Wykorzystanie poroforów w procesach przetwórstwa tworzyw polimerowych

Transkrypt

1 XIX Sympozjum PLASTECH 2013 Wykorzystanie poroforów w procesach przetwórstwa tworzyw polimerowych Dariusz Sykutera Zakład Przetwórstwa i Recyklingu Tworzyw, UTP Bydgoszcz Serock kwietnia 2013 r.

2

3 Światowa produkcja tworzyw sztucznych Mln t 2011: : : : 200 Ciągły wzrost od 50 lat Wyraźne załamanie produkcji w latach kryzysu World 1989: 100 Średnia stopa wzrostu ok. 9%/rok 1976: : 1.5 Obejmuje: polimery termoplastyczne, poliuretany, polimery termoutwardzalne, elastomery, kleje, pokrycia, włókna PP. Nie zawiera: włókien PET, PA i poliakrylowych Source: PlasticsEurope Market Research Group (PEMRG) 3

4 Samochód przyszłości z kompozytów polimerowych BMW Stal do tłoczenia 9% Inne materiały 3% Aluminium 6 % Kompozyty EP+CF Podłoga w BMW z PP 40GF LFT Materiały konferencji 22. Fachtagung uber Verarbeitung und Anwendung von Polymeren, TECHNOMER 2011, Niemcy

5

6 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy Wydział Inżynierii Mechanicznej kategoria A Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn Specjalność Technika Tworzyw obecnie realizowany na drugim stopniu kształcenia. Studia podyplomowe Przetwórstwo Tworzyw Termoplastycznych 80 absolwentów (zgłosiło się dwa razy tyle osób z całego kraju). Kierunek: Mechaniczna Inżynieria Tworzyw decyzja Rady Wydziału z dnia o powołaniu kierunku!! Pierwsza rekrutacja w 2012 roku ZAKOŃCZONA SUKCESEM. Mamy obecnie około 20 studentów.

7

8 Cel przetwórstwa Celem przetwórstwa tworzyw polimerowych jest wytworzenie wytworów-wyrobów: - o określonych, oczekiwanych przez odbiorcę cechach geometrycznych, funkcjach użytkowych i określonych właściwościach np. mechanicznych, cieplnych, - w technologii wytwarzania ekonomicznie uzasadnionej (konkurencyjna cena jednostkowa wytworów), - podatnych na procesy wtórnego wykorzystania (procesy recyklingu). 8

9 Cele porowania tworzyw polimerowych Celami porowania są: zmniejszenie gęstości tworzywa (mniejsze koszty materiałowe), zmniejszenie skurczu i jego anizotropii (redukcja deformacji i naprężeń własnych wyprasek), skrócenie cyklu wtryskiwania, podwyższenie sztywności wytworów, zmiana właściwości reologicznych tworzywa, wzrost właściwości sprężystych, obniżenie podatności na pękanie, polepszenia właściwości tłumiących hałas, poprawa izolacyjności, próba kreowania nowych obszarów wykorzystania tworzyw, zastosowanie chemicznych środków porotwórczych ułatwia także przetwórstwo tworzyw napełnionych o dużej lepkości oraz poprawia skuteczność wypełniania gniazd formy wtryskowej, zwłaszcza w przypadku niepoprawnie zaprojektowanego układu przepływowego i nietechnologicznej konstrukcji wypraski. 9

10 Podstawowe fazy przetwórstwa z porowaniem Materiały udostępnione przez prof. M. Bielińskiego 10

11 Rodzaje porów:1 otwarte przelotowe, 2 otwarte nieprzelotowe, 3 zamknięte Materiały udostępnione przez prof. M. Bielińskiego

12 Zastosowania termoplastycznych tworzyw porowatych Ochrona zabezpieczająca podczas transportu Meble z porowatego PVC Porowate elementy budowlane, profile Roczne światowe zużycie termoplastycznych tworzyw porowatych to około 1 milion Mg Siatka zabezpieczająca Płyty z PVC, PP, PE Folie izolacyjne z PP, PE Drzwi wewnętrzne i zewnętrzne Konstrukcje lekkie z PP Korki zamykające PP, np. do wina Pudełko termiczne PS Osłona monitora PEHD Elementy samochodowe

