Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

6. fejezet - A POLIMER FELDOLGOZÁSTECHNIKA ELŐKÉSZÍTŐ LÉPÉSEI ÉS GÉPEI

6. fejezet - A POLIMER FELDOLGOZÁSTECHNIKA ELŐKÉSZÍTŐ LÉPÉSEI ÉS GÉPEI

Az alapanyag kiválasztás után, az adott alapanyag ömledék tulajdonságainak ismeretében foghatunk hozzá a polimerfeldolgozáshoz. Mielőtt azonban a tényleges alakadási technológiához – a kalenderezéshez, extruzióhoz, fröccsöntéshez kezdenénk, rendszerint be kell kevernünk az alapanyagba az adott alkatrész számára a feladat ellátásához szükséges adalékokat. Ezek egyrészt

  • védő adalékok (valamilyen hatás ellen):

    antioxidánsok (oxidáció ellen),

    stabilizátorok (öregedés ellen),

    antisztatikumok (feltöltődés ellen),

    lángállóságot, tűzvédelmet biztosító adalékok,

    biostabilizátorok stb., másrészt

  • funkcionális adalékok (valamilyen növekmény érdekében):

    lágyítók,

    csúsztatók, feldolgozást segítő adalékok,

    antisztatikumok (feltöltődés ellen),

    ütésállóságot javító adalékok,

    töltőanyagok, (vágott) erősítőszálak,

    habosítószerek,

    térhálósítást indító adalékok,

    kristályosodást indító gócképzők,

    színezékek, festékek stb.

Egy szokványos műszaki célú PVC cső recepturája (összetétele) 6–8 adalékot tartalmaz, egy gumiabroncs alapanyag keveréke ennél is többet. Általában: a legritkább esetben használhatjuk fel a kereskedelmi polimer alapanyagot adalékolás nélkül.

A polimer feldolgozási technológiák tipikus előkészítő lépése tehát a keverése. A polimer alapanyagot a rendszerint granulátum (2–3 mm-es szemcsék) vagy por alakban hozzák kereskedelmi forgalomba. Az adalékok egy része szemcsés vagy poralakú, de van közöttük sok folyadék, (vagy paszta) halmazállapotú is. A keverés technológiáinak és gépeinek a polimertechnikában két alaptípusa van

  • száraz (por) keverékek (dry blend) keverés, és

  • ömledék keverés, magasabb hőmérsékleten.

A szobahőfokon kevert száraz porkeveréket a legtöbbször változatlanul, ebben a (dry blend) formában adagolják a fröccsöntőgépbe, az extruderbe. A melegen kevert polimer ömledék vagy lehűlés nélkül közvetlenül táplálja a feldolgozó gépsort (pl. kalandert) – vagy az elkészült keveréket (újra) granulálni, szemcsézni kell.

A műszaki polimerek értékes alapanyagai rendszerint olyan igényes feldolgozástechnikát követelnek meg, amelyben az alapanyagot pl. granulátum állapotban gondosan meg kell szárítani.

A keverés során – amely egyébként a vegyipari technológiák, a vegyipari gépészet egyik legfontosabb művelete – meg kell különböztetnünk két módot:

  • Diszperzív keverés:

    kohezív, összetartó komponensek méretcsökkentésével összekapcsolt intenzív keverés,

    pl.:összetapadt festékpor bekeverése polimer (pl. PVC) porba (a festékszemek aprításával összekötve)

    pl. örvény elvű porkeverőben (fluid mixer).

  • Disztributív keverés:

    a komponensek méretcsökkentésével nem járó eloszlató, extenzív keverés,

    pl.: polisztirol (PS) és polifenilénoxid (PPO) ömledékek keverése kétcsigás extruderben.

A polimertechnikában az adott célra összeállított keveréket „kompaund”nak, (compound) nevezzük. Pl. az épületgépészeti célú PVC-cső gyártásához minden szükséges adalékot tartalmazó keverék ilyen kompaund.

A blend kifejezést a célszerűen együttműködő komponensekből álló polimer-polimer keverékekre alkalmazzák. Pl.: a polisztirol (PS) és a polifenilénoxid (PPO) ömledékben homogén blendet képez, és úgy viselkedik akár egy homopolimer vagy kopolimer. Ez természetesen feltételezi a termodinamikai összeférhetőséget (compatibility) – amit később (a 16.4 fejezetben) tárgyalunk.

Az ilyen összeférhetőség elég ritka. Ha mégis társítani akarunk két különböző – termodinamikailag összeférhetetlen, – vagyis az ömledékszilárdulás után (akár mikroméretű) szétkeveredést mutató – polimert, hogy ötvözetet (alloy) hozzunk létre, akkor kompatibilizáló adalékokra, eljárásokra van szükség. Ebben nagy szerepe lehet a különleges, nagyon intenzív keverési módszereknek és keverőgépeknek is.

6.1 A száraz keverékek keverőgépei

Száraz porok vagy apró szemcsézett (granulált) polimeranyagok összekeverésére felhasználhatjuk a gravitációt, a szabadesés hajtóerejét, de felhasználhatunk különféle keverőhatású gépelemeket is. Az alaptípusokat a 6.1 ábra mutatja be.

Az egyszerű eltolás elvű keverőelemek fordulatszáma lassú 0,1–1/ sec nagyságrendű. A kisebb, másodlagos keverőelemek fordulatszáma jóval magasabb. A 6.1 ábra első három géptípusát tipikusan a mesterkeverék (masterbatch) megjelenésű adalékok – pl. színezék – bekeverésére használják. A mesterkeverék az alapanyaghoz hasonló megjelenésű koncentrátum: – pl. granulátum alapanyaghoz hasonló méretű granulátum mesterkeverék. Így pl. 1 % tömény fekete festéket mesterkeverék formájában egyenletesen bekeverve a színtelen polimer alapanyagba kifogástalanul fekete terméket kapunk.

