Ugrás a tartalomhoz

Műanyagok feldolgozása

Miskolczi Norbert (2012)

Pannon Egyetem

Habosítás

Habosítás

A habosítás során a műanyag masszába levegőt, vagy valamilyen gázt juttatnak, ezután az így kialakult buborékok visszamaradnak a műanyag megszilárdulását követően, emiatt a termék sejtszerkezetű lesz. Az így kapott termékeket sejtes műanyagoknak is szokták nevezni. Mivel a habok egy műanyag mátrixba levegő, vagy valamilyen más gáz bevitelével készülnek, ezért azok más megközelítésben a műanyag habok társított rendszerekként is felfoghatóak. A habosítás célja a tömegcsökkentés, bonyolult belső terek kitöltése, a hő- és hangszigetelés javítása, csomagolóanyagok esetében pedig az ütések, rázkódások csillapítása stb.

A habosított termékeknek a habstruktúra szerint két típusuk létezik. Az első sejtszerkezet a zárt-elemű szerkezet, amely esetében az egyes elemek jól elkülöníthetőek egymástól. A falakon nincsenek rések vagy lyukak. Ha a falak impermeabilisak, valamennyi gázt tartalmaz. A másik szerkezet nyitott, melynél az egyes elemek kapcsolatban állnak egymással (lyukacsos szerkezet). Ez a típus nem zár magába gázt. Az adott gáz így könnyen mozoghat az egyes részeken keresztül. Ez a típus leginkább egy szivacs szerkezetéhez hasonlítható.

A műanyag habok osztályozhatók a fal merevségének alapján is. Ha a fal kemény, a habot rideg, vagy kemény habnak nevezik. Ha a fal nyomás hatására elhajlik, akkor rugalmas habról beszélnek. Egyes habok rendelkezhetnek mindkét tulajdonsággal. A rideg hab rendezett szerkezetű, míg a rugalmas hab lágy szerkezetű. Nagy alaktartóságú, kis rugalmasságú habok a PS, kemény PVC, kemény PUR, UF, PF, EP. Lágyhabok a lágy PUR, lágy PVC és a PE.

Sűrűségük alapján beszélhetünk kis- és nagysűrűségű habokról. Az, hogy milyen sűrűségértékeknél beszélhetünk az egyik és mely esetekben a másik típusról iparáganként ill. anyagonként jelentősen eltérő lehet. A 40 kg/m3 sűrűségű poliuretán hab pl. nagyon kis sűrűségűnek számít, míg az ugyanilyen polisztirol hab azonban már nagy sűrűségű.

Másik fontos jellemzője ezeknek a haboknak az ütési energiaelnyelő képességük. Ha a habot ütés éri sok esetben nem szenved maradandó alakváltozást. Ez az energiaelnyelő képesség lehetővé teszi ülőbútorok töltőanyagaként, szőnyegként, ütközéskori biztonságtechnikai eszközként való alkalmazhatóságát.

Megkülönböztethetők hőre lágyuló és hőre keményedő műanyag habok is. A duroplasztok előállítása monomerekből, vagy oligomerekből történik mely során a habosítás a térhálósodással egyidejűleg megy végbe.

A habosítás költségei alacsonyabbak más formázási eljáráshoz képest, aminek két oka van: az alkalmazott nyomás nagyon alacsony, a termékek sűrűsége alacsonyabb a nem habosított termékekéhez képest. Az alacsony nyomás csökkenti a költségeket. Így a habosítás költségei az öntési eljárások költségeihez hasonlíthatók. Levegő használatával további költségcsökkentés érhető el. Az alacsony költség egy fő oka a habosított műanyagok használatának, de vannak problémás más okai is az alkalmazásnak. Például, a fizikai jellemzői a habnak, mint a párnázhatóság, vagy a nyílt szerkezetű habok gázzal való átjárhatósága.

