Termoplastyczne kompozyty poliuretanowo-gumowe

Transkrypt

1 Katedra Technologii Polimerów, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska, ul. Gabriela Narutowicza 11/ Gdańsk Termoplastyczne kompozyty poliuretanowo-gumowe W Katedrze Technologii Polimerów pod kierownictwem dr inż. Macieja Sienkiewicza opracowano innowacyjne termoplastyczne kompozyty poliuretanowo-gumowe, które można przetwarzać metodami wtrysku i wytłaczania. Kompozyty te wytwarzane są przy wykorzystaniu termoplastycznych elastomerów uretanowych, w tym elastomerów pochodzących z recyklingu wyrobów poliuretanowych oraz granulatu gumowego wytwarzanego w procesach recyklingu poużytkowych opon samochodowych, a także reaktywnych dodatków zwiększających wytrzymałość mechaniczną, odporność na ścieranie i regulujących twardość kompozytów. Materiały te, jak również sposób ich otrzymywania i przetwórstwa opracowane zostały w celu usprawnienia, przyspieszenia i obniżenia kosztów produkcji stosowanych powszechnie wyrobów użytkowych, wytwarzanych z materiałów poliuretanowo-gumowych, takich jak np. elastyczne elementy nawierzchni placów zabaw, siłowni i boisk sportowych, elementy infrastruktury drogowej, elastyczne masywy oponowe oraz kółka do śmietników i wózków transportowych. Należy podkreślić, że stosowane obecnie technologie wytwarzania tych wyrobów z kompozytów poliuretanowo-gumowych mają swoje ograniczenia, które wynikają z użycia do ich otrzymywania wysoce wrażliwych na wilgoć klejów poliuretanowych lub poliizocyjannianowych, które po zmieszaniu z granulatem gumowym muszą być natychmiast wykorzystane w produkcji wyrobów użytkowych. Ograniczenia znanych już metod produkcji wyrobów kompozytowych wynikają również z technologii ich formowania, które prowadzone są głównie metodą prasowania tłocznego lub przetłoczonego, a więc skala ich produkcji determinowana jest wielkością prasy i ilością form. Ponadto produkcja wyrobów kompozytowych standardowymi metodami jest również pracochłonna i energochłonna. Opracowana technologia otrzymywania termoplastycznych kompozytów poliuretanowo-gumowych niweluje te niedogodności i dzięki niej możliwe jest otrzymywanie metodą zwykłego mieszania (przy wykorzystaniu klasycznych mieszalników mechanicznych lub mieszania ręcznego) lub wytłaczania całkowicie stabilnych granulatów lub mieszanek poliuretanowogumowych wraz z dodatkami, które następnie mogą być wykorzystane w produkcji elastycznych wyrobów użytkowych metodą formowania wtryskowego, uznawanego za jedną z najtańszych i najszybszych metod produkcji wyrobów z tworzyw sztucznych. W wyniku tego możliwe jest wytwarzanie wyrobów poliuretanowo-gumowych w pełni zautomatyzowany 1

2 sposób, czyli: szybciej, taniej i w znacznie większej skali oraz przy znacznie mniejszych nakładach finansowych (niższych kosztach pracy i zużycia maszyn), w porównaniu do stosowanej obecnie metody prasowania. W procesie formowania wtryskowego możliwe jest wytwarzanie z opracowanych kompozytów szeregu wyrobów użytkowych, takich jak np. elastyczne kostki brukowe lub płyty chodnikowe, elementy placów zabaw i boisk sportowych, elastyczne odbojniki, elementy infrastruktury drogowej (spowalniacze, statywy znaków drogowych, pachołki i bariery rozdzielające pasy ruch), opony pełne oraz kółka do wózków transportowych i śmietników, odbijacze, chlapacze, wycieraczki, elastyczne wykładziny powierzchni transportowych samochodów ciężarowych, elastyczne podeszwy do obuwia i inne wyroby wytwarzane z elastomerów (w zakresie parametrów mechanicznych podanych w tabelach 1-6). Proces produkcji wyrobów kompozytowych może również być oparty o metodę wytłaczania, przy użyciu wytłaczarek jednoślimakowych lub dwuślimakowych, dzięki czemu możliwe jest wytwarzanie w sposób ciągły wyrobów wielkogabarytowych np. krawężników, odbojników, elastycznych mat i elastycznych wielkoformatowych nawierzchni o dowolnej grubości. Istotą wynalazku w korzystnym wariancie wykonania, jest wprowadzenie do składu kompozytów dodatkowych modyfikatorów reaktywnych w ilości 1-5% mas. pod wpływem, których następuje zwiększenie stopnia oddziaływania poliuretanu z granulatem gumowym, za pośrednictwem występujących w ich strukturze reaktywnych grup. Reaktywne związki polepszające adhezję gumy do poliuretanu są trudnolotne i przez to bezpieczne dla przetwórców kompozytów oraz użytkowników wyrobów z nich wykonanych. Ponadto związki te aktywują się dopiero w warunkach przetwórstwa kompozytów tj. w wyniku ich podgrzania do temperatury powyżej 100 o C, dlatego mieszanina poliuretanowo-gumowa przed jej przetworzeniem jest całkowicie stabilna i można ją magazynować bez obawy uaktywnienia się modyfikatorów kompozytów w trakcie ich przechowywania i transportu. Charakterystykę wybranych właściwości mechanicznych i materiałowych kosztów wytwarzania (kosztów materiału wsadowego) opracowanych termoplastycznych kompozytów zaprezentowano w tabelach 1-6. Wyróżniono w nich właściwości mechaniczne i materiałowe koszty wytwarzania kompozycji poliuretanowo-gumowych sporządzonych przy użyciu dostępnych w handlu poliuretanowych elastomerów termoplastycznych oraz znacznie tańszych regranulatów poliuretanów termoplastycznych pochodzących z recyklingu, a także opcjonalnie kompozytów poliuretanowo-gumowych wzmacnianych reaktywnymi dodatkami. Dla porównania w tabeli 7 zaprezentowano podstawowe właściwości oraz materiałowe koszty wytwarzania kompozytów poliuretanowo-gumowych wytwarzanych przy użyciu ciekłych klejów poliuretanowych metodą prasowania i dostępnych w handlu. Odbiorcami, do których skierowana jest opracowana technologia to głównie producenci granulatów lub mieszanek polimerowych z tworzyw termoplastycznych lub elastomerów termoplastycznych, posiadający wytłaczarki i wtryskarki, przedsiębiorstwa specjalizujące się w 2

