A polimertechnika alapjai
Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)
Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ
Tartalom
Az eddig megismert műanyagfeldolgozó eljárásokkal nem lehet gazdaságosan palackokat, tartályokat vagyis üreges testeket előállítani. Az ilyen termékek előállítására több módszert is kifejlesztettek. A leggyakrabban alkalmazott technikák:
extrúziós fúvás
fröccsfúvás
rotációs öntés
összeépítés két héjból.
Az extrúziós fúvásnál a hőre lágyuló műanyagból extrudált cső-darabot, (amely még nem hűlt le) behelyezik az alakadó szerszámba, és a csőbe vezetett sűrített levegővel a nagyrugalmas állapotban levő csövet nekipréselik a szerszám falának.
A fröccsfúvásnál annyi a különbség, hogy a polimerből először előformát fröccsöntenek, és ezt helyezik el a végső alakot adó szerszámban, ahol felfújják. Mindkét eljárásban a felfúvás után a polimert hagyják lehűlni a temperált szerszámban, majd mikor a termék már kellően alacsony hőmérsékletű, eltávolítják a szerszámból.
A rotációs öntésnél fűthető szerszámban helyezik el a hőre lágyuló műanyag granulátumot vagy port, a szerszámot felmelegítik, és közben két egymásra merőleges tengely körül forgatják. A megolvadó polimer a centrifugális erő hatására veszi fel a szerszám alakját. Ezzel az eljárással zárt termékek is előállíthatók.
Az összeépítésnél két – fröccsöntéssel vagy vákuumformázással kialakított – héj-részt (pl. két félgömböt) építenek össze. Az eljárás különlegessége, hogy különböző anyagú héj-részeket is össze lehet építeni.
A fúvásos technológiákkal napjainkban 2 millió tonna feletti hőre lágyuló polimer mennyiséget dolgoznak fel, főként csomagolóanyaggá (üdítőitalos, olajos, mosószeres palackok, kozmetikai cikkek flakonjai, stb.) A két leggyakrabban használt anyag a HDPE és a PET, együttesen a teljes felhasznált polimer mennyiség 90 %-át teszik ki. Legnagyobb felhasználó az élelmiszeripar. Ezen kívül PVC-t és PP-t is gyakran dolgoznak fel extrúziós vagy fröccsfúvással.
Új piacot jelent a fúvásos technológiák számára a különféle műszaki műanyagok feldolgozása. Az autóiparban üreges lökhárítókat, kocsi-ülések vázát, valamint üzemanyagtartályokat állítanak így elő. A bútoriparban üreges bútorlapokat készítenek, főleg irodai berendezési tárgyak előállításához.
A fúvásos technológiával feldolgozható műanyagok választékában napjainkban még nem szerepelnek erősen töltött vagy szálerősítésű anyagok, mert ezek folyóképessége és ömledékszilárdsága nem megfelelő. Kis mértékben töltött (főként a folyóképességet kevéssé befolyásoló töltőanyagokkal, pl. talkum, faliszt) műanyagok feldolgozására már történtek kísérletek.
Az extrúziós fúvásnál extrúzióval csövet készítenek a polimerből. A még meleg, nagyrugalmas állapotban levő csövet (előgyártmány) két félből álló szerszámban, sűrített levegővel (ritkábban, degradációra érzékenyebb polimerek esetén nitrogén gázzal) a szerszám falához préselik, ahol a műanyag felveszi a szerszám alakját. A leggyakrabban készített palackoknál a (többnyire csavaros) nyak kiképzése az ún. tüske segítségével történik.
A 10.1 ábrán látható az extrúziós fúvás vázlata. Mivel az extrudált cső nincs megtámasztva, a polimer kiválasztásánál a legfontosabb szempont az ömledékszilárdság. A csőnek nem szabad elszakadni saját súlya alatt, ugyanakkor kellően rugalmasnak kell lennie ahhoz, hogy a szerszám alakját felvegye.
