL 94 V, vertikální uspo�ádání zkoušky a UL 94 HB, horizontální uspo�ádání zkoušky. Uvedené zkoušky pracují s otev�eným plamenem.

Limitní kyslíkové �íslo – LOI = ( O₂ / ( O₂ + N₂ )) . 100 /%/ - odpovídá minimální koncentraci kyslíku, v objemových procentech, ve sm�si s dusíkem, p�i které polymer ješt� ho�í. Polymerní materiál je siln� ho�lavý, kdy� jeho LOI je menší ne� 21 objemových %, pomalu ho�ící p�i LOI v rozmezí 21 % a� 28 % a je samozhášivý má-li kyslíkové �íslo v�tší ne� 28 objemových procent. Limitní kyslíková �ísla n�kterých termoplast� ( v objemových %):

POM 15, PMMA 16, PE 17, PP 17, PS 18, PET 23, PA 6 23, PA 66 27, PC 28, PSU 32, PEEK 35, PEI 47, tvrdé PVC 47; fenoplasty 35; kau�uky: SBR 22,EPDM 24.    

Pro testování, získání LOI daného materiálu, se pou�ívají malé vzorky materiálu, které jsou upnuty svisle ve sklen�né trubici, ve které se nachází ur�itá koncentrace kyslíku a dusíku, která m��e být m�n�na. Cílem je otestovat ho�lavost vzorku zapáleného malým plamenem a najít minimum koncentrace kyslíku nutné k ho�ení vzorku. �íselné vyjád�ení LOI umo��uje porovnávání materiál� mezi sebou. Test je opakovatelný a slou�í k zajišt�ní kvality a pro stanovení potenciálu ho�lavosti materiálu.

Z výše popsaného chování termoplast� z pohledu jejich ho�ení vyplývá, �e p�i jejich zpracování technologií vst�ikování prakticky nem��eme, zm�nou procesních technologických parametr�, vyvolat jejich ho�ení a tedy sní�it nebo zvýšit jejich odolnost proti ho�ení. Správn� zvolené technologické parametry nem�ní slo�ení makromolekul daného vst�ikovaného materiálu, ani aditiv na n� navázaných nebo vlo�ených.

Nevhodnou zm�nou technologických parametr� vst�ikování m��eme ovlivnit ( spolu s konstrukcí vst�ikovací formy ) vznik Diesel efektu, tj. vznik lokálního místa se spáleným materiálem, ale p�i vzniku Diesel efektu se nejedná o plamen.

K tepelnému rozkladu, zejména aditiv v termoplastech, m��e dojít vlivem dlouhého setrvání polymerní taveniny na zpracovatelské teplot� v plastika�ní komo�e vst�ikovacího stroje nebo v horkém rozvodu vst�ikovací formy. Ale zde se jedná o nep�ímé ovlivn�ní ho�lavosti, kdy se teplotn� mohou rozkládat – ale neho�et – jednotlivé komponenty polymeru a� jeho makromolekuly. Jedná se o postupný proces, který m��e za�ínat ji� p�i

relativn� nízkých teplotách (nad 100 °C). Tepelnou odolnost polymeru nelze definovat jednou hodnotou teploty, ale lze ji definovat dobou, po kterou m��e být polymer vystaven ur�ité teplot�, ani� by došlo ke zm�n� n�které konkrétní vlastnosti, nap�íklad pevnosti. 

Obdobn� m��eme teplotn� materiál degradovat p�sobením vysokého smykového namáhání, které je ovlivn�no slo�ením vst�ikovaného materiálu, vst�ikovacími parametry, zejména vst�ikovací rychlostí v daném míst� a pr��ezem tvarové dutiny nebo vtokového rozvodu v daném míst� formy. Op�t se, ale nejedná o ho�ení.

5.2.2 Prost�edky sni�ující ho�lavost polymer�, retardéry ho�ení, zpomalova�e ho�ení, samozhášecí p�ísady

Na výrobky z polymerních materiál�, v nich� polymer tvo�í matrici, jsou kladeny velmi r�znorodé kvalitativní po�adavky, které „�isté“ polymery nejsou schopné splnit. Proto se tyto upravují dalšími látkami - p�ísadami, aditivy, slo�kami, p�ím�semi – které spolu s polymery tvo�í polymerní sm�si.