3 produkcji poliuretanowo-gumowych wyrobów użytkowych metodą prasowania, a także producenci granulatu gumowego z poużytkowych opon. We współpracy z Centrum Transferu Wiedzy i Technologii PG oraz dzięki funduszom programu Inkubator Innowacyjności+ opracowany wynalazek został objęty ochroną w postaci Europejskiego Zgłoszenia Patentowego EP z dnia roku. Na obecnym etapie możliwe jest określenie ochrony na terytorium dowolnego kraju UE lub rozszerzenie zakresu ochrony w zgłoszeniu międzynarodowym PCT (koszty ochrony na terytorium dowolnego kraju UE lub koszty rozszerzenie zakresu ochrony w procedurze PCT pozostają po stronie licencjonobiorcy). W ramach programu wykonano również badania przedwdrożeniowe w wyniku, których dostosowano skład kompozytów oraz parametry ich przetwórstwa metodą wtrysku do produkcji przy ich wykorzystaniu elastycznych kompozytowych podeszew do obuwia. Opracowane prototypowe podeszwy kompozytowe, zaprezentowane na rys. 1, pozytywnie przeszły weryfikację ich właściwości pod kątem odporności na wielokrotne zginanie (cykl 30 tys. zgięć) i odporności na olej, co potwierdziło ich potencjalną przydatność w produkcji obuwia. Ponadto zastosowanie w ich produkcji odpadu gumowego pozwoliło na obniżenie materiałowych kosztów ich wytwarzania, o co najmniej 30% (w porównaniu z klasycznymi podeszwami poliuretanowymi), i nawet kilkukrotne obniżenie kosztów produkcji, przy wykorzystaniu do otrzymania kompozytów regranulatów termoplastycznych poliuretanów pochodzących z procesów recyklingu elastomerowych wyrobów użytkowych. Rys. 1 Poliuretanowo-gumowe podeszwy wytworzone metodą wtrysku. Zapraszamy do nawiązania współpracy w zakresie dopracowania właściwości opracowanych kompozytów poliuretanowo-gumowych do potrzeb zainteresowanego współpracą podmiotu oraz komercjalizacji zaprezentowanego wynalazku. 3

4 W przypadku zainteresowania wynalazkiem bliższych informacji udzielą Państwu, w zakresie informacji technicznych; dr inż. Maciej Sienkiewicz, twórca wynalazków, maciej.sienkiewicz@pg.edu.pl, a w zakresie komercjalizacji; Robert Bajko, Broker Innowacji, robert.bajko@pg.edu.pl, tel Tabela 1 Podstawowe właściwości oraz materiałowe koszty wytwarzania termoplastycznych kompozytów poliuretanowo-gumowych otrzymywanych przy wykorzystaniu handlowego poliuretanu termoplastycznego (TPU). Do szacunków przyjęto koszt termoplastycznego poliuretanu TPU- 5EUR/kg, granulatu gumowego -1,0 zł/kg). TPU w chwili zerwania 0% 100% 27, ,5 10% 90% 23, ,5 20% 80% 20, ,4 30% 70% 15, ,4 40% 60% 12, ,3 50% 50% 5, ,3 60% 40% 5, ,2 70% 30% 4, ,2 80% 20% 3, ,1 90% 10% 1, ,1 Tabela 2 Podstawowe właściwości oraz materiałowe koszty wytwarzania termoplastycznych kompozytów poliuretanowo-gumowych otrzymywanych przy wykorzystaniu regranulatów poliuretanów termoplastycznych pochodzących z recyklingu (reg-tpu). (do szacunków przyjęto koszt regranulatu termoplastycznego poliuretanu reg-tpu- 2,5zł/kg, granulatu gumowego -1,0 zł/kg). reg-tpu w chwili zerwania 0% 100% 26, ,5 10% 90% 17, ,4 20% 80% 10, ,2 30% 70% 6, ,1 40% 60% 4, ,9 50% 50% 4, ,8 60% 40% 3, ,6 70% 30% 3, ,5 80% 20% 2, ,3 Tabela 3 Podstawowe właściwości oraz materiałowe koszty wytwarzania termoplastycznych kompozytów poliuretanowo-gumowych, zawierających dodatek 1-5% mas. reaktywnego modyfikatora 4

