Wilgotność tworzyw sztucznych

Transkrypt

1 Wilgotność tworzyw sztucznych Tworzywa sztuczne mogą gromadzić wodę na kilka sposobów. Nie wdając się w zbyt głębokie rozważania o charakterze naukowym, dla potrzeb technologii przetwórczych istotne są trzy rodzaje wilgotności: o wilgotność powierzchniowa o wilgotność kapilarna o wilgotność cząsteczkowa Duża część tworzyw jak np. PS, PVC, PE, PP nie ma własności higroskopowych i woda może się znaleźć niemal wyłącznie na ich powierzchni. Większość ma jednak własności higroskopowe (ABS, PA, PC, PET ) i woda może penetrować do ich wnętrza, zarówno granulatu jak i płyt lub kształtek.. Wilgotność cząsteczkowa, to woda powiązana z substancją tworzywa na poziomie subkapilarnym, cząsteczkowym. Mówiąc o wilgotności musimy rozróżniać wilgotność bezwzględną i względną zarówno tworzywa sztucznego jak i powietrza, na etapie przechowywania i suszenia, a więc: o Wilgotność bezwzględną tworzywa N b określamy z wzoru: N b = x 100% gdzie: m s - tworzywo mokre m d - tworzywo suche o Wilgotność względną N w tworzywa określamy z wzoru: N w = x 100% oznaczenia jw. o Dla powietrza wilgotność bezwzględna f wyniesie: F b = gdzie m w - masa wody zawartej w 1 m 3 powietrza o Wilgotność względna F w wyniesie: F w = 100% gdzie e - aktualne ciśnienie pary wodnej w powietrzu, E - maksymalne ciśnienie pary wodnej w powietrzu w danej temperaturze. Z punktu widzenia technologii przetwórstwa tworzyw wilgotność jest najbardziej niebezpieczna tam, gdzie wchodzi w grę przetwarzanie w warunkach podwyższonej temperatury, a więc niemal we wszystkich odmianach technologii tworzyw sztucznych. W procesie któremu towarzyszy podwyższona temperatura, jak np w technologii wtrysku, termoformowania, rozdmuchiwania itp. zawarta w tworzywie woda gwałtownie

2 paruje i wydobywa się na zewnątrz. Ponieważ czas operacji technologicznych jest zwykle krótki część wody zostaje uwięziona w tworzywie w stadium pęcherzykowania, co powoduje powstawanie bąbli na powierzchni i częściowo wewnątrz tworzywa i oczywiście dyskwalifikuje produkt. Zdjęcia 1 i 2 PMMA, które przez dwa dni leżało na dworze.

