Odlewanie rotacyjne polimerów z napełniaczami naturalnymi KEYWORDS: Rotational molding, Natural fillers, Wood-Polymer Composites, Processing, Mechanical & Physical Properties, Reinforcements, Applications Dr hab. eng. Marek Szostak Associate professor Poznan University of Technology
Wiele wieków p.n.e. w Egipcie jako budowlany materiał kompozytowy używano glinę zmieszaną ze słomą i wysuszoną na słońcu. Już w 1896 r. stosowano włókna naturalne z małą ilością spoiwa polimerowego na siedziska w samolotach i zbiorniki paliwa. Po wielu latach przypomniano sobie, iż natura produkuje co roku nowe surowce, które mogą być stosowane do wzmacniania tworzyw na różnego rodzaju wyroby kompozytowe. Jeżeli uwzględni się cenę, a także dostępność różnego rodzaju włókien oraz pozytywny wpływ ich uprawy na środowisko to okaże się, że włókna roślinne mogą stanowić tanie i wygodne uzupełnienie włókien wzmacniających dotychczas stosowanych w kompozytach polimerowych.
Źródła pochodzenia napełniaczy naturalnych Naturalne napełniacze Organiczne Nieorganiczne Zwierzęce z drzew z łodyg z liści z owoców - krzemionka, - jedwab - mączka - kokos - kreda, - wełna drzewna - kapok - talk, - bawełna - tuf (proszek wulkaniczny). - len - ramia - juta - konopie - kenaf - banan - agawa - urena Cechy włókien roślinnych: odnawialność, biodegradowalność, niska cena, mała gęstość, dobre właściwości mechaniczne. - sizal - manila - abaka - ananas - banan
Wood-Plastic Composites Nazwa WPC jest bezpośrednim tłumaczeniem angielskiego zwrotu Wood- Plastic Composites" czyli kompozyty drewno - tworzywo Kompozytami WPC nazywa się wszelkie materiały zawierające w sobie drewno (bądź inny surowiec pochodzenia roślinnego np. łuskę kukurydzianą) oraz materiał polimerowy Pierwsze WPC zastosowano w początkach XX wieku (1916) na rączkę skrzyni zmiany biegów w samochodach Rolls Royce, którą wykonano z Bakelitu - żywicy fenolowo - formaldehydowej wypełnionej włóknem drzewnym
Dlaczego włókno drewniane? ekologia cena i dostępność łatwość mieszania budowa włóknista doświadczenie możliwość regeneracji
WPC współcześnie Stany Zjednoczone - 2012 rok - wyprodukowano prawie 1.000.000 ton takich kompozytów (głównie na osnowie polietylenu w przeciwieństwie do Europy gdzie dominuje polipropylen) z czego 87% stanowiły te napełniane mączką drzewną a 13% innymi włóknami naturalnymi. Największy udział w rynku pod względem zastosowania maję deski podłogowe 350 000 t/rok, następnie stolarka budowlana (przede wszystkim profile okienne) 70 000 t/rok i części dla przemysłu samochodowego (profile drzwi, listwy itd.). Tempo wzrostu rynku WPC w USA jest wysokie, począwszy od wczesnych lat 90-tych a szacuje się iż produkty będą zdobywać rynek w tempie 3,6 % rocznie przy wartości ich sprzedaży w 2009 roku na poziomie 6,6 mld USD. Rynek desek: 1995 1% 2012 25% * The European Wood Plastics Composites Market 2006, Hackwell Group
Produkcja w Europie intensywnie wzrasta i w 2009 stanowiła około 10% wszystkich kompozytów Głównym odbiorcą był dotychczas przemysł samochodowy około 50 % WPC wytwarzanych w Europie obecnie intensywny rozwój zastosowań PP 74 %, PVC 14%, recyklaty poliolefin 8%, HDPE 4% Tech-Wood, PPT, Rettenmaier, Polyplank, Kosche and Deceuninck... Ceny od 2 euro za kilogram granulatu Produkcja kompozytów napełnianych mączką drzewną jest znaczna zarówno w krajach silnie uprzemysłowionych USA, Niemcy, Japonia (ze względu na spore koszty specjalistycznych linii do przetwórstwa) jak i w krajach takich jak Indie czy Chiny gdzie występuje duże zapotrzebowanie na tanie kompozyty np. w budownictwie.
