České varianty konstrukčních metakrylových kopolymerů

České varianty konstrukčních metakrylových kopolymerů

Vývoj a využití polymerních látek zaznamenal v posledních desetiletích velký rozmach. Důvodem je zejména potřeba nových materiálů se specifickými vlastnostmi.

Právě elektrotechnika a elektronika jsou obory, kde se makromolekulární látky v hojné míře využívají. Společnými parametry pro využití plastů pro elektrotechniku a elektroniku jsou jejich velká odolnost proti stárnutí a dlouhodobé zachování stability požadovaných parametrů. Používají se zde především jako elektroizolační materiály.

Tento příspěvek je věnován posouzení aplikovatelnosti dvou variant českého materiálu Umacryl K a Umacryl M na základě zjištění a zhodnocení jejich základních elektrických a mechanických vlastností. Je třeba dodat, že práce samotná vznikla na základě kooperace s Výzkumným ústavem organických syntéz Pardubice.

Oba typy materiálu Umacryl patří do skupiny konstrukčních makromolekulárních termoplastických materiálů na bázi metylmetakrylátu (MMA). Makromolekuly těchto látek jsou zpravidla lineární a nevětvené. Celá skupina těchto materiálů se vyznačuje především zajímavými optickými vlastnostmi. Jsou čiré, bezbarvé, mají velmi dobrou světelnou stabilitu, nepropouští UV záření a ani vlivem dlouhodobého klimatického namáhání netmavnou či nežloutnou. Nejrozšířenějším představitelem této velké skupiny termoplastů je homopolymer MMA polymetylmetakrylát (PMMA). Kromě PMMA se vyrábí i celá řada kopolymerů MMA. Jejich základní stavební jednotkou je opět MMA, je však kombinován s menším množstvím dalších komonomerů. Jejich obsah v základní bázi bývá do 20 %. Účelem kopolymerací je vždy modifikace vlastností PMMA, popř. snížení výrobní ceny finálního produktu. Estery kyseliny metakrylové jsou z hlediska své kopolymerační schopnosti ojedinělým případem, protože kopolymerují s téměř většinou běžných monomerů.

PMMA a kopolymery na bázi MMA bývají pro svůj vzhled nazývány organickými, někdy také bezpečnostními skly. Dříve se jako organická skla označovaly materiály vyráběné výhradně na bázi odlévaných polymetakrylátů. V současné době do této skupiny řadíme i výrobky zhotovené dalšími technologickými postupy (vstřikované, popř. vytlačované trubky, tyče a jiné profily). Sem řadíme i materiály na bázi některých dalších amorfních polymerních materiálů (polykarbonátů, polystyrenu), které se také vyznačují dobrými optickými vlastnostmi.

Firma Aliachem, závod Synthesia a. s., vyrábí dva základní druhy kopolymerů metylmetakrylátu (MMA), jež se od sebe liší především druhem přídavné komonomerní složky. Jde o materiály Umacryl K a Umacryl M. Některé jejich základní vlastnosti jsou uvedeny v  tab. 1.

Umacryl K je suspenzní technikou vyráběný kopolymer metylmetakrylátu (MMA) se styrénem. V Synthesii a. s. se vyrábí již od 70. let. Umacryl K si zachovává typické vlastnosti metakrylátových polymerů, má tedy dobré mechanické i elektrické vlastnosti, zejména však výborné optické vlastnosti a velkou odolnost vůči povětrnostním vlivům.

Jeho hustota je 1 120 kg/m³, nasákavost nejvýše 0,3 % a tepelná odolnost podle Vicata minimálně 100 °C. Odolává studené i horké vodě do 80 °C, včetně tekutých potravin (víno, káva, čaj, jedlé oleje), dále hydroxidům a zředěným kyselinám. Rozpustný je v ketonech, esterech a aromatických uhlovodících.

Je určen zejména pro výrobu vytlačovaných deskových materiálů. Ty lze zpracovávat nejrůznějšími způsoby mechanického obrábění, jako je např. soustružení, vrtání, řezání, frézování, broušení. Desky se mohou zpracovávat též tvářením za tepla (v rozmezí teplot 120 až 135 °C).

Umacryl K je možné použít k výrobě různých krytů, konstrukčních dílů, součástí přístrojů, lékařských pomůcek, signalizačních zařízení, ovládacích tlačítek, krytů osvětlovacích těles, rýsovacích pomůcek atd.

Druhou variantou materiálu Umacryl je modifikace M, což je nově vyvinutý, suspenzní technikou připravený kopolymer metylmetakrylátu (MMA) s butylakrylátem. Sériově se však doposud nevyrábí.

Co se týče vlastností, řadí se ke standardním typům polymetylmetakrylátů (PMMA), resp. kopolymerů MMA. Jednotlivé typy mohou být zpracovávány vytlačováním nebo vstřikováním.

Na rozdíl od Umacrylu K neobsahuje styrén. Materiál je určen k obdobnému použití jako Umacryl K.

Jak již bylo uvedeno, aplikovatelnost obou variant Umacrylu jsme posuzovali na základě měření a následného porovnání elektrických a mechanických vlastností. Z elektrických veličin to byla vnitřní rezistivita r, polarizační index p_i (minutový a desetiminutový), směrnice náhrady redukovaných resorpčních křivek k (to vše voltampérovou metodou podle ČSN IEC 93), relativní permitivita e_r a ztrátový činitel tg d pro frekvence 100 Hz (modifikovaným Scheringovým můstkem podle ČSN IEC 250) a 1 MHz (Q-metrem podle ČSN IEC 250), v neposlední řadě průrazné napětí U_p a elektrická pevnost E_p (krátkodobou zkouškou s rychlým nárůstem napětí pro průmyslovou frekvenci 50 Hz podle ČSN EN 60243-1). Z mechanických vlastností jsme určili mez pevnosti v tahu s_M, jmenovité poměrné prodloužení e_t (ČSN EN ISO 527-2), pevnost v ohybu s_fM, deformaci ohybem v okamžiku lomu e_fB (ČSN EN ISO 178) a rázovou houževnatost metodou Charpy a_cU (rázem na širší stranu zkušebního tělíska „flatwise“ podle ČSN EN ISO 179).

Jak je z výčtu jednotlivých metod vidět, podrobný komentář a kompletní tabulky jednotlivých měření přesahují rozsahem rámec tohoto příspěvku a jsou uvedeny v [1].

Při souhrnném posouzení výsledků zjišťovaných elektrických veličin je patrné, že oba materiály projevily dobré elektroizolační schopnosti (tab. 2), tedy poměrně velkou elektrickou pevnost E_p, velkou vnitřní rezistivitu r₂₀, vysokou hodnotu polarizačního indexu p_i, nízkou hodnotu relativní permitivity e_r. Při vzájemném porovnání obou materiálů se zdá být celkově lepší Umacryl M. Přesto však má Umacryl K dvojnásobnou vnitřní rezistivitu r₂₀ (viz obr.) a zhruba poloviční ztrátový činitel tg d pro 100 Hz než Umacryl M.

Obecně lze říci, že Umacryl K má z hlediska posuzovaných elektrických vlastností větší rozptyl hodnot [1], a to v některých případech až několikanásobně (např. elektrická pevnost E_p přibližně 2,7krát, vnitřní rezistivita r₂₀ asi 2,7krát, minutový polarizační index p_i1 přibližně 2krát, ztrátový činitel tg d pro 1 MHz asi 1,56krát).

Výsledné hodnocení naznačuje, že v posuzovaných mechanických vlastnostech se zdá být naopak lepší Umacryl K, a to především díky menšímu rozptylu hodnot jednotlivých zjištěných veličin [1]. Umacryl M má v některých případech až několikanásobně větší rozptyl hodnot než Umacryl K (např. pevnost v ohybu s_fM přibližně 6,5krát, deformace ohybem v okamžiku lomu e_fB asi 4krát a rázová houževnatost a_cU přibližně 2krát). Výsledky měření mechanických vlastností jsou uvedeny v tab. 3.

Výsledky jednotlivých zkoušek naznačují, že obsah styrénu nemá zásadní vliv na elektrické či mechanické vlastnosti materiálu Umacryl K. Z přibližně poloviční deformace ohybem v okamžiku lomu e_fB lze snad vyvodit větší křehkost tohoto materiálu.

Pro uplatnění Umacrylu K je obsah komonomerní styrenové složky nevýhodou. Styren je poměrně levný, má však velmi nepříznivé účinky na lidský organismus. Vzhledem k této skutečnosti je materiál použitelný pouze v aplikacích, kde nepřipadá v úvahu namáhání (zejména tepelné), které by způsobilo uvolnění styrenu. Vyloženě nevhodný je tam, kde by takový rozklad a následné vysoké koncentrace styrenu ohrozily zdraví a životy lidí (použití v metru, při výstavbě tunelů a aplikacích, které umožňují při tepelném namáhání, zejména při hoření, vzniknout velkým koncentracím styrénu). Umacryl M je nový moderní ekologicky nezávadný materiál, jehož nevýhodou je pouze vyšší cena.

Rozhodujeme-li se při návrhu výrobku mezi Umacrylem K a Umacrylem M, je třeba přihlédnout k předešlým doporučením. Finální rozhodnutí musí být podloženo ekonomickou rozvahou.

Tab. 1. Základní vlastnosti kopolymerů firmy Aliachem

Tab. 2. Zjištěné elektrické vlastnosti

Tab. 3. Zjištěné mechanické vlasmosti