Száraz porkeverék keverőgép alaptípusok

6.1 ábra: Száraz porkeverék keverőgép alaptípusok [6.4] a) szabadesés elvű buktatott hordó, b) eltolás elvű keverők, forgó keverőlapát forgatott edényben, c) eltolás és repítés alapelvű fekvő henger keverő, d) repítés (centifugális) elvű nagysebességű örvény keverő

A száraz keverékek viszonylag lassú keverése nagyobb méretű – több m3-es – függőleges hengeres silókban is történhet.

Száraz porkeverék és granulátum- tároló keverősilók

6.2 ábra: Száraz porkeverék és granulátum- tároló keverősilók [6.4] A) gravitációs siló – „orgonasíp” keverőrendszer, B) granulátumkeverő pneumatikus átkeveréssel, C) vándorcsigás keverővel ellátott kúpos siló (porhoz), D) sűrített levegővel működő keverő (porkeverékhez) E) örvénylő porkeverés (szitaméret: 0,5 mm), F) függőleges keverőcsigás siló

Függőleges csigás keverősilók

6.3 ábra: Függőleges csigás keverősilók a) alsó- és b) felsőbetöltéssel [6.6]

Ezekben a keverés történhet pneumatikus úton vagy mechanikai keverőelemekkel. A 6.2 ábra C) változata például forgó és bolygó mozgást is végző keverőcsigát tartalmaz, amely felfelé hordja – és keveri – a siló falánál fellazított anyagot. Gyakran alkalmazott és jól bevált keverő a 6.2 ábra F) típusa, amelynek kétféle változatát valamivel részletesebben a 6.3 ábra mutatja be. Mindkettőben a központi helyzetű csiga egy másodlagos csőben felfelé hordja az egyre homogénebb porkeveréket, ill. adalékolt granulátumot. A sikeres keverés előfeltétele, hogy az összekeverendő anyagok mérete és sűrűsége elég közel legyen egymáshoz. Ellenkező esetben a nehezebb komponens óhatatlanul feldúsul a keverőberendezés alján.

A PVC-porból kiinduló száraz porkeverék-gyártás tipikus keverőberendezése a fluid-ágyas örvénykeverő. Alapelvét a 6.4 ábra mutatja be.

Örvénykeverő alapelve és laborméretű megvalósítása

6.4 ábra: Örvénykeverő alapelve és laborméretű (3l) megvalósítása [6.6]

A finom por-jellegű PVC alapanyag és adalékai, amelyek között por-jellegű, és folyadék konzisztenciájú egyaránt található, alkalmasan kialakított nagy fordulatszámú keverőlapáttal olyan nagy sebességű örvénymozgásra kényszerített, hogy a keverék csaknem „folyadék”-jellegű (fluid) állapotban „lebegni” kezd. A fordulatszám a kisebb (néhány l) térfogatú laboratóriumi keverőkben 1000 ford./perc feletti, s az ipari méretekben is (1–10 m3) 50 m/s kerületi sebességű a keverés. A porszemcsék (és az adalékok) súrlódása ilyen körülmények között 5–10 percen belül szobahőfokról mintegy 100 °C-ra melegíti fel a keveréket, ami éppen azt segíti elő, hogy a különféle adalékok (amelyek között folyadékállapotú lágyítók, alacsonyan olvadó csúsztatóanyagok, stabilizátorok, antioxidánsok stb. is vannak) bediffundáljanak a PVC por szemcséjébe, – és az ezután következő feldolgozási lépésben homogén módon eloszoljanak. Az eljárás szakaszos keverés.

Kétfokozatú örvénykeverő porkeverékek üzemi méretű gyártásához

6.5 ábra: Kétfokozatú örvénykeverő porkeverékek üzemi méretű gyártásához [6.1] Felül: forró keverő, terelőlapát, ürítőnyílás, meghajtás Alul: hűtő-keverő, ürítőnyílás

Az örvénykeverők (fluid keverők, gyorskeverők) ipari kivitelezésénél a gépészeti berendezés (6.5 ábra) tipikusan kétszintes, hiszen a gyors keverés fő berendezése akár 10 m3-es álló henger is lehet – amely természetesen nincs teletöltve PVC por anyaggal alapállapotban, hiszen a pornak fel kell lazulnia. A tipikusan 1 kW/m3 fajlagos teljesítményű meghajtás 50 m/s kerületi sebességgel ipari körülmények között is gyors felmelegedést okoz a súrlódó porszemcsék között (~10 perc alatt ~100–120 °C-ra). Az ipari méretű megvalósításban is szakaszos a művelet. Ekkora adag (pl. 5 tonna) forró keverék azonban kezelhetetlen masszává állna össze egy második lépcsőben beiktatott hűtő-keverő nélkül. Az alsó szinten működő, rendszerint 2 adag befogadására méretezett hűtő keverő sokkal lassúbb fordulatú, kettős falú (hűtött) edényből áll, amelynek arányai is eltérőek (nagyobb átmérőjű, kisebb magasságú). Ebben a kb. 40 °C-ra visszahűtött PVC „száraz keverék” már jól kezelhető, nem liszt-jellegű, de alkalmasan morzsalékos ahhoz, hogy közvetlenül betáplálhassuk pl. a PVC csőgyártó extruderbe vagy csőkötést (fitting) gyártó fröccsöntőgépbe.