Typowe kształty użytej mączki w postaci sypkiej, jak i jej przekrój przedstawiono poniżej: rozwinięta powierzchnia włókien
Zgład (z lewej) i przełom otrzymany w ciekłym azocie PELD z dodatkiem mączki drzewnej 2000x 1000x dobra adhezja mączki do polimerowej osnowy
Polimery na osnowę WPC - odmiany do wtrysku, wytłaczania, prasowania i odlewania rotacyjnego o wysokim wskaźniku płynięcia: PP, PVC, HDPE a także: PS, PC, PET, LDPE i PA Zalety granulatów: - redukcja zapylenia - lepsze dozowanie - lepsze wymieszanie
Właściwości WPC Wysoka sztywność wyrobów znaczny wzrost modułu sprężystości (w zależności od ilości i rodzaju włókien mączki) nawet do poziomu 10.000 MPa 30% - 3000-4000 MPa 50% - 5000-6000 MPa Dobra wytrzymałość (szczególnie na zginanie) 50 70 MPa Odporność na moczenie w wodzie niewielkie zmiany właściwości nawet po kilku latach moczenia (dla kompozytów o około 50 60 % udziale mączki), Chłonność wody od kilku do maksymalnie 10% Odporność na promieniowanie UV i procesy starzeniowe Odporność na grzyby (przy zastosowaniu odpowiednich dodatków)
PRZETWÓRSTWO Kompozyty WPC mogą zawierać różną ilość naturalnego napełniacza (wagowo od 10% aż do 90%) Dominującą rolę w procesie przetwórstwa tworzyw napełnionych włóknami naturalnymi odgrywa wytłaczanie, które jest stosunkowo proste w przypadku wyrobów zawierających do około 40% napełniacza
70-90% zawartość mączki drzewnej Wytłaczarki dwuślimakowe o ślimakach stożkowych BEZ KALIBRACJI CHŁODZENIE POWIETRZEM wytłaczanie drewna 40-70% zawartość mączki drzewnej Wytłaczarki dwuślimakowe o ślimakach stożkowych 5-40% zawartość mączki drzewnej Wytłaczarka jedno lub dwuślimakowa, tradycyjne oprzyrządowanie KALIBRACJA CHŁODZENIE WODĄ nisko napełniane wytłaczanie kompozytu
Konstrukcja ślimaka i rozkład temperatur transport uplastycznienie temperatura ciśnienie
Linia do wytłaczania Ślimakowy, pionowy podajnik mączki drzewnej Ślimakowy dozownik PP ze strefami grzanymi Chłodzona głowica pełniąca również funkcję kalibratora Stół chłodzący rolkowy
Wytłaczarka Cincinnati Extrusion Conical Machine Concept Strefa dozowania APC - chłodzenie powietrzne Przekładnia Silnik, AC or DC Aktywna lub wewnętrzna kontrola temp. ślimaka
Wytłaczanie drewna czy klasyczne wyższe koszty inwestycji niższe koszty przetwórstwa aplikacje wewnętrzne mniejsze koszty inwestycji wyższe koszty przetwórstwa wyroby zewnętrzne i wewnętrzne większą wydajność Wybór zależy od produktu i możliwości rynku
Wtrysk wtrysk kompozytów WPC o zawartości mączki drzewnej do około 50-60% (zwykle po wcześniejszej granulacji) i produkcja na ich bazie przykładowo pojemników, donic, palet, a także profili drzwi i elementów wykańczających (przemysł samochodowy).
Wytłaczanie z prasowaniem duże przedmioty grubsze ścianki Rotomoulding Średnie i duże przedmioty niższe serie cieńsza niż w prasowaniu ścianka
Wykonywanie proszków z kompozytów WPC 1. shrinkage (%) Polymer PE: 1 % WPC: ~ 0-0,1 % 2. density (g/cm3) Polymer PE: 0,96 WPC: 0,43-0,90
Porównanie lepkości WPC i PP
Zmienne parametry procesu rotowania WPC
Wytrzymałość na zginanie WPC
Widok próbki badawczej i jej przekroju Rotational molding machine used in research Specimen produced during tests
Wyniki badań mechanicznych wykonanych kompozytów PE/napełniacz naturalny mączka drzewna (wood flour softwood) Rm [MPa] Re [MPa] E [MPa] ε Rm [%] ε zryw [%] PE 17,3 6,4 585 10 84 PE + 10% sosna PE + 20% sosna PE + 10 łuski orkiszowe PE + 20 łuski orkiszowe 15,4 6,0 684 8 11 13,4 5,5 780 6 7 16,2 6,2 634 9 18 14,6 6,0 695 7 11 Łuska orkiszowa (spelt husk)
Możliwe rynki zastosowań WPC
Widok formy i wyrobu z WPC
Wyroby z WPC CUBO Ligno www.phk-polymertechnik.de
ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW WPC Wytłaczanie
deski - poprawa sztywności (w porównaniu z wyrobami z samych tworzyw sztucznych) - możliwość odchudzenia konstrukcji (ekonomiczność) - naturalne ciepło i mniejsza elektrostatyczność
Przemysł samochodowy
Dziękuję za uwagę Materiały Rettenmaier Cincinnati Nan Ya Plastics Continental Pau Thai Okura Sekisui Plawood LG TPC Möller Tech-Wood, PPT, Polyplank, Kosche and Deceuninck IPT Vismar... etc.