A legjelentősebb paraméterek a habképzés során a műanyag és a habosító anyag mennyisége, valamint a műveleti paraméterek (hőmérséklet, nyomás, expanziós feltételek). A műanyag összetétele (polimer, oldószer, töltőanyag és más adalékok) lényegesen befolyásolják valamennyi terméktulajdonságot. A hab alapvetően a cellák számával és méretével jellemezhetők.

A habosítási eljárás

Mechanikai habképzés

Egy folyékony műanyagot, vagy műanyagoldatot lehet mechanikailag levegő diszpergáltatásával mechanikailag kezelni. A habzó folyadék így formázható és keményíthető. Általában így habosítanak plasztiszolokat, vinil-észtereket, urea-formaldehideket, fenolszármazékokat és poliésztereket. Linóleumpadlót és szőnyegeket készítenek ezzel az elárással.

Kémiai habképzés

Ennek során a habosító ágensből képződik a gáz, amely habosítja a műanyag szerkezetét. Amikor ezeket az anyagokat a műanyaghoz adják, elkezdődik a habképződés. A folyamatot hőközléssel segítik. A habosítást követi az alakadás és a szilárdítás. A kémiai reakció során CO2 képződik. Így habosítják a poliuretánokat, a legtöbb elasztomert. Ide kapcsolódó eljárás a gyors elgőzölögtetés, például keresztkötések kialakításánál. Ekkor a vízgőz képzi a habot.

Fizikai habképzés

Ha gázt vezetnek egy folyadékba, majd csökkentik annak nyomását, a gáz gyorsan felszabadul, ami habképződéshez vezet. Ezt hívják fizikai habképzésnek, mivel nem történik kötésfelszakadás a gáz felszabadulása során. Másik lehetőség illékony oldószer hozzákeverése a műanyaghoz, majd az elegy fűtése, aminek következtében az illékony komponens távozik. Így habosítják a PP-t, a PE-t és a PVC-t.

Üres üveggyöngyök

Habosítani úgy is lehet, hogy üveggyöngyöket, vagy műanyaggolyókat kevernek a műanyaghoz (d=0,03 mm). A golyók sűrűsége nagyon kicsi. Ezeket szintaktikus haboknak hívják, zárt szerkezetűek, gyakran alkalmazzák úszóeszközök, hangszigetelések, hőszigetelések és nagy kompressziótűrésű termékek előállításához.

Habosított műanyagtípusok

A legnagyobb ipari jelentősége a poliuretán és polisztirol habok gyártásának van, ezek az összes hab több mint 95%-át teszik ki. A hőre lágyuló habok közül jelentősek még a PE, PVC és a cellulóz alapú habok. A termoreaktív habok kisebb jelentőséggel bírnak, ilyenek a fenoplaszt és aminoplaszt habok. A termoplaszt habokat a következőképpen csoportosíthatjuk:

  • Elasztikus állapotban habosított; pl. PS

  • Ömledékállapotban habosított; pl. PS, PE, PVC

  • Kémiai reakció során, folyékony állapotból habosított; pl. PUR, PF, UF.

Polisztirolhab

A polisztirolhab az egyik legelterjedtebb hőszigetelő anyag. Alapanyaga az előhabosított sztirolgyöngy. A polisztirol keményhab pórusszerkezete igen kis átmérőjű, zárt cellákból épül fel. A polisztirolból két, lényegesen eltérő tulajdonságú habanyagot állítanak elő: hagyományos expandált polisztirol hab (EPS) és a később kifejlesztett technológiával készülő extrudált polisztirol hab (XPS). A hagyományos expandált polisztirol hab részben nyitott cellaszerkezetű hab. A polisztirolgyöngyök összehegedésük során nem alkotnak zárt szerkezetet, a szabálytalan gömbök között levegőzárványok maradnak. Maguk a gyöngyök sem tökéletesen zártak. A később kifejlesztett technológiával készülő extrudált polisztirol hab (XPS) zárt cellaszerkezetű hab. A habokat a tartós UV sugárzástól (napfénytől) védeni kell, mivel ez hosszú távon tönkreteheti az anyagot.