Retardéry (brzdy) ho�ení nebo samozhášecí p�ísady jsou látky, které zvyšují tepelnou odolnost materiál� proti ho�ení a tím sni�ují nebo zmenšují ho�lavost termoplast�, respektive ji zpomalují, kontrolují a pop�ípad� i uhasínají ho�ení. Jejich ú�innost obvykle funguje a� p�i vyšších koncentracích (5 % a� 30%  i více, a� 80 %),je závislá na retarda�ní schopnosti dané látky, a proto tyto mají vliv i na zpracovatelské (výdr� taveniny na teplot�, smykové namáhání p�i plastikaci, smykové namáhání p�i pln�ní tvarových dutin forem polymerní taveninou) a i na u�itné vlastnosti (obvykle negativn� ovliv�ují mechanické vlastnosti polymer�). K retardaci p�ispívají i plniva anorganického p�vodu.

Polymery jsou nej�ast�ji tvo�eny z uhlíku, vodíku a dalších prvk� jako je kyslík, dusík, síra a další. Je-li polymerní materiál vystaven tepelnému namáhání, dochází k jeho tepelné degradaci, co� se projeví rozpadem vnit�ních vazeb v polymeru. V d�sledku zániku vazeb v polymerním �et�zci vznikají nízkomolekulární plyny, které jsou ho�lavé. Tepelná stabilita prakticky všech polymer� je v rozmezí teplot od cca 350 °C do cca 450 °C.

Nejvýhodn�jším zp�sobem pro zpomalení ho�ení je zamíchání retardér� ho�ení p�ímo do polymerní matrice. Tato p�imíchaná aditiva jsou schopná chemicky nebo fyzikáln� potla�it vzplanutí i ho�ení.

P�idání retardér� ho�ení do polymerních látek se m��e projevit n�kolika zp�soby:

- z�ed�ní organické látky inertním plnivem, co� má za následek zvýšení tepelné kapacity materiálu, zvýšení tepelných vlastností materiálu, sní�ení objemu ho�laviny a sní�ení tvorby kou�e
- z�ed�ním plyn� neho�lavými slo�kami, které p�i zvýšených teplotách uvol�ují ur�ité mno�ství vody a tím oddalují ho�ení, sní�ení mno�ství vzniklých plyn� napomáhá vzniku sazí, co� je z pohledu retardace ho�ení pozitivní proces, proto�e saze vytvá�ejí bariéru mezi polymerem a plamenem
- blokováním mechanismu ho�ení
- vytvo�ením povlaku, který omezí p�ístup vzduchu a tím blokuje spalování a vytvá�í i izola�ní ochrannou vrstvu p�i spalování polymerního materiálu

Retardéry ho�ení na polymerní bázi m��eme rozd�lit do t�í základních skupin: 

- retardéry ho�ení na bázi hydroxid� kov� alkalických zemin - dávkování je relativn� vysoké, od cca 30 % do cca 60 % ,�ím� dochází k ovlivn�ní fyzikálních i mechanických vlastností polymerních materiál�
- retardéry ho�ení na bázi slou�enin bromu – BFR -  obsah v polymeru je v rozmezí 10 % a� 15 %,
- retardéry ho�ení na bázi fosforu a k�emíku - obsah fosforu v polymerní matrici, nap�íklad v polyamidech retardovaných proti ho�ení fosforem bývá 7 % a� 8 %,p�i pou�ití k�emíku jako retardandu posta�í dávkování, nap�íklad, pro PA 66: 3 % k�emíku a 2 % chloridu cínatého, tedy výrazn� mén� ne� u p�edešlých skupin retardér� ho�ení

Krom� vst�ikovacích materiál� aditivovaných pro sní�ení jejich ho�lavosti jsou výrobci granulát� nabízeny r�zné typy vysoce výkonných termoplast�, které jsou ze své chemické podstaty tém�� neho�lavé. Jako jeden z p�íklad� je mo�no uvést kompozitní materiály s matricí na bázi polyfenylensulfidu - PPS pln�né jak sklen�nými vlákny, tak i minerálním plnivem, modifikované elastomery, odolné v��i plazivým proud�m, vhodné pro sva�ování laserem, tepeln� i elektricky vodivé, se zvýšenými kluznými vlastnostmi, atd. Z pohledu elektromobility jsou tyto typy materiál� vyu�ívány, nap�íklad, zejména v systémech �ízení teploty elektrických pohon�, v�etn� klimatizací. 