Extrúziós fúvással tipikusan 250 ml és 5000 l közötti üreges testeket lehet előállítani. A folyamatosan dolgozó extruderrel működő technológiákat előszeretettel használják a termikus degradációra érzékeny anyagok, mint a PVC, feldolgozására. Az extrúziós fúvással előállított termékeknél kevesebb kötöttség van, mint a fröccsfúvással előállítottaknál, így pl. itt könnyen kialakítható a palackon üreges fogantyú. Szintén viszonylag szabad keze van a tervezőnek erősen nyújtott, vagy lapos alakok kialakításában. Az extrúziós fúvás szerszámait gyakran készítik alumíniumból, így a szerszám költsége kb. egyharmada a fröccsszerszáménak. Az előgyártmány tömegét, illetve vastagság¬eloszlását viszonylag könnyen lehet változtatni, ezért az extrúziós fúvást gyakran alkalmazzák prototípus kifejlesztésére.
10.1 ábra:Extrúziós fúvás [10.1] balra: cső extrudálása, középen: a cső felfújása a szerszámban, jobbra: szerszámnyitás és kidobás
Az extrúziós fúvással előállított termék tervezésénél is célszerű néhány szabályt betartani. Ilyenek pl. a felfúvási arány, lekerekítési sugarak, a szerszámok geometriai méretei, stb. A jó termék tervezésének alapfeltétele a folyamat és a berendezés alapos ismerete.
A legtöbb extrúziós fúvással előállított terméknél célszerű lekerekített formákat, kúpos felületeket kiképezni. A nagyobb lapos felületeket, éles sarkokat kerülni kell. Az ilyen sarkok elvékonyodnak, a lapos felületek pedig általában deformálódnak, eltorzulnak. Hasonló módon a kiemelkedő vonalak sugara is legalább 1,5 mm legyen, különben az előgyártmány nem tudja kitölteni az alakot, és a bezárt levegő beégést okozhat.
Az extrúziós fúvásnál a 4:1 felfúvási arányt lehet maximumnak tekinteni. Ezt az arányt az egyes részeknél sem szabad túllépni. Az olyan fogantyú-kialakítások például, amelyek mélyebbek, mint amilyen szélesek a szerszám osztósíkja mentén, gyakran elvékonyodnak és gyengék lesznek.
Merevítő bordák kialakításával gyakran ellentétes hatást érünk el. Ezek megnövelik a lefedendő területet, így szintén a falvastagság csökkenését, és ezzel a merevség csökkenését idézik elő. (Csőharang vagy harmonika-hatás.)
Az extrúziós fúvási technológia és a terméktervezés nemcsak a palackok mechanikai tulajdonságait, de azok űrtartalmát is befolyásolják. A vékonyabb falú palackok nem csak könnyebbek lesznek, de jobban „kihasasodnak”. Egy 4 l-es palack tömegét 5 g-mal csökkentve azt tapasztalták, hogy a palack térfogata 12 ml-el megnőtt. A részletesebb vizsgálat szerint 5 ml ebből a tömegcsökkenés, míg 7 ml a kihasasodás következménye volt. A nagyobb ömledék és szerszámhőmérséklet, rövidebb élőgyártmány-hossz, rövidebb ciklusidő és megnövelt levegőnyomás mind a palack térfogatát csökkentő tényező.
Az extrúziós fúvásnál tehát az extruder a plasztifikált polimer ömledékből csövet állít elő, amelyet a szerszám két fele közrezár. A szerszámba fúvótüskét helyeznek, amelyen keresztül a túlnyomásos levegő a nagyrugalmas állapotban levő csövet a szerszám falához nyomja. A cső (más néven előgyártmány) felveszi a hideg szerszám alakját, és lehűl. A szerszám összezáródásakor minden esetben sorja keletkezik, amelyet a termékről leválasztanak és visszadolgoznak.
Két alapvető extrúziós fúvási technológiát különböztethetünk meg:
a folyamatos és
a szakaszos extrúziós fúvást
A folyamatos technológiánál az előgyártmány csövet olyan (mérsékelt) sebességgel extrudálják, amely megfelel a fúvás, hűtés és eltávolítás sebességének. A fúvószerszámot nem helyezhetjük közvetlenül az extruder alá, hiszen az akadályozná a folyamatos előgyártmány készítést. Itt is két alapvető megoldás terjedt el: kisebb (kb. 1000 ml-ig) termékeknél a szerszámot mozgatják a 10.2 ábra szerint, nagyobb terméknél az előgyártmányt lecsípik, és azt szállítják a formázószerszámhoz, 10.3 ábra.