  1. Expandált polisztirolhab (EPS)

    Az EPS alapanyaga hőre lágyuló polimerizált sztirol, ami habosító anyagot és égéskésleltető adalékot tartalmaz. A túlnyomórészt levegőből álló (98%) anyag kiváló hőszigetelő képességet mutat, jól alakítható, egészségre, környezetre nem veszélyes. Ilyen anyag a szigetelésben jól ismert nikecel, ami kis testsűrűségű, könnyen kezelhető anyag, testsűrűsége: 10 - 30 kg/m3.

    Az expandált polisztirolhabot két fő lépésben állítják elő. Az előhabosítás során a sztirolszemcséket vízgőzben kb. 5-8 mm-es nagyságú gyöngyökké duzzasztják. A kapott anyagot szemcsés állapotban is fel lehet használni: hőszigetelésre, hőszigetelő habarcsok adalékanyagának, esetleg téglagyári alkalmazásra gázosító anyagnak.

    Második lépésben pihentetés után tovább folyik a habosítás, de ekkor már zárt sablonban. Ekkor a gyöngyök tovább duzzadnak, és hő hatására összetapadnak, így kapják a polisztirolhab tömböt. A „kizsaluzott” tömböket ezután izzószálas vágó-berendezésekkel vágják a kívánt alakúra és méretűre, általában tömb, lemez, csőhéj alakúra.

  2. Extrudált polisztirolhab (XPS)

    Az extrudált termékek könnyen felismerhetők, általában halványszínűek (világoskék, rózsaszín stb.), és rendkívül kemények. Mivel az extrudált polisztirol habok fontos műszaki jellemzői lényegesen jobbak, mint az expandált polisztirol haboké, ezért az áruk is jóval magasabb.

    Az extrudált termékek hőszigetelő képessége jobb, szilárdsága nagyobb, vízfelvétele pedig kisebb, mint az expandált termékeké. Az XPS lemezek felülete benyomódásra kevésbé érzékeny, mint az EPS. Fagyálló anyag, ellenáll a természetben előforduló normál savaknak, lúgoknak és sóoldatoknak. A szerves oldószerek, lágyítók, erős savak, klórozott szénhidrogének megtámadják. Nehezen éghető, a magas hőmérséklettől azonban (60-70°C felett) védeni kell. Testsűrűsége 25 - 50 kg/m3.

Poliuretánhab (purhab)

A poliuretánhabokat poliolok és izocianátok kémiai reakciója révén állítják elő. A poliuretánok habosításakor az izocianát és a víz reakciója során szén-dioxid fejlődik, amely elvégzi a habosítást. Külön habosítóanyagot csak akkor adagolnak, ha meghatározott tulajdonságú habot kell előállítani. Ezek mellett számos más adalékot is adnak a kívánt habtulajdonságok elérése céljából. A külön keverőedényben elegyített anyagokat ezután extrúziós eljárással folyamatosan tömbökké vagy zárt szerszámba fröccsöntve szakaszosan formadarabokká habosítják. Félkemény és kemény kivitelben létezik.

Az építési gyakorlatban legelterjedtebb poliuretánhabok a levegő hatására a helyszínen habosodó PUR habok. Ezeket rendszerint flakonokban forgalmazzák. A lúgoknak, savaknak, szerves oldószereknek ellenállnak. Ezeket a PUR habokat rendszerint a különböző rések, üregek, hézagok kitöltésére használjuk (pl. nyílászáró és fal között). A flakonból kinyomott hab térfogata jelentősen megnő, majd az anyag megszilárdul.

