Historie a význam polymerních kompozitů

4.13.1 Historie a význam polymerních kompozitů

Ing. Miloš Sova, CSc.

Během vývoje lidské společnosti si člověk osvojil dovednost používat nejrůznější materiály, jako kámen, bronz, železo, dřevo či keramiku. Podle nejhojněji používaných materiálů byly i epochy vývoje lidstva pojmenovány, a tak jsme prošli dobou kamennou, bronzovou a železnou. Zvládnutí výroby a použití nových materiálů vždy posunulo úroveň uspokojování potřeb člověka a potažmo i úroveň techniky na kvalitativně vyšší úroveň. I v současné době si nelze představit další pokrok v technice, medicíně, informatice ani umění bez nových materiálů. Velmi názorně lze tento vývoj dokumentovat u sportovních potřeb, jakými jsou například lyže či tenisové rakety, u lékařských zařízení a pomůcek či u dopravních prostředků.

Základní tvar lyží, známý z minulého století, se dlouho příliš neměnil, zato jejich užitné vlastnosti se přechodem od masivního dřeva přes laminované dřevo ke kompozitům a plastům změnily radikálně, což ovlivnilo podstatně i vlastní techniku výkonnostního lyžování. V poslední době jsme svědky i nového jevu, kdy pokročilé kompozity používané při výrobě lyží vedly k velmi podstatné inovaci v jejich tvaru – k tzv. carvingovým lyžím. Nové materiály tak člověku otevírají i nové horizonty a posouvají vývoj kupředu. Mohou do značné míry přispět i k řešení globálních problémů lidstva, jako je hlad či zhoršující se životní prostředí. Ve vývoji progresivních materiálů je zakotven i aktivní přístup k ochraně životního prostředí (materiály inherentně recyklovatelné, použití druhotných surovin, méně energeticky náročná výroba atd.).

V současné době mají konstruktéři, projektanti, designéři, umělci, ortopedi, stomatologové a další profese k dispozici přes 15 tisíc různých materiálů ve stovkách modifikací. Pravděpodobně nejdynamičtěji rozvíjející se skupinou nových materiálů jsou polymery (plasty) včetně jejich modifikací ve formě směsí a kompozitů. Polymerní materiály, laickou veřejností nerozlišeně označované jako pryskyřice či plasty či umělé hmoty, se v masové míře začaly využívat v 50. letech minulého století, kdy se rozvinula petrochemie a suroviny pro výrobu těchto materiálů byly vedlejšími produkty výroby benzinu a jiných pohonných hmot (zejména ethylén, styrén a propylén). Od této doby se výroba a použití polymerních materiálů stalo významným průmyslovým odvětvím v mezinárodním měřítku s ročním obratem přes 10 bilionů Kč (cca 330 miliard USD v roce 2000). Plasty jsou používány pro nejrůznější aplikace od obalů (až 50 % celkové produkce polyethylénu, polystyrénu a polypropylénu), přes výrobky pro domácnost, sanitární produkty, hygienické výrobky, ochranné a zdravotnické pomůcky (diagnostické přístroje, implantáty, jednorázové aplikační pomůcky atd.) až ke konstrukčním prvkům v automobilovém, leteckém a kosmickém průmyslu, stejně jako v hardwarových součástech v rámci průmyslu informačních technologií, tj. v mobilních telefonech, přenosných počítačích atd.

Je však třeba říci, že samotná podstata polymerů (dlouhé, relativně flexibilní uhlíkové, křemíkové či heteroatomární páteřní řetězce) definuje hranice jejich použití v konstrukčních aplikacích především v důsledku limitující tuhosti, pevnosti a tepelné odolnosti. Jestliže však do pryskyřice či plastu přidáme výztuž ve formě vláken, která mají vysokou tuhost, pevnost a teplotní stabilitu, či ve formě práškových plniv, získáme zcela novou, unikátní skupinu materiálů kombinujících mnohdy synergicky mechanické vlastnosti výztuže či plniva se snadností zpracování polymerů. Skupina těchto materiálů obsahujících vláknové výztuže se nazývá polymerní kompozity a skupina materiálů obsahujících prášková plniva se nazývá plněné plasty. Tato kapitola je věnována nejrůznějším aspektům struktury, vlastností, použití i způsobů výroby a zpracování těchto “kompozitních“ materiálů ve snaze ukázat modernímu konstruktérovi, že klasická omezení, daná jeho fantazii vlastnostmi nejrozšířenějších materiálů, jakými jsou kovy, beton a ostatní tradiční materiály, je možno překročit právě s pomocí polymerních kompozitů. Materiálovému inženýrovi zase nabízí řadu v poslední době nalezených a kvantifikovaných vztahů mezi strukturou a výslednými vlastnostmi kompozitů.

Materiálového inženýra zaujmou polymerní kompozity především obrovskou flexibilitou relativně jednoduše tvořených materiálových struktur a tomu odpovídajícím širokým spektrem užitných vlastností. Specifikem výroby vláknových kompozitů je fakt, že ve většině případů je vlákny vyztužený kompozitní materiál…