Pro uvedené typy materiál� platí p�i vst�ikování podobné zásady jako pro ostatní termoplasty, ale mají i svá specifika:

- výst�iky jsou relativn� k�ehké – design výst�iku i tvarové dutiny formy by m�l zohled�ovat ni�ší ta�nost matrice PPS
- zvýšená náchylnost k tvorb� studených spoj� – variantní simula�ní výpo�ty pro ur�ení vhodné polohy ústí vtoku
- odvzdušn�ní – pro tyto materiály jsou specifická doporu�ení pro návrh odvzdušn�ní
- krátká doba setrvání na zpracovatelské teplot� – p�i delším setrvání m��e u n�kterých typ� dojít k výraznému zvýšení viskozity taveniny – sní�ení tekutosti
- zejména u nevyztu�ených typ� m��e p�i odformování docházet k deformacím výst�ik�

Krom� výše uvedených specifik je nutno brát do úvahy také vyšší energetickou náro�nost p�i vst�ikování – teplota sušení 130 °C,doba sušení suchým vzduchem 3 a� 4 hodiny, teplota taveniny 310 °C a� 330 °C, teplota formy 130 °C a� 150 °C   

5.3 Sní�ení hmotnosti automobil�, kompozitní materiály s polymerní matricí

Rostoucí prodeje automobil� s elektrickým, p�ípadn� hybridním pohonem nás staví p�ed problematiku vst�ikování nových, inovativních materiál�, které budou spl�ovat po�adavky vyvolané zm�nou pohonu automobil�. O jednom z po�adavk� – odolnosti proti ho�ení – je p�edešlá kapitola.

Zde se v souvislosti s po�adavky na co nejvyšší ohnivzdornost zmíním o dalším po�adavku, který tyto materiály musí spl�ovat. Je to soub�ný po�adavek na trvanlivé barevné provedení výst�ik� (konektory, kryty a další díly) spojených s baterií (v širším pohledu nesmíme zapomínat ani na plastové díly v nabíjecích stanicích) -  oran�ové probarvení, které musí odpovídat norm� pro ozna�ování elektrických vodi��. Obvykle se jedná o polypropylenové nebo polyamidové kompozity pln�né minerálními, �ásticovými plnivy nebo sklen�nými, vyztu�ujícími vlákny s odolností proti ohni UL 94 V0.

Z uvedeného krátkého popisu materiál� pro díly, které jsou v kontaktu s baterií vyplývá, �e technologicky a technicky vysp�lé materiály (kompozity s plnivy a celou �adou aditiv pro zvýšení jejich u�itných vlastností s ohledem na elektromobilitu, které mohou zhoršovat jejich zpracovatelnost), bez kterých se zejména v automobilech typu BEV neobejdeme, mohou zvyšovat hmotnost vozidel, co� není vítané z hlediska stále se zp�ís�ujících norem pro emise CO₂. Vyvstává tedy otázka – jaká �ešení jsou nebo budou k dispozici, aby technická vysp�lost nešla proti po�adavk�m na redukci hmotnosti výst�ik�? Za jakou cenu budeme sni�ovat hmotnost výst�ik� ?

Jednou z cest je náhrada tradi�ních plniv typu sklen�ná vlákna nebo minerální plniva, kompozity na bázi PP s p�írodními vlákny (sní�ení hmotnosti a� o cca 20 %). Nej�ast�ji se pou�ívají na výst�iky osazované mimo deforma�ní zóny, které netvo�í nosné �ásti konstrukcí, nap�íklad se jedná o výpln� dve�í, díly do palubních desek, díly do zavazadlového prostoru, apod. Další skupinu tvo�í materiály s PP nebo PA matricí u nich� jako vyztu�ující plnivo jsou pou�ity recyklovaná uhlíková vlákna (nap�íklad z rotor� v�trných elektráren . Jejich pou�ití nahrává i metodika posuzování �ivotního cyklu, v ní� uvedené materiály mají menší bodový dopad na �ivotní prost�edí (jsou lépe hodnoceny ne� materiály se standardními plnivy) a tedy pro automobilky nep�edstavují takovou environmentální a také finan�ní zát� (pokuty za nespln�ní, mnohdy, nesmyslných limit�).