5 typu A (do szacunków przyjęto koszt termoplastycznego poliuretanu TPU- 21,5 zł/kg, granulatu gumowego -1,0 zł/kg, modyfikatora typu A 21,5 zł/kg). TPU typ A 9,9 89,1 1,0 24, ,5 19,8 79,2 1,0 16, ,4 29,7 69,3 1,0 12, ,4 39,6 59,4 1,0 9, ,4 49,5 49,5 1,0 5, ,4 59,4 39,6 1,0 5, ,3 69,3 29,7 1,0 3, ,3 79,2 19,8 1,0 3, ,3 9,5 85,5 5,0 18, ,6 19,0 76,0 5,0 16, ,6 28,5 66,5 5,0 15, ,7 38,0 57,0 5,0 12, ,7 47,5 47,5 5,0 10, ,8 57,0 38,0 5,0 10, ,8 66,5 28,5 5,0 10, ,9 76,0 19,0 5,0 5, ,9 Tabela 4 Podstawowe właściwości oraz materiałowe koszty wytwarzania termoplastycznych kompozytów poliuretanowo-gumowych, zawierających dodatek 1-5% mas. reaktywnego modyfikatora typu B (do szacunków przyjęto koszt termoplastycznego poliuretanu TPU- 21,5 zł/kg, granulatu gumowego -1,0 zł/kg, modyfikatora typu B 25,5 zł/kg). TPU typ B 9,9 89,1 1,0 20, ,5 19,8 79,2 1,0 18, ,5 29,7 69,3 1,0 15, ,5 39,6 59,4 1,0 11, ,4 49,5 49,5 1,0 8, ,4 59,4 39,6 1,0 7, ,4 69,3 29,7 1,0 5, ,3 79,2 19,8 1,0 5, ,3 9,5 85,5 5,0 20, ,8 19,0 76,0 5,0 10, ,8 28,5 66,5 5,0 10, ,9 38,0 57,0 5,0 9, ,9 47,5 47,5 5,0 7, ,0 57,0 38,0 5,0 6, ,0 66,5 28,5 5,0 4, ,1 76,0 19,0 5,0 4, ,1 5

6 Tabela 5 Podstawowe właściwości oraz materiałowe koszty wytwarzania termoplastycznych kompozytów poliuretanowo-gumowych otrzymanych przy wykorzystaniu regranulatu TPU, zawierających dodatek 1% mas. reaktywnego modyfikatora typu A (do szacunków przyjęto koszt regranulatu termoplastycznego poliuretanu regtpu- 2,5 zł/kg, granulatu gumowego -1,0 zł/kg, modyfikatora typu A 21,5 zł/kg). regtpu typ A 9,9 89,1 1,0 17, ,5 19,8 79,2 1,0 12, ,4 29,7 69,3 1,0 7, ,2 49,5 49,5 1,0 4, ,9 79,2 19,8 1,0 2, ,5 Tabela 6 Podstawowe właściwości oraz materiałowe koszty wytwarzania termoplastycznych kompozytów poliuretanowo-gumowych otrzymanych przy wykorzystaniu regranulatu TPU, zawierających dodatek 1% mas. reaktywnego modyfikatora typu B (do szacunków przyjęto koszt regranulatu termoplastycznego poliuretanu regtpu- 2,5 zł/kg, granulatu gumowego -1,0 zł/kg, modyfikatora typu B 25,5 zł/kg). regtpu typ B 9,9 89,1 1,0 16,9-86 2,6 19,8 79,2 1,0 7, ,4 29,7 69,3 1,0 6, ,3 49,5 49,5 1,0 4, ,0 79,2 19,8 1,0 3, ,5 Tabela 7 Podstawowe właściwości oraz materiałowe koszty wytwarzania prasowanych kompozytów poliuretanowo-gumowych dostępnych w handlu (do szacunków przyjęto koszt ciekłego kleju poliuretanowego KLEJ PU- 11 zł/kg, granulatu gumowego -1,0 zł/kg). KLEJ PU w chwili zerwania 90% 10% <0,65 < ,0 Koszt sprzedaży produktów poliuretanowo-gumowych w postaci kostek brukowych i płyt nawierzchniowych (cennik dostępny u producentów) 4,5-6,0 zł/kg netto 6