10.2 ábra:Szerszámmozgatás függőlegesen vagy oldalirányban [10.4]: I) függőlegesen, II) oladalirányban, 1) extruder fej, 2) cső, 3) fúvószerszám
10.3 ábra:Előgyártmány mozgatása [10.4] 1) extruder fej, 2) fúvószerszám 3) cső, 4) lecsípő fogó
A 10.2 ábrán vázolt szerszámmozgatásos módszernek is több változata terjedt el: a szerszámot emelő módszer, 10.4 ábra, a karusszel-elrendezés, 10.5 ábra, illetve a váltószerszám, 10.6 ábra.
10.4 ábra:Folyamatos extrúzió emelt szerszámmal [10.4] a) előgyártmány extrúzió, b) szerszámzárás, c) felfúvás, d) hűtés, e) késztermék eltávolítás, f) szerszám felemelése
10.5 ábra:Több szerszámos függőleges karusszel elrendezésű extrúziós fúvó berendezés. Az egyes palackokat a szerszámnyitáskor választják le a folyamatos előgyártmányról [10.2]
10.6 ábra:Váltószerszámos folyamatos extrúziós fúvó berendezés. Ennél a kétoldalas rendszernél a szerszámok felváltva fogadják az előgyártmányt [10.1]
A folyamatos extrúziós fúvás termelékeny, és egyes esetekben, mint pl. hőérzékeny polimerek feldolgozásakor az egyetlen elfogadható megoldás.
A szakaszos extrúziós fúvás a másik elterjedt technológiai megoldás. Itt az előgyártmány csövet az előző termék eltávolítása után közvetlenül az extruder szerszám alatt elhelyezett, és nem mozgatott formaadó szerszámba extrudálják. A teljes folyamat, a felfúvás, lehűtés, és késztermék eltávolítás mind az extruder fej alatt elhelyezett szerszámban történik. Ennél a megoldásnál az előgyártmányt befogó szerkezet egyszerűbb megoldású lehet, mint a folyamatos technológiáknál. A szakaszosan működő extrudercsiga miatt a módszer leginkább a kevéssé hőérzékeny poliolefinek feldolgozásához alkalmas. A szakaszos extrúziós fúvási technológiának is több változata terjedt el: a tengelyirányban elmozduló csigadugattyús változat (hasonló a fröccsöntőgépeknél alkalmazott megoldáshoz), 10.7 ábra, a napjainkban már ritkán alkalmazott gyűrűdugattyús ömledéktárolós (akkumulátoros) változat, 10.8 ábra, és a 10.9 ábrán látható akkumulátor (tároló)-fejes változat.
10.7 ábra:Szakaszos extrúziós fúvó berendezé1 [10.4]
10.8 ábra:Gyűrűdugattyús ömledéktárolós extrúziós fúvó fej vázlata [10.4] 1) falvastagság állító rúd, 2) hidraulikus henger, 3) gyűrűdugattyú
10.9 ábra:Tárolós (akkumulátor) fej vázlata [10.4]
Az akkumulátor-fejes szerszámok főleg nagyobb méretű termékek előállítására használatosak. Előnyösebbek a korábban alkalmazott gyűrűdugattyús ömledéktárolós fejeknél, mert míg azokban működési módjukból adódóan az először a szerszámba került ömledék utolsónak hagyta el a szerszámot, az akkumulátor-fejes szerszámoknál az először bekerült ömledék elsőként távozik a tárolófejből.
A modern gépeken (akár szakaszos, akár folyamatos működésűek) a cső előgyártmány falvastagsága programozható (10.10. ábra), például az extruder csigafordulatszámának változtatásával, vagy olyan szerkezeti egységgel, amely a szerszám résméretét tudja programozottan változtatni. Az előgyártmányon így vékonyabb-vastagabb gyűrűket tudunk kialakítani, a késztermék falvastagság igényének megfelelően. A programozott falvastagságú előgyártmány előnye, hogy a késztermék mechanikai tulajdonságainak javításán túl tömeg, és ezzel árcsökkentést is lehetővé tesz.