Velkou p�eká�kou p�i práci s kompozity na bázi p�írodních vláken je jejich velká rozmanitost, jak druhová tak také co se tý�e vlastností. O výsledných parametrech kompozitu rozhoduje celá �ada prom�nných, nap�íklad, typ vlákna, p�írodní podmínky (místo p�stování), metoda zpracování a výrazn� také dodate�né úpravy vláken.

Obecn� m��eme p�írodní vlákna rozd�lit podle jejich p�vodu na rostlinná, �ivo�išná a minerální, p�i�em� mohou být slo�ena jak z organických tak anorganických slou�enin.

Nej�ast�ji jsou vyu�ívaná vlákna získaná z rostlin. Ty obsahují p�írodní vlákna ve svých listech, stoncích nebo semenech (plodech). Vlákna se liší ve svých vlastnostech a morfologii, co� vyplývá z jejich odlišných funkcí v r�zných �ástech rostliny. Pr�myslov� nejd�le�it�jším rostlinným vláknem je bavlna, z hlediska vyu�ití ve form� kompozitní výztu�e mají zásadní význam tzv. lýková vlákna jako je len setý, konopí, juta nebo sisal. Stále je však celá �ada vláken, u kterých, z hlediska vyu�ití v pr�myslové výrob� kompozitních materiál�, se hledá konkrétní vyu�ití na materiál pro konstrukci výst�ik� s po�adovanými specifickými vlastnostmi.  

Je z�ejmé, �e struktura, slo�ení a vlastnosti vláken získaných z r�zných druh� rostlin se budou lišit. Dále velmi zále�í i na podmínkách, ve kterých je daná rostlina p�stována a s tím p�ímo souvisí také stá�í samotné rostliny, p�i kterém obvykle dochází k jejímu sklízení,  slo�ení bun��ných st�n rostliny se toti� s �asem m�ní, co� samoz�ejm� �áste�n� promlouvá do kone�ných vlastností samotných vláken. Dalším faktorem je zvolený proces pro získání p�írodních vláken z t�la rostliny. Tyto procesy mohou být mechanické, chemické nebo enzymatické.

Nejd�le�it�jším stavebním �lánkem p�írodního vlákna je celulóza. Tento polysacharid o vysoké molekulové hmotnosti je slo�en pouze z atom� uhlíku, vodíku a kyslíku, tj. jak bylo ji� uvedeno v kapitole o ho�lavosti, jsou vysoce náchylné k p�ípadnému vznícení. Dalšími stavebními slo�kami jsou hemicelulóza  (polysacharid), lignin a �ada dalších látek jako jsou vosky, aromatické soli, dusíkaté slou�eniny, atd., p�i�em� tyto slou�eniny nemají stavební funkci.

Mechanické i jiné vlastnosti p�írodních vláken závisí na celé �ad� faktor�, co� je hlavní problém pro reprodukovatelnost p�i výrob� polymerních kompozit� na bázi t�chto vláken. V následující tabulce jsou uvedeny základní mechanické vlastnosti a hustoty n�kterých p�írodních vláken. Tabulka p�edstavuje souhrn hodnot získaných z více odborných zdroj�. V závorce je v�dy uvedena nej�ast�ji udávaná hodnota jednotlivých vlastností.

Jak je z�ejmé z tabulky a jak ji� bylo n�kolikrát uvedeno, p�írodní vlákna mají, nap�íklad, oproti sklen�ným vlákn�m  výhodu v ni�ší hustot� – E – sklo 2,6 g.cm^-3 oproti cca v pr�m�ru 1,3 g.cm^-3 p�írodní vlákno, tj. úspora cca 50 % hmotnosti.

To je, samoz�ejm�, pozitivní vlastnost, ale mají také �adu negativních vlastností, mezi nejv�tší pat�í nízká odolnost v��i jakékoliv form� vlhkosti. Tato výrazn� negativní vlastnost p�írodních vláken je zp�sobena obsahem hydroxylových skupin uvnit� celulózového �et�zce, které velmi ochotn� do vlákna p�itahují okolní molekuly vody a tím dochází k jeho bobtnání. K nejv�tšímu prostupu vody dochází v p�í�ném �ezu vlákna. Interakce mezi hydrofilním vláknem (vlákno vodu p�itahuje) a hydrofobní matricí (vodu nesnášející) zp�sobí, �e vlákno za�ne bobtnat uvnit� matrice. Následn� dojde k oslabení vazby mezi jednotlivými fázemi a m��e dojít i k popraskání matrice, co� m��e vyústit ve velmi nízké mechanické vlastnosti výsledného kompozitu. K omezení popsané skute�nosti je nutné vlákna modifikovat r�znými aditivy nebo chemickými postupy. P�írodní vlákna za normálních podmínek obsahují mezi cca 8 % a� 14 % hmotnostními vody. 