Polietilénhab

A polietilénhab habosító adalékanyag hozzáadásával, extrudálással előállított, zártcellás, térhálósított habtermék, a lágy polietilén hab köznapi neve polifoam. A polietilén hab számos előnyös tulajdonsággal rendelkezik: anyagában színezhető, jó a párazáró képessége, rugalmas, kis sugár mentén is hajlítható, vízfelvevő tulajdonsága zérus, könnyen vágható, alakítható, jó a vegyi ellenálló képessége, rovarok, rágcsálók nem támadják meg, a baktériumokkal szemben ellenálló,. A polietilén habokból elsősorban lágy és kemény hab-lemezeket, habcsíkokat, csőhéjakat, alátéttapétákat készítenek.

PVC habok

A PVC hab rendkívül finom, pórusos szerkezetének köszönhetően jó merevségű, amellett csekély súlyú. A selyemsima felület még többéves kültéri felhasználás után is jó minőségű marad. Nehezen gyulladó, antisztatikus. Gyakran használják szendvicspanelekben. Alkalmazási területei: díszletek, TV-stúdiók, irodaszerek, bemutató táblák, fényképkasírozás, kiállítási standok, táblák, szitanyomás, hőszigetelő falak.

Habosítóanyagok

A habszerkezetet kémiai, vagy fizikai habosítószerrel alakítják ki. A kémiai habosítószerek por, vagy granulátum formájú vegyületek, pl. az N,N’-dimetil-N,N’-dinitrozo-tereftálamid, az azo-bisz-izobutiro-nitril, a 4,4’-oxo-bisz-benzol-szulfonil-hidrazid, az azo-bisz-formamid, az 5-fenil-tetrazol és a trihidrazin-triazin. Ezeket 0,1-1% koncentrációban szárazon keverik a polimerhez. Jellemző módon, a feldolgozás hőmérsékletén gáz alakú bomlástermékek keletkezése mellett elbomlanak, és ezek a gázok alakítják ki a cellás szerkezetet.

A fizikai hajtóanyagok ezzel szemben inert gázok, vagy a feldolgozás hőmérsékletén gáz alakú anyagok: pentán, neopentán, hexán, i-hexán, heptán, i-heptán, toluol, metil-klorid, metilén-klorid, triklór-etilén, diklór-etán, diklór-tetrafluor-etán, triklór-trifluor-metán, triklór-fluor-etán és diklór-difluor-metán.

A habosítás lépései

Alakadás és szilárdítás

A hab elkészítése után számos módszer kínálkozik az alakadásra. Valamennyi lehetőség esetében alacsony nyomást alkalmaznak, mivel a nagy nyomás a habot tönkretenné. Az alacsony nyomáshoz olcsó öntőformák és más alakadási eszközök tartoznak. Néhány habot külső hő nélkül formáznak és szilárdítanak. Ez a kis nyomás nagy mozgásteret biztosít a formák és az anyagok felhasználása terén. A forma készülhet fémből, fából, rideg műanyagból és elasztomerből. Ahogy említettük, a hab lehet rideg és rugalmas is. A habok rugalmasságuk következtében számos formára alakíthatók.

Öntés

A habosított folyadékok közvetlenül egy formába önthetőek, ahol az anyag elnyeri végleges alakját megszilárdulása után. Két különböző módszer létezik a hab formán belüli expanziójára. Az első a kis nyomású habformázás, ekkor a habosító anyag a műanyaggal együtt kerül a formába. Az anyag térfogata lényegesen kisebb, mint a forma térfogata, de a habosodás közben az anyag kitölti a teljes rendelkezésre álló térfogatot. A habosodást a nyomás csökkentése, vagy hőközlés indítja be, ez függ a habosító anyag típusától.

A habosodás következtében az anyag térfogata megnövekszik. A térfogatnövekedést a forma mérete korlátozza, kis nyomású formázásnak pedig azért nevezhető, mert nem szükséges hozzá külső nyomás. A térfogatnövekedés természetesen nyomásnövekedést okoz.