10.10 ábra:Extrúziós fúvásnál az előgyártmány (cső) falvastagsága programozható. A falvastagságot ott növelik meg, ahol a termék alakja miatt a nyúlás nagy [10.1]
A fóliáknál, illetve egyéb extrúziós termékeknél jól bevált koextrúziós technológia az extrúziós fúvásnál is alkalmazható. Az első koextrúziós fúvási technológiával előállított termékek élelmiszeripari csomagolóanyagok voltak, amelyeknél fontos az oxigén és párazárás, valamint a jó ütésállóság. Ezeket a tulajdonság kombinációkat monolitikus szerkezettel elérni nem, vagy csak drágán lehet. A HDPE és a PP pl. jó párazáró képességű anyag, ugyanakkor oxigénáteresztő képességük nagy. Az etilén-vinilalkohol kopolimer (EVOH) gázáteresztő képessége (O2, CO2) kicsi, viszont víz hatására bomlik. Élelmiszercsomagolásra ezeket az anyagokat kiválóan lehet kombinálni; ötrétegű szendvicsszerkezet kialakítását láthatjuk a 10.11 ábrán.
10.11 ábra:Koextrúzióval előállított ötrétegű szendvicsszerkezet [10.1] A betűk jelentése: S) külső réteg, pl. HDPE, B) középső, kis gázáteresztő képességű réteg, kb. 5-15 % (pl. EVOH, ionomer), A) ragasztó (kötő) réteg, kb. 2 %
Néhány egyéb, koextrúzióval kialakítható szendvicsszerkezet: háromrétegű szendvics, ahol a középső réteg a gyártási folyamatban keletkező, vagy a felhasználóktól begyűjtött és újrafeldolgozott hulladék. Itt nincs szükség ragasztóréteg(ek)re, mert mindhárom réteg azonos polimert tartalmaz. Kétrétegű szerkezet: a fal külső vékony rétege anyagában színezett polimer, a belső réteg natúr polimer. Ragasztóréteg itt sem szükséges. Mindkét megoldás előnye a monolit szerkezettel szemben az alacsonyabb alapanyag-ár. Bár az első, és ma is legnagyobb felhasználó az élelmiszeripari csomagolóanyagok előállítása, a módszer más területeken is egyre jobban terjed; pl. gépkocsik üzemanyagtartálya, ipari és mezőgazdasági vegyszerek tároló tartályai.
Az előzőekben ismertetett extrúziós fúvási technológiák mind alkalmasak koextrúziós fúvásra is. A megfelelő technológia kiválasztásához a termék és az anyag ismeretén kívül szükséges a várható termelési volumen ismerete is.
A koextrúziós fúvás alternatívája lehet a DuPont cég által kifejlesztett ún. lamináris morfológiájú extrúziós fúvási technológia. Ennél az eljárásnál egyesítik a koextrúzióval előállítható termékek jó tulajdonságait a hagyományos extrúziós fúvás viszonylag egyszerű berendezéseivel és relatív alacsony költségével.
Az előgyártmány készítéséhez két polimert használnak itt is, mint a koextrúziónál: egy jó gázzáró tulajdonságú polimert, amelyet 10–15 %-os arányban mechanikusan hozzákevernek a (viszonylag) olcsó jó víz-gőzzáró, másik polimerhez (pl. poliolefinhez). Az előgyártmány készítéshez egyszerű extrudert használnak, amelyben a nyírás hatására a két anyag a 10.12 ábra szerinti átlapoló, réteges szerkezetet hozza létre. Bár a gázzáró polimer nem alkot folytonos réteget, a gázmolekuláknak igen hosszú, zegzugos utat kell megtenniük a falban, hogy az egyik oldalról átjussanak a másikra, ezért a gázáteresztő képesség igen kicsi lesz. A folytonos vízgőz-záró réteg ugyanakkor nedvesség áteresztéssel szemben teljes biztonságot ad.
10.12 ábra:Lamináris morfológiájú palack falának vázlatos szerkezete [10.2]