P�ísp�vek vláken ve finálních vlastnostech kompozitu závisí na jejich mechanických vlastnostech, typu, orientaci, objemovém podílu vláken, dále na rozhraní vlákna a matrice a zp�sobu výroby kompozitu. Hlavní nevýhody p�írodních vláken musí být p�ekonány d�íve, ne� se za�nou pou�ívat v kompozitu. Nejv�tší, ji� výše zmín�ný problém zp�sobuje jejich hydrofilní povaha, zp�sobená p�ítomností polárních skupin, vedoucí ke špatné adhezi mezi vláknem a hydrofobní matricí polymeru. P�írodní vlákna jsou nekompatibilní s nepolárními – hydrofobními termoplasty, jako jsou t�eba polyolefíny (PP , PE). 

Existuje n�kolik fyzikální úprav (nap�íklad plazmou), ale nejvíce se pou�ívají úpravy  chemické. Tyto úpravy �istí povrch vláken a modifikují ho, �ím� zabra�ují pr�niku vlhkosti a zvyšují drsnost povrchu, která p�ispívá ke zvýšení adheze mezi vlákny a polymerní matricí. P�írodní vlákna obsahují hydroxylové skupiny z celulózy a ligninu, a tedy se dají chemicky modifikovat - mercerizací, akrylací, acetylací, ošet�ení izokyanátem, silanem nebo peroxidem a dalšími �inidly získají p�írodní vlákna v�tší pevnost a adhezi k matrici.

Další z negativních vlastností lýkových vláken je jejich vysoká ho�lavost P�i teplotách do 100 °C u t�chto vláken nenastávají v�tší zm�ny. Všechna p�írodní vlákna p�i teplotách nad 100 °C prod�lávají nevratné zm�ny, které mají podstatný vliv na jejich vlastnosti. P�i p�sobení suchého vzduchu o teplot� 110 °C dochází k depolymeraci vláken (jejich �loutnutí a� hn�dnutí), p�i 150 °C se tvo�í pyrocelulóza a p�i 240 °C vlákna zply�ují a uhelnatí (lignit degraduje ji� p�i teplot� okolo 200 °C,celulóza a hemicelulóza degradují p�i teplotách vyšších). D�sledkem je pokles pevnosti i všech ostatních jakostních parametr�. Tepelná odolnost p�írodních vláken výrazn� omezuje jejich vyu�ití jako vyztu�ující vláknité plnivo do matric se zvýšenou zpracovatelskou teplotou.

Dalším problémem u lýkových vláken je nízká odolnost v��i mikrobiologickým �initel�m - odolnost proti plísním a mikrob�m, biologická odolnost, vliv �ivých organizm�. Pokud nastanou vhodné podmínky (zvýšená vlhkost, p�ítomnost kyslíku a p�íhodné hodnoty pH) pro rozmno�ování plísní a bakterií, získávají tyto organismy své �iviny enzymatickým št�pením ze substrátu. P�i látkové vým�n� plísn� produkují kyseliny š�avelovou, mlé�nou, vinnou, které zabarvují substrát a mohou být zdrojem dalších poškození. V mnoha p�ípadech lze p�ítomnost plísní odhalit ultrafialovým sv�tlem, které vyvolává u napadených míst intenzivn� �lutou fluorescenci. Všechna p�evá�n� celulózová vlákna jsou št�pena enzymem celulózou, který je schopen hydrolyzovat celulózu a� na jednoduché cukry. 

Biologický rozklad vláken za�íná v jejich amorfní oblasti a rozši�uje se do krystalické oblasti. Vyšší obsah ligninu ve vlákn� mikrobiologické poškození zpomaluje.

První �ás� �lánku »

Tretí �ast �lánku »

Photo: Messe Düsseldorf/ctillmann