A másik módszer esetében a térfogatnövekedést külső nyomással szabályozzák. Ezt az eljárást nagynyomású habformázásnak nevezik. Fontos megjegyezni, hogy ezt az elnevezést csak összehasonlítás miatt alkalmazzák a kisnyomású formázásnál alkalmazott nyomás miatt, azonban ez a nyomásérték is elmarad a szokásos műanyagformázási módszereknél alkalmazott nyomásoktól. A módszer lényege, hogy a formát a folyadékkal és habosító anyaggal teljesen feltöltik. A rendelkezésre álló térrel szabályozható a habosodás és a tömörödöttség mértéke.

A két különböző eljárással eltérő tulajdonságú termékek készíthetők. A kisnyomású eljárással főként nyílt szerkezetű habokat, míg a másikkal főként zárt szerkezetű habokat készítenek. Megfelelő körülmények között azonban mindkét eljárás alkalmas a másik hab előállítására. A formázási körülményekben bekövetkező változások könnyen okozhatnak eltérés a termék szerkezetét illetően és hamar változik a zárt szerkezetű hab nyílt szerkezetű habbá, akár már néhány fok eltérés a hőmérsékletben, vagy a térfogatnövekedés sebességének kismértékű megváltoztatása is elegendő lehet.

Mindkét eljárás esetében a termék tartalmaz egy nem habosított külső réteget is. Ennek a rétegnek a vastagsága függ a formába vezetett anyag mennyiségétől, a formázás hőmérsékletétől, a forma felszínének természetétől. A habosító anyag szintén befolyásolhatja a réteg vastagságát. Ennek a rétegnek számos hatása van a hab tulajdonságaira. A habosító gáz kiáramlása például lelassul, mivel át kell jutnia ezen a rétegen. Hatással van a rugalmasságra is, ezt fontos figyelembe venni, amikor a habot bútorokhoz használják.

Érdekes folyamat lehet hab formázására a reaktív fröccsöntő eljárás (RIM). Két reaktív komponenst kevernek össze és vezetnek be a műanyaggal, aminek következtében kémiai kötés átrendeződés megy végbe. Az eljárás hasonló módon megy végbe, mint a korábban említett formázásoknál. A műanyag és a habosító anyag megfelelő egyensúlyának kialakításával. Ez a folyamat a 3.8.1. ábrán látható. A leggyakrabban poliuretánt habosítanak így, a reaktív komponensek a polialkohol és az izocianát. Az elegyhez vizet adnak, ami az izocianáttal szén-dioxidot képez.

3.8.1. ábra - A reaktív fröccsöntés folyamata [32]

3.8.1. ábra A reaktív fröccsöntés folyamata [32]


Ellentétben a kisnyomású formázással, az anyag beadagolása és a habosítás folyamatos. Azonban a nyomás egy állandó érték, ellentétben az egyszeri térfogatnövekedéssel. Másik különbség a reaktív fröccsöntés eljárásnál, hogy ezzel bevonhatók más anyagok.

Egy másik formázási módszer a helyben történő habosítás. Hasonlóan a RIM eljáráshoz, itt is folyamatosan adagolják a műanyagot és a habosítót. Ez biztosítja a megfelelő sűrűséget. A RIM-től való különbség, hogy itt nem játszódik le reakció. Ilyen eljárást alkalmaznak hűtőgépek szigeteléseként. A hab helyben szilárdul. A hab megfelelő helyre való bejutását speciális csövekkel valósítják meg.

Habosítási eljárások

A habosítási eljárások különbözhetnek a habosítandó műanyag típusától és a kívánt habszerkezettől függően. A habosítandó alapanyag lehet ömledékállapotú termoplaszt, gyöngypolimer vagy paszta illetve egymással reakcióba lépő folyékony halmazállapotú anyagok keveréke. A habstruktúra pedig lehet egyenletes sűrűségeloszlású vagy integrálhab, melynek sűrűsége a keresztmetszete mentén változik.