13 Zastosowanie tworzyw porowatych w samochodzie Bieliński M: Techniki porowania tworzyw termoplastycznych. WU ATR Bydgoszcz

14 Przykłady profili wytłaczanych i współwytłaczanych z jednoczesnym porowaniem Profile budowlane z kompozytu polimer 20% - mączka drzewna 80% Rura karbowana z PEHD z zewnętrzną warstwą z porowatego wtórnego polietylenu Bieliński M: Techniki porowania tworzyw termoplastycznych. WU ATR Bydgoszcz

15 Profile konstrukcyjne ze spienionego PS Bieliński M: Techniki porowania tworzyw termoplastycznych. WU ATR Bydgoszcz

16 Porowanie chemiczne i fizyczne Do fizycznych środków przetwórczych należą: węglowodory, woda, azot, dwutlenek węgla. Mieszanie odbywa się w układzie uplastyczniania z wykorzystaniem nukleantów. Końcowym etapem przesycania polimeru środkami porującymi jest faza porowania. Chemiczne środki porotwórcze są dodawane do granulatu jako substancje stałe. Mieszanina tworzywa oraz poroforu zostaje następnie przetwarzana w układzie uplastyczniania i kształtowana w tradycyjnym narzędziu jakim jest forma wtryskowa. Gęstość, kg/m³ Rodzaj porowania 16 Bieliński M: Techniki porowania tworzyw termoplastycznych. WU ATR Bydgoszcz 2004.

17 Porofory Porofory środki pianotwórcze, substancje organiczne lub nieorganiczne, dodawane do kompozycji tworzyw w celu otrzymania tworzywa piankowego. Podczas przetwórstwa, gdy kompozycja znajduje się w stanie plastycznym lub ciekłym (stop, pasta, roztwór) porofory przechodzą w stan gazowy lub rozkładają się z wydzieleniem gazu - w wyniku nieodwracalnej, zwykle egzotermicznej reakcji chemicznej, ze składnikami mieszaniny lub pod wpływem ogrzewania. Gazowym produktem rozkładu jest najczęściej azot, rzadziej dwutlenek węgla i tlenek węgla, wodór. Pozostałość po rozkładzie poroforu powinna być substancją bezbarwną, niepalną, bez zapachu i mieszalną z polimerem. 17

18 Temperatury rozkładu poroforów Początek rozkładu poroforów Temperatury przetwórstwa LC HK Compound CF BIH BIF o C 600 o F Materiały firmy Clariant 18

19 p [MPa] Wyniki pomiaru charakterystyk wybranych poroforów 0,24 0,23 0,22 0,21 0,2 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0, LIFOFOAM 720 EXOCEROL T CT [ o 440 C] HYDROCEROL COMPOUND HYDROCEROL CF 40E HYDROCEROL CF 70 HYDROCEROL CF 40S EXOCEROL AB 40 E HYDROCEROL CP 70 Bieliński M: Techniki porowania tworzyw termoplastycznych. WU ATR Bydgoszcz

20 Anizotropia właściwości, dwufazowość struktury (tworzywo-gaz) oraz losowość rozkładu i wielkości porów w objętości wytworu zależna od procesów przetwórczych to najważniejsze cechy identyfikujące porowate wyroby polimerowe. Przełomy próbek uzyskanych przez wtryskiwanie PP: a) PP + 0,5% poroforu, b) PP+1% poroforu, c) PP+1,5% poroforu, d) PP+2% poroforu Wypraski wykonane z PP + 0,5% mas. poroforu Muzyczuk P.: Wpływ porowania endotermicznego na cechy konstrukcyjne elementów wykonanych z kompozytów gazowo-polimerowych. Rozprawa doktorska, Bydgoszcz, 2009.

21 Materiały firmy Clariant 21

22 Schemat ideowy badań własnych Materiał porowaty w postaci wytłoczyn i wyprasek z PP, PELD, PVC, PS Stanowisko do cięcia i rozdrabniania Wtryskiwanie i wytłaczanie porujące Badania procesu rozdrabniania i cięcia materiałów porowatych: a) wydajność, energochłonność, pomiar temperatury w trakcie rozdrabniania b) Pomiar siły na nożu stałym i ruchomym, pomiar momentu od siły tnącej Wtryskarka JSW wraz z formą 6-gniazdową Recyklat porowaty Badania recyklatów: a) rozkład uziarnienia, b) analiza cech geometrycznych pojedynczych granul, c) badania przetwarzalności, d) pozostałosć gazowa. Badania właściwości uzyskanych wyprasek i wytłoczyn Badania właściwości: a) gęstość, b) statyczna próba rozciągania, c) udarowe rozciąganie, d) udarność, e) twardość, f) stopień krystaliczności, g) rozkład porów w przekroju próbek. Wtryskarka Battenfeld wraz z formą 2-gniazdową (2-etap RCI) Wytłaczarka jednoślimakowa Ponowne wtryskiwanie i wytłaczanie recyklatów PP, PELD, PS

23 Stanowisko do wykonania próbek badawczych z tworzyw porowatych: a) wtryskarka JSW 110H, b) forma wtryskowa 6-gniazdowa, wytłaczarka W-25 z trójstrefową głowicą wytłaczarską (c) oraz kanał rozprowadzający wraz z ustnikiem głowicy wytłaczarskiej o przekroju 13,5x 7,5 mm (d) [UTP Bydgoszcz] b) a) c) d)

24 Aparatura wx Y% BD gdzie: w oznacza wykonanie materiału w technologii wytłaczania, X oznacza skrót tworzywa polimerowego, np. PS; Y oznacza masową procentową zawartość poroforu, zastosowanego w materiale, BD oznacza wykonanie wyprasek bez realizacji fazy docisku. Widok młota udarowego HIT 50P z nacinarką karbu ZNO Stanowisko do pomiaru twardości firmy Zwick/Roell: Widok maszyny wytrzymałościowej Z030 oraz próbki materiałowej zamocowanej w uchwytach z zamontowanym ekstensometrem 24

25 max. naprężenie [MPa] Właściwości wytrzymalościowe PP ,6 27,25 25,99 24,92 24,01 0 0,5 1 1,5 2 zawartość poroforu, % Wpływ stopnia dozowania poroforu na wytrzymałość próbek na zrywanie przy temperaturze formy 70 0 C, oraz ciśnieniu wtryskiwania 60 MPa Bieliński M: Techniki porowania tworzyw termoplastycznych. WU ATR Bydgoszcz

26 Gęstość względna, % Gęstość względna, % 100 Gęstość Wypraski Płaszczyzny przecięcia PP 95 pow. 50x pow. 30x PS 0% PS 0,5% PS 1,5% PS 2% PS 2% BD PS 2,5% PP 0% PP1% PP2% PP 2% BD Wytłoczyny Gęstość, kg m wpe 0% wpe 1% wpe 2% wpe 4% Gęstość, kg m wpp 0% wpp 1% wpp 2% wpp 4%

27 Rodzaj materiału Wytrzymałość na rozciąganie, MPa Moduł sprężystości, MPa Odkształcenie względne, % PP 0% 36,0±0,5 1610±38,6 7,5±0,2 PP 1% 34,5±0,3 949±6,6 12,4±0,1 PP 2% 33,8±0,6 933±16,6 12,2±0,2 PP 2% BD 32,7±0,4 917±19,5 11,4±0,2 Rodzaj materiału Wytrzymałość na rozciąganie, MPa Moduł sprężystości, MPa Odkształcenie względne, % PS 0% 41,4±0,7 1620±41,2 3,8±0,1 PS 0,5% 31,2±1,4 1600±13,3 2,6±0,2 PS 1,5% 35,6±0,9 1589±12,5 3,1±0,1 PS 2% 34,4±0,4 1590±15,2 3,3±0,1 PS 2%BD 33,4±0,8 1540±8,3 3,3±0,1 PS 2,5% 33,9±0,5 1574±9,8 3,2±0,2

28 Udarność, kj/m 2 18 Udarność polipropylenu (udarowe rozciąganie) BD Zawartość poroforów, % Udarność, kj/m Udarność polistyrenu (metoda Charpy) 0 0,5 1 1,5 2 2 BD 2,5 Zawartość poroforów

29 Twardość [ Sh] Badane próbki Pomiar twardości próbki III - w przekrojach poprzecznych Położenie pomiaru twardości Pomiar twardości próbki w przekroju poprzecznym Pomiar twardości próbki w przekroju poprzecznym Pomiar twardości próbki w przekroju poprzecznym Wykres i schemat pomiaru twardości badanej próbki z PP w przekroju niesymetrycznym badanego elementu Bieliński M: Techniki porowania tworzyw termoplastycznych. WU ATR Bydgoszcz

30 Twardość, MPa Twardość, MPa Twardość polipropylenu wtryskiwanego i wytłaczanego BD Zawartość poroforów, % mas y = -10,658x + 50,246 R = 0, wpp 0% wpp1% wpp2% wpp4% Zawartość poroforu, % mas.

31 Struktura porowatego PVC w zależności od ilości środka porotwórczego a) b) c) d) e) Bieliński M: Techniki porowania tworzyw termoplastycznych. WU ATR Bydgoszcz

32 Struktura porowatego PVC w zależności od ilości środka porotwórczego a) b) c) d) e) Struktury tworzyw porowatych w zależności od ilości dodanego środka porotwórczego: a) przekrój 1, b) przekrój 2,c) przekrój 3, d) przekrój 4, e) przekrój 5 Bieliński M., Piszczek K., Sykutera D.: Badania wpływu procesu porowania na wybrane wskaźniki użytkowe tworzyw. Tworzywa Sztuczne i Chemia s

33 Zmiany wymiarów liniowych porów w zależności od ilości użytego środka porotwórczego (numeru przekroju) wymiar liniowy pora, mm 0,040 0,035 0,030 y = x R = ,025 0,020 l max lmin 0,015 0,010 0,005 0,000 y = x R = 0.95 Przekrój 1 Przekrój 2 Przekrój 3 Przekrój 4 Przekrój 5 rodzaj próbki Bieliński M., Piszczek K., Sykutera D.: Badania wpływu procesu porowania na wybrane wskaźniki użytkowe tworzyw. Tworzywa Sztuczne i Chemia s

34 powierzchnia porów, mm 2 Rozkład powierzchni porów w zależności od odległości od zarysu zewnętrznego próbki 0,003 Pierscienzewnętrzny 0,003 0,002 Pierścień środkowy Środek próbki 0,002 0,001 0,001 0,000 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 odległość, mm Bieliński M., Piszczek K., Sykutera D.: Badania wpływu procesu porowania na wybrane wskaźniki użytkowe tworzyw. Tworzywa Sztuczne i Chemia s

35 Ocena stanu powierzchni wyprasek z polipropylenu litego i PP z poroforem Obraz wyprasek grubościennych uzyskanych z różnych materiałów w procesie wtryskiwania: a) A1- D wytwór wyprodukowany z oryginalnego polipropylenu, b) B1-D oraz D1-D wypraski wykonane z recyklatów polipropylenu litego, c) C1-D oraz E1-D elementy otrzymane z recyklatów polipropylenu porowatego o zawartości poroforów 2% Pomiar skurczu wypraski na rozpatrywanej powierzchni wypraski A1-D Pomiar skurczu wypraski na rozpatrywanej powierzchni wypraski E1-D Maksymalna wartość 5,413mm bez docisku Maksymalna wartość -0,404 mm bez docisku Maksymalna wartość 1,486mm z dociskiem Maksymalna wartość -0,272 mm z dociskiem

36 Rozkład porów gazowych w przekroju wyprasek otrzymanych z recyklatów porowatych rwpp 2%, pow. x40

37 Monosandwich: Przebieg Materiały Ferromatic Milacron

40 Podsumowanie Rozwój produkcji wytworów z tworzyw polimerowych stymulują zadania kierowane ze strony rynku (odbiorców): szybciej, taniej więcej, lepiej. Zależnie od potrzeb powstają kolejne mutacje procesów przetwórczych i przekraczane są istniejące ograniczenia aplikacyjne i produkcyjne, występujące przy stosowaniu materiałów tradycyjnych. Porowanie tworzyw jest rozwijającą się techniką modyfikacji struktury i właściwości tworzyw polimerowych, pozwalającą nie tylko na redukcję masy wytworów, ale także na wyeliminowanie wad powierzchniowych, wynikających z błędów w konstrukcji wyprasek. Podatność na recykling materiałowy tworzyw porowanych chemicznie jest lepsza niż materiałów litych. 40

41 Dziękuję za wysłuchanie referatu Do zobaczenia na targach PLASTPOL 2013