3 Podczas przetwarzania tworzyw technicznych zawarta w nich wilgoć nie może więc przekraczać wartości dopuszczalnych. Ilość wilgoci zależy od różnych czynników np.: rodzaju opakowania, magazynowania, itp. Przykładowo granulat poliamidu w dużej części pakowany jest w worki ze specjalną warstwą z aluminium, dzięki której możliwe jest ograniczenie przenikania wilgoci do tworzywa, a tym samym prawidłowe przetwarzanie surowca. Tak więc zachowując odpowiednie warunki techniczne (czas składowania, odpowiednie zabezpieczenie napoczętych i uszkodzonych opakowań) możemy wpływać na wielkość zawilgocenia. Niektóre tworzywa, takie jak PET, czy PBT są bardzo wrażliwe na wilgoć, której obecność w dużym stopniu pogarsza własności mechaniczne wyrobów. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na to, iż po procesie suszenia tworzywo szybciej wchłania wilgoć i dlatego należy odpowiednio obchodzić się z już otwartymi opakowaniami. W niekorzystnych warunkach klimatycznych, w przypadku PET-u już w ciągu 10-ciu minut kontaktu tworzywa z powietrzem może zostać przekroczona dopuszczalna wartość wilgoci (0.02%). Szczególną uwagę należy zwrócić na suszenie materiału występującego w postaci proszku. Tutaj nie wystarczają już zalecane czasy suszenia. Przykładowo, całkowicie nasycony poliamid potrzebuje czasu suszenia dłuższego nawet niż 12 godzin. Przetwarzając tworzywa techniczne należy więc mieć na uwadze następujące zasady: o braki, wlewki, i regranulat należy przechowywać w zamkniętych pojemnikach; o dokładnie zamykać napoczęte opakowania; o stosować zamykane leje zasypowe (pokrywy); o płyty chronić naklejoną obustronnie folią. Metody osuszania tworzyw 1. Wygrzewanie. Intuicyjne wydaje się, że najprostszą metodą suszenia może być wygrzewanie. Oznacza to odparowanie wody zawartej na powierzchni lub w kapilarnych porach tworzywa. Proces ten jest jednak najbardziej energochłonny. Dla przejścia fazowego wody w stan pary suchej potrzebna jest ilość ciepła wyrażona znanym wzorem: Q = M x q w Gdzie: M masa wody q w ciepło parowania To oczywiście dość grube obliczenie, ponieważ wodę trzeba najpierw doprowadzić do stadium wrzenia od temperatury początkowej, a uzyskaną parę doprowadzić do stadium pary suchej. Zważywszy na dużą wartość ciepła parowania wody największą ze wszystkich substancji płynnych - energia potrzebna do suszenia tą - wydawałoby się najprostszą metodą - byłaby spora. Suszarnie bazujące na metodzie odparowania wody są najprostsze w budowie, ale najbardziej energochłonne. Jednocześnie wadą ich jest naruszenie trwałości i spoistości półproduktów z tworzyw przez to, że niektóre z nich ulegają uszkodzeniu strukturalnemu przez gwałtownie parującą wodę wydobywającą się przez kapilarne mikroszczeliny. Nie można też zapominać o wypacaniu plastyfikatorów, których obecność we właściwej ilości jest niezbędnym warunkiem zachowania sprężystości i elastyczności niektórych tworzyw sztucznych. Nadmierne ich wygrzewanie dla osuszenia może także z tego powodu pogorszyć ich

4 własności użytkowe. Poza tym duża część substancji lotnych, wydzielających się z nadmiernie podgrzanych tworzyw, nie jest obojętna dla zdrowia osób obsługujących urządzenia. Pewnym ulepszeniem metody odparowania wody jest użycie komór mikrofalowych. Oszczędza się wtedy energię traconą na ogrzewanie samej komory i płyt, gdyż grzeje się tylko woda. Pozostają jednakże wszystkie wymienione wady. 2. Wentylacja suchym powietrzem Wszystkie panie domu wiedzą, że mokra bielizna najlepiej schnie, powieszona na sznurkach w pogodny i wietrzny dzień. Oczywiście panie mają rację, bo w procesie suszenia czegokolwiek nie chodzi o odparowanie wody, lecz o jej usunięcie, a tu metod może być kilka. Jeżeli jednak granulat lub płyty będą przewietrzane otaczającym powietrzem, to ich wilgotność spadnie do poziomu nie mniejszego niż wilgotność tego powietrza. Nawet podgrzanie powietrza niewiele pomoże, ponieważ ilość zawartej w nim wody nie ulegnie zmianie. Nasuwa się więc oczywisty wniosek: suszyć metodą wentylacji można, pod warunkiem, że użyjemy suchego powietrza. Typowe zawartości wody w popularnych tworzywach i wymagana ich dopuszczalna wilgotność podaje Tabela 1. Widać spore wahania w poziomie dopuszczalnej wilgotności, co sugeruje, ze komory suszarnicze muszą być przygotowane na osiąganie najniższych wartości wilgotności względnej, a więc na poziomie 0,01 %. Tabela 1 W przypadku tworzyw higroskopijnych (ABS, PA, PC, PET) dla uzyskania dobrego efektu suszenia wymagane jest doprowadzenie do powstania znacznej różnicy między ciśnieniem pary wodnej zawartej w ziarnach granulatu lub płytach, a ciśnieniem pary wodnej zawartej w powietrzu suszącym. Suszone tworzywo poddawane jest równolegle ogrzaniu do temperatury leżącej poniżej temperatury mięknienia. Temperatura ogrzewania ograniczona jest również przez inne ewentualne reakcje chemiczne, które mogłaby wywołać nadmierna temperatura. W metodzie tej powietrze jest przepuszczane przez komorę zawierającą środek absorbujący wilgoć. Para wodna zamieniona zostaje w mgłę, która absorbowana jest przez środek suszący. Otrzymuje się dzięki temu powietrze o stałej wilgotności bezwzględnej. Efekt suszenia tą metodą jest całkowicie niezależny od warunków klimatycznych. W metodzie suszenia suchym powietrzem potrzeba znacznie mniejszych ilości powietrza dla wysuszenia 1kg tworzywa niż w metodzie suszenia gorącym powietrzem. System pracuje w układzie obiegu zamkniętego, dzięki czemu metoda ta charakteryzuje się znacznie mniejszym zużyciem energii. W rezultacie w zagadnieniu suszenia tworzyw bardzo

5 ważnym problemem jest technika osuszania powietrza i następnie wentylacja dla zapewnienia dobrego kontaktu osuszonego powietrza z tworzywem. A jak osuszyć powietrze? Osuszanie powietrza Osuszanie powietrza jest procesem polegającym na zmniejszeniu ilości pary wodnej w powietrzu. Powietrze może zostać osuszone na kilka sposobów: Ogrzewanie i wentylacja, Osuszanie kondensacyjne, Osuszanie adsorpcyjne. Ogrzewanie i wentylacja Podobnie jak w podejściu do suszenia tworzyw sztucznych intuicyjną koncepcją suszenia powietrza jest podgrzewanie i wentylacja. Metoda ta polega na podniesieniu temperatury powietrza w pomieszczeniu oraz jego intensywnym wentylowaniu. Jej efektywność uzależniona jest od warunków zewnętrznych, które mogą nawet uniemożliwiać jej zastosowanie. Metoda ta jest tym skuteczniejsza im temperatura na zewnątrz jest niższa, a wewnątrz osuszanej przestrzeni wyższa. Dlatego najlepsze efekty można uzyskać zimą, gorsze wiosną i jesienią, a najgorsze lub nawet brak efektów latem.

6 W przypadku osuszania wilgotnych obiektów np. murów, temperatura w pomieszczeniu nie powinna przekraczać 35 C. Wyższe temperatury mogą prowadzić do nadmiernego wzrostu ciśnienia pary wodnej w murach, prowadząc do ich pękania i zniszczenia. Brak właściwej wentylacji (wymiany powietrza) podczas osuszania wilgotnych ścian tą metodą powoduje, że para pochłaniana jest przez bardziej suche partie ścian oraz sufit. Należy również wspomnieć o tym, że ogrzewanie powietrza nagrzewnicami gazowymi daje efekt odwrotny od zamierzonego. Dzieje się tak dlatego, że produktami spalania propanu-butanu jest dwutlenek węgla oraz para wodna. W wyniku czego wzrasta nie tylko temperatura ale i wilgotność powietrza. Stosowanie tej metody wiąże się z wysokimi kosztami. Wpływają na to głównie jej niska efektywność (długi czas osuszania) oraz fakt, że najlepsze efekty uzyskuje się przy największych różnicach temperatur (duże zapotrzebowanie na moc grzewczą). Osuszanie kondensacyjne Metoda ta polega na wykraplaniu wilgoci z powietrza przez schładzanie go poniżej punktu rosy co powoduje wykraplanie wilgoci (kondensację). Do osuszania kondensacyjnego służą kondensacyjne osuszacze powietrza. Ich głównymi elementami są wentylator, sprężarka, wymienniki ciepła (skraplacz i parownik) oraz element rozprężny. Wentylator wymusza przepływ wilgotnego powietrza przez wymienniki ciepła. Temperatura parownika jest niższa niż temperatura punktu rosy powodując wykraplanie się (kondensację) pary wodnej zawartej w powietrzu, na jego ściankach. Kondensat jest gromadzony w zbiorniku osuszacza lub odprowadzany do kanalizacji bądź na zewnątrz. Po przejściu przez parownik ochłodzone i osuszone

7 powietrze przepływa przez skraplacz, gdzie zostaje ogrzane. Dzięki temu uzyskuje się dodatkowy spadek wartości wilgotności względnej. Ze skraplacza suche powietrze trafia z powrotem do pomieszczenia, z którego zostało zassane. Temperatura powietrza wypływającego z osuszacza jest wyższa o 3-8 C od temperatury powietrza zassanego. Wspomniany wzrost temperatury może powodować szybsze odparowanie wody z wsadu tworzywa co przyśpiesza jego osuszanie i nie wiąże się z ryzykiem uszkodzeń powierzchniowych jak w przypadku osuszania przez ogrzewanie i wentylację. Wraz z wydłużeniem czasu pracy urządzenia w zamkniętym pomieszczeniu, ilość wody zawartej w powietrzu zostaje skutecznie zmniejszona. Osuszanie kondensacyjne jest zdecydowanie bardziej efektywne i ekonomiczne od osuszania przez ogrzewanie i wentylację, przede wszystkim dzięki wyeliminowaniu wymiany powietrza zawartego wewnątrz pomieszczenia. W przypadku pracy w niższych temperaturach otoczenia woda wykroplona na parowniku może zamarzać, na skutek czego następuje zwiększenie oporów powietrza przepływającego przez wymienniki. Aby zapobiec temu zjawisku, elektroniczny układ sterujący okresowo otwiera zawór elektromagnetyczny. Umożliwia to skierowanie gorącego czynnika (w stanie gazowym) bezpośrednio na parownik. Dzięki temu lód zaczyna się topić i spływać do zbiornika skroplin. Osuszanie adsorpcyjne Metoda ta polega na odbieraniu wilgoci z powietrza przez pochłanianie jej przy pomocy materiałów higroskopijnych. Do osuszania tą metodą używa się osuszaczy adsorpcyjnych, których głównymi elementami są: obrotowy bęben (rotor) wraz z zespołem napędowym, wentyla-

8 tory, nagrzewnica powietrza, filtr, obudowa oraz osprzęt. Rotor wykonany jest najczęściej z odpowiednio wyprofilowanych blach aluminiowych (tworzących osiowe kapilary), których powierzchnia pokryta jest substancją higroskopijną. Taka konstrukcja powoduje znaczne zwiększenie powierzchni chłonącej wilgoć. Rotor napędzany jest silnikiem elektrycznym za pośrednictwem pasowej. Dzieli się on na sektor osuszający i regeneracyjny, w wyniku czego za rotorem otrzymuje się osuszone powietrze. Bęben obracając się powoduje, że zawilgocony materiał higroskopijny trafia do sektora regeneracyjnego, gdzie przez rotor przepływa gorące powietrze, odbierające wilgoć, która następnie wyrzucana jest na zewnątrz. Dodatkową cechą rotoru jest jego wysoka trwałość, możliwość mycia, zdolność do samooczyszczenia oraz zapobiegania rozwojowi bakterii. Ogromną zaletą tego typu osuszania jest możliwość osuszania powietrza bez jego schładzania oraz osuszanie powietrza o temperaturze poniżej 0 C. Z uwagi na zalety tej metody znajduje ona szerokie zastosowanie w przemyśle np. farmaceutycznym, spożywczym oraz w systemach klimatyzacyjnych. Alternatywne metody osuszania powietrza. Wspomniane wyżej najpopularniejsze metody osuszania powietrza nie wyczerpują wszystkich możliwości. Pozostają jeszcze metody osuszania próżniowego, elektrostatycznego lub z zastosowaniem elektroosmozy, różne odmiany metod opartych na wykorzystaniu efektów kapilarno - porowatych, wykorzystanie ultradźwięków. Niektóre z tych metod są już opanowane, ale nie weszły do praktyki przemysłowej. Warto o nich pamiętać w miarę wzrostu wymagań co do czystości i suchości powietrza, a w rezultacie suchości tworzyw podlegających dalszej przeróbce.