🔬 A) Pohyb polymerních řetězců na molekulární úrovni
Vizualizace segmentálního pohybu, volného objemu, krystalických lamel, síťování a změkčovadla
Polymery a teplota skelného přechodu
Polymery a teplota skelného přechodu (Tg)
Interaktivní makromolekulární simulátor: struktura řetězce, fázové a relaxační přechody, reologie a 3D tisk
Katedra chemie FP TUL · Didaktika & Materiálová chemie
Vyberte reálný polymer (11 průmyslových a výukových materiálů):
Stav polymeru
1. Sklovitý (T < Tg)
2. Skelný přechod (T ≈ Tg)
3. Kaučukovitý / viskoelastický (Tg < T < Tm)
4. Viskózní tavenina (T > Tm, nesíťované)
🧪 Laboratoř makromolekul: Teplota a strukturní parametry
Měňte teplotu T i vnitřní stavbu řetězců – všechny grafy, animace a mechanické vlastnosti se přepočítají v reálném čase.
Aktuální teplota vzorku (T)
22 °C
295,15 K
−150 °C
−50 °C
+50 °C
+150 °C
+280 °C
Rychlé teplotní scénáře z praxe:
1. Tuhost řetězce & boční skupiny
0 °C
Objemné (např. fenyl) či polární skupiny brání rotaci vazeb a zvyšují Tg.
2. Stupeň krystalinity
30 %
Uspořádané lamely zpevňují polymer mezi Tg a Tm a snižují průhlednost.
3. Hustota síťování (vulkanizace)
0 %
Při > 15 % kovalentní můstky zabrání tavení a toku (termoplast → elastomer / reaktoplast).
4. Obsah změkčovadla (plastifikátor)
0 %
Malé molekuly zvětšují volný objem mezi řetězci a výrazně snižují Tg (měkčené PVC).
Polyethylentereftalát (PET)
Semikrystalický termoplast · Opakující se jednotka (mer)
Aktuální Tg
75 °C
Teplota tání Tm
255 °C
Modul pružnosti E
2 800 MPa
📈 B) Teplotní závislost vlastností (táhni kurzor T v grafu)
Porovnej relaxační přechod 2. druhu (Tg) a fázový přechod 1. druhu (Tm)
🏋️ C) Zkouška materiálu při teplotě 22 °C
Makroskopické mechanické chování a dopad na praxi / 3D tisk
🧭 Badatelský mód: 6 laboratorních výzev
Nastavte v simulátoru požadovaný polymer, teplotu či úpravu struktury – aplikace váš výsledek automaticky vyhodnotí.
Splněno: 0 / 6 výzev
1. Časté miskoncepty žáků a studentů
- Záměna Tg a Tm: Studenti se často domnívají, že při Tg se plast roztaví na kapalinu. Ve skutečnosti jde o kinetický relaxační přechod (2. druhu), kdy začnou kmitat segmenty amorfních oblastí, ale materiál zůstává pevný (kaučukovitý).
- „Každý plast má teplotu tání“: Čistě amorfní polymery (ataktický PS, PMMA) a hustě síťované reaktoplasty (epoxid) nemají krystalickou fázi, a tedy nemají Tm (reaktoplasty se při přehřátí chemicky rozkládají).
- Teplo jako jediné změkčovadlo: Vnitřní plastifikace (změkčovadlo v PVC) snižuje Tg zvětšením volného objemu stejně účinně jako ohřev, ale trvale i při pokojové teplotě.
2. Doporučený scénář do výuky (SŠ / VŠ)
- Evokace (3D tisk & každodenní život): Nechte studenty v Badatelském módu vyřešit Výzvu 1 (deformace výtisku z PLA v rozpáleném autě při 70 °C) a Výzvu 3 (křehnutí kelímku z PP v mrazáku).
- Práce s křivkami V(T) a DSC: Porovnejte skokovou změnu objemu při Tm (fázový přechod 1. druhu – tání krystalitů) se změnou směrnice při Tg (fázový přechod 2. druhu).
- Molekulární inženýrství: Na příkladu PVC ukažte, jak tentýž polymer slouží jako tvrdé trubky (novodur, Tg = 82 °C) i měkké hadičky (měkčené PVC, Tg < 0 °C).
3. Vazba na inovaci výuky KCH FP TUL
- Pilíř P7 (Interdisciplinární a STEAM přístupy): Propojuje makromolekulární chemii s fyzikou pevných látek (modul pružnosti, viskoelasticita), termickou analýzou (DSC) a moderními technologiemi (3D tisk FFF/FDM).
- Pilíř P9 (Digitálně podporované učení): Víceúrovňová reprezentace (submikroskopický pohyb řetězců ↔ makroskopická zkouška ohybem ↔ grafická data) odstraňuje kognitivní bariéru abstraktních pojmů.
- Kompetence KRAAU 1.1 a 1.2: Rozvíjí oborovou hloubku i didaktickou transformaci tématu